CN104383811A - 一种基于秸秆灰的半干法脱除二氧化碳的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于秸秆灰的半干法脱除二氧化碳的方法，来自锅炉含二氧化碳的烟气经过烟气冷却器降温后由砂芯布气板喷入喷雾流化床反应器，与事先添加在喷雾流化床反应器内的秸秆灰吸附剂发生加湿流态化反应。当一个喷雾流化床反应器再生时，烟气将自动切换流入另一个喷雾流化床反应器。两个喷雾流化床反应器相互交叉使用和再生。该方法利用生物质燃烧废弃物脱除二氧化碳，可实现以废治废，是一种具有广阔应用前景的二氧化碳脱除方法及装置。

Description

一种基于秸秆灰的半干法脱除二氧化碳的方法
技术领域
本发明涉及燃烧烟气污染物控制领域，具体涉及一种基于秸秆灰的半干法脱除二氧化碳的方法。 
背景技术
温室效应是目前世界上公认的主要环境问题之一。研究表明，近五十年的气候变暖主要是人类使用化石燃料排放的大量二氧化碳等温室气体造成的。因此，近年来二氧化碳等温室气体的排放问题已受到国际社会的广泛关注。中国政府向国际社会表明了中方在气候变化问题上的原则立场，明确提出了我国应对气候变化将采取的重大举措：到2020年我国单位国内生产总值二氧化碳的排放将比2005年下降40％-45％。燃煤电厂二氧化碳排放是我国温室气体的最主要来源，约占总排放量的50％。随着燃煤火电机组装机容量的迅速增加，燃煤电厂二氧化碳排放量还将进一步增加。因此，积极开发有效的燃煤电厂二氧化碳减排技术具有十分重要的战略意义。 
目前，国内外开发的主流二氧化碳脱除技术主要可分为物理吸收法、膜吸收法、化学吸收法、离子液体法、电化学法和O2/CO2富氧燃烧法和化学链燃烧法等等。在这些技术中，吸附脱除法因吸附剂可再生利用和脱除过程无废液产生等优点收到国内学术界和工程界的广泛关注，已成为目前最有发展前景的二氧化碳脱除技术之一。吸附法脱除二氧化碳技术研究最多的是采用碱性碳酸盐(碳酸钾、碳酸钠和碳酸钙)与烟气中的二氧化碳发生碳酸化反应生成碳酸氢盐，然后在高温煅烧后回收二氧化碳并实现吸附剂的再生利用。 
但目前存在的问题是，碱性碳酸盐价格昂贵，且吸附再生过程中损耗严重，导致应用成本很高。另外，其它一些学者还尝试采用碱性天然矿物材料吸附脱除二氧化碳，但天然矿物材料与二氧化碳的反应速率极慢，无法获得大规模应用。 
综上所述，目前还没有一种适合于大规模应用的二氧化碳脱除技术。 
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于秸秆灰的半干法脱除二氧化碳的方法。采用生物质燃烧废弃物秸秆灰作为二氧化碳脱二氧化碳吸附剂，以次氯酸钠为催化剂在喷雾流化床反应器内吸附脱除二氧化碳；在分离再生器中回收二氧化碳并通过烟气余热高温再生吸附剂。 
本发明的脱除过程原理： 
由图1、图2和图6、图7所示，以水稻秸秆制取的秸秆灰吸附剂为代表，采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、X射线荧光光谱(XRF)和氮吸附法分别测定了吸附剂的表面形貌特征、主要成分及含量以及吸附剂的比表面积和孔径分布等关键物理和化学参数，并初步考察了吸附剂的吸附性能。 
结果表明，水稻秸秆制取的秸秆灰吸附剂主要成分是K2CO3、CaCO3、SiO2、MgO和Al2O3等碱金属盐和金属氧化物。其中，K2CO3和CaCO3均是良好的二氧化碳吸附材料。如果结合催化剂次氯酸钠联合使用，将获得良好的吸附脱除效果。因此，采用秸秆灰吸附剂结合次氯酸钠催化剂联合脱除二氧化碳在技术方法和原理上具有可行性。 
为实现以上目的，根据上述原理，本发明采用的技术方案如下： 
一种基于秸秆灰的半干法脱除二氧化碳的方法，采用生物质燃烧废弃物秸秆灰作为二氧化碳吸附剂，以次氯酸钠为催化剂在喷雾流化床反应器内吸附脱除二 氧化碳；在分离再生器中回收二氧化碳并通过烟气余热高温再生吸附剂；来自锅炉含二氧化碳的烟气经过烟气冷却器降温后由砂芯布气板喷入喷雾流化床反应器，与添加在喷雾流化床反应器内的秸秆灰吸附剂发生加湿流态化反应；储液器中的次氯酸钠溶液作为催化剂经喷雾泵抽吸，并由雾化喷嘴喷入喷雾流化床反应器内参与流态化反应。 
该方法所采用的装置设有烟道、烟气冷却器、喷雾流化床反应器、分离再生器、风机、喷雾泵、雾化喷嘴和阀门；所述喷雾流化床反应器顶部设有阀门c，阀门c下部依次设有砂芯分离板、电动刮灰板；所述喷雾流化床反应器的底部设有砂芯布气板；所述锅炉的烟道通过烟气冷却器与喷雾流化床反应器的底部的入口连接；所述喷雾流化床反应器的底部设有秸秆灰的出入口a以及吸附饱和后的秸秆灰吸附剂的出口n，出口n与分离再生器的入口d连接，分离再生器的出口e与喷雾流化床的入口m连通。 
所述喷雾流化床内的上部设有雾化喷嘴，雾化喷嘴与储液器通过管道连接，所述管道上设有喷雾泵，所述储液罐储存催化剂次氯酸钠溶液。 
喷雾流化床反应器底部设有砂芯布气板，主要用于分布烟气，砂芯布气板的平均孔径要求小于40微米，以实现均匀布气。顶部设有砂芯分离板，主要用于实现吸附剂和烟气的分离，砂芯分离板的平均孔径要求小于30微米，以防止吸附剂随烟气逃逸。砂芯分离板下部设有电动刮灰器，由一字毛刷和驱动轴构成，可由电动机驱动旋转，主要用于刮除砂芯分离板下部积累的吸附剂，防止堵塞。 
秸秆灰吸附剂由喷雾流化床反应器的出入口a添加和排出；锅炉设有两个烟气出口，两个烟气出口上均设有用于切换烟气的流动方向的阀门V2，主烟道上设有风机为烟气流动提供动力；两个烟气出口分别连接一个喷雾流化床反应器， 当一个喷雾流化床反应器需要再生时，烟气将通过阀门V2自动切换流入另外一个喷雾流化床反应器。两个喷雾流化床反应器相互交叉使用和再生。 
烟气经过烟气冷却器降温后由喷雾流化床反应器的入口b，经砂芯布气板喷入喷雾流化床反应器，与事先由入口a添加在喷雾流化床反应器内的秸秆灰吸附剂发生流态化反应；吸附饱和后的秸秆灰吸附剂通过喷雾流化床反应器的出口n由风机吸入分离再生器再生，再生后的秸秆灰吸附剂再由喷雾流化床反应器的入口m通入喷雾流化床反应器内循环使用；分再生离器出入口f用于通入氮气冲洗和携带秸秆灰吸附剂上的二氧化碳，冲洗完毕后仍由出入口f排出并压缩回收利用。 
采用的秸秆灰吸附剂是由锅炉、农村土灶或露天燃烧的植物秸秆制取的灰； 
所述的秸秆包括水稻、小麦、玉米、棉花、树木的秸秆中的一种或多种的混合体。 
吸附剂的投加量按喷雾流化床反应器体积的每立方米投加2kg-12kg；来自锅炉的烟气温度由烟气冷却器降温到60℃-120℃；来自锅炉烟气中二氧化碳的体积分数不大于30％；储液器中次氯酸钠溶液的摩尔浓度为0.01mol/L-1.0mol/L；次氯酸钠溶液的喷雾量是50g/h-300kg/h；次氯酸钠溶液的雾化液滴粒径不大于20微米。 
所述的分离再生器是利用烟气余热高温解析二氧化碳，同时实现吸附剂活化再生；来自锅炉烟道的高温烟气，通过分离再生器的高温烟气入口h通入，并由高温烟气出口i回到锅炉烟道；高温烟气中的热量由分离再生器中热管的蒸发段吸收并传递给另外一段的冷凝段，该热量用于加热解析吸附的二氧化碳，为秸秆灰吸附剂的活化和再生提供所需的热能。 
本发明的优点及显著效果： 
本发明涉及一种基于秸秆灰的半干法脱除二氧化碳的方法，采用生物质燃烧废弃物秸秆灰作为二氧化碳脱除的吸附剂，以次氯酸钠为催化剂在喷雾流化床反应器内吸附脱除二氧化碳，在分离再生器中回收二氧化碳并通过烟气余热高温再生吸附剂。该方法利用生物质燃烧废弃物脱除二氧化碳，吸附剂应用成本极低，脱除过程无废液产生，可实现以废治废，是一种具有广阔应用前景的二氧化碳脱除方法及装置。 
附图说明
图1是秸秆灰吸附剂的扫描电镜(SEM)图。 
图2是秸秆灰吸附剂的X射线衍射仪(XRD)图。 
图3是本发明系统及装置的工艺流程图。 
图4a是本发明砂芯分离板和电动刮灰板的俯视图。 
图4b是本发明砂芯分离板和电动刮灰板的主视图。 
图5是本发明的分离再生器的结构图。 
图6秸秆灰吸附剂采用X射线荧光光谱(XRF)测试的成分和含量的分析结果。图7秸秆灰吸附剂采用的氮吸附法测试的比表面积和孔径结果。 
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的说明。 
喷雾流化床反应器3顶部设有阀门c，阀门c下部依次设有砂芯分离板6、电动刮灰板5；所述喷雾流化床反应器3的底部设有砂芯布气板7；所述锅炉的烟道通过烟气冷却器2与喷雾流化床反应器3的底部的入口b连接；所述喷雾流化床反应器3的底部设有秸秆灰的出入口a，秸秆灰吸附剂由出入口a添加和 排出，以及吸附饱和后的秸秆灰吸附剂的出口n，出口n与分离再生器4的入口d连接，再生之后的吸附剂通过分离再生器4的出口e与喷雾流化床的入口m连通。 
分离再生器4设有氮气出入口f，所述出入口f用于通入氮气冲洗和携带秸秆灰吸附剂上的二氧化碳，冲洗完毕后由氮气出入口f排出并压缩回收利用；所述分离再生器4设有高温烟气入口h以及高温烟气出口i；所述分离再生器4设有吸附剂入口d和吸附剂出口e，分离再生器4设有换热器隔板4-1，热管蒸发段4-2以及热管冷凝段4-1。由吸附剂捕获的二氧化碳由分离再生器4解析后回收利用。 
分离再生器4是一种兼顾高温活化和解析的分离再生器4，即可利用烟气余热高温解析二氧化碳，并同时实现吸附剂活化再生。来自锅炉烟道的高温烟气(最佳温度为300℃-500℃，最佳流量为200-1000Nm3/h)，可通过分离再生器4的高温烟气入口h通入，并由高温烟气出口i回到锅炉烟道。高温烟气中的热量由分离再生器4中热管的蒸发段4-2吸收并传递给另外一段的冷凝段4-2(蒸发段与高温烟气段对应，冷凝段与吸附剂活化再生段对应)，该热量用于加热解析吸附的二氧化碳，并为秸秆灰吸附剂的活化和再生提供所需的热能。 
锅炉设有两个烟气出口，两个烟气出口上均设有阀门V2，用于切换烟气的流动方向，主烟道上设有风机1-1为烟气流动提供动力。烟气经过烟气冷却器2降温后由入口b，经砂芯布气板7喷入喷雾流化床反应器3，与事先由出入口a添加在喷雾流化床反应器内的秸秆灰吸附剂发生流态化反应。 
与此同时，储液器8中的次氯酸钠溶液作为催化剂经喷雾泵9抽吸，并由雾化喷嘴10喷入喷雾流化床反应器3内参与流态化反应。吸附饱和后的秸秆灰 吸附剂通过出口n由风机1-2吸入分离再生器4再生，再生后的秸秆灰吸附剂再由喷雾流化床反应器3的入口m通入喷雾流化床反应器3内循环使用。分再生离器出入口f用于通入氮气冲洗和携带秸秆灰吸附剂上的二氧化碳，冲洗完毕后仍由出入口f排出并压缩回收利用。 
喷雾流化床反应器3底部设有砂芯布气板7，主要用于分布烟气，砂芯布气板7的平均孔径要求小于40微米，以实现均匀布气。顶部设有砂芯分离板6，主要用于实现吸附剂和烟气的分离，砂芯分离板6的平均孔径要求小于30微米，以防止吸附剂随烟气逃逸。砂芯分离板下部设有电动刮灰板5，由一字毛刷5-1和驱动轴5-2构成，可由电动机驱动旋转，主要用于刮除砂芯分离板6下部积累的吸附剂，防止堵塞。 
采用的秸秆灰吸附剂是由锅炉、农村土灶或露天燃烧的植物秸秆制取的灰。所述的秸秆包括水稻、小麦、玉米、棉花、树木的秸秆中的一种或多种的混合体。吸附剂的投加量可按喷雾流化床反应器体积的每立方米投加2kg-12kg。 
来自锅炉的烟气温度应由烟气冷却器降温到60℃-120℃，以保证最佳的吸附温度。来自锅炉烟气中二氧化碳的体积分数不大于30％。储液器中次氯酸钠溶液的最佳摩尔浓度为0.01mol/L-1.0mol/L。次氯酸钠溶液的最佳喷雾量是50g/h-300kg/h。次氯酸钠溶液的雾化液滴粒径不大于20微米。 
来自锅炉含二氧化碳的烟气经过烟气冷却器2降温后由砂芯布气板7喷入喷雾流化床反应器3，与事先添加在喷雾流化床反应器3内的秸秆灰吸附剂发生加湿流态化反应。当一个喷雾流化床反应器3再生时，烟气将自动切换流入另一个喷雾流化床反应器3。两个喷雾流化床反应器3相互交叉使用和再生。 
实施例1.烟气中的二氧化碳的浓度为12％，烟气温度为90℃，秸秆灰吸 附剂浓度为4kg/每立方米反应器。储液器中次氯酸钠溶液的摩尔浓度为0.2mol/L。次氯酸钠溶液的喷雾量是50g/h。在小型实验系统上的试验结果为：烟气中二氧化碳的脱除效率为45.7％。 
实施例2.烟气中的二氧化碳的浓度为12％，烟气温度为60℃，秸秆灰吸附剂浓度为4kg/每立方米反应器。储液器中次氯酸钠溶液的摩尔浓度为0.2mol/L。次氯酸钠溶液的喷雾量是50g/h。在小型实验系统上的试验结果为：烟气中二氧化碳的脱除效率为52.3％。 
实施例3.烟气中的二氧化碳的浓度为12％，烟气温度为90℃，秸秆灰吸附剂浓度为8kg/每立方米反应器。储液器中次氯酸钠溶液的摩尔浓度为0.2mol/L。次氯酸钠溶液的喷雾量是50g/h。在小型实验系统上的试验结果为：烟气中二氧化碳的脱除效率为73.2％。 
实施例4.烟气中的二氧化碳的浓度为12％，烟气温度为90℃，秸秆灰吸附剂浓度为4kg/每立方米反应器。储液器中次氯酸钠溶液的摩尔浓度为0.5mol/L。次氯酸钠溶液的喷雾量是50g/h。在小型实验系统上的试验结果为：烟气中二氧化碳的脱除效率为79.3％。 
实施例5.烟气中的二氧化碳的浓度为12％，烟气温度为60℃，秸秆灰吸附剂浓度为12kg/每立方米反应器。储液器中次氯酸钠溶液的摩尔浓度为1.5mol/L。次氯酸钠溶液的喷雾量是300g/h。在小型实验系统上的试验结果为：烟气中二氧化碳的脱除效率为100％。 
实施例6.烟气中的二氧化碳的浓度为12％，烟气温度为90℃，秸秆灰吸附剂浓度为4kg/每立方米反应器。储液器中次氯酸钠溶液的摩尔浓度为0.5mol/L。次氯酸钠溶液的喷雾量是100g/h。在小型实验系统上的试验结果为： 烟气中二氧化碳的脱除效率为65.9％。 
实施例7.烟气中的二氧化碳的浓度为12％，烟气温度为60℃，秸秆灰吸附剂浓度为8kg/每立方米反应器。储液器中次氯酸钠溶液的摩尔浓度为0.5mol/L。次氯酸钠溶液的喷雾量是100g/h。在小型实验系统上的试验结果为：烟气中二氧化碳的脱除效率为83.1％。 
实施例8.烟气中的二氧化碳的浓度为12％，烟气温度为60℃，秸秆灰吸附剂浓度为12kg/每立方米反应器。储液器中次氯酸钠溶液的摩尔浓度为1.0mol/L。次氯酸钠溶液的喷雾量是200g/h。在小型实验系统上的试验结果为：烟气中二氧化碳的脱除效率为96.3％。 
综上所述，实施例5具有最佳的脱除二氧化碳脱除效果，最高脱除效率是达到100％，能够实现零排放，可作为最佳实施例参照使用。 

Claims (6)

1.一种基于秸秆灰的半干法脱除二氧化碳的方法，其特征在于，采用生物质燃烧废弃物秸秆灰作为二氧化碳吸附剂，以次氯酸钠为催化剂在喷雾流化床反应器内吸附脱除二氧化碳；在分离再生器中回收二氧化碳并通过烟气余热高温再生吸附剂；来自锅炉含二氧化碳的烟气经过烟气冷却器降温后由砂芯布气板喷入喷雾流化床反应器，与添加在喷雾流化床反应器内的秸秆灰吸附剂发生加湿流态化反应；储液器中的次氯酸钠溶液作为催化剂经喷雾泵抽吸，并由雾化喷嘴喷入喷雾流化床反应器内参与流态化反应。 
2.根据权利要求1所述的一种基于秸秆灰的半干法脱除二氧化碳的方法，其特征在于：秸秆灰吸附剂由喷雾流化床反应器的出入口a添加和排出；锅炉设有两个烟气出口，两个烟气出口上均设有用于切换烟气的流动方向的阀门V2，主烟道上设有风机为烟气流动提供动力；两个烟气出口分别连接一个喷雾流化床反应器，当一个喷雾流化床反应器需要再生时，烟气将通过阀门V2自动切换流入另外一个喷雾流化床反应器；两个喷雾流化床反应器相互交叉使用和再生。 
烟气经过烟气冷却器降温后由喷雾流化床反应器的入口b，经砂芯布气板喷入喷雾流化床反应器，与事先由入口a添加在喷雾流化床反应器内的秸秆灰吸附剂发生流态化反应；吸附饱和后的秸秆灰吸附剂通过喷雾流化床反应器的出口n由风机吸入分离再生器再生，再生后的秸秆灰吸附剂再由喷雾流化床反应器的入口m通入喷雾流化床反应器内循环使用；分再生离器出入口f用于通入氮气冲洗和携带秸秆灰吸附剂上的二氧化碳，冲洗完毕后仍由出入口f排出并压缩回收利用。 
3.根据权利要求1或2所述的一种基于秸秆灰的半干法脱除二氧化碳的方法，其特征在于：采用的秸秆灰吸附剂是由锅炉﹑农村土灶或露天燃烧的植物秸 秆制取的灰。 
4.根据权利要求3所述的一种基于秸秆灰的半干法脱除二氧化碳的方法，其特征在于：所述的秸秆包括水稻﹑小麦﹑玉米﹑棉花﹑树木的秸秆中的一种或多种的混合体。 
5.根据权利要求1或2所述的一种基于秸秆灰的半干法脱除二氧化碳的方法，其特征在于：吸附剂的投加量按喷雾流化床反应器体积的每立方米投加2kg-12kg；来自锅炉的烟气温度由烟气冷却器降温到60℃-120℃；来自锅炉烟气中二氧化碳的体积分数不大于30％；储液器中次氯酸钠溶液的摩尔浓度为0.01mol/L-1.0mol/L；次氯酸钠溶液的喷雾量是50g/h-300kg/h；次氯酸钠溶液的雾化液滴粒径不大于20微米。 
6.根据权利要求1至5任一项所述的一种基于秸秆灰的半干法脱除二氧化碳的方法，其特征在于：所述的分离再生器是利用烟气余热高温解析二氧化碳，同时实现吸附剂活化再生；来自锅炉烟道的高温烟气，通过分离再生器的高温烟气入口h通入，并由高温烟气出口i回到锅炉烟道；高温烟气中的热量由分离再生器中热管的蒸发段吸收并传递给另外一段的冷凝段，该热量用于加热解析吸附的二氧化碳，为秸秆灰吸附剂的活化和再生提供所需的热能。 
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