CN108302523B - 一种带水合反应器的复合吸收剂循环捕捉co2的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种带水合反应器的复合吸收剂循环捕捉CO2的装置及方法，该装置包括煅烧‑还原反应器(1)、冷凝器(2)、水合反应器(3)、空气反应器(4)、碳酸化反应器(5)、换热器(6)以及各部分之间的连接管道；该循环捕捉CO2的方法为：钙铜基复合吸收剂中的Ca(OH)2和CaO与进入碳酸化反应器的烟气反应，捕捉CO2；固体产物在煅烧‑还原反应器中与通入其中的CH4反应，产生高浓度CO2；部分反应后的固体进入水合反应器改善孔隙结构，增强反应活性；活化后的复合吸收剂进入空气反应器完成铜基载氧体的再生。本发明使用钙循环耦合化学链工艺实现了低能耗捕捉烟气中的CO2，同时借助水合反应抑制吸收剂碳酸化性能衰退。
Description
技术领域
本发明使用钙循环耦合化学链燃烧的方法捕集CO2，同时加入了水合反应器，属于能源技术与环境保护技术交叉领域。
背景技术
钙铜基复合吸收剂循环捕集CO2技术指利用以CuO和CaO作为主要成分的复合吸收剂捕集煤燃烧或气化产生的CO2，生成CaCO3，并在之后与气体燃料反应放出热量煅烧CaCO3，实现CO2浓缩的技术。该技术不仅具备钙循环原料低廉、来源广泛的优势，还引入化学链燃烧，避免采用高耗能的富氧燃烧再生钙基吸收剂。其工艺流程主要分为三步：CaO/CuO进入碳酸化反应器，与烟气中的 CO2反应生成CaCO3/CuO。CaCO3/CuO进入煅烧反应器/还原反应器，CuO与气态燃料CH4发生氧化还原反应释放热量，生成Cu、CO2和H2O。释放出的热量用于煅烧CaCO3生成CaO和高浓度的CO2。CO2经过简单冷凝除水后就可以进一步压缩封存或利用；CaO/Cu在空气反应器与空气反应，生成CaO/CuO。再生后的CaO/CuO继续进入碳酸化反应器。如此循环往复，适时补充新鲜的钙铜基复合吸收剂和0排出部分失活的吸收剂以实现整个系统的连续运行。该系统的碳酸化温度一般为650℃～700℃，煅烧温度一般为850℃～950℃。
钙铜基复合吸收剂循环捕集CO2技术面临着与传统的钙基吸收剂循环捕集 CO2技术相同的问题，即有效成分CaO在高温下会由于烧结，使得孔隙坍塌和阻塞，最终导致有效反应面积减小，碳酸化率下降，表现为钙铜基复合吸收剂的失活。
发明内容
技术问题：针对上述问题，本发明的目的是提供一种带水合反应器的复合吸收剂循环捕捉CO2的装置及方法，可克服传统钙基吸收剂循环捕集CO2技术的不足，有效减缓钙基吸收剂失活现象。
技术方案：本发明的一种带水合反应器的复合吸收剂循环捕捉CO2的装置，该装置包括煅烧-还原反应器、冷凝器、水合反应器、空气反应器、碳酸化反应器、换热器以及各部分之间的连接管道；其中，水合反应器物料入口与煅烧-还原反应器物料出口相连，水合反应器水蒸汽进口与换热器的水蒸汽出口相连，水合反应器出口与空气反应器进口相连；空气反应器出口与碳酸化反应器(5)进口相连；碳酸化反应器出口与煅烧-还原反应器进口相连；煅烧-还原反应器(1) 物料出口分两路，其中一路与空气反应器进口相连，另一路与水合反应器进口相连；煅烧-还原反应器的气体出口分两路，其中一路与换热器的气体进口，另一路与煅烧-还原反应器气体进口相连；换热器的气体出口与冷凝器连接，冷凝器的输出端与换热器的水进口相连。
本发明采用的带水合反应器的复合吸收剂循环捕捉CO2的装置的复合吸收剂循环捕捉CO2的方法如下步骤：
步骤一、煅烧-还原反应器的反应温度为850℃～950℃，CH4与来自碳酸化反应器的钙铜基复合吸收剂中的CuO反应，利用放出的热量煅烧钙铜基复合吸收剂中的CaCO3，生成CaO、水蒸气和高浓度的CO2；煅烧-还原反应器内生成的固体混合物一部分直接进入空气反应器，一部分经换热器换热后进入水合反应器；煅烧-还原反应器内生成的气体一部分在进入换热器换热后，进入冷凝器，另一部分返回煅烧-还原反应器作为流化风；
步骤二、来自于煅烧-还原反应器并在换热器放热后的气体在冷凝器中冷凝分离，高浓度的CO2被封存或利用，冷凝下的H2O经过换热器吸热后进入水合反应器；
步骤三、水合反应器的反应温度为200℃-400℃，来自于煅烧-还原反应器的钙铜基复合吸收剂中的CaO在其中与来自冷凝器并在换热器中吸热的H2O发生水合反应；水合活化后的钙铜基复合吸收剂进入空气反应器；
步骤四、来自煅烧-还原反应器和水合反应器的钙铜基复合吸收剂在空气反应器内发生反应，钙铜基复合吸收剂中的Cu被通入空气反应器的空气氧化成 CuO，氧化再生后的钙铜基复合吸收剂进入碳酸化反应器；
步骤五、碳酸化反应器的反应温度为650℃-700℃，烟气与来自空气反应器 (4)的钙铜基复合吸收剂发生化学反应，主要反应为钙铜基复合吸收剂中的CaO 与烟气中的CO2的结合，碳酸化反应结束的钙铜基复合吸收剂进入煅烧-还原反应器。
其中，
步骤一中煅烧和还原反应是同步发生的，并且反应在同一个煅烧-还原反应器内进行。
步骤三中水合反应所需要的水来自于步骤二中冷凝下来的水。
所述的钙铜基复合吸收剂均为人工合成的混合均匀、铜钙摩尔比例在1.3到 3.3之间的复合吸收剂。
本发明的原理如下：
煅烧-还原反应器反应温度为850℃～950℃，甲烷等气体燃料(设化学式为CnHmOx)与钙铜基复合吸收剂中的CuO发生以下反应：同时该反应放出的热量会煅烧钙铜基复合吸收剂中的CaCO3，发生以下反应：CaCO3→CaO+CO2。煅烧-还原反应器内生成的固体混合物一部分直接进入空气反应器，一部分进入水合反应器；煅烧-还原反应器内生成的气体一部分在进入换热器放热后，进入冷凝器，另一部分返回煅烧-还原反应器作为流化风。冷凝器中凝结的水经换热器吸热后，进入水合反应器；冷凝器中分离出的CO2被封存或利用。
来自于煅烧-还原反应器的钙铜基复合吸收剂中的CaO在水合反应器中与来自冷凝器，在换热器中吸热的水蒸汽发生以下反应CaO+H2O→Ca(OH)2，产物被送入空气反应器中。
来自于水合反应器和煅烧-还原反应器的钙铜基复合吸收剂在空气反应器中与通入的空气发生以下化学反应2Cu+O2→2CuO，产物被送入碳酸化反应器中。
碳酸化反应器反应温度为650℃～700℃，钙铜基复合吸收剂中的Ca(OH)2和 CaO与CO2发生如下反应：Ca(OH)2→CaO+H2O、CaO+CO2→CaCO3，生成的固体被送入煅烧-还原反应器。
有益效果：本发明与现有技术相比具有下述优点：
1)采用钙铜基复合吸收剂循环煅烧/碳酸化法实现了在无空气分离器的情况下低成本捕捉CO2；
2)采用水合反应器对失活的钙基吸收剂进行再生，有效减缓钙铜基复合吸收剂中CaO失活现象，减少了钙铜基复合吸收剂的消耗量；
3)采用换热器和冷凝器，提高了能源利用效率，减少了整体工艺流程中的耗水量。
4)部分CO2在煅烧-还原反应器中再循环，便于调节煅烧-还原反应器的温度。
附图说明
图1为本发明带水合反应器的钙铜基复合吸收剂低能耗循环捕捉CO2装置的示意图。
图中有：煅烧-还原反应器1、冷凝器2、水合反应器3、空气反应器4、碳酸化反应器5、换热器6。
具体实施方式
本发明的一种带水合反应器的钙铜基复合吸收剂循环捕捉CO2的装置， 1.一种带水合反应器的复合吸收剂循环捕捉CO2的装置，其特征在于该装置包括煅烧-还原反应器1、冷凝器2、水合反应器3、空气反应器4、碳酸化反应器5、换热器6以及各部分之间的连接管道；其中，水合反应器3物料入口与煅烧-还原反应器1物料出口相连，水合反应器3水蒸汽进口与换热器6的水蒸汽出口相连，水合反应器3出口与空气反应器4进口相连；空气反应器4出口与碳酸化反应器5进口相连；碳酸化反应器5出口与煅烧-还原反应器1进口相连；煅烧-还原反应器1物料出口分两路，其中一路与空气反应器4进口相连，另一路与水合反应器3进口相连；煅烧-还原反应器1的气体出口分两路，其中一路与换热器6 的气体进口，另一路与煅烧-还原反应器1气体进口相连；换热器6的气体出口与冷凝器2连接，冷凝器2的输出端与换热器6的水进口相连。
实施例
如图1所示，本发明的一种带水合反应器的钙铜基复合吸收剂循环捕捉CO2的装置，包括水合反应器、碳酸化反应器、煅烧-还原反应器、空气反应器、换热器、冷凝器，以及各部分之间的连接管道；其中水合反应器物料入口与煅烧- 还原反应器物料出口相连，水合反应器水蒸汽进口与换热器出口相连；水合反应器出口与空气反应器进口相连；空气反应器出口与碳酸化反应器进口相连；碳酸化反应器出口与煅烧-还原反应器进口相连；煅烧-还原反应器物料出口一路与空气反应器相连，一路与水合反应器相连，气体出口一路与换热器和冷凝器顺次连接后再次与换热器相连，一路与煅烧-还原反应器气体进口相连。
煅烧-还原反应器反应温度为850℃～950℃，甲烷等气体燃料(设化学式为CnHmOx)与钙铜基复合吸收剂中的CuO发生以下反应：同时该反应放出的热量会煅烧钙铜基复合吸收剂中的CaCO3，发生以下反应：CaCO3→CaO+CO2。煅烧-还原反应器内生成的固体混合物一部分进入空气反应器，一部分经换热器放热后进入水合反应器，一部分直接进入空气反应器；煅烧-还原反应器内生成的气体一部分在进入换热器换热后，进入冷凝器。冷凝器中凝结的水进入换热器吸热后，进入水合反应器；冷凝器中分离出的CO2被封存或利用。
来自于煅烧-还原反应器的钙铜基复合吸收剂中的CaO在水合反应器中与来自冷凝器的水蒸汽发生以下反应CaO+H2O→Ca(OH)2，产物被送入空气反应器中。
来自于水合反应器的钙铜基复合吸收剂在空气反应器中与通入的空气发生以下化学反应2Cu+O2→2CuO，产物被送入碳酸化反应器中。
碳酸化反应器反应温度为650℃～700℃，钙铜基复合吸收剂中的Ca(OH)2和CaO与CO2发生如下反应：Ca(OH)2→CaO+H2O、CaO+CO2→CaCO3，生成的固体被送入煅烧-还原反应器。
Claims (5)
1.一种带水合反应器的复合吸收剂循环捕捉CO2的装置，其特征在于该装置包括煅烧-还原反应器(1)、冷凝器(2)、水合反应器(3)、空气反应器(4)、碳酸化反应器(5)、换热器(6)以及各部分之间的连接管道；其中，水合反应器(3)物料入口与煅烧-还原反应器(1)物料出口相连，水合反应器(3)水蒸汽进口与换热器(6)的水蒸汽出口相连，水合反应器(3)出口与空气反应器(4)进口相连；空气反应器(4)出口与碳酸化反应器(5)进口相连；碳酸化反应器(5)出口与煅烧-还原反应器(1)进口相连；煅烧-还原反应器(1)物料出口分两路，其中一路与空气反应器(4)进口相连，另一路与水合反应器(3)进口相连；煅烧-还原反应器(1)的气体出口分两路，其中一路与换热器(6)的气体进口，另一路与煅烧-还原反应器(1)气体进口相连；换热器(6)的气体出口与冷凝器(2)连接，冷凝器(2)的输出端与换热器(6)的水进口相连。
2.一种如权利要求1所述装置的复合吸收剂循环捕捉CO2的方法，其特征在于，包括该方法如下步骤：
步骤一、煅烧-还原反应器(1)的反应温度为850℃～950℃，CH4与来自碳酸化反应器(5)的钙铜基复合吸收剂中的CuO反应，利用放出的热量煅烧钙铜基复合吸收剂中的CaCO3，生成CaO、水蒸气和高浓度的CO2；煅烧-还原反应器(1)内生成的固体混合物一部分直接进入空气反应器(4)，一部分进入水合反应器(3)；煅烧-还原反应器(1)内生成的气体一部分在进入换热器(6)换热后，进入冷凝器(2)，另一部分返回煅烧-还原反应器(1)作为流化风；
步骤二、来自于煅烧-还原反应器(1)并在换热器(6)放热后的气体在冷凝器(2)中冷凝分离，高浓度的CO2被封存或利用，冷凝下的H2O经过换热器(6)吸热后进入水合反应器(3)；
步骤三、水合反应器(3)的反应温度为200℃-400℃，来自于煅烧-还原反应器(1)的钙铜基复合吸收剂中的CaO在其中与来自冷凝器(2)并在换热器(6)中吸热的H2O发生水合反应；水合活化后的钙铜基复合吸收剂进入空气反应器(4)；
步骤四、来自煅烧-还原反应器(1)和水合反应器(3)的钙铜基复合吸收剂在空气反应器(4)内发生反应，钙铜基复合吸收剂中的Cu被通入空气反应器(4)的空气氧化成CuO，氧化再生后的钙铜基复合吸收剂进入碳酸化反应器(5)；
步骤五、碳酸化反应器(5)的反应温度为650℃-700℃，烟气与来自空气反应器(4)的钙铜基复合吸收剂发生化学反应，主要反应为钙铜基复合吸收剂中的CaO与烟气中的CO2的结合，碳酸化反应结束的钙铜基复合吸收剂进入煅烧-还原反应器(1)。
3.根据权利要求2所述的复合吸收剂循环捕捉CO2的方法，其特征在于，步骤一中煅烧和还原反应是同步发生的，并且反应在同一个煅烧-还原反应器(1)内进行。
4.根据权利要求2所述的复合吸收剂循环捕捉CO2的方法，其特征在于，步骤三中水合反应所需要的水来自于步骤二中冷凝下来的水。
5.根据权利要求2所述的复合吸收剂循环捕捉CO2的方法，其特征在于，所述的钙铜基复合吸收剂均为人工合成的混合均匀、铜钙摩尔比例在1.3到3.3之间的复合吸收剂。
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