CN108619896B - 一种基于切换式填充床反应器的co2循环脱除装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于切换式填充床反应器的CO2循环脱除装置及方法，包括至少两个填充床反应器以及若干进/排气管道和若干切换阀门，含CO2烟气进入填充床反应器与所填充钙基吸收剂中的CaO发生碳酸化反应，烟气中CO2被捕获并生成CaCO3；将烟气切换为燃料气体和氧气，燃料气和纯氧发生燃烧反应为CaCO3分解供热，燃料气燃烧和CaCO3分解均产生CO2，故在填充床出口可得高浓度CO2富集烟气，随后可进行封存；该装置采用填充床反应器，吸收剂无大幅相对位移，可规避吸收剂互相碰撞导致的磨损和破碎，通过阀门控制各填充床分别处于碳酸化和吸收剂分解再生过程，提高碳捕获装置的系统利用率并实现烟气中CO2不间断捕集。
Description
技术领域
本发明涉及一种脱除CO2的装置及方法，确切地说是一种基于切换式填充床反应器的CO2循环脱除装置及方法，属于CO2捕获技术领域。
背景技术
全球气候变暖使得各国对化石能源利用过程中的CO2排放量进行控制与削减，基于钙基吸收剂的化学链循环捕获CO2技术作为一种新兴的碳捕获技术而受到广泛关注。钙基化学链技术循环捕获CO2分为碳酸化与煅烧分解两步骤：成分主要为CaO的钙基吸收剂与烟气中的CO2进行碳酸化反应（CaO+CO2→CaCO3）而形成CaCO3，通过该反应可将烟气中CO2进行分离；随后形成的CaCO3被煅烧分解为CaO并释放出CO2（CaCO3→CaO+CO2），该步骤可获得高浓度CO2富集气体，随后可做进一步处理或者直接进行封存，分解生成的CaO则可进行下一次碳酸化-煅烧循环CO2捕获。
钙基化学链碳捕获反应器的设计优化是碳捕集技术的关键领域，国内外已有的基于钙基吸收剂的化学链碳捕获示范装置大部分使用流化床作为反应器，其优势在于气固两相物料混合强烈且反应充分，但也存在系统复杂、固体物料流态化以及气固物料分离输运等控制难度较高、吸收剂颗粒磨损严重及破碎等问题，从而使其可靠性与经济性存在一定问题，在装置进一步大型化过程中将面临更多挑战。
发明内容
本发明目的是提供一种基于切换式填充床反应器的CO2循环脱除装置及方法，通过采用固定填充床作为反应装置，规避流化床反应器存在的系统复杂、物料分离输运操作难度高和颗粒强烈碰撞混合引起的吸收剂颗粒破碎磨损问题。
上述目的通过以下技术方案实现：
一种基于切换式填充床反应器的CO2循环脱除装置，其特征在于：包括至少两个并联连接的填充床反应器、烟气进气管路、燃料气进气管路、氧气进气管路、脱除CO2后烟气排气管路、CO2富集烟气排气管路以及若干阀门。填充床反应器下部设烟气进气管路、燃料气进气管路和氧气进气管路，上部设脱除CO2后烟气排气管路、CO2富集烟气排气管路；每路管道均设管道启闭控制阀门；填充床内部填充成分主要为CaO的钙基CO2吸收剂颗粒。
本发明进一步提供了基于前述装置的CO2循环循环脱除方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤（1）：开启烟气进气管路和脱除CO2后烟气排气管路上的阀门，燃料气进气管路、氧气进气管路、CO2富集烟气排气管路上阀门保持关闭状态，工业过程产生的温度为600-700℃含CO2高温烟气通过烟气进气管路送入填充床下部，控制填充床温度为600-700℃，烟气中CO2在上行过程中与填充床内钙基吸收剂发生碳酸化反应形成CaCO3，脱除CO2后烟气通过顶部排气管路排出，当床内填充的钙基吸收剂无法继续捕获CO2时，则该填充床应由碳酸化工况进入吸收剂分解再生工况；
步骤（2）：关闭烟气进气管路和脱除CO2后烟气排气管路上的阀门，开启燃料气进气管路、氧气进气管路、CO2富集烟气排气管路上阀门，燃料气与氧气分别经进气管路送入填充床发生燃烧反应，调节燃烧后烟气为900-1000℃，高温烟气沿填充床上行过程中为已经碳酸化的吸收剂分解提供热量，CaCO3分解产物为CaO和CO2，燃料气燃烧产物也为CO2，故可在填充床上部获得高浓度CO2富集烟气，CO2富集烟气由排气管路排出并进行后续处理或封存，当吸收剂分解再生完毕后可通过阀门的再次切换而转换至碳酸化工况进行下一个CO2捕获循环。
步骤（1）所述钙基吸收剂CO2捕获能力是否已经饱和是通过实时在线监测排气管路中CO2浓度进行判别，当排气中CO2浓度开始显著增加时则表示填充床内的CaO大部分已经反应完毕，无法继续通过碳酸化反应捕获CO2。
步骤（1）所述钙基吸收剂颗粒为原始平均粒径不低于1毫米的石灰石、白云石或其他CaO质量百分比不低于20%（煅烧后吸收剂中CaO质量百分比）的天然或者人工合成钙基吸收剂颗粒。
步骤（2）所述碳酸化后的吸收剂是否煅烧分解完毕是通过实时在线监测填充床出口烟气流量是否出现显著降低进行判别，由于当CaCO3基本分解完毕时，其所释放的CO2大幅降低，出口烟气中仅有燃料气燃烧产生的CO2，所以出口烟气流量会有较大变化，此时可以认为吸收剂已分解再生完成，可通过阀门的启闭控制反应器进入碳酸化工况。
步骤（2）所述燃料气为天然气、甲烷、氢气、一氧化碳、合成气中的一种或几种。
本发明原理如下：
填充床内充填主要成分为CaO的钙吸收剂颗粒填料，600-700℃烟气流经填料床，其中CO2被钙基吸收剂填料通过碳酸化反应CaO+CO2→CaCO3脱除并形成CaCO3，脱除CO2后的烟气排出，CaO则转化为CaCO3；待CaO充分反应完毕后，通过阀门将含CO2烟气切换为燃料气和纯氧，燃料气与纯氧通入填充床发生燃烧并形成900-1000℃高温烟气为CaCO3分解供热，反应为CaCO3→CaO+CO2，CaCO3分解与燃料气纯氧燃烧均释放出高浓度CO2，CO2富集烟气排出并被封存或作他用，吸收剂填料则被重新再生为CaO；通过管路阀门启闭将燃料气和纯氧切换为含CO2烟气开始下一个CO2捕获循环，完成烟气中的CO2循环脱除和富集。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
（1）基于填充床的CO2循环脱除过程简单，无需对吸收剂进行流态化输运和气固分离，降低运行操作难度，同时也不存在物料流态化输运而引起的耗能；
（2）固定床中填料无相对运动，消除了流态化操作时颗粒碰撞导致的磨损和破碎，从而可延长吸收剂使用寿命并减少吸收剂的替换量；
（3）可通过多个反应器的并联，控制不同反应器分别处于碳酸化CO2捕获和吸收剂煅烧再生阶段，从而实现烟气中CO2的不间断捕获和碳捕获规模的低成本放大。
附图说明
图1是本发明所述基于切换式填充床反应器的CO2循环脱除装置示意图。
图中：1.填充床反应器I；2.填充床反应器II；3.填充床反应器III；4.烟气进气管路；5.燃料气进气管路；6.氧气进气管路；7.脱除CO2后烟气排气管路；8.CO2富集烟气排气管路；9.阀门；10.阀门；11.阀门；12.阀门；13.阀门。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行说明。
实施例1
如图1所示，基于切换式填充床反应器的CO2循环脱除装置包括填充床反应器I 1、填充床反应器II 2、填充床反应器III 3、烟气进气管路4、燃料气进气管路5、氧气进气管路6、脱除CO2后烟气排气管路7、CO2富集烟气排气管路8、阀门9、阀门10、阀门11、阀门12、阀门13、阀门13。
基于前述装置的CO2循环循环脱除方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）开启烟气进气管路4上的阀门9和脱除CO2后烟气排气管路7上的阀门13，燃料气进气管路5上的阀门10、氧气进气管路6上的阀门11、CO2富集烟气排气管路8上的阀门12保持关闭状态，工业过程产生的温度为600-700℃含CO2高温烟气通过烟气进气管路4送入填充床反应器I 1下部，控制填充床温度同为600-700℃，烟气中CO2在上行过程中与填充床内钙基吸收剂发生碳酸化反应形成CaCO3，脱除CO2后烟气通过顶部排气管路7排出；持续监测排气管路7中CO2浓度，当浓度开始显著增加时则表示填充床内的CaO大部分已经反应完毕，无法继续通过碳酸化反应捕获CO2，此时填充床反应器I 1应该由碳酸化工况进入吸收剂分解再生工况；
（2）关闭烟气进气管路4上的阀门9和脱除CO2后烟气排气管路7上的阀门13，开启燃料气进气管路5上的阀门10、氧气进气管路6上的阀门11、CO2富集烟气排气管路8上的阀门12，将反应器由碳酸化工况切换为再生工况；燃料气与氧气分别经进气管路送入填充床反应器I 1发生燃烧反应，控制燃烧后热烟气温度为900-1000℃，热烟气沿填充床上行过程中为已经碳酸化的吸收剂分解提供热量，CaCO3分解产物为CaO和CO2，燃料气燃烧产物也为CO2，故可在填充床反应器I 1顶部获得高浓度CO2富集烟气，CO2富集烟气由排气管路8排出并进行后续处理或封存；持续监测填充床反应器I 1出口烟气流量是否出现大幅降低，当烟气流量出现大幅降低时，表明吸收剂已分解再生完毕，此时通过关闭阀门10、阀门11、阀门12，同时开启阀门9和阀门13，将填充床反应器I 1从吸收剂煅分解再生工况切换至碳酸化工况以进行下一循环的CO2捕获。
每个填充床均按照先碳酸化再煅烧的步骤运行，同时为了可对CO2进行不间断捕获，当填充床反应器I 1处于碳酸化时，可通过阀门的启闭控制使得填充床反应器II 2处于吸收剂煅烧再生阶段，从而保证至少有一个反应器可以完成CO2捕捉，同时如果烟气流量较大，两个反应器无法满足需要时，系统可以增加填充床反应器III 3或者更多反应器以提高烟气处理量。
Claims (2)
1.一种基于切换式填充床反应器的CO2循环脱除方法，其特征在于：所述方法使用的基于切换式填充床反应器的CO2循环脱除装置包括至少两个并联连接的填充床反应器、烟气进气管路、燃料气进气管路、氧气进气管路、脱除CO2后烟气排气管路、CO2富集烟气排气管路以及若干阀门；填充床反应器下部设烟气进气管路、燃料气进气管路和氧气进气管路，上部设脱除CO2后烟气排气管路、CO2富集烟气排气管路；含CO2烟气进入填充床反应器与所填充钙基吸收剂中的CaO发生碳酸化反应，烟气中CO2被捕获并生成CaCO3，当填充床内CaO全部反应完毕后将烟气切换为燃料气体和氧气，燃料气和纯氧发生燃烧反应为CaCO3分解供热，燃料气燃烧和CaCO3分解均产生CO2，故在填充床出口可得高浓度CO2富集烟气，随后可进行封存，CaCO3则受热分解再生为CaO，进行下一循环的CO2捕集；每路管道均设管道启闭控制阀门；填充床内部填充成分主要为CaO的钙基CO2吸收剂颗粒；
所述方法包括以下步骤：
（1）开启烟气进气管路和脱除CO2后烟气排气管路上的阀门，燃料气进气管路、氧气进气管路、CO2富集烟气排气管路上阀门保持关闭状态，工业过程产生的温度为600-700℃含CO2高温烟气通过烟气进气管路送入填充床下部，控制填充床温度为600-700℃，烟气中CO2在上行过程中与填充床内钙基吸收剂发生碳酸化反应形成CaCO3，脱除CO2后烟气通过顶部排气管路排出，当床内填充的钙基吸收剂无法继续捕获CO2时，则该填充床应由碳酸化工况进入吸收剂分解再生工况；
（2）关闭烟气进气管路和脱除CO2后烟气排气管路上的阀门，开启燃料气进气管路、氧气进气管路、CO2富集烟气排气管路上阀门，燃料气与氧气分别经进气管路送入填充床发生燃烧反应，调节燃烧后烟气为900-1000℃，高温烟气沿填充床上行过程中为已经碳酸化的吸收剂分解提供热量，CaCO3分解产物为CaO和CO2，燃料气燃烧产物也为CO2，故可在填充床上部获得高浓度CO2富集烟气，CO2富集烟气由排气管路排出并进行后续处理或封存，当吸收剂分解再生完毕后可通过阀门的再次切换而转换至碳酸化工况进行下一个CO2捕获循环；
步骤（1）所述钙基吸收剂CO2捕获能力是否已经饱和是通过实时在线监测排气管路中CO2浓度进行判别，当排气中CO2浓度开始显著增加时则表示填充床内的CaO大部分已经反应完毕，无法继续通过碳酸化反应捕获CO2；
步骤（1）所述钙基吸收剂颗粒为原始平均粒径不低于1毫米的石灰石、白云石或其他CaO质量百分比不低于20%的天然或者人工合成钙基吸收剂颗粒；
步骤（2）所述碳酸化后的吸收剂是否煅烧分解完毕是通过实时在线监测填充床出口烟气流量是否出现显著降低进行判别，由于当CaCO3分解完毕时，其所释放的CO2大幅降低，出口烟气中仅有燃料气燃烧产生的CO2，所以出口烟气流量会有较大变化，此时认为吸收剂已分解再生完成，可通过阀门的启闭控制反应器进入碳酸化工况。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（2）所述燃料气为天然气、甲烷、一氧化碳、合成气中的一种或几种。
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