CN111085101A - 一种二氧化碳矿化封存及固化飞灰中重金属的系统及方法 - Google Patents

一种二氧化碳矿化封存及固化飞灰中重金属的系统及方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及环境保护技术领域，尤其涉及一种二氧化碳矿化封存及固化飞灰中重金属的系统及方法。该系统沿烟气的流动方向依次包括锅炉、脱硝装置、除尘器、脱硫塔和烟囱，除尘器连接有机械改性装置，脱硫塔和烟囱之间连接有烟气旁通管路，烟气旁通管路连接有二氧化碳分离装置，机械改性装置和二氧化碳分离装置之间连接有反应装置。将飞灰经过机械改性装置机械研磨后，使其表面的钙镁等物质暴露，提高了反应的接触面积，本申请将经机械改性装置机械改性后的飞灰和经二氧化碳分离装置分离出的二氧化碳进入反应装置反应，以实现二氧化碳的矿化封存及飞灰中重金属的固化，从而避免了从燃煤电站外部获取矿化原料，实现以废治废，降低了污染物控制成本。

Description

一种二氧化碳矿化封存及固化飞灰中重金属的系统及方法
技术领域
本申请涉及环境保护技术领域，尤其涉及一种二氧化碳矿化封存及固化飞灰中重金属的系统及方法。
背景技术
燃煤电厂、垃圾焚烧炉副产物飞灰产量巨大，燃煤电厂大量的飞灰主要通过填埋处理，还有部分用于建筑材料、筑路工程、化工领域、农业领域等。由于飞灰中含钙、镁氧化物的特点，实际应用在建筑材料中时会不断吸收空气中的水分，强度会逐渐下降，使用寿命缩短。而且，未经处理的飞灰在填埋或者用于农业改良土壤时，随着时间的推移，大量有害重金属元素会从飞灰中浸出后进入地下水或由植物吸收，从而威胁到人类的健康。垃圾焚烧炉飞灰需要螯合等处理费用昂贵。
同时，燃煤电厂、垃圾焚烧炉也是二氧化碳人为排放源，目前认为从烟气中捕集封存二氧化碳是缓解温室效应的潜在有效技术手段，通过在电厂、焚烧厂分离及高压存储然后通过管道等途径用于地质封存。然而，地质封存成本很高且存在泄露的危险。
二氧化碳矿化封存是另外的一种技术路线，主要是模仿并加速自然界中岩石风化并吸收二氧化碳的过程，二氧化碳溶解在水中产生碳酸，然后与碱性矿物发生中和反应，反应得到稳定的固态碳酸盐，经历漫长的地质年代不会分解，可实现对二氧化碳的永久封存。然而，自然界的矿化封存是一个漫长的过程。
如何在简化工艺、提高原料利用率、降低成本等基础上一步到位将燃煤电厂、垃圾焚烧厂烟气中的二氧化碳彻底封存起来，是目前实现温室气体实质性减排亟待需要解决的问题。
发明内容
本申请提供了一种二氧化碳矿化封存及固化飞灰中重金属的系统及方法，避免了从燃煤电厂、垃圾焚烧厂外部获取矿化原料，实现以废治废，降低了污染物控制成本。
第一方面，本申请实施例提供了一种二氧化碳矿化封存及固化飞灰中重金属的系统，沿烟气的流动方向依次包括锅炉、脱硝装置、除尘器、脱硫塔和烟囱，所述除尘器连接有机械改性装置，所述脱硫塔和所述烟囱之间连接有烟气旁通管路，所述烟气旁通管路连接有二氧化碳分离装置，所述机械改性装置和所述二氧化碳分离装置之间连接有反应装置；
经所述机械改性装置机械改性后的飞灰和经所述二氧化碳分离装置分离出的二氧化碳进入所述反应装置反应生成碳酸盐，以实现二氧化碳的矿化封存及飞灰中重金属的固化。
在一种可能的设计中，所述二氧化碳分离装置和所述反应装置之间设置有加压装置，所述反应装置的外部设置有加热套，以实现二氧化碳处于超临界状态。
在一种可能的设计中，所述反应装置还连接有泄压回路，沿二氧化碳的泄压流动方向，所述泄压回路上依次设置有泄压阀、储存罐和第一两通阀；
沿二氧化碳的增压流动方向，所述二氧化碳分离装置和所述反应装置之间依次设置有第二两通阀、三通阀、所述加压装置和第三两通阀，所述第一两通阀和所述三通阀连通。
在一种可能的设计中，所述第一两通阀、所述第二两通阀和所述第三两通阀均为气动阀，所述加压装置为气动增压泵。
在一种可能的设计中，所述反应装置内设置有搅拌器。
在一种可能的设计中，所述除尘器和所述机械改性装置之间设置有卸料装置和卸料仓，所述除尘器、所述卸料装置、所述卸料仓和所述机械改性装置依次连接；
其中，所述卸料装置的一端与所述除尘器的一电场连接。
在一种可能的设计中，所述卸料装置包括气化斜槽和设置于所述气化斜槽上的气动蝶阀，所述气化斜槽的一端与所述除尘器的一电场连接，另一端与所述卸料仓连接。
第二方面，本申请实施例提供了一种二氧化碳矿化封存及固化飞灰中重金属的方法，包括以下步骤：
获取除尘器的至少部分飞灰，利用机械改性装置对获取的飞灰进行机械研磨；
获取脱硫塔后的至少部分烟气，利用二氧化碳分离装置从获取的烟气中分离出二氧化碳；
将经所述机械改性装置机械改性后的飞灰和经所述二氧化碳分离装置分离出的二氧化碳进行混合反应，以实现二氧化碳的矿化封存及飞灰中重金属的固化。
在一种可能的设计中，步骤所述利用二氧化碳分离装置从获取的烟气中分离出二氧化碳之后，还包括步骤：
对分离出的二氧化碳进行加压加温，以使分离出的二氧化碳处于超临界状态。
在一种可能的设计中，步骤所述将经所述机械改性装置机械改性后的飞灰和经所述二氧化碳分离装置分离出的二氧化碳进行混合反应之后，还包括步骤：
将反应后剩余的二氧化碳进行储存，对储存的二氧化碳进行加压加温后，再次与经所述机械改性装置机械改性后的飞灰进行混合反应。
采用上述技术方案后，有益效果是：
将飞灰经过机械改性装置机械研磨后，使其表面的钙镁等物质暴露，提高了反应的接触面积，本申请将经机械改性装置机械改性后的飞灰和经二氧化碳分离装置分离出的二氧化碳进入反应装置反应生成碳酸盐，以实现二氧化碳的矿化封存及飞灰中重金属的固化，从而避免了从燃煤电站外部获取矿化原料，实现以废治废，降低了污染物控制成本。
附图说明
图1为本申请实施例提供的二氧化碳矿化封存及固化飞灰中重金属的系统的原理示意图。
附图标记：
11-锅炉；
12-脱硝装置
13-除尘器；
131-一电场；
14-脱硫塔；
15-烟囱；
20-反应装置；
201-加热套；
202-搅拌器；
203-电机；
204-压力表；
205-矿渣储仓；
21-机械改性装置；
22-卸料装置；
221-气化斜槽；
222-气动蝶阀；
23-卸料仓；
31-烟气旁通管路；
32-二氧化碳分离装置；
33-加压装置；
34-第二两通阀；
35-三通阀；
36-第三两通阀；
41-泄压阀；
42-储存罐；
43-第一两通阀。
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”、“第二”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；除非另有规定或说明，术语“多个”是指两个或两个以上；术语“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，或电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
本说明书的描述中，需要理解的是，本申请实施例所描述的“上”、“下”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本申请实施例的限定。此外，在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件连接在另一个元件“上”或者“下”时，其不仅能够直接连接在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接连接在另一个元件“上”或者“下”。
如图1所示，其为本申请实施例提供的二氧化碳矿化封存及固化飞灰中重金属的系统的原理示意图。该系统沿烟气的流动方向依次包括锅炉11、脱硝装置12、除尘器13、脱硫塔14和烟囱15，除尘器13连接有机械改性装置21，脱硫塔14和烟囱15之间连接有烟气旁通管路31，烟气旁通管路31连接有二氧化碳分离装置32，机械改性装置21和二氧化碳分离装置32之间连接有反应装置20。将飞灰经过机械改性装置21机械研磨后，使其表面的钙镁等物质暴露，提高了反应的接触面积，本申请将经机械改性装置21机械改性后的飞灰和经二氧化碳分离装置32分离出的二氧化碳进入反应装置20反应生成碳酸盐，以实现二氧化碳的矿化封存，并通过碳酸盐堵塞飞灰的孔隙，从而实现了飞灰中重金属的固化，避免了从燃煤电站外部获取矿化原料，实现以废治废，降低了污染物控制成本。
需要说明的是，飞灰中通常含有碱性氧化物，如氧化钙和氧化镁，由于钙镁等具有高反应性，因此这些组分被视为是二氧化碳封存的理想原料。与天然碱性矿物相比，以飞灰作为矿化封存二氧化碳的原料有如下优点：材料成本低、反应性高、无需预处理以及接近二氧化碳排放源(即燃煤电站)，同时可以无害处理飞灰，提高二次利用性能。上述系统从燃煤电站的除尘器13中在线获取飞灰，通过机械改性装置21改性制备成高效矿化原料，从而将其输送至高压反应装置20中，封存从电厂烟气中分离压缩得到的二氧化碳，进而简化了流程工艺、提高了原料利用率和降低了工艺成本。
可以理解的是，经机械改性装置21机械改性后的飞灰和经二氧化碳分离装置32分离出的二氧化碳可以与水混合后，在反应装置20内发生反应并生成碳酸盐。由于在钙镁等物质含量一致的条件下时，碳酸盐的体积比氧化物的体积大，例如碳酸钙的体积比氧化钙的体积大，碳酸镁的体积比氧化镁的体积大，在生成碳酸盐后，碳酸盐可以将飞灰的孔隙堵塞，以实现对飞灰中重金属的固化。
固化后的飞灰可以卸出到位于反应装置20下方的矿渣储仓205中，矿渣储仓205收集到的矿化飞灰无论是吸湿性还是毒性浸出性都会得到改善，既可以进行二次利用，也可以直接填埋，不会污染环境。
在一些实现方案中，为保证机械改性后的飞灰、二氧化碳和水的反应更充分，可以对三者反应时的反应环境进行加压加温。
需要指出的是，机械改性装置21可以是研磨机，例如可以是卧式研磨机、立式研磨机、空气研磨机等，只要保证能够将飞灰的粒径研磨变小即可，如此飞灰的比表面积也增大，即增大了与二氧化碳的接触面积，使二者反应更充分。二氧化碳分离装置32可以是实现将二氧化碳从烟气中进行分离的装置，例如可以采用吸收法、吸附法、膜分离法、低温分离法和这些方法的组合应用，在此本申请对二氧化碳分离装置32的具体应用方法不进行具体限定。经过二氧化碳分离装置32分离出的烟气与烟囱15连接，以将该部分烟气可以继续通过烟囱15排出，当然也可不与烟囱15连接而自行排出到外界。
在一些实施方式中，二氧化碳分离装置32和反应装置20之间设置有加压装置33，反应装置20的外部设置有加热套201，以实现二氧化碳处于超临界状态。在超临界状态下利用二氧化碳介于气液两相的性质，兼有气体、液体的双重特点，其密度接近液体，而粘度近似于气体，其扩散系数是液体的近百倍，利用上述特性可以使二氧化碳直接与飞灰固体颗粒进行反应，可以在不加水的条件下实现大于普通的气液固三相的传质、传动条件。
其中，二氧化碳的超临界状态是指当二氧化碳的温度超过31℃、压力超过7.38MPa时，即进入超临界二氧化碳状态。因此，可以通过控制加热套201和加压装置33实现上述超临界状态的参数。
在一些实施方式中，反应装置20还连接有泄压回路，沿二氧化碳的泄压流动方向，泄压回路上依次设置有泄压阀41、储存罐42和第一两通阀43；沿二氧化碳的增压流动方向，二氧化碳分离装置32和反应装置20之间依次设置有第二两通阀34、三通阀35、加压装置33和第三两通阀36，第一两通阀43和三通阀35连通，如此可以通过控制第一两通阀43、第二两通阀34、三通阀35和第三两通阀36实现对反应装置20剩余的二氧化碳的循环封存，进而可以避免反应结束后的二氧化碳逃逸到外界。例如，当反应装置20内的气压随着剩余二氧化碳的逐渐增多而增大，超过泄压阀41的阈值时(例如反应装置20的实时压力可通过压力表204获取)，泄压阀41自动打开，将部分二氧化碳储存到储存罐42中，此时第一两通阀43处于关闭状态，第二两通阀34、三通阀35、加压装置33和第三两通阀36处于打开状态；当储存罐42内的二氧化碳储存超出阈值时，第一两通阀43打开、第二两通阀34关闭，三通阀35、加压装置33和第三两通阀36处于打开状态，从而可以实现对反应装置20剩余的二氧化碳的循环封存。
在一些实现方案中，第一两通阀43、第二两通阀34和第三两通阀36均为气动阀，加压装置33为气动增压泵，如此可使阀门的控制简单且反应快速。当然，上述系统还包括控制组件，通过控制组件来控制第一两通阀43、加压装置33、第二两通阀34和第三两通阀36的开闭状态。
在一些实施方式中，反应装置20内设置有搅拌器202，搅拌器202用于对飞灰-二氧化碳反应体系进行搅拌，以改善矿化反应的传质条件，提升反应速率。当然，搅拌器202还连接有电机203，以提供搅拌器202的驱动力。
在一些实施方式中，除尘器13和机械改性装置21之间设置有卸料装置22和卸料仓23，除尘器13、卸料装置22、卸料仓23和机械改性装置21依次连接；其中，卸料装置22的一端与除尘器13的一电场131连接。除尘器13例如具有四个电场，烟气中的飞灰沿一电场131至四电场的方向，其粒径逐渐变小，而粒径大的飞灰研磨效果最好，即最易被破坏而产生新鲜表面，即钙镁暴露的更多。
在一些实施方式中，卸料装置22包括气化斜槽221和设置于气化斜槽221上的气动蝶阀222，气化斜槽221的一端与除尘器13的一电场131连接，另一端与卸料仓23连接。卸料仓23用于收集飞灰原料，工作时在气化斜槽221和气动蝶阀222的作用下实现集料，在旋转卸料阀的作用下实现向改性装置中稳定卸料。卸料仓23中还可以设置有料位计(图中未示出)，料位计用于监控卸料仓23中物料的储备情况，当物料处于高料位时，关闭气动蝶阀222，停止收集飞灰；当物料处于低料位时，打开气动蝶阀222，向卸料仓23中补充物料，保证系统工作的稳定性和连续性。
本申请还提供了一种二氧化碳矿化封存及固化飞灰中重金属的方法，上述系统可以是该方法的一种具体实施例。该方法包括以下步骤：
S1、获取除尘器13的至少部分飞灰，利用机械改性装置21对获取的飞灰进行机械研磨；
将飞灰经过机械改性装置21机械研磨后，使其表面的钙镁等物质暴露，提高了反应的接触面积。
S2、获取脱硫塔14后的至少部分烟气，利用二氧化碳分离装置32从获取的烟气中分离出二氧化碳；
二氧化碳分离装置32可以是实现将二氧化碳从烟气中进行分离的装置，例如可以采用吸收法、吸附法、膜分离法、低温分离法和这些方法的组合应用。
S21、对分离出的二氧化碳进行加压加温，以使分离出的二氧化碳处于超临界状态；
二氧化碳分离装置32和反应装置20之间设置有加压装置33，反应装置20的外部设置有加热套201，以实现二氧化碳处于超临界状态。在超临界状态下利用二氧化碳介于气液两相的性质，兼有气体、液体的双重特点，其密度接近液体，而粘度近似于气体，其扩散系数是液体的近百倍，利用上述特性可以使二氧化碳直接与飞灰固体颗粒进行反应，可以在不加水的条件下实现大于普通的气液固三相的传质、传动条件。
其中，二氧化碳的超临界状态是指当二氧化碳的温度超过31℃、压力超过7.38MPa时，即进入超临界二氧化碳状态。因此，可以通过控制加热套201和加压装置33实现上述超临界状态的参数。
S3、将经机械改性装置21机械改性后的飞灰和经二氧化碳分离装置32分离出的二氧化碳进行混合反应，以实现二氧化碳的矿化封存及飞灰中重金属的固化；
本申请将经机械改性装置21机械改性后的飞灰和经二氧化碳分离装置32分离出的二氧化碳进入反应装置20反应生成碳酸盐，以实现二氧化碳的矿化封存，并通过碳酸盐堵塞飞灰的孔隙，从而实现了飞灰中重金属的固化，避免了从燃煤电站外部获取矿化原料，实现以废治废，降低了污染物控制成本。
S4、将反应后剩余的二氧化碳进行储存，对储存的二氧化碳进行加压加温后，再次与经机械改性装置21机械改性后的飞灰进行混合反应；
在一些实施方式中，反应装置20还连接有泄压回路，沿二氧化碳的泄压流动方向，泄压回路上依次设置有泄压阀41、储存罐42和第一两通阀43；沿二氧化碳的增压流动方向，二氧化碳分离装置32和反应装置20之间依次设置有第二两通阀34、三通阀35、加压装置33和第三两通阀36，第一两通阀43和三通阀35连通，如此可以通过控制第一两通阀43、第二两通阀34、三通阀35和第三两通阀36实现对反应装置20剩余的二氧化碳的循环封存，进而可以避免反应结束后的二氧化碳逃逸到外界。例如，当反应装置20内的气压随着剩余二氧化碳的逐渐增多而增大，超过泄压阀41的阈值时(例如反应装置20的实时压力可通过压力表204获取)，泄压阀41自动打开，将部分二氧化碳储存到储存罐42中，此时第一两通阀43处于关闭状态，第二两通阀34、三通阀35、加压装置33和第三两通阀36处于打开状态；当储存罐42内的二氧化碳储存超出阈值时，第一两通阀43打开、第二两通阀34关闭，三通阀35、加压装置33和第三两通阀36处于打开状态，从而可以实现对反应装置20剩余的二氧化碳的循环封存。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种二氧化碳矿化封存及固化飞灰中重金属的系统，其特征在于，沿烟气的流动方向依次包括锅炉(11)、脱硝装置(12)、除尘器(13)、脱硫塔(14)和烟囱(15)，所述除尘器(13)连接有机械改性装置(21)，所述脱硫塔(14)和所述烟囱(15)之间连接有烟气旁通管路(31)，所述烟气旁通管路(31)连接有二氧化碳分离装置(32)，所述机械改性装置(21)和所述二氧化碳分离装置(32)之间连接有反应装置(20)；
经所述机械改性装置(21)机械改性后的飞灰和经所述二氧化碳分离装置(32)分离出的二氧化碳进入所述反应装置(20)反应生成碳酸盐，以实现二氧化碳的矿化封存及飞灰中重金属的固化。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述二氧化碳分离装置(32)和所述反应装置(20)之间设置有加压装置(33)，所述反应装置(20)的外部设置有加热套(201)，以实现二氧化碳处于超临界状态。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述反应装置(20)还连接有泄压回路，沿二氧化碳的泄压流动方向，所述泄压回路上依次设置有泄压阀(41)、储存罐(42)和第一两通阀(43)；
沿二氧化碳的增压流动方向，所述二氧化碳分离装置(32)和所述反应装置(20)之间依次设置有第二两通阀(34)、三通阀(35)、所述加压装置(33)和第三两通阀(36)，所述第一两通阀(43)和所述三通阀(35)连通。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一两通阀(43)、所述第二两通阀(34)和所述第三两通阀(36)均为气动阀，所述加压装置(33)为气动增压泵。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述反应装置(20)内设置有搅拌器(202)。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的系统，其特征在于，所述除尘器(13)和所述机械改性装置(21)之间设置有卸料装置(22)和卸料仓(23)，所述除尘器(13)、所述卸料装置(22)、所述卸料仓(23)和所述机械改性装置(21)依次连接；
其中，所述卸料装置(22)的一端与所述除尘器(13)的一电场(131)连接。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述卸料装置(22)包括气化斜槽(221)和设置于所述气化斜槽(221)上的气动蝶阀(222)，所述气化斜槽(221)的一端与所述除尘器(13)的一电场(131)连接，另一端与所述卸料仓(23)连接。
8.一种二氧化碳矿化封存及固化飞灰中重金属的方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取除尘器(13)的至少部分飞灰，利用机械改性装置(21)对获取的飞灰进行机械研磨；
获取脱硫塔(14)后的至少部分烟气，利用二氧化碳分离装置(32)从获取的烟气中分离出二氧化碳；
将经所述机械改性装置(21)机械改性后的飞灰和经所述二氧化碳分离装置(32)分离出的二氧化碳进行混合反应，以实现二氧化碳的矿化封存及飞灰中重金属的固化。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤所述利用二氧化碳分离装置(32)从获取的烟气中分离出二氧化碳之后，还包括步骤：
对分离出的二氧化碳进行加压加温，以使分离出的二氧化碳处于超临界状态。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤所述将经所述机械改性装置(21)机械改性后的飞灰和经所述二氧化碳分离装置(32)分离出的二氧化碳进行混合反应之后，还包括步骤：
将反应后剩余的二氧化碳进行储存，对储存的二氧化碳进行加压加温后，再次与经所述机械改性装置(21)机械改性后的飞灰进行混合反应。
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