CN111729470B - 一种用于冶金废气净化处理的co2循环捕集系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于冶金废气净化处理的CO2循环捕集系统及方法，属于节能减排及碳捕集技术设备领域。包括捕碳剂、气体输送管道、可移动行星式球磨加热反应器、多功能法兰盘盖组(控制碳吸附功能法兰盖、控制碳脱附功能法兰盖，控制捕碳剂消化法兰盖)、气泵、冷冻式压缩空气干燥机、CO2气体冷凝装置、CO2储气罐和计算机数据储存及控制系统。本发明所用捕碳剂可为传统CaO吸附剂以及由钢铁冶炼废渣制备的CaO基吸附剂，实现了钢铁废渣及冶金废气的系统处理。另外，本发明系统包括的可移动行星式球磨加热反应器实现了碳吸附及碳脱附工序一体化，避免由吸附剂移动造成原料损失、污染和能量损耗问题，同时解决了碳酸盐产物包覆造成的吸附剂利用率低的问题。

Description

一种用于冶金废气净化处理的CO2循环捕集系统及方法
技术领域
本发明属于节能减排及碳捕集技术设备领域，特别涉及一种用于冶金废气净化处理的CO2循环捕集系统及方法。
背景技术
钢铁行业是全球最大的能源消耗制造部门，而我国又是世界最大的钢铁生产消费国，占全球近50％的粗钢产量。在冶金生产过程中，每生产1吨的粗钢，就会伴随产生0.1～0.3吨的钢渣以及大量的CO2。在2018年由冶金生产过程中产生的CO2量占中国总排放量的近15％。大量钢渣堆放及CO2排放造成了资源的浪费及环境的污染，因此，实现钢渣与CO2的协同处理是目前面对的主要挑战。
专利201110347636.X与专利201220383984.2应用溶液吸收法发明了一种二氧化碳捕集装置，专利201320174505.0采用了矿物膜分离方法实现了CO2的分离及收集。以上两种方法中吸收剂及矿物膜的再生相对困难且成本高，目前钙循环捕集技术被认为是最具有应用前景的一种CO2捕集技术之一，专利201721077829.7发明了一种石灰石在双塔流化床中进行CO2循环捕集装置。目前利用钙循环捕集技术进行循环碳捕集装置中，存在着以下问题：(1)CaO吸附剂循环碳捕集稳定性差，CO2吸附与脱附性能受循环次数影响较大；(2)无法实现碳吸附及碳脱附工序一体化，CaO吸附剂多次移动造成了原料损失及能量损耗，工艺复杂，且设备成本高；(3)CaO吸附剂在进行CO2的吸附反应时，碳酸化产物包覆于CaO吸附剂表面，使CO2的扩散行为成为碳吸附阶段的限制环节，降低了吸附剂的循环利用率。
发明内容
针对以上钢渣堆放及CO2排放严重以及依托于钙循环捕集技术所设计的碳捕集装置等存在的问题，本发明提供了一种用于冶金废气净化处理的CO2循环捕集系统，该系统实现碳吸附和碳脱附的工序一体化，有效提高了吸附剂的循环利用率。
本发明的目的就在于针对以上问题而提供的一种用于冶金废气净化处理的CO2循环捕集系统。本发明系统采用的捕碳剂可为传统工业CaO吸附剂，也可为利用钢铁冶炼废渣(如高炉渣、转炉渣或电炉渣)制备的CaO基吸附剂；针对于传统CaO多次在碳吸附及碳脱附环节中的移动而造成的原料损失、污染及能量损耗问题，本发明系统包括可移动行星式球磨加热反应器，捕碳剂加入到可移动行星式球磨加热反应器的不锈钢罐中，通过移动反应器实现捕碳剂在不同阶段的作用。另外针对于CaO吸附剂在进行CO2的吸附反应时，CaCO3产物包覆于CaO吸附剂表面而造成的CO2吸附率低，CaO吸附剂利用率低等问题，本发明系统在可移动行星式球磨加热反应器中的不锈钢罐中加入了尺寸不同的不锈钢球，且可移动行星式球磨加热反应器中的不锈钢罐随轴转动造成尺寸不等的不锈钢球运动轨迹复杂，起到了球磨，搅拌，均一化的作用，降低并消除了碳酸盐产物包覆现象，增大了CO2的吸附率的同时，提高了CaO吸附剂的利用率。
本发明提供了一种用于冶金废气净化处理的CO2循环捕集系统，所述CO2循环捕集系统包括冶金废气脱碳系统和CO2收集系统顺次连接；所述冶金废气脱碳系统包括法兰盘盖组和可移动行星式球磨加热反应器配合使用，所述法兰盘盖组包括吸附法兰盖、脱附法兰盖和再活化法兰盖，可移动行星式球磨加热反应器沿轨道旋转，循环进行碳吸附、碳脱附、捕碳剂再活化处理；可移动行星式球磨加热反应器包括罐体和球体，罐体内装有捕碳剂和球体，所述球体数量至少两个，且尺寸不相同；当可移动行星式球磨加热反应器的罐体转动时，罐内捕碳剂及球体随罐体的运动方向做规则运动。
工业生产过程中，通常设置除尘装置，经除尘后的冶金废气可直接进入本发明CO2循环捕集系统中。
本发明所述CO2循环捕集系统还可以包括冶金废气除尘装置，该除尘装置与现有技术中的除尘装置相同，经冶金废气除尘装置除尘后的冶金废气进入冶金废气脱碳系统进一步净化处理。
进一步地，上述技术方案中，所述冶金废气脱碳系统包括与地面垂直的支架，支架内竖直方向设有滑道，滑道上设有输送管，输送管可沿滑道在竖直方向运动，输送管主体为L型，输送管靠近滑道的一端与滑道垂直，输送管远离滑道的一端与滑道平行且管口朝向地面，并且分支出三个独立的管道，分别为冶金废气输入管、连接管和液气管，液气管为内外两层套管，内管输送水，外管输送空气；其中冶金废气输入管与吸附法兰盖相连，连接管与脱附法兰盖相连，液气管与再活化法兰盖相连，冶金废气输入管和液气管在输送管内相互独立且与输送管的气液入口相连通；吸附法兰盖、脱附法兰盖和再活化法兰盖三者的圆心连线构成正三角形，三者组成法兰盘盖组；法兰盘盖组下方设有可移动行星式球磨加热反应器，可移动行星式球磨加热反应器下方设有轨道，轨道在地面形成圆形使可移动行星式球磨加热反应器可运动至吸附法兰盖、脱附法兰盖和再活化法兰盖中的任意一个的正下方。
进一步地，上述技术方案中，所述可移动行星式球磨加热反应器设有底座，底座内部设有电机，底座上方设有罐体，电机与罐体之间通过旋转轴连接，旋转轴下部外侧设有轴承，罐体外部依次包覆有电阻丝和隔热保温材料，罐体内设有数个直径不同的球体。
进一步地，上述技术方案中，法兰盘盖组主体为三个法兰盘，吸附法兰盖上设有温度控制器a、CO2浓度检测仪a、废气入口，废气入口上方与冶金废气输入管相连，废气入口下方与套筒相连，吸附法兰盖上还设有气体输出管道，气体输出管道一端穿过且设于吸附法兰盘下方且设有颗粒物过滤器a，气体输出管道的另一端与尾气收集装置相连；脱附法兰盘上设有温度控制器b、CO2浓度监测仪b、CO2气体输出管道， CO2气体输出管道一端穿过且设置于脱附法兰盖下方，CO2气体输出管道的另一端与 CO2收集系统相连；再活化法兰盖上设有雾化器，雾化器分为内腔和外腔，内腔设置于外腔内，两腔体不接触，外腔主体为圆柱体状，圆柱体下方与圆台状圆管外腔锥体相连，圆台底面直径与圆柱体直径相同，圆台顶面设有雾化器喷口；内腔主体为圆柱状，圆柱状上下分别设有圆台状圆管内腔上椎体和圆管内腔下椎体，圆台底面直径与圆柱状主体直径相同，圆管内腔上椎体顶部连有管道，管道端口为水入口，水入口周围为空气入口，该管道可与液气管相连，圆管内腔上椎体侧面设有椎体孔洞；内腔圆柱主体与外腔之间设有阻气板和旋流器，阻气板设于旋流器上方，阻气板内设有阻气板孔，其中，雾化器喷口设置于消化法兰下方，水入口设置于再活化法兰上方。
进一步地，上述技术方案中，所述系统设有计算机数据储存及控制系统，计算机数据储存及控制系统与温度控制器、CO2浓度检测仪、输送管、可移动行星式球磨加热反应器电连接。
进一步地，上述技术方案中，可移动行星式球磨加热反应器的个数为3个，可移动行星式球磨加热反应器内装有捕碳剂，捕碳剂中CaO质量分数≥60％，粒度范围为 100nm～200μm；所述捕碳剂包括传统工业CaO吸附剂、利用钢铁冶炼废渣制备的CaO 基吸附剂；所述钢铁冶炼废渣包括高炉渣、转炉渣或电炉渣。
进一步地，上述技术方案中，罐体、球体法兰盘，套筒的材质均包括不锈钢。
进一步地，上述技术方案中，所述罐体的旋转速度为100～500rpm；罐体的直径D为80～150cm，罐体的高H为100～200cm，且D/H＝(0.4～0.7)；罐体内捕碳剂体积不超过罐体积的三分之二；罐内球体总质量与捕碳剂的质量比为1:15～1:20，球体的密度为 7.8±0.2g·cm-3；球体与罐体的直径比为1:50～1:150，罐体内的球体包括大球体和小球体，且大球体直径d1与小球体的直径d2比为d1：d2＝(1.5～3)，且大球体与小球体数量比为3:1；隔热保温材料为中温隔热耐火材料500～1000℃。
进一步地，上述技术方案中，所述CO2收集系统包括顺次连接的气泵、冷冻式压缩空气干燥机、CO2气体冷凝装置和CO2储气罐，所述气泵与CO2气体输出管道连接。
进一步地，上述技术方案中，捕碳剂再活化所需水量为捕碳剂质量的60％～80％。
进一步地，上述技术方案中，吸附法兰盖、脱附法兰盖上的温度控制器的温控范围为0～1000℃，CO2浓度检测仪的量程为0～100％Vol，所得数据会实时输入到计算机数据储存及控制装置。
进一步地，上述技术方案中，气体输送管道的内衬为耐高温材料，可为奥氏体不锈钢管，管壁厚度不小于8mm，外管为普通碳钢焊管，管道之间连接方式为法兰联接。
本发明还提供了一种利用CO2循环捕集系统净化冶金废气的方法，包括以下步骤：
(1)待处理冶金废气经过除尘器除尘后进入冶金废气脱碳系统；
(2)第一阶段：冶金废气的碳吸附阶段：可移动行星式球磨加热反应器(7)与吸附法兰盖结合，温度控制器a(6.41)控制温度为530～600℃进行反应，同时可移动行星式球磨加热反应器(7)中的罐体(7.3)进行旋转，球体(7.4)在罐体内做规则运动，CO2浓度检测仪a(6.51)在5～10min内检测CO2浓度上升，第一阶段反应完成；
第二阶段：冶金废气的碳脱附阶段：第一阶段反应完成后的可移动行星式球磨加热反应器(7)进入第二阶段与脱附法兰盖结合，温度控制器b(6.42)控制反应温度为830～900℃，同时可移动行星式球磨加热反应器(7)中的罐体(7.3)进行旋转，球体(7.4)在罐体内做规则运动，CO2浓度检测仪b(6.52)检测CO2浓度在5～10min 内不继续上升，第二阶段反应完成；
第三阶段：捕碳剂的再活化阶段：第二阶段完成后的可移动行星式球磨加热反应器(7)与再活化法兰盖结合，向可移动行星式球磨加热反应器(7)内加入水量为捕碳剂质量60％～80％的水；
第三阶段处理后的可移动行星式球磨加热反应器(7)回到第一阶段；
可移动行星式球磨加热反应器(7)的个数为三个，第一阶段、第二阶段和第三阶段同时循环进行，实现CO2的吸附、释放和捕碳剂的再生；
(3)第二阶段反应完成的CO2气体进入CO2收集系统，经过冷冻式压缩空气干燥机(10)除去水分后，经过气体冷凝装置(11)冷凝收集CO2气体至CO2储气管(12)。
工作过程：经过除尘后的冶金废气，通过输送管中冶金废气输入管进入到可移动行星式球磨加热反应器，为方便描述工作过程将三个可移动行星式球磨加热反应器进行标号区别，三个可移动行星式球磨加热反应器无实质区别。
第一阶段：在1号可移动行星式球磨加热反应器内部装入一定量的捕碳剂，利用可移动行星式球磨加热反应器内的电阻丝进行加热，通过吸附法兰盖上的温度控制器 a控制反应器内的温度范围为530～600℃，由于除尘后的冶金废气可提供部分热量，且 CaO与CO2的反应在0～600℃内都能自发反应，因此，当冶金废气通入到可移动行星式球磨加热反应器时，开始进行CaO的碳吸附反应。在捕碳剂进行碳吸附反应过程中，可移动行星式球磨加热反应器中的不锈钢罐随旋转轴进行旋转，罐内的一定量的捕碳剂与尺寸不等的不锈钢球，受不锈钢罐离心力的作用沿旋转方向转动，小球会填充于大球空隙间，对粒度不同的捕碳剂对应作用，实现捕碳剂的研磨、搅拌，均一化处理，降低碳酸盐产物的包覆行为。当吸附法兰盖上的CO2浓度检测仪a显示CO2浓度一定时间内(5～10min)呈增加趋势时，证明捕碳剂的碳吸附达饱和，净化后的气体通过气体输出管道a排出收集。此时碳捕集阶段完成。
第二阶段：提升多功能法兰盘盖组，1号可移动行星式球磨加热反应器沿圆形轨道移动到碳脱附位点，与此同时2号可移动行星式球磨加热反应器移动到碳吸附位点进行CO2捕集阶段，降低多功能法兰盘盖组与可移动行星式球磨加热反应器密封结合。 1号可移动行星式球磨加热反应器进行电阻丝加热，通过温度控制器b控制反应器内的温度为830～900℃，此时发生碳酸盐的煅烧反应。在碳酸盐煅烧反应过程中，可移动行星式球磨加热反应器中的不锈钢罐随旋转轴进行旋转，罐内的物料与尺寸不等的不锈钢球依然随罐体沿旋转方向运动，小球会填充于大球空隙间，对粒度不同的碳酸盐对应作用，实现碳酸盐的充分煅烧、物料搅拌、以及成分的均一化处理。煅烧过程中产生的CO2气体通过气泵的泵吸作用，经过颗粒物过滤器b，进入气体输出管道b， CO2气体经过冷冻式压缩空气干燥机除去水分后，经过气体冷凝装置冷凝收集CO2气体至CO2储气管。当CO2浓度检测仪b的数据显示CO2浓度在一定时间(5～10min) 不再升高时，证明CO2释放及收集阶段完成。
第三阶段：提升多功能法兰盘盖组的同时，1号可移动行星式球磨加热反应器沿圆形轨道移动到捕碳剂消化位点，2号可移动行星式球磨加热反应器移动到碳脱附位点，与此同时，3号可移动行星式球磨加热反应器进入到碳吸附位点。降低多功能法兰盘盖组与可移动行星式球磨加热反应器密封结合。消化法兰盖上的雾化器带有内腔，水及气体分别从雾化器的内腔及外腔进入，当流经法兰盖时，内腔结构扩大为带孔椎体，水流经内腔通过孔洞与气体混合，气体通过阻气板上面的小孔，压力瞬时变大，带压气体协同液体通过管外腔的旋流器形成雾化水汽，通过喷口作用于捕碳剂表面，形成消化作用，其作用机理如下公式所示。
CaO+H2O＝Ca(OH)2
在进行了碳脱附后，仍会有部分碳酸钙包覆在CaO表面，导致捕碳剂利用率降低，CO2吸附率下降。因此，再活化的过程，即发生的氧化钙与水的反应过程是一个体系膨胀的的过程，可以进一步粉化捕碳剂，增加了反应的比表面积，同时生成的Ca(OH)2具有比CaO在较低温度下与CO2的反应能力，增加了碳的吸附量。
在捕碳剂活化过程中，可移动行星式球磨加热反应器中的不锈钢罐随旋转轴进行旋转，罐内的物料与尺寸不等的不锈钢球随罐体沿旋转方向运动，小球会填充于大球空隙间，对粒度不同的捕碳剂对应作用，实现捕碳剂的充分活化。
消化后的捕碳剂主要成分为Ca(OH)2，依次移动1、2和3号可移动行星式可移动行星式球磨加热反应器进入下一位点，实现CO2的循环捕集、释放与收集和捕碳剂的再活化。
本发明系统采用的捕碳剂可为传统工业CaO吸附剂，也可为利用钢铁冶炼废渣(如高炉渣、转炉渣或电炉渣)制备的CaO基吸附剂；针对于传统CaO多次在碳吸附及碳脱附环节中的移动而造成的原料损失、污染及能量损耗问题，本发明系统包括可可移动行星式球磨加热反应器，捕碳剂加入到可移动行星式球磨加热反应器的不锈钢罐中，通过移动反应器实现捕碳剂在不同阶段的作用。另外针对于CaO吸附剂在进行CO2的吸附反应时，CaCO3产物包覆于CaO吸附剂表面而造成的CO2吸附率低， CaO吸附剂利用率低等问题，本发明系统在可移动行星式球磨加热反应器中的不锈钢罐中加入了尺寸不同的不锈钢球，且可移动行星式球磨加热反应器中的不锈钢罐随旋转轴转动造成尺寸不等的不锈钢球运动轨迹复杂，起到了球磨，搅拌，均一化的作用，降低并消除了碳酸盐产物包覆现象，增大了CO2的吸附率的同时，提高了CaO吸附剂的利用率。
有益效果：利用捕碳剂可为传统CaO基吸附剂，利用钢铁冶炼废渣(如高炉渣、转炉渣或电炉渣)制备的CaO基吸附剂，实现了冶金行业废渣与CO2的协同处理；本发明的可移动行星式球磨加热反应器，通过反应器的移动实现捕碳剂在不同阶段的作用，实现了碳吸附、碳脱附及吸附剂再活化一体化，工序简单，避免了传统碳捕集装置由吸附剂移动造成的原料损失、污染及能量损耗等问题。另外，在行星式球磨加热反应器内加入尺寸不等的不锈钢球，通过不锈钢球的复杂运动，起到了破碎研磨，搅拌，均一化捕碳剂的作用，降低并消除了在碳吸附阶段碳酸盐产物的包覆行为，增大了CO2的吸附率及捕碳剂的利用率。
附图说明：
图1本发明一种用于冶金废气净化处理的CO2循环捕集系统的示意图。
图2本发明可移动行星式球磨加热反应器循环运动轨迹图。
图3本发明可移动行星式球磨加热反应器结构图。
图4本发明碳吸附法兰盘盖结构图，其中(a)为主视图，(b)为俯视图。
图5本发明碳脱附法兰盘盖结构图，其中(a)为主视图，(b)为俯视图。
图6本发明捕碳剂消化法兰盘盖结构图，其中(a)为主视图，(b)为俯视图，(c) 为雾化器的机构示意图。
图中，1、液气管，2、连接管，3、滑道，4、冶金废气输入管，5、气液入口；6、法兰盘盖组，7、可移动行星式球磨加热反应器，8、轨道，9、气泵；10、冷冻式压缩空气干燥机，11、CO2气体冷凝装置，12、CO2储气罐，13、计算机数据储存及控制系统，14、输送管，15、支架，16、尾气收集装置；
6.1、废气入口，6.2、法兰盘，6.3、套筒，6.41、温度控制器a，6.42、温度控制器b，6.51、CO2浓度检测仪a，6.52、CO2浓度检测仪b，6.61、气体输出管道，6.62、 CO2气体输出管道，6.71、颗粒物过滤器a，6.72、颗粒物过滤器b，6.8、空气入口， 6.9、椎体孔洞，6.10、阻气板，6.11、旋流器，6.12、圆管内腔下椎体，6.13、圆管外腔椎体，6.14、雾化器喷口，6.15、水入口，6.16、圆管内腔上椎体，6.17、阻气板孔，
7.1、隔热保温材料；7.2、电阻丝；7.3、罐体；7.4、球体；7.5、旋转轴；7.6、轴承；7.7、电机；7.8、底座。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例1
如图1-6所示，一种用于冶金废气净化处理的CO2循环捕集系统及方法，其特征在于：所述CO2循环捕集系统包括冶金废气脱碳系统和CO2收集系统顺次连接；所述冶金废气脱碳系统包括法兰盘盖组6和可移动行星式球磨加热反应器7配合使用，所述法兰盘盖组6包括吸附法兰盖、脱附法兰盖和再活化法兰盖，可移动行星式球磨加热反应器7沿轨道8旋转，循环进行碳吸附、碳脱附、捕碳剂再活化处理；可移动行星式球磨加热反应器7包括罐体7.3和球体7.4，罐体7.3内装有捕碳剂和球体7.4，所述球体7.4数量至少两个，且尺寸不相同；当可移动行星式球磨加热反应器7的罐体7.3转动时，罐内捕碳剂及球体7.4随罐体7.3的运动方向做规则运动。
所述冶金废气脱碳系统包括与地面垂直的支架15，支架15内竖直方向设有滑道3，滑道3上设有输送管14，输送管14可沿滑道3在竖直方向运动，输送管14主体为L 型，输送管14靠近滑道3的一端与滑道3垂直，输送管远离滑道3的一端与滑道3 平行且管口朝向地面，并且分支出三个独立的管道，分别为冶金废气输入管4、连接管2和液气管1，液气管1为内外两层套管，内管输送水，外管输送空气；其中冶金废气输入管4与吸附法兰盖相连，连接管2与脱附法兰盖相连，液气管1与再活化法兰盖相连，冶金废气输入管4和液气管1在输送管14内相互独立且与输送管14的气液入口5相连通；吸附法兰盖、脱附法兰盖和再活化法兰盖三者的圆心连线构成正三角形，三者组成法兰盘盖组6；法兰盘盖组6下方设有可移动行星式球磨加热反应器7，可移动行星式球磨加热反应器7下方设有轨道8，轨道8在地面形成圆形使可移动行星式球磨加热反应器7可运动至吸附法兰盖、脱附法兰盖和再活化法兰盖中的任意一个的正下方。
所述可移动行星式球磨加热反应器7设有底座7.8，底座7.8内部设有电机7.7，底座7.8上方设有罐体7.3，电机7.7与罐体7.3之间通过旋转轴7.5连接，旋转轴7.5 下部外侧设有轴承7.6，罐体7.3外部依次包覆有电阻丝7.2和隔热保温材料7.1，罐体 7.3内设有数个直径不同的球体7.4。
法兰盘盖组6主体为三个法兰盘6.2，吸附法兰盖上设有温度控制器a 6.41、CO2浓度检测仪a 6.51、废气入口6.1，废气入口6.1上方与冶金废气输入管4相连，废气入口6.1下方与套筒6.3相连，吸附法兰盖上还设有气体输出管道6.61，气体输出管道 6.61一端穿过且设于吸附法兰盘下方且设有颗粒物过滤器a 6.71，气体输出管道6.6 的另一端与尾气收集装置16相连；脱附法兰盘上设有温度控制器b 6.42、CO2浓度监测仪b 6.52、CO2气体输出管道6.62，CO2气体输出管道6.62一端穿过且设置于脱附法兰盖下方，CO2气体输出管道6.62的另一端与CO2收集系统相连；再活化法兰盖上设有雾化器，雾化器分为内腔和外腔，内腔设置于外腔内，两腔体不接触，外腔主体为圆柱体状，圆柱体下方与圆台状圆管外腔锥体6.13相连，圆台底面直径与圆柱体直径相同，圆台顶面设有雾化器喷口6.14；内腔主体为圆柱状，圆柱状上下分别设有圆台状圆管内腔上椎体6.16和圆管内腔下椎体6.12，圆台底面直径与圆柱状主体直径相同，圆管内腔上椎体6.16顶部连有管道，管道端口为水入口6.15，水入口6.15周围为空气入口6.8，该管道可与液气管1相连，圆管内腔上椎体6.16侧面设有椎体孔洞6.9；内腔圆柱主体与外腔之间设有阻气板6.10和旋流器6.11，阻气板6.10设于旋流器6.11 上方，阻气板6.10内设有阻气板孔6.17，其中，雾化器喷口6.14设置于消化法兰下方，水入口6.15设置于再活化法兰上方。
所述系统设有计算机数据储存及控制系统13，计算机数据储存及控制系统13与温度控制器、CO2浓度检测仪、输送管14、可移动行星式球磨加热反应器7电连接。
可移动行星式球磨加热反应器7的个数为3个，可移动行星式球磨加热反应器7 内装有捕碳剂，捕碳剂中CaO质量分数≥60％，粒度范围为100nm～200μm；所述捕碳剂包括传统工业CaO吸附剂、利用钢铁冶炼废渣制备的CaO基吸附剂；所述钢铁冶炼废渣包括高炉渣、转炉渣或电炉渣。
罐体7.3、球体7.4法兰盘6.2，套筒6.3的材质均包括不锈钢。
所述罐体7.3的旋转速度为100～500rpm；罐体7.3的直径D为80～150cm，罐体 7.3的高H为100～200cm，且D/H＝(0.4～0.7)；罐体7.3内捕碳剂体积不超过罐体积的三分之二；罐内球体7.4总质量与捕碳剂的质量比为1:15～1:20，球体7.4的密度为7.8 ±0.2g·cm-3；球体7.4与罐体7.3的直径比为1:50～1:150，罐体7.3内的球体7.4包括大球体和小球体，且大球体直径d1与小球体的直径d2比为d1：d2＝(1.5～3)，且大球体与小球体数量比为3:1；隔热保温材料7.1为中温隔热耐火材料500～1000℃。
所述CO2收集系统包括顺次连接的气泵9、冷冻式压缩空气干燥机10、CO2气体冷凝装置11和CO2储气罐12，所述气泵9与CO2气体输出管道6.62连接。
实施例2
一种利用CO2循环捕集系统净化冶金废气的方法，包括以下步骤：
(1)待处理冶金废气经过除尘器除尘后进入冶金废气脱碳系统；
(2)第一阶段：冶金废气的碳吸附阶段：可移动行星式球磨加热反应器7与吸附法兰盖结合，温度控制器a 6.41控制温度为530～600℃进行反应，同时可移动行星式球磨加热反应器7中的罐体7.3进行旋转，球体7.4在罐体内做规则运动，CO2浓度检测仪a 6.51检测CO2浓度上升，第一阶段反应完成；
第二阶段：冶金废气的碳脱附阶段：第一阶段反应完成后的可移动行星式球磨加热反应器7进入第二阶段与脱附法兰盖结合，温度控制器b 6.42控制反应温度为 830～900℃，同时可移动行星式球磨加热反应器7中的罐体7.3进行旋转，球体7.4在罐体内做规则运动，CO2浓度检测仪b 6.52检测CO2浓度不继续上升，第二阶段反应完成；
第三阶段：捕碳剂的再活化阶段：第二阶段完成后的可移动行星式球磨加热反应器7与再活化法兰盖结合，向可移动行星式球磨加热反应器7内加入水量为捕碳剂质量60％～80％的水；
第三阶段处理后的可移动行星式球磨加热反应器7回到第一阶段；
可移动行星式球磨加热反应器7的个数为三个，第一阶段、第二阶段和第三阶段同时循环进行，实现CO2的吸附、释放和捕碳剂的再生；
(3)第二阶段反应完成的CO2气体进入CO2收集系统，经过冷冻式压缩空气干燥机10除去水分后，经过气体冷凝装置11冷凝收集CO2气体至CO2储气管12。
实施例3
如图3所示，可移动行星式球磨加热反应器的不锈钢罐直径1m，高1.5m，罐内分别放入直径为0.02m和0.01m的不锈钢球30和10个。可移动行星式球磨加热反应器的转速为200rpm。在可移动行星式球磨加热反应器内部装入5kg的传统CaO吸附剂，粒度为200目。
高炉煤气通过布袋除尘后，经冶金废气输入管道4进入可移动行星式球磨加热反应器，通过温度控制器，控制反应器内温度为580～600℃，进行CO2的吸附反应。如图4所示，当控制碳吸附功能法兰盖上的CO2浓度检测仪显示CO2浓度为5％，且在 5分钟内呈增加趋势，证明CaO吸附CO2达饱和，净化后的气体通过控制碳吸附功能法兰盖上的气体输出管道排出并收集。
进一步地，提升多功能法兰盘盖组，1号可移动行星式球磨加热反应器沿圆形轨道移动到碳脱附位点，与此同时2号可移动行星式球磨加热反应器移动到碳吸附位点进行CO2捕集阶段，降低多功能法兰盘盖组与可移动行星式球磨加热反应器密封结合。通过温度控制器控制2号反应器内的温度为830～850℃。如图1所示，产生CO2气体通过气泵9的泵吸作用，经过颗粒物过滤器进入气体输出管道，CO2气体经过冷冻式压缩空气干燥机10除去水分后，经过气体冷凝装置11收集CO2气体于储气罐中。当控制碳脱附功能法兰盖上CO2浓度检测仪的数据显示CO2浓度为1％，并且在5min内不再升高时，CO2释放及收集阶段完成。
进一步地，提升多功能法兰盘盖组，1号可移动行星式球磨加热反应器按圆形轨道移动到控制捕碳剂消化位点，2号可移动行星式球磨加热反应器移动到碳脱附位点， 3号可移动行星式球磨加热反应器进入到碳吸附位点，降低多功能法兰盘盖组与可移动行星式球磨加热反应器密封结合。1、2和3号可移动行星式球磨加热反应器分别进行CaO消化、碳脱附和碳吸附阶段。如图6所示，控制捕碳剂消化法兰盖上的圆管装有内腔，水及空气分别从圆管的内腔及外腔进入，当所用水质量为3kg时，停止通水及空气，CaO消化阶段完成。
进一步地，消化后的CaO吸附剂主要成分为Ca(OH)2，依次移动1、2和3号可移动行星式球磨加热反应器进入下一位点，实现CO2的连续循环捕集、释放与收集和捕碳剂的再活化。
实施例4
如图3所示，可移动行星式球磨加热反应器的不锈钢罐直径1.5m，高2m，罐内分别放入直径为0.03m和0.02m的不锈钢球36和18个。可移动行星式球磨加热反应器的转速为300rpm。在可移动行星式球磨加热反应器内部装入8kg由转炉渣制备的 CaO基吸附剂，包括70％CaO，粒度为300目。
焦炉煤气通过布袋除尘后，经冶金废气输入管道4进入可移动行星式球磨加热反应器，通过温度控制器，控制反应器内温度为550～580℃，进行CO2的吸附反应。如图4所示，当控制碳吸附功能法兰盖上的CO2浓度检测仪显示CO2浓度为6％，且在 8分钟内呈增加趋势，证明由转炉渣制备的CaO基吸附剂吸附CO2达饱和，净化后的气体通过控制碳吸附功能法兰盖上的气体输出管道排出并收集。
进一步地，提升多功能法兰盘盖组，1号可移动行星式球磨加热反应器沿圆形轨道移动到碳脱附位点，与此同时2号可移动行星式球磨加热反应器移动到碳吸附位点进行CO2捕集阶段，降低多功能法兰盘盖组与可移动行星式球磨加热反应器密封结合。通过温度控制器控制2号反应器内的温度为850～870℃。如图1所示，产生CO2气体通过气泵9的泵吸作用，经过颗粒物过滤器进入气体输出管道，CO2气体经过冷冻式压缩空气干燥机10除去水分后，经过气体冷凝装置11收集CO2气体于储气罐中。当控制碳脱附功能法兰盖上CO2浓度检测仪的数据显示CO2浓度为2％,并且在8min内不再升高时，CO2释放及收集阶段完成。
进一步地，提升多功能法兰盘盖组，1号可移动行星式球磨加热反应器按圆形轨道移动到控制捕碳剂消化位点，2号可移动行星式球磨加热反应器移动到碳脱附位点， 3号可移动行星式球磨加热反应器进入到碳吸附位点，降低多功能法兰盘盖组与可移动行星式球磨加热反应器密封结合。1、2和3号可移动行星式球磨加热反应器分别进行CaO消化、碳脱附和碳吸附阶段。如图6所示，控制捕碳剂消化法兰盖上的圆管装有内腔，水及空气分别从圆管的内腔及外腔进入，当所用水质量为5.6kg时，停止通水及空气，由转炉渣制备的CaO基吸附剂消化阶段完成。
进一步地，消化后的CaO吸附剂主要成分为Ca(OH)2，依次移动1、2和3号可移动行星式球磨加热反应器进入下一位点，实现CO2的连续循环捕集、释放与收集和捕碳剂的再活化。
实施例5
如图3所示，可移动行星式球磨加热反应器的不锈钢罐直径0.8m，高1.2m，罐内分别放入直径为0.015m和0.005m的不锈钢球36和12个。可移动行星式球磨加热反应器的转速为500rpm。在可移动行星式球磨加热反应器内部装入4kg由高炉渣制备的 CaO基吸附剂，包括60％CaO，粒度为400目。
高炉煤气通过布袋除尘后，经冶金废气输入管道4进入可移动行星式球磨加热反应器，通过温度控制器，控制反应器内温度为580～600℃，进行CO2的吸附反应。如图4所示，当控制碳吸附功能法兰盖上的CO2浓度检测仪显示CO2浓度为4％，且在 10分钟内呈增加趋势，证明CaO吸附CO2达饱和，净化后的气体通过控制碳吸附功能法兰盖上的气体输出管道排出并收集。
进一步地，提升多功能法兰盘盖组，1号可移动行星式球磨加热反应器沿圆形轨道移动到碳脱附位点，与此同时2号可移动行星式球磨加热反应器移动到碳吸附位点进行CO2捕集阶段，降低多功能法兰盘盖组与可移动行星式球磨加热反应器密封结合。通过温度控制器控制2号反应器内的温度为870～900℃。如图1所示，产生CO2气体通过气泵9的泵吸作用，经过颗粒物过滤器进入气体输出管道，CO2气体经过冷冻式压缩空气干燥机10除去水分后，经过气体冷凝装置11收集CO2气体于储气罐中。当控制碳脱附功能法兰盖上CO2浓度检测仪的数据显示CO2浓度为0.5％,并且在10min 内不再升高时，CO2释放及收集阶段完成。
进一步地，提升多功能法兰盘盖组，1号可移动行星式球磨加热反应器按圆形轨道移动到控制捕碳剂消化位点，2号可移动行星式球磨加热反应器移动到碳脱附位点， 3号可移动行星式球磨加热反应器进入到碳吸附位点，降低多功能法兰盘盖组与可移动行星式球磨加热反应器密封结合。1、2和3号可移动行星式球磨加热反应器分别进行CaO消化、碳脱附和碳吸附阶段。如图6所示，控制捕碳剂消化法兰盖上的圆管装有内腔，水及空气分别从圆管的内腔及外腔进入，当所用水质量为2.5kg时，停止通水及空气，由转炉渣制备的CaO基吸附剂消化阶段完成。
进一步地，消化后的CaO吸附剂主要成分为Ca(OH)2，依次移动1、2和3号可移动行星式球磨加热反应器进入下一位点，实现CO2的连续循环捕集、释放与收集和捕碳剂的再活化。

Claims (9)

1.一种用于冶金废气净化处理的CO2循环捕集系统，其特征在于：所述CO2循环捕集系统包括冶金废气脱碳系统和CO2收集系统顺次连接；所述冶金废气脱碳系统包括法兰盘盖组（6）和可移动行星式球磨加热反应器（7）配合使用，所述法兰盘盖组（6）包括吸附法兰盖、脱附法兰盖和再活化法兰盖，可移动行星式球磨加热反应器（7）沿轨道（8）旋转，循环进行碳吸附、碳脱附、捕碳剂再活化处理；吸附法兰盖上设有温度控制器a（6.41）、CO2浓度检测仪a（6.51）；脱附法兰盘上设有温度控制器b（6.42）、CO2浓度监测仪b（6.52）；可移动行星式球磨加热反应器（7）包括罐体（7.3）和球体（7.4），罐体（7.3）内装有捕碳剂和数个直径不同的球体（7.4），当可移动行星式球磨加热反应器（7）的罐体（7.3）转动时，罐内捕碳剂及球体（7.4）随罐体（7.3）的运动方向做规则运动；罐体（7.3）外部依次包覆有电阻丝（7.2）和隔热保温材料（7.1）；所述可移动行星式球磨加热反应器（7）设有底座（7.8），底座（7.8）内部设有电机（7.7），底座（7.8）上方设有罐体（7.3），电机（7.7）与罐体（7.3）之间通过旋转轴（7.5）连接，旋转轴（7.5）下部外侧设有轴承（7.6）；
所述罐体（7.3）的旋转速度为100~500rpm；罐体（7.3）的直径D为80~150cm，罐体（7.3）的高H为100~200cm，且D/H=(0.4~0.7)；罐体（7.3）内捕碳剂体积不超过罐体积的三分之二；罐内球体（7.4）总质量与捕碳剂的质量比为1:15~1:20，球体（7.4）的密度为7.8±0.2 g·cm-3；球体（7.4）与罐体（7.3）的直径比为1:50~1:150，罐体（7.3）内的球体（7.4）包括大球体和小球体，且大球体直径d1与小球体的直径d2比为d1：d2=（1.5~3），且大球体与小球体数量比为3:1；
所述温度控制器a（6.41）控制温度为530~600℃，温度控制器b（6.42）控制温度为870~900℃；
所述可移动行星式球磨加热反应器（7）内装有捕碳剂，捕碳剂中CaO质量分数≥60%，粒度范围为100nm~200μm；所述捕碳剂为利用钢铁冶炼废渣制备的CaO基吸附剂；所述钢铁冶炼废渣包括高炉渣、转炉渣或电炉渣。
2.根据权利要求1所述的CO2循环捕集系统，其特征在于：所述冶金废气脱碳系统包括与地面垂直的支架（15），支架（15）内竖直方向设有滑道（3），滑道（3）上设有输送管（14），输送管（14）可沿滑道（3）在竖直方向运动，输送管（14）主体为L型，输送管（14）靠近滑道（3）的一端与滑道（3）垂直，输送管远离滑道（3）的一端与滑道（3）平行且管口朝向地面，并且分支出三个独立的管道，分别为冶金废气输入管（4）、连接管（2）和液气管（1），液气管（1）为内外两层套管，内管输送水，外管输送空气；其中冶金废气输入管（4）与吸附法兰盖相连，连接管（2）与脱附法兰盖相连，液气管（1）与再活化法兰盖相连，冶金废气输入管（4）和液气管（1）在输送管（14）内相互独立且与输送管（14）的气液入口（5）相连通；吸附法兰盖、脱附法兰盖和再活化法兰盖三者的圆心连线构成正三角形，三者组成法兰盘盖组（6）；法兰盘盖组（6）下方设有可移动行星式球磨加热反应器（7），可移动行星式球磨加热反应器（7）下方设有轨道（8），轨道（8）在地面形成圆形使可移动行星式球磨加热反应器（7）可运动至吸附法兰盖、脱附法兰盖和再活化法兰盖中的任意一个的正下方。
3.根据权利要求1或2所述的CO2循环捕集系统，其特征在于：法兰盘盖组（6）主体为三个法兰盘（6.2），吸附法兰盖上设有废气入口（6.1），废气入口（6.1）上方与冶金废气输入管（4）相连，废气入口（6.1）下方与套筒（6.3）相连，吸附法兰盖上还设有气体输出管道（6.61），气体输出管道（6.61）一端穿过且设于吸附法兰盘下方且设有颗粒物过滤器a（6.71），气体输出管道（6.61）的另一端与尾气收集装置（16）相连；脱附法兰盘上设有CO2气体输出管道（6.62），CO2气体输出管道（6.62）一端穿过且设置于脱附法兰盖下方，CO2气体输出管道（6.62）的另一端与CO2收集系统相连；再活化法兰盖上设有雾化器，雾化器分为内腔和外腔，内腔设置于外腔内，两腔体不接触，外腔主体为圆柱体状，圆柱体下方与圆台状圆管外腔锥体（6.13）相连，圆台底面直径与圆柱体直径相同，圆台顶面设有雾化器喷口（6.14）；内腔主体为圆柱状，圆柱状上下分别设有圆台状圆管内腔上椎体（6.16）和圆管内腔下椎体（6.12），圆台底面直径与圆柱状主体直径相同，圆管内腔上椎体（6.16）顶部连有管道，管道端口为水入口（6.15），水入口（6.15）周围为空气入口（6.8），该管道可与液气管（1）相连，圆管内腔上椎体（6.16）侧面设有椎体孔洞（6.9）；内腔圆柱主体与外腔之间设有阻气板（6.10）和旋流器（6.11），阻气板（6.10）设于旋流器（6.11）上方，阻气板（6.10）内设有阻气板孔（6.17），其中，雾化器喷口（6.14）设置于消化法兰下方，水入口（6.15）设置于再活化法兰上方。
4.根据权利要求1或2所述的CO2循环捕集系统，其特征在于：所述系统设有计算机数据储存及控制系统（13），计算机数据储存及控制系统（13）与温度控制器、CO2浓度检测仪、输送管（14）、可移动行星式球磨加热反应器（7）电连接。
5.根据权利要求1或2所述的CO2循环捕集系统，其特征在于，可移动行星式球磨加热反应器（7）的个数为3个。
6.根据权利要求2所述的CO2循环捕集系统，其特征在于：罐体（7.3）、球体（7.4）法兰盘（6.2），套筒（6.3）的材质均包括不锈钢。
7.根据权利要求1所述的CO2循环捕集系统，其特征在于：隔热保温材料（7.1）为中温隔热耐火材料500~1000℃。
8.根据权利要求1所述的CO2循环捕集系统，其特征在于：所述CO2收集系统包括顺次连接的气泵（9）、冷冻式压缩空气干燥机（10）、CO2气体冷凝装置（11）和CO2储气罐（12），所述气泵（9）与CO2气体输出管道（6.62）连接。
9.一种利用权利要求1所述的CO2循环捕集系统净化冶金废气的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）待处理冶金废气经过除尘器除尘后进入冶金废气脱碳系统；
（2）第一阶段：冶金废气的碳吸附阶段：可移动行星式球磨加热反应器（7）与吸附法兰盖结合，温度控制器a（6.41）控制温度为530~600℃进行反应，同时可移动行星式球磨加热反应器（7）中的罐体（7.3）进行旋转，球体（7.4）在罐体内做规则运动，CO2浓度检测仪a（6.51）在5~10min内检测CO2浓度上升，第一阶段反应完成；
第二阶段：冶金废气的碳脱附阶段：第一阶段反应完成后的可移动行星式球磨加热反应器（7）进入第二阶段与脱附法兰盖结合，温度控制器b（6.42）控制反应温度为830~900℃，同时可移动行星式球磨加热反应器（7）中的罐体（7.3）进行旋转，球体（7.4）在罐体内做规则运动，CO2浓度检测仪b（6.52）检测CO2浓度在5~10min内不继续上升，第二阶段反应完成；
第三阶段：捕碳剂的再活化阶段：第二阶段完成后的可移动行星式球磨加热反应器（7）与再活化法兰盖结合，向可移动行星式球磨加热反应器（7）内加入水量为捕碳剂质量的60%~80%；
第三阶段处理后的可移动行星式球磨加热反应器（7）回到第一阶段；
可移动行星式球磨加热反应器（7）的个数为三个，第一阶段、第二阶段和第三阶段同时循环进行，实现CO2的吸附、释放和捕碳剂的再生；
（3）第二阶段反应完成的CO2气体进入CO2收集系统，经过冷冻式压缩空气干燥机（10）除去水分后，经过气体冷凝装置（11）冷凝收集CO2气体至CO2储气罐（12）。
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