CN112844033A - 一种捕获co2鼓泡输送流化床反应装置和工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种捕获CO2鼓泡输送流化床反应装置和工艺,该装置包括鼓泡输送流化床反应器、旋风分离器、解吸器,旋风分离器的出口连接滤袋和气体分析仪;解吸器的出口连接冷凝器,冷凝器出口连接鼓泡输送流化床反应器的解吸剂入口;所述鼓泡输送流化床反应器包括反应器底座、换热器、中心管、鼓泡床、中心提升管、输送流化床。本发明解决了固体吸附剂捕集工艺中所需的流化床反应器,从而提供一种既能满足吸附剂接触时间,又能使所需要的吸附剂和解吸剂循环可调的设备。
Description
技术领域
本发明涉及一种捕获CO2鼓泡输送流化床反应装置和工艺,属于流化床反应器技术领域。
背景技术
近年来,的排放速度正随着人类利用这种能源的速度增长而快速增长,这也造成了温室效应的日益增加,所以对捕集性能的研究已经受到了国内外许多学者的重视,然而从气体混合物中捕获二氧化碳被认为是一种很有前途的方法,用于从发电厂和工业单位中进行气体净化、碳捕获和储存(CCS)。
在各种技术路线中,固体吸附剂的捕集性能因其附加能源需求低、无腐蚀、二次污染低等优点而受到各界的广泛关注。
传统的使用固体吸附剂捕获需要在两个反应堆中进行,需要一个低温吸附器和一个高温解吸器。但考虑到的连续捕集过程,获得更好的捕集性能,吸附剂需要在吸附器与解吸器之间循环。因此,许多捕集系统都至少需要一个快速流化床。
从文献IE 400852 K可知,韩国能源研究所(KIER)开发了不同规模的连续CO2捕获系统,使用快速流化床作为吸附器,鼓泡床作为解吸器。由于吸附器的高运行速度导致气体停留时间短,因此捕集效率在50%至80%之间,为了更好的二氧化碳捕获性能,吸附器的高度必须提高,以增加气体停留时间,快速流化床吸附剂的反应活性较低的缺点更为突出。本发明所选用的综合鼓泡输送流化反应器极大的改善了以往设备的缺陷,可以达到优化的效果。
发明内容
本发明旨在提供一种捕获CO2鼓泡输送流化床反应装置和工艺,解决固体吸附剂捕集工艺中所需的流化床反应器,从而提供一种既能满足吸附剂接触时间,又能使所需要的吸附剂和解吸剂循环可调的设备。
本发明中,结合鼓泡床与快速流化床的特点,将两者结合起来组成一个鼓泡--输送一体化的鼓泡输送流化床反应器。
本发明提供了一种捕获CO2鼓泡输送流化床反应装置,包括鼓泡输送流化床反应器、旋风分离器、解吸器,旋风分离器的出口连接滤袋和气体分析仪;解吸器的出口连接冷凝器,冷凝器出口连接鼓泡输送流化床反应器的解吸剂入口;
所述鼓泡输送流化床反应器包括反应器底座、换热器、中心管、鼓泡床、中心提升管、输送流化床;
鼓泡输送流化床反应器主要由鼓泡床和输送流化床两部分构成。两个床层通过中心管和中心提升管连接;中心管在鼓泡床底部,中心管提供高速的中心气流,在中心管出口周围形成低压区域;吸附剂在压力梯度下经过鼓泡床被驱动到中心提升管中,并被气流带入输送流化床。反应器底部设有烟道气入口,烟道气用作发生吸附反应的鼓泡床的流化介质。换热器安装在床中以吸收反应过程中释放的热量并将床温度保持在60℃-100℃内。同时,中心管提供高速的中心气流,从而在管出口周围形成低压区域。吸附剂在压力梯度下被驱动到中心提升管中,并被气流带入输送床。吸附二氧化碳后的吸附剂和被脱附的二氧化碳气体的其他混合物被进一步输送到下游旋风分离器,分离后的吸附剂进入解吸器,气体进入后续处理单元。
进一步地,所述鼓泡输送流化床反应器的中心提升管位于鼓泡床中心,中心提升管外侧设有换热器。换热器内接环绕在中心提升管外部;换热器连接反应器内部(换热器安装在鼓泡输送流化床反应器内部,位于鼓泡床中),外界冷水从换热器下部入口进入,随着换热管螺旋上升至换热器上部出口排出,管内为冷流体,管外为热流体,从而进行冷热交换。
进一步地,所述中心提升管,外部设有换热器用来吸收反应所放出的热量。
进一步地,所述的鼓泡床与反应器的直径比为0.4~0.5,鼓泡床高度与反应器的直径比为3~5。
进一步地,所述鼓泡输送流化床反应器的底部设有两种气体入口,一种为烟道气入口,另一种为中心气体入口(中心气体为空气);反应器底部与反应器同轴线设有中心管,中心管上设有中心气体入口。
进一步地,所述中心管与反应器的直径比为0.1~0.5。
进一步地,所述中心提升管位于中心管上部,两者间隔0.05-0.1m;
进一步地,中心提升管内径与反应器的直径比为0.2~0.3,中心提升管高度比鼓泡床高0.5-1m;
进一步地,反应器底座上设有8个均匀分布的烟道气入口。
本发明提供了一种捕获二氧化碳鼓泡输送流化床工艺:烟道气(待处理气体)通过鼓泡输送流化床反应器底部的入口通入到鼓泡床中;同时,中心气体通过鼓泡输送流化床反应器底部的中心管进入,中心管提供高速的中心气流,从而在管出口周围形成低压区域,吸附剂在压力梯度下被驱动到中心提升管中,并被气流带入输送流化床。吸附二氧化碳后的吸附剂和被脱二氧化碳气体的其他混合物被进一步输送到下游的旋风分离器,分离后的吸附剂进入解吸器,被脱附的吸附剂从解吸器下部出口排出进入冷凝器,经过冷凝器冷凝后的吸附剂再次从反应器吸附剂入口处进入,从而形成吸附剂循环利用;经过旋风分离器分离后的气体进入滤袋除尘气体经过气体分析仪检测合格后外排。
所述吸附剂,选用K2CO3/Al2O3固体吸附剂,吸附剂形状为球形多孔结构,平均吸附剂直径为100-500 μm;
所述吸附剂入口,距底座的高度与反应器总高比为0.2~0.5。
本发明的有益效果:
(1)鼓泡输送流化床吸附剂采用高速气体输送,在吸附剂循环中表现出良好的稳定性和可靠性。
(2)鼓泡输送流化床反应器结合了鼓泡和快流化两种流化状态,气泡在低速下运行,提供了足够的气体吸附剂接触时间和更深的反应程度。
(3)吸着剂循环速率随静态床高和中心气速的增大而增大。此外,中心气速比静态床高更适合调节吸附剂循环。
(4)鼓泡输送床吸附器的操作温度在60℃~100℃之间,该温度范围比单流化床的操作温度宽。
(5)鼓泡输送流化床反应器中吸附剂和解吸剂之间可调循环。
附图说明
图1为鼓泡输送流化床反应器的结构示意图。
图2为反应器底座底部剖视结构示意图。
图3为捕获CO2鼓泡输送流化床工艺的示意图。
图中:1为鼓泡输送流化床反应器,2为中心管,3为反应器底座,4为鼓泡床,5为换热器,6为中心提升管,7为输送流化床,8为中心气体入口,9为烟气入口,10为旋风分离器,11为解吸器,12为冷凝器,13为吸附剂入口,14为滤袋,15为气体分析仪。
A为烟道气,B为中心气体,D为水蒸气,E为氮气。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明,但不局限于以下实施例。
实施例1:
如图1~3所示,一种捕获CO2鼓泡输送流化床反应装置,包括鼓泡输送流化床反应器1、旋风分离器10、解吸器11,旋风分离器10的出口连接滤袋14和气体分析仪15;解吸器11的出口连接冷凝器12,冷凝器12出口连接鼓泡输送流化床反应器1的解吸剂入口13;
所述鼓泡输送流化床反应器1包括反应器底座3、换热器5、中心管2、鼓泡床4、中心提升管6、输送流化床7;
鼓泡输送流化床反应器1主要由鼓泡床4和输送流化床7两部分构成。两个床层通过中心管2和中心提升管6连接。反应器底部设有烟气入口9,烟气用作发生吸附反应的鼓泡床4的流化介质。换热器5安装在床中以吸收反应过程中释放的热量并将床温度保持在60℃-100℃内。同时,中心管在鼓泡床4底部,中心管2提供高速的中心气流,从而在管出口周围形成低压区域。吸附剂在压力梯度下被驱动到中心提升管6中,并被气流带入输送床7。吸附二氧化碳后的吸附剂和被脱附二氧化碳气体的其他混合物被进一步输送到下游旋风分离器10,分离后的吸附剂进入解吸器11,气体进入后续处理单元。
进一步地,所述鼓泡输送流化床反应器1的中心提升管6位于鼓泡床4中心,中心提升管6外侧设有换热器5。换热器内接环绕在中心提升管外部;换热器连接反应器内部(换热器安装在鼓泡输送流化床反应器内部,位于鼓泡床中),外界冷水从换热器下部入口进入,随着换热管螺旋上升至换热器上部出口排出,管内为冷流体,管外为热流体,从而进行冷热交换。
进一步地,所述中心提升管6,外部设有换热器5用来吸收反应所放出的热量。
进一步地,所述的鼓泡床4与反应器1的直径比为0.4~0.5,鼓泡床4高度与反应器1的直径比为3~5。
进一步地,所述鼓泡输送流化床反应器的底部设有两种气体入口,一种为烟气入口9,与反应器1同轴线底部设有中心管2,中心管上设有中心气体入口8。
进一步地,所述中心管2与反应器1的直径比为0.1~0.5。
进一步地,所述中心提升管6位于中心管2上部,两者间隔0.05-0.1m;
进一步地,中心提升管6内径与反应器1的直径比为0.2~0.3,中心提升管6高度比鼓泡床高0.5-1m;
进一步地,反应器底座3上设有8个均匀分布的烟气入口9;参照图2所示。
采用上述装置的一种捕获二氧化碳鼓泡输送流化床工艺:烟道气通过鼓泡输送流化床反应器1底部的入口9通入到鼓泡床4中;同时,中心气体通过鼓泡输送流化床反应器1底部的中心管2进入,中心管2提供高速的中心气流,从而在管出口周围形成低压区域,吸附剂在压力梯度下被驱动到中心提升管6中,并被气流带入输送流化床7。吸附二氧化碳后的吸附剂和被脱二氧化碳气体的其他混合物被进一步输送到下游的旋风分离器10,分离后的吸附剂进入解吸器11,被脱附的吸附剂从解吸器11下部出口排出。进入冷凝器12,经过冷凝器12冷凝后的吸附剂再次从反应器吸附剂入口13处进入,从而形成吸附剂循环利用;经过旋风分离器10分离后的气体进入滤袋14除尘气体经过气体分析仪15检测合格后外排。
所述吸附剂,选用K2CO3/Al2O3固体吸附剂,吸附剂形状为球形多孔结构,平均吸附剂直径为100-500 μm;
所述吸附剂入口13,距底座3的高度与反应器总高比为0.2~0.5。
下面以连续式捕集性能为例对本发明所述鼓泡输送流化床反应器1的技术效果进行评价;
实施例 1
连续式捕集系统工艺如图3所示,首先烟道气通过鼓泡输送流化床反应器1底部的烟道气入口9通入到鼓泡床4中,鼓泡床4周围设有换热器5进行热量交换,使整个反应床处于所需温度范围内;同时,中心气体通过鼓泡输送流化床反应器1底部的中心管2进入,中心管2提供高速的中心气流,从而在管出口周围形成低压区域,吸附剂在压力梯度下被驱动到中心提升管6中,并被气流带入输送流化床7(中心提升管6位于输送流化床7的下部,吸附剂在压力梯度的作用下进入中心提升管6中,此时输送流化床7压力较中心提升管6出口处压力小,在压力差的作用下吸附剂被气流带入输送流化床7)。吸附二氧化碳后的吸附剂和被脱二氧化碳气体的其他混合物被进一步输送到下游的旋风分离器10,分离后的吸附剂进入解吸器11,被脱附的吸附剂从解吸器11下部排除进入冷凝器12,经过冷凝器12冷凝后的吸附剂再次从反应器入口13进入,从而再次循环利用;经过旋风分离器10分离后的气体经过滤袋14过滤分离后,与水蒸气排除,剩余气体经过处理后进入分析仪15进行分析处理。
连续式捕集系统中,烟道气从反应器入口9进入,该烟道气由二氧化碳、水蒸气和平衡量的组成。设烟道气流量为4 Nm3 /h,进口浓度为10%Nm3,选择空气作为解吸器11的流化介质。
选用K2CO3/Al2O3固体吸附剂,在水蒸气的条件下与反应,在低温下生成碳酸氢钾盐。采用负载率为30%的高纯度湿法浸渍多孔孔型氧化铝颗粒制备吸附剂,制得吸附剂形状为球形多孔结构,吸附剂平均直径为300 μm,表面面积为78㎡ /g。
此次测量是在一个固定床上测量的,通过将2.2(kg)吸附剂装入吸附器中生成静态床层高度为0.35(mm)的沉降床,在鼓泡状态下进行流化,再通入中心气流,输出吸附剂。其中吸附剂循环速度30 kg/h,吸附温度60℃,解吸温度350℃,设置所需水蒸气浓度为10vol%时,CO2的捕集效率(指在混合气体中采用一定的工艺捕集到纯CO2占总气体量的比率)为82.9%。
实施例 2
进料组成、流量、室内温度及操作压力等参数同实施例 1。
吸附剂循环速度、静态床高、吸附温度、解吸温度、浓度都不改变,改变水蒸气浓度为18vol%,CO2的捕集效率可达90.4%。
综上,本发明所述的鼓泡输送流化床反应器在控制吸附剂循环速度、静态床高、吸附温度、解吸温度、浓度都不改变的条件下,改变水蒸气浓度,可以增加吸附剂颗粒,但水蒸气过量时则应谨慎处理,吸附剂颗粒在碰撞时可能会形成液体桥,液体桥力足够大则会导致反应器关闭。所以从上述实施例1、2可得出,在鼓泡输送流化床反应器中,其他条件参数不变的前提下,改变水蒸气浓度测的捕集效率可得,该反应器具有较好的捕集性能。
Claims (10)
1.一种捕获CO2鼓泡输送流化床反应装置,其特征在于:包括鼓泡输送流化床反应器、旋风分离器、解吸器,旋风分离器的出口连接滤袋和气体分析仪;解吸器的出口连接冷凝器,冷凝器出口连接鼓泡输送流化床反应器的吸附剂入口;所述鼓泡输送流化床反应器包括反应器底座、换热器、中心管、鼓泡床、中心提升管、输送流化床;
鼓泡输送流化床反应器由鼓泡床和输送流化床两部分构成;两个床层通过中心管和中心提升管连接;中心管在鼓泡床底部,中心管提供高速的中心气流,在中心管出口周围形成低压区域;吸附剂在压力梯度下经过鼓泡床被驱动到中心提升管中,并被气流带入输送流化床;
反应器底部设有烟道气入口,烟道气用作发生吸附反应的鼓泡床的流化介质;换热器安装在床中以吸收反应过程中释放的热量并将床温度保持在60℃-100℃内;同时,中心管提供高速的中心气流,从而在管出口周围形成低压区域;吸附剂在压力梯度下被驱动到中心提升管中,并被气流带入输送床;吸附二氧化碳后的吸附剂和被脱附的二氧化碳气体的其他混合物被进一步输送到下游旋风分离器,分离后的吸附剂进入解吸器,气体进入后续处理单元。
2.根据权利要求1所述的捕获CO2鼓泡输送流化床反应装置,其特征在于:所述鼓泡输送流化床反应器的中心提升管位于鼓泡床中心,中心提升管外侧设有换热器;换热器内接环绕在中心提升管外部,位于鼓泡床中;外界冷水从换热器下部入口进入,随着换热管螺旋上升至换热器上部出口排出,管内为冷流体,管外为热流体,从而进行冷热交换。
3.根据权利要求1所述的捕获CO2鼓泡输送流化床反应装置,其特征在于:所述的鼓泡床与反应器的直径比为0.4~0.5,鼓泡床高度与反应器的直径比为3~5。
4.根据权利要求1所述的捕获CO2鼓泡输送流化床反应装置,其特征在于:所述鼓泡输送流化床反应器的底部设有两种气体入口,一种为烟道气入口,另一种为中心气体入口,中心气体为空气;反应器底部与反应器同轴线设有中心管,中心管上设有中心气体入口。
5.根据权利要求1所述的捕获CO2鼓泡输送流化床反应装置,其特征在于:所述中心管与反应器的直径比为0.1~0.5。
6.根据权利要求1所述的捕获CO2鼓泡输送流化床反应装置,其特征在于:所述中心提升管位于中心管上部,两者间隔0.05-0.1m;
中心提升管内径与反应器的直径比为0.2~0.3,中心提升管高度比鼓泡床高0.5-1m。
7.根据权利要求1所述的捕获CO2鼓泡输送流化床反应装置,其特征在于:反应器底座上设有8个均匀分布的烟道气入口。
8.根据权利要求1所述的捕获CO2鼓泡输送流化床反应装置,其特征在于:所述吸附剂入口,距底座的高度与反应器总高比为0.2~0.5。
9.一种捕获CO2鼓泡输送流化床工艺,采用权利要求1~8任一项所述的捕获CO2鼓泡输送流化床反应装置,其特征在于:烟道气通过鼓泡输送流化床反应器底部的入口通入到鼓泡床中;同时,中心气体通过鼓泡输送流化床反应器底部的中心管进入,中心管提供高速的中心气流,从而在管出口周围形成低压区域,吸附剂在压力梯度下被驱动到中心提升管中,并被气流带入输送流化床;吸附二氧化碳后的吸附剂和被脱附的二氧化碳气体的其他混合物被进一步输送到下游的旋风分离器,分离后的吸附剂进入解吸器,被脱附的吸附剂从解吸器下部出口排出进入冷凝器,经过冷凝器冷凝后的吸附剂再次从反应器吸附剂入口处进入,从而形成吸附剂循环利用;经过旋风分离器分离后的气体进入滤袋除尘气体经过气体分析仪检测合格后外排。
10.根据权利要求9所述的捕获CO2鼓泡输送流化床工艺,其特征在于:所述吸附剂为K2CO3/Al2O3固体吸附剂,吸附剂形状为球形多孔结构,吸附剂的平均直径为100-500 μm。
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CN113856411A (zh) * | 2021-10-22 | 2021-12-31 | 北京德润晨环保科技有限公司 | 一种球形固态胺多级薄层鼓泡床二氧化碳捕集及解吸系统和方法 |
CN114733450A (zh) * | 2022-04-12 | 2022-07-12 | 东南大学 | 抑制鼓泡床-输运床叠置反应器流化气体短路的装置 |
CN114733450B (zh) * | 2022-04-12 | 2023-03-14 | 东南大学 | 抑制鼓泡床-输运床叠置反应器流化气体短路的装置 |
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