CN114471107A - 一种双碱法脱碳工艺及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种双碱法脱碳工艺及设备，工艺包括：将CaO储仓中的CaO和湿法CO2吸收塔过来的含Na2CO3的浆液混合，在反应池内Ca(OH)2与Na2CO3发生置换反应生成含有CaCO3固体悬浮物和NaOH的混合液，然后进入旋流分离器，CaCO3固体被离心分离出来，以高浓度CaCO3悬浮液的状态从旋流分离器底流流出，进入后续的脱水机进行脱水；旋流分离器的清液进入后续的沉砂池沉淀进行固液分离，沉砂池含有NaOH的上清液进入湿法CO2吸收塔，脱硫脱硝后含有CO2的烟气与NaOH反应进行脱碳后通过烟囱排出。其工艺简单，脱碳效率高，且吸收剂在系统内循环再生，吸收剂实际耗量小，运行成本低廉。

Description

一种双碱法脱碳工艺及设备
技术领域
本发明及烟气处理技术领域，具体为一种双碱法脱碳工艺及设备。
背景技术
人类活动所产生的温室气体主要有二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、臭氧和氯氟烃等。其中，CO2排放量占所有温室气体排放总量的70％。在过去的五十多年里，CO2的排放呈指数型增长，进而造成了“温室效应”等全球气候问题。对于CO2的捕集与封存技术的开发，已经是环保行业焦点问题。
目前，二氧化碳捕集方法主要有：燃烧前捕集、燃烧中捕集、燃烧后捕集。燃烧前捕集主要指的是采用煤化工技术，将煤中的CO2剥离出来，而产生清洁能源H2。燃烧中捕集主要指的是负氧燃烧技术。燃烧后捕集主要是醇胺吸收法和膜分离法。然而以上所说的技术，目前还缺乏基础研究，存在大量的问题，例如富氧燃烧器的研发同时涉及到炉膛改造，醇胺溶液的易挥发、易热解，膜分离的膜堵塞问题。同时成本又极高，一般企业难以负担如此高昂的运行维护费用，难用作工业化推广使用。而NaOH碱法脱硫有在船舶行业应用于脱碳，但由于NaOH吸收剂成本较高，难以在其他行业得到应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种双碱法脱碳工艺及设备，此工艺简单，脱碳效率高，且吸收剂在系统内循环再生，吸收剂实际耗量极小，运行成本低廉。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供如下技术方案：
一种双碱法脱碳工艺，包括以下步骤：
1)将CaO储仓中的CaO和湿法CO2吸收塔过来的含Na2CO3的浆液混合，在反应池内发生CaO消化反应生成Ca(OH)2，同时Ca(OH)2与Na2CO3在反应池内发生置换反应生成含有CaCO3固体悬浮物和NaOH的混合液；
2)含有CaCO3固体悬浮物及NaOH的混合液进入旋流分离器，在离心分离作用下，CaCO3固体被离心分离出来，以高浓度CaCO3悬浮液的状态从旋流分离器底流流出，进入后续的脱水机进行脱水；
3)旋流分离器的清液进入后续的沉砂池沉淀进行固液分离，利用刮泥机或抽泥泵将沉砂池沉淀后底部含有CaCO3的沉泥转移到脱水机进行脱水，沉砂池含有NaOH的上清液进入湿法CO2吸收塔；
4)在湿法CO2吸收塔内，脱硫脱硝后含有CO2的烟气与NaOH反应进行脱碳后通过烟囱排出，湿法CO2吸收塔内生成的含有Na2CO3的浆液回流至反应池继续参与Ca(OH)的置换反应。
进一步的，所述刮泥机或抽泥泵将沉砂池的底泥清理并转移到旋流分离器进一步固液分离。
进一步的，所述步骤2)和步骤3)经过脱水机后的CaCO3运输至干化场，在干化场内自然蒸发及重力下渗进一步脱水干燥后，进入富氧燃烧旋转窑炉进行高温煅烧产生CO2与CaO。
进一步的，所述高温煅烧后产生CO2与CaO，将CO2分离出来并罐装存储，同时CaO循环进入CaO储仓参与反应。
进一步的，所述步骤1)在反应池内发生CaO消化反应生成Ca(OH)2时，工艺水箱向反应池内补水。
进一步的，所述步骤1)Ca(OH)2与Na2CO3在反应池内发生置换反应时， Na2CO3储仓向反应池内补充Na2CO3。
为了实现上述工艺设计的双碱法脱碳设备，包括CaO储仓、反应池、旋流分离器、沉砂池、湿法CO2吸收塔、脱水机，所述CaO储仓、湿法CO2吸收塔输出端连接反应池，所述反应池输出端连接旋流分离器，所述旋流分离器输出端连接沉砂池、脱水机，所述沉砂池输出端连接湿法CO2吸收塔。
进一步的，还包括工艺水箱、Na2CO3储仓，所述工艺水箱、Na2CO3储仓输出端均与反应池连接。
进一步的，所述脱水机输出端连接干化场，所述干化场输出端连接富氧燃烧旋转窑炉。
进一步的，所述湿法CO2吸收塔采用喷淋塔、填料塔或湍流塔，所述脱水机使用真空皮带脱水机或板框压滤脱水机。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
本发明提供了一种双碱法脱碳工艺，以廉价吸收剂为吸收介质，以湿法吸收塔作为CO2吸收场所的双碱法CO2吸收工艺。生成物煅烧后的CaO以及吸收塔回流的Na2CO3均可循环使用，因此吸收剂需求量极小。工艺简单，脱碳效率高，且吸收剂在系统内循环再生，吸收剂实际耗量极小，运行成本低廉。
附图说明
图1为本发明的双碱法脱碳工艺流程图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
实施例1
如图1所示，为本发明实施例的双碱法脱碳工艺流程图，包括以下步骤：
1)将CaO储仓中的CaO和湿法CO2吸收塔过来的含Na2CO3的浆液混合，在反应池内发生CaO消化反应生成Ca(OH)2，同时Ca(OH)2与Na2CO3在反应池内发生置换反应生成含有CaCO3固体悬浮物和NaOH的混合液，反应方程如下：
CaO+H2O→Ca(OH)2
Ca(OH)2+Na2CO3→CaCO3+2NaOH
2)之后，含有CaCO3固体悬浮物及NaOH的混合液进入旋流分离器，在离心分离作用下，CaCO3固体被离心分离出来，以高浓度CaCO3悬浮液的状态从旋流分离器底流流出，进入后续的脱水机进行脱水；
3)旋流分离器的清液进入后续的沉砂池沉淀进行固液分离，利用刮泥机或抽泥泵将沉砂池沉淀后底部含有CaCO3的沉泥转移到脱水机进行脱水，同时刮泥机或抽泥泵将沉砂池的底泥清理并转移到旋流分离器进一步固液分离，沉砂池含有NaOH的上清液进入湿法CO2吸收塔；
4)在湿法CO2吸收塔内，脱硫脱硝后含有CO2的烟气与NaOH反应进行脱碳后通过烟囱排出，湿法CO2吸收塔内生成的含有Na2CO3的浆液回流至反应池继续参与Ca(OH)的置换反应。其中，在湿法CO2吸收塔内反应方程如下：
2NaOH+CO2→Na2CO3+H2O
上述步骤2)和步骤3)经过脱水机后的CaCO3运输至干化场，在干化场内自然蒸发及重力下渗进一步脱水干燥后，进入富氧燃烧旋转窑炉进行高温煅烧产生CO2与CaO。CaCO3分解成CO2与CaO，反应方程如下：
高温煅烧：CaCO3→CaO+CO2
由于采用富氧燃烧技术，其窑气的CO2可以达到很高的浓度，将窑气全部或部分进入压缩机，通过各气体组分液化的压力不同，将CO2分离出来，并罐装存储。可以作为经济性副产物出售。同时CaO又可以循环进入系统，参与反应。
如图1所示，本工艺的CO2吸收工艺为CO2与NaOH反应，CO2分离工艺为富氧燃烧旋转窑炉煅烧副产物CaCO3后，生成的高CO2浓度窑气，收集并压缩分离。实现CO2的捕集与分离。而反应中的吸收剂和副产物可循环利用，理论上吸收剂没有消耗，但实际应用可能存在漏损、粘接及CaCO3煅烧不充分等因素，损失少量吸收剂，因此只需少量补充Na2CO3和CaO即可。
本工艺流程中，反应池4内主要是发生Na2CO3与Ca(OH)2的置换反应， Na2CO3的来源有两条，其一为从Na2CO3储仓而来的Na2CO3固体(介质c)，补充系统粘接或漏损所损失的钠离子，其二为从湿法脱碳吸收塔而来的浆液，主要成分为Na2CO3和NaOH。Ca(OH)2的来源主要是CaO储仓而来的CaO固体(介质a)，在反应池内消化反应生成Ca(OH)2。同时由于系统存在蒸发和漏损等原因，系统会损失部分水，为了维持系统水平衡，还需由工艺水箱向反应池补充部分工艺水(介质b)。
根据本发明实施例的双碱法脱碳工艺，在使用过程中，进入旋流分离器的混合液来源有2条，其一是反应池而来的混合液(介质d)。其二是沉砂池底泥(介质g)有刮泥机或抽泥泵转移出来，加入到旋流分离器中。旋流分离器的底流(介质i)浓度往往能做到50％左右。高固含量的底流(介质i)进入后续的脱水机(可以为真空皮带脱水机、板框压滤脱水机)。清液(介质f)进入后续的沉砂池，进一步降低进入吸收塔的浆液中的固含量，防止系统结垢或堵塞。
根据本发明实施例的双碱法脱碳工艺，在使用过程中，湿法CO2吸收塔7 可以采用传统湿法喷淋塔、填料塔、旋流塔等，在吸收塔内CO2与沉砂池上清液NaOH(介质h)反应生成Na2CO3，循环浆液(介质e)主要含有Na2CO3 和少量NaOH，回流至反应池4内。经过脱硫的原烟气经过湿法CO2吸收塔后， CO2也得到净化，净烟气经过烟囱排向大气。
综上所述，本发明实施例的双碱法脱碳工艺的流程简单，脱碳效率高，吸收剂在系统内循环再生，运行成本低廉。
实施例2
如图1所示，本发明还提供一种双碱法脱碳设备，包括CaO储仓1、反应池4、旋流分离器5、沉砂池6、湿法CO2吸收塔7、脱水机8，CaO储仓1、湿法CO2吸收塔7输出端连接反应池4，反应池4输出端连接旋流分离器5，旋流分离器5输出端连接沉砂池6、脱水机8，沉砂池6输出端连接湿法CO2 吸收塔7，脱水机8输出端连接干化场9，干化场9输出端连接富氧燃烧旋转窑炉10。同时，还包括工艺水箱2、Na2CO3储仓3，工艺水箱2、Na2CO3储仓3输出端均与反应池4连接。图1中各个设备的作用如下：
1、CaO储仓，用于存放CO2脱除的原吸收剂CaO。
2、工艺水箱，用于补充系统因蒸发及外排的水量，维持系统水平衡。
3、Na2CO3储仓，存放Na2CO3，补充系统损失的钠离子。
4、反应池，在其内发生Na2CO3与Ca(OH)2的置换反应，生成CaCO3与 NaOH。反应池为Na2CO3、CaO、H2O激烈反应的场所，无需封闭，采用自然通风散热，同时反应池应增加全池搅拌系统，以防止沉积。
5、旋流分离器，将反应池而来的高含固量的混合液进行液固分离，清液 (主要成分为NaOH)进入沉砂池，底流(浊液，主要成分为CaCO3)进入脱水机脱水。
6、沉砂池，进一步固液分离，使得进入CO2吸收塔的吸收液含固量进一步降低。沉砂池可以采用平流沉砂池或旋流沉砂池，沉砂池配备刮泥机或抽泥泵，定期将沉砂池底泥清理并转移到旋流分离器，实现固液分离。
7、湿法CO2吸收塔，利用沉砂池上清液(主要含NaOH)对CO2进行喷淋或湍流吸收。湿法CO2吸收塔，可采用传统的湿法吸收塔，如喷淋塔、填料塔或湍流塔。
8、脱水机，将高含水率的CaCO3浓液脱水。脱水机可以使用真空皮带脱水机或板框压滤脱水机。
9、干化场，将脱水机的泥饼进一步干燥脱水。干化场需要做好底部防渗处理，防止污染地下水，并且在多雨地区，需要有遮雨措施。
10、富氧燃烧旋转窑炉，将干燥完的CaCO3进行煅烧，生产出来的CaO 可继续运往CaO储仓，窑气为高浓度CO2混合气，将其输送到空气压缩设备，将CO2分离并罐装存储。
本实施例的双碱法脱碳设备主要由CaO储仓、工艺水箱、Na2CO3储仓、反应池、旋流分离器、沉砂池、湿法CO2吸收塔、脱水机、干化场、回转窑炉组成，在使用过程中，CaO储仓中的CaO和湿法脱碳吸收塔过来的浆液(主要含Na2CO3)混合，在反应池内发生CaO消化反应生成Ca(OH)2，以及Ca(OH)2 与Na2CO3的置换反应生成CaCO3和NaOH。反应方程如下：
CaO+H2O→Ca(OH)2
Ca(OH)2+Na2CO3→CaCO3+2NaOH
之后，含有CaCO3固体悬浮物及NaOH的混合液进入旋流分离器，在离心分离作用下，CaCO3固体被离心分离出来，而以高浓度CaCO3悬浮液的状态从旋流分离器底流流出，进入后续的脱水机进行脱水。旋流分离器的清液则进入后续的沉砂池，进一步沉淀，上清液进入湿法CO2吸收塔，在吸收塔内， CO2与NaOH反应，生成碳酸钠。反应方程如下：
2NaOH+CO2→Na2CO3+H2O
经过脱碳的净烟气，通过烟囱排出系统。湿法CO2吸收塔的浆液，主要成分为Na2CO3，可以回流至反应池，继续参与Ca(OH)的置换反应。
沉砂池运行一定时间后，利用刮泥机或抽泥泵将底部的沉泥(主要成分为 CaCO3)转移到脱水机，经过脱水机后的CaCO3可运输至干化场，在干化场内自然蒸发及重力下渗，进一步脱水干燥。干化后的CaCO3进入富氧燃烧旋转窑炉，在其内进行高温煅烧，CaCO3分解成CO2与CaO。反应方程如下：
高温煅烧：CaCO3→CaO+CO2
由于采用富氧燃烧技术，其窑气的CO2可以达到很高的浓度，将窑气全部或部分进入压缩机，通过各气体组分液化的压力不同，将CO2分离出来，并罐装存储。可以作为经济性副产物出售。同时CaO又可以循环进入系统，参与反应。
理论上讲，本工艺的所有吸收剂都是循环再生使用，可以实现零消耗，只是煅烧CO2及物料输送需要一定的能源及燃料，运行成本比醇胺吸收法和膜法要低得多。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种双碱法脱碳工艺，其特征在于，包括以下步骤：
1)将CaO储仓中的CaO和湿法CO2吸收塔过来的含Na2CO3的浆液混合，在反应池内发生CaO消化反应生成Ca(OH)2，同时Ca(OH)2与Na2CO3在反应池内发生置换反应生成含有CaCO3固体悬浮物和NaOH的混合液；
2)含有CaCO3固体悬浮物及NaOH的混合液进入旋流分离器，在离心分离作用下，CaCO3固体被离心分离出来，以高浓度CaCO3悬浮液的状态从旋流分离器底流流出，进入后续的脱水机进行脱水；
3)旋流分离器的清液进入后续的沉砂池沉淀进行固液分离，利用刮泥机或抽泥泵将沉砂池沉淀后底部含有CaCO3的沉泥转移到脱水机进行脱水，沉砂池含有NaOH的上清液进入湿法CO2吸收塔；
4)在湿法CO2吸收塔内，脱硫脱硝后含有CO2的烟气与NaOH反应进行脱碳后通过烟囱排出，湿法CO2吸收塔内生成的含有Na2CO3的浆液回流至反应池继续参与Ca(OH)的置换反应。
2.根据权利要求1所述的双碱法脱碳工艺，其特征在于，所述刮泥机或抽泥泵将沉砂池的底泥清理并转移到旋流分离器进一步固液分离。
3.根据权利要求1所述的双碱法脱碳工艺，其特征在于，所述步骤2)和步骤3)经过脱水机后的CaCO3运输至干化场，在干化场内自然蒸发及重力下渗进一步脱水干燥后，进入富氧燃烧旋转窑炉进行高温煅烧产生CO2与CaO。
4.根据权利要求3所述的双碱法脱碳工艺，其特征在于，所述高温煅烧后产生CO2与CaO，将CO2分离出来并罐装存储，同时CaO循环进入CaO储仓参与反应。
5.根据权利要求1所述的双碱法脱碳工艺，其特征在于，所述步骤1)在反应池内发生CaO消化反应生成Ca(OH)2时，工艺水箱向反应池内补水。
6.根据权利要求1所述的双碱法脱碳工艺，其特征在于，所述步骤1)Ca(OH)2与Na2CO3在反应池内发生置换反应时，Na2CO3储仓向反应池内补充Na2CO3。
7.为了实现权利要求1所述工艺而设计的双碱法脱碳设备，其特征在于，包括CaO储仓(1)、反应池(4)、旋流分离器(5)、沉砂池(6)、湿法CO2吸收塔(7)、脱水机(8)，所述CaO储仓(1)、湿法CO2吸收塔(7)输出端连接反应池(4)，所述反应池(4)输出端连接旋流分离器(5)，所述旋流分离器(5)输出端连接沉砂池(6)、脱水机(8)，所述沉砂池(6)输出端连接湿法CO2吸收塔(7)。
8.根据权利要求7所述的双碱法脱碳设备，其特征在于，还包括工艺水箱(2)、Na2CO3储仓(3)，所述工艺水箱(2)、Na2CO3储仓(3)输出端均与反应池(4)连接。
9.根据权利要求7所述的双碱法脱碳设备，其特征在于，所述脱水机(8)输出端连接干化场(9)，所述干化场(9)输出端连接富氧燃烧旋转窑炉(10)。
10.根据权利要求7所述的双碱法脱碳设备，其特征在于，所述湿法CO2吸收塔(7)采用喷淋塔、填料塔或湍流塔，所述脱水机(8)使用真空皮带脱水机或板框压滤脱水机。
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