CN114471124A - 一种碳硫减排与固碳固硫方法 - Google Patents

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    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/46—Removing components of defined structure
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    • B01D53/502—Sulfur oxides by treating the gases with a solution or a suspension of an alkali or earth-alkali or ammonium compound characterised by a specific solution or suspension

Abstract

本发明提供一种碳硫减排与固碳固硫方法，利用氨或氨水捕集中和以化石或生物质为能源的发电厂和工业生产过程中释放的CO2、SOX，生成碳酸氢铵和硫酸铵过饱和溶液，在搅拌下，再与磨细的金属氧化物或金属氢氧化物或二者以任意比例的混合物反应，生成氨水及难溶性的碳酸盐和硫酸盐，将CO2、SOX作为资源就地封存固定或用于相关行业，氨水循环利用，实现碳硫减排、碳中和。该方法具有工艺流程短，技术成熟、可靠，设备投资少，运行费用低，简便易行等特点，消除由CO2排放引起的温室效应和SOX排放造成的环境污染。

Description

一种碳硫减排与固碳固硫方法
技术领域
本发明涉及一种碳硫减排与固碳固硫方法，属于环境保护技术领域。
背景技术
随着科技工业的快速发展和各国二氧化碳、硫化物的大量排放，温室气体猛增，对全球生命系统造成严重威胁，已引起科学界、各国政府及公众的高度重视。二氧化碳和硫化物的减排问题已列入各国政府、联合国会议的首要议题。
各国目前实施二氧化碳捕集、减少碳排放的方法虽多，但大都是将二氧化碳捕集后再解析分离或制成化学品为目标，而解析分离后的二氧化碳无论用于何种用途或压缩封存，都存在着工程量大、工艺复杂、成本高、处理不彻底，进一步消耗大量能源，甚或产生二次污染和安全问题等弊端；若制成化学品，由于基数庞大，下游难以消化，因而意义不大。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种低成本的碳减排、碳中和的固碳固硫解决方案，通过以氨或氨水为吸收剂，捕集中和烟气中的CO2和SOX，分别生成碳酸氢铵和硫酸铵的过饱和溶液，再与磨细的金属氧化物或金属氢氧化物或二者的混合物反应，生成难溶性的碳酸盐、硫酸盐和氨水，将碳酸盐、硫酸盐作为资源就地封存固定或用于相关行业，实现碳减排、碳中和及硫的脱除，氨水可循环利用。该方法具有工艺流程短，技术成熟、可靠，设备投资少，运行费用低，简便易行等特点，消除由CO2排放引起的温室效应和SOX排放造成的环境污染。本发明所述的固碳固硫主要是指且不限于对化石能源、生物质能源燃烧或化石、生物质为原材料生产化学品或工业生产或石灰石煅烧过程中释放出的CO2、SOX的捕集和固定，消除由CO2排放引起的温室效应以及SOX排放造成的环境污染。
本发明以氨或氨水为吸收剂，通过吸收中和、氧化和温度、压力控制，吸收烟气中的CO2和SOX，形成碳酸氢铵和硫酸铵的过饱和溶液，再与磨细的金属氧化物或金属氢氧化物或二者以任意比例的混合物反应，生成氨水及难溶性的碳酸盐和硫酸盐，将CO2、SOX作为资源就地封存固定或用于相关行业，实现CO2和SOX的减排和固定，消除由二氧化碳排放引起的温室效应和硫氧化物排放造成的生态环境污染。
本发明一方面可降低以化石或生物质为能源的发电厂和工业生产过程中释放出的CO2引起的温室效应，同时还可减少因SOX排放形成的酸雨和对环境的污染。
捕集吸收原理：
（1）CO2捕集固定原理：
以氨或氨水为捕集剂，通过中和CO2得到碳酸氢铵。其捕集吸收原理如下：
NH3+H2O →NH3·H2O （1）
2NH3·H2O+CO2 →（NH 4）2CO3 （2）
（NH4）2CO3 +CO2+H2O →2NH4HCO3 （3）
（2）SOX捕集吸收原理：
在燃料燃烧过程中，除释放大量CO2外，还有少量SOX产生，脱硫也是烟气治理的重要任务之一。以氨或氨水为碳捕集剂，通过吸收和氧化可捕集中和SOX（主要是SO2）得到硫酸铵。其捕集吸收原理如下：
SO2+H2O→H2SO3 （4）
H2SO3+2NH3→(NH4)2SO3 （5）
(NH4)2SO3+1/2O2→(NH4)2SO4 （6）
（3）CO2和SOX减排和固定原理
NH4HCO3+MeO→MeCO3 ↓+NH3·H2O （7）
(NH4)2SO4+MeO→MeSO4↓+NH3·H2O （8）
NH4HCO3+MeOH→MeCO3 ↓+NH3·H2O （9）
(NH4)2SO4+MeOH→MeSO4↓+NH3·H2O （10）
其中：Me：是特指可与碳酸根或硫酸根结合形成难溶物的金属元素。
工艺方法和流程：
烟气释放中的CO2和SOX的捕集吸收生成碳酸氢铵和硫酸铵。
首先将液氨与水制成一定浓度的氨水，打入CO2和SOX吸收塔，控制吸收塔内的温度和压力；将烟道排出的烟气经除尘后，通入空气氧化烟气中的SOX，再通入吸收塔，与氨水进行气—液相反应，吸收并中和烟气中的二氧化碳、二氧化硫、三氧化硫，分别生成碳酸铵、亚硫酸铵和硫酸铵；
碳酸铵进一步吸收二氧化碳形成碳酸氢铵，亚硫酸铵通过通风进一步强制氧化形成硫酸铵；
待吸收塔内的溶液达到过饱和并形成一定量的碳酸氢铵和硫酸铵结晶后，用泵抽出并送入带有搅拌的反应器，与磨细的金属氧化物或金属氢氧化物或二者以任意比例的混合物反应，生成氨水及难溶性的碳酸盐和硫酸盐，进行固—液分离，分离出的难溶性碳酸盐和硫酸盐即可将CO2、SOX固定，或作为资源就地封存或分别用于相关行业，分离出的氨水再返回吸收塔重复循环利用。
工艺过程与条件控制：
首先将液氨配制成含氨10%～45% 的氨水溶液，打入中和吸收塔；将烟道排出的烟气除尘并通风将SOX充分氧化，逆流通入吸收塔，控制吸收塔内的压力在0.20～2.5 MPa之间，控制温度在10℃～45℃之间，氨水与烟气中的二氧化碳、二氧化硫、三氧化硫进行气—液反应，分别生成碳酸铵、亚硫酸铵和硫酸铵；
碳酸铵进一步吸收二氧化碳生成碳酸氢铵，亚硫酸铵进一步氧化为硫酸铵；
将金属氢氧化物或金属氢氧化物或二者以任意比例的混合物磨细至50～200目，置入带有搅拌的反应器；
待吸收塔中生成的碳酸氢铵和硫酸铵达到过饱和溶液后开始结晶，形成20%～60%固体悬浮液时，用泵抽出并送入带搅拌的反应器，在搅拌下，再与磨细的金属氧化物或金属氢氧化物或二者以任意比例的混合物反应，生成氨水及难溶性的碳酸盐和硫酸盐，进行固—液分离，分离出的难溶性碳酸盐和硫酸盐混合物即可将CO2、SOX固定，或作为资源就地封存或分别用于相关行业，分离出的氨水再返回吸收塔重复循环利用；
搅拌器的转速设定在10～500转/分（rpm）。
本发明的有益效果：
本发明以氨或氨水为吸收剂，通过吸收中和、氧化和温度、压力控制，可将以化石或生物质为能源的发电厂和工业生产过程中释放的烟气中的CO2 和SOX进行捕集中和，形成碳酸氢铵和硫酸铵的过饱和溶液，在搅拌下，再与磨细的金属氧化物或金属氢氧化物或二者以任意比例的混合物反应，生成氨水及难溶性的碳酸盐和硫酸盐，将CO2、SOX作为资源就地封存固定或应用于相关行业；以本发明方法，可使烟气中的CO2含量降低96%以上，SOX含量降低97%以上，达到国家超低排放标准要求，实现CO2和SOX的减排，消除由二氧化碳排放引起的温室效应和硫氧化物排放造成的生态环境污染，有效解决碳排放这一世界性难题，对保护环境具有可持续发展性，对实现全球碳中和目标，解决日益严重的全球温室气体和硫化物减排将发挥极其重要的作用，无疑是对全球消除温室效应和脱硫的巨大贡献，具有十分重大的政治和现实意义。
附图说明
图1是本发明的流程示意图。
具体实施方式
以下结合图1列举实施例对本发明的实施方案进一步说明，但本发明并不限于下述实施例：
实施例一
一种碳硫减排与固碳固硫方法包括如下步骤：
将金属氧化物磨细至50目，置入带有搅拌的反应器；
将液氨制成含氨10% 的氨水，用泵打入CO2、SOX吸收塔；
将含CO2、SOX的烟道气或气体除尘后，通入空气将烟道气或气体中的SOX充分氧化，逆流通入吸收塔，塔内压力控制在0.20 MPa，温度控制在10℃；
氨水与烟道气或气体中的二氧化碳、二氧化硫、三氧化硫进行气—液反应，分别生成碳酸铵、亚硫酸铵和硫酸铵；碳酸铵进一步吸收二氧化碳生成碳酸氢铵，亚硫酸铵进一步氧化为硫酸铵；
当吸收塔中生成的碳酸氢铵和硫酸铵达到过饱和溶液后开始结晶，形成20% 的固体悬浮液时，用泵抽出并送入反应器，在转速10转/分（rpm）搅拌下，与磨细的金属氧化物反应，生成氨水及难溶性的碳酸盐和硫酸盐；
将反应器里的反应产物进行固—液分离，分离出的难溶性碳酸盐和硫酸盐混合物即可将CO2、SOX固定，或作为资源就地封存或分别用于相关行业，分离出的氨水返回吸收塔重复循环利用。
实施例二
一种碳硫减排与固碳固硫方法包括如下步骤：
将金属氧化物磨细至200目，置入带有搅拌的反应器；
将液氨制成含氨45% 的氨水，用泵打入CO2、SOX吸收塔；
将含CO2、SOX的烟道气或气体除尘后，通入空气将烟道气或气体中的SOX充分氧化，逆流通入吸收塔，塔内压力控制在2.5 MPa，温度控制在45℃；
氨水与烟道气或气体中的二氧化碳、二氧化硫、三氧化硫进行气—液反应，分别生成碳酸铵、亚硫酸铵和硫酸铵；碳酸铵进一步吸收二氧化碳生成碳酸氢铵，亚硫酸铵进一步氧化为硫酸铵；
当吸收塔中生成的碳酸氢铵和硫酸铵达到过饱和溶液后开始结晶，形成60% 的固体悬浮液时，用泵抽出并送入反应器，在转速500转/分（rpm）搅拌下，与磨细的金属氧化物反应，生成氨水及难溶性的碳酸盐和硫酸盐；
将反应器里的反应产物进行固—液分离，分离出的难溶性碳酸盐和硫酸盐混合物即可将CO2、SOX固定，或作为资源就地封存或分别用于相关行业，分离出的氨水返回吸收塔重复循环利用。
实施例三
一种碳硫减排与固碳固硫方法包括如下步骤：
将金属氧化物磨细至100目，置入带有搅拌的反应器；
将液氨制成含氨25% 的氨水，用泵打入CO2、SOX吸收塔；
将含CO2、SOX的烟道气或气体除尘后，通入空气将烟道气或气体中的SOX充分氧化，逆流通入吸收塔，塔内压力控制在1.5 MPa，温度控制在25℃；
氨水与烟道气或气体中的二氧化碳、二氧化硫、三氧化硫进行气—液反应，分别生成碳酸铵、亚硫酸铵和硫酸铵；碳酸铵进一步吸收二氧化碳生成碳酸氢铵，亚硫酸铵进一步氧化为硫酸铵；
当吸收塔中生成的碳酸氢铵和硫酸铵达到过饱和溶液后开始结晶，形成30% 的固体悬浮液时，用泵抽出并送入反应器，在转速100转/分（rpm）搅拌下，与磨细的金属氧化物反应，生成氨水及难溶性的碳酸盐和硫酸盐；
将反应器里的反应产物进行固—液分离，分离出的难溶性碳酸盐和硫酸盐混合物即可将CO2、SOX固定，或作为资源就地封存或分别用于相关行业，分离出的氨水返回吸收塔重复循环利用。
实施例四
一种碳硫减排与固碳固硫方法包括如下步骤：
将金属氢氧化物磨细至50目，置入带有搅拌的反应器；
将液氨制成含氨10% 的氨水，用泵打入CO2、SOX吸收塔；
将含CO2、SOX的烟道气或气体除尘后，通入空气将烟道气或气体中的SOX充分氧化，逆流通入吸收塔，塔内压力控制在0.20 MPa，温度控制在10℃；
氨水与烟道气或气体中的二氧化碳、二氧化硫、三氧化硫进行气—液反应，分别生成碳酸铵、亚硫酸铵和硫酸铵；碳酸铵进一步吸收二氧化碳生成碳酸氢铵，亚硫酸铵进一步氧化为硫酸铵；
当吸收塔中生成的碳酸氢铵和硫酸铵达到过饱和溶液后开始结晶，形成20% 的固体悬浮液时，用泵抽出并送入反应器，在转速10转/分（rpm）搅拌下，与磨细的金属氢氧化物反应，生成氨水及难溶性的碳酸盐和硫酸盐；
将反应器里的反应产物进行固—液分离，分离出的难溶性碳酸盐和硫酸盐混合物即可将CO2、SOX固定，或作为资源就地封存或分别用于相关行业，分离出的氨水返回吸收塔重复循环利用。
实施例五
一种碳硫减排与固碳固硫方法包括如下步骤：
将金属氢氧化物磨细至200目，置入带有搅拌的反应器；
将液氨制成含氨45% 的氨水，用泵打入CO2、SOX吸收塔；
将含CO2、SOX的烟道气或气体除尘后，通入空气将烟道气或气体中的SOX充分氧化，逆流通入吸收塔，塔内压力控制在2.5 MPa，温度控制在45℃；
氨水与烟道气或气体中的二氧化碳、二氧化硫、三氧化硫进行气—液反应，分别生成碳酸铵、亚硫酸铵和硫酸铵；碳酸铵进一步吸收二氧化碳生成碳酸氢铵，亚硫酸铵进一步氧化为硫酸铵；
当吸收塔中生成的碳酸氢铵和硫酸铵达到过饱和溶液后开始结晶，形成60% 的固体悬浮液时，用泵抽出并送入反应器，在转速500转/分（rpm）搅拌下，与磨细的金属氢氧化物反应，生成氨水及难溶性的碳酸盐和硫酸盐；
将反应器里的反应产物进行固—液分离，分离出的难溶性碳酸盐和硫酸盐混合物即可将CO2、SOX固定，或作为资源就地封存或分别用于相关行业，分离出的氨水返回吸收塔重复循环利用。
实施例六
一种碳硫减排与固碳固硫方法包括如下步骤：
将金属氢氧化物磨细至100目，置入带有搅拌的反应器；
将液氨制成含氨25% 的氨水，用泵打入CO2、SOX吸收塔；
将含CO2、SOX的烟道气或气体除尘后，通入空气将烟道气或气体中的SOX充分氧化，逆流通入吸收塔，塔内压力控制在1.5 MPa，温度控制在25℃；
氨水与烟道气或气体中的二氧化碳、二氧化硫、三氧化硫进行气—液反应，分别生成碳酸铵、亚硫酸铵和硫酸铵；碳酸铵进一步吸收二氧化碳生成碳酸氢铵，亚硫酸铵进一步氧化为硫酸铵；
当吸收塔中生成的碳酸氢铵和硫酸铵达到过饱和溶液后开始结晶，形成30% 的固体悬浮液时，用泵抽出并送入反应器，在转速100转/分（rpm）搅拌下，与磨细的金属氢氧化物反应，生成氨水及难溶性的碳酸盐和硫酸盐；
将反应器里的反应产物进行固—液分离，分离出的难溶性碳酸盐和硫酸盐混合物即可将CO2、SOX固定，或作为资源就地封存或分别用于相关行业，分离出的氨水返回吸收塔重复循环利用。
实施例七
一种碳硫减排与固碳固硫方法包括如下步骤：
将金属氧化物和金属氢氧化物以任意比例的混合物磨细至50目，置入带有搅拌的反应器；
将液氨制成含氨10% 的氨水，用泵打入CO2、SOX吸收塔；
将含CO2、SOX的烟道气或气体除尘后，通入空气将烟道气或气体中的SOX充分氧化，逆流通入吸收塔，塔内压力控制在0.20 MPa，温度控制在10℃；
氨水与烟道气或气体中的二氧化碳、二氧化硫、三氧化硫进行气—液反应，分别生成碳酸铵、亚硫酸铵和硫酸铵；碳酸铵进一步吸收二氧化碳生成碳酸氢铵，亚硫酸铵进一步氧化为硫酸铵；
当吸收塔中生成的碳酸氢铵和硫酸铵达到过饱和溶液后开始结晶，形成20% 的固体悬浮液时，用泵抽出并送入反应器，在转速10转/分（rpm）搅拌下，与磨细的金属氧化物和金属氢氧化物以任意比例的混合物反应，生成氨水及难溶性的碳酸盐和硫酸盐；
将反应器里的反应产物进行固—液分离，分离出的难溶性碳酸盐和硫酸盐混合物即可将CO2、SOX固定，或作为资源就地封存或分别用于相关行业，分离出的氨水返回吸收塔重复循环利用。
实施例八
一种碳硫减排与固碳固硫方法包括如下步骤：
将金属氧化物和金属氢氧化物以任意比例的混合物磨细至200目，置入带有搅拌的反应器；
将液氨制成含氨45% 的氨水，用泵打入CO2、SOX吸收塔；
将含CO2、SOX的烟道气或气体除尘后，通入空气将烟道气或气体中的SOX充分氧化，逆流通入吸收塔，塔内压力控制在2.5 MPa，温度控制在45℃；
氨水与烟道气或气体中的二氧化碳、二氧化硫、三氧化硫进行气—液反应，分别生成碳酸铵、亚硫酸铵和硫酸铵；碳酸铵进一步吸收二氧化碳生成碳酸氢铵，亚硫酸铵进一步氧化为硫酸铵；
当吸收塔中生成的碳酸氢铵和硫酸铵达到过饱和溶液后开始结晶，形成60% 的固体悬浮液时，用泵抽出并送入反应器，在转速500转/分（rpm）搅拌下，与磨细的金属氧化物和金属氢氧化物以任意比例的混合物反应，生成氨水及难溶性的碳酸盐和硫酸盐；
将反应器里的反应产物进行固—液分离，分离出的难溶性碳酸盐和硫酸盐混合物即可将CO2、SOX固定，或作为资源就地封存或分别用于相关行业，分离出的氨水返回吸收塔重复循环利用。
实施例九
一种碳硫减排与固碳固硫方法包括如下步骤：
将金属氧化物和金属氢氧化物以任意比例的混合物磨细至100目，置入带有搅拌的反应器；
将液氨制成含氨25% 的氨水，用泵打入CO2、SOX吸收塔；
将含CO2、SOX的烟道气或气体除尘后，通入空气将烟道气或气体中的SOX充分氧化，逆流通入吸收塔，塔内压力控制在1.5 MPa，温度控制在25℃；
氨水与烟道气或气体中的二氧化碳、二氧化硫、三氧化硫进行气—液反应，分别生成碳酸铵、亚硫酸铵和硫酸铵；碳酸铵进一步吸收二氧化碳生成碳酸氢铵，亚硫酸铵进一步氧化为硫酸铵；
当吸收塔中生成的碳酸氢铵和硫酸铵达到过饱和溶液后开始结晶，形成30% 的固体悬浮液时，用泵抽出并送入反应器，在转速100转/分（rpm）搅拌下，与磨细的金属氧化物和金属氢氧化物以任意比例的混合物反应，生成氨水及难溶性的碳酸盐和硫酸盐；
将反应器里的反应产物进行固—液分离，分离出的难溶性碳酸盐和硫酸盐混合物即可将CO2、SOX固定，或作为资源就地封存或分别用于相关行业，分离出的氨水返回吸收塔重复循环利用。
在上述实施例中，为使烟气中的CO2、SOX吸收中和更完全彻底，达到烟气中污染物超低排放要求，根据化学反应平衡原理，必须使NH3或NH3·H2O过量，达到NH3与CO2、SOX摩尔比为：1.1～5.0︰1.0。因此，在具体实施过程中，加入碳化吸收塔中的氨或氨水必须充分过量。

Claims (6)

1.一种碳硫减排与固碳固硫方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先将液氨与水制成一定浓度的氨水，打入CO2和SOX吸收塔，控制吸收塔内的温度和压力；将烟道排出的烟气经除尘后，通入空气氧化烟气中的SOX，再通入吸收塔，与氨水进行气—液相反应，吸收并中和烟气中的二氧化碳、二氧化硫、三氧化硫进行气—液反应，分别生成碳酸铵、亚硫酸铵和硫酸铵；
碳酸铵进一步吸收二氧化碳形成碳酸氢铵，亚硫酸铵通过通风进一步强制氧化形成硫酸铵；待吸收塔内的溶液达到过饱和并形成一定量的碳酸氢铵和硫酸铵结晶后，用泵抽出并送入
带搅拌的反应器，在搅拌器搅拌下，与磨细的金属氧化物或金属氢氧化物或二者以任意比例的混合物反应，生成氨水及难溶性的碳酸盐和硫酸盐；
进行固—液分离，分离出的难溶性碳酸盐和硫酸盐，分离出的氨水返回吸收塔循环利用。
2.根据权利要求1所述的一种碳硫减排与固碳固硫方法，其特征在于，所述的金属氧化物或金属氢氧化物或二者的混合物磨细至50～200目，置入带有搅拌的反应器。
3.根据权利要求1所述的一种碳硫减排与固碳固硫方法，其特征在于，所述的氨水的浓度为含氨质量份数10%～45% 。
4.根据权利要求1所述的一种碳硫减排与固碳固硫方法，其特征在于，所述的吸收塔内的压力在0.20～2.5 MPa之间，温度在10℃～45℃之间。
5.根据权利要求1所述的一种碳硫减排与固碳固硫方法，其特征在于，所述的反应器内搅拌器的转速设定在10～500转/分。
6.根据权利要求1所述的一种碳硫减排与固碳固硫方法，其特征在于，待吸收塔中生成的碳酸氢铵和硫酸铵达到过饱和形成质量比20%～60%固体悬浮液时，用泵抽出并送入反应器。
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