CN115430363B - 一种二氧化碳捕集方法及碳酸化炉 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二氧化碳捕集方法及碳酸化炉，属于二氧化碳捕集领域。本发明的一种二氧化碳捕集方法及碳酸化炉提供的方法为，碳酸钙在循环流化床中煅烧分解为氧化钙和二氧化碳，收集分解产生的二氧化碳制成二氧化碳产品，并将氧化钙输送到碳酸化炉中，氧化钙在碳酸化炉中吸收烟气中的二氧化碳生成碳酸钙，将碳酸化炉中生成的碳酸钙运输至循环流化床中，所述循环流化床的热源采用易与二氧化碳分离的热源；所述碳酸化炉中生成的碳酸钙部分返回循环流化床中煅烧分解，另一部分外排，所述循环流化床中还添加高纯度新鲜的碳酸钙。本发明的主要用途是收集粗烟气中的二氧化碳并获得纯净的二氧化碳。

Description

一种二氧化碳捕集方法及碳酸化炉
技术领域
本发明涉及二氧化碳捕集领域，更具体地说，涉及一种二氧化碳捕集方法及碳酸化炉。
背景技术
近年来，随着全球气候变化对人类生产生活不利影响的加剧，温室气体减排已经成为人类社会共同面临的严峻课题之一。我国二氧化碳排放量居世界第二，排放量占全球二氧化碳总排放量近30％。煤电仍是保障我国电力安全和电力供应的主力，我国煤炭占全球消费总量的50％以上，发电量所占比重高达60.8％，我国每年排放的CO2中，电厂的排放量占到总排放量的40-50％，水泥生产产生的CO2排放量约占全球CO2排放总量的7％，使得我国CO2排放水平居高不下。
目前，二氧化碳的燃烧后捕集技术主要包括基于溶剂的碳捕集、基于吸附剂的碳捕集、基于膜的碳捕集、以及高温循环技术，其中高温循环技术最典型的就是采用石灰石进行钙循环的技术。钙循环即从含碳酸钙的矿物中制得的基于钙的吸附剂用于除去气体中的碳化合物。钙循环可用于大幅减少来自使用化石燃料的发电装置或其他系统的烟道气中的二氧化碳排放。吸附剂一般由石灰岩或其他化学活性成分为碳酸钙的矿物生产。石灰岩是一种廉价的材料，其低成本降低了对该吸附剂的耐久性要求。术语“循环”是指事实上钙循环工艺是可逆的，因此吸附剂可以再生。目前大部份钙回路二氧化碳捕获程序均采用碳酸化炉与循环流化床的两段循环系统，以捕获二氧化碳及再生吸附剂。
经检索，中国专利公开号：CN 107961641 A；申请日：2017年10月20日；专利名称：用于减少来自烟道气的二氧化碳排放的系统和方法；该申请提供了一种用于减少来自烟道气的二氧化碳排放的系统。系统包括碳酸化器和煅烧炉。碳酸化器接收烟道气和贫吸附剂颗粒，使得贫吸附剂颗粒从烟道气吸收气态二氧化碳，且变成负载的吸附剂颗粒。煅烧炉包括滚筒，其限定具有第一开口和第二开口的腔。第一开口流体地连接于碳酸化器，使得负载的吸附剂颗粒从碳酸化器流到腔中。滚筒旋转，使得负载的吸附剂颗粒中的至少一些与热传递颗粒混合，以便释放吸收的气态二氧化碳，且作为贫吸附剂颗粒经由第二开口离开滚筒；但该申请仅可实现二氧化碳的捕获及再生吸附剂，其主要存在的问题有：第一，所捕获的二氧化碳纯度较低，无法实现将捕获的二氧化碳制造成二氧化碳产品；第二，再生吸附剂的颗粒大小不同，不同粒径大小的吸附剂对二氧化碳的吸附效果不同，使二氧化碳的吸附效果不可控；第三吸附剂颗粒经多次循环后其活性会降低，造成二氧化碳的吸附效率降低。
发明内容
发明要解决的技术问题
目前大部分钙回路二氧化碳捕获方法中所捕获的二氧化碳纯度较低，无法将捕获的二氧化碳制作成二氧化碳产品，且碳酸化炉中的氧化钙对二氧化碳的吸附效果不佳，导致大量二氧化碳未经吸附直接外排。本发明提供的一种二氧化碳捕集方法及碳酸化炉，充分吸附粗烟气中的二氧化碳，并可获得纯净的二氧化碳。
技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：一种二氧化碳捕集方法，包括以下步骤：
步骤一：将水输送至布朗气发生器生成布朗气，将所述布朗气输送至热风炉中燃烧生成高温热蒸汽；
步骤二：在所述高温热蒸汽中掺入用于调节高温热蒸汽温度的二氧化碳，得到预设温度区间的混合高温气并输送至循环流化床中；
步骤三：将碳酸钙输送至循环流化床中并在混合高温气的作用下进行煅烧分解，使碳酸钙分解生成二氧化碳和氧化钙；
步骤四：步骤三中生成的二氧化碳和悬浮的氧化钙输送至第一旋风分离器中，第一旋风分离器将氧化钙和二氧化碳分离，将第一旋风分离器分离的氧化钙返回循环流化床或输送至碳酸化炉中，将二氧化碳气体输送至后续降温、净化设备中获得低温纯净的二氧化碳；
步骤五：将部分所述低温纯净的二氧化碳掺入步骤二中的高温热蒸汽，另一部分制作二氧化碳产品；
步骤六：沉淀在循环流化床底部的氧化钙输送至碳酸化炉中，并将富含二氧化碳的粗烟气输送至所述碳酸化炉中，使所述氧化钙与粗烟气中的二氧化碳发生吸附反应生成碳酸钙；
步骤七：将碳酸化炉出气口排出的烟气输送至第二旋风分离器中，所述第二旋风分离器将氧化钙颗粒返回至碳酸化炉中，将烟气输送至后续降温、除尘装置后外排；
步骤八：将步骤六中生成的碳酸钙排出5％～30％，其余部分返投入循环流化床中。
更进一步地，步骤二中所述的预设温度区间为900℃至1100℃，所述的高温热蒸汽温度的温度大于1100℃，所述用于调节高温热蒸汽温度的二氧化碳低于900℃。
更进一步地，步骤四中所述悬浮的氧化钙为跟随循环流化床中的流化风进入第一旋风分离器的粒径小于1mm的氧化钙。
更进一步地，步骤四中所述第一旋风分离器分离的氧化钙根据碳酸化炉中氧化钙的实时含量调节进料量。
更进一步地，步骤三中碳酸钙被加热、流化、使碳酸钙颗粒在流化风作用下表现出类似流体状态的状态并进行分解，得到氧化钙和二氧化碳。
更进一步地，步骤六中所述的碳酸化炉包括壳体，其特征在于：所述壳体内部从上到下依次设置布料板、塔板和布风板，将壳体从上到下依次分为进料室、反应室、预热室和进风室。
更进一步地，步骤三中生成的氧化钙从进料口进入壳体，在壳体内与二氧化碳发生吸附反应生产碳酸钙，生成的碳酸钙经出料口排出壳体并按照步骤八所述的方法进行处置。
更进一步地，步骤六中，含有二氧化碳的粗烟气从进风口进入壳体，依次通过布风板、塔板和布料板上的小孔从出气口排出壳体，其中，出气口连接步骤七中所述的第二旋风分离器。
更进一步地，所述塔板上方设置有温控组件和换热组件，用于控制氧化钙与二氧化碳发生吸附反应时的温度。
更进一步地，所述布料板和塔板上均设置多个孔径为10～30mm的小孔，用于通气和下料，所述布风板上开设有多个直径为5～20mm的小孔，所述布风板上的小孔在进风室一侧均设置有杯罩，用于通气并阻止下料。
有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
(1)现有的循环流化床设备所采用的热源为煤炭燃烧产热，但煤炭燃烧的过程中会继续产生二氧化碳，进而增加吸附二氧化碳的工作负担，且煤炭产热过程中会生成大量不易与二氧化碳分离的杂质气体，如氮氧化物等杂质气体，造成循环流化床中的二氧化碳纯度较低，无法制成二氧化碳产品。此外煤炭燃烧后的灰渣会混进氧化钙里面，使碳酸化炉里面的吸附剂纯度大大降低。本发明中循环流化床采用的热源为布朗气燃烧产生的热量，布朗气的主要成分为氢气和氧气的混合气，其燃烧后的主要的成分为水，而水易与二氧化碳分离，则循环流化床中分解产生的二氧化碳的纯度较高，可用于制成二氧化碳产品，且煅烧碳酸钙的过程中加入水蒸气可以提高分解产生的氧化钙的吸附活性。
(2)现有二氧化碳吸附装置中，二氧化碳与吸附剂发生吸附反应时，反应时的温度并未持续处于最佳反应温度，且二氧化碳与吸附剂发生的反应为放热反应，持续的放热会使反应室内的温度持续升高，最终可能会导致装置损毁，已经被吸附的二氧化碳会因为高温而从吸附物质中脱离，导致吸附二氧化碳的目的失败。本发明提供的一种碳酸化炉反应室中，每层塔板上方还设置有换热组件和温控组件，温控组件可控制换热组件中循环冷却液的流速，用于移走反应放出的多余的热量，使反应室保持最适宜的吸附反应温度。
(3)现有二氧化碳吸附装置中难以做到二氧化碳的充分吸附，二氧化碳与吸附剂发生反应需要一定的反应时间和充分的接触，大量二氧化碳未来得及与吸附剂发生反应就已经排出装置，本发明提供的一种碳酸化炉设置多层塔板，每层塔板上均设置多个小孔，多层塔板将反应室分隔为多个子空间，增加二氧化碳与吸附剂的反应时间及空间，使吸附反应更加充分。
附图说明
图1为本发明实现方法流程示意图；
图2为本发明碳酸化炉剖视图；
图3为布风板的局部放大图；
图4为换热组件示意图。
标号说明：1、出料口；2、进风口；3、布风板；4、杯罩；5、塔板；6、换热组件；7、温控组件；8、布料板；9、进料口；10、壳体；11、耐火隔热材料；12、出气口；13、返料口；14、进料室；15、反应室；16、预热室；17、进风室。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
如图1所示，为减少粗烟气中的二氧化碳含量，实现温室气体减排，本发明中的一种二氧化碳捕集方法为钙循环技术，详细地，碳酸钙在循环流化床中高温煅烧，分解生成二氧化碳和氧化钙。收集分解生成的二氧化碳并将氧化钙输送至本发明提供的一种碳酸化炉，氧化钙会与烟气中的二氧化碳发生吸附反应变为碳酸钙，碳酸化炉中排出的碳酸钙再返回循环流化床中煅烧，再在循环流化床中分解生成二氧化碳和氧化钙，以此实现用钙循环来捕获并收集粗烟气中的二氧化碳。
详细地，氧化钙在经过多次循环后，粗烟气中含有的其他杂质也有部分吸附在氧化钙表面，氧化钙捕获二氧化碳的活性会降低，本发明中从碳酸化炉排出的碳酸钙不是全部返回循环流化床中，将一部分碳酸钙外排，另一部分碳酸钙进入碳酸化炉中进行煅烧。其中，碳酸化炉中生成的碳酸钙排出5％至30％，其余部分返投入循环流化床中。为了保证足量的氧化钙输送至碳酸化炉中，本发明在循环流化床中补充新鲜的高纯度碳酸钙，既保证了氧化钙吸附二氧化碳的活性又保证了足量的氧化钙输送至碳酸化炉中。
详细地，本发明为了便于制作纯净的二氧化碳产品，实现废物利用，需要获得纯净的二氧化碳。而现有技术中循环流化床使用的热源为煤炭燃烧产生的热源，这会造成循环流化床中分解产生的二氧化碳纯度较低，且煤炭燃烧会持续生成二氧化碳，加重碳酸化炉中氧化钙吸附二氧化碳的负担。煤炭燃烧后的灰渣都会混进氧化钙里面，使碳酸化炉里面的吸附剂纯度大大降低。本发明中，所述循环流化床的热源采用易与二氧化碳分离的热源，循环流化床中的热源为布朗气发生器生成的布朗气，布朗气再在热力炉中燃烧生成高温热蒸汽，将高温热蒸汽作为热源通入循环流化床中将碳酸钙分解。因热源为高温热蒸汽，其成分为水，而水和二氧化碳很容易分离，将水和二氧化碳分离后即可获得纯净的二氧化碳。
更进一步地，在热力炉中燃烧生成高温热蒸汽温度过高，通常会大于1100℃，会使碳酸钙分解生成的氧化钙活性降低，而煅烧碳酸钙的合适温度区间为900℃至1100℃，本发明中在高温热蒸汽进入循环流化床之前加入低于900℃的二氧化碳，调节进入循环流化床中的高温热蒸汽的温度，使之达到煅烧碳酸钙的要求温度。
详细地，为便于本发明适用大型工厂吸附二氧化碳，需要循环流化床的热效率足够高分解速度足够快，但现有的煅烧装置多为回转窑装置，回转窑装置只适用小规模煅烧，且碳酸钙的分解效率较低，不适用大型工厂的碳收集。本发明提供的煅烧炉为流化床形式，将从碳酸化炉返回的碳酸钙及添加的新鲜碳酸钙流化、加热、分解，得到氧化钙和二氧化碳，流化床形式的煅烧炉热效率高、分解速度快、便于工业扩大化。
详细地，循环流化床中分解产生的氧化钙颗粒大小不均匀，在循环流化炉中生成的部分粒径较大的氧化钙沉淀在循环流化床底部，部分粒径较小的氧化钙悬浮在循环流化床中，悬浮的氧化钙的粒径通常小于1mm，悬浮的氧化钙颗粒会跟随循环流化床中的流化风进入第一旋风分离器。第一旋风分离器分离的氧化钙根据碳酸化炉中氧化钙的实时含量调节进料量，决定将氧化钙输送至循环流化床或碳酸化炉中。通过第一旋风分离器的二氧化碳经降温和净化得到纯净的二氧化碳，纯净的二氧化碳可用于制作二氧化碳产品或通入热蒸汽中，用于调节热蒸汽的温度。将沉淀在循环流化床底部的大颗粒氧化钙运输至碳酸化炉中。
实施例
本发明的一种碳酸化炉，用以实现上述一种二氧化碳捕集方法，以生石灰氧化钙为主要吸收剂来捕集烟气中的二氧化碳的设备。
如图2所示，为实现以生石灰氧化钙为主要吸收剂来捕集电厂烟气中的二氧化碳，本实施例中碳酸化炉壳体10为桶状，上端口收束为锥形口。为使壳体10能耐住内部的高温反应，本实施例中碳酸化炉的壳体10是一个密封的钢制容器，壳体内壁紧贴一层耐火隔热材料11，以保证壳体10的耐高温性。壳体10内部在功能上从上到下依次分为进料室14、反应室15、预热室16和进风室17，每个不同的功能区域可由壳体10内部的装置进行区分，其中进料室14与反应室15通过布料板8分隔，反应室15与预热室16通过塔板5分隔，进风室17与预热室16通过布风板3分隔。
为将氧化钙输送至壳体10内，且便于氧化钙充分与二氧化碳发生吸附反应，在壳体10上开设有位于布料板8上方的进料口9和返料口13，进料口9输送新鲜的氧化钙至进料室14；为防止烟气将氧化钙颗粒从出气口12直接带出去，出气口12处连接第二旋风分离器，把烟气带出去的氧化钙颗粒旋下来，再通过返料口13返回进料室14。
氧化钙颗粒从进料口9和返料口13进入进料室14后，在布料板8上维持一定的高度。布料板8固定在壳体10内壁上并开设多个小孔，小孔的孔径为10～30mm，吸附后的热烟气通过布料板8上的小孔向上鼓动氧化钙颗粒层，使整个氧化钙颗粒层处于一个持续鼓泡的状态，热烟气在加热氧化钙颗粒的同时，通过鼓动氧化钙颗粒，使氧化钙颗粒以一个较恒定的速度从小孔漏到下面的反应室15。
为使二氧化碳与氧化钙颗粒充分反应，反应室15由多层塔板5组成，将反应室15分为多个子空间，二氧化碳与氧化钙颗粒可在每一层子空间发生吸附反应，延长了二氧化碳与氧化钙颗粒的反应时间，使吸附反应更加充分。每层塔板5均与壳体10的内壁相连，每层塔板5上均开设多个小孔，小孔的孔径为10～30mm，含二氧化碳的烟气从塔板5上的小孔喷出后与氧化钙充分混合进行吸附反应，在吸附反应发生过程中每层塔板5上接收的物料和向下漏的物料达到一个动态平衡的状态。
氧化钙吸收二氧化碳的过程是一个放热反应，而二氧化碳与氧化钙颗粒发生吸附反应最适宜的吸收温度在700℃左右，为防止随着反应的发生，装置内的温度过高，每层塔板5的上方还布置有换热组件6，换热组件6中通有循环冷却液，用于移走二氧化碳与氧化钙颗粒发生吸附反应放出的多余的热量。
如图4所示，为均匀的移走多余的热量，使每个小孔附近的多余的热量都能及时移走，换热组件6由钢管弯制成往复排列管道，相邻往复排列管道之间的间距与塔板5上的小孔之间的间距相同，均设置在塔板5上的小孔之间，使塔板5上的小孔附近的反应温度保持在700℃左右。
本实施例中为进一步测量并控制每层塔板5上的小孔附近的反应温度，每层塔板5的上方均设置有温控组件7，用于检测塔板5周围的温度以便控制换热组件6中循环冷却液的流量；换热组件6的进液口处设置有流量调节阀，流量调节阀与温控组件7通过集散控制系统联锁控制，根据温控组件7测出的温度实时调节进液量，从而精确控制反应室15内的温度。
为使含有二氧化碳的粗烟气顺利进入本实施例的一种二氧化碳捕集碳酸化炉并与壳体内部的吸附剂发生吸附反应，进风室17的侧壁开设进风口2。
本实施例中为收集氧化钙与二氧化碳发生吸附反应后生成的碳酸钙，在塔板5与进风口2之间设置布风板3，布风板3为敞口朝上的漏斗结构，布风板3上边缘与壳体10相连，可收集整个反应室15落下的碳酸钙，布风板3下端部连接出料口1，出料口1延伸出壳体10，将收集的碳酸钙移出本实施例提供的碳酸化炉。
本实施例中为使进风室17内的含有二氧化碳烟气进入预热室16，布风板3上开设有多个直径为5～20mm的小孔，开孔密度从漏斗结构口到漏斗结构底呈递增趋势，进风室17里的含有二氧化碳烟气通过布风板3上的小孔将堆在布风板3上的碳酸钙料层抖动起来，同时低温的烟气也与高温的碳酸钙进行热交换，起到预热烟气和冷却碳酸钙的作用，冷却后的碳酸钙再通过出料口1排出碳酸化炉。
如图3所示，为防止布风板3上的小孔将碳酸钙漏进进风室17，在布风板3的进风室17一侧的小孔边缘均设置有杯罩4。杯罩4呈半杯状，杯罩4的杯底与小孔边缘连接，杯口方向为从布风板3底部沿布风板3侧边指向布风板3边缘的方向，通过进风室17的内气压将落入布风板3上的小孔内的碳酸钙吹回至预热室16，从而阻止碳酸钙通过小孔落入进风室17。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种二氧化碳捕集方法，包括以下步骤，其特征在于：
步骤一：将水输送至布朗气发生器生成布朗气，将所述布朗气输送至热风炉中燃烧生成高温热蒸汽；
步骤二：在所述高温热蒸汽中掺入用于调节高温热蒸汽温度的二氧化碳，得到预设温度区间的混合高温气并输送至循环流化床中；
步骤三：将碳酸钙输送至循环流化床中并在混合高温气的作用下进行煅烧分解，使碳酸钙分解生成二氧化碳和氧化钙；
步骤四：步骤三中生成的二氧化碳和悬浮的氧化钙输送至第一旋风分离器中，第一旋风分离器将氧化钙和二氧化碳分离，将第一旋风分离器分离的氧化钙返回循环流化床或输送至碳酸化炉中，将二氧化碳气体输送至后续降温、净化设备中获得低温纯净的二氧化碳；
步骤五：将部分所述低温纯净的二氧化碳掺入步骤二中的高温热蒸汽，另一部分制作二氧化碳产品；
步骤六：沉淀在循环流化床底部的氧化钙输送至碳酸化炉中，并将富含二氧化碳的粗烟气输送至所述碳酸化炉中，使所述氧化钙与粗烟气中的二氧化碳发生吸附反应生成碳酸钙；
步骤七：将碳酸化炉出气口排出的烟气输送至第二旋风分离器中，所述第二旋风分离器将氧化钙颗粒返回至碳酸化炉中，将烟气输送至后续降温、除尘装置后外排；
步骤八：将步骤六中生成的碳酸钙排出5%~30%，其余部分返投入循环流化床中；
步骤六中所述的碳酸化炉包括壳体（10），所述壳体（10）内部从上到下依次设置布料板（8）、塔板（5）和布风板（3），将壳体从上到下依次分为进料室（14）、反应室（15）、预热室（16）和进风室（17）；所述塔板（5）上方设置有温控组件（7）和换热组件（6），用于控制氧化钙与二氧化碳发生吸附反应时的温度。
2.根据权利要求1所述的一种二氧化碳捕集方法，其特征在于：步骤二中所述的预设温度区间为900℃至1100℃，所述的高温热蒸汽温度的温度大于1100℃，所述用于调节高温热蒸汽温度的二氧化碳低于900℃。
3.根据权利要求1所述的一种二氧化碳捕集方法，其特征在于：步骤四中所述悬浮的氧化钙为跟随循环流化床中的流化风进入第一旋风分离器的粒径小于1mm的氧化钙。
4.根据权利要求1所述的一种二氧化碳捕集方法，其特征在于：步骤四中所述第一旋风分离器分离的氧化钙根据碳酸化炉中氧化钙的实时含量调节进料量。
5.根据权利要求1所述的一种二氧化碳捕集方法，其特征在于：步骤三中碳酸钙被加热、流化、使碳酸钙颗粒在流化风作用下表现出类似流体的状态并进行分解，得到氧化钙和二氧化碳。
6.根据权利要求1所述的一种二氧化碳捕集方法，其特征在于：步骤三中生成的氧化钙从进料口（9）进入壳体，在壳体内与二氧化碳发生吸附反应生产碳酸钙，生成的碳酸钙经出料口（1）排出壳体（10）并按照步骤八所述的方法进行处置。
7.根据权利要求1所述的一种二氧化碳捕集方法，其特征在于：步骤六中，含有二氧化碳的粗烟气从进风口（2）进入壳体（10），依次通过布风板（3）、塔板（5）和布料板（8）上的小孔从出气口（12）排出壳体，其中，出气口（12）连接步骤七中所述的第二旋风分离器。
8.根据权利要求1所述的一种二氧化碳捕集方法，其特征在于：所述布料板（8）和塔板（5）上均设置多个孔径为10～30mm的小孔，用于通气和下料，所述布风板（3）上开设有多个直径为5～20mm的小孔，所述布风板（3）上的小孔在进风室（17）一侧均设置有杯罩（4），用于通气并阻止下料。
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