CN116902981A - 一种通过体系酸碱度调节固化co2的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过体系酸碱度调节固化CO2的系统及方法，包括固废原料输入管道、萃取反应器、CO2吸收塔、富碳烟气输入管道及固液分离器；固废原料输入管道与萃取反应器的入口相连通，萃取反应器的液体出口与CO2吸收塔的液体入口相连通，CO2吸收塔顶部上设置有气体出口；富碳烟气输入管道与CO2吸收塔底部侧面的烟气入口相连通，CO2吸收塔底部的浆液出口与固液分离器的入口相连通，固液分离器的液体出口与萃取反应器的液体入口相连通，该系统及方法具有工艺流程简单、产物经济性高以及成本低的特点。
Description
技术领域
本发明属于二氧化碳减排领域，涉及一种通过体系酸碱度调节固化CO2的系统及方法。
背景技术
减少CO2排放是应对全球变暖导致的极端天气的重要手段，我国火力发电CO2排放占全国总排放的40-50％，是大规模减排CO2最值得关注的领域。目前主流的CO2减排路线采取捕集和封存(CCS)结合的方式，但这种方法设备体系庞大，能耗高，造成减排成本高昂。而模拟自然界本身的矿化过程的CO2固化技术(Nature,1990,345(6275),486-486)可以直接实现CO2永久封存，并且在热力学上有利。该技术通过CO2与矿石或工业固废中的钙、镁等活性金属离子反应，将CO2转化为稳定的碳酸盐，可以直接利用火电厂等排放源产生的低浓度CO2，降低CO2的减排成本，且在碳减排的同时协同处置固体废弃物。
自然环境中的CO2矿化过程通常在高压条件下缓慢发生，传统的CO2固化技术也多采用高压条件，并通过高温加热来辅助提高反应速度(CN201310343224、CN201711108761)。这类方案的缺点在于能耗很高，一方面烟气加压至高压(～30MPa)需要消耗大量电能，另一方面高温加热也需要消耗高品位热源。为了降低固化反应的压力和温度，一部分CO2固化技术通过加入氨类介质使固废原料氨化或胺基化，提高原料与CO2的反应活性(CN201310057123、CN202210338660)，这类方案需要消耗大量的氨基化介质，成本高昂。另一部分方案加入强酸强碱对固废原料进行预处理，利用浸出液与CO2反应(CN2015102177956、CN202111248674)，这类方案不仅需要额外的原料萃取固废中的活性金属，在过程中往往还需要再次添加酸碱原料调控pH值，更增加了原料成本。还有部分方案加入硫酸铵、硝酸铵等试剂，使固废中的活性金属转化为相应的金属盐，同时吸收产生的NH3气得到氨水，利用所得盐溶液、氨水与CO2反应(CN201610564463、CN201710085347、CN202210280209)，这类方案虽然通常在后期通过蒸发结晶等方式使盐类原料再生，但在过程中其实需要补充氨水等其他试剂辅助反应，且工艺流程复杂，所得产物经济性不高，也增加了CO2的固化减排成本。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种通过体系酸碱度调节固化CO2的系统及方法，该系统及方法具有工艺流程简单、产物经济性高以及成本低的特点。
为达到上述目的，本发明所述的通过体系酸碱度调节固化CO2的系统包括固废原料输入管道、萃取反应器、CO2吸收塔、富碳烟气输入管道及固液分离器；
固废原料输入管道与萃取反应器的入口相连通，萃取反应器的液体出口与CO2吸收塔的液体入口相连通，CO2吸收塔顶部上设置有气体出口；富碳烟气输入管道与CO2吸收塔底部侧面的烟气入口相连通，CO2吸收塔底部的浆液出口与固液分离器的入口相连通，固液分离器的液体出口与萃取反应器的液体入口相连通。
固液分离器的底部设置有沉淀出口。
本发明所述的通过体系酸碱度调节固化CO2的方法包括以下步骤：
1)固废原料送入萃取反应器中，并在萃取反应器中，与含有萃取剂的弱酸性溶液在常压下反应；
2)对反应产物进行分离，将分离得到的碱性溶液送入CO2吸收塔中；
3)所述碱性溶液在CO2吸收塔中，与富碳烟气接触，使得碱性溶液中的活性金属与CO2反应生成碳酸盐沉淀，实现烟气的脱碳，同时实现萃取剂的再生；
4)CO2吸收塔排出的携带碳酸盐沉淀的浆液进入固液分离器中进行分离，其中，固液分离器分离出来的液体作为含有萃取剂的弱酸性溶液送入萃取反应器中。
萃取剂为强酸弱碱盐。
所述固废原料中的活性金属M为能够形成碳酸盐沉淀的金属元素。
所述萃取反应器的反应温度为30-90℃。
所述固废原料的粒径为50-500μm。
所述含有萃取剂的弱酸性溶液中萃取剂的浓度为0.1-2.0mol/L。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的通过体系酸碱度调节固化CO2的系统及方法在具体操作时，固废原料送入萃取反应器中，与含有萃取剂的弱酸性溶液在常压下反应，反应条件易于实现，再对反应产物进行分离，将分离得到的碱性溶液送入CO2吸收塔中，通过碱性溶液中的活性金属与CO2反应生成碳酸盐沉淀，产物经济性高，实现烟气的脱碳，同时实现CO2的固化，与此同时，实现萃取剂的再生，然后将再生的萃取剂送入萃取反应器中，以实现萃取剂的循环使用，工艺流程简单，成本低。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，1为萃取反应器、2为CO2吸收塔、3为固液分离器。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
参考图1，本发明所述的通过体系酸碱度调节固化CO2的系统包括富碳烟气输入管道、固废原料输入管道、萃取反应器1、CO2吸收塔2及固液分离器3；
固废原料输入管道与萃取反应器1的入口相连通，萃取反应器1的液体出口与CO2吸收塔2的液体入口相连通，CO2吸收塔2顶部上设置有气体出口；富碳烟气输入管道与CO2吸收塔2底部侧面的烟气入口相连通，CO2吸收塔2底部的浆液出口与固液分离器3的入口相连通，固液分离器3的底部设置有沉淀出口，固液分离器3的液体出口与萃取反应器1的液体入口相连通。
基于所述通过体系酸碱度调节固化CO2的系统，本发明所述的通过体系酸碱度调节固化CO2的方法包括以下步骤：
1)将固废原料送入萃取反应器1中，并在萃取反应器1中，与含有萃取剂的弱酸性溶液在常压下反应，其中，固废原料中的活性金属进入弱酸性溶液中，随着反应的进行，弱酸性溶液逐渐变为弱碱性；
2)对反应产物进行分离，排出分离出来的反应后的固废残余物，同时将分离得到的弱碱性溶液送入CO2吸收塔2中；
3)弱碱性溶液在CO2吸收塔2中，与富碳烟气接触，使得弱碱性溶液中的活性金属与CO2反应生成碳酸盐沉淀，实现烟气的脱碳，同时实现萃取剂的再生；
4)脱碳后的烟气从CO2吸收塔2的顶部排出，CO2吸收塔2排出的携带碳酸盐沉淀的浆液进入固液分离器3中进行分离；
5)固液分离器3分离出来的碳酸盐沉淀直接排出，固液分离器3分离出来的液体作为含有萃取剂的弱酸性溶液泵入萃取反应器1中，完成溶液循环。
本实施例中，所述萃取剂为强酸弱碱盐，优选的为铵盐类，例如，NH4Cl及(NH4)2SO4等。
本实施例中，所述固废原料中的活性金属M为能够形成碳酸盐沉淀的金属元素，例如Ca及Mg。
所述萃取反应器1内固废原料中的活性金属M与萃取剂(以NH4Cl为例)发生如下反应：
NH4Cl(a)+MO(s)→MCl2(a)+NH3(a)+H2O
其中，弱酸性的萃取剂能够促进固废原料中活性金属的浸出，随着反应的进行，产生的NH3溶解于水中，使溶液逐渐变为弱碱性。
本实施例中，所述铵盐类萃取剂的浓度为0.1-2.0mol/L，该浓度下萃取反应所产生的所有NH3都能够溶解于水中，气相中NH3的损失小于0.5％。
本实施例中，所述萃取反应器1的反应温度为30-90℃。
本实施例中，所述固废原料的粒径为50-500μm。
本实施例中，所述CO2吸收塔2中富碳烟气与萃取活性金属后的碱性溶液接触，生成碳酸盐，发生以下反应：
NH3(a)+CO2(g)+MCl2(a)+H2O(l)→MCO3(s)+NH4Cl
溶液的碱性能够促进CO2在液相中的溶解，随着反应的进行，实现萃取剂(NH4Cl)再生。
本实施例中，所述CO2吸收塔2的烟气出口处添加有氨回收段，用于进一步回收随烟气带出的少量NH3气体，防止NH3气体进入大气而造成二次污染。
实施例一
本实施例用于处理120,000Nm3/h含有20％ CO2的富碳烟气，将固废原料(粒径220μm)以283t/h送入萃取反应器1中。经分析该固废原料中CaO的含量为22.5％，在CO2吸收塔2中与1.9mol/L NH4Cl的弱酸性溶液在60℃、常压下发生以下反应：
NH4Cl(a)+CaO(s)→CaCl2(a)+NH3(a)+H2O
随着反应的进行，固废原料中的活性金属Ca进入溶液中，产生的NH3溶解于水中，使溶液逐渐变为弱碱性。反应后的固废残余物分离排出，溶液泵入CO2吸收塔2中，与富碳烟气逆向接触，发生以下反应：
NH3(a)+CO2(g)+CaCl2(a)+H2O(l)→CaCO3(s)+NH4Cl(a)
溶液中的Ca离子与CO2反应生成碳酸盐CaCO3，随着碳酸盐的形成，实现萃取剂NH4Cl的再生。CO2吸收塔2内CO2吸收段上方设置有循环洗涤的氨回收段，脱碳烟气经过氨回收段，使得携带的氨气溶解于循环洗涤液中，烟气从CO2吸收塔2的顶部排出；携带碳酸盐沉淀的浆液进入固液分离器3中，碳酸盐沉淀分离排出，再生的NH4Cl溶液重新泵入萃取反应器1中，完成溶液循环。
脱碳后烟气中的CO2含量降低至1.3％，分析比较固废原料、反应后固废残余物以及碳酸盐沉淀中的Ca元素含量，可以确定固废原料中Ca的萃取率为88.2％，固化率为84.5％。系统能耗考虑固废原料破碎、烟气风机、固液分离、体系换热以及溶液泵的消耗，总能耗为9050kWh，其中，破碎固废颗粒的电能消耗最大，为3640kWh。
实施例二
本实施例与实施例一的区别在于：萃取反应器1的反应温度为40℃。萃取反应速率随温度降低而下降，但低温下有利于CO2溶解，因此CO2吸收塔2的脱碳效果得到强化。
脱碳烟气中的CO2含量降低至0.9％，分析比较固废原料、反应后固废残余物以及碳酸盐沉淀中的Ca元素含量，可以确定固废原料中Ca的萃取率为81.7％，固化率为79.2％，系统能耗为8183kWh。
实施例三
本实施例与实施例一的区别在于：萃取反应器1的操作温度为80℃。萃取反应速率随温度升高而提高，但温度升高不利于CO2吸收。
脱碳烟气中的CO2含量降低至3.2％。分析比较固废原料、反应后固废残余物以及碳酸盐沉淀中的Ca元素含量，可以确定固废原料中Ca的萃取率为91.3％，固化率为77.6％，系统能耗为10197kWh。
实施例四
本实施例与实施例一的区别在于：固废原料的粒径为450μm，固废原料粒径的增大，不利于萃取反应的发生，但颗粒破碎的能耗减少。
分析比较固废原料、反应后固废残余物以及碳酸盐沉淀中的Ca元素含量，可以确定固废原料中Ca的萃取率为82.5％，固化率为79.0％。系统能耗为6421kWh，其中，破碎固废颗粒的能耗为1011kWh。
实施例五
本实施例与实施例一的区别在于：固废原料的粒径为80μm，固废原料粒径减小有利于萃取反应的发生，但颗粒破碎的能耗上升。
分析比较固废原料、反应后固废残余物以及碳酸盐沉淀中的Ca元素含量，可以确定固废原料中Ca的萃取率为96.7％，固化率为92.4％。系统能耗为1405kWh，其中，破碎固废颗粒的能耗为9095kWh。
需要说明的是，本发明具有以下特点：
固废利用：利用燃煤、炼钢、冶矿等过程中产生的大宗工业固废灰渣作为固碳原料，原料成本低，来源广泛，在碳减排的同时实现固体废弃物资源化利用。
反应压力温度低：固化反应可以在常压下进行，不需要对富碳烟气进行加压，且反应温度低，可以利用火电厂等工业低品位废热为CO2固化过程提供热能，实现余热利用。
反应溶液循环利用：工艺中的萃取溶液循环回收利用，所加入的萃取剂几乎可以完全回收，避免大量消耗化学试剂，环境污染。
物料能耗成本低：整个CO2固化过程为放热过程，且通过萃取溶液的循环利用，使固废中活性金属的浸出和碳酸盐的沉淀两个过程分别在偏酸性和偏碱性的环境下，不需要额外添加酸碱试剂或改变温度，降低原料及能耗成本。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (8)
1.一种通过体系酸碱度调节固化CO2的系统，其特征在于，包括固废原料输入管道、萃取反应器(1)、CO2吸收塔(2)、富碳烟气输入管道及固液分离器(3)；
固废原料输入管道与萃取反应器(1)的入口相连通，萃取反应器(1)的液体出口与CO2吸收塔(2)的液体入口相连通，CO2吸收塔(2)顶部上设置有气体出口；富碳烟气输入管道与CO2吸收塔(2)底部侧面的烟气入口相连通，CO2吸收塔(2)底部的浆液出口与固液分离器(3)的入口相连通，固液分离器(3)的液体出口与萃取反应器(1)的液体入口相连通。
2.根据权利要求1所述的通过体系酸碱度调节固化CO2的系统，其特征在于，固液分离器(3)的底部设置有沉淀出口。
3.一种通过体系酸碱度调节固化CO2的方法，其特征在于，基于权利要求1所述的通过体系酸碱度调节固化CO2的系统，包括以下步骤：
1)固废原料送入萃取反应器(1)中，并在萃取反应器(1)中，与含有萃取剂的弱酸性溶液在常压下反应；
2)对反应产物进行分离，将分离得到的碱性溶液送入CO2吸收塔(2)中；
3)所述碱性溶液在CO2吸收塔(2)中，与富碳烟气接触，使得碱性溶液中的活性金属与CO2反应生成碳酸盐沉淀，实现烟气的脱碳，同时实现萃取剂的再生；
4)CO2吸收塔(2)排出的携带碳酸盐沉淀的浆液进入固液分离器(3)中进行分离，其中，固液分离器(3)分离出来的液体作为含有萃取剂的弱酸性溶液送入萃取反应器(1)中。
4.根据权利要求3所述的通过体系酸碱度调节固化CO2的方法，其特征在于，萃取剂为强酸弱碱盐。
5.根据权利要求3所述的通过体系酸碱度调节固化CO2的方法，其特征在于，所述固废原料中的活性金属M为能够形成碳酸盐沉淀的金属元素。
6.根据权利要求3所述的通过体系酸碱度调节固化CO2的方法，其特征在于，所述萃取反应器(1)的反应温度为30-90℃。
7.根据权利要求3所述的通过体系酸碱度调节固化CO2的方法，其特征在于，所述固废原料的粒径为50-500μm。
8.根据权利要求3所述的通过体系酸碱度调节固化CO2的方法，其特征在于，所述含有萃取剂的弱酸性溶液中萃取剂的浓度为0.1-2.0mol/L。
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