CN202803106U

CN202803106U - 一种以CaO为载体循环捕集二氧化碳的装置

Info

Publication number: CN202803106U
Application number: CN2012204079771U
Authority: CN
Inventors: 白玉龙; 王昀睿
Original assignee: XI'AN RICH ENERGY-SAVING ENGINEERING Co Ltd
Current assignee: XI'AN RICH ENERGY-SAVING ENGINEERING Co Ltd
Priority date: 2012-08-17
Filing date: 2012-08-17
Publication date: 2013-03-20
Anticipated expiration: 2022-08-17

Abstract

本实用新型公开了一种以CaO为载体循环捕集烟气中二氧化碳的装置，包括经管道相连的净化装置、碳化塔、沉降分离机、离心机、干燥机、计量装置、密闭环形煅烧炉、物料储存仓、斗式提升机、化灰机、粗桨池和旋液分离器。该设备采用的碳捕集材料成本低，对系统的腐蚀性小，节约能源；Ca(OH)₂乳液对于CO₂的吸收率高，相对于固体吸收剂具有明显优势；在完全隔绝空气条件下对CaCO₃进行煅烧，捕集所得的CO₂纯度可达99%以上，有利于CO₂后续利用及处理；整个系统封闭循环，钙吸收剂和水实现循环利用，大大降低运行维护费用；设备结构紧凑，投资运行强度小，具有良好的工业化应用前景。

Description

一种以CaO为载体循环捕集二氧化碳的装置

技术领域

本实用新型涉及二氧化碳减排领域，具体为一种以CaO为载体循环捕集二氧化碳的装置。

背景技术

二氧化碳（CO₂）是导致全球气候变暖的温室气体的主要成分之一，对温室效应的贡献率高达55%，由于CO₂等温室气体排放所引起的气候变化已成为全世界关注的焦点问题。碳捕集与封存技术（CCS技术）是指将二氧化碳从相关集中排放燃烧源中捕获并分离出来，并采用各种方法存储以避免其排放到大气中的一种技术，是应对气候变化最有效的技术路径之一。

燃煤发电、钢铁、冶金、水泥等行业生产过程中需要消耗大量的化石燃料，导致大量CO₂的集中排放。CO₂捕集方法主要有3种：燃烧前捕集，燃烧后捕集及富氧燃烧捕集。其中，燃烧后捕集是指对燃烧后排放烟气中CO₂进行捕集的一类方法，包括变压吸附、膜分离、物理吸收及化学吸收等，能直接应用于现有生产设备，投入相对较少，原理简单，适用范围广，由于化学反应的存在，化学吸收法用于CO₂捕集时，吸收能力强，平衡分压低，吸收过程中能维持足够高的传质推动力，可确保高捕集效率，具有较高的可操作性及广阔的市场前景。以MEA为代表的醇胺法利用带有羟基和胺基的碱性水溶液作为溶剂，通过吸收塔和再生塔组成系统对CO₂进行捕集，是目前被研究和运用较多且较为成熟的化学吸收方法，对CO₂的脱除率较高，能适应处理CO₂分压低的混合气体，但该方法采用的吸收剂对系统具有强腐蚀性，且再生能耗高，容易发生氧化、热降解、发生不可逆反应和蒸发等造成吸收剂损失和溶液性能改变等，极大地限制了其应用范围。与传统醇胺法相比，氨水吸收法具有材料成本低、吸收CO₂能力强、再生能耗低、吸收剂不易被其他气体成分降解、对系统腐蚀性小等特点，是实现燃煤烟气中CO₂有效脱除的另一种化学方法，在国外已经进入工业中试阶段。但是该方法为防止吸收剂泄露，对于系统设备的密封性要求较高，此外对捕集到的CO₂解吸并再生吸收剂的过程中，由于液相平衡分压的存在，NH₃和H₂O与CO₂会一起进入到气相，造成富集所得的CO₂纯度达不到要求。

钙基吸收剂循环煅烧/碳酸化反应捕集CO₂采用廉价和资源丰富的石灰石、白云石等作为CO₂吸收剂，具有良好的技术经济性，近年来受到广泛关注。该方法捕集CO₂的过程采用双流化床反应器（吸收反应器和再生反应器），通过连接管实现两个反应器之间的物料交换，在吸收反应器中，CaO与CO₂发生气-固反应吸收混合烟气中低浓度CO₂，生成CaCO₃（反应式为CaO+CO₂→CaCO₃），在再生反应器中，由煤纯氧燃烧供热使CaCO₃分解生成CaO和高浓度的CO₂（反应式为CaCO₃→CaO+CO₂），其中的CaO重新回用于吸收反应器，同时收集产生的高浓度CO₂。由于气固反应的局限性，采用现有循环煅烧/碳酸化方法捕集CO₂时，当反应进行到一定程度后，CaO颗粒表面生成的致密CaCO₃产物层会对CO₂进一步向颗粒内部扩散产生阻碍作用，使总体反应速率较低。经多次循环吸收和煅烧后，吸附剂颗粒内部孔隙堵塞及比表面积下降，将造成钙基吸收剂活性降低，此外，由于烟气中SO₂等酸性气体的存在，在CaO表面会形成硫酸化产物层，严重影响碳酸化反应的进行，加速CaO循环捕集CO₂性能的衰减。为保持较高的CO₂捕集效率，需要不断增加钙基吸收剂的投入量，将大大增加运行成本，增加煅烧过程能耗，且反应器易磨损、沾污和腐蚀。中国专利ZL201010011333.6《钙基吸收剂循环捕集二氧化碳和二氧化硫的方法》提出采用煅烧炉下部排出的失活CaO制备Ca（OH）₂溶液对烟气中SO₂进行脱除，以消除SO₂存在对钙基吸收剂循环捕集CO₂带来的阻碍，节约钙基吸收剂的投入量。但该方法Ca（OH）₂溶液脱除SO₂的过程中，会同时吸收烟气中的CO₂，使吸收反应器CO₂进口浓度偏低，增加捕集难度。此外，该专利仍沿用双流化床配合生物质燃料纯氧燃烧的方法实现吸附剂循环再生，大大降低了生产过程中的废气量，但纯氧燃烧这一技术难度较大，投资和运行费用都较高，另外此方法也无法解决流化床反应器进出料密封性不强引起的外部空气进入反应器内部，引起CO₂纯度降低的问题。

实用新型内容

针对上述现有技术中存在的不足，本实用新型目的在于提供一种以CaO为载体循环捕集二氧化碳的工艺及设备。该工艺条件成熟，步骤简单，对于CO₂的捕集效率高。实施该工艺的设备，其结构紧凑，投资运行强度小，具有良好的工业化应用前景。

为达到上述实用新型目的，本实用新型提供的技术方案是：

提供一种以CaO为载体循环捕集二氧化碳的设备，包括经管道相连的净化装置和碳化塔，所述碳化塔经管道依次连接有沉降分离机、离心机、干燥机、计量装置、密闭环形煅烧炉、物料储存仓、斗式提升机、化灰机、粗桨池和旋液分离器，所述旋液分离器再与碳化塔相连；所述环形煅烧炉经管道还依次连接有水冷换热器、压缩机、冷凝器和CO₂储存罐；所述沉降分离机、离心机和化灰机分别通过管道与回用水池连接。

优选地，在所述设备中，所述净化装置的净化气体出口通过加压机与碳化塔底部气体入口相连；所述碳化塔通过输送泵a与所述沉降分离机相连；所述沉降分离机通过输送泵b与所述离心机相连；所述粗浆池通过输送泵c与所述旋液分离器相连；所述旋液分离器通过输送泵d与所述碳化塔相连；

所述密闭环形煅烧炉通过输送泵e与所述水冷换热器相连；

所述回用水池通过输送泵f连接化灰机。

优选地，在所述设备中，所述碳化塔腔体底部设置有气体分布器，上部设有气体挡板、气体排放口和碳化剂输入口。

优选地，在所述设备中，所述环形煅烧炉为全密闭式煅烧炉，在该炉体中设置有辐射加热部件，所述辐射加热部件采用电加热辐射管、隔绝烟气的加热辐射管或微波加热辐射管。

优选地，在所述设备中，所述斗式提升机侧设置有卸料器，化灰机连接在所述卸料器底部。

本实用新型提供的设备具有以下有益效果：（1）相对于现有设备，本实用新型采用的碳捕集材料成本低，对系统的腐蚀性小，节约能源；（2）Ca(OH)₂乳液对于CO₂的吸收率高，相对于固体吸收剂具有明显优势；（3）在完全隔绝空气条件下对CaCO₃进行煅烧，捕集所得的CO₂纯度可达99%以上，有利于CO₂后续利用及处理；（4）整个系统封闭循环，钙吸收剂和水实现循环利用，大大降低运行维护费用。

附图说明

图1为本实用新型实施例中以CaO为载体循环捕集二氧化碳的设备流程图。

图2为本实用新型实施例的工艺流程图。

图中：1、净化装置；2、加压机；3、碳化塔；3a、气体分布器；3b、气体挡板；3c、气体排放口；3d、碳化剂输入口；4、输送泵a；5、沉降分离机；6、输送泵b；7、离心机；8、干燥机；9、计量装置；10、密闭环形煅烧炉；10a、辐射加热部件；11、物料储存仓；12、斗式提升机；12a、卸料器；13、化灰机；14、粗桨池；14a、搅拌装置；15、输送泵c；16、旋液分离器；17、输送泵d；18、输送泵e；19、水冷换热器；20、压缩机；21、冷凝器；22、CO₂储存罐；23、回用水池；24、输送泵f；24a、阀门。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细描述。以下仅为本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本实用新型的公开范围内，可很容易进行的改变或变化都涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。

图1所示为一种以CaO为载体循环捕集二氧化碳的设备，包括经管道依次相连的用于尾气净化的净化装置1；用于CO₂吸收的碳化塔3；用于碳化产物CaCO₃预处理的沉降分离机5、离心机7、干燥机8；用于CO₂解吸的密闭环形煅烧炉10；用于煅烧产物CaO消化以便重新回用于碳化过程的物料储存仓11、斗式提升机12、化灰机13；用于石灰乳精制的粗桨池14、旋液分离器16；用于CO₂储存的水冷换热器19、压缩机20、冷凝器21、CO₂储存罐22；其中，沉降分离机5、离心机7和化灰机13分别通过管道与回用水池23连接。

所述净化装置1的净化气体出口经由加压机2与碳化塔3底部气体入口相连；所述碳化塔的底部设有气体分布器3a，上部设有气体挡板3b、气体排放口3c和碳化剂输入口3d；所述碳化塔3液体排出口经由输送泵a 4与所述沉降分离机5入口相连；输送泵b 6与所述沉降分离机5底部相连，将富CaCO₃液体输送至所述离心机7入口；所述离心机7固体排出口与所述干燥机8入口相连，所述干燥机8干燥料出口与计量装置9物料入口相连，所述计量装置9出口与所述密闭环形煅烧炉10物料入口相连；输送泵e 18气体输入口与所述密闭环形煅烧炉10气体收集口相连，将高纯度CO₂气体输送至所述水冷换热器19，所述水冷换热器19出口与所述压缩机20入口相连，所述压缩机20压缩气体出口与所述冷凝器21气体输入口相连，所述冷凝器21气体输出口与所述CO₂存储罐22相连；所述密闭环形煅烧炉10固体产物出口与所述物料储存仓11入口相连，所述物料储存仓11出口与所述斗式提升机12物料入口相连，经提升后的物料输送至所述化灰机13；所述化灰机13浆料出口与所述粗浆池14入口相连；输送泵c 15、输送泵d 17的入口分别与所述粗浆池14、所述旋液分离器16物料出口相连，所述输送泵c 15、输送泵d 17的出口分别与所述旋液分离器16物料入口、碳化塔3的物料入口3d相连。所述回用水池23通过输送泵f 24连接化灰机13。其中，所述粗桨池14中设置有搅拌装置14a。

在一个优选的实施例中，所述沉降分离机5、所述离心机7的上清液出口与所述回用水池23的入口相连，所述回用水池23的出口通过管道与输送泵f24、的入口相连，管道上连有阀门24a，所述输送泵f24的回用水出口与所述化灰机13清水入口相连。

在另一个优选的实施例中，所述水冷换热器19置换的热水通过管道与所述化灰机13清水入口相连。

在另一个优选的实施例中，所述密闭环形煅烧炉10为全密闭式煅烧炉，在该炉体中设置有辐射加热部件10a，所述辐射加热部件10a采用电加热辐射管、隔绝烟气的加热辐射管或微波加热辐射管。

在另一个优选的实施例中，所述斗式提升机12侧设置有卸料器12a，化灰机13连接在所述卸料器12a底部。

如图2所示，上述设备对应的工作流程如下：

步骤A，烟气净化处理：将烟气通过管道引入净化装置1，烟气中的SO₂、NO_x、重金属、二恶英、飞灰等有害气体及杂质在净化装置1的作用下得到去除，经净化处理的烟气中主要成分为CO₂和N₂，体积浓度为15%、78%。

步骤B，碳化：通过加压2的加压作用，将净化装置1出口的气体压力提升，以增强碳化过程中的传质效果。净化烟气经由碳化塔3底部的入口经气体分布器3a进入碳化塔3中。气体自下而上上升过程中，其中的二氧化碳与碳化塔3内部的石灰乳溶液发生快速的化学反应，二氧化碳被迅速吸收，生成CaCO₃和H₂O，而N₂在上升流动过程中则不与石灰乳发生反应，在碳化塔3顶部聚集后经气体挡板3b阻隔，最终由碳化塔顶部气体排出口3c排入大气中。

步骤C，碳化产物CaCO₃处理：碳化反应生成的CaCO₃浆料含水量较高，不宜直接进行煅烧回收CO₂。输送泵a 4将碳化生成的CaCO₃浆料输送至沉降分离机5，在重力的作用下，浆料中的水和固体CaCO₃得到初步分离；输送泵b 6将沉降分离机5底部的固体CaCO₃悬浮液输送至离心机7，离心机7利用高速旋转的转鼓产生离心力将悬浮液中的固体颗粒截留在转鼓内并在力的作用下向机外自动卸出进入干燥机8；干燥机8通过热空气、烟道气或红外线等加热方式将水分含量为35%左右的固体CaCO₃中所含的水分进一步除去，出口物料水分含量为0.3%左右，满足后续煅烧工序的要求；沉降分离机5及离心机7的上清液均分别通过管道排入回用水池23；干燥后的固体CaCO₃为成品的轻质碳酸钙，其粒度和含水量均符合煅烧的要求，成品轻钙经计量装置9精确计量后输送至全密闭环形煅烧炉10物料入口。

步骤D，CO₂解吸：在密闭环形煅烧炉10内，成品轻质碳酸钙在完全隔绝空气的条件下被高温煅烧分解，煅烧产物为CaO及CO₂。密闭环形煅烧炉10内采用完全隔绝空气的辐射加热部件10a产生热量，炉内煅烧区温度为1000-1400℃，得到煅烧产物CaO及CO₂；由于密闭环形煅烧炉10内的特殊结构，炉膛空间内CO₂气体浓度达98-99.8%。

步骤E，CaO消化：密闭环形煅烧炉10出口固体物料CaO被运送至物料储存仓11进行冷却，待物料温度降至60度以下，输送设备将其输送至斗式提升机12；斗式提升机12将粉状CaO物料垂直提升至一定高度，并经卸料器12a的作用快速离心卸载至化灰机13；在化灰机13内，CaO物料与机内来自水冷换热器19的热水及来自回用水池23的清水混合，进行消化反应，生产出石灰乳粗桨，化灰机13内消化反应进行完全后，石灰乳粗桨被排入粗桨池14中，粗桨池14内石灰乳浓度为30%。

步骤F，石灰乳精制：输送泵c 15将粗桨池14内的石灰乳粗桨送至精制设备-旋液分离器16进行精制，精制后的石灰乳溶液活性较高，浓度适中，适宜于重新进入碳化塔3吸附电厂尾气中的CO₂。粗桨池14内设有搅拌装置14a，有利于后续石灰乳精制及碳化反应的进行。

步骤G，石灰乳回收利用：经精制后得到的石灰乳精浆由输送泵d 17送至碳化剂输入口3d，补充碳化塔3内部的碳化吸收剂。

步骤H，高纯度CO₂储（封）存：密闭环形煅烧炉10上部气态产物出口产出的高纯度CO₂气体纯度为98.0-99.8%，温度为200℃左右，在输送泵e 21的作用下经由耐热管道输送至水冷换热器19进行冷却，冷却后气体温度降至50℃；冷却后高纯CO₂气体经压缩机20、冷凝器21的作用转变为液态CO₂成品，由密闭管道输送至CO₂存储罐22中，以便后续利用。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施方式仅限于此，对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本实用新型由所提交的权利要求书所确定的专利保护范围。

Claims

1.一种以CaO为载体循环捕集二氧化碳的装置，包括经管道相连的净化装置（1）和碳化塔（3），其特征在于，所述碳化塔（3）经管道依次连接有沉降分离机（5）、离心机（7）、干燥机（8）、计量装置（9）、密闭环形煅烧炉（10）、物料储存仓（11）、斗式提升机（12）、化灰机（13）、粗桨池（14）和旋液分离器（16），所述旋液分离器（16）再与碳化塔（3）相连；所述环形煅烧炉（10）经管道还依次连接有水冷换热器（19）、压缩机（20）、冷凝器（21）和CO₂储存罐（22）；所述沉降分离机（5）、离心机（7）和化灰机（13）分别通过管道与回用水池（23）连接。

2.根据权利要求1所述的以CaO为载体循环捕集二氧化碳的装置，其特征在于，所述净化装置（1）的净化气体出口通过加压机（2）与碳化塔（3）底部气体入口相连；所述碳化塔（3）通过输送泵a（4）与所述沉降分离机（5）相连；所述沉降分离机（5）通过输送泵b（6）与所述离心机（7）相连；所述粗浆池（14）通过输送泵c（15）与所述旋液分离器（16）相连；所述旋液分离器（16）通过输送泵d（17）与所述碳化塔（3）相连；

所述密闭环形煅烧炉（10）通过输送泵e（18）与所述水冷换热器（19）相连；

所述回用水池（23）通过输送泵f（24）连接化灰机（13）。

3.根据权利要求1所述的以CaO为载体循环捕集二氧化碳的装置，其特征在于，所述碳化塔（3）腔体底部设置有气体分布器（3a），上部设有气体挡板（3b）、气体排放口（3c）和碳化剂输入口（3d）。

4.根据权利要求1所述的以CaO为载体循环捕集二氧化碳的装置，其特征在于，所述环形煅烧炉（10）为全密闭式煅烧炉，在该炉体中设置有辐射加热部件（10a），所述辐射加热部件（10a）采用电加热辐射管、隔绝烟气的加热辐射管或微波加热辐射管。

5.根据权利要求1所述的以CaO为载体循环捕集二氧化碳的装置，其特征在于，所述斗式提升机（12）侧设置有卸料器（12a），化灰机（13）连接在所述卸料器（12a）底部。