CN203002205U - 固体燃料发电站废弃物综合处理系统 - Google Patents

Abstract

一种固体燃料发电站废弃物综合处理系统，包括变压及整流装置、电解装置、二氧化碳吸收塔、氯化氢合成塔、硅酸盐反应器、旋流分离器和真空皮带机。电解装置的阴极氢气出口和阳极氯气出口分别与氯化氢合成塔的对应输入端相连，电解装置的混合碱液输出端与二氧化碳吸收塔相连，氯化氢合成塔的输出端通向硅酸盐反应器底部，硅酸盐反应器的反应浆料出口依次与旋流分离器、真空皮带机相连，真空皮带机的滤液输出端与电解装置的混合碱液补充口相连。其可将调质海水电解生成碱性物质和酸性气体，利用碱性物质固定烟气中的二氧化碳，利用酸性气体合成盐酸与粉煤灰或硅酸盐矿石粉进行置换反应，从而形成对发电站废弃物进行综合利用的良性循环。

Description

固体燃料发电站废弃物综合处理系统

技术领域

本实用新型涉及发电站的环境保护技术，具体地指一种固体燃料发电站废弃物综合处理系统。

背景技术

目前，固体燃料发电站所采用的原料大部分是煤炭，也有少部分采用可循环利用的生物质。我国是世界上燃煤发电的第一大国，燃煤发电机组占全部发电机组的70%左右，生物质发电相对较少。我国燃煤发电所排放的废弃物粉煤灰和温室气体二氧化碳已居世界之冠，燃烧生物质产生的生物质灰也在逐年增加。有资料统计表明：我国粉煤灰的总排放量已超过3.75亿吨，二氧化碳每年的排放量也超过61亿吨，而且两者的排放量还在不断增加，由此引起全球变暖、气候变化、以及对生态、经济、社会等方面产生综合影响的环境污染问题也日益严重，迫使人们一直在寻找解决这些问题的途径。

针对粉煤灰或生物质灰而言，其主要成份均为硅酸盐类，还含有大量的Na、K、Ca、Mg等金属物质，我国建材业对其再利用的不多，目前的利用率仅在30%左右，主要是用于筑路基和回填，每年尚有2.6亿多吨粉煤灰未能利用，只能储存于灰库中，不仅占用了大量生产用地和储运配套装备，而且每吨粉煤灰储存的建库费和运行费约需10~100元，累积成本惊人。同时，粉煤灰用于筑路基等作业时，还受地区、时间、气候的一系列的限制，使用非常不均衡。因此，如何利用粉煤灰或减少粉煤灰储存是本领域科研人员面临的一项重要环境课题。

针对二氧化碳而言，虽然它是工业、农业、食品、卫生、医疗等多个领域的有用资源，但其应用量与排放量相比极其微小，过量排放所形成的温室效应，对人类的生存环境起着不利的影响。如今控制二氧化碳排放已经成为全球性的问题，越来越多的国家意识到二氧化碳的捕集与封存技术对于减缓气候变暖的意义。

为了控制二氧化碳进入大气，本领域科研人员已经设计出了各种各样的二氧化碳封存技术，主要有如下三种方式：第一种是将它以气态形式封存于各种地质夹层中；第二种是将它以气态形式封存于深海中；第三种是将它以固态形式封存于碳酸盐中。三种封存方式中，第一种地质封存技术得到了一定的应用，但地质情况的变化会导致不安全因素的增加，并且随着时间的延伸，其不安全性也会越来越突出。第二种深海封存技术则容易破坏深海生态环境，目前鲜见应用。第三种碳酸盐封存技术又称矿物封存技术，理论上对二氧化碳的固定效果最好，转变成盐类的二氧化碳不会再次释放到大气中，因此得到了广泛的关注，但目前其仍然停留在固定二氧化碳的试验阶段，距离实际应用尚远。

发明内容

本实用新型的目的旨在提供一种固体燃料发电站废弃物综合处理系统。该系统通过电解海水或调质海水产生吸收剂等的原料，能够将发电站排放烟气中的二氧化碳转化成碳酸盐类固定封存于大海中，同时充分利用发电站排放的粉煤灰、生物质灰等灰渣、以及廉价的硅酸盐矿石粉辅助完成二氧化碳的转化循环，最大限度地实现发电站废弃物的综合利用。

为实现上述目的，本实用新型所设计的固体燃料发电站废弃物综合处理系统，主要由变压及整流装置、电解装置、二氧化碳吸收塔、氯化氢合成塔、硅酸盐反应器、旋流分离器和真空皮带机组成，其特殊之处在于：

所述变压及整流装置的输出端与电解装置的电源接口相连，所述电解装置的阴极氢气出口依次通过氢气分离器和氢气冷却器与氯化氢合成塔的氢气输入端相连，所述电解装置的阳极氯气出口依次通过氯气分离器和氯气冷却器与氯化氢合成塔的氯气输入端相连，所述氢气分离器的回液口和氯气分离器的回液口均与电解装置的混合碱液回收口相连。

所述电解装置的混合碱液输出端与二氧化碳吸收塔的内腔相连，所述二氧化碳吸收塔的下部烟气入口上方设置有烟气均流装置，所述二氧化碳吸收塔的顶部烟气出口下方设置有碱液回收装置和碱液喷淋装置，所述碱液喷淋装置通过碱液循环泵与二氧化碳吸收塔的底部浆液池相连。

所述氯化氢合成塔的氯化氢输出端通过气体输送管与气体分布器相连，所述气体分布器设置在硅酸盐反应器底部一侧，所述硅酸盐反应器内布置有多个搅拌器，所述硅酸盐反应器底部另一侧的反应浆料出口与旋流分离器的输入端相连，所述旋流分离器的沉淀物输出端与真空皮带机的物料入口相连，所述真空皮带机的滤液输出端通过液体输送管与电解装置的混合碱液补充口相连。

作为优选方案，它还包括硅酸盐粉料仓，所述硅酸盐粉料仓的底部出料口通过卸料分配器与硅酸盐反应器的投料口相连。硅酸盐粉料仓用于储存发电站排放的粉煤灰、生物质灰等灰渣、或者成品硅酸盐矿石粉，卸料分配器用于控制灰渣或硅酸盐矿石粉的下落进入硅酸盐反应器的量，其与工艺用水在搅拌器的作用下迅速混合，然后参加反应。

进一步地，所述硅酸盐粉料仓的顶部一侧设置有小型布袋除尘器。用以回收硅酸盐粉料仓内部飞扬的粉尘。

又进一步地，所述电解装置的混合碱液输出端依次通过碱液循环泵、碱液喷淋装置与二氧化碳吸收塔的内腔相连。这样，混合碱液通过碱液喷淋装置直接喷入二氧化碳吸收塔中，可以省略在二氧化碳吸收塔上设置吸收剂入口、相关管道和输送泵等设备，简化设备组成，节约设备投入成本。

又进一步地，所述二氧化碳吸收塔内腔中位于碱液喷淋装置与烟气均流装置之间设置有CO₂吸收填料层。这样，可以延长混合碱性溶液与烟气逆流接触的时间，促使烟气中的二氧化碳与混合碱性溶液充分反应，提高二氧化碳的吸收率。

更进一步地，所述氯化氢合成塔采用石英灯头引燃的水冷恒温合成塔。其通过冷却水保证合成塔内温度恒定，Cl₂走石英灯头的内层，H₂走石英灯头的外层，二者在石英灯头均衡燃烧，合成的HCl气体向上流动，经冷却降温后从顶部排出，进入下一步反应。由此省去了工业制盐酸的复杂结构和工艺。

更进一步地，所述气体分布器由管线或管网构成，所述管线或管网上均布有开口向下的防堵气孔。这样设计，可使HCl气体不断向下从防堵气孔中溢出，形成大量HCl气泡，然后向上运动，经搅拌器搅拌，进一步阻碍HCl气泡向上运动，延长向上运动的时间，同时HCl气泡被破碎而逐渐趋小，热的HCl小气泡极易溶于水，其与硅酸盐溶液充分接触混合，发生剧烈的热交换，可促使反应加速进行。

再进一步地，所述硅酸盐反应器顶部与其反应浆料出口相对应的方位设置有尾气液滴回收装置。这样，可以使残留的极少量H₂所携带的盐酸盐类浆液被有效回收，确保尾气得到无害排放。

再进一步地，所述旋流分离器的上清液输出端与硅酸盐反应器的补液口相连。这样，可以充分利用上清液参与硅酸盐溶液的配制，节省工艺用水，形成良好的反应循环。

本实用新型中的电解装置可将含有Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺金属离子的调质海水电解生成碱性物质和酸性气体，然后在二氧化碳吸收塔中利用碱性物质吸收发电站排放烟气中的二氧化碳，无害化处理后排放至海中封存；同时在氯化氢合成塔中利用酸性气体合成盐酸，并在硅酸盐反应器中利用盐酸与发电站排放的粉煤灰、生物质灰、或廉价的硅酸盐矿石粉进行溶解置换反应，将其中分离出的含Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^-离子的溶液回收后，返送到电解装置中继续循环；将其中分离出的SiO₂作为工业原料加以进一步利用，从而形成对发电站废弃物进行综合利用的良性循环。其优点主要体现在如下几方面：

其一，本实用新型利用极其廉价的调质海水电解产生H₂和Cl₂，同时使得调质海水转变成混合碱性溶液，采用该混合碱性溶液吸收固体燃料发电站排放烟气中的二氧化碳，可以将其固定于碳酸盐中，并长期稳定地封存于大海中，解决了人类活动产生的二氧化碳长期积累对全球气候造成的严重影响。

其二，本实用新型将调质海水电解产生H₂和Cl₂合成为HCl气体，再将HCl气体直接通入到由粉煤灰、生物质灰和/或硅酸盐矿石粉与工艺用水配制而成的硅酸盐溶液中，HCl气体遇水形成盐酸，将硅酸盐中的Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺金属离子溶解置换出来，随同游离的Cl^-离子一起补充到调质海水中，继续电解产生H₂和Cl₂，既实现了二氧化碳吸收反应的良性循环，又实现了Cl^-离子的循环利用，减少了NaCl等盐酸盐类的添加，原料损耗极小。

其三，本实用新型充分利用了燃煤电站产生的粉煤灰、生物质电站产生的生物质灰作为硅酸盐矿石粉的替代品，有效减少了天然原料的损耗，同时使发电站的废弃灰渣得到了良好治理，大幅降低了这些灰渣的储存维护费用。

其四，本实用新型将烟气中的二氧化碳吸收储存在海水中普遍存在的碳酸盐类中，投放到大海中不会产生海洋酸化现象，而且向海洋排放碳酸钙类物质对贝类生物是有益无害的，这样有效解决了单纯深海储存CO₂对海洋产生的负面影响。

其五，本实用新型中HCl气体的合成优选水冷恒温合成塔。通过夹层冷却水保证塔内温度始终恒定，进而保证H₂和Cl₂均衡燃烧，并通过HCl气体将反应产生热量带走。这样，省去了工业制盐酸的复杂结构和工艺。

其六，本实用新型中通过在气体分布器上设置开口向下的防堵气孔，可将HCl气体完全均布并溶解于硅酸盐溶液中，同时通过一系列的搅拌将HCl气体携带的热量和溶解产生的热量迅速与硅酸盐溶液进行交换，从而促使其完全反应，提高金属离子的置换效率。

其七，本实用新型中在二氧化碳吸收塔的尾气排放、硅酸盐反应器的尾气排放处都设置有液滴回收装置，从而使尾气无害化排放，对环境十分友好。

其八，本实用新型中浓缩分离出的硅酸盐溶解产物SiO₂是很好的工业原料，可以直接加以利用，主要用于筑路基和回填，也可以进行深度化工处理为SiO₂纳米材料。

附图说明

图1为一种固体燃料发电站废弃物综合处理系统的结构示意图。

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的详细描述。

图中所示的固体燃料发电站废弃物综合处理系统，主要由变压及整流装置1、电解装置2、二氧化碳吸收塔5、氯化氢合成塔20、硅酸盐粉料仓17、硅酸盐反应器10、旋流分离器14和真空皮带机13等部件组成。其中：

变压及整流装置1的输出端与电解装置2的电源接口相连。电解装置2的阴极氢气出口依次通过氢气分离器21和氢气冷却器22与氯化氢合成塔20的氢气输入端相连，电解装置2的阳极氯气出口依次通过氯气分离器24和氯气冷却器23与氯化氢合成塔20的氯气输入端相连，氢气分离器21的回液口和氯气分离器24的回液口均与电解装置2的混合碱液回收口相连。

二氧化碳吸收塔5采用喷淋结构的吸收塔，其下部烟气入口上方设置有烟气均流装置3，其顶部烟气出口下方设置有碱液回收装置7，碱液回收装置7下方设置有碱液喷淋装置6，碱液喷淋装置6与烟气均流装置3之间设置有CO₂吸收填料层4，碱液喷淋装置6通过碱液循环泵8与二氧化碳吸收塔5的底部浆液池相连。电解装置2的混合碱液输出端依次通过碱液循环泵8、碱液喷淋装置6与二氧化碳吸收塔5的内腔相连。

氯化氢合成塔20采用石英灯头引燃的水冷恒温合成塔，其氯化氢输出端通过气体输送管19与气体分布器9相连。气体分布器9安装在硅酸盐反应器10底部一侧，它由管线或管网构成，管线或管网上均布有开口向下的防堵气孔（图中未显示）。硅酸盐反应器10底部另一侧的反应浆料出口与旋流分离器14的输入端相连，硅酸盐反应器10顶部与其反应浆料出口相对应的方位安装有尾气液滴回收装置11。硅酸盐反应器10内从一侧到另一侧依次布置有若干个搅拌器15，本实施例中布置有四个。

硅酸盐粉料仓17布置在硅酸盐反应器10上方，与气体分布器9的位置相对应。硅酸盐粉料仓17的底部出料口通过卸料分配器16与硅酸盐反应器10的投料口相连。硅酸盐粉料仓17的顶部一侧设置有小型布袋除尘器18。

旋流分离器14的上清液输出端与硅酸盐反应器10的补液口相连。旋流分离器14的沉淀物输出端与真空皮带机13的物料入口相连，真空皮带机13的滤液输出端通过液体输送管12与电解装置2的混合碱液补充口相连。

上述固体燃料发电站废弃物综合处理系统的工作过程如下：

1）在天然海水、海水淡化后的苦卤水或人造海水中添加NaCl，配制成能够电解产生足量H₂和Cl₂的调质海水，并将它作为电解装置2的电解质溶液。发电站高压电经变压及整流装置1处理成所需的直流电后，给电解装置2通电。此时，在电解装置2的阴极和阳极分别产生酸性气体H₂和Cl₂，同时使电解质溶液变成主要成分为NaOH、KOH、Ca(OH)₂、Mg(OH)₂的混合碱性溶液。

2）电解装置2中的混合碱性溶液依次通过碱液循环泵8、碱液喷淋装置6，从二氧化碳吸收塔5上部喷入其中。与此同时，发电站所排放的烟气经过预除尘和脱硫处理后，从二氧化碳吸收塔5下部进入。经烟气均流装置3均布气流后，烟气向上流动，与向下喷淋的碱性雾滴在CO₂吸收填料层4内逆流接触，碱性雾滴在向上气流的阻滞作用下缓慢下降，烟气中的CO₂与其充分反应而被吸收。碱液循环泵8则可以进一步确保未参与反应的碱性雾滴与CO₂反复逆流接触，从而保证碱液雾滴完全吸收固定CO₂，生成稳定的Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺离子类碳酸盐浆液。

3）脱除了CO₂的烟气经过碱液回收装置7，将其中夹带的混合碱性液滴拦截回收，所得洁净烟气从二氧化碳吸收塔5的顶部烟气出口排入大气中。而吸收了CO₂后形成的稳定碳酸盐浆液，经过进一步无害化处理后，将其排入大海，达到固定和储存CO₂的目的。

4）电解装置2所产生的H₂和Cl₂分别经过氢气分离器21和氯气分离器24进行纯化处理，将H₂和Cl₂中携带的水份和碱液分离出来，并从电解装置2的混合碱液回收口返回到电解质溶液中。

5）脱水后的H₂和Cl₂再分别经过氢气冷却器22和氯气冷却器23进行冷却处理，使H₂和Cl₂的温度降低至适于合成反应的区域。

6）冷却后的H₂和Cl₂通过管系和阀门同步进入到氯化氢合成塔20的石英灯头中进行合成反应，控制H₂和Cl₂的摩尔比为1.05~1.10∶1，以确保Cl₂完全反应。反应中Cl₂走石英灯头内层，H₂走石英灯头外层，二者在石英灯头燃烧，合成的HCl气体向上流动，经氯化氢合成塔20自身的冷却系统降温后，从氯化氢合成塔20顶部引出。

7）硅酸盐粉料仓17中预先储存有发电站废弃物粉煤灰、生物质灰，或者硅酸盐矿石粉，也可以是它们的混合物。通过卸料分配器16按设计用量，将它们连续输送到硅酸盐反应器10中。同时，向硅酸盐反应器10中注入设计量的工艺用水，通过搅拌器15使粉煤灰、生物质灰中的硅酸盐类物质或/和硅酸盐矿石粉与工艺用水充分混合，配制成硅酸盐溶液。硅酸盐粉料仓17上部一侧的小型布袋除尘器18可以及时回收仓内飞扬的粉尘。

8）HCl气体通过气体输送管19进入到硅酸盐反应器10底部的气体分布器9中，并通过其上的防堵气孔向下喷出，在硅酸盐溶液中形成大量的HCl气泡，HCl气泡随后向上运动，经搅拌器15搅拌阻碍HCl气泡上行，延长向上的运动时间，并使HCl气泡破碎，直径逐渐趋小，热的HCl小气泡可与硅酸盐溶液充分接触，且HCl气泡极易溶于水中，从而发生剧烈的热交换，促使反应加速进行。同时，气液两相混合物经搅拌器15搅拌从一侧向另一侧流动，发生剧烈的化学置换反应，将硅酸盐中的Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺离子溶解置换出来，获得含有易溶于水的盐酸盐类、大量Cl^-离子和固态SiO₂的盐酸盐浆液。其中，残留极少量的H₂经过尾气液滴回收装置11处理后，无害排放。

9）从硅酸盐反应器10底部反应浆料出口排出的盐酸盐浆液进入旋流分离器14中，旋流溢出的上清液从硅酸盐反应器10的补液口返回其中，继续参与循环。旋流产生含水率约50%左右的沉淀物进入真空皮带机13中进行再浓缩，分离出含有Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺和Cl^-离子的溶解液，通过液体输送管12从电解装置2的混合碱液补充口返回到电解质溶液中，重新参与循环。真空浓缩获得的固态SiO₂用作筑路基或回填材料，或者加工成高品质细腻的SiO₂纳米材料。

Claims (9)

1.一种固体燃料发电站废弃物综合处理系统，主要由变压及整流装置（1）、电解装置（2）、二氧化碳吸收塔（5）、氯化氢合成塔（20）、硅酸盐反应器（10）、旋流分离器（14）和真空皮带机（13）组成，其特征在于：

所述变压及整流装置（1）的输出端与电解装置（2）的电源接口相连，所述电解装置（2）的阴极氢气出口依次通过氢气分离器（21）和氢气冷却器（22）与氯化氢合成塔（20）的氢气输入端相连，所述电解装置（2）的阳极氯气出口依次通过氯气分离器（24）和氯气冷却器（23）与氯化氢合成塔（20）的氯气输入端相连，所述氢气分离器（21）的回液口和氯气分离器（24）的回液口均与电解装置（2）的混合碱液回收口相连；

所述电解装置（2）的混合碱液输出端与二氧化碳吸收塔（5）的内腔相连，所述二氧化碳吸收塔（5）的下部烟气入口上方设置有烟气均流装置（3），所述二氧化碳吸收塔（5）的顶部烟气出口下方设置有碱液回收装置（7）和碱液喷淋装置（6），所述碱液喷淋装置（6）通过碱液循环泵（8）与二氧化碳吸收塔（5）的底部浆液池相连；

所述氯化氢合成塔（20）的氯化氢输出端通过气体输送管（19）与气体分布器（9）相连，所述气体分布器（9）设置在硅酸盐反应器（10）底部一侧，所述硅酸盐反应器（10）内布置有多个搅拌器（15），所述硅酸盐反应器（10）底部另一侧的反应浆料出口与旋流分离器（14）的输入端相连，所述旋流分离器（14）的沉淀物输出端与真空皮带机（13）的物料入口相连，所述真空皮带机（13）的滤液输出端通过液体输送管（12）与电解装置（2）的混合碱液补充口相连。

2.根据权利要求1所述的固体燃料发电站废弃物综合处理系统，其特征在于：它还包括硅酸盐粉料仓（17），所述硅酸盐粉料仓（17）的底部出料口通过卸料分配器（16）与硅酸盐反应器（10）的投料口相连。

3.根据权利要求2所述的固体燃料发电站废弃物综合处理系统，其特征在于：所述硅酸盐粉料仓（17）的顶部一侧设置有小型布袋除尘器（18）。

4.根据权利要求1或2或3所述的固体燃料发电站废弃物综合处理系统，其特征在于：所述电解装置（2）的混合碱液输出端依次通过碱液循环泵（8）、碱液喷淋装置（6）与二氧化碳吸收塔（5）的内腔相连。

5.根据权利要求1或2或3所述的固体燃料发电站废弃物综合处理系统，其特征在于：所述二氧化碳吸收塔（5）内腔中位于碱液喷淋装置（6）与烟气均流装置（3）之间设置有CO₂吸收填料层（4）。

6.根据权利要求1或2或3所述的固体燃料发电站废弃物综合处理系统，其特征在于：所述氯化氢合成塔（20）采用石英灯头引燃的水冷恒温合成塔。

7.根据权利要求1或2或3所述的固体燃料发电站废弃物综合处理系统，其特征在于：所述气体分布器（9）由管线或管网构成，所述管线或管网上均布有开口向下的防堵气孔。

8.根据权利要求1或2或3所述的固体燃料发电站废弃物综合处理系统，其特征在于：所述硅酸盐反应器（10）顶部与其反应浆料出口相对应的方位设置有尾气液滴回收装置（11）。

9.根据权利要求1或2或3所述的固体燃料发电站废弃物综合处理系统，其特征在于：所述旋流分离器（14）的上清液输出端与硅酸盐反应器（10）的补液口相连。