專利名稱：高活性鉀基吸收劑干法脫除煙氣中CO₂的裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及化石燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣中co2的脫除和濃縮方法，尤其 是一種采用高活性鉀基吸收劑干法脫除煙氣中co2的裝置。屬于二氧化碳捕集
和減排技術領域。
背景技術：
二氧化碳是一種典型的"溫室效應"氣體。由于其排放量巨大，且呈不斷增長 的趨勢，其對地球近地面氣溫升高的影響日益突出并己成為全球關注的熱點問
題。煤、石油、天然氣等化石燃料的使用是C02等溫室效應氣體的主要來源。據(jù)
統(tǒng)計，2006年度我國煤炭消費占能源消費總量的69.7%。從我國一次能源地質(zhì)儲 量的構成、 一次能源的價格和能源的戰(zhàn)略安全性等方面看，我國以煤為主要能源 的格局將長期存在，而其中發(fā)電行業(yè)的煤炭消耗所占比重最大。目前，我國約50 %的產(chǎn)煤用于發(fā)電，火力發(fā)電占總發(fā)電量的78%。燃煤電廠成為了化石燃料燃燒
利用領域C02排放量最大、最集中的場所。但對于發(fā)電行業(yè)，C02減排的研究僅 處于起步階段，迄今還未有可有效脫除C02且投資和運行費用適中的技術。因此， 研發(fā)適用于燃煤電廠的C02減排技術具有十分重要的戰(zhàn)略意義。
目前正在研究的各種C02減排技術中，堿金屬基吸收劑干法脫除C02技術(屬
燃燒后捕集技術)，由于其碳酸化溫度低，再生反應能耗少，吸收劑不易失活， 循環(huán)利用率高，對設備腐蝕輕，無二次污染等優(yōu)點開始引起人們的關注。
美國Louisiana State University, Research Triangle Institute和Church & Dwight 在DOE的資助下，開展了堿金屬碳酸鹽(Na2C03、 K2C03)干法脫除C02技術的 研究，并申請了美國專利第6387337B1 (2002.5.14.)、第6280503B1 (2001.8.28.) 等。韓國Kyungpook National University, Yeungnam University, Korea Electric Power Research Institute和Korea Institute of Energy Research在韓國禾斗學技術部 "21st Century Frontier Programs"的資助下也開展了相關的研究。韓國電力公社在 中國申請了專利CN200410101564.0,在美國申請了專利USP20060148642。 需要說明的是，上述專利均是針對吸收劑及其制備方法的，有關C02脫除裝置和工藝方法的專利還未見報道。東南大學近幾年也針對該項技術開展了相關的研究 工作，并正在申請有關高活性鉀基吸收劑的國家發(fā)明專利。
東南大學所開發(fā)高活性鉀基吸收劑以六方晶系碳酸鉀作為活性組分，該物質(zhì)與 CO2反應速率比RTI或韓國電力公社研究的碳酸鈉或單斜晶系碳酸鉀快10倍以上；以
活性炭或粗孔硅膠作為載體材料，其廉價易得，具有較好的負載能力和流化特性。 該吸收劑再生性能良好，循環(huán)利用率高。
堿金屬基吸收劑干法脫除C02技術通過以下2個主要的化學反應實現(xiàn)C02的
脫除和濃縮
碳酸化反應M2C03(s)+C02(g)+H20(g)—2MHC03(s) (1)
再生反應2MHC03(s)—M2C03(s)+C02(g)+H20(g) (2)
(M為Na或K)
其中，碳酸化反應溫度為50-80。C，再生反應溫度為150-250。C。碳酸化反應 為高放熱反應，如碳酸化反應器中的熱量無法及時散失，將導致碳酸化反應體系 的溫度升高，直至超出最佳反應溫度區(qū)，從而影響碳酸化反應的正常進行。因此， 在設計碳酸化反應器時必須考慮采取適當?shù)拇胧┚S持均勻、正常的反應溫度。而 再生反應是吸熱反應，必須為其提供穩(wěn)定的熱源，以確保反應的正常進行；另一 方面，由于再生反應所需溫度較低，如能采用較低品位的熱源為其供熱，可有效 提高系統(tǒng)的熱經(jīng)濟性，這也是本發(fā)明將著力解決的一個關鍵技術問題。碳酸化反 應所需補充的水蒸汽量有限，合理利用電廠汽水系統(tǒng)中的低品位熱源并有效簡化 水蒸汽發(fā)生系統(tǒng)是本發(fā)明所需解決的又一個技術難點。為有效提高再生反應器內(nèi) 固體物料與供熱介質(zhì)間的傳熱系數(shù)，采用循環(huán)流化床反應器是一個理想的選擇， 為保證最終捕集到的C02氣體的純度，再生反應器流化介質(zhì)的合理選擇也十分重 要。
發(fā)明內(nèi)容
技術問題本實用新型旨在提供一種高活性鉀基吸收劑干法脫除煙氣中C02 的裝置。該裝置與燃煤發(fā)電系統(tǒng)有機結合，利用燃煤煙氣提供系統(tǒng)所需能量，是 投資和能耗較低的一種優(yōu)化方案。
技術方案本實用新型的高活性鉀基吸收劑干法脫除煙氣中C02的裝置由水 蒸汽發(fā)生器、氣體混合器、增壓風機、碳酸化反應器、埋管式散熱器、物料循環(huán) 裝置、再生反應器、埋管式加熱器、水蒸汽冷凝器和循環(huán)風機等組成。所述的水蒸汽發(fā)生器所需熱量由電廠蒸汽輪機排汽提供，蒸汽輪機排汽經(jīng)凝 結放熱后返回電廠的汽水系統(tǒng)。
在碳酸化反應器內(nèi)設置埋管式散熱器，埋管式散熱器內(nèi)的吸熱介質(zhì)為來自鍋 爐鼓風機的冷空氣，冷空氣在埋管式散熱器內(nèi)吸熱升溫后再送入鍋爐的空氣預熱 器內(nèi)。所述的碳酸化反應器和再生反應器均為循環(huán)流化床操作方式。
在再生反應器內(nèi)設置埋管式加熱器，埋管式加熱器內(nèi)通入的加熱用煙氣為由 鍋爐省煤器出口引出的部分煙氣，與部分脫硫后煙氣混合而成；經(jīng)埋管降溫后的 煙氣再引入脫硫塔進行脫硫。再生反應器采用煙氣處理過程中產(chǎn)生的高純度C02 作為流化介質(zhì)。
本實用新型的高活性鉀基吸收劑干法脫除煙氣中C02的工藝流程為脫硫 后的煙氣與一定量的水蒸汽混合后(如脫硫處理后的煙氣中水蒸汽的含量足夠碳 酸化反應需要，則可不設置水蒸汽發(fā)生器)由增壓風機送入碳酸化反應器，在反 應器內(nèi)與高活性鉀基吸收劑反應，將煙氣中的C02脫除；反應后的吸收劑經(jīng)物 料循環(huán)裝置I進入再生反應器，經(jīng)加熱再生后，經(jīng)物料循環(huán)裝置II返回碳酸化反
應器循環(huán)利用。再生反應產(chǎn)生的C02和水蒸汽混合氣體經(jīng)冷凝器冷凝脫水后；
獲得高純C02， 一部分作為流化介質(zhì)由循環(huán)風機送入再生反應器，剩余的進行收
集處理。
碳酸化反應所需補充的水蒸汽由專門設置的水蒸汽發(fā)生器提供(如脫硫處理 后的煙氣中水蒸汽的含量足夠碳酸化反應需要，則可不設置水蒸汽發(fā)生器)，水 蒸汽發(fā)生器所需熱量由電廠蒸汽輪機排汽提供，在汽輪機排汽管路上設置旁路， 引出一部分低壓蒸汽經(jīng)流量調(diào)節(jié)裝置調(diào)至所需流量后引入水蒸汽發(fā)生器，凝結放 熱后返回電廠的汽水系統(tǒng)。水蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的水蒸汽引入氣體混合器，與脫硫 后的煙氣混合。
碳酸化反應器采用循環(huán)流化床反應器，在碳酸化反應器的密相區(qū)均勻布置埋 管式散熱器，埋管內(nèi)的吸熱介質(zhì)為來自鍋爐鼓風機的冷空氣。在鍋爐鼓風機與空 氣預熱器的連接風道上設置旁路，部分冷空氣由旁路經(jīng)流量調(diào)節(jié)裝置送入埋管式 散熱器內(nèi)，空氣在埋管內(nèi)吸熱升溫后再送入鍋爐的空氣預熱器內(nèi)。這樣可有效利 用碳酸化反應過程中產(chǎn)生的反應熱，進一步提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性。
再生反應器同樣采用循環(huán)流化床操作方式。再生反應器內(nèi)布置埋管式加熱 器，埋管內(nèi)通入加熱用煙氣，為再生反應提供所需熱量。加熱用煙氣為由鍋爐省
煤器出口引出的部分40(TC左右的煙氣，與部分脫硫后10(TC左右的煙氣混合而成，通過流量調(diào)節(jié)分配，控制到所需溫度后通入埋管，經(jīng)埋管降溫后的煙氣再引 入脫硫塔進行脫硫。
碳酸化反應器和再生反應器之間設置兩套物料循環(huán)裝置，分別將吸附co2
后的吸收劑由碳酸化反應器送入再生反應器，將再生后的吸附劑由再生反應器送 入碳酸化反應器。
有益效果本實用新型的高活性鉀基吸收劑干法脫除煙氣中C02的裝置具 有以下優(yōu)點
1、 高活性鉀基吸收劑干法脫除煙氣中C02工藝的C02脫除效率高，系統(tǒng)所 需能耗低，設備和運行成本較低，是高效，節(jié)能，經(jīng)濟的優(yōu)化方案。
2、 碳酸化反應所需補充的水蒸汽由專門設置的水蒸汽發(fā)生器提供(如脫硫
處理后的煙氣中水蒸汽的含量足夠碳酸化反應需要，則可不設置水蒸汽發(fā)生器)， 水蒸汽發(fā)生器所需熱量由電廠蒸汽輪機排汽提供。有效利用了蒸汽輪機排汽的余 熱，提高了系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。
3、 采用空氣埋管散熱器解決碳酸化反應的散熱問題，可及時帶走反應產(chǎn)生 的熱量，使反應器內(nèi)溫度維持恒定，保證碳酸化反應正常進行；碳酸化反應產(chǎn)生 的反應熱得到有效利用，提高了系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。
4、 碳酸化反應器和再生反應器均采用循環(huán)流化床操作方式，使反應器內(nèi)物 料混合充分，溫度分布均勻，有利于反應進行，也使得碳酸化反應器和再生反應 器之間的物料循環(huán)容易實現(xiàn)，有效簡化了系統(tǒng)，節(jié)省投資和運行費用。
5、 再生反應所需熱量完全由鍋爐產(chǎn)生的熱煙氣提供，有效簡化了系統(tǒng)，節(jié) 省投資和運行費用并提高了系統(tǒng)的熱經(jīng)濟性。
6、 采用C02作為再生反應器的流化介質(zhì)，在實現(xiàn)再生反應器循環(huán)流化床操
作的前提下解決了確保再生反應器排氣C02純度的問題。


圖1是本實用新型的結構示意圖。其中有水蒸汽發(fā)生器1、氣體混合器2、
增壓風機3、碳酸化反應器4、埋管式散熱器5、物料循環(huán)裝置I6、物料循環(huán)裝 置II 7、再生反應器8、埋管式加熱器9、水蒸汽冷凝器10和循環(huán)風機11。 A 為脫硫后煙氣；B為引自電廠蒸汽輪機的蒸汽；C為換熱后的凝結水；D為通入 的液態(tài)水；E為產(chǎn)生的蒸汽；F為鍋爐鼓風機；G為鍋爐鼓風機產(chǎn)生的直接送入 空氣預熱器的冷空氣；H為吸熱升溫后的空氣；I為脫除C02后的煙氣；J為引自鍋爐省煤器出口的高溫煙氣；K為冷凝水；L為可以進行收集處理的高純C02; M為降溫后煙氣。
具體實施方式
該裝置由水蒸汽發(fā)生器l、氣體混合器2、增壓風機3、碳酸化反應器4、埋 管式散熱器5、物料循環(huán)裝置I6、物料循環(huán)裝置I17、再生反應器8、埋管式加 熱器9、水蒸汽冷凝器10和循環(huán)風機11組成；其中，水蒸汽發(fā)生器l的水蒸汽 輸出端接氣體混合器2,氣體混合器2的輸出端通過增壓風機3接碳酸化反應器 4的底部，碳酸化反應器4的中部接物料循環(huán)裝置I6的上部，物料循環(huán)裝置I6 的下部通過料腿接再生反應器4的下部；再生反應器8的中部接物料循環(huán)裝置II 7，物料循環(huán)裝置II 7的下部接通過料腿接碳酸化反應器8的下部，再生反應器 8的氣體輸出端接水蒸汽冷凝器10，水蒸汽冷凝器10的輸出端通過循環(huán)風機11 接再生反應器8的底部。
高活性鉀基吸收劑干法脫除煙氣中C02的裝置應用于燃煤電廠煙氣的C02脫 除和濃縮。整套裝置置于脫硫塔之后。脫硫后的煙氣除少部分與由鍋爐省煤器出 口引出的部分40(TC左右的熱煙氣混合作為再生反應器熱源外，其余通入碳酸化 反應器進行脫碳。脫硫后煙氣的溫度一般在IO(TC左右，除含有N2、 02和部分 水蒸汽外，含有約10% 20%的C02。為保證碳酸化反應充分進行，必須有相同 莫爾數(shù)的水蒸汽存在，如脫硫處理后的煙氣中水蒸汽的含量足夠，則可不設置水 蒸汽發(fā)生器，否則需增設水蒸汽發(fā)生器。水蒸汽發(fā)生器所需熱量由電廠蒸汽輪機 排汽提供，在汽輪機排汽管路上設置旁路，引出一部分低壓蒸汽經(jīng)流量調(diào)節(jié)裝置 調(diào)至所需流量后引入水蒸汽發(fā)生器，凝結放熱后返回電廠汽水系統(tǒng)。水蒸汽發(fā)生 器產(chǎn)生的水蒸汽引入氣體混合器，與脫硫后的煙氣混合。
混合后的煙氣由增壓風機送入碳酸化反應器，碳酸化反應器內(nèi)裝載適量粒徑 為0.5mm lmm的顆粒狀高活性鉀基吸收劑。反應器溫度維持在60'C 80'C之 間，此為其最佳反應溫度范圍。煙氣中的C02和水蒸汽在反應器內(nèi)與高活性鉀 基吸收劑反應，C02脫除率可接近100%。碳酸化反應器采用循環(huán)流化床反應器， 流化介質(zhì)為需脫C02的混合煙氣，它從碳酸化反應器的底部送入，在保證高活 性鉀基吸收劑正常流化的同時實現(xiàn)C02的脫除。高活性鉀基吸收劑在碳酸化反 應器內(nèi)與煙氣充分混合并進行碳酸化反應，反應產(chǎn)生熱量由在反應器密相區(qū)均勻布置的埋管式散熱器帶走，埋管內(nèi)的吸熱介質(zhì)為來自鍋爐鼓風機的冷空氣。在鍋 爐鼓風機與空氣預熱器的連接風道上設置旁路風道，由旁路風道將部分冷空氣經(jīng) 流量調(diào)節(jié)裝置送入埋管式散熱器內(nèi)，空氣在埋管內(nèi)吸熱升溫后再送入鍋爐的空氣 預熱器內(nèi)。這樣可有效利用碳酸化反應過程中產(chǎn)生的反應熱，進一步提高系統(tǒng)的 經(jīng)濟性。
脫除C02后的煙氣直接經(jīng)煙道和煙囪排入大氣。反應后的吸收劑顆粒經(jīng)物
料循環(huán)裝置I進入再生反應器。在再生反應器內(nèi)經(jīng)加熱分解后再生，經(jīng)物料循環(huán)
裝置II返回碳酸化反應器循環(huán)利用。再生反應產(chǎn)生的co2和水蒸汽的混合氣體 經(jīng)冷凝器冷凝脫水后，可獲得純度大于99%的C02，高純度C02—部分作為流 化介質(zhì)由循環(huán)風機送入再生反應器，剩余的進行收集處理。
再生反應器采用循環(huán)流化床操作方式。再生反應器內(nèi)布置埋管式加熱器，埋 管內(nèi)通入加熱用煙氣，為再生反應提供所需熱量。加熱用煙氣為由鍋爐省煤器出 口引出的部分40(TC左右的煙氣，與部分脫硫后IOO'C左右的煙氣混合而成，通 過流量調(diào)節(jié)分配，控制到所需溫度后通入埋管，經(jīng)埋管降溫后的煙氣再引入脫硫 塔進行脫硫。
碳酸化反應器和再生反應器之間設置兩套物料循環(huán)裝置，分別將吸附C02 后的吸收劑由碳酸化反應器送入再生反應器，將再生后的吸附劑由再生反應器送 入碳酸化反應器。
權利要求1、一種高活性鉀基吸收劑干法脫除煙氣中CO2的裝置，其特征在于該裝置由水蒸汽發(fā)生器(1)、氣體混合器(2)、增壓風機(3)、碳酸化反應器(4)、埋管式散熱器(5)、物料循環(huán)裝置I(6)、物料循環(huán)裝置II(7)、再生反應器(8)、埋管式加熱器(9)、水蒸汽冷凝器(10)和循環(huán)風機(11)組成；其中，水蒸汽發(fā)生器(1)的水蒸汽輸出端接氣體混合器(2)，氣體混合器(2)的輸出端通過增壓風機(3)接碳酸化反應器(4)的底部，碳酸化反應器(4)的中部接物料循環(huán)裝置I(6)的上部，物料循環(huán)裝置I(6)的下部通過料腿接再生反應器(4)的下部；再生反應器(8)的中部接物料循環(huán)裝置II(7)，物料循環(huán)裝置II(7)的下部接通過料腿接碳酸化反應器(8)的下部，再生反應器(8)的氣體輸出端接水蒸汽冷凝器(10)，水蒸汽冷凝器(10)的輸出端通過循環(huán)風機(11)接再生反應器(8)的底部。
2、 根據(jù)權利要求1所述的高活性鉀基吸收劑干法脫除煙氣中C02的裝置， 其特征在于所述的水蒸汽發(fā)生器(1)所需熱量由電廠蒸汽輪機排汽提供，蒸汽 輪機排汽經(jīng)凝結放熱后返回電廠的汽水系統(tǒng)。
3、 根據(jù)權利要求1所述的高活性鉀基吸收劑干法脫除煙氣中C02的裝置， 其特征在于在碳酸化反應器(4)內(nèi)設置埋管式散熱器，埋管式散熱器內(nèi)的吸熱 介質(zhì)為來自鍋爐鼓風機的冷空氣，冷空氣在埋管式散熱器內(nèi)吸熱升溫后再送入鍋 爐的空氣預熱器內(nèi)。
4、 根據(jù)權利要求1所述的高活性鉀基吸收劑干法脫除煙氣中C02的裝置， 其特征在于所述的碳酸化反應器(4)和再生反應器(8)均為循環(huán)流化床操作方 式。
5、 根據(jù)權利要求1所述的高活性鉀基吸收劑干法脫除煙氣中C02的裝置， 其特征在于在再生反應器(8)內(nèi)設置埋管式加熱器，埋管式加熱器內(nèi)通入的加 熱用煙氣為由鍋爐省煤器出口引出的部分煙氣，與部分脫硫后煙氣混合而成；經(jīng) 埋管降溫后的煙氣再弓I入脫硫塔進行脫硫。
6、 根據(jù)權利要求1所述的高活性鉀基吸收劑干法脫除煙氣中C02的裝置， 其特征在于所述的再生反應器(8)采用煙氣處理過程中產(chǎn)生的高純度C02作為 流化介質(zhì)。
專利摘要本實用新型提供了一種高活性鉀基吸收劑干法脫除煙氣中CO₂的裝置。該裝置由水蒸汽發(fā)生器1、氣體混合器2、增壓風機3、碳酸化反應器4、埋管式散熱器5、物料循環(huán)裝置I 6、物料循環(huán)裝置II 7、再生反應器8、埋管式加熱器9、水蒸汽冷凝器10和循環(huán)風機11組成。其中，水蒸汽發(fā)生器由電廠蒸汽輪機排汽余熱提供熱量；碳酸化反應采用空氣埋管解決散熱問題，再生反應由鍋爐產(chǎn)生的熱煙氣提供熱量，反應器均采用有利于物料混合、均勻布溫的循環(huán)流化床操作方式，產(chǎn)生的CO₂循環(huán)作為再生反應器的流化介質(zhì)。該裝置與燃煤發(fā)電系統(tǒng)有機結合，利用燃煤煙氣提供系統(tǒng)所需能量，CO₂脫除效率高，是投資和能耗較低的一種優(yōu)化方案。
文檔編號B01D53/83GK201235280SQ200820037600
公開日2009年5月13日 申請日期2008年6月17日 優(yōu)先權日2008年6月17日
發(fā)明者財 梁, 趙傳文, 趙長遂, 陳曉平 申請人:東南大學