專利名稱：燃煤電廠尾氣減排的炭還原方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃煤電廠尾氣減排的炭還原方法，可以滿足發(fā)電、水泥、鋼鐵和煉油等行業(yè)碳減排的需求，特別是燃煤電廠尾氣二氧化碳排放的控制和利用。
背景技術(shù)：
據(jù)世界煤炭協(xié)會(huì)報(bào)告，煤炭對(duì)世界電力供應(yīng)至關(guān)重要。世界41%的電力是煤炭提供的，在某些國(guó)家煤電的比例更高，如表1所示[http://www.worldcoal.org/coal/ uses-of-coal/coal-electricity/]。煤對(duì)電力供應(yīng)的重要性將不斷增加，到2030年全球煤電的比例將是44%。煤又恰恰是含碳最多的化石燃料，燃煤釋放的二氧化碳占美國(guó)二氧化碳總釋放量的40%。2007年中國(guó)發(fā)電消耗的煤炭為14億噸，大約釋放24. 3 億噸二氧化碳 http://www. gx. cei. gov. cn/bgcy/bgcy—jtny/bgcy—jtny—scfx/200903/ t20090305_l 10039. htm]。預(yù)計(jì)2030年將達(dá)100億噸，燃煤排放的二氧化碳有可能達(dá)到173 億噸[http //lst-ecofriendlyplanet. com/02/coal-fired-power-plants/]。據(jù) 2009 年 07月觀日“每日經(jīng)濟(jì)新聞”報(bào)道，我國(guó)十大發(fā)電集團(tuán)每年的燃煤環(huán)境損失870億。為減緩氣候變暖，二氧化碳的捕集與埋藏已成為全球范圍的強(qiáng)制要求。但是，據(jù)IEA報(bào)告，目前每噸二氧化碳的捕集、運(yùn)輸和埋藏成本接近60美元。燃煤二氧化碳產(chǎn)生的電力附加成本不久即達(dá)1萬(wàn)億美元。因此，全世界的科學(xué)家都在研究更為廉價(jià)的二氧化碳捕集和埋藏方法。同時(shí)毫無(wú)疑問(wèn)的是，由于資本的連接，由清潔技術(shù)延伸出來(lái)的碳交易將會(huì)形成一個(gè)巨大而活躍的市場(chǎng)，溫室氣體排放量的交易可能會(huì)超越傳統(tǒng)的商品市場(chǎng)，成為最大的貿(mào)易商品。表1 煤電比例(來(lái)源=IEA 2010)南非93%波蘭92%中國(guó)79%澳大利亞77%哈薩克斯坦70%印度69%以色列63%捷克60%摩洛哥55%希臘52%美國(guó)49%德國(guó)46%目前化學(xué)工業(yè)使用的CO2總量為1. 15億噸，僅占每年排向大氣的CO2總量的0. 5% 左右，雖然將(X)2注入油井以提高石油采收率等技術(shù)可望使(X)2利用量翻兩番，但仍不能解決CD2過(guò)量排放問(wèn)題[(D2回收和捕集技術(shù)新進(jìn)展，http://www. cnpc. com. cn/CNPC/hjysh/ syzs/lsht]0

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種燃煤電廠尾氣減排的炭還原方法，對(duì)燃煤電廠尾氣進(jìn)行炭還原，將(X)2轉(zhuǎn)變?yōu)镃O從而實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排的方法。還原后的氣體經(jīng)過(guò)分離可以得到一氧化碳和氮?dú)鈨煞N產(chǎn)品。在還原過(guò)程中煙氣中的硫和氮的氧化物被還原為單質(zhì)硫和氮?dú)?，同步?shí)現(xiàn)煙氣的脫碳、脫硫和脫硝。本發(fā)明可以滿足發(fā)電、水泥、鋼鐵和煉油等行業(yè)碳減排的需求，特別是燃煤電廠尾氣二氧化碳排放的控制和利用。本發(fā)明提供的一種燃煤電廠尾氣減排的炭還原方法主要包括的步驟氣體升溫、炭還原反應(yīng)、氣體冷卻和氣體分離1)氣體升溫將溫度為500 600°C的主要含有10 15%氧化碳，其余主要是 N2的煤電廠煙道氣進(jìn)入換熱器進(jìn)行熱交換，然后再進(jìn)入反應(yīng)器預(yù)熱，進(jìn)一步升溫到750 1000°C。2)還原反應(yīng)煙道氣中的二氧化碳在反應(yīng)器內(nèi)與炭進(jìn)行反應(yīng)，被還原為一氧化碳，反應(yīng)過(guò)程中應(yīng)控制合理的尾氣流量(如尾氣流量是由發(fā)電廠決定)，以便二氧化碳能夠完全充分與炭反應(yīng)，反應(yīng)后氣體中一氧化碳的濃度可達(dá)1816%，其余為氮?dú)?。煙道氣中的其它酸性有害氣體和NOx同時(shí)被炭還原成單質(zhì)硫和氮?dú)狻煹罋庵型ǔ６紩?huì)含有一定量的水蒸氣，高溫下也能夠與炭發(fā)生反應(yīng)。由于炭是過(guò)量的，因此S02、N0X和水蒸氣的存在并不會(huì)影響二氧化碳的還原反應(yīng)。還原過(guò)程中發(fā)生了如下反應(yīng)C02+C = 2C0(1)S02+2C0 = 2C02+S(2)N02+C0 = N0+C02(3)2N0+2C = 2C0+N2(4)H20+C = C0+H2(5)3)降溫冷卻從反應(yīng)器出來(lái)的氣體首先進(jìn)入換熱器與反應(yīng)前的氣體進(jìn)行熱交換， 然后再經(jīng)水洗除塵、冷卻后進(jìn)入氣體分離裝置。4)氣體分離從反應(yīng)器出來(lái)氣體的主要成分是氮?dú)夂鸵谎趸迹刹捎闷胀ǖ奈栈蛭降确椒▉?lái)分離。對(duì)于大規(guī)模電廠，采用通用的化學(xué)吸收法分離，先得到氮?dú)?，在富液升溫再生時(shí)得到一氧化碳?？蛇x地，煙道氣與炭進(jìn)行還原反應(yīng)是在750-950°C下進(jìn)行。本發(fā)明提出的炭還原法可將二氧化碳直接轉(zhuǎn)變?yōu)橐谎趸?。一氧化碳是一碳化工的重要原料，廣泛用于合成氨、甲醇等化學(xué)品的制備。本發(fā)明不但完全避免了二氧化碳的捕集、運(yùn)輸和埋藏產(chǎn)生的巨額費(fèi)用，而且節(jié)省了制備甲醇或其它一碳化工產(chǎn)品所需的大量原料天然氣。本發(fā)明的另一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)在于，在炭還原(X)2的同時(shí)，煙氣中的SA和NOx等酸性有害氣體同時(shí)被還原為無(wú)害的單體物質(zhì)，從而節(jié)省了燃煤電廠為煙氣的脫硫脫硝所付出的環(huán)保成本。即本發(fā)明的特點(diǎn)和優(yōu)越性在于
(1)將二氧化碳直接轉(zhuǎn)變?yōu)橐谎趸迹瑥亩苊饬硕趸疾都?、運(yùn)輸和封存需要的巨額費(fèi)用，產(chǎn)出的一氧化碳是重要的化工原料，副產(chǎn)的氮?dú)庖灿袕V泛用途。(2)在脫碳的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了脫硫脫硝，極大地降低了電廠的環(huán)保成本。(3)節(jié)省了一碳化工所需的天然氣。(4)為農(nóng)業(yè)廢棄物和城市垃圾找到新的出路。


圖1為燃煤電廠尾氣炭還原工藝流程圖。圖2為玉米芯炭在不同溫度下進(jìn)行炭還原反應(yīng)時(shí)模擬煙氣中(X)2的轉(zhuǎn)化率。圖3為950°C下模擬煙氣中的轉(zhuǎn)化率。圖4為950°C下模擬煙氣中NO的轉(zhuǎn)化率。
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圖5為椰殼炭在不同溫度(750°C、800°C、85(rC和950°C )下進(jìn)行炭還原反應(yīng)時(shí)模擬煙氣中(X)2的轉(zhuǎn)化率。圖6為焦炭在不同溫度下進(jìn)行炭還原反應(yīng)時(shí)模擬煙氣中(X)2的轉(zhuǎn)化率。
具體實(shí)施例方式如圖所示，1是換熱器，2是反應(yīng)器，3是除塵裝置，4是氣體分離裝置。電廠尾氣先進(jìn)入換熱器進(jìn)行換熱，而后進(jìn)入反應(yīng)器進(jìn)行炭還原反應(yīng)，反應(yīng)器出口氣體再返回?fù)Q熱器進(jìn)行換熱，而后進(jìn)入除塵裝置，最后進(jìn)入氣體分離裝置，從而完成一次實(shí)施過(guò)程。實(shí)施例1以玉米芯炭為原料，對(duì)實(shí)驗(yàn)室模擬煙氣(CO2含量10. 13%，SO2含量1500ppm，N0含量360ppm，其余為N2)進(jìn)行炭還原實(shí)驗(yàn)。圖2為玉米芯炭在不同溫度(750°C、800°C、850°C 和950°C )下進(jìn)行炭還原反應(yīng)時(shí)模擬煙氣中(X)2的轉(zhuǎn)化率，950°C時(shí)(X)2的轉(zhuǎn)化率可達(dá)99%， 幾乎全部轉(zhuǎn)化為CO。1、氣體升溫500°C的電廠尾氣進(jìn)入換熱器中與反應(yīng)器出口氣體進(jìn)行熱交換，而后進(jìn)入反應(yīng)器中的預(yù)熱段升溫至炭還原反應(yīng)所需的950°C。2、還原反應(yīng)尾氣中的二氧化碳充分與反應(yīng)器內(nèi)填充的炭進(jìn)行還原反應(yīng)生成一氧化碳，反應(yīng)器內(nèi)同時(shí)被還原的還有尾氣中的微量以及NOx。反應(yīng)過(guò)程中炭不斷被消耗，需要適時(shí)補(bǔ)充以保證反應(yīng)的連續(xù)進(jìn)行。3、降溫冷卻反應(yīng)器出口氣體的溫度很高。將出口氣體引入換熱器與反應(yīng)前的氣體進(jìn)行熱交換，然后進(jìn)入除塵裝置中進(jìn)行水洗除塵，冷卻后進(jìn)入氣體分離裝置。4、N2和CO的分離在氣體分離裝置中實(shí)現(xiàn)一氧化碳和氮?dú)獾姆蛛x，無(wú)論是吸收法還是吸附法都是成熟的工業(yè)技術(shù)。運(yùn)行數(shù)裾表明，二氧化碳全部轉(zhuǎn)化為一氧化碳，尾氣中的二氧化硫和氧化氮等酸性氣體全部消失。實(shí)施例2以椰殼炭為原料，對(duì)實(shí)驗(yàn)室模擬煙氣(CO2含量10. 13%, SO2含量1500ppm，NO含量360ppm，其余為N2)進(jìn)行炭還原實(shí)驗(yàn)，操作步驟與實(shí)施例1相同。實(shí)施例3以焦炭為原料，對(duì)實(shí)驗(yàn)室模擬煙氣(O)2含量10. 13%，SO2含量1500ppm，NO含量 360ppm，其余為N2)進(jìn)行炭還原實(shí)驗(yàn)，操作步驟與實(shí)施例1相同。圖3和圖4表明，在950°C時(shí)SO2和NO被完全轉(zhuǎn)化掉。圖5為椰殼炭在不同溫度 (750°C、800°C、85(rC和950°C )下進(jìn)行炭還原反應(yīng)時(shí)模擬煙氣中(X)2的轉(zhuǎn)化率，950°C時(shí)(X)2 的轉(zhuǎn)化率可達(dá)98. 1%，同樣，該溫度下和NO的轉(zhuǎn)化率均為100%，與圖3和圖4結(jié)果完
全一致。
權(quán)利要求
1.一種燃煤電廠尾氣減排的炭還原方法，其特征在于它包括的步驟1)氣體升溫將溫度為500 600°C主要含有10 15%二氧化碳的煤電廠煙道氣進(jìn)入換熱器進(jìn)行熱交換，然后再進(jìn)入反應(yīng)器預(yù)熱，進(jìn)一步升溫到800 1000°C ；2)還原反應(yīng)在反應(yīng)器內(nèi)煙道氣與炭進(jìn)行還原反應(yīng)，其中，二氧化碳還原為氧化碳，SO2 和NOx同時(shí)被炭還原成單質(zhì)硫和氮?dú)猓?)降溫冷卻從反應(yīng)器出來(lái)的氣體首先進(jìn)入換熱器與反應(yīng)前的氣體進(jìn)行熱交換，然后再經(jīng)水洗除塵、冷卻后進(jìn)入氣體分離裝置；4)氣體分離從反應(yīng)器出來(lái)氣體采用吸收或吸附方法分離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于煙道氣與炭進(jìn)行還原反應(yīng)是在800-100(TC 下進(jìn)行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于煙道氣與炭進(jìn)行還原反應(yīng)是在750-950°C 下進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種燃煤電廠尾氣減排的炭還原方法，主要包括的步驟氣體升溫、炭還原反應(yīng)、氣體冷卻和氣體分離。將CO2轉(zhuǎn)變?yōu)镃O從而實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排的方法，不但避免了二氧化碳捕集、運(yùn)輸和填埋過(guò)程產(chǎn)生的巨額費(fèi)用，產(chǎn)出的CO作為一碳化工的重要原料，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益并能夠節(jié)省大量的天然氣。炭還原過(guò)程中煙氣中的硫和氮的氧化物被還原為單質(zhì)硫和氮?dú)?，同步?shí)現(xiàn)煙氣的脫碳、脫硫和脫硝，極大降低了電廠的環(huán)保成本。本發(fā)明可以滿足發(fā)電、水泥、鋼鐵和煉油等行業(yè)碳減排的需求，特別是燃煤電廠尾氣二氧化碳排放的控制和利用。
文檔編號(hào)B01D53/62GK102266717SQ20111017791
公開(kāi)日2011年12月7日 申請(qǐng)日期2011年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月29日
發(fā)明者周亞平, 周理, 孫艷, 蘇偉 申請(qǐng)人:天津大學(xué)