专利名称：燃煤电厂尾气减排的炭还原方法
技术领域：
本发明涉及一种燃煤电厂尾气减排的炭还原方法，可以满足发电、水泥、钢铁和炼油等行业碳减排的需求，特别是燃煤电厂尾气二氧化碳排放的控制和利用。
背景技术：
据世界煤炭协会报告，煤炭对世界电力供应至关重要。世界41%的电力是煤炭提供的，在某些国家煤电的比例更高，如表1所示[http://www.worldcoal.org/coal/ uses-of-coal/coal-electricity/]。煤对电力供应的重要性将不断增加，到2030年全球煤电的比例将是44%。煤又恰恰是含碳最多的化石燃料，燃煤释放的二氧化碳占美国二氧化碳总释放量的40%。2007年中国发电消耗的煤炭为14亿吨，大约释放24. 3 亿吨二氧化碳 http://www. gx. cei. gov. cn/bgcy/bgcy—jtny/bgcy—jtny—scfx/200903/ t20090305_l 10039. htm]。预计2030年将达100亿吨，燃煤排放的二氧化碳有可能达到173 亿吨[http //lst-ecofriendlyplanet. com/02/coal-fired-power-plants/]。据 2009 年 07月观日“每日经济新闻”报道，我国十大发电集团每年的燃煤环境损失870亿。为减缓气候变暖，二氧化碳的捕集与埋藏已成为全球范围的强制要求。但是，据IEA报告，目前每吨二氧化碳的捕集、运输和埋藏成本接近60美元。燃煤二氧化碳产生的电力附加成本不久即达1万亿美元。因此，全世界的科学家都在研究更为廉价的二氧化碳捕集和埋藏方法。同时毫无疑问的是，由于资本的连接，由清洁技术延伸出来的碳交易将会形成一个巨大而活跃的市场，温室气体排放量的交易可能会超越传统的商品市场，成为最大的贸易商品。表1 煤电比例(来源=IEA 2010)南非93%波兰92%中国79%澳大利亚77%哈萨克斯坦70%印度69%以色列63%捷克60%摩洛哥55%希腊52%美国49%德国46%目前化学工业使用的CO2总量为1. 15亿吨，仅占每年排向大气的CO2总量的0. 5% 左右，虽然将(X)2注入油井以提高石油采收率等技术可望使(X)2利用量翻两番，但仍不能解决CD2过量排放问题[(D2回收和捕集技术新进展，http://www. cnpc. com. cn/CNPC/hjysh/ syzs/lsht]0
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃煤电厂尾气减排的炭还原方法，对燃煤电厂尾气进行炭还原，将(X)2转变为CO从而实现二氧化碳减排的方法。还原后的气体经过分离可以得到一氧化碳和氮气两种产品。在还原过程中烟气中的硫和氮的氧化物被还原为单质硫和氮气，同步实现烟气的脱碳、脱硫和脱硝。本发明可以满足发电、水泥、钢铁和炼油等行业碳减排的需求，特别是燃煤电厂尾气二氧化碳排放的控制和利用。本发明提供的一种燃煤电厂尾气减排的炭还原方法主要包括的步骤气体升温、炭还原反应、气体冷却和气体分离1)气体升温将温度为500 600°C的主要含有10 15%氧化碳，其余主要是 N2的煤电厂烟道气进入换热器进行热交换，然后再进入反应器预热，进一步升温到750 1000°C。2)还原反应烟道气中的二氧化碳在反应器内与炭进行反应，被还原为一氧化碳，反应过程中应控制合理的尾气流量(如尾气流量是由发电厂决定)，以便二氧化碳能够完全充分与炭反应，反应后气体中一氧化碳的浓度可达1816%，其余为氮气。烟道气中的其它酸性有害气体和NOx同时被炭还原成单质硫和氮气。烟道气中通常都会含有一定量的水蒸气，高温下也能够与炭发生反应。由于炭是过量的，因此S02、N0X和水蒸气的存在并不会影响二氧化碳的还原反应。还原过程中发生了如下反应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)降温冷却从反应器出来的气体首先进入换热器与反应前的气体进行热交换， 然后再经水洗除尘、冷却后进入气体分离装置。4)气体分离从反应器出来气体的主要成分是氮气和一氧化碳，可采用普通的吸收或吸附等方法来分离。对于大规模电厂，采用通用的化学吸收法分离，先得到氮气，在富液升温再生时得到一氧化碳。可选地，烟道气与炭进行还原反应是在750-950°C下进行。本发明提出的炭还原法可将二氧化碳直接转变为一氧化碳。一氧化碳是一碳化工的重要原料，广泛用于合成氨、甲醇等化学品的制备。本发明不但完全避免了二氧化碳的捕集、运输和埋藏产生的巨额费用，而且节省了制备甲醇或其它一碳化工产品所需的大量原料天然气。本发明的另一个显著优势在于，在炭还原(X)2的同时，烟气中的SA和NOx等酸性有害气体同时被还原为无害的单体物质，从而节省了燃煤电厂为烟气的脱硫脱硝所付出的环保成本。即本发明的特点和优越性在于
(1)将二氧化碳直接转变为一氧化碳，从而避免了二氧化碳捕集、运输和封存需要的巨额费用，产出的一氧化碳是重要的化工原料，副产的氮气也有广泛用途。(2)在脱碳的同时实现了脱硫脱硝，极大地降低了电厂的环保成本。(3)节省了一碳化工所需的天然气。(4)为农业废弃物和城市垃圾找到新的出路。
图1为燃煤电厂尾气炭还原工艺流程图。图2为玉米芯炭在不同温度下进行炭还原反应时模拟烟气中(X)2的转化率。图3为950°C下模拟烟气中的转化率。图4为950°C下模拟烟气中NO的转化率。
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图5为椰壳炭在不同温度(750°C、800°C、85(rC和950°C )下进行炭还原反应时模拟烟气中(X)2的转化率。图6为焦炭在不同温度下进行炭还原反应时模拟烟气中(X)2的转化率。
具体实施例方式如图所示，1是换热器，2是反应器，3是除尘装置，4是气体分离装置。电厂尾气先进入换热器进行换热，而后进入反应器进行炭还原反应，反应器出口气体再返回换热器进行换热，而后进入除尘装置，最后进入气体分离装置，从而完成一次实施过程。实施例1以玉米芯炭为原料，对实验室模拟烟气(CO2含量10. 13%，SO2含量1500ppm，N0含量360ppm，其余为N2)进行炭还原实验。图2为玉米芯炭在不同温度(750°C、800°C、850°C 和950°C )下进行炭还原反应时模拟烟气中(X)2的转化率，950°C时(X)2的转化率可达99%， 几乎全部转化为CO。1、气体升温500°C的电厂尾气进入换热器中与反应器出口气体进行热交换，而后进入反应器中的预热段升温至炭还原反应所需的950°C。2、还原反应尾气中的二氧化碳充分与反应器内填充的炭进行还原反应生成一氧化碳，反应器内同时被还原的还有尾气中的微量以及NOx。反应过程中炭不断被消耗，需要适时补充以保证反应的连续进行。3、降温冷却反应器出口气体的温度很高。将出口气体引入换热器与反应前的气体进行热交换，然后进入除尘装置中进行水洗除尘，冷却后进入气体分离装置。4、N2和CO的分离在气体分离装置中实现一氧化碳和氮气的分离，无论是吸收法还是吸附法都是成熟的工业技术。运行数裾表明，二氧化碳全部转化为一氧化碳，尾气中的二氧化硫和氧化氮等酸性气体全部消失。实施例2以椰壳炭为原料，对实验室模拟烟气(CO2含量10. 13%, SO2含量1500ppm，NO含量360ppm，其余为N2)进行炭还原实验，操作步骤与实施例1相同。实施例3以焦炭为原料，对实验室模拟烟气(O)2含量10. 13%，SO2含量1500ppm，NO含量 360ppm，其余为N2)进行炭还原实验，操作步骤与实施例1相同。图3和图4表明，在950°C时SO2和NO被完全转化掉。图5为椰壳炭在不同温度 (750°C、800°C、85(rC和950°C )下进行炭还原反应时模拟烟气中(X)2的转化率，950°C时(X)2 的转化率可达98. 1%，同样，该温度下和NO的转化率均为100%，与图3和图4结果完
全一致。
权利要求
1.一种燃煤电厂尾气减排的炭还原方法，其特征在于它包括的步骤1)气体升温将温度为500 600°C主要含有10 15%二氧化碳的煤电厂烟道气进入换热器进行热交换，然后再进入反应器预热，进一步升温到800 1000°C ；2)还原反应在反应器内烟道气与炭进行还原反应，其中，二氧化碳还原为氧化碳，SO2 和NOx同时被炭还原成单质硫和氮气；3)降温冷却从反应器出来的气体首先进入换热器与反应前的气体进行热交换，然后再经水洗除尘、冷却后进入气体分离装置；4)气体分离从反应器出来气体采用吸收或吸附方法分离。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于烟道气与炭进行还原反应是在800-100(TC 下进行。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于烟道气与炭进行还原反应是在750-950°C 下进行。
全文摘要
本发明涉及一种燃煤电厂尾气减排的炭还原方法，主要包括的步骤气体升温、炭还原反应、气体冷却和气体分离。将CO2转变为CO从而实现二氧化碳减排的方法，不但避免了二氧化碳捕集、运输和填埋过程产生的巨额费用，产出的CO作为一碳化工的重要原料，具有很好的经济效益并能够节省大量的天然气。炭还原过程中烟气中的硫和氮的氧化物被还原为单质硫和氮气，同步实现烟气的脱碳、脱硫和脱硝，极大降低了电厂的环保成本。本发明可以满足发电、水泥、钢铁和炼油等行业碳减排的需求，特别是燃煤电厂尾气二氧化碳排放的控制和利用。
文档编号B01D53/62GK102266717SQ20111017791
公开日2011年12月7日 申请日期2011年6月29日 优先权日2011年6月29日
发明者周亚平, 周理, 孙艳, 苏伟 申请人:天津大学