本发明涉及固体废弃物资源化利用和能源利用过程中污染物减排领域，更确切地说，涉及一种利用粉煤灰脱除电厂烟气中CO2的装置及其方法，属于二氧化碳捕集和减排技术领域。
背景技术：
CO2捕集是控制燃煤电厂CO2排放的有效途径。从燃煤电厂烟气中捕集CO2的技术路线众多，总体可分为：燃烧前捕集、燃烧中脱碳和燃烧后捕集。燃烧后CO2捕集技术因具有不影响上游燃烧工艺过程，且不受烟气中CO2浓度影响，无需对现有电厂设备进行改造等优势，可直接用于传统燃煤电厂烟气中CO2分离。
商业应用较成熟的燃烧后CO2捕集技术主要为液态胺法和热碱液法。尽管液态胺法和热碱液法具有脱碳效率高、可再生和系统稳定等优势，其在应用过程中也暴露出再生能耗高、碱液易腐蚀设备、二次污染及设备投资和系统运行成本高等缺陷。
利用碱金属基吸收剂通过气固反应进行燃烧后烟气中CO2捕集技术具有反应能耗低、循环利用效率高、对设备无腐蚀、无二次污染等优点，被认为是极具发展前景的新技术。但用于CO2捕集的固体吸收剂的原料来源、成本及制备工艺等因素在一定程度上制约了其在燃煤电厂烟气脱碳中大规模应用。开发高效率、低能耗和低成本的燃煤电厂CO2固体吸收剂势在必行。
近年来，工业固体废弃物应用于燃烧后烟气中CO2捕集的研究备受关注。粉煤灰中富含活性火山碎屑物质，为典型的工业固体废弃物之一。利用粉煤灰脱除燃烧后烟气中CO2，一方面可实现固体废弃物资源化利用，解决其填埋处理带来的污染问题，另一方面可实现燃煤烟气污染物防治，具有较大的经济效益，有望为缓解温室效应开辟新途径。
目前，粉煤灰脱除燃烧烟气CO2的途径主要有三类：粉煤灰中含活性组分CaO和MgO，可在高温条件下直接捕获烟气中CO2；粉煤灰中含活性组分SiO2，可提取硅酸盐物相，在高温条件下直接与烟气中CO2反应；可对粉煤灰表面预处理并添加碱性基团改性，在中低温条件下捕集烟气中CO2。研究表明，上述三种方法均可实现粉煤灰对燃烧烟气中CO2的捕集。但粉煤灰的利用效率低，脱碳工艺能耗高，系统有待进一步优化。
技术实现要素：
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种利用工业固体废弃物粉煤灰脱除电厂烟气中CO2的装置，实现二氧化碳捕集与固体废弃物资源化利用。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种利用粉煤灰脱除电厂烟气中CO2的装置，其特征在于，包括活化反应器、加热埋管、温差发电器、变压器、荷电装置、电极线、电极板、流化床、散热埋管、旋风分离器以及废料仓；所述活化反应器输入端送入粉煤灰，输出端连接荷电装置；所述荷电装置的输出端连接流化床；所述流化床输出端连接旋风分离器；所述旋风分离器下部输出端连接废料仓上部。
本发明中，所述活化反应器内设置加热埋管，埋管式加热器中的放热介质为来自锅炉过热器前端烟道的高温烟气，所述加热埋管出口连接一温差发电器后用于与锅炉空气预热器前端烟道连接，高温烟气在加热埋管中降温后再送入锅炉空气预热器前端烟道。
本发明中，所述荷电装置与活化反应器输出端连接，活化后的粉煤灰输入荷电装置进行荷电处理，所述荷电装置的电能由温差发电器提供。
本发明中，所述流化床内设散热埋管，埋管式散热器中的吸热介质来自空气预热器鼓风机中的支流冷空气。所述散热埋管连接到温差发电器后用于与锅炉空气预热器鼓风机中的支流冷空气连接，冷空气在埋管式散热器中加热后再送入锅炉空气预热器入口。
本发明中，所述流化床内设电极板，电极板在流化床内形成电场，所述电极板的电能由温差发电器提供。
本发明中，所述活化反应器内加热埋管换热后烟气与流化床内散热埋管升温后空气分别流经温差发电器，温差发电器利用系统温差进行发电。
本发明中，所述荷电装置与温差发电器之间设有变压器。
本发明还公开了一种利用粉煤灰脱除电厂烟气中CO2的方法，包括以下步骤：将收集的粉煤灰输送到活化反应器中进行活化处理，活化后粉煤灰输送至粉体荷电装置进行带电处理形成高活性带电粉煤灰，然后输送至流化床装置中与流化床底端输入的脱硫后的烟气反应脱除烟气中CO2，反应后的粉煤灰输运至旋风分离器进行气固分离，分离后的粉煤灰输送至废料仓等待下一步处理，尾气进入烟囱直接排出。
有益效果：
1、本发明所述装置利用粉煤灰作为固体吸收剂脱除电厂烟气中CO2，可变废为宝，实现固体废弃物资源化利用，有利于节约系统成本。此外，系统脱碳效率高、能耗低、对设备腐蚀小、设备和运行成本低，是高效且节能环保的优化方案。
2、本发明使用加热埋管，由燃煤锅炉过热器前端烟道中引出高温烟气，提供活化反应所需能量，充分回收并利用电厂余热资源，提高了系统运行的经济性。本发明所述装置使用散热埋管，由空气预热器鼓风机中引出冷空气作为散热介质，维持流化床内反应温度恒定，保证粉煤灰脱碳反应有效进行；脱碳反应放热得到有效利用，提高了系统运行的经济性。
3、本发明荷电装置结构简单，运行阻力小，设备能耗低。装置采用“蜂窝”状结构，扩展了粉体输运路径，使粉体在电场作用下可充分荷电；温差发电器可作为荷电装置电源，实现了电能节约；荷电装置下设灰斗便于粉体进入流化床。
4、本发明流化床内壁设置电场，改变流化床内粉煤灰流动特性，使载气携带烟尘在流化床内平稳流化。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是本发明装置的整体结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作详细说明。
如图1，本发明装置设备包括活化反应器1、加热埋管2、温差发电器3、变压器4、荷电装置5、电极线6、电极板7、流化床8、散热埋管9、旋风分离器11以及废料仓10。物料循环包括：来自锅炉过热器前端烟道的高温烟气A、粉煤灰B、换热后烟气C、吸热升温后空气回到空气预热器空气入口D、活化后粉煤灰E、高活性带电粉煤灰F、脱硫后烟气G、引自空气预热器鼓风机中的支流冷空气H、吸热升温后空气I、脱碳后粉煤灰J、脱碳后烟气K、换热后烟气回到锅炉空气预热器前端烟道L。
如图1所示，本发明一种实施方式，该装置包括活化反应器1、加热埋管2、温差发电器3、变压器4、荷电装置5、电极线6、电极板7、流化床8、散热埋管9、旋风分离器11、废料仓10。所述活化反应器1输出端连接荷电装置5；所述荷电装置5输出端连接流化床反应器8；所述流化床反应器8输出端连接旋风分离器11；所述旋风分离器11下部输出端与废料仓10上部连接；所述活化反应器1内埋设加热埋管2连接锅炉过热器前端烟道A，用于循环高温烟气提供活化能量；所述流化床8内埋设散热盘管9连接空气预热器鼓风机中的支流H，用于循环冷空气介质维持流化床8温度恒定；所述荷电装置5内设电极线6，用于对粉煤灰B进行带电处理；所述流化床8内设电极板7，在床体内形成电场，保证载气携带烟尘在流化床内平稳流化；所述温差发电器3配置变压器4，利用系统温差发电。
更具体地说，活化反应器1主要由反应床和加热埋管2组成。所述活化处理工艺为粉煤灰中的碱性氧化物在反应器中的催化剂作用下形成高活性碱性氧化物，活化反应所需温度为600-1000℃。由燃煤锅炉过热器前端烟道引出高温烟气A，流经所述的加热埋管2为反应器提供能量使其维持活化反应温度。所述加热埋管2出口与空气预热器前端烟道L连接，将换热后烟气返回锅炉烟道。
荷电装置5采用管式静电装置原理，主要由荷电装置、供电装置、绝缘隔板等组成。所述荷电装置5上下端设计呈锥形，称为“灰斗”。所述“灰斗”管壁上装有振打电动机。所述荷电装置5外型呈圆筒状，以圆筒装置为基本单元，内设多个电极线并列，呈密集蜂窝状。所述圆筒装置外部由金属皮制成，构成集电极，圆筒装置内部中心轴线悬置电晕线。电极线与装置壁间加装圆筒状塑料绝缘隔板，其直径接近金属管壁但不与之贴合。多股金属导线在装置外部联结成一股，与变压器出口负极相连。集电极上连接的正极导线在装置外部汇成一股，与变压器出口正极相连。所有绝缘隔板均延伸至装置下部，与下部构成封闭空间。所述荷电装置的荷电方法为：向荷电装置施加直流高压电源，在集电极与电晕线之间建立非均匀电场。所述直流高压电源由温差发电器产生的电能经变压器变压后提供。在每个圆筒装置内，与负极相连的电晕线附近场强最大。通过调节电压改变电晕线周围的电场强度。当空气中的电场强度大于其击穿电场临界值，空气被击穿发生电离，形成大量的正负离子。与此同时，粉煤灰经由装置上侧开口进入圆筒装置，与向正极金属板漂移的负离子发生碰撞，粉煤灰颗粒吸附电子呈电负性。在电场作用下，呈电负性的粉体颗粒会向正极板移动，到达绝缘塑料隔板时，所有带电粉体被隔板阻隔。在正极板的引力作用下，粉煤灰被“吸附”在绝缘塑料隔板上，从而避免粉煤灰所带电荷被正极板中和。与此同时，运转振打电动机，使附集在绝缘隔板上的带电粉体脱落，在重力的作用下进入装置下端“灰斗”中，以备下一步进入流化床进行CO2脱除。
流化床反应器的特征在于：传统流化床采用单一风力推进，载气携带固体颗粒在床层内循环流化，工艺过程能耗高，噪音大，流化床磨损严重。本发明基于传统流化床的操作方式进行创新改造，在风力推进同时引入电场驱动固体颗粒悬浮流化。所述流化床内壁及上下两端装有电极板，向流化床装置施加直流高压电源，在床层内产生电场。经带电处理后的粉煤灰呈电负性，进入流化床后与引入的燃煤烟气混合，在电场力作用下悬浮流化，从而实现烟气中CO2脱除。所述循环流化效果可通过改变电压值调节电场力实现。电压值越高，电场强度越大，烟尘的流化效果越佳。气流以不同速度通过流化床时，固体颗粒会呈现不同的流动状态。当气流流速达到临界流化速度，固体物料以颗粒团的形式上下运动，产生高度的返混。在此流速条件下，载气可携带烟尘气体在流化床内顺畅流动并与荷电粉煤灰混合。在进口鼓风机和电场力的双重作用下，上述气固两相流呈现流态化运动。在循环流化过程中，高活性带电粉煤灰表面吸附CO2，从而实现烟气中CO2捕集。气固流化能够使粉煤灰的脱碳反应更充分，提高CO2捕集效率。
高活性带电粉煤灰表面吸附CO2的过程为放热化学反应，其反应温度区间为40-100℃。在实际脱碳过程中，反应放热使床层内部升温，并逐渐脱离最佳反应温度区间，导致粉煤灰脱碳效率降低。所述流化床内设散热埋管，以来自空气预热器空气入口的冷空气作为冷却介质，通过循环冷空气吸热为床层降温，以维持脱碳温度在最佳温度区间内，提高粉煤灰的脱碳效率。
所述温差发电器的工作原理为：所述活化反应器内设加热埋管，以来自锅炉过热器前端烟道的高温烟气作为热源，为活化反应器升温提供能量。换热后烟气流经温差发电器输至空气预热器烟道前端。所述流化床内设散热埋管，以来自锅炉鼓风机中的支流冷空气作为冷却介质，以携带流化床中脱碳反应放热。升温后空气流经温差发电器输运至空气预热器空气入口前端。所述流化床表面配置温度传感器，通过调节冷却工质流量控制床层温度稳定。所述温差发电器，利用流化床和活化反应器之间的换热介质产生的温差(换热烟气和升温空气的温差)发电。在实际应用过程中，可将多个PN结串联或将多个温差发电器串联以提高输出电压和输出功率。所述温差发电器产生的电能用于荷电装置和流化床电极板。
本发明提供一种粉煤灰脱除电厂烟气中CO2的方法，其工艺流程为：粉煤灰经过活化反应器进行活化后，输运至荷电装置。荷电装置内设电极线，使空气电离产生正负离子，从而使粉煤灰带电。带电粉煤灰输运至流化床反应器中。脱硫后烟气经流化床低端引入，在所述电极板产生的电场作用下与带电粉煤灰平稳流化，高活性带电粉煤灰与烟气接触反应脱除CO2。反应后的粉煤灰在旋风分离器中经气固分离后进入废料仓中储存，以待利用。
本发明提供了一种利用粉煤灰脱除电厂烟气中CO2的装置的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。