一种富氧烟气制碳氢燃料协同脱硫的光催化反应器及方法与流程

[0001]
本发明属于烟气净化相关技术领域，更具体地，涉及一种富氧烟气制碳氢燃料协同脱硫的光催化反应器及方法。


背景技术：

[0002]
煤炭利用过程中释放出大量co2，大大加速了全球气候变暖的进程。而燃煤电厂是我国co2排放量最大、最集中的排放源。其中富氧燃烧电厂采用空气分离获得的纯氧和一部分锅炉排烟构成的混合气体代替空气作为煤燃烧的氧化剂，可使煤燃烧形成的烟气中co2含量达到85％以上，是良好的co2来源。由于采用烟气循环，富氧燃烧烟气中so2等污染物会发生富集，传统的湿法脱硫技术仍存在能耗大、成本高的不足。若能同时实现高效、低成本的co2还原制碳氢燃料和so2脱除，既可节能又能减排，势必对富氧燃烧技术的推广应用有促进作用。
[0003]
光催化技术是实现co2还原制碳氢燃料和so2协同脱除的一种有效办法。光催化技术通过模拟植物光合作用，以光敏半导体为催化剂，利用可持续并无污染的太阳能激发催化剂产生光生电子-空穴对，将富氧燃烧烟气中的高浓度co2催化还原，生成高附加值的太阳能燃料，可以有效降低co2排放，并提供可再生能源，同时将so2氧化脱除，是一种反应条件温和、低成本、环境友好的so2、co2减排及资源化利用技术。
[0004]
目前，急需一种反应装置能同时实现制碳氢燃料和脱硫。


技术实现要素：

[0005]
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种富氧烟气制碳氢燃料协同脱硫的光催化反应器及方法，其中通过对整体结构的设计和关键部件的结构设计，使得制备碳氢燃料和脱硫的同时实现，同时保证在反应过程中反应装置内的电荷平衡和质量平衡，保证反应的可持续进行。
[0006]
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种富氧烟气制碳氢燃料协同脱硫的光催化反应器，该光催化反应器包括第一反应器、第二反应器、第三反应器，其中，
[0007]
所述第一反应器的一侧设置有进气口，待处理气体从该进气口进入所述第一反应器中，该待处理气体中的二氧化硫气体在该第一反应器中被转化为亚硫酸根离子，第一反应器和第三反应器之间设置有气体通道，待处理气体中的二氧化碳气体通过该气体通道进入所述第三反应器中，实现待处理气体中二氧化硫和二氧化碳的分开处理；
[0008]
所述第二反应器和第三反应器的上方均设置有光源，均用于进行光催化反应，所述第一反应器与第二反应器之间，第二反应器与第三反应器之间均设置有离子交换通道，用于彼此交换反应器中的离子以保持电荷平衡和质量平衡，其中，所述第一反应器和第二反应器之间的离子通道中设置有离子交换膜，所述亚硫酸根离子通过该离子交换膜进入所述第二反应器中，并在第二反应器中进行光催化反应，以此被氧化为硫酸根离子实现脱硫；在第三反应器中，进入该第三反应器中的二氧化碳气体在光催化反应中被还原为碳氢化合
物，以此实现碳氢燃料的制备。
[0009]
进一步优选地，所述第二反应器的上方还设置有第一出气口，用于排出在第二反应器中进行光催化反应生成的气体。
[0010]
进一步优选地，所述第三反应器的上方设置有第二出气口，该第二出气口与气体回收装置连接，以此回收在第三反应器中二氧化碳被还原后产生的气体。
[0011]
进一步优选地，所述第二反应器和第三反应器的一侧均设置有取样口，用于实时采集所述第二反应器或第三反应器中的样品进行在线检测。
[0012]
进一步优选地，所述第一反应器、第二反应器和第三反应器的底端均设置有磁力搅拌器，实现对各个反应器中溶液的搅拌，促进反应的进行。
[0013]
按照本发明的另一个方面，提供了一种上述所述的光催化反应器进行光催化反应的方法，该方法包括下列步骤：
[0014]
s1在所述第一反应器中加入碳酸氢盐溶液，在所述第二反应器中加入碳酸氢盐、光催化剂和氧化还原介质，在第三反应器中加入光催化剂和氧化还原介质；
[0015]
s2将待处理气体通入所述第一反应器中，打开所述第二反应器和第三反应器上方的光源；
[0016]
s3待处理气体中的二氧化硫被第一反应器中的碳酸氢盐吸收转化为亚硫酸根离子并进入第二反应器中，进入第二反应器中的亚硫酸根离子在光催化剂和氧化还原介质的作用下被氧化为硫酸根离子，同时氧化还原介质被还原并进入第三反应器中；
[0017]
待处理气体中的二氧化碳从所述气体通道进入第三反应器中，在第三反应器中的光催化剂和氧化还原介质的作用进行光催化反应生成一氧化碳和碳氢化合物，同时，其中的氧化还原介质被氧化，该被氧化后的氧化还原介质进入所述第二反应器中，从而保持所述第二反应器和第三反应器中的电荷和质量平衡。
[0018]
进一步优选地，在步骤s1中，加入所述第二反应器和第三反应器中的光催化剂为wo3、tio2的一种或多种，第二反应器中的光催化剂和第三反应器中的光催化剂相同或不同。
[0019]
进一步优选地，加入所述第二反应器和第三反应器中的氧化还原介质为i-，第二反应器中的氧化还原介质和第三反应器中的氧化还原介质相同。
[0020]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：
[0021]
1.本发明中的氧化还原介质在第二反应器和第三反应器中迁移，以此保持反应器中的电荷平衡和质量平衡，同时，第二反应器中进行氧化反应，第三反应器中进行还原反应，将氧化反应和还原反应分开，有效抑制光催化逆反应，提高反应效率；
[0022]
2.本发明中提供的光催化反应装置，通过在第一反应器中设置气体通道和添加碳酸氢盐溶液，气体通道用于作为二氧化碳的通道，二氧化硫被添加的碳酸氢盐吸收，实现二氧化碳和二氧化硫的分开处理，彼此互不影响，提高处理效率，加快处理进程；
[0023]
3.本发明中的光催化反应装置中的光源利用太阳能实现烟气转化利用协同烟气脱硫，具有能耗小、成本低等优点，对富氧燃烧技术的推广应用具有重要意义。
附图说明
[0024]
图1是按照本发明的优选实施例所构建的富氧烟气制碳氢燃料协同脱硫的光催化
反应器的结构示意图。
[0025]
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
[0026]
1-第一反应器，2-第二反应器，3-第三反应器，4-进气口，5-溶液，6-混合液，7-光催化剂，8-混合液，9-气体通道，10-离子交换通道，11-离子交换膜，12-第一出气口，13-取样口，14-进气口阀门，15-光源16-磁力搅拌器，17-第二出气口。
具体实施方式
[0027]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0028]
如图1所示，一种富氧烟气制碳氢燃料协同脱硫的光催化反应器，该光催化反应器光反应器为三室反应器，包括第一反应器1、第二反应器2和第三反应器3，在第一反应器侧设有进气口4，烟气通过进气口首先进入第一反应器1，第一反应器中添加有溶液5，溶液为饱和碳酸氢盐溶液，第二反应器添加有混合液6，混合液6包括碳酸氢盐、氧化还原介质及光催化剂7，第三反应器3中设置有混合液8，混合液包括氧化还原介质及悬浮在混合液中的光催化剂7，优选地，第二和第三两个反应器中氧化还原介质为10mm～20mm的i-，碳酸氢盐可以选择碳酸氢钠，光催化剂为wo3、tio2的一种或多种，每升水溶液中投入1g～2g催化剂。
[0029]
整个反应过程为，烟气中的so2被第一反应器吸收溶解为so
32-，而co2经过左反应器并通过气体通道9流入第三反应器3。第一反应器气体通道下方为离子交换通道10，设置有离子交换膜11，以允许so2溶解生成的so
32-离子通过，而so
32-在离子浓度差的驱动下向第二反应器迁移，从而烟气中的so2和co2得以分离。在光照下，半导体光催化剂形成光生电子-空穴对，在第二反应器中，光生空穴将so2和水氧化为so
42-和o2，光生电子则将氧化还原介质还原，被还原后的氧化还原介质和水分解产生的氢离子都通过离子交换通道10在浓度梯度的驱动下迁移到第三反应器；同时，在第三反应器3中，光生电子将co2还原，与氢离子结合生成碳氢化合物，光生空穴则将氧化还原介质氧化。而氧化还原介质在被氧化后，再在浓度梯度的驱动下向第二反应器2迁移，从而保持电荷平衡和质量平衡。
[0030]
第一反应器1的下方烟气进气口4设有阀门14，用于控制烟气的进入，第二反应器2上方设有第一出气口12，以排出气体产物，并设置了液体取样口13，以便对液体产物进行在线监测；第三反应器的上端设置有第二出气口17，用于回收第三反应器中的气体。
[0031]
第二反应器2和第三反应器3的上方设置有光源15，在光催化过程中提供光能，第一反应器、第二反应器和第三反应器的底部均设置有磁力搅拌器16，用于搅拌以保证反应进行充分。
[0032]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。