一种煤化学链燃烧汞脱除装置和方法

燃烧设备;加热装置的制造及其应用技术1.本发明涉及化学链燃烧技术领域，具体涉及一种煤化学链燃烧汞脱除装置和方法。背景技术：2.自工业化时代以来，发电部门对化石燃料的利用被认为是二氧化碳等有害气体的主要生产来源，也是造成温室效应的重要诱因。在针对co2排放的问题上，化学链燃烧是一种用于co2捕集封存技术的新型燃烧技术。与传统的燃料燃烧技术相比，化学链燃烧系统由空气反应器和燃料反应器组成，在整个燃烧过程中燃料与空气之间不直接接触，燃料燃烧所需要的氧由载氧体提供。在实现燃料的高效转化的同时，从燃料反应器排放出的烟气中co2的浓度也比传统燃烧技术的高，因此化学链燃烧技术是一种十分具有应用前景的富集co2技术。3.由于我国能源的基本结构是“富煤，贫油，少气”，所以用于化学链燃烧技术的燃料主要以煤为主，但是煤中有汞元素的存在，汞会对人类和自然环境产生严重危害性。在燃煤烟气中汞主要以三种形态存在:单质汞(hg0)，氧化态汞(hg2+)和颗粒态汞(hgp)。氧化态汞具有水溶性且不易挥发，可以被燃煤电厂的烟气脱硫装置协同脱除。颗粒态汞存在于固体颗粒表面，可以被燃煤电厂的除尘设备脱除。然而，单质汞挥发性强且难溶于水，难以被现有燃煤电厂的烟气处理设备脱除，而且汞高温下主要以hg0的形式存在。因此，脱汞技术研究中主要是将hg0转化为hg2+和hgp，从而降低烟气中汞的排放。4.目前的对于燃煤烟气中汞的去除方法有很多。汞吸附剂喷射法的应用十分普遍。其中最常见的汞吸附剂主要包括活性炭基吸附剂，但活性碳基喷射法存在成本较高的缺陷。协同脱汞技术对于单质汞的去除主要是依靠scr催化剂对汞进行脱除，虽然scr催化剂具有一定的脱汞性能，但受烟气中气体成分的影响较大导致脱汞效率较低。近年来也有许多研究者提出利用飞灰或对飞灰进行改性，将烟气中的汞转化为易被除尘装置脱除的颗粒态汞，作为汞吸附剂用于烟气脱汞的相关专利。但这些专利提出的飞灰喷射法多应用于温度低于300℃的烟气冷却侧，缺少对于高温下汞吸附剂的相关研究，而且吸附于飞灰上的颗粒态汞无法进行回收利用。5.在co2捕集方面，中国专利cn 107081040a公开了一种基于化学链空分制氧和燃烧后co2捕集的发电系统。该系统通过化学链空分制氧装置释放出氧气送至气化反应器。煤粉和氧气在气化反应器内发生气化反应。从余热锅炉-蒸汽轮机装置中排出的烟气通过吸收塔、换热器和再生塔进行co2捕集，得高浓度co2，高浓度co2通过co2压缩冷却达到分离回收的目的。中国专利cn 209081829 u提供一种带co2捕集的新型燃煤发电系统，将燃烧前co2捕集技术与采用注氢燃烧混合式加热的超高温蒸汽动力循环系统相结合，既可以进行燃烧前co2捕集，同时又大大提高了全厂发电效率。中国专利cn111001292a公开了一种煤化学链燃烧脱汞装置及方法，该装置以飞灰作为载氧体，有效降低了载氧体成本，且保证了载氧体能够在燃烧反应器的高温条件下保持氧化性来对烟气中的单质汞进行氧化。6.但是，现有技术中的大部分装置依旧未能同时实现载氧体的循环利用，汞的回收与co2的高效捕集。而且hcl的浓度对载氧体的汞氧化效率具有较大影响。技术实现要素：7.本发明是为了解决上述问题而进行的，本发明的目的在于提供一种煤化学链燃烧汞脱除装置和方法。8.本发明提供了一种煤化学链燃烧汞脱除装置，用于将载氧体与含汞的煤燃烧，并对含汞的煤进行氧化吸附，具有这样的特征，有氧化还原单元，用于实现将载氧体与含汞的煤燃料燃烧，并从含汞的煤中脱离出汞的过程，氧化还原单元包括燃料反应器、空气反应器以及磁性分离器，磁性分离器包括立式圆柱旋风筒，立式圆柱旋风筒上设置有进气通道、气体排出通道和固体排出通道，燃料反应器的一端与空气反应器连接，空气反应器的另一端与磁性反应器通过进气通道相连接，磁性反应器的另一端与燃料反应器连接，燃料反应器为煤与载氧体发生反应的场所，空气反应器为将还原的载氧体再被氧化的场所，磁性分离器为将被氧化的载氧体分离出来的气体与固体分别进行分离的场所；烟收集单元，用于实现对燃烧后的烟气进行净化与收集的过程，烟收集单元包括急冷器、除尘器、脱硫塔以及二氧化碳捕集器，气体排出通道、急冷器、除尘器、脱硫塔以及二氧化碳捕集器依次连接，急冷器与气体排出通道相连接，急冷器用于对烟气进行急冷，除尘器用于去除烟气中的灰颗粒，脱硫塔用于去除烟气中的二氧化硫，二氧化碳捕集器用于收集烟气中的二氧化碳；氧化汞回收单元，用于对分离出的氧化汞进行冷凝回收，氧化汞回收单元包括过滤器和冷凝器，气体排出通道、过滤器与冷凝器依次连接，过滤器与气体排出通道相连接，过滤器用于对小颗粒灰进行过滤，冷凝器用于对脱离出的汞进行冷凝回收；以及灰回收单元，用于对分离出的灰进行回收，灰回收单元包括灰仓，灰仓与固体排出通道相连接。9.在本发明提供的煤化学链燃烧汞脱除装置中，还可以具有这样的特征：其中，燃料反应器运行在鼓泡流态化区域，其运行范围为载氧体的最小流化速度的2～6倍，燃料反应器的温度范围为800～1000℃，空气反应器运行在湍流流态化或快速流态化区域，其流速范围在载氧体的终端速度的2～10倍，空气反应器的温度范围比燃料反应器高100～200℃。10.在本发明提供的煤化学链燃烧汞脱除装置中，还可以具有这样的特征：其中，二氧化碳捕集器为高压储罐/地理理存点/盐池中的一个或多个。11.在本发明提供的煤化学链燃烧汞脱除装置中，还可以具有这样的特征：其中，冷凝器的冷凝速率在200k/s～400k/s之间，冷凝器的温度设置在300～400℃。12.在本发明提供的煤化学链燃烧汞脱除装置中，还可以具有这样的特征：其中，载氧体为强释氧磁性载氧体，强释氧磁性载氧体为氧化铜、四氧化三钴、三氧化二锰负载于磁性氧化物四氧化三铁或者具有磁性尖晶石结构。13.在本发明提供的煤化学链燃烧汞脱除装置，还可以具有这样的特征：其中，磁性尖晶石结构为铁酸铜、铁酸锰、钴酸铜以及钴酸锰中的一种或几种。14.在本发明提供的煤化学链燃烧汞脱除装置，还可以具有这样的特征：其中，磁性分离器还包括永磁体、振抖装置、一级挡板、二级挡板以及开关装置，永磁体设置在立式圆柱旋风筒的内部，用于吸引磁性载氧体，振抖装置设置在永磁体的下方，并与永磁体相连接，一级挡板设置在永磁体周围，用于收集磁性载氧体，二级挡板设置在一级挡板的周围，用于收集灰与载氧体的混合物，开关装置设置在一级挡板和二级挡板的下方，开关装置处还设置有连接管，连接管与燃料反应器相连接，开关装置可以左右闭合，用于控制灰的循环率。15.本发明还提供了煤化学链燃烧汞脱除装置的一种脱汞方法，用于采用煤化学链燃烧汞脱除装置来实现将载氧体与含汞的煤燃烧提供氧气，并对从含汞的煤进行氧化吸附，包括以下步骤：步骤1：燃料a与载氧体b在燃料反应器中发生反应，烟气经过急冷器急冷，然后在除尘器中除去灰分，再进入脱硫塔中除去二氧化硫，最后进入二氧化碳捕集器。步骤2：燃烧后灰/还原后的载氧体进入空气反应器中，在空气作用下，还原的载氧体被氧化，然后在空气携带下进入磁性分离器。步骤3：在磁性分离器中，气体与固体分离，其中气体部分进入过滤器中除去微小颗粒，再进入冷凝器中回收氧化汞，剩余清洁空气排入大气。步骤4，磁性分离器的固体部分在中心永磁体的作用下分成两路，中心部分富含载氧体进入燃料反应器，外围部分富含灰分在重力作用下进入灰仓中。16.发明的作用与效果17.根据本发明所涉及的煤化学链燃烧汞脱除装置，包含氧化还原单元、烟收集单元、氧化汞回收单元以及灰回收单元，其中，氧化还原单元能够实现将载氧体与含汞的煤燃料燃烧，并从含汞的煤中脱离出汞的过程，氧化还原单元包括燃料反应器、空气反应器以及磁性分离器，磁性分离器包括立式圆柱旋风筒，立式圆柱旋风筒上设置有进气通道、气体排出通道和固体排出通道，燃料反应器的一端与空气反应器连接，空气反应器的另一端与磁性反应器通过进气通道相连接，磁性反应器的另一端与燃料反应器连接，燃料反应器为煤与载氧体发生反应的场所，空气反应器为将还原的载氧体再被氧化的场所，磁性分离器为将被氧化的载氧体分离出来的气体与固体分别进行分离的场所；烟收集单元能够实现对燃烧后的烟气进行净化与收集的过程，烟收集单元包括急冷器、除尘器、脱硫塔以及二氧化碳捕集器，气体排出通道、急冷器、除尘器、脱硫塔以及二氧化碳捕集器依次连接，急冷器与气体排出通道相连接，急冷器能够对烟气进行急冷，除尘器能够去除烟气中的灰颗粒，脱硫塔能够去除烟气中的二氧化硫，二氧化碳捕集器能够收集烟气中的二氧化碳；氧化汞回收单元能够对分离出的氧化汞进行冷凝回收，氧化汞回收单元包括过滤器和冷凝器，气体排出通道、过滤器与冷凝器依次连接，过滤器与气体排出通道相连接，过滤器能够对小颗粒灰进行过滤，冷凝器能够对脱离出的汞进行冷凝回收；以及灰回收单元，能够对分离出的灰进行回收，灰回收单元包括灰仓，灰仓与固体排出通道相连接。所以该装置能够能够将载氧体与含汞的煤燃烧，并对含汞的煤进行氧化吸附，同时实现载氧体的循环利用，汞的回收与二氧化碳的高效捕集。附图说明18.图1是本发明的实施例中煤化学链燃烧汞脱除装置的结构示意图；19.图2是本发明的实施例中磁性分离器的结构示意图；20.图3是测试载氧体脱汞效率的固定床反应实验装置示意图；21.图4是实验中气态汞的总量示意图；22.图5是实验中汞程序升温解吸图。具体实施方式23.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明煤化学链燃烧汞脱除装置和方法作具体阐述。24.《实施例》25.图1是本发明的实施例中煤化学链燃烧汞脱除装置的结构示意图；26.图2是本发明的实施例中磁性分离器的结构示意图。27.如图1、图2所示，煤化学链燃烧汞脱除装置100用于将载氧体与含汞的煤燃烧，并对含汞的煤进行氧化吸附，同时实现载氧体的循环利用，汞的回收与二氧化碳的高效捕集。载氧体为强释氧磁性载氧体，强释氧磁性载氧体为氧化铜、四氧化三钴、三氧化二锰负载于磁性氧化物四氧化三铁或者具有磁性尖晶石结构，磁性尖晶石结构为铁酸铜、铁酸锰、钴酸铜以及钴酸锰中的一种或几种。28.煤化学链燃烧汞脱除装置100包括氧化还原单元20、烟收集单元30、氧化汞回收单元40以及灰回收单元50。29.氧化还原单元20用于实现将载氧体与含汞的煤燃料燃烧，并从含汞的煤中脱离出汞的过程。氧化还原单元20包括燃料反应器3、空气反应器1以及磁性分离器2。30.在本实施例中，燃料反应器3为煤与载氧体发生反应的场所，燃料反应器3的一端与空气反应器1连接。燃料反应器3运行在鼓泡流态化区域，其运行范围为载氧体的最小流化速度的2～6倍，温度范围为800～1000℃。在燃料反应器3中，载氧体与煤反应被还原，还原后的载氧体进行空气反应器1，与氧气发生反应被氧化，生成的氧化固体产物和气体产物进入磁性分离器2中被分离出来。31.空气反应器1一端与燃料反应器3连接，另一端与磁性分离器2相连接。空气反应器1为将还原的载氧体再被氧化的场所。空气反应器运行在湍流流态化或快速流态化区域，其流速范围在载氧体的终端速度的2～10倍，空气反应器的温度范围比燃料反应器高100～200℃。32.磁性分离器2包括立式圆柱旋风筒14，立式圆柱旋风筒14上设置有进气通道21、气体排出通道22、固体排出通道23、永磁体11、振抖装置13、耐磨套12、一级挡板15、二级挡板16以及开关装置17。磁性分离器2为将还原后的载氧体与氧气反应，生成的氧化固体产物和气体产物分离出来，磁性分离器2的另一端与燃料反应器3连接。33.永磁体11设置在立式圆柱旋风筒14的内部，处于飞灰分级区的中心，用于吸引磁性载氧体，振抖装置13设置在永磁体11的下方，并与永磁体11相连接，振抖装置13可将被永磁体吸引的磁性载氧体抖落，可防止积灰的堆积并可加速载氧体的脱除。耐磨套12将永磁体11和振抖装置12包裹，用于减少永磁体11和振抖装置13的磨损。耐磨套12的材料采用合成橡胶或合成纤维。34.一级挡板15设置在永磁体11的周围，用于收集磁性载氧体。二级挡板16设置在一级挡板15的周围，用于收集灰与载氧体的混合物。开关装置17设置在一级挡板15和二级挡板16的下方，并与二级挡板16相连接。开关装置17处还设置有连接管18，连接管18与燃料反应器3相连接，开关装置17可以左右闭合，用于控制灰的循环率。因为载氧体和灰都是颗粒状，载氧体具有磁性，灰没有，通过这种手段让载氧体更多地分布于飞灰分级区的中心，开关装置17实际上是控制飞灰分级区中心面积的比例，中心部分面积越多，灰循环越少，但是载氧体越不纯净，中心面积越少，载氧体越纯净，灰循环越多。35.烟收集单元30用于实现对燃烧后的烟气进行净化与收集的过程，烟收集单元30包括急冷器7、除尘器8、脱硫塔9以及二氧化碳捕集器10。36.气体排出通道22、急冷器7、除尘器8、脱硫塔9以及二氧化碳捕集器10依次连接。急冷器7与气体排出通道22相连接，急冷器7用于对烟气进行急冷，除尘器8用于去除烟气中的灰颗粒，脱硫塔9用于去除烟气中的二氧化硫。二氧化碳捕集器10用于收集烟气中的二氧化碳，二氧化碳捕集器10为高压储罐/地理理存点/盐池中的一个或多个。37.氧化汞回收单元40用于对分离出的氧化汞进行冷凝回收，氧化汞回收单元包括过滤器5和冷凝器6，冷凝器6用于对脱离出的汞进行冷凝回收。在本实施例中，冷凝器的冷凝速率在200k/s～400k/s之间，冷凝器的温度设置在300～400℃。38.气体排出通道22、过滤器5与冷凝器6依次连接，过滤器5与气体排出通道22相连接，过滤器5用于对小颗粒灰进行过滤。39.灰回收单元50用于对分离出的灰进行回收，灰回收单元50包括灰仓4，灰仓4与固体排出通道23相连接。40.一种脱汞方法，用于采用煤化学链燃烧汞脱除装置100来实现将载氧体与含汞的煤燃烧提供氧气，并对从含汞的煤进行氧化吸附，其具体步骤包括以下：41.步骤1：燃料a与载氧体b在燃料反应器中发生反应，烟气经过急冷器急冷，然后在除尘器中除去灰分，再进入脱硫塔中除去二氧化硫，最后进入二氧化碳捕集器，42.步骤2：燃烧后灰/还原后的载氧体进入空气反应器中，在空气作用下，还原的载氧体被氧化，然后在空气携带下进入磁性分离器，43.步骤3：在磁性分离器中，气体与固体分离，其中气体部分进入过滤器中除去微小颗粒，再进入冷凝器中回收氧化汞，剩余清洁空气排入大气，44.步骤4，磁性分离器的固体部分在中心永磁体的作用下分成两路，中心部分富含载氧体进入燃料反应器，外围部分富含灰分在重力作用下进入灰仓中。45.实验1以准东煤为燃料、负载于磁性氧化物上的caso4为载氧体做实验来证明不同的载氧体有脱除汞的能力，在燃料反应器中，脱汞主要体现在载氧体吸附了汞或者氧化了汞，后在空气反应器中又释放出来。实验结果展示了脱汞效率和解吸出来的汞是氧化汞的状态。46.图3是测试载氧体脱汞效率的固定床反应实验装置示意图。47.如图3所示，在实验中，准东煤不直接与空气接触，燃烧时所需的氧气由载氧体提供，流化床反应器实验装置对载氧体催化氧化hg0的效果进行实验，包括以下步骤：48.步骤1，将准东煤进行粉碎处理成80～100目的准东煤粉；49.步骤2，取5g准东煤与载氧体的混合样品并置于加热炉中；50.步骤3，在还原反应器中通入5l/min的co2和1l/min的h2o，模拟燃料反应器的反应气氛。在气体冷却区的四个撞击瓶中分别装有1mol/lkcl溶液和硅胶颗粒。kcl溶液主要吸收气体中的hg2+，硅胶主要用于吸收水分，以减少水分对测汞仪的伤害。由水蒸气发生器产生的水蒸气在混气阀与co2混合后，进入加热炉内与样品发生反应，随后烟气依次通过装有kcl溶液和硅胶的撞击瓶，进入vm3000测量反应后的hg0浓度，在经过vm3000后，尾气中的残留的hg0被活性炭吸附。烟气组分采用奥氏烟气分析仪进行测量，hg2+的含量通过安大略(ohm)法测量获得。反应器温度控制在850℃。51.实验2～8，燃料均为准东煤，载氧体分别为co3o4、mn2o3、fe2o3、cuo、ceo2、sio2、al2o3。实验中的煤化学链燃烧脱汞装置的结构-流化床反应器实验装置及实验步骤与实验1相同。52.图4是实验中气态汞的总量示意图。53.如图4所示，相比于其它弱释氧吸附剂，采用强释氧吸附材料，如co3o4(94.9％)、mn2o4(93.66％)、fe2o3(93.54％)、cuo(90.34％)其脱汞效率均在90％以上，表现出良好的催化氧化hg0效果。54.图5是实验中汞程序升温解吸图。55.如图5所示，hgo主要有三个明显的解吸峰，其形成不同峰的可能原因是：汞在载氧体表面吸附形成不同形态的汞。hg0也有三个不同的解吸峰，但其解吸量均在1.5ug/m2以下，仅有少量的汞以hg0(约0.08％)的形式解吸，大量的汞以hgo的形式解吸(99.92％)，与解吸出的hgo的量相比，hg0的解吸量几乎可以忽略计。因此在氧化气体中汞主要以hgo的形式存在，并在后续的冷凝器中冷凝回收。56.实施例的作用与效果57.根据本实施例所涉及的煤化学链燃烧汞脱除装置，能够将载氧体与含汞的煤燃烧，并对含汞的煤进行氧化吸附，包含氧化还原单元、烟收集单元、氧化汞回收单元以及灰回收单元，其中，氧化还原单元能够实现将载氧体与含汞的煤燃料燃烧，并从含汞的煤中脱离出汞的过程，氧化还原单元包括燃料反应器、空气反应器以及磁性分离器，磁性分离器包括立式圆柱旋风筒，立式圆柱旋风筒上设置有进气通道、气体排出通道和固体排出通道，燃料反应器的一端与空气反应器连接，空气反应器的另一端与磁性反应器通过进气通道相连接，磁性反应器的另一端与燃料反应器连接，燃料反应器为煤与载氧体发生反应的场所，空气反应器为将还原的载氧体再被氧化的场所，磁性分离器为将被氧化的载氧体分离出来的气体与固体分别进行分离的场所；烟收集单元能够实现对燃烧后的烟气进行净化与收集的过程，烟收集单元包括急冷器、除尘器、脱硫塔以及二氧化碳捕集器，气体排出通道、急冷器、除尘器、脱硫塔以及二氧化碳捕集器依次连接，急冷器与气体排出通道相连接，急冷器能够对烟气进行急冷，除尘器能够去除烟气中的灰颗粒，脱硫塔能够去除烟气中的二氧化硫，二氧化碳捕集器能够收集烟气中的二氧化碳；氧化汞回收单元能够对分离出的氧化汞进行冷凝回收，氧化汞回收单元包括过滤器和冷凝器，气体排出通道、过滤器与冷凝器依次连接，过滤器与气体排出通道相连接，过滤器能够对小颗粒灰进行过滤，冷凝器能够对脱离出的汞进行冷凝回收；以及灰回收单元，能够对分离出的灰进行回收，灰回收单元包括灰仓，灰仓与固体排出通道相连接。所以该装置能够同时实现载氧体的循环利用，汞的回收与二氧化碳的高效捕集。58.磁性分离器的使用，可以使烟气中的飞灰和载氧体进行分离，分离出来的载氧体可以重新进入燃料反应器，为燃料燃烧提供氧气，所以能够实现载氧体的循环利用，有效减少载氧体的浪费。59.通过开关装置，可以控制飞灰的循环率，协助炉内脱汞。60.燃料反应器产生的烟气经急冷器急冷，除尘器除尘，脱硫装置吸收so2之后可以获得高浓度的co2，被后续的co2捕集器捕集。61.因此，本发明通过煤化学链燃烧汞脱除装置和方法，能够将载氧体与含汞的煤燃烧提供氧气，并对含汞的煤进行氧化吸附，该装置能够同时实现载氧体的循环利用，汞的回收与二氧化碳的高效捕集。62.上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。









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