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，尤其涉及一种稻壳气化耦合硅酸钠捕集电厂烟气二氧化碳的系统和方法，属于二氧化碳捕集和减排技术领域。
背景技术：
近年来，温室气体排放造成的全球变暖问题成为国际社会普遍关注的焦点。全球变暖将引发诸多灾难，如：冰川消融、海平面上升、极端天气频繁出现、新的疾病频繁出现、生物多样性锐减、粮食危机、新的政治问题及战争等。
中国是世界co2排放第一大国，目前每年排放总量达90多亿吨，成为全球履约的焦点。燃煤电站是最大的co2排放源，占我国co2总排放量的70％左右。因此，加强燃煤电站co2减排技术的研究和储备已成为我国科技和经济发展的当务之急。
co2捕集是控制燃煤电厂co2排放的有效途径。根据技术路线不同，co2捕集可分为燃烧前捕集技术、富氧燃烧技术和燃烧后捕集技术。
燃烧后捕集技术因设备组件开发、替换和升级不影响电厂自身运行状态，可直接对现有电厂加以改造迅速投产，短期内最有望实现规模化工业应用。
燃烧后捕集技术分支众多，主要包括化学吸收法、物理分离法、膜分离法和低温分离法等。在众多燃烧后捕集技术中，化学吸收法(包括湿法和干法)的co2捕集效率高、工艺适应性好，是目前大规模co2捕集应用极具潜力的技术之一。其中，碱金属基吸收剂干法co2捕集技术因具有脱碳性能好、反应能耗低、可再生利用、循环稳定性强、对设备无腐蚀且无二次污染等优势，被视为电厂烟气co2捕集极具前景的新技术。但碱金属基吸收剂的成本问题依然是其co2减排规模化应用的最大制约瓶颈。
为有效降低co2捕集技术成本，研究学者开始尝试采用废弃生物质材料作为廉价载体合成co2吸收剂。如：油棕榈树衍生炭、咖啡残渣衍生炭、木屑衍生炭、稻壳灰衍生多孔硅胶和生物质直燃电厂飞灰等。稻壳为典型的废弃生物质材料，其燃烧后灰分中硅含量可高达90％，其在多孔硅胶和硅铝分子筛载体合成制备co2吸收剂中具有潜在的应用价值。但是，稻壳灰提纯sio2制备介孔硅胶和硅铝分子筛工艺流程复杂，且成本相对较高，并不适用于co2捕集的规模化应用。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供一种稻壳气化耦合硅酸钠捕集电厂烟气二氧化碳的系统和方法，提出利用稻壳直接气化产生sio2，并添加碱金属碳酸盐na2co3高效合成na2sio3吸收剂，以实现电厂烟气co2捕集。该方法简单可行、稻壳利用效率高、工艺流程简单，可有效降低电厂co2捕集成本，能解决稻壳堆积排放引起的环境污染问题，同时可通过稻壳气化产生合成燃气等增值产品，真正实现了废弃物的资源化利用。该方案可显著降低大规模co2减排的经济成本，提高技术可行性，为低成本co2减排提供新途径。
本发明提供的技术方案如下：
一种稻壳气化耦合硅酸钠捕集电厂烟气二氧化碳的系统，包括：
稻壳气化耦合na2sio3制备炉、荷电器、电场辅助式流化反应器、物料分离装置、溶解器、过滤器和四套换热器；其中，
所述稻壳气化耦合na2sio3制备炉输入端为合成原料、o2和na2co3溶液的入口，输出端连接荷电器和第一换热器；
所述荷电器的输出端连接电场辅助式流化反应器；
所述电场辅助式流化反应器内设第二换热器，其输出端连接物料分离装置；
所述物料分离装置为两级旋风分离器，一级旋风分离器上部输出端连接二级旋风分离器，二级旋风分离器上部输出端连接第三换热器，所述两级旋风分离器下部输出端均回连至电场辅助式流化反应器，并另设管道通过第四换热器连接溶解器；
所述溶解器输出端连接过滤器；
所述过滤器输出端回连至稻壳气化耦合na2sio3制备炉；
所述第四换热器另设管道连接至第一换热器，第一换热器另设管道连接至第二换热器，第二换热器另设管道回连至所述电场辅助式流化反应器的底端。
优选的，所述稻壳气化耦合na2sio3制备炉为两段式，上部输入端设置喷嘴，为合成原料和o2的入口，下部输入端设置喷淋器，为na2co3溶液的入口。
优选的，所述荷电器和电场辅助式流化反应器内设绝缘带，所需电能由电厂内部提供。
一种稻壳气化耦合硅酸钠捕集电厂烟气二氧化碳的方法，包括以下步骤：
步骤1)合成原料先经过破碎，再送入所述稻壳气化耦合na2sio3制备炉中，向炉中通入o2，进行气化，同时加入na2co3溶液，反应后合成na2sio3吸收剂和可燃气体；
步骤2)na2sio3吸收剂进入荷电器，在所述荷电器中进行粉体带电处理形成带电的na2sio3吸收剂，再进入电场辅助式流化反应器中；可燃气体通过第一换热器进行换热后合成燃气；
步骤3)来自电厂除尘器出口烟道的烟气由第四换热器进入系统，经过第一换热器和第二换热器三级换热后由电场辅助式流化反应器底端输入，与带电的na2sio3吸收剂反应，脱除烟气中co2；
步骤4)脱除co2后的烟气与反应后的吸收剂一同进入所述两级旋风分离器进行气固分离，分离后的吸收剂一部分通过两级旋风分离器下部输出端输送回电场辅助式流化反应器，回收利用未反应的na2sio3，另一部分经第四换热器换热后输送至溶解器；分离后的烟气已脱除co2，可通过第三换热器进行换热后进入烟囱直接排出；
步骤5)向溶解器中补充来自冷凝器出口的水和na2co3粉末，与换热后的na2sio3吸收剂一同搅拌均匀，将形成的混合体系输送至过滤器中进行固液分离，滤液回送至稻壳气化耦合na2sio3制备炉中循环利用，排出的富含硅铝的滤渣可直接排出并收集用于建材行业。
优选的，步骤1)所述气化过程包括干燥、热解、氧化和还原四个阶段，其中，干燥温度为50-100℃，热解温度为150-300℃，氧化温度为300-1200℃，还原温度为600-900℃。
优选的，步骤1)所述合成原料为稻壳或小麦茎叶。
优选的，步骤1)所述合成na2sio3的反应温度为900℃；
优选的，步骤3)所述脱除co2的反应温度为700℃。
本发明的有益效果如下：
1、本发明方法中利用废弃生物质稻壳作为原材料，通过热解活化形成sio2载体，并通过na2co3溶液修饰高效合成na2sio3吸收剂，以脱除电厂烟气中co2，同时将co2转变为高品质合成燃气，反应后还生成可循环利用的na2co3和富硅铝材料，变废为宝，可实现固废高效利用，节约了系统脱碳成本。
2、本发明提供的稻壳气化耦合硅酸钠捕集电厂烟气二氧化碳的系统可与燃煤电厂高效对接。系统所需热量由燃煤电厂提供，且能量可在系统内高效循环利用。如：稻壳气化热量来源于稻壳氧化阶段，na2sio3吸收剂合成的热量由稻壳氧化阶段提供，na2sio3吸收剂脱除co2的反应热量由燃煤电站的烟气和反应后循环的吸收剂、合成燃气及电场辅助式流化反应器床体换热提供。该方法充分利用了稻壳自身热量和燃煤电厂余热资源，提高了系统运行的经济性。
3、稻壳气化耦合na2sio3制备炉中喷淋器将回收的na2co3溶液喷入制备炉中循环利用，同时在炉中形成低温还原区，可提高稻壳热解的气化产率，有利于高品质燃气的合成，并有效提高系统的经济效益。
4、通过荷电器使na2sio3粉末在电场作用下充分荷电，再通过电场辅助式流化反应器实现吸收剂颗粒平稳流态化，提高了co2捕集效率。
附图说明
图1为本发明的稻壳气化耦合硅酸钠捕集电厂烟气二氧化碳的系统结构示意图；
主要附图标记的说明：
装置设备包括：1、输送机；2、粉碎器；3、增压泵；4、稻壳气化耦合na2sio3制备炉；5、第一换热器；6、荷电器；7、电场辅助式流化反应器；8、第二换热器；9、一级旋风分离器；10、二级旋风分离器；11、第三换热器；12、第四换热器；13、溶解器；14、过滤器。
物料循环包括：a、合成原料；b、粉碎后的合成原料；c、氧气；d、na2co3溶液；e、可燃气体；f、换热后合成燃气；g、空气；h、na2sio3吸收剂；i、带电的na2sio3吸收剂；j、来自除尘器出口烟道的烟气；k、co2脱除后烟气；l、经气固分离和换热后的co2脱除后烟气；m、经气固分离后的一部分吸收剂；n、经气固分离后的另一部分吸收剂；o、来自冷凝器出口的水；p、na2co3粉末；q、滤渣。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述。
实施例1
如图1所示，本发明提供一种稻壳气化耦合硅酸钠捕集电厂烟气二氧化碳的系统，包括：
稻壳气化耦合na2sio3制备炉4、荷电器6、电场辅助式流化反应器7、物料分离装置、溶解器13、过滤器14和四套换热器；其中，
所述稻壳气化耦合na2sio3制备炉4输入端为合成原料、o2和na2co3溶液的入口，输出端连接荷电器6和第一换热器5；
所述荷电器6的输出端连接电场辅助式流化反应器7；
所述电场辅助式流化反应器7内设第二换热器8，其输出端连接物料分离装置；
所述物料分离装置为两级旋风分离器，一级旋风分离器9上部输出端连接二级旋风分离器10，二级旋风分离器10上部输出端连接第三换热器11，所述两级旋风分离器下部输出端均回连至电场辅助式流化反应器7，并另设管道通过第四换热器12连接溶解器13；
所述溶解器13输出端连接过滤器14；
所述过滤器14输出端回连至稻壳气化耦合na2sio3制备炉4；
所述第四换热器12另设管道连接至第一换热器5，第一换热器5另设管道连接至第二换热器8，第二换热器8另设管道回连至所述电场辅助式流化反应器7的底端。
优选的，所述稻壳气化耦合na2sio3制备炉4主要由反应床、喷嘴和喷淋器组成，具体设计为两段式，上部设置喷嘴喷入破碎的合成原料和氧气，下部设置喷淋器喷入na2co3溶液，保证炉内温度降至还原反应温度区间(900℃)，以提高合成原料气化产率。所述气化主要包括干燥、热解、氧化和还原四个阶段：干燥温度为50-100℃，主要为水分的析出；热解温度为150-300℃，主要为挥发分的析出，生成c、h2、h2o、co、ch4和co2等产物；氧化温度为300-1200℃，可释放大量热量，为其他三个过程提供热量；还原温度为600-900℃，产物主要为co和h2。
所述稻壳气化耦合na2sio3制备炉4中na2sio3吸收剂的合成原料为硅含量较高的稻壳或小麦茎叶等生物质。所述硅含量较高的生物质高温热解气化后形成sio2，与添加的na2co3溶液反应形成粉末状的na2sio3吸收剂(式1)：
na2co3+sio2→na2sio3+co2(式1)
本发明提供一种利用稻壳气化耦合na2sio3脱除电厂烟气中co2的方法，包括：
合成原料a经过输送机1和粉碎器2破碎后送入稻壳气化耦合na2sio3制备炉4，向炉中通入氧气c，粉碎后的合成原料b在所述稻壳气化耦合na2sio3制备炉4中进行气化产生可燃气体e(主要包括co，ch4和h2)和sio2(式2-7)：
chxoy→n1c+n2h2+n3h2o+n4co+n5co2+n6ch4(式2)
c+o2→co2(式3)
2c+o2→2co(式4)
c+co2→2co(式5)
c+h2o→h2+co(式6)
co+3h2→h2o+ch4(式7)
向炉中加入na2co3溶液d与sio2反应产生na2sio3吸收剂h；可燃气体通过第一换热器5进行换热后合成燃气f；通过增压泵3输入空气g作为气力输送的介质，将产生的粉末状的na2sio3送入荷电器6，在所述荷电器6中进行粉体带电处理形成带电na2sio3吸收剂i再进入电场辅助式流化反应器7中；来自除尘器出口烟道的烟气j经过三级换热(由第四换热器12进入系统，经过第一换热器5和第二换热器8三级换热)后由电场辅助式流化反应器7底端输入，与带电na2sio3反应脱除烟气中co2(式8)；
na2sio3+co2→na2co3+sio2(式8)
将co2脱除后烟气和反应后的吸收剂k(含na2co3，na2sio3和sio2等)输运至两级旋风分离器进行气固分离；将经气固分离后的一部分吸收剂m输送至电场辅助式流化反应器7(na2sio3循环利用)，经气固分离后的另一部分吸收剂n送至溶解器13(na2co3循环利用)；向溶解器13中补充来自冷凝器出口的水o，循环的吸收剂和补充的na2co3粉末p在加注水的溶解器13中搅拌溶解，混合体系输送至过滤器14中，在所述过滤器14进行固液分离，滤液(主要为na2co3溶液d)送入稻壳气化耦合na2sio3制备炉4中循环利用。一方面，na2co3与稻壳灰分中的sio2反应生成na2sio3粉末补充消耗的吸收剂；另一方面，反应产生的co2可作为稻壳气化的氧化剂，产生合成燃气。滤渣q(主要含sio2)直接排出用于建材生产；经气固分离和换热后的co2脱除后烟气l进入烟囱直接排出。
所述电场辅助式流化反应器7内设第二换热器8。所述第二换热器8中的吸热介质来自经三级换热器换热后的除尘器出口烟道气，烟气在第二换热器8中加热后由底部送入电场辅助式流化反应器7。
所述电场辅助式流化反应器7外设两级旋风分离器，用于提高气固分离效率，减少烟气中的固体颗粒数量；所述荷电器6内设六边形荷电管，用于对na2sio3粉末进行带电处理；所述电场辅助式流化反应器7内设电极板，在床体内形成电场，在烟气气流作用下使na2sio3粉末达到平稳流化的效果。
所述溶解器13上部加入水和na2co3粉末，水来自电厂锅炉冷凝器出口。所述过滤器14的滤液(主要含na2co3)送入稻壳气化耦合na2sio3制备炉4，一方面，滤液中na2co3与稻壳灰分中的sio2反应生成na2sio3补充消耗的吸收剂，另一方面na2sio3吸收剂合成过程中产生的co2可作为稻壳气化的氧化剂，制取合成燃气。
稻壳与na2co3溶液在炉中反应合成na2sio3的温度为900℃，所述反应的热量由稻壳气化提供。所合成的na2sio3吸收剂脱除co2的反应温度为700℃，所述反应的热量由燃煤电站的烟气与反应后循环的吸收剂、合成燃气及电场辅助式流化反应器7换热提供。
所述稻壳气化耦合na2sio3制备炉4中na2sio3吸收剂的合成原理为稻壳中的硅盐前驱体与喷入的na2co3溶液高温反应得到na2sio3和co2。
所述荷电器6采用管式静电装置原理，内部设置绝缘带避免带电粒子发生电中和，荷电器6所需电能由电厂内部提供。
所述电场辅助式流化反应器7内部设置绝缘带，避免发生电中和，反应器所需电能由电厂内部提供。
na2sio3吸收剂表面吸附co2的过程为放热化学反应，其反应温度为700℃左右。在实际co2脱除过程中，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na2sio3脱碳效率降低。所述电场辅助式流化反应器7内设第二换热器8，经三级换热器换热后的除尘器出口烟道气作为冷却介质，通过烟气吸热为床层降温，以维持脱碳温度在最佳反应温度区间(700℃左右)内，提高na2sio3的脱碳效率。
如上所述，本发明实施方式提供的装置和方法，通过对稻壳进行活化并引入na2co3溶液修饰，随后荷电处理合成na2sio3吸收剂，可有效捕集烟气中co2；吸收剂合成过程中产生的co2与稻壳热解产物反应可产生高品质燃气；na2sio3吸收剂与co2反应后生成的na2co3可循环应用于吸收剂合成，产生的富硅铝材料可应用于建材行业。