一种基于光-热协同低碳绿色改性生物炭吸附CO2的装置及方法

一种基于光-热协同低碳绿色改性生物炭吸附co2的装置及方法
技术领域
1.本发明涉及燃烧烟气中co2的捕集领域，具体涉及一种基于光-热协同低碳绿色改性生物炭吸附co2的装置及方法。


背景技术：

2.自工业革命以来，化石燃料就作为一种不可替代的能源为人类提供源源不断的能量。在人类使用化石燃料的过程中不可避免地产生了温室气体，导致气候变暖、海平面上升、洪、旱、涝等自然灾害频发，严重地破坏了地球的生态平衡。因此，co2捕集、利用和封存(ccus)逐渐成为科学界和工业界的研究热点，积极研究开发燃烧烟气中co2的减排技术具有重要的战略意义。
3.截至目前，国内外开发的主流co2捕集技术主要有膜分离法、液相吸收法、吸附法、富氧燃烧法、低温分离法、化学链燃烧法、水热法和光/电化学法。
4.其中膜分离法具有过程简单和无废物产生等优点，是一种具有较好发展前景的co2捕集技术，但目前存在膜寿命短和分离纯度较低的实际问题。低温分离法具有工艺简单环保和适合大规模处理等优势，但具有能耗高和高压运行的不足，且主要用于处理高浓度co2的分离。液相吸收法主要是利用各种醇胺类有机溶剂/氨水/离子液体等实现对co2的液相吸收捕集，然后通过加热解吸等工艺实现液相吸收剂的活化再生和co2的分离，这种方法理论上可以实现吸收剂的循环使用，但实际应用中发现存在试剂损耗严重和再生能耗大等不足，部分试剂还存在腐蚀设备的问题。富氧燃烧法和化学链燃烧法主要是通过构建新型燃烧条件和燃烧方式来实现co2的捕集分离，但会对现有燃烧装置和工况产生影响，也不适合处理现存保有量巨大的锅炉/窑炉等传统燃烧装置。水热法和光/电化学法等新兴碳减排技术仍然还处于实验室探索阶段，离工业应用尚有距离。吸附脱除法因吸附剂可再生利用和脱除过程无废液产生等优点受到了国内外学术界和工程界的积极关注，已成为目前最有发展前景的co2捕集技术之一。吸附分离co2技术应用最多的是采用活性炭作为吸附剂吸附烟气中的co2，然后通过加热解吸实现吸附剂的再生和co2的回收。但该技术存在活性炭消耗量十分巨大和应用成本高昂等不足，无法实现大规模工业应用，其中开发低成本的吸附剂是该技术实现应用的关键一环。
5.生物炭(biochar)是一种来自于农林废物或者有机工业废弃物的裂解产物，具有原材料来源广﹑成本低廉和绿色环保等优势，但未经活化改性的原生物炭通常具有比表面积小和活性位点贫乏的不足，难以获得令人满意的co2吸附能力。为了提高生物炭的co2吸附性能，国内外学者通过各种物理化学活化/改性手段改善生物炭的孔隙结构或者在生物炭表面诱导产生活性位点，使其产生特殊的高活性表面。采用高温或者微波在特殊气氛下活化生物炭可有效提高生物炭的孔隙结构和比表面积，但对至关重要的活性位点的提升十分有限。目前大多研究工作主要集中在采用各种化学手段提高生物炭的表面活性位点上，且研究最多的思路主要包括：(1)采用有机醇铵类﹑氨气或者离子液体等试剂进行活化改性；
(2)采用各种金属或非金属元素进行掺杂改性；(3)采用强酸﹑强氧化剂进行氧化改性。尽管这些活化改性方法对生物炭的改性能够有效增加生物炭的比表面积或者表面活性位点，但都存在成本高昂﹑处理效果差、存在二次污染或能耗较高的问题。因此，积极探索开发新型高效绿色的生物炭改性方法具有重要的科学意义和现实意义。


技术实现要素：

6.为了克服上述发展瓶颈，本发明公开了一种基于光-热协同低碳绿色改性生物炭吸附co2的装置及方法。本发明中使用的生物炭来源广泛，成本低，还能循环使用，可以有效解决其他方法中成本高昂的问题，其次该装置中的光化学-热化学协同改性塔，其内部的气固喷嘴阵列能够有效提升活化改性生物炭的速率；位于混合反应塔顶部的悬吊式燃烧烟气喷嘴和底部的底部燃烧烟气喷嘴，能够加快气固传质速率，进而提升捕集co2的效果，同时本发明使用干法脱除技术，无废水、废液产生，也无试剂泄露风险，因而没有二次污染。
7.本发明是通过如下技术方案得以实现的：
8.一种基于光-热协同低碳绿色改性生物炭吸附co2的装置，其特征在于：包括生物炭给料装置、改性试剂容器、光化学-热化学协同改性塔、改性后生物炭定量送料器、布袋分离器、混合反应塔、燃烧烟气调温器、燃烧装置；
9.所述生物炭给料装置与光化学-热化学协同改性塔上部连通，改性试剂容器与光化学-热化学协同改性塔下部连通，光化学-热化学协同改性塔内设有位于底部的气固喷嘴阵列、吊装在顶部内壁上的多个重力热管和紫外灯管；所述光化学-热化学协同改性塔侧边设有一端与气固喷嘴阵列连通、另一端由顶部通入光化学-热化学协同改性塔的循环旁路；所述循环旁路上设有第一风机，所述循环旁路提供的循环方向是由上往下循环流动；光化学-热化学协同改性塔的出口经过改性后生物炭定量送料器、第二风机与混合反应塔连通；
10.所述混合反应塔内设有吊装在顶部的悬吊式燃烧烟气喷嘴和位于底部的底部燃烧烟气喷嘴，燃烧装置中的烟气经过燃烧烟气调温器调温后分两路管道，分别与悬吊式燃烧烟气喷嘴和底部燃烧烟气喷嘴相连通，混合反应塔的出口与布袋分离器连通。
11.上述方案中，所述布袋分离器上设置第一出口、第二出口，所述第一出口与光化学-热化学协同改性塔连通，第二出口通向大气，第二出口的管路上设有第四风机。
12.上述方案中，所述光化学-热化学协同改性塔是一个矩形截面或者圆形截面的改性反应器，所述紫外灯管、重力热管、气固喷嘴阵列中各个喷嘴成矩形阵列或圆形阵列排布。
13.上述方案中，所述紫外灯管、重力热管均吊装在光化学-热化学协同改性塔的顶部，且上下方向延伸、两者之间交替布置；所述紫外灯管、重力热管之间均等间距排列，相邻紫外灯管之间的间距是5cm-80cm，重力热管布置在紫外灯管的中心处，紫外灯管和重力热管的中心线与光化学-热化学协同改性塔的轴向中心线平行，紫外光有效波长为150nm-290nm，紫外灯管的长度为40cm-450cm，重力热管的长度与紫外灯管保持相同；所述气固喷嘴阵列中各个喷嘴之间的间距范围是5cm-30cm。
14.上述方案中，所述底部燃烧烟气喷嘴之间的间距范围是10cm-60cm，所述悬吊式燃烧烟气喷嘴的间距是底部燃烧烟气喷嘴间距的2倍，混合反应塔内悬吊式燃烧烟气喷嘴的立式悬吊管的长度范围在100cm-1500cm，所述燃烧装置经过第三风机与燃烧烟气调温器连
5.0mol/l，所述改性试剂氨水(nh3·
h2o)的投加浓度需保持在0.01mol/l-5.0mol/l，所述改性试剂的投加量按光化学-热化学协同改性塔的容积，每立方米投加100g-5000g。
32.本发明与现有技术相比，产生的有益效果是：
33.首先，本发明采用廉价的农业秸秆或有机废弃物裂解制备生物炭，并且采用实时改性生物炭的技术方案，以实现生物炭循环再利用，相比较于催化法和膜分离法，本发明技术具有极低的成本，过程绿色环保，相比于其他吸附方法更具优势，是一种低成本的co2吸附装置及方法。
34.其次，本发明所述的一种基于光-热协同低碳绿色改性生物炭吸附co2的装置及方法，co2吸附过程是在混合反应塔中利用生物炭吸附燃烧烟气中的co2，该混合反应塔具有极强的气固传质速率，比传统固定床和流化床传质速率提高一个数量级，能够极大地提高co2的吸附效率，并缩小反应器体积。
35.再次，本发明使用的干法脱除技术，整个过程不产生任何废水或废液，无试剂泄露，避免了膜分离法和催化法因膜材料和催化剂失活后产生大量固废的处理难题，因而无二次污染，符合当前国家提出的绿色可持续发展战略。
36.最后，本发明利用烟气余热和紫外光协同诱导高活性自由基改性生物炭，并且采用低能耗的混合反应塔吸附co2，由于紫外光辐射强度很低，且重力热管是快速吸收烟气中的余热，然后在其表面辐射热量，与紫外光形成光-热协同活化作用，因此该方法的能耗相比低温分离技术低3个数量级以上，因此整个装置运行所需的能耗极低，具有节能低碳的有益效果。
附图说明
37.图1是光化学-热化学协同改性塔改性生物炭吸附co2装置的整体示意图。
38.图2是光化学-热化学协同改性塔中紫外灯﹑重力热管和喷嘴的矩形布置示意图。
39.图3是光化学-热化学协同改性塔中紫外灯﹑重力热管和喷嘴的圆形布置示意图。
40.图4是混合反应塔中悬吊式燃烧烟气喷嘴和底部燃烧烟气喷嘴的矩形布置示意图。
41.图5是混合反应塔中悬吊式燃烧烟气喷嘴和底部燃烧烟气喷嘴的圆形布置示意图。
42.图中：1、生物炭给料装置，2、第一风机，3、循环旁路，4、气固喷嘴阵列，5、改性试剂容器，6、光化学-热化学协同改性塔，7、重力热管，8、紫外灯管，9、改性后生物炭定量送料器，10、布袋分离器，10-1、第一出口，10-2、第二出口，11、悬吊式燃烧烟气喷嘴，12、混合反应塔，13、底部燃烧烟气喷嘴，14、燃烧烟气调温器，15、燃烧装置，16、第二风机，17、第三风机，18、第四风机。
具体实施方式
43.下面结合附图具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。
44.如图1所示，本发明所述的基于光-热协同低碳绿色改性生物炭吸附co2的装置，包括生物炭给料装置1、改性试剂容器5、光化学-热化学协同改性塔6、改性后生物炭定量送料
器9、布袋分离器10、混合反应塔12、燃烧烟气调温器14、燃烧装置15。
45.所述生物炭给料装置1与光化学-热化学协同改性塔6上部连通，用于向光化学-热化学协同改性塔6内输送生物炭；改性试剂容器5与光化学-热化学协同改性塔6下部连通，为光化学-热化学协同改性塔6提供改性试剂；
46.所述光化学-热化学协同改性塔6内设有位于底部的气固喷嘴阵列4、吊装在顶部内壁上的多个重力热管7和紫外灯管8，如图2或图3中所示，所述气固喷嘴阵列4中各个喷嘴之间的间距范围是5cm-30cm，所述紫外灯管8、重力热管7之间均等间距排列，紫外灯管8之间的间距是5cm-80cm，重力热管7布置在紫外灯管8的中心处，紫外灯管8和重力热管7的中心线与光化学-热化学协同改性塔6的轴向中心线平行，紫外光有效波长为150nm-290nm，紫外灯管8的长度为40cm-450cm，重力热管7的长度与紫外灯管8保持相同。
47.所述光化学-热化学协同改性塔6侧边设有一端与气固喷嘴阵列4连通、另一端由顶部通入光化学-热化学协同改性塔6的循环旁路3；所述循环旁路3上设有第一风机2，用于加快循环旁路管道内的流速；所述循环旁路3提供的循环方向是由上往下循环流动，在此循环方向基础上，改性试剂和生物炭不断地从气固喷嘴阵列4中向上喷出，进一步加快生物炭活化改性的效率；
48.图1中光化学-热化学协同改性塔6的出口经过改性后生物炭定量送料器9、第二风机16与混合反应塔12连通，活化改性后的生物炭由此进入混合反应塔12，所述第二风机16用于加快活化改性后的生物炭气固混合物进入改性后生物炭定量送料器9的速度；
49.所述混合反应塔12内设有吊装在顶部的悬吊式燃烧烟气喷嘴11和位于底部的底部燃烧烟气喷嘴13，所述底部燃烧烟气喷嘴13之间的间距范围是10cm-60cm，所述悬吊式燃烧烟气喷嘴11的间距是底部燃烧烟气喷嘴13间距的2倍，混合反应塔12内悬吊式燃烧烟气喷嘴11的立式悬吊管的长度范围在100cm-1500cm；
50.在图1中，所述燃烧装置15经过第三风机17与燃烧烟气调温器14连通，所述第三风机17用于加速烟气速率；燃烧装置15中的烟气经过燃烧烟气调温器14调温后分两路管道，分别与悬吊式燃烧烟气喷嘴11和底部燃烧烟气喷嘴13相连通；
51.混合反应塔12的出口与布袋分离器10连通，所述布袋分离器10上设置第一出口10-1、第二出口10-2，所述第一出口10-1与光化学-热化学协同改性塔6连通，使用过的生物炭在布袋分离器10中分离后，由第一出口10-1被重新送入光化学-热化学协同改性塔6，进行再次活化改性；第二出口10-2通向大气，第二出口10-2的管路上设有第四风机18，处理过co2的烟气经过第四风机18加速通往大气中。
52.如图4或图5所示，呈矩形或圆形布置的位于混合反应塔12内的底部燃烧烟气喷嘴13向上喷射气固混合物，而位于混合反应塔12顶部的悬吊式燃烧烟气喷嘴11可以横向喷射气固混合物，两者协同构成混合式或交叉喷动扩散气固混合物，进一步强化提升气固混合和传质扩散反应速率。
53.基于上述装置的吸附co2方法，包括以下步骤：
54.(1)、利用烟气余热和紫外光协同诱导改性试剂，所述改性试剂中含有过氧化氢(h2o2)、过硫酸盐(s2o
82-)、氨水(nh3·
h2o)中的一种或多种，改性试剂经紫外光诱导后产生包含的羟基自由基(
·
oh)、硫酸根自由基(so
4-)和/或氮氢自由基(
·
nh)的活性自由基，活性自由基攻击生物炭(biochar)表面产生活性位点(active sites)，在光化学-热化学协同
改性塔6完成对生物炭的活化改性，具体过程如方程(1)-(6)表示：
[0055][0056][0057][0058]n·
oh+biochar——
→
biochar-active sites
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0059]
nso4·-+biochar——
→
biochar-active sites
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0060][0061]
(2)、改性后的生物炭进入混合反应塔12与来自燃烧装置15中含co2的烟气在混合反应塔12发生吸附反应，利用活性位点(active sites)吸附捕集烟气中的co2，通过加热解吸co2并实现回收后封存或利用，具体过程如方程(7)和(8)表示：
[0062][0063][0064]
吸附后失去活性位点(active sites)的生物炭被通入布袋分离器10分离出来，而脱除co2后的燃烧烟气则排入大气。
[0065]
该吸附co2的方法中，所述布袋分离器10中分离出的生物炭经过第一出口10-1重新通入光化学-热化学协同改性塔6内循环使用，再经过方程(1)-(6)实现改性再生，使其重新获得吸附co2的能力。
[0066]
该吸附co2的方法中，根据生物炭在使用中损耗率的不同，所述光化学-热化学协同改性塔6内生物炭改性的时间是10min-180min，生物炭的改性温度需保持在30℃-150℃，循环旁路3的循环速率为20m3/h-600m3/h，紫外光辐射强度为30μw/cm
2-300μw/cm2，重力热管的热辐射强度为50w/m
2-600 w/m2。
[0067]
该吸附co2的方法中，所述混合反应塔12内的反应温度需保持在25℃-140℃，来自燃烧装置15烟气中co2的入口浓度不大于60％，混合反应塔12内生物炭脱除co2的停留时间是10s-180s，进入底部燃烧烟气喷嘴13的燃烧烟气量占总燃烧烟气量的20％-30％，而进入悬吊式燃烧烟气喷嘴11的燃烧烟气量占总燃烧烟气量的70％-80％。
[0068]
该吸附co2的方法中，所述使用的生物炭为农业秸秆裂解的生物炭，或城市污泥、水果壳皮和工业有机废弃物裂解的生物炭；所述农业秸秆为稻杆、麦秆、棉花秆、玉米秆、稻壳、玉米芯中的一种或多种；生物炭的投加量按光化学-热化学协同改性塔6容积的每立方米投加0.4kg-16kg，生物炭的粒径需保持在0.02μm-1.2μm。
[0069]
该吸附co2的方法中，所述改性试剂过氧化氢(h2o2)的投加浓度需保持在0.02mol/l-8.0mol/l，所述改性试剂过硫酸盐(s2o
82-)的投加浓度需保持在0.01mol/l-5.0mol/l，所述改性试剂氨水(nh3·
h2o)的投加浓度需保持在0.01mol/l-5.0mol/l，所述改性试剂的投加量按光化学-热化学协同改性塔6的容积，每立方米投加100g-5000g。
[0070]
实施例1：
[0071]
光化学-热化学协同改性塔的改性温度为55℃，重力热管的热辐射强度为100w/m2，紫外光辐射强度和波长分别为20μw/cm2和254nm，改性试剂nh3的投加浓度为0.05mol/l，改性试剂h2o2的投加浓度为0.1mol/l，改性试剂na2s2o8的投加浓度为0.05mol/l，改性试剂
h2o2的投加浓度为0.1mol/l，改性试剂nh3的投加量为每立方米光化学-热化学协同改性塔投加60g，改性试剂na2s2o8的投加量为每立方米光化学-热化学协同改性塔投加120g，改性试剂h2o2的投加量为每立方米光化学-热化学协同改性塔投加60g，生物炭为微波水蒸气活化稻秆炭，生物炭浓度为0.5kg/每立方米混合反应塔，混合反应塔内吸附co2的运行温度为25℃。模拟燃烧烟气中co2的浓度为10％。在小型实验系统上的测试结果为：燃烧烟气中co2的吸附脱除效率为35.7％。
[0072]
实施例2：
[0073]
光化学-热化学协同改性塔的改性温度为55℃，重力热管的热辐射强度为100w/m2，紫外光辐射强度和波长分别为40μw/cm2和254nm，改性试剂nh3的投加浓度为0.05mol/l，改性试剂h2o2的投加浓度为0.1mol/l，改性试剂na2s2o8的投加浓度为0.05mol/l，改性试剂h2o2的投加浓度为0.1mol/l，改性试剂nh3的投加量为每立方米光化学-热化学协同改性塔投加60g，改性试剂na2s2o8的投加量为每立方米光化学-热化学协同改性塔投加120g，改性试剂h2o2的投加量为每立方米光化学-热化学协同改性塔投加60g，生物炭为微波水蒸气活化稻秆炭，生物炭浓度为0.5kg/每立方米混合反应塔，混合反应塔内吸附co2的运行温度为25℃。模拟燃烧烟气中co2的浓度为10％。在小型实验系统上的测试结果为：燃烧烟气中co2的吸附脱除效率为42.2％。
[0074]
实施例3：
[0075]
光化学-热化学协同改性塔的改性温度为55℃，重力热管的热辐射强度为100w/m2，紫外光辐射强度和波长分别为40μw/cm2和254nm，改性试剂nh3的投加浓度为0.1mol/l，改性试剂h2o2的投加浓度为0.2mol/l，改性试剂na2s2o8的投加浓度为0.1mol/l，改性试剂h2o2的投加浓度为0.1mol/l，改性试剂nh3的投加量为每立方米光化学-热化学协同改性塔投加60g，改性试剂na2s2o8的投加量为每立方米光化学-热化学协同改性塔投加120g，改性试剂h2o2的投加量为每立方米光化学-热化学协同改性塔投加60g，生物炭为微波水蒸气活化稻秆炭，生物炭浓度为0.5kg/每立方米混合反应塔，混合反应塔内吸附co2的运行温度为25℃。模拟燃烧烟气中co2的浓度为10％。在小型实验系统上的测试结果为：燃烧烟气中co2的吸附脱除效率为56.8％。
[0076]
实施例4：
[0077]
光化学-热化学协同改性塔的改性温度为55℃，重力热管的热辐射强度为100w/m2，紫外光辐射强度和波长分别为60μw/cm2和254nm，改性试剂nh3的投加浓度为0.1mol/l，改性试剂h2o2的投加浓度为0.2mol/l，改性试剂na2s2o8的投加浓度为0.1mol/l，改性试剂h2o2的投加浓度为0.1mol/l，改性试剂nh3的投加量为每立方米光化学-热化学协同改性塔投加60g，改性试剂na2s2o8的投加量为每立方米光化学-热化学协同改性塔投加120g，改性试剂h2o2的投加量为每立方米光化学-热化学协同改性塔投加60g，生物炭为微波水蒸气活化稻秆炭，生物炭浓度为0.5kg/每立方米混合反应塔，混合反应塔内吸附co2的运行温度为25℃。模拟燃烧烟气中co2的浓度为10％。在小型实验系统上的测试结果为：燃烧烟气中co2的吸附脱除效率为64.9％。
[0078]
实施例5：
[0079]
光化学-热化学协同改性塔的改性温度为55℃，重力热管的热辐射强度为100w/m2，紫外光辐射强度和波长分别为60μw/cm2和254nm，改性试剂nh3的投加浓度为0.2mol/l，
改性试剂h2o2的投加浓度为0.3mol/l，改性试剂na2s2o8的投加浓度为0.2mol/l，改性试剂h2o2的投加浓度为0.1mol/l，改性试剂nh3的投加量为每立方米光化学-热化学协同改性塔投加60g，改性试剂na2s2o8的投加量为每立方米光化学-热化学协同改性塔投加120g，改性试剂h2o2的投加量为每立方米光化学-热化学协同改性塔投加60g，生物炭为微波水蒸气活化稻秆炭，生物炭浓度为0.5kg/每立方米混合反应塔，混合反应塔内吸附co2的运行温度为25℃。模拟燃烧烟气中co2的浓度为10％。在小型实验系统上的测试结果为：燃烧烟气中co2的吸附脱除效率为76.0％。
[0080]
实施例6：
[0081]
光化学-热化学协同改性塔的改性温度为55℃，重力热管的热辐射强度为100w/m2，紫外光辐射强度和波长分别为80μw/cm2和254nm，改性试剂nh3的投加浓度为0.2mol/l，改性试剂h2o2的投加浓度为0.3mol/l，改性试剂na2s2o8的投加浓度为0.2mol/l，改性试剂h2o2的投加浓度为0.1mol/l，改性试剂nh3的投加量为每立方米光化学-热化学协同改性塔投加100g，改性试剂na2s2o8的投加量为每立方米光化学-热化学协同改性塔投加180g，改性试剂h2o2的投加量为每立方米光化学-热化学协同改性塔投加100g，生物炭为微波水蒸气活化稻秆炭，生物炭浓度为0.5kg/每立方米混合反应塔，混合反应塔内吸附co2的运行温度为25℃。模拟燃烧烟气中co2的浓度为10％。在小型实验系统上的测试结果为：燃烧烟气中co2的吸附脱除效率为84.5％。
[0082]
实施例7：
[0083]
光化学-热化学协同改性塔的改性温度为55℃，重力热管的热辐射强度为100w/m2，紫外光辐射强度和波长分别为80μw/cm2和254nm，改性试剂nh3的投加浓度为0.2mol/l，改性试剂h2o2的投加浓度为0.3mol/l，改性试剂na2s2o8的投加浓度为0.2mol/l，改性试剂h2o2的投加浓度为0.1mol/l，改性试剂nh3的投加量为每立方米光化学-热化学协同改性塔投加100g，改性试剂na2s2o8的投加量为每立方米光化学-热化学协同改性塔投加180g，改性试剂h2o2的投加量为每立方米光化学-热化学协同改性塔投加100g，生物炭为微波水蒸气活化稻秆炭，生物炭浓度为1.0kg/每立方米混合反应塔，混合反应塔内吸附co2的运行温度为25℃。模拟燃烧烟气中co2的浓度为10％。在小型实验系统上的测试结果为：燃烧烟气中co2的吸附脱除效率为89.6％。
[0084]
实施例8：
[0085]
光化学-热化学协同改性塔的改性温度为55℃，重力热管的热辐射强度为100w/m2，紫外光辐射强度和波长分别为80μw/cm2和254nm，改性试剂nh3的投加浓度为0.2mol/l，改性试剂h2o2的投加浓度为0.3mol/l，改性试剂na2s2o8的投加浓度为0.2mol/l，改性试剂h2o2的投加浓度为0.1mol/l，改性试剂nh3的投加量为每立方米光化学-热化学协同改性塔投加100g，改性试剂na2s2o8的投加量为每立方米光化学-热化学协同改性塔投加180g，改性试剂h2o2的投加量为每立方米光化学-热化学协同改性塔投加100g，生物炭为微波水蒸气活化稻秆炭，生物炭浓度为1.0kg/每立方米混合反应塔，混合反应塔内吸附co2的运行温度为25℃。模拟燃烧烟气中co2的浓度为10％。在小型实验系统上的测试结果为：燃烧烟气中co2的吸附脱除效率为92.8％。
[0086]
综上所述八个实施例中，实施例8具有最佳的同时脱除效果，可作为优选方案。
[0087]
所述实例为本发明的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发
明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于光-热协同低碳绿色改性生物炭吸附co2的装置，其特征在于：包括生物炭给料装置(1)、改性试剂容器(5)、光化学-热化学协同改性塔(6)、改性后生物炭定量送料器(9)、布袋分离器(10)、混合反应塔(12)、燃烧烟气调温器(14)、燃烧装置(15)；所述生物炭给料装置(1)与光化学-热化学协同改性塔(6)上部连通，改性试剂容器(5)与光化学-热化学协同改性塔(6)下部连通，光化学-热化学协同改性塔(6)内设有位于底部的气固喷嘴阵列(4)、吊装在顶部内壁上的多个重力热管(7)和紫外灯管(8)；所述光化学-热化学协同改性塔(6)侧边设有一端与气固喷嘴阵列(4)连通、另一端由顶部通入光化学-热化学协同改性塔(6)的循环旁路(3)；所述循环旁路(3)上设有第一风机(2)，所述循环旁路(3)提供的循环方向是由上往下循环流动；光化学-热化学协同改性塔(6)的出口经过改性后生物炭定量送料器(9)、第二风机(16)与混合反应塔(12)连通；所述混合反应塔(12)内设有吊装在顶部的悬吊式燃烧烟气喷嘴(11)和位于底部的底部燃烧烟气喷嘴(13)，燃烧装置(15)中的烟气经过燃烧烟气调温器(14)调温后分两路管道，分别与悬吊式燃烧烟气喷嘴(11)和底部燃烧烟气喷嘴(13)相连通，混合反应塔(12)的出口与布袋分离器(10)连通。2.根据权利要求1所述的基于光-热协同低碳绿色改性生物炭吸附co2的装置，其特征在于：所述布袋分离器(10)上设置第一出口(10-1)、第二出口(10-2)，所述第一出口(10-1)与光化学-热化学协同改性塔(6)连通，第二出口(10-2)通向大气，第二出口(10-2)的管路上设有第四风机(18)。3.根据权利要求1所述的基于光-热协同低碳绿色改性生物炭吸附co2的装置，其特征在于：所述光化学-热化学协同改性塔(6)是一个矩形截面或者圆形截面的改性反应器，所述紫外灯管(8)、重力热管(7)、气固喷嘴阵列(4)中各个喷嘴成矩形阵列或圆形阵列排布；所述紫外灯管(8)、重力热管(7)均吊装在光化学-热化学协同改性塔(6)的顶部，且上下方向延伸、两者之间交替布置；所述紫外灯管(8)、重力热管(7)之间均等间距排列，相邻紫外灯管(8)之间的间距是5cm-80cm，重力热管(7)布置在紫外灯管(8)的中心处，紫外灯管(8)和重力热管(7)的中心线与光化学-热化学协同改性塔(6)的轴向中心线平行，紫外光有效波长为150nm-290nm，紫外灯管(8)的长度为40cm-450cm，重力热管(7)的长度与紫外灯管(8)保持相同；所述气固喷嘴阵列(4)中各个喷嘴之间的间距范围是5cm-30cm。4.根据权利要求1所述的基于光-热协同低碳绿色改性生物炭吸附co2的装置，其特征在于：所述底部燃烧烟气喷嘴(13)之间的间距范围是10cm-60cm，所述悬吊式燃烧烟气喷嘴(11)的间距是底部燃烧烟气喷嘴(13)间距的2倍，混合反应塔(12)内悬吊式燃烧烟气喷嘴(11)的立式悬吊管的长度范围在100cm-1500cm，所述燃烧装置(15)经过第三风机(17)与燃烧烟气调温器(14)连通。5.基于权利要求1-4中的任一项所述装置的吸附co2方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、利用烟气余热和紫外光协同诱导改性试剂，所述改性试剂中含有过氧化氢(h2o2)、过硫酸盐(s2o
82-)、氨水(nh3·
h2o)中的一种或多种，改性试剂经紫外光诱导后产生包含的羟基自由基(
·
oh)、硫酸根自由基(so
4-)和/或氮氢自由基(
·
nh)的活性自由基，活性自由基攻击生物炭(biochar)表面产生活性位点(active sites)，在光化学-热化学协同改性塔(6)完成对生物炭的活化改性，具体过程如方程(1)-(6)表示：
n
·
oh+biochar
→
biochar-active sites
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)nso4·-+biochar
→
biochar-active sites
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)nnh
·
+biochar
→
biochar-active sites
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)(2)、改性后的生物炭进入混合反应塔(12)与来自燃烧装置(15)中含co2的烟气在混合反应塔(12)发生吸附反应，利用活性位点(active sites)吸附捕集烟气中的co2，通过加热解吸co2并实现回收后封存或利用，具体过程如方程(7)和(8)表示：并实现回收后封存或利用，具体过程如方程(7)和(8)表示：吸附后失去活性位点(active sites)的生物炭被通入布袋分离器(10)分离出来，而脱除co2后的燃烧烟气则排入大气。6.根据权利要求5所述的吸附co2方法，其特征在于：所述布袋分离器(10)中分离出的生物炭经过第一出口(10-1)重新通入光化学-热化学协同改性塔(6)内循环使用，再经过方程(1)-(6)实现改性再生，使其重新获得吸附co2的能力。7.根据权利要求5所述的吸附co2方法，其特征在于：根据生物炭在使用中损耗率的不同，所述光化学-热化学协同改性塔(6)内生物炭改性的时间是10min-180min，生物炭的改性温度需保持在30℃-150℃，循环旁路(3)的循环速率为20m3/h-600m3/h，紫外光辐射强度为30μw/cm
2-300μw/cm2，重力热管的热辐射强度为50w/m
2-600 w/m2。8.根据权利要求5所述的吸附co2方法，其特征在于，所述混合反应塔(12)内的反应温度需保持在25℃-140℃，来自燃烧装置(15)烟气中co2的入口浓度不大于60％，混合反应塔(12)内生物炭脱除co2的停留时间是10s-180s，进入底部燃烧烟气喷嘴(13)的燃烧烟气量占总燃烧烟气量的20％-30％，而进入悬吊式燃烧烟气喷嘴(11)的燃烧烟气量占总燃烧烟气量的70％-80％。9.根据权利要求5所述的吸附co2方法，其特征在于，所述使用的生物炭为农业秸秆裂解的生物炭，或城市污泥、水果壳皮和工业有机废弃物裂解的生物炭；所述农业秸秆为稻杆、麦秆、棉花秆、玉米秆、稻壳、玉米芯中的一种或多种；生物炭的投加量按光化学-热化学协同改性塔(6)容积的每立方米投加0.4kg-16kg，生物炭的粒径需保持在0.02μm-1.2μm。10.根据权利要求5所述的吸附co2方法，其特征在于，所述改性试剂过氧化氢(h2o2)的投加浓度需保持在0.02mol/l-8.0mol/l，所述改性试剂过硫酸盐(s2o
82-)的投加浓度需保持在0.01mol/l-5.0mol/l，所述改性试剂氨水(nh3·
h2o)的投加浓度需保持在0.01mol/l-5.0mol/l，所述改性试剂的投加量按光化学-热化学协同改性塔(6)的容积，每立方米投加100g-5000g。

技术总结
一种基于光-热协同低碳绿色改性生物炭吸附CO2的装置及方法，该方法是采用改性试剂在紫外光和温度协同作用下诱导释放羟基自由基﹑硫酸根自由基﹑氮氢自由基联合改性生物炭产生高活性位点。改性后的生物炭进入混合反应塔与来自燃烧装置的含CO2烟气在塔内发生吸附反应，反应后的生物炭通过布袋分离器分离后，重新送入光化学-热化学协同改性塔内改性再生，而分离CO2后的燃烧烟气则排入大气。该装置及方法中生物炭可循环利用、且混合反应塔气固传质速率高，能高效吸附CO2。。。


技术研发人员：刘杨先 王燕 张永春 张军 潘剑锋
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：2022.11.16
技术公布日：2023/8/9