CN101277749A - 从干燥气流中除去二氧化硫的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种从干燥气流中除去二氧化硫的方法，其包括如下步骤：(a)将包含过氧化氢的液体加入气流中，由过氧化氢和二氧化硫形成硫酸和(b)形成的硫酸浓缩、吸收或气溶胶沉淀。混入的包含过氧化氢的液体与干燥气流在小于0.3秒的过程中以使得注入的液体在气流中基本均匀分布的方式混合。此外，本发明涉及一种用于从干燥气流中除去二氧化硫的设备，其包含至少一个用于加入包含过氧化氢液体的雾化喷嘴和在气流流动、至少一个雾化喷嘴方向上下游排列的过滤器或气溶胶分离器，每种情况下至少一个雾化喷嘴在300－350cm2横截面上排列。

Description

从干燥气流中除去二氧化硫的方法和设备
本发明涉及一种从干燥气流中除去二氧化硫的方法。另外，本发明涉及一种用于进行所述方法的设备。
需要从干燥气流中除去二氧化硫，这是由于对于释放至环境的气流中可容许的二氧化硫(SO2)和三氧化硫(SO3)排放立法规定了日益更高的要求。
目前，SO3例如通过使用约98％浓度的硫酸吸收而除去。气流夹带的硫酸气溶胶可使用过滤器从气流中除去。通常使用由各种烛组成的烛式过滤器。
然而，存在于气流中的SO2不被硫酸吸收。因此，SO2必须通过不同方法从气流中除去。除去SO2的已知方法为浓度为10-40g H2O2/l的过氧化氢(H2O2)溶液中的化学吸收。这种化学吸收例如描述于VDI Berichte NO.730，1989，第331-347页中。在这种情况下，使包含SO2的粗气体与包含H2O2的洗涤液在两级无规则填料洗涤器中接触。两级无规则填料洗涤器逆流操作并具有两个分离的液体回路。粗气体进入洗涤器的较低部分。包含H2O2的溶液与硫酸液体循环料流混合以形成包含H2O2的洗涤液并通过滴流系统施用于上部无规则填料上。吸收于其中并完全反应成H2SO4的具有SO2且包含H2O2的洗涤液进入中间池。包含H2O2的洗涤液作为硫酸液体循环料流从中间池中取出，再次与包含H2O2的溶液混合并施用于上部无规则填料。从上部无规则填料中滴下的溶液除硫酸外，还包含未完全反应的H2O2。一部分溶液从中间池中进入洗涤器的较低部分并在那里滴在下部无规则填料上。这里剩余的H2O2与来自粗气体的二氧化硫反应以形成硫酸。穿过下部无规则填料的液体收集在池中。清洁硫酸从池中取出。一部分硫酸施用于液体回路中的下部无规则填料上。因此提纯的粗气体仅仍包含如此少量的二氧化硫使得气体可释放至环境。
由现有技术已知的从干燥气流中除去二氧化硫的另一种可能方法为使气流穿过催化剂床。在催化剂的存在下，二氧化硫氧化以形成三氧化硫。产生的三氧化硫可通过硫酸从气流中洗去。然而，在这种情况下，SO2含量达不到小于50-100ppm的范围。
包含二氧化硫的废气例如在由硫制备硫酸中产生。在这种情况下，硫首先氧化成二氧化硫。二氧化硫在另一个步骤中氧化成三氧化硫。三氧化硫吸收于硫酸中。酸浓度借助加入水而设定。在此方法中，二氧化硫转化率为约99.5-99.8％。未反应的SO2释放至环境中。这种制备硫酸的方法例如描述于Schwefel Schwefeldioxid
Figure A20068003656800051
[Sulfur sulfur dioxidesulfuric acid]，Lurgi公司由Ullmann
Figure A20068003656800052
der technischenChemie[Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry]重印，1982中。
本发明的目的是提供一种降低SO2排放的可选择方法。
该目的通过一种从干燥气流中除去二氧化硫的方法实现，其包括如下步骤：
(a)将包含过氧化氢的液体加入气流中，由过氧化氢和二氧化硫形成硫酸和
(b)形成的硫酸浓缩、吸收或气溶胶沉淀，
其包括将混入的包含过氧化氢的液体与干燥气流在小于0.3秒的过程中以使得注入的液体在气流中基本均匀分布的方式混合。
这里，“基本均匀分布”意指在流动横截面面积的任何点上注入气流中的液体的量偏离平均浓度最大10％。
在优选实施方案中，混入的包含过氧化氢的液体在小于0.03秒的过程中以使得混入的液体在气流中基本均匀分布的方式与干燥气流混合。
包含二氧化硫的干燥气流可例如源自于纯硫燃烧、含硫物质的燃烧或含硫矿石的焙烧。然而，优选本发明方法用于源自于硫酸的制备的气流。
存在于气流中的SO2通常在催化剂的存在下氧化成SO3并然后吸收作为H2SO4或发烟硫酸。本发明方法优选用于SO2浓度小于1体积％的气流以降低在废气流中的排放。
加入气流中的包含过氧化氢的液体通常包含至多60重量％过氧化氢，优选混入的液体包含20-60重量％过氧化氢。
干燥气流的温度优选足够高使得加入的液体至少部分在气流中蒸发。优选气流的温度为20-140℃，优选30-140℃。
在优选实施方案中，额外将硫酸加入气流中。加入的硫酸优选至少90％纯，更优选至少95％纯，尤其是至少98％纯。硫酸可存在于额外加入过氧化氢的液体中，或从其中独立加入的气流中。如果硫酸存在于包含过氧化氢的液体中，则硫酸优选直至将液体加入气流中以前才立即加入。
液体在气流中的快速和均匀分布优选通过借助雾化喷嘴将液体喷入气流中而实现。需要将液体与气流在小于0.3秒过程中快速混合，使得过氧化氢不会在它与二氧化硫反应以前分解。
在分别加入含过氧化氢液体和硫酸的情况下，硫酸还优选借助雾化喷嘴喷入气流中。
适合的雾化喷嘴为本领域技术人员已知的任何喷嘴。雾化由于待雾化液体的高速度或借助喷嘴组件的快速旋转而进行，其中高速度例如通过相应的喷嘴横截面收缩而产生。这种具有快速旋转喷嘴组件的喷嘴例如为高速旋转圆锥体(bell)。雾化液体的另一个可能性为除液体外，使气流穿过雾化喷嘴。液体通过气流夹带并因此雾化成细滴。为了非常细的雾化，适合的喷嘴尤其是其中液体通过气流雾化的雾化喷嘴，或具有相对小孔，需要相应高液体压力的喷嘴。
如果硫酸和包含过氧化氢的液体分别加入气流中，则雾化喷嘴优选以喷雾锥(spray cone)相互混合的方式排列。优选，雾化喷嘴以其中加入硫酸的雾化喷嘴与加入包含过氧化氢液体的雾化喷嘴交替的方式排列。
通常，所有雾化喷嘴在一个平面中排列。然而，也可例如在一个平面中排列加入包含过氧化氢液体的雾化喷嘴，并在偏移第一个平面的另一个平面中排列加入硫酸的雾化喷嘴。雾化喷嘴优选以环形排列，在这种情况下，两个雾化喷嘴之间的距离通常应不大于约20cm。因此，至少一个雾化喷嘴在小于320cm2的流动横截面上排列。除了雾化喷嘴的环形排列外，雾化喷嘴的任何其他所需顺序或无序排列也是可能的。然而，这里还需要确保两个雾化喷嘴之间的距离不超过约20cm，使得甚至在雾化喷嘴不以环形排列的情况下，每种情况下至少一个雾化喷嘴排列在300-350cm2的流动横截面上。
存在于气流中的二氧化硫的基本完全反应通过加入的过氧化氢的量优选等于所有存在于气流中的二氧化硫反应的化学计量所需量的1.0-2.5倍而实现。基本完全反应意指在反应以后气流中二氧化硫含量为最大200ppm，优选最大100ppm。
在二氧化硫与过氧化氢反应中形成的硫酸在气流中浓缩出。因此，形成然后可从气流中分离出的滴。它们例如使用过滤器或气溶胶分离器分离。适合的过滤器为用于使气溶胶滴从气流中分离出的任何过滤器。优选的过滤器为包含相邻排列的滤烛的烛式过滤器。过滤器优选以使它对于粒度为至少3μm的粒子具有至少100％的分离效力，对于粒度大于1μm的粒子具有大于95％的分离效力的方式选择。适合的过滤器例如为根据制造商数据对于粒度为大于1μm的粒子具有100％的分离效力，对于粒度大于0.5μm的粒子具有98％的分离效力的那些。其他适合的过滤器根据制造商数据例如对粒度为大于3μm的粒子具有100％的分离效力，对于粒度大于1μm的粒子具有95％的分离效力。适合的过滤器材料为对发生的温度稳定且不受产生的硫酸侵袭的任何材料。优选的材料例如为玻璃棉、聚丙烯或聚酯纤维。对于硫酸的分离，特别优选玻璃棉。
除过滤器外，本领域技术人员已知的常规气溶胶分离器也可用于分离硫酸。这种气溶胶分离器例如为成圈或拉圈针织物。作为气溶胶分离器，也可使用与H2SO4吸收器相似的的方式具有液体回路的无规则填料。适于液体回路的液体例如为硫酸。这些气溶胶分离器必须还由对于发生的温度稳定且不受硫酸侵袭的材料制成。
为实现气流与包含过氧化氢的液体的改善混合物，在优选实施方案中气流在加入包含过氧化氢的液体以后穿过湍流生成器。这里适合的湍流生成器为本领域技术人员已知的任何湍流生成器，例如以与气体流动方向呈横向的任何所需角度排列的通道-壁装式叶片或棒，不规则成圈或拉圈针织物，或任何所需的商业常规湍流器。优选的湍流生成器为由玻璃纤维制得的拉环针织物。
在另一个实施方案中，包含二氧化硫的干燥气流，在加入包含过氧化氢的液体上游穿过吸收器填料(absorber packing)。在吸收器填料中，同样存在于气流中的三氧化硫通常从气流中除去。三氧化硫通过吸收于硫酸中而除去。为此，硫酸以使得硫酸膜在各个填料元件上形成的方式滴在吸收器填料上。适合的填料例如为规整填料或无规则填料。适于规整填料或无规则填料的材料为对发生的温度稳定且不被硫酸分解的任何材料。优选用于规整填料或无规则填料的材料为陶土。
除包含过氧化氢的液体的进料点上游的吸收器填料排列外，也可首先将包含过氧化氢的液体加入气流中，然后使气流穿过吸收器填料。
混合加入气流中的包含过氧化氢的液体的进一步改进可通过气流速度在加入包含过氧化氢的液体上游增加而实现。气流速度的增加优选通过流动横截面的收缩而产生。流动横截面的收缩可连续或以横截面突然收缩的形式而进行。这里优选流动横截面的连续收缩。文丘里管例如具有其中速度适当地增加的适合几何形状。如果除横截面收缩外，使用湍流生成器，则它优选排列在最窄的横截面上。
本发明进一步涉及一种用于根据上述方法从干燥气流中除去二氧化硫的设备。该设备包含至少一个用于加入包含过氧化氢液体的雾化喷嘴和在气流流动方向上至少一个雾化喷嘴下游排列的过滤器或气溶胶分离器，每种情况下至少一个雾化喷嘴在345.16cm2横截面上排列。本发明设备优选在气体流动方向上吸收器填料的下游排列，其中如果合适的话，洗去存在于气体中的三氧化硫。在气体入口区域内，在本发明构造设备内，排列截锥形截面。在截锥形截面内，由于流动速度增加，气体的流动横截面收缩。
在优选实施方案中，用于将包含过氧化氢的液体加入气流中的至少一个雾化喷嘴位于截锥形插入物的最窄横截面的区域内。
在优选实施方案中，本发明设备以这样的方式设计使得至少一个雾化喷嘴区域内的流动横截面小于气体入口点的流动横截面。特别优选，流动横截面在流动方向上由气体入口点直到雾化喷嘴连续降低。流动横截面的连续降低确保没有孔点位于气流中，在此形成没有进行气体交换的涡流中心。
优选，包含过氧化氢的液体在最窄横截面的区域上游加入。加入包含过氧化氢的液体的下游截面的进一步降低进一步增加气流速度并因此改进混合。另外，可在至少一个雾化喷嘴下游连接湍流生成器，这增加气流的湍流，因此，同样改善气流与包含过氧化氢的液体的混合。在优选实施方案中，湍流生成器在过滤器或气溶胶分离器的上游流动方向上的最小横截面区域内排列。
设备的优选构造方式使得在加入包含过氧化氢的液体下游，流动横截面在气流到达过滤器或气溶胶分离器以前连续或以突然扩大的形式增加。流动横截面的增加降低气流速度并同时增加湍流。由于增加的湍流，改善液体与气体的混合。流动速度的降低避免硫酸由过滤器或气溶胶分离器经由滴夹带由设备中释放。
本发明将参考附图在下文更详细地描述。
单图显示根据本发明构成的用于从干燥气流中除去二氧化硫的设备。
用于从干燥气流中除去二氧化硫的设备1包含气流流动的外壳2。
在图中显示的实施方案中，流动方向以箭头3显示的气流首先流过吸收器填料4。在吸收器填料4中，将如果合适的话存在于气流中的三氧化硫使用硫酸洗去。为此，硫酸经由硫酸进料管线5供入，其中面向吸收器填料4的一侧上的出口孔位于其中。除这里显示的硫酸经由孔供入硫酸进料管线5中的实施方案外，也可将硫酸例如通过雾化喷嘴分布在吸收器填料上。任何本领域已知的用于供入硫酸的其他可能方法也是可能的。
在气流已穿过吸收器填料以后，它进入用于除去二氧化硫的设备1。在进入区域中存在气流流过的构成的截锥形截面6。截锥形截面6的排列方式使得流动横截面在流过截锥形截面6期间降低。由于流动横截面降低，气体速度增加。
雾化喷嘴7在截锥形截面6中排列。雾化喷嘴优选位于环线8上。包含过氧化氢的液体经由环线8供入雾化喷嘴7中。将包含过氧化氢的液体经由雾化喷嘴7加入气流中。在这里所显示的实施方案的情况下，包含过氧化氢的液体经由进料9供入环线8中。另外硫酸可经由第二个进料10加入同样经由雾化喷嘴7加入气流中的环线中。在包含过氧化氢的液体和如果合适的话硫酸加入气流中以后，它流过湍流生成器11。湍流生成器11提供气流中的湍流并因此改善气流与加入的液体的混合。在流动方向上湍流生成器11的下游，配置在外壳2端的截锥形截面6结束，因此横截面增加。这增强湍流并且实现因此气体与其中存在的液体的额外混合。另外，由于横截面增大，气体流动速度降低。
过滤器12排列在湍流生成器11的上面。在过滤器12中，分离出作为气溶胶滴存在于气流中的硫酸。硫酸首先通过二氧化硫与过氧化氢反应，其次硫酸经由雾化喷嘴7加入气流中以及作为由来自吸收器填料4由气流夹带的气溶胶而存在于其中而形成。在图中所示的实施方案中，过滤器12为烛式过滤器。这包含众多滤烛13。然而，代替烛式过滤器，可使用本领域技术人员已知的可从气流中分离出液滴的任何其他所需过滤器。代替过滤器12，也可使用气溶胶分离器。
通过过滤器12从气流中分离出的硫酸由过滤器12中滴下并收集在围绕截锥形截面6的硫酸池14中。一部分存在于硫酸池14中的硫酸经由出口15取出。另一部分硫酸经由泵17位于其中的管线16供入，供入第二个进料10并然后经由环线8和雾化喷嘴喷入气流中。如果需要的话可经由开在管线16的硫酸进料18补充其他硫酸。
清除了二氧化硫的气流在分离出硫酸以后经由出口孔19流出设备1并可例如经由烟囱释放至环境。
实施例
比较例
将压缩空气雾化喷嘴插入直径为1400mm的气体管线中。经由压缩空气雾化喷嘴，将过氧化氢浓度为30重量％的过氧化氢水溶液喷入气体管线中。50000m3/小时工艺气体在约50℃下流过气体管线。工艺气体包含2075千摩尔/小时N2，134千摩尔/小时O2，0.39千摩尔/小时SO2和小于60mg/Nm3SO3。经由压缩空气雾化喷嘴供入的过氧化氢水溶液的量为50升/小时。
观察到没有降低废气中的二氧化硫排放。
实施例1
在长度500mm内径为150mm，其中经200mm长度成圆锥形至内径为50mm并然后经400mm长度扩张成150mm的内径并且恰在管直径减低点上游从出口处1300mm长，直径为150mm的截面连接其上的文丘里管中，排列喷嘴直径(孔)为0.4mm的空气雾化喷嘴。浓度为30重量％过氧化氢的过氧化氢水溶液经由空气雾化喷嘴喷入气流中。约100m3/h包含580mgSO2/Nm3的干燥气流流过文丘里管。气流的温度为约50℃。加入过氧化氢水溶液的速率为100ml/h。在最窄横截面区域内，作为湍流生成器插入钢棉。在文丘里管末端，测定二氧化硫含量为380mgSO2/Nm3。在实验过程中，SO2含量连续降低。6小时后测定二氧化硫含量为230mgSO2/Nm3。
实施例2
实验在与实施例1中相同的条件下进行，但加入180ml/h过氧化氢水溶液并且气流中SO2含量为480mgSO2/Nm3。在实验开始时，在文丘里管末端测定二氧化硫含量为208mgSO2/Nm3；在6小时的实验期间以后，二氧化硫含量在检测限度以下。
符号列表
1设备
2外壳
3气体流动方向
4吸收器填料
5硫酸进料管线
6截锥形截面
7雾化喷嘴
8环线
9进料
10第二个进料
11湍流生成器
12过滤器
13滤烛
14硫酸池
15出口
16管线
17泵
18硫酸进料
19出口孔

Claims (22)

1.一种从干燥气流中除去二氧化硫的方法，其包括如下步骤：
(a)将包含过氧化氢的液体加入气流中，由过氧化氢和二氧化硫形成硫酸和
(b)形成的硫酸浓缩、吸收或气溶胶沉淀，其包括将混入的包含过氧化氢的液体与干燥气流在小于0.3秒的过程中以使得注入的液体在气流中基本均匀分布的方式混合。
2.根据权利要求1的方法，其中所述混入的包含过氧化氢的液体与干燥气流在小于0.03秒的过程中以使得混入的液体在气流中基本均匀分布的方式混合。
3.根据权利要求1或2的方法，其中所述混入的液体至少部分在气流中蒸发。
4.根据权利要求1-3中任一项的方法，其中所述混入的液体包含20-60重量％过氧化氢和40-80重量％水。
5.根据权利要求1-4中任一项的方法，其中另外将硫酸加入气流中。
6.根据权利要求5的方法，其中所述硫酸存在于包含过氧化氢的液体中。
7.根据权利要求5的方法，其中所述包含过氧化氢的液体和硫酸分别加入气流中。
8.根据权利要求1-7中任一项的方法，其中所述包含过氧化氢的液体和如果合适的话硫酸经由雾化喷嘴喷入气流中。
9.根据权利要求8的方法，其中在分别加入硫酸和包含过氧化氢的液体的情况下，雾化喷嘴以喷雾锥相互混合的方式排列。
10.根据权利要求8的方法，其中至少一个雾化喷嘴排列在300-350cm2流动横截面上。
11.根据权利要求1-10中任一项的方法，其中加入的过氧化氢的量等于用于转化所有存在于气流中的二氧化硫的化学计量所需量的1.0-2.5倍。
12.根据权利要求1-11中任一项的方法，其中所述在二氧化硫与过氧化氢反应中形成的硫酸在过滤器或气溶胶分离器中从气流中分离出。
13.根据权利要求1-12中任一项的方法，其中所述气流在加入包含过氧化氢的液体以后穿过湍流生成器。
14.根据权利要求1-13中任一项的方法，其中所述干燥的包含二氧化硫的气流在加入包含过氧化氢的液体的上游流过吸收器填料，其中可额外存在的三氧化硫从气流中除去。
15.根据权利要求1-14中任一项的方法，其中所述气流的速度在加入包含过氧化氢的液体的上游增加。
16.根据权利要求15的方法，其中所述速度的增加通过流动横截面的收缩而产生。
17.一种用于通过根据权利要求1-16中任一项的方法从干燥气流中除去二氧化硫的设备，其包含至少一个用于加入包含过氧化氢液体的雾化喷嘴和在气流流动方向上至少一个雾化喷嘴下游排列的过滤器或气溶胶分离器，每种情况下至少一个雾化喷嘴在300-350cm2横截面上排列。
18.根据权利要求17的设备，其中所述在至少一个雾化喷嘴区域中的流动横截面小于气体入口点的流动横截面。
19.根据权利要求18的设备，其中所述流动横截面在流动方向上由气体入口点直到至少一个雾化喷嘴连续降低。
20.根据权利要求17-19中任一项的设备，其中所述流动横截面在过滤器或气溶胶分离器上游流动方向上连续或以突然扩张的形式增加。
21.根据权利要求17-20中任一项的设备，其中一个湍流生成器连接在至少一个雾化喷嘴下游。
22.根据权利要求21的设备，其中所述湍流生成器排列在过滤器或气溶胶分离器上游流动方向上的最小横截面区域内。
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