CN101489650A - 用于从向上流动的气体流去除气态污染物的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种用于从气体流去除气态污染物的方法和设备。该方法包括将吸附剂沿逆流方向注入气体流的紊流区域。该设备包括竖直的吸附塔，其具有会聚入口锥部、喉部和扩散出口锥部。涡流发生器安装于喉部中，与气流同轴。无阻碍环形发生器围绕涡流存在。通过这种方式，气体流的稳流区域围绕设备的中心纵向轴线产生，气体的层流沿着设备的壁产生。

Description

用于从向上流动的气体流去除气态污染物的设备和方法
技术领域
本发明涉及气体清洁领域。特别地讲，本发明涉及通过与吸附剂材料接触而从向上流动的气体流去除气态污染物。
背景技术
本发明涉及一种设备和方法，其用于通过与颗粒或粉末状固体材料接触而从气体流去除气态污染物，所述固体材料能够吸附相应的污染物。
尽管本发明适于清洁任何类型的气体，但本发明的主要应用针对的是清洁化学、冶金和废物处理行业中的气体，以便减少排向大气的有害排放物。
所谓的气体流干式涤气(dry-scrubbing)系统，即通过气体流与颗粒吸收剂相接触而工作、不包含任何液体的清洁系统，已被广泛用于去除气态污染物。干式涤气，涉及将吸附剂材料夹带于气体流中，在各式各样的设备中被执行。所夹带的吸附剂材料，与由此吸附的杂质一起随后通过适宜的装置例如袋式过滤器而与气体流分离。
一种已知的干式涤气方法公开于US 3,780,497，其中氧化铝颗粒在吸附塔的基部被引入，含氟气体流在吸附塔中向上流动。吸附塔的基部安置在会聚-扩散文丘里装置的紧邻上方，该文丘里装置被构造成在吸附塔中建立紊流。
这种方法的缺点在于气体-固体的低效接触，原因是氧化铝颗粒与气体流之间的接触时间相对较短。因此，氧化铝颗粒需要被再循环，例如最高达20次，并且被重新引入塔中以实现高涤气效率。此外，由于高再循环率的结果，打碎或减小氧化铝颗粒尺寸的现象很明显，这进一步降低了涤气效率。
用于从气体去除污染物的另一方法描述于国际申请公开文献WO96/15846，其中含氟物质例如氟化氢在逆流式吸附过程中以两级的形式与气体分离。在第一级，气体被已经部分耗用的氧化铝处理。氧化铝与气体分离并且用于铝生产。气体然后被供应到第二吸附级，并且被基本上未用过的氧化铝处理，从而氧化铝在第二级的下游被分离并传输到第一级，而气体被排放到周围大气中。
这种吸附方法的缺点在于质量传递低效，原因在于固态和气态的直流。此外，WO 96/15846中的吸附方法基于至少两级，这会增加进给再循环氧化铝所需的能耗。
SU 146 43 37公开了一种方法，用于从电解铝生产废气中去除氟化氢和树脂，其中引入悬浮体，同时先增加再减小气体速度。当气体速度被增加到1.5-15倍时，由于需要对废气进行额外压缩而导致吸附区中的流体阻力增加，因而要求额外的能量内流来克服流体阻力。当气体速度减小时，通常会发生粗氧化铝颗粒沉积，因而要求从吸附区去除这种颗粒。
US 5,658,544公开了一种吸附过程，用于污染物去除时的质量传递速率，其中施加气体流使其从下方进入反应器，气体流的速度分量基本上沿向上方向和周向，并且将颗粒材料例如氧化铝沿逆流方向进给到反应器中，从而接触气体流并且因此吸附颗粒材料上的污染物。处理后的吸附剂的细粒部分被回收，以使其被气体流夹带，并且在移动到集尘室之前从反应器去除。
US 5,658,544的结果是，相当大数量的引入反应器的吸附剂颗粒也被赋予大致周向的速度分量，并且撞击反应器壁。这种颗粒不能接触气体流，并且气体流的涤气效率因而降低。另外，高磨蚀性吸附剂撞击反应器壁的金属部分导致壁腐蚀。此外，吸附剂中掺杂着从反应器壁蚀掉的杂质例如铁颗粒。
改进引入向上流动的气体流中的固体颗粒的混合的另一方法描述于EP 0 733。在该专利申请描述的设备中，通过使气体流经文丘里喷嘴，向上流动气体被引入容器，所述喷嘴包括会聚进口、喉部和相对长的扩散器(扩散出口)。将与气体流混合进入容器的固体材料通过位于文丘里喷嘴的扩散器的上部的入口引入。根据该申请，所要解决的技术问题是，如何保持固体不沿着扩散器的壁下滑，避免其不与向上流动的气体流完全混合，以及防止最终阻断文丘里喷嘴的喉部。解决方案是在固体入口下方使扩散器的壁的斜度局部变化，以重新引导沿着扩散器的壁下滑的固体颗粒，并将颗粒朝向喉部中心转向，在此颗粒被流动气体向上携带。
US 4,535,778(对应于FR 2 534 831)描述了一种方案，用来解决使粉末状物质与流动的气体流均匀混合的问题。该方案是提供多个喷嘴(其数量取决于气体流的直径)，这些喷嘴均匀地分布在气体流动的管道的横截面上。所述喷嘴指向与气体的流动方向相反的方向，从而降固体材料喷射到迎面而来的气体流中。
解决固体颗粒与气体流混合问题的另一专利申请为DE 43 40908。该文献中描述的方案是在借助于一或多个喷嘴引入固体颗粒之前在气体流的整个横截面上产生高紊流。
本发明的目的是提供一种吸附方法和设备，用以提高污染物承载气体流的涤气效率。
本发明的另一目的是提供一种设备，用于将吸附剂喷射到污染物承载气体流的紊流区域中，同时沿着气体流所流经的反应器的壁产生气体层流。
本发明的附加目的是提供一种单级吸附方法和设备。
本发明的附加目的是提供一种吸附方法和设备，其能够克服现有技术中的局限性。
本发明的本发明的附加目的是提供一种吸附方法和设备，其相对于现有技术需要减小量的吸附剂。
本发明的本发明的附加目的是提供一种吸附设备，其在结构上相对简单，因而制造和维护成本低。
通过下面的描述，本发明的其他目的和优点将会清楚地展现出来。
发明内容
本发明提供了一种反应器，用于从向上流动的气体流去除气态污染物，包括：
a)竖直的吸附塔，其具有会聚入口锥部、喉部和扩散出口锥部，气体流可通过其相对于竖直定位的平面以范围在0-45度的角度流动-这样的流动角度范围以下被称作＂可向上流动＂；
b)入口管，吸附剂材料通过所述入口管而被引入所述吸附塔的扩散出口锥部，其特征在于，所述设备还包括：
c)壳体，其与所述气体流流体连通，并且同轴安装于所述喉部中，所述壳体限定了穿过所述壳体的内部的主气体流路径和位于壳体与塔壁之间的环形间隙中的外周气体流路径，所述间隙的厚度被选择为适于产生层流式外周气体流；以及
d)涡流发生器，其适于安装在所述壳体的内部，以在所述壳体的下游在出口锥部中产生所述气体流的紊流区域，其中，
e)吸附剂材料通过所述入口管引入所述紊流区域中，所述吸附剂材料借助于所述紊流区域而被散布在整个气体流中，同时借助于所述层流式外周气体流而被防止撞击塔壁。
本发明涉及这样一种反应器，其中反应发生在局部空间中，该局部空间中被充填某种材料，该材料通常为气态，可以包含在固体颗粒中。术语＂反应＂这里指的是通过吸附而实现或促进的任何现象，即，并不必然是化学现象，而是说物理现象或二者的组合也是可以的。引入反应器的吸附剂材料适于从气体流去除气态污染物。术语＂气态污染物＂不但指蒸发的液体，还可以指挥发的固体物质。
涡流发生器优选包括叶片元件，用于在涡流发生器下游在主气体流中产生涡流，所述叶片元件相对于所述塔的纵向轴线倾斜，例如倾斜5至15度的角度。
所述间隙的横截面面积优选从会聚入口锥部至喉部逐渐缩减。
在喉部附近所述间隙的横截面面积为喉部横截面面积的5至30％。
本发明还涉及一种用于从向上流动的气体流去除气态污染物的方法，包括：
a)引导向上流动的气体流通过竖直的吸附塔，所述吸附塔具有会聚入口锥部、喉部和扩散出口锥部；
b)使所述气体流分支进入主气体流路径和外周气体流路径，所述主气体流路径穿过同轴安装于所述喉部中的圆柱形壳体的内部，所述外周气体流路径位于所述壳体与所述吸附塔的壁之间的环形间隙中，位于所述壳体与所述吸附塔的壁之间的所述间隙被选择为适于产生层流式外周气体流；
c)使所述主气体流流经安装在所述壳体的内部的涡流发生器，从而在所述壳体的下游在所述出口锥部中产生紊流区域；以及
d)将吸附剂材料通过入口管引入所述紊流区域，所述吸附剂材料被散布在所述气体流的整个所述紊流区域中，同时借助于所述层流式外周气体流而被防止撞击所述吸附塔的壁。
吸收剂在紊流区域中的驻留时间为吸附剂在层流式外周气体流中的驻留时间的2至20倍。
优选地，外周气体流在从塔壁向内的位置与紊流区域混合，从而提高涤气效率。
含有吸附的杂质的夹带吸附剂颗粒随后与气体流分离。
实施本发明方法的适宜流动条件为：气体流具有范围在0至300℃的温度和范围在0.6至1.5kg/m3的密度，且在喉部中以范围在0.6至25m/s的速度流动。
附图说明
在附图中：
图1是根据本发明的设备的示意性正视图，显示了传送至吸附塔的气体流中的紊流区域的产生；
图2是层流式外周气体流和相邻的紊流式主体气体流之间的边界层的示意图。
具体实施方式
本发明包括一种方法和设备，用于从气体流去除气态污染物，其中沿逆流方向将吸附剂注入气体流的紊流区域，同时沿着反应器的壁产生气体层流，从而防止吸附剂颗粒撞击到反应器的壁。
本发明的反应器显示于图1中，并且总体上被赋予附图标记10。反应器10包括：竖直的吸附塔(柱)8，其具有会聚入口锥部1、喉部2和扩散出口锥部3；涡流发生器4，其同轴安装于吸附塔喉部2中；以及入口管6，通过其吸附剂材料被引入出口锥部3。涡流发生器4基本上沿着喉部2的整个长度延伸，向下延伸进入会聚入口锥部1中。涡流发生器4具有环形金属壳体13，并且包括多个叶片元件15，这些叶片元件布置在壳体内部。每个叶片元件15相对于水平平面倾斜角度α，该角度的范围为75-85度。涡流发生器4借助于多个金属片材制成的板件(未示出)，例如2-4个板件，安装于吸附塔8的喉部2中，以使得气体流向上移动通过这些板件时基本上不受干扰。每个金属片材制成的板件的端部在一侧焊接在涡流发生器4的壳体13上，在另一侧焊接在反应器壁12的内表面上。
环形间隙5形成在涡流发生器4的外周与反应器壁12之间，该间隙的横截面面积从会聚入口锥部1向着喉部2逐渐缩减。气体混合物的流动条件：温度范围为0-300℃、密度范围为0.6-1.5kg/m3、在喉部2中流动速度范围为0.6至25m/s，适于借助于反应器10和通过入口管6引入的吸附剂材料实现反应。随着气体流G被向上供应至反应器10，对应于环形间隙5的横截面面积与喉部2的横截面面积之比的一部分P的气体流流经间隙，由于适宜选择的流动条件而形成层流式外周气体流。作为流经逐渐缩窄的间隙5的结果，外周气体流P的速度增加。没有流经环形间隙5的剩余气体部分流经涡流发生器4，与叶片元件15发生接触，并且在涡流发生器4下游产生涡流V。
在喉部附近间隙5的横截面面积为喉部2的横截面面积的5-30％。当间隙5的横截面面积小于喉部2的横截面面积的5％时，外周气体流P的流体阻力增加，而外周气体流P的流速变得不足以防止吸附剂颗粒碰撞到反应器壁12。相反，当间隙5的横截面面积大于喉部2的横截面面积的30％时，涡流V中的动量传输能力减小，因此吸附剂颗粒和涡流V之间的接触时间减少，导致涤气效率低。
能够吸附气体流G所承载的污染物的颗粒或粉末状吸附剂材料A，例如活性炭、氢氧化钙或氧化铝，经过入口管6借助于重力输送到扩散锥部3，以使得吸附剂材料A在入口管排放端的速度范围为0.1-5m/s。吸附剂A的表观密度，即其重量与颗粒体积(该体积包括颗粒表面上的孔和气体包含物的体积)之比，范围在0.3-2.0g/cm3，其真密度(real density)，即其重量与颗粒体积减去颗粒表面上的孔和气体包含物的体积之比，范围在1-4g/cm3，吸附剂在气体流中的浓度范围在0.100-0.500g/m3。为了实现最佳涤气效率，入口管6相对于水平面的倾角范围在40-75°，入口管在反应器穿入点与排放点之间的长度的范围为反应器在喉部2处的直径的0.2-0.5倍，入口管6的排放点与涡流发生器4的排放点之间的竖直距离的范围在0.05-0.20m，反应器壁12与从入口管12的排放点之间的水平距离的范围在1.1L(其中L为环形间隙5的宽度)至0.45d(其中d是喉部2的直径)。
吸附剂材料A被排放到涡流V中，然后借助于涡流的湍动作用而被均匀地扩散到整个气体流中并被气体流夹带。借助于由涡流发生器4引发的湍动，气体流的气体分子在扩散锥部3中的平均驻留时间范围在0.5-1秒，吸附剂材料的颗粒与气体流的气体分子之间的平均接触时间范围在5-15秒。可以理解，吸附剂颗粒和气体流之间的接触时间相对于现有技术方法增加到大约10倍，而气体分子驻留时间基本上与现有技术方法相等。
尽管由于在涡流V中混合而添加了磨蚀性吸附剂材料的周向定向的速度分量，但气体-吸附剂混合物可以有利地防止撞击到反应器壁12。如示于图2，层流式外周气体流P沿着反应器壁12竖直向上指向，并且为吸附剂-气体混合物的周向运动提供阻力。外周气体流P用作增大反应器壁12和涡流V之间边界层的厚度的手段。由于摩擦而存在于任何边界层的剪力的持续作用会产生从边界至气体流中心部分的速度梯度。沿着外周气体流P和涡流V之间的层式边界层25形成的速度梯度趋向于减缓吸附剂颗粒在边界层的前进。从而可以防止吸附剂颗粒以明显的速度撞击在反应器壁12上，这种撞击会引起反应器壁磨蚀和颗粒被污染。为了在靠近入口管的区域维持层式边界层，该管应当布置成减阻形式，以确保最小扰动气体流。
在从层式边界层25向内的位置，即在朝向吸附塔8的纵向轴线17(图1)的径向上，气体流变得不稳定，最终形成湍流边界层T，在此气体以随机无控制的方式移动。外周气体流P在紊流边界层T处与吸附剂-气体涡流V混合，并且可以实现吸附剂颗粒和气体流之间增加的接触时间，该接触时间可高达15秒。
通过吸附剂颗粒和气体流之间这样的接触时间，涤气效率，或污染物被吸附的比例，也相对于现有技术被提高。当采用根据本发明的设备和方法时，可获得95-99％的干式涤气效率，而现有技术反应器所能达到的最大干式涤气效率仅为70-90％。干式涤气效率是气体流速度和吸附剂供应量的函数，吸附剂供应量可产生气态和固态之间的相应数量的接触表面。然而，涡流发生器4和反应器壁12之间的外周气体流P(图1)的速度对涤气效率有显著影响。一般来说，只需要一个将吸附剂引入吸附塔中的周期；然而，吸附剂引入周期的数目可以是5-8，取决于吸附剂材料的比表面面积(specific surface area)。由于可防止吸附剂材料撞击反应器壁，因此可防止吸附剂材料被污染，这样，吸附剂材料可以有利地通过多个吸附剂引入周期而被再利用。
含有吸附的杂质的夹带吸附剂颗粒随后通过适宜装置，例如袋式过滤器，而与气体流分离。
上述吸附方法适合于许多不同的用途，包括在化学、冶金和废物处理行业中清洁气体，特别是废气。
一种适宜的应用是用于废物转换设备的再循环系统，这种系统公开于同一申请人的共同未决的国际申请公开文献WO 03/069227中。在该系统中，从后处理装置收集的残余物被重新引入设备中，从而残余物暴露于设备的高温区。大部分的危险排放物，包括重金属，通过产生固化玻璃化矿渣而被处理。再循环系统的效率可能增加高达5-10％，取决于在气体流中夹带的吸附杂质量，废物处理速度，以及重新引入设备的残余物的量。
所述后处理装置包括适宜气体清洁系统和适宜的堆叠体，所述堆叠体可操作地串连着处理室。在各种实施方式中，后处理装置进一步包括后燃器、能量使用装置、燃烧制品冷却系统、操作性地连接着气体清洁系统的废水处理系统或它们的组合。
例如，气体清洁系统可以包括＂干式＂气体清洁系统，并且可以因此而包括半干式涤气装置，其中被供应Ca(OH)2在水中的悬浮剂，以与酸性气体结合。然后，水被完全蒸发，涤气装置中因此只留下气体，粉末形式的制品Ca(OH)2、CaCl2、CaSO4、Ca3(PO4)2，以及其它灰尘(未在蒸发器中沉淀的)。
本发明的反应器可以配置在涤气装置下游，其中Ca(OH)2粉末和粉末活性碳(PAC)的混合物被供应。粉末状吸附剂具有非常大的比表面值(典型地，碳>750m2/g；Ca(OH)2>30m2/g)，Ca(OH)2可以吸附剩余的酸性气体，而PAC吸附二恶英以及场举办重金属的成分。袋式过滤器接收来自反应器的排放物，并且包括Ca(OH)2、活性碳、二恶英、氧化物、盐和反应制品(CaCb，CaSO4，Ca3(PO4)2和其它物质)在内的残余物被沉积。重要的是，承载着灰尘的气体(灰尘中包含有毒成分例如二恶英、重金属及其氧化物、盐)被沉积在袋中的灰尘层过滤。有毒成分被吸附，从而由承载其的气体中沉淀出来。过滤后获得的清洁气体被引导至排气装置，然后引导至堆叠体，以便送入大气中。或者，清洁气体可以被控制，例如热的清洁气体可以用于发电。
从后处理装置收集的残余物毒性很大。然而，由于这种残余物是吸湿性的(特别是其CaCl2部分)，因此它们会从与其它燃烧制品一起产生的水蒸汽中吸收水，从而可能具有泥浆型稠度。因此，用于输送残余物通过气体清洁系统的管可被选择性地加热以使残余物干燥。
可以利用残余物再循环系统来再循环在气体清洁系统中典型地产生的残余物。因此，残余物再循环系统优选包括适宜的储存器以临时储存和聚集通过气体清洁系统而沉淀或是从后处理装置产生的残余物。
虽然借助于图示描述了本发明的一些实施方式，但显然，本发明可以在实践中有许多不同的修改、变化和改造，并且可以采用本领域技术人员可以理解的各种等同替换或代替，而不超出权利要求限定的范围。

Claims (12)

1、一种用于从向上流动的气体流去除气态污染物的设备，包括：
a)竖直的吸附塔，其具有会聚入口锥部、喉部和扩散出口锥部，气体流可通过其向上流动；以及
b)入口管，吸附剂材料通过所述入口管而被引入所述吸附塔的扩散出口锥部；
其特征在于，所述设备还包括：
c)壳体，其同轴安装于所述喉部中，并且与所述气体流流体连通，所述壳体限定了穿过所述壳体的内部的主气体流路径和位于壳体与吸附塔的壁之间的环形间隙中的外周气体流路径，所述间隙的厚度被选择为适于产生层流式外周气体流；以及
d)涡流发生器，其适于安装在所述壳体的内部，以在所述壳体的下游在出口锥部中产生所述气体流的紊流区域，
e)其中，吸附剂材料适于通过所述入口管引入所述紊流区域中，所述吸附剂材料借助于所述紊流区域而被散布在整个气体流中，同时借助于所述层流式外周气体流而被防止撞击吸附塔的壁。
2、根据权利要求1的设备，其中，所述涡流发生器包括叶片元件，用于在涡流发生器下游在主气体流中产生涡流，所述叶片元件相对于所述吸附塔的纵向轴线倾斜。
3、根据权利要求2的设备，其中，所述叶片元件相对于所述吸附塔的纵向轴线倾斜的角度为5至15度。
4、根据权利要求1的设备，其中，所述间隙的横截面面积从会聚入口锥部至喉部逐渐缩减。
5、根据权利要求1的设备，其中，在喉部附近所述间隙的横截面面积为喉部横截面面积的5至30％。
6、一种用于从向上流动的气体流去除气态污染物的方法，包括：
a)引导向上流动的气体流通过竖直的吸附塔，所述吸附塔具有会聚入口锥部、喉部和扩散出口锥部；
b)使所述气体流分支进入主气体流路径和外周气体流路径，所述主气体流路径穿过同轴安装于所述喉部中的圆柱形壳体的内部，所述外周气体流路径位于所述壳体与所述吸附塔的壁之间的环形间隙中，位于所述壳体与所述吸附塔的壁之间的所述间隙被选择为适于产生层流式外周气体流；
c)使所述主气体流流经安装在所述壳体的内部的涡流发生器，从而在所述壳体的下游在所述出口锥部中产生紊流区域；以及
d)将吸附剂材料通过入口管引入所述紊流区域，所述吸附剂材料被散布在所述气体流的整个所述紊流区域中，同时借助于所述层流式外周气体流而被防止撞击所述吸附塔的壁。
7、根据权利要求6的方法，其中，吸收剂在紊流区域中的驻留时间为吸附剂在层流式外周气体流中的驻留时间的2至20倍。
8、根据权利要求6的方法，其中，外周气体流在从吸附塔的壁向内的位置与紊流区域混合，从而提高涤气效率。
9、根据权利要求6的方法，其中，含有吸附的杂质的夹带吸附剂颗粒随后与气体流分离。
10、根据权利要求6的方法，其中，气体流具有范围在0至300℃的温度和范围在0.6至1.5kg/m3的密度，且在喉部中以范围在0.6至25m/s的速度流动。
11、基本上如本申请中所描述和显示的用于从向上流动的气体流去除气态污染物的设备。
12、基本上如本申请中所描述和显示的用于从向上流动的气体流去除气态污染物的方法。
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