CN102120172B - 一种低压降纳微结构化填料旋转床超重力装置及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低压降纳微结构化填料旋转床超重力装置及应用，属于超重力技术领域。超重力装置，包括在密闭的壳体中安装有由转子和填料组成转动部件，壳体及上盖上开有液体进、出口及气体进、出口，液体进口设有延伸到转子中心空腔中的液体分布器，上述装置中转动部件中的填料采用了具有纳微结构的结构化SiC、烧结陶瓷、粉末烧结钛基合金填料，结构化填料流道直径0.1～5mm，孔隙率55～97％，填料表面具有0.01～3μm凸凹形纳微结构，其比表面积200～2000m2/m3。将其应用于要求低压降的硫酸等工业尾气中二氧化硫深度脱除，超重力装置的压降降低40-80％，处理后有害气体含量低于20-100ppm。
Description
技术领域
本发明涉及一种脱除工业尾气中腐蚀性有害气体的超重力装置及其应用，具体涉及一种纳微结构化旋转床超重力装置在脱除有害气体工艺中的应用，特别适合于要求低压降的硫酸等工业尾气中二氧化硫深度脱除，属于超重力技术领域。
背景技术
在硫酸、化肥、冶炼等工业尾气中往往包含二氧化硫、硫化氢、HCl、HF等酸性或NH3、挥发性有机胺等碱性腐蚀性有害气体。随着环保压力以及资源回收有效利用的要求的日益提高，有害气体的深度脱除受到了高度的重视。以硫酸工业为例，尾气中产生的二氧化硫已成为了空气的主要污染物之一，由二氧化硫排放所带来的酸雨也更加频繁，严重危害到了建筑物、土壤和人类的生存环境。因此，世界各国纷纷降低二氧化硫的排放指标，以进一步限制汽车尾气和工业尾气等烟气中二氧化硫的排放。目前烟气脱硫技术种类达几十种，按吸收剂及脱硫产物在脱硫过程中的干湿状态可将脱硫技术分为湿法、干法和半干半湿法；按脱硫剂的种类，可分为以下五种方法：以CaCO3(石灰石)为基础的钙法，以MgO为基础的镁法，以Na2SO3为基础的钠法，以NH3为基础的氨法，以有机碱为基础的有机碱法。世界上普遍使用的商业化技术是化学吸收法。
目前，我国硫酸等工业尾气二氧化硫排放指标为800-1200mg/m3。为了满足国家对于环境保护的要求，国家环保部门正在考虑将二氧化硫排放指标进一步降低至400mg/m3(折合为～140ppm)以下。为此，需要在原有技术和工艺上增加二氧化硫超低排放、深度脱硫装置，由于现有工业尾气允许的压降很低(一般小于2000Pa)，因此急需开发低压降深度脱硫装置及工艺。现有的脱硫装置多为塔设备，传统塔设备存在着设备庞大、运行维护费用高、传质效率低、压降大等问题，尤其是对于具有腐蚀性的工业尾气，塔设备需要防腐金属材料多，造价高昂，导致其难以满足工厂现有脱硫技术改造对脱硫装置压降低、占地空间小、成本低的需求。
近年来发展起来的超重力技术是一项强化传质、混合和化学反应的新技术，该技术利用超重力旋转床内部转子旋转产生的离心力模拟超重力环境来强化传递和反应过程，大幅度地提高传递与反应过程的效率，关于超重力装置在早期的专利(详见中国专利91109255.2，91111028.3，ZL95215430.7等)已经公开。目前该技术从最初应用于分离、解吸等物理过程已经扩展应用到化学反应、超微颗粒制备等诸多领域(详见中国专利92102061，93104828.1、95105344.2、2004100378859等)。旋转床装置主要包括密闭的壳体，内有一个旋转的转子，转子上有环形填料层，不同的流体从壳体相应的入口流入旋转床，在旋转的填料层中的离心力场下(即超重力环境)进行传质过程，传质速率比传统的塔器中提高1～3个数量级。对旋转床强化传质过程原理的一般认识是：流体在离心力场环境下被撕裂成细小的液滴、液丝或液膜，产生大量的快速更新的表面积，大大强化传质和混合过程。
虽然与塔器设备相比，旋转床超重力装置已经具有被认可的明显优势。但是，现有结构的旋转床超重力装置采用转子内装丝网填料作为核心结构，由于填料的无规整性，仍然存在压降较大等缺点，导致其也难以满足工厂深度脱硫技术改造时所面临的低压降的需求。浙江工业大学等提出的折流式孔板(旋转部件无填料)旋转床超重力装置(申请号：01268009、200510049145)的气相压降更大，更难以满足低压降深度脱硫的要求。
发明内容
本发明的目的是针对深度脱除工业尾气中有害气体对设备低压降、高效率的要求，提供了一种低压降、填料具有纳微结构的旋转床超重力装置及脱除有害气体的新工艺，其核心是采用结构化SiC、烧结陶瓷、粉末烧结钛基合金填料替代杂乱无规的丝网填料或折流式孔板，使流体在结构可控的规整流道中流动以降低流动阻力，减小压降。同时，在填料表面通过烧结等方法构筑了微观上凸凹形的纳微结构，进一步提高比表面积，以强化传质，实现高效深度脱除有害气体的目的。
本发明提供的工业尾气有害气体深度脱除用低压降、表面具有纳微结构的结构化填料旋转床超重力装置，包括在密闭的壳体中安装有由转子和填料组成转动部件，壳体及上盖上开有液体进、出口及气体进、出口，液体进口设有延伸到转子中心空腔中的液体分布器，其特征在于，上述装置中转动部件中的填料采用了具有纳微结构的结构化SiC、烧结陶瓷、粉末烧结钛基合金填料，结构化填料流道直径0.1～5mm，孔隙率55～97％，填料表面具有0.01～3μm凸凹形纳微结构，其比表面积200～2000m2/m3。
对于上述旋转床超重力装置，可采用气液并流操作，此时转动部件上安装排风型叶片，与转子同轴安装在转子中心空腔中；也可采用气液逆流操，此时与转子同轴安装引风型叶片，叶片延伸至中央的气体出口管道中。
对于上述旋转床超重力装置，排风型叶片为后弯式，与转子同轴安装于转子内部中心空腔中。
对于上述旋转床超重力装置，引风型叶片为轴流式，与转子同轴安装并延伸至中央的气体出口管道中。
本发明提供的利用旋转床超重力装置深度脱除工业尾气有害气体的工艺方法是指将尾气与吸收液在装有纳微结构化填料旋转床超重力装置中进行逆流或并流接触脱除尾气中的有害气体。
对于上述工艺方法中，处理酸性有害气体的吸收液为工业上常用的氨水、有机胺、亚硫酸铵、硫酸铵、亚硫酸钠、柠檬酸/柠檬酸钠、氢氧化钠等碱性溶液，处理碱性有害气体的吸收液为工业上常用的稀硫酸、稀硝酸等酸性溶液，可根据具体工艺过程和用户要求选定。
吸收时系统的压力可为常压，系统的温度30～85℃，旋转床的转速为50-3000rpm，优选80-1000rpm。吸收液与尾气在经过纳微结构化填料旋转床超重力装置后，尾气有害气体的含量低于20～120ppm，压降低于500～2000Pa。
对于上述利用旋转床装置深度脱除工业尾气二氧化硫的工艺方法，气体体积流量与液体体积流量比为300～1500∶1，优选400～1000∶1。
发明效果：
本发明通过采用结构化填料使流体在结构可控的规整流道中流动以降低压降。同时，利用填料表面凸凹形的纳微结构实现深度脱除工业尾气中有害气体。为工业尾气中有害气体低压降深度脱除提供了一种传质效率更高、气相压降更低的旋转床超重力装置及利用该装置脱除工业尾气中有害气体的工艺方法，比杂乱无规的填料旋转床超重力装置的压降降低40-80％，处理后有害气体含量低于20-100ppm。同时，设备具有造价低、操作弹性大、占地面积小特点，尤其适合现有工业尾气有害气体处理装置的升级改造。
附图说明
图1是本发明并流型旋转床结构示意图；
1从动皮带轮、2轴承箱、3液体出口、4外壳、5气体出口、6上盖、7液体进口、8液体分布器、9轴、10气体进口、11螺栓、12排风型叶片、13气体密封、14转子、15机械密封、16填料、17电机、18主动皮带轮、19皮带
图2是本发明逆流型旋转床结构示意图；
20气体出口、22引风型叶片、25气体进口；液体补充阀37、
图3是结构化规整填料照片；
图4是结构化规整填料表面纳微结构照片；
图5是排风型叶片结构示意图；
图6是引风型叶片结构示意图；
图7是本发明并流工艺流程图；
31储罐、32泵、33采出阀、34调节阀、35流量计、36流量计、38液位计；
图8是本发明逆流工艺流程图
41储罐、42泵、43采出阀、44调节阀、45流量计、46气体流量计、47液体补充阀、48液位计。
具体实施方式
本发明低压降纳微结构化旋转床超重力装置可以是采用现有的超重力装置(如申请号91109255.2、91111028.3、200520100685.3、01268009.5、02114174.6、200510032296.6等专利中公开的超重力旋转装置)进行改进。优选方式是对立式超重力装置的改进。如图1所示为并流型旋转床结构示意图，在密闭的壳体4中有一个由轴9带动的转子14，轴9与外壳4之间设有机械密封15来使壳体内外分隔开，壳体下部开有液体出口3，上部开有气体出口5。轴9安装于轴承箱2上，轴的下端有从动皮带轮1，通过皮带19、主动皮带轮18和电机17的轴相连接，构成传动系统。轴的上端转子内部中心空腔中通过螺栓11固定有与转子同轴的排风型叶片12，在壳体上部有上盖6，上盖中央开有气体进口10，上盖6与转子14之间设有气体密封13。上盖上还有液体进口7，液体进口的另一端设有延伸到转子中心空腔中的液体分布器8，液体物料由液体分布器喷到转子内层，在离心力的作用下向外流动。转子中的填料16提供高比表面积。这样，液体在由内向外的流动过程中填料将液体分散为大量微小的液滴，暴露出大量且快速更新的表面积，有利于气液反应与传质过程。
如图2所示为逆流型旋转床结构示意图，与上述并流型旋转床结构基本相同，不同的是上盖中央为气体出口20，壳体上部为气体进口25，气体出口管内安装有固定在转轴上端的引风型叶片22。
图3为旋转床中结构化规整填料16的照片；图4为填料表面纳微结构的照片。图5为并流型旋转床中所用的排风型叶片结构示意图。图6为逆流型旋转床中所用的引风型叶片结构示意图。
利用本发明旋转床进行并流脱除工业尾气有害气体的流程示意图如图7所示。包括利用泵32将储罐31中的吸收液送入纳微结构化填料旋转床超重力装置如图1的液体进口。通过流量调节阀34来调节液体流量，由流量计35来计量。气体经流量计36计量后，经气体进口进入旋转床，与液体在转子的填料中进行并流接触，脱硫后的气体由气体出口排出，液体由液体出口进入储罐，通过调节泵出口管线上的液体采出阀33可以定量的采出吸收液，通过调节液体补充阀37可以定量的补充相应的新鲜吸收液。储罐中的液位通过其上安装的液位计38来监测。
利用本发明旋转床进行逆流脱硫的流程示意图如图8所示。包括利用泵42将储罐41中的吸收液送入纳微结构化填料旋转床超重力装置如图2液体进口。通过流量调节阀44来调节液体流量，由流量计45来计量。气体经流量计46计量后，经气体进口进入旋转床，与液体在转子的填料中进行逆流接触，脱硫后的气体由气体出口排出，液体由液体出口进入储罐，通过调节泵出口管线上的液体采出阀43可以定量的采出吸收液，通过调节液体补充阀47可以定量的补充相应的新鲜吸收液。储罐中的液位通过其上安装的液位计48来监测。
下面结合实施例对本发明的实施方案进一步说明。但是本发明不限于所列出的实施例。
实施例1
原料气中有害气体为二氧化硫，含量φi为1960ppm，吸收液为氨水溶液。吸收过程的系统温度T为50℃。旋转床转速N为500r/min，填料类型为烧结陶瓷填料比表面积ζ为900m2/m3，气液逆流，引风型叶片，气液流量比η为800∶1。旋转床出口气体中有害气体二氧化硫的含量φo为50ppm，进出口压降Δp为1200Pa。
实施例2-21
工艺流程及步骤同实施例1，各实施例的工艺条件和操作条件以及相应的实验结果详见表1。
表1各实施例的工艺条件及实验结果
注：系统温度T，原料气中有害气体含量φi，气液比η，旋转床转速N，吸收后有害气体含量φo，填料比表面积ζ。
Claims (9)
1.一种低压降纳微结构化填料旋转床超重力装置，包括在密闭的壳体中安装有由转子和填料组成转动部件，壳体及上盖上开有液体进、出口及气体进、出口，液体进口设有延伸到转子中心空腔中的液体分布器，其特征在于，上述装置中转动部件中的填料采用了具有纳微结构的结构化SiC、烧结陶瓷、粉末烧结钛基合金填料，结构化填料流道直径0.1～5mm，孔隙率55～97％，填料表面具有0.01～3μm凸凹形纳微结构，其比表面积200～2000m2/m3。
2.按照权利要求1的超重力装置，其特征在于，转动部件上安装排风型叶片，与转子同轴安装在转子中心空腔中。
3.按照权利要求2的超重力装置，其特征在于，排风型叶片为后弯式。
4.按照权利要求1的超重力装置，其特征在于，转动部件上安装引风型叶片，与转子同轴安装，叶片延伸至中央的气体出口管道中。
5.按照权利要求4的超重力装置，其特征在于，引风型叶片为轴流式。
6.利用权利要求1的旋转床超重力装置脱除工业尾气有害气体的工艺方法，其特征在于，将尾气与吸收液在装有纳微结构化填料旋转床超重力装置中进行逆流或并流接触脱除尾气中的有害气体，吸收时系统的压力为常压，系统的温度30～85℃，旋转床的转速为50-3000rpm。
7.按照权利要求6的工艺方法，其特征在于，旋转床的转速为80-1000rpm。
8.按照权利要求7的工艺方法，其特征在于，脱除工业尾气二氧化硫，气体体积流量与液体体积流量比为300～1500∶1。
9.按照权利要求8的工艺方法，其特征在于，气体体积流量与液体体积流量比为400～1000∶1。
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