CN102266702A - 一种捕集工业废气中氨气的方法和设备及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种捕集工业废气中氨气的方法，包括吸附、脱附和降温三个循环步骤，在所述吸附步骤中含氨气体经过除氨塔时其中的氨气被塔中无机盐吸附剂吸附；脱附步骤中吸附有氨气的无机盐被间接加热后，在低压下脱附释放氨气并返回氨气应用系统；降温步骤中脱附氨气后的塔装置和无机盐降温并备用于吸附氨气。优选所述的除氨塔为三个相同的并列塔，其中上述三步交替进行从而实现连续捕集氨气。本发明还相应提供一种捕集氨气的设备。本发明具有高效脱氨效果，操作灵活，不需要消耗水，节能，脱附出的氨气可重复利用，能够实现低氨逃逸率(＜5ppm)从而满足其国家排放标准；适用于电厂烟气氨法脱硫系统、氨法脱碳系统、喷氨脱硝系统和自来水厂消毒系统等。

Description

一种捕集工业废气中氨气的方法和设备及其应用

技术领域

本发明属于环保技术领域，具体涉及一种基于吸附原理的捕集工业废气中氨气的方法和设备。该方法和设备主要应用于电厂尾部烟气氨法脱硫系统、氨法脱碳系统、喷氨脱硝系统或化工厂尾部排放的含氨烟气处理，也可应用于自来水厂消毒等涉及氨气泄露的领域。

背景技术

氨法脱硫技术在电力和化学工业领域应用普遍，但因存在严重的氨逃逸的现象，使脱硫成本升高。中国专利文献CN200820150516.4提供了一种降低氨逃逸的氨法脱硫装置，在氧化池内循环液与液氨混合，之后循环液通过循环泵将其送至脱硫塔吸收段上部。这样可以降低氨的逃逸量，但其尾气排放远远达不到氨气排放国家标准；中国专利文献CN201020239689.0提供了一种利用循环水从锅炉烟气中吸收逃逸氨的脱硫塔，实现了对氨的回收，但循环水的不断加入会使脱硫吸收剂浓度变小，影响脱硫效果，并且耗水量较大。

为了应对气候变化问题，电厂烟气CO₂减排技术引起了人们的广泛关注，氨法脱碳技术是其中重要的一种，该技术有降低能耗和多种污染物联合脱除等诸多优势。但由于氨法脱碳所用氨水的浓度远高于氨法脱硫所用氨水，造成氨气逃逸严重，会引起氨损失和二次污染等问题。传统的吸收逃逸氨的方法都是用清水洗涤含氨烟气，再用蒸汽蒸氨以回收利用氨，而这需要消耗大量蒸汽热能；如中国专利文献CN00123369.6和美国专利文献US2008/0072762即采用上述方法脱氨。有关研究表明，捕获氨逃逸所需的能耗占总蒸汽能耗的52％左右，因此有必要研发低能耗的捕集逃逸氨气的方法和设备。

选择性催化还原法烟气脱硝技术(SCR)是电厂或化工厂烟气NO_x污染控制的主要手段，但如果选择低温SCR技术，将存在反应不完全易造成氨逃逸的二次污染问题。中国专利文献CN200710056740.7提供了一种防止氨逃逸的锅炉低温烟气SCR联合吸附脱附催化床，吸附材料采用活性炭纤维。但有关研究表明，活性炭对NH₃的吸附量远低于氯化钙、氯化锶、氟化钴等无机盐的吸附量，如要达到消除氨逃逸的效果需装填较多的活性炭，装置成本较高。

除了电厂烟气污染治理领域存在氨逃逸的问题，很多化工过程也涉及到氨泄露问题。如中国专利文献CN200620045328.6开发了一种应用于自来水厂消毒过程中氨气泄露事故的控制与处理的氨气泄露吸收系统，核心吸收单元为膜吸收组件，吸收剂仍然为清水，再生氨时同样需要消耗大量蒸汽。中国专利文献CN201020243317.5和CN200910050268.5都提供了一种氨气吸收装置，其吸收剂同样是清水或水溶液。

综上所述，不管是电厂烟气氨法脱硫系统、氨法脱碳系统、喷氨脱硝系统或化工厂排放的含氨烟气处理，还是自来水厂消毒等所有涉及氨气泄露的领域，都急需一种耗能小、耗水量小，同时脱氨和氨再生效果好的方法及设备。

发明内容

本发明提供一种捕集工业废气中氨气的方法，包括吸附、脱附和降温三个循环步骤，在所述吸附步骤中，将含氨气体送入除氨塔，其中的氨气被塔中无机盐吸附剂吸附，吸附温度为15～50℃；在所述脱附步骤中，吸附有氨气的无机盐经过除氨塔中水管内热水的间接加热，在不高于大气压的环境下氨气脱附释放，脱附温度为70～110℃，脱附出的氨气返回氨气应用系统；在所述降温步骤中，脱附氨气后的塔装置和无机盐被常温空气直接降温或被水管内冷却水间接降温并备用于吸附氨气。

含氨气体中携带的氨气被吸附后排空，在本发明的宽范围温度和压力下能够实现排空气体中的低氨逃逸率(＜5ppm)，可以满足恶臭污染物国家排放标准。水管内热水与塔内吸附剂间接换热实现氨脱附功能，解析出的氨气重复利用。脱附后的塔装置和无机盐通过常温空气或冷却水降温。本发明提供的吸附法捕集氨气属于干法除氨，不需要消耗水。

优选所述的除氨塔为三个相同的并列塔，其中一个塔进行吸附过程时，另两个塔分别进行脱附和降温过程；三个塔循环切换，连续捕集氨气，即实现了系统连续运行。其中，吸附过程的用时主要取决于氨气的流量和吸附剂的容量；为了保障连续运行，脱附用时通常设置为与吸附用时相同；因脱附和冷却过程的运行时间均取决于传热过程，其中一个是加热，另一个是冷却，该两阶段的运行时间也设置为基本一致。也就是说，三个塔中的吸附、脱附和降温三个步骤用时基本相同，此时系统的设备闲置率基本为零。

优选本发明中所述无机盐吸附剂为氯化钙、氯化锶、氟化钴或其混合物；并在所述无机盐吸附剂中添加导热强化剂石墨或铝粉。采用添加有导热强化剂的无机盐为吸附剂，具有吸附容量大、传热速率较快和脱附温度低等优点。系统中的吸附属化学吸附，发生的化学反应方程式为(以氯化锶为例)：

其中，正向的吸附反应a和b在温度越低压力越高时越有利，而逆向的脱附反应a和b在温度越高压力越低时越有利；所以吸附时控制温度应尽可能低，压力尽可能高，而脱附时控制温度尽可能高，压力尽可能低。除氨塔内的吸附平衡的温度和压力的控制是受氨气应用系统1流出的含氨气体的温度和压力影响的；温度越低，反应a和b达到吸附平衡所需的压力越低；如除氨塔内温度为15℃时，压力在1.5atm时反应a和b即可达到吸附平衡，而在50℃时，压力需提高到8atm反应a和b才能达到吸附平衡；又如，在2.5atm压力下反应a和b的吸附平衡温度分别为45℃和33℃。

优选本发明所述脱附步骤中热水温度为80～120℃，其热量来自于工业过程中的余热，即来自于低品位热源，从而大大节省能源。优选所述脱附步骤中压力为0.1～1.0atm，在真空泵的抽吸作用下脱附塔内保持一定真空度，可增大氨的脱附效率。

本发明还提供一种捕集工业废气中氨气的设备，包括氨气应用系统、至少一个除氨塔、鼓风机或液泵、真空泵和换热器；其中，在吸附阶段，从氨气应用系统中排出的含氨气体从第一除氨塔下部气体入口进入塔内，自下而上经过干燥器除去水分、无机盐吸附层除去氨气和过滤器除去吸附剂微粒，经气体出口和排空管进入大气；在脱附阶段，来自于低品位热源的管道热水对无机盐吸附层进行间接加热，脱附出的氨气经气体出口和真空泵排回氨气应用系统，管道热水经第一除氨塔顶部的液体出口排出并经换热器换热后流回低品位热源；在降温阶段，来自于鼓风机的常温空气经第一除氨塔下部的气体入口对塔装置和无机盐吸附层直接降温，或来自于冷却器和液泵的冷却水经除氨塔下部的液体入口对塔装置和无机盐吸附层间接降温。

在上述设备中，优选第二除氨塔和第三除氨塔以与第一除氨塔相同的方式连接于设备系统中，三个除氨塔依次循环实现吸附、脱附、降温的功能，以实现氨气的连续捕集。优选本发明中连接各部件的切换开关为三通阀或四通阀。

本发明中所述设备的应用，是指其在含氨工业废气领域的应用；尤其是在电厂尾部烟气氨法脱硫系统、氨法脱碳系统、喷氨脱硝系统和自来水厂消毒系统等领域的应用。

本发明提供的方法和设备适用于各种需要脱氨的气体处理过程，操作灵活，具有高效脱氨效果，可充分利用低品位热源，节能、节水效果好。

附图说明

图1为本发明实施例中捕集氨气的设备流程图(空气冷却降温)；

图2为本发明实施例中捕集氨气的设备流程图(水冷却降温)；

图3为本发明实施例中除氨塔的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。以下仅为本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可很容易进行的改变或变化都涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。

实施例1

如图1所示，本发明提供一种捕集氨气的设备，包括氨气应用系统1、三个除氨塔、鼓风机3、真空泵7和换热器9；其中，在吸附阶段，从氨气应用系统1中排出的含氨气体从第一除氨塔6下部气体入口22进入塔内，自下而上经过干燥器20除去水分、无机盐吸附层18除去氨气和过滤器15除去吸附剂微粒，经气体出口14和排空管8进入大气；在脱附阶段，来自于低品位热源2的管道热水对无机盐吸附层进行间接加热，脱附出的氨气经气体出口14和真空泵7排回氨气应用系统1，管道热水经除氨塔顶部的液体出口12排出并经换热器9换热后流回低品位热源2；在降温阶段，来自于鼓风机3的常温空气经除氨塔下部的气体入口22对塔装置和无机盐吸附层18直接降温。上述设备的部件间通过三通阀或四通阀连接，第二除氨塔5和第三除氨塔4以与第一除氨塔6相同的方式连接于设备系统中，三个除氨塔4、5和6依次循环实现吸附、脱附、降温的功能，以使系统连续捕集氨气。

该捕集氨气设备系统的操作示例如下：以添加了氨法脱碳设备的燃煤电站锅炉为例，其烟气排放量为20万立方米/小时，烟气中携带有5000ppm的氨气，在除氨塔4、5和6中分别装填3000千克的吸附剂。从吸附开始直到氨气浓度升高至排放限值的时间定义为吸附饱和时间。针对上述系统和条件，吸附饱和时间约为5小时；据此，吸附操作时间为4～5小时，而脱附操作时间和冷却时间均为4～5小时。在连续操作中，可以通过调节工艺水和空气流量等参数使脱附、冷却时间与吸附时间基本一致，使设备闲置率为零。

实施例2

本实施例同实施例1，仅在降温阶段，由来自于冷却器11和液泵10的冷却水经除氨塔下部的液体入口23对塔装置和无机盐吸附层18进行间接降温，具体设备见图2。

实施例3

本实施例设备中仅有一个除氨塔，吸附、脱附和降温过程在同一个塔内依次完成，具体设备图未在附图中示出。本实施例中实施方式适用于来自氨气应用系统1中排出的含氨气体总量小且便于储存时，分批次间断性地除去其中的氨气。

实施例1-3中的除氨塔4、5和6的结构示于图3。其中，除氨塔主要包括塔底干燥器20、若干无机盐吸附层18和顶部过滤器15。用于脱附步骤的热水由下部液体入口23进入塔封头内，之后由在塔内均匀布置的水管19流入上封头，最后由塔顶液体出口12流出。上下封头内的工艺水由上下隔板13和21与吸附材料隔开。在吸附步骤，含氨气体由塔两侧的气体入口22进入塔内，由塔顶部的气体出口14排出，在干燥器20内布置有干燥剂用来除水，吸附层18内布置有无机盐用来脱氨，过滤器15内布置有过滤材料用来过滤无机盐粉尘颗粒，过滤层还设有吹灰装置16；干燥剂、无机盐吸附剂和过滤材料都放置在肋片17围成的方格内，肋片17焊接在水管19的外表面，肋片采用多孔材料制作。工艺水通过吸附塔内的水管和肋片与吸附剂间接换热。

Claims (10)

1.一种捕集工业废气中氨气的方法，包括吸附、脱附和降温三个循环步骤，在所述吸附步骤中，将含氨气体送入除氨塔，其中的氨气被塔中无机盐吸附剂吸附，吸附温度为15～50℃；在所述脱附步骤中，吸附有氨气的无机盐经过除氨塔中水管内热水的间接加热，在不高于大气压的环境下氨气脱附释放，脱附温度为70～110℃，脱附出的氨气返回氨气应用系统；在所述降温步骤中，脱附氨气后的塔装置和无机盐被常温空气直接降温或被水管内冷却水间接降温并备用于吸附氨气。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的除氨塔为三个相同的并列塔，其中一个塔进行吸附过程时，另两个塔分别进行脱附和降温过程；三个塔循环切换，实现连续捕集氨气。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述无机盐吸附剂为氯化钙、氯化锶、氟化钴或其混合物。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述无机盐吸附剂中添加导热强化剂石墨或铝粉。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述脱附步骤中水管内热水温度为80～120℃，其热量来自于工业过程中的余热，即来自于低品位热源。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述脱附步骤中压力为0.1～1.0atm。

7.一种使用根据权利要求1至6中任意一项所述的方法来捕集工业废气中氨气的设备，包括氨气应用系统(1)、至少一个除氨塔(4或5或6)、鼓风机(3)或液泵(10)、真空泵(7)和换热器(9)；其中，在吸附阶段，从氨气应用系统(1)中排出的含氨气体从第一除氨塔(6)下部气体入口(22)进入塔内，自下而上经过干燥器(20)除去水分、无机盐吸附层(18)除去氨气和过滤器(15)除去吸附剂微粒，经气体出口(14)和排空管(8)进入大气；在脱附阶段，来自于低品位热源(2)的管道热水对无机盐吸附层进行间接加热，脱附出的氨气经气体出口(14)和真空泵(7)排回氨气应用系统(1)，管道热水经第一除氨塔(6)顶部的液体出口(12)排出并经换热器(9)换热后流回低品位热源(2)；在降温阶段，来自于鼓风机(3)的常温空气经第一除氨塔(6)下部的气体入口(22)对塔装置和无机盐吸附层(18)直接降温，或来自于冷却器(11)和液泵(10)的冷却水经除氨塔(6)下部的液体入口(23)对塔装置和无机盐吸附层(18)间接降温。

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，第二除氨塔(5)和第三除氨塔(4)以与第一除氨塔(6)相同的方式连接于设备系统中，三个除氨塔(4、5和6)依次循环实现吸附、脱附和降温的功能，以实现氨气的连续捕集。

9.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，各部件连接的切换开关为三通阀或四通阀。

10.一种如权利要求7至9中任意一项所述的设备在电厂尾部烟气氨法脱硫系统、氨法脱碳系统、喷氨脱硝系统和自来水厂消毒系统中的应用。

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