CN102728285B

CN102728285B - 三相全混流二氧化碳氨化矿化反应系统与装置

Info

Publication number: CN102728285B
Application number: CN201210237185.9A
Authority: CN
Inventors: 朱家骅; 谢和平; 何浩明; 杨三可; 黄进; 夏素兰; 梁斌; 黄卫星
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2012-07-10
Filing date: 2012-07-10
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2032-07-10
Also published as: CN102728285A

Abstract

一种三相全混流二氧化碳氨化矿化反应系统与装置，直接向二水磷石膏与二氧化碳矿化生成碳酸钙和硫酸铵的液固反应系统引入常温（4~26℃）饱和氨气，利用氨气的压力能（500~1000kPa）射流搅拌，形成近常压（90~150kPa，气相绝压）的气液固三相全混流反应系统，氨与酸性物质中和反应放热可以补充液固转化反应所需热量，分散于液固相中的氨气抑制CO₂逸出从而提高液相碳酸根离子浓度强化矿化反应后实现气相分离、洗涤、恒压输送到下工序；磷石膏和含NH₃/CO₂摩尔比2~3的全混流料浆升温到75℃~85℃后恒压、恒液位、连续自动输出到养晶罐；凡与固相接触的部位均有液相连续冲刷避免沉积。本发明节约能量、简化流程、减少设备投资，并且提高系统的连续运行周期、使启动及停车卸料过程方便易行。

Description

三相全混流二氧化碳氨化矿化反应系统与装置

技术领域

本发明涉及烟气二氧化碳和湿法磷酸工业固废二水磷石膏转化为化工产品的技术领域，特别是三相全混流二氧化碳氨化矿化反应系统与装置。

背景技术

烟气CO₂被含氨的水溶液吸收后与工业固废二水磷石膏反应得到硫酸铵和矿化产品碳酸钙，是CO₂减排的有效途径之一。化学反应方程式如下

CO₂+CaSO₄·2H₂O(二水磷石膏)+2NH₃ → CaCO₃↓(固)+(NH₄)₂SO₄+H₂O

该反应是吸热反应，通常在带搅拌和加热的液固两相反应器中进行（张万福. 磷石膏转化制硫酸铵反应器加热方式的选择，磷肥与复肥，2010,25(4)：66-67）。而向反应系统直接引入常温的氨气，形成近常压的气液固三相全混流，既可利用氨气的动量代替机械搅拌，又可回收氨与溶液酸性物质中和放热补充上述反应所需热量，还可利用过量氨抑制CO₂从液相逸出从而提高碳酸根离子浓度强化矿化反应。这种一举三得的改进，可以通过本发明三相全混流二氧化碳氨化矿化反应系统与装置获得。

发明内容

本发明公开一种方法，直接向二水磷石膏与二氧化碳矿化生成碳酸钙和硫酸铵的液固反应系统引入常温（4~26 ℃）饱和氨气，利用氨气的压力能（500~1000 kPa）射流搅拌，形成近常压（90~150kPa，气相绝压）的气液固三相全混流反应系统，氨与酸性物质中和反应放热可以补充液固转化反应所需热量，分散于液固相中的氨气抑制CO₂逸出从而提高液相碳酸根离子浓度强化矿化反应。这是本方法基本的发明思想，这种一举三得的改进，可以节约能量、简化流程、减少设备投资。

本发明的具体方法是：压力500~1000 kPa（绝压）、常温（4~26 ℃）饱和氨气进入射流管1自上而下、以大于10m/s的速度射流而出、冲刷反应器2锥底正中的卸料旋塞阀3、然后折流而上在混合反应区剧烈搅拌液固相形成气液固三相全混流。混合反应区的高度由垂直安装于反应器2内部的出料管4上端部位置h决定，此即气相与液固相分离面高度、料浆从该管口连续自动恒液位输出到带搅拌的养晶罐5，气相则继续向上通过反应器2的扩大段、穿过湍球洗涤段6、进入带阀门控制的混合气输出管7送往下游工序。反应器内液/固体积比3~5，液相含CO₂的质量%浓度8%~15%、NH₃/CO₂摩尔比2~3，液固相温度75℃~85℃，气相压力90~150kPa（绝压）。

二水磷石膏和溶液混合加入反应器是通过安装于反应器2顶部并垂直伸入反应器到达锥部的液固加料装置8。二水磷石膏从上部敞口锥通过搅龙9往下推进，溶液从距搅龙上端距离为a的位置加入并与二水磷石膏共同经过搅龙下端混合后落入反应器锥部。

溶液进入反应器之前，先由溶液泵10加压并通过换热器11调整温度（使之满足反应器内液固相温度75℃~85℃的工艺条件），然后一分为二，1/3通过搅龙9、2/3通过湍球洗涤层6加入反应器。

承接出料管4的养晶罐5浆料层高度c为2~4 m，出料管4插入深度1.5~3.5 m，起液封作用。

在混合气输出管6的阀门前安装气相平衡管13，其下端插入盛水深度L=3~6m的敞口液封槽12液面以下2~5m，起自动泄压作用保证反应器气相压力不超过120~150kPa（绝压）。

反应器2由底锥、筒体段、扩大段和密闭的顶盖四部分组成。筒体段的直径d由操作状态下氨气的体积流量设计值V（m³/s）确定，满足氨气在筒体段表观上升速度u=V/(0.785d²)=2.5~6.5 m/s。扩大段与顶盖连接处的直径D满足V/(0.785D²)=1.5~2.5 m/s。

出料管4上端部开口处距反应器筒体段下端部的高度h=(2~5)d，筒体段长度F =(1.2~1.5) h，筒体段与扩大段长度之和H≥2F，扩大段内安置的湍球洗涤层6的厚度为150~280 mm。

养晶罐5和液封槽12底部安放位置距反应器筒体段下端部的高度f=6~12m。

搅龙9伸入加料装置8的垂直加料管内，搅龙上端部距溶液加入点的距离a=1~3m，溶液加入点距反应器顶盖的距离b=0.3~0.5m，搅龙总长度为(a+b)的1.05~1.10倍。

本发明三相全混流二氧化碳氨化矿化反应系统上述结构与尺寸，可以保证：氨气为系统提供搅拌动力并促进液固矿化转化反应后实现气相分离、洗涤、恒压输送到下工序；磷石膏和含NH₃/CO₂摩尔比2~3的全混流料浆升温到75℃~85℃后恒压、恒液位、连续自动输出到养晶罐；凡与固相接触的部位（除搅龙上端干料段而外），均有液相连续冲刷避免沉积。这些有益效果可以提高系统的连续运行周期，并且使启动过程及停车卸料方便易行。

附图说明 附图是本发明提供的三相全混流二氧化碳氨化矿化反应系统与装置示意图。图中：1-氨气射流管；2-反应器；3-底部卸料旋塞阀；4-出料管；5-养晶罐；6-湍球洗涤段；7-混合气输出管；8-液固加料装置；9-搅龙；10-溶液泵；11-换热器；12-液封槽；13-平衡管。

以下结合实施例对附图作进一步阐述。

具体实施方式 以下结合但不限于实施例阐述本发明具体实施方式

物流一：氨气9000 kg/h，饱和温度10℃，压力614 kPa（绝压）

物流二：二水磷石膏43.2 t/h（干基），常温

物流三：含CO₂质量%浓度11.05%、NH₃/CO₂摩尔比1.5的水溶液96.2 t/h，常温

物流一压力614 kPa的饱和氨气从射流管1自上而下、以45m/s的速度射流而出、冲刷反应器2锥底正中的卸料旋塞阀3、然后折流而上在直径d=0.8m的筒体段剧烈搅拌、形成二水磷石膏和含NH₃/CO₂摩尔比2.5的液固相全混流料浆、其温度升高到80℃、从距筒体段下端h=2m的位置处溢流进入上端开口的出料管4、恒压恒液位连续自动输出到养晶罐5。h高度是气相与液固相分离面位置，气相压力120kPa，继续向上通过反应器的扩大段、穿过厚度为200mm的湍球洗涤段6、进入带阀门控制的混合气输出管7送往下游工序。

物流二二水磷石膏加入上部敞口锥，通过搅龙9被往下推进液固加料装置8，在距搅龙上端距离a=1.5m的位置处与加入的溶液汇合，通过搅龙下端混合后落入反应器锥部。

物流三常温溶液由溶液泵10加压并通过换热器11升温到70~80℃，1/3通过搅龙9、2/3通过湍球洗涤层6加入反应器。

该实施例养晶罐5浆料层高度c=3 m，出料管4插入深度2 m。气相平衡管13的下端插入盛水深度L=4m的液封槽12液面以下2.5m，保证反应器气相压力不超过120~125kPa（绝压）。

该实施例反应器2筒体段直径d=0.8m，扩大段与顶盖连接处的直径D=1.6m，筒体段液固相深度h=2m，筒体段长度F =2.5m，筒体段与扩大段长度之和H=6.5m，养晶罐5和液封槽12底部安放位置距反应器筒体段下端部的高度f=10 m。

该实施例搅龙9伸入加料装置8的垂直加料管内，搅龙上端部距溶液加入点的距离a=1.5m，溶液加入点距反应器顶盖的距离b=0.4m，搅龙总长度为2m。

本发明不限于上述实施例，其技术方案已在发明内容部分予以说明。

Claims

1.一种三相全混流二氧化碳氨化矿化反应系统，其特征在于压力500~1000 kPa（绝压）的氨气以大于10m/s的速度射流进入反应器，剧烈搅拌二水磷石膏和含CO₂与NH₃的液固相形成气液固三相全混流，液/固体积比3~5，反应、升温后液相含CO₂质量%浓度8%~15%、NH₃/CO₂摩尔比2~3、液固相温度75℃~85℃、从开口在反应器固定位置处的垂直出料管溢流、连续自动恒液位输出到带搅拌的养晶罐；液固相在反应器内溢流出料高度也就是气相与液固相分离面高度，气相脱离液固相后其压力90~150kPa（绝压）、继续向上通过反应器的扩大段、穿过湍球洗涤段、进入带阀门控制的混合气输出管；二水磷石膏和含CO₂与NH₃的溶液通过安装于反应器顶部并垂直伸入反应器的液固加料装置混合加入反应器，二水磷石膏从上部敞口锥通过搅龙往下推入加料管，该溶液从距搅龙上端1~3m以下处加入并与二水磷石膏共同经过搅龙下端混合后落入反应器；该溶液进入反应器之前通过换热器调整温度使之满足反应器内液固相温度75℃~85℃的工艺条件，溶液总量的1/3通过搅龙、2/3通过湍球洗涤层加入反应器。

2.一种三相全混流二氧化碳氨化矿化反应装置，其特征在于氨气提供搅拌动力并促进液固矿化转化反应后实现气相分离、洗涤、恒压输送；全混流料浆升温到75℃~85℃后恒压、恒液位、连续自动输出；除搅龙上端干料段而外凡与固相接触的部位，均有液相连续冲刷避免沉积；混合气恒压输出管的阀门前安装气相平衡管，其下端插入盛水深度3~6m的敞口液封槽液面以下2~5m，起自动泄压作用保证反应器气相压力不超过120~150kPa（绝压）；承接全混流料浆出料管的养晶罐内保持浆料层高度2~4 m，出料管插入深度1.5~3.5 m，起液封作用；反应器由底锥、筒体段、扩大段和密闭的顶盖四部分组成，筒体段的直径d由操作状态下氨气的体积流量设计值V（m³/s）确定，满足氨气在筒体段表观上升速度u=V/(0.785d²)=2.5~6.5 m/s，扩大段与顶盖连接处直径D满足V/(0.785D²)=1.5~2.5 m/s；料浆出料管上端部开口处距反应器筒体段下端部高度h=(2~5)d，筒体段长度F =(1.2~1.5) h，筒体段与扩大段长度之和H≥2F，扩大段内安置的湍球洗涤层厚度150~280 mm；养晶罐和液封槽底部安放位置距反应器筒体段下端部高度f=6~12m；搅龙伸入液固加料装置的垂直加料管内，搅龙上端部距溶液加入点距离a=1~3m，溶液加入点距反应器顶盖的距离b=0.3~0.5m，搅龙总长度为(a+b)的1.05~1.10倍。