CN103446869B

CN103446869B - 一种气体吸收系统及其应用

Info

Publication number: CN103446869B
Application number: CN201310392789.5A
Authority: CN
Inventors: 刘马林; 刘兵; 邵友林; 朱钧国; 张秉忠; 杨冰
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2013-09-02
Filing date: 2013-09-02
Publication date: 2015-09-30
Anticipated expiration: 2033-09-02
Also published as: CN103446869A

Abstract

本发明属于气体分离领域，提供一种气体吸收系统，其包括吸收塔、碱液罐、二次液罐、待吸收气体管道；吸收塔顶部设置有管道，所述管道上连接有排空管道、非氧化性气体管道、水管和溢流管；所述溢流管连接所述二次液罐；所述吸收塔内装有分散式填料和除泡沫填料；所述二次液罐通过管道和泵连接所述碱液罐；所述二次液罐通过管道连接吸收塔塔底；所述待吸收气体管道从吸收塔内的分散式填料下方进入吸收塔。本发明提出的吸收塔内采用分散式填料和除泡沫填料将吸收塔分为三个主要空间，实现气液逆流操作，获得更好的吸收效率、减少了有害气体的排放；易于实现自动化操作，可连续运行。

Description

一种气体吸收系统及其应用

技术领域

本发明属于气体分离领域，具体涉及一种从气体中分离有害气体的系统及该系统的应用。

背景技术

我国球床式高温气冷堆所使用的陶瓷型燃料元件，结构为球形包覆颗粒(TRISO)弥散在燃料区的石墨基体中。高温气冷堆核电站的固有安全性的第一道保证就是所使用的核燃料为TRISO型包覆颗粒，其由核燃料核芯、疏松热解碳层、内致密热解碳层、碳化硅层和外致密热解碳层组成。上述包覆层在设计温度下可以很好地阻止裂变产物逸出燃料颗粒，其中最关键的一层为SiC层，负责阻止裂变产物释放的重要作用，主要由甲基三氯硅烷(MTS)裂解生成，裂解生成气体主要是氯化氢气体(HCl)，同时混有反应气体H₂，直接排放氯化氢气体(HCl)污染严重，因此需要用碱液进行吸收。

面对高温气冷堆的发展趋势，燃料元件生产走向规模化，原有实验室系统为气体通入液体腔结构，吸收效率不高、无法自动化控制且气体容易和空气混合发生爆炸危险，不能满足需要，迫切需要一套适应生产要求的高效、可连续运行、易于自动化控制、安全可靠的气体吸收设备。因此本专利设计了一套气体吸收系统，充分考虑吸收过程涉及的各种因素，可以实现自动化操作，易于安装、清洗和操控。

发明内容

针对本领域存在的问题，本发明的目的是提出一种气体吸收系统。

本发明的另一目的是提出所述系统的应用。

实现本发明上述目的的技术方案为：

一种气体吸收系统，包括吸收塔、碱液罐、二次液罐、待吸收气体管道；

所述吸收塔顶部设置有管道，所述管道上连接有排空管道、非氧化性气体管道、水管和溢流管；所述溢流管连接所述二次液罐；

所述吸收塔内装有分散式填料和除泡沫填料，除泡沫填料位于分散式填料上方，两种填料之间设置有液体喷嘴，所述液体喷嘴连接所述碱液罐；所述二次液罐通过管道和泵连接所述碱液罐；所述二次液罐通过管道连接吸收塔塔底；

所述待吸收气体管道从吸收塔内的分散式填料下方进入吸收塔。

所述分散式填料目的是增大气-液的接触面，使其相互强烈混合，选自鲍尔环/拉西环/阶梯环/弧鞍填料等乱堆堆放；所述除泡沫填料的目的是除去液体吸收时可能存在的泡沫状物质，防止堵塞出气管路，为网状/波纹板/格栅状/多孔球状填料等乱堆堆放。

其中，所述管道上连接的排空管道、非氧化性气体管道、水管和溢流管的位置为依次由上到下。排空管道上连接有风机，保证正常吸收操作时，吸收塔内气体流动方向为自下而上，实现气液逆流吸收。

其中，所述吸收塔内两种填料中均设置有压力平衡直通管道，靠近吸收塔内壁，且所述压力平衡直通管道不同轴。用于防止填料带来的压差使得吸收塔内憋压，并防止气体短路。

其中，所述吸收塔塔壁上还设置有防爆装置，所述防爆装置位于分散式填料下方，防止吸收塔内压力过大而损害吸收塔体。

其中，所述吸收塔底部还设置有连接换热设备的管道，所述连接换热设备的管道与所述碱液罐通过管道和循环泵连接，所述连接换热设备的管道上还连接有清水管道。热交换器用于带走气体吸收时产生的热量。

本发明所述的气体吸收系统的应用，包括步骤：

1)先用碱液充满吸收塔，然后在排出碱液的过程中用非氧化性气体充满吸收塔空间，直至液位为待吸收气体管道之下1-3cm，然后碱液通过循环泵、液体喷嘴在吸收塔内开始循环；

2)从吸收塔下方通入待吸收气体，经过碱液吸收后从排空管道排出；整个吸收过程中碱液一直在吸收塔内循环，液面保持不变；

3)碱液在整个吸收气体的循环过程中，通过循环管道上设置的热交换器，控制气体吸收过程中吸收塔内温度升高小于5摄氏度，经过换热后温度降低，保证气体吸收过程中吸收塔内温度升高小于5摄氏度；

4)吸收完成后，停止碱液循环，吸收气体后的吸收塔内的碱液从塔底排入二次液罐。

其中，所述待吸收的气体为燃料颗粒裂解生成气体，含有10-40％体积分数的氯化氢气体(HCl)。

其中，所述碱液为饱和氢氧化钠溶液或饱和氢氧化钾溶液。

其中，所述待吸收的气体流速为100-200L/min；碱液循环速率为10-30L/min。

本发明的有益效果在于：

本发明提出的吸收塔内采用分散式填料和除泡沫填料将吸收塔分为三个主要空间，实现气液逆流操作，获得更好的吸收效率、减少了有害气体的排放；

易于实现自动化操作，可连续运行，在设置程序控制和联锁控制后可以防止人工误操作，安全可靠，比优化设计前降低了工作强度，改善了工作环境，能够适应商业化和规模化生产的需要。

附图说明

图1气体吸收系统结构图。

图中：1，气体出口动力阀；2，风机；3，氩气管道；4，清水管道；5，吸收塔；6，除泡沫填料；7，分散式填料；8，平衡压力直通管1；9，流量计；10，碱液循环泵；11，碱液循环动力阀；12，热交换器；13，碱液循环及回流动力阀；14，清水动力阀；15，碱液提升动力阀；16，碱液回流及清水装入动力阀；17，碱装料口；18，碱液提升泵；19，碱液罐；20，二次液转移泵；21，二次液罐；22，液位计；23，吸收塔底部排空动力阀；24，二次液转移动力阀；25，待吸收气体管道；26，安全爆破阀；27，喷雾喷嘴；28，平衡压力直通管；29，溢流管。

具体实施方式

以下具体实施方式用于说明本发明，但不应理解为对本发明的限制。

实施例中，如无特别说明，所用技术手段为本领域常规的技术手段。

实施例1：气体吸收系统

包括吸收塔5、碱液罐19、二次液罐21、待吸收气体管道25；吸收塔顶部设置有管道，该管道上连接有排空管道(排空管道上设有风机2)、氩气管道3、清水管道4和溢流管29；溢流管29连接二次液罐21；排空管道、非氧化性气体管道、水管和溢流管的位置为依次由上到下。

吸收塔5内装有分散式填料7(乱堆鲍尔环)和除泡沫填料6(乱堆波纹板填料)，除泡沫填料6位于分散式填料7上方，两种填料之间设置有喷雾喷嘴27，该喷嘴连接碱液罐19。二次液罐21通过管道和二次液转移泵20连接碱液罐19；所述二次液罐通过管道连接吸收塔塔底。作为本发明的其他实施方式，分散式填料7和除泡沫填料6分别选用拉西环和网状填料；阶梯环和波纹板；弧鞍填料和多孔球也能获得同样的技术效果。

所述待吸收气体管道25从吸收塔内的分散式填料下方进入吸收塔。所述吸收塔内两种填料中均设置有压力平衡直通管(8、28)，靠近吸收塔内壁，且二个压力平衡直通管道不同轴。

防爆装置为位于分散式填料下方的安全爆破阀26。

吸收塔底部还设置有连接热交换器12的管道，连接热交换器12的管道与所述碱液罐连接，连接热交换器12的管道上还连接有清水管道。

本系统的各管道上还设置有泵和阀门。

实施例2：

应用实施例1的系统，通过如下的操作步骤完成气液接触吸收：

1).检查碱液罐19液位是否符合吸收塔工作需要；二次液罐液位是否符合接收新的废液；管路及各阀门是否处于正常状态；

2).开气体出口动力阀1、开通溢流管29；

3).开碱液提升动力阀15、碱液循环动力阀11、碱液提升泵18、碱液循环泵10，将碱液输运至吸收塔内。

4).充满吸收塔时，依次关碱液提升泵18、碱液循环泵10、碱液提升动力阀15、碱液循环动力阀11、溢流管29、气体出口动力阀1。

5).开碱液循环及回流动力阀13、碱液回流及清水装入动力阀16，检查吸收塔液位下降后，延时1秒开氩气管道3，调整好氩气压力和氩气流量。

6).液位到吸收气体管道之下1-3cm位置时，开气体出口动力阀1、碱液循环泵10、碱液循环动力阀11，关闭碱液回流及清水装入动力阀16，开始正常碱液循环操作。

7).开待吸收气体管道2525，开始气体吸收操作，记录塔内压力、循环碱液的温度和pH值，以及热交换器冷却水的流量和温度，控制吸收塔内碱液的温度增量小于5摄氏度，注意待吸收气体是否变化，确保吸收塔系统正常运行，直至操作结束。

8).气体吸收结束，依次关氩气管道3、待吸收气体管道25。

9).关碱液循环泵10、碱液循环动力阀11，开吸收塔底部排空动力阀23，将液体排入二次液体罐内。

10).排完后，关吸收塔底部排空动力阀23，开溢流管29、清水阀14以及清水管道4，前者冲洗喷嘴及分散式填料，后者清洗吸收塔内壁及除泡沫填料。

11).液位超过分散式填料时，开循环泵10、循环泵阀11、动力阀13，清洗循环管道；关清水阀14以及清水管道4。

12).清洗20分钟，关循环泵10、循环泵阀11、动力阀13、溢流管29。

13).开吸收塔底部排空动力阀23，将液体排入二次液体罐内，排完后，关吸收塔底部排空动力阀23。

14).检测二次液体罐内液体pH值，判断是否需要重复利用；如需要，等沉降澄清后可通过泵20及阀门24输送至碱液罐。

15).检查碱液罐内液体PH值及量，可通过加入碱，以及动力阀14、16注入清水配置成碱液，等待执行下一次吸收操作。

采用上述操作步骤后，为了更明确吸收系统达到的效果，将之用于核燃料UO₂颗粒的具体包覆流程，即H₂和HCl混合气体的碱液吸收过程。测得待吸收气体为含氯化氢(HCl)气体30％(体积分数)的H₂和HCl混合气体，气速为120L/min。在碱液罐中配制了饱和NaOH溶液，PH＝14，正常吸收操作时，碱液循环速率为20L/min，吸收效率约97％，排放气中HCl含量小于1％(体积分数).最终证明本系统吸收效果好，集气体吸收、清洗、二次液体重复利用以及防止气体混合等功能于一身，适用于自动化控制，安全可靠，并可以长时间稳定运行。

实施例3：

系统和步骤同实施例2。

将之用于核燃料UO₂颗粒的具体包覆流程，即H₂和HCl混合气体的碱液吸收过程。测得待吸收气体为含氯化氢(HCl)气体35％(体积分数)的H₂和HCl混合气体，气速为110L/min。在碱液罐中配制了饱和NaOH溶液，PH＝14，正常吸收操作时，碱液循环速率为25L/min，吸收效率95％以上，排放气中HCl含量小于1％(体积分数)。

以上的实施例仅仅是对本发明的具体实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，本领域技术人员在现有技术的基础上还可做多种修改和变化，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种应用气体吸收系统吸收气体的方法，其特征在于，包括步骤：

1)先用碱液充满吸收塔，然后在排出碱液的过程中用非氧化性气体充满吸收塔空间，直至液位为待吸收气体管道之下1-3cm，然后碱液通过循环泵、液体喷嘴在吸收塔内开始循环，所述碱液为饱和氢氧化钠溶液或饱和氢氧化钾溶液；

2)从吸收塔下方通入待吸收气体，经过碱液吸收后从排空管道排出；所述待吸收的气体为燃料颗粒裂解生成气体，含有10-40％体积分数的HCl；

3)碱液在整个吸收气体的循环过程中，通过循环管道上设置的热交换器，控制气体吸收过程中吸收塔内温度升高小于5摄氏度；

4)吸收完成后，停止碱液循环，吸收气体后的碱液从塔底排入二次液罐；

所述的气体吸收系统包括吸收塔、碱液罐、二次液罐、待吸收气体管道；

所述吸收塔顶部设置有第一管道，所述第一管道上连接有排空管道、非氧化性气体管道、水管和溢流管；所述溢流管连接所述二次液罐；

所述吸收塔内装有分散式填料和除泡沫填料，除泡沫填料位于分散式填料上方，两种填料之间设置有液体喷嘴，所述分散式填料和除泡沫填料分别选用拉西环和网状填料；或者为阶梯环和波纹板；或者为弧鞍填料和多孔球；所述液体喷嘴连接所述碱液罐；所述二次液罐通过管道和泵连接所述碱液罐；所述二次液罐通过第二管道连接吸收塔塔底；

所述待吸收气体管道从吸收塔内的分散式填料下方进入吸收塔；

其中，所述第一管道上连接的排空管道、非氧化性气体管道、水管和溢流管的位置为依次由上到下；

其中，所述吸收塔内两种填料中均设置有压力平衡直通管道，靠近吸收塔内壁，且所述压力平衡直通管道不同轴。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述吸收塔塔壁上还设置有防爆装置，所述防爆装置位于分散式填料下方。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述吸收塔底部还设置有连接换热设备的管道，所述连接换热设备的管道与所述碱液罐连接，所述连接换热设备的管道上还连接有清水管道。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待吸收的气体流速为100-200L/min；碱液循环速率为10-30L/min。