CN1059479A - 气-固接触方法 - Google Patents

Abstract

在此公开了一种气体洗涤方法，通过使颗粒材料 与高速废气流接触，降低由于扩散边界层引起的传质 阻力并提供较高的传质速率。

此方法特别适合于用氧化铝从铝电解槽废气中 洗涤气态氟化物。此外，已经发现，颗粒尺寸最好的 是小于45μm的细颗粒从废气中吸附或化学吸附不 成比例量的杂质微量金属。为防止这些含在废气中 的微量金属再循环回电解槽中，可以从粗颗粒中洗提 出这些细颗粒。

Description

本发明涉及废气流的处理，并且尤其涉及通过固体接触从上述气流中除去一种气体组分的方法。

铝的电解生产中即遇到了一个可通过固体接触法除去气流中的一种气体组分的实例。电解槽系列废气中具有气态氟化物，并且特别是具有氟化氢，它是熔炼过程的必然结果。如果将这些气体排入大气，这就意味着净损失了由熔炼过程产生的氟化物，这是不经济的，降低氟化物释放量从环境保护观点看来也是重要的。

目前从废气中除去气态氟化物是通过干洗涤技术完成的。它包含有使未处理的电解槽系列废气与氧化铝颗粒接触的步骤，并且气态氟化物被化学吸附和/或物理吸附于氧化铝表面上。随后，在集尘室中与原来在废气中的夹带颗粒一起收集氧化铝。

在这样的干洗涤技术中，氧化铝和废气之间的主要接触可在两种类型的反应器中发生，即一种类型是已知的输送反应器。

在一种输送反应器中，原始的氧化铝在其被分离之前被注入到低速至中速气流中。颗粒被注入气流中，其目的是使气流夹带颗粒，并且颗粒相对于气流的速度是低的。

尽管这种反应器是非常简单的，但它是较低效率的气-固接触器，并且为达到所希望的洗涤效果，通常进行再循环（直至20次）。高的再循环由于过度的使用氧化铝颗粒，将导致其高度的磨损，并且由于颗粒尺寸在铝槽进料中是一个重要的参数。而颗粒过细将使这种槽产生控制问题。在这种类型的反应器中，高的再循环比也将导致高比例的用于吸附氟化物的氧化铝被带至集尘室，这将使得集尘室具有高的固相载荷。

此外，高的再循环比将难以预测和控制氟化物吸附于氧化铝上的比值。

另一种反应器使用了传统的流化床系统，这样的系统需要大量的初始投资费用，并且由于流化床具有较大的压力降，因此需要较高的操作费用。

在这两种反应器中，所有的氧化铝最终被供入电解槽中，并且使得其杂质（在废气中的碳、微量金属和其它颗粒）也被再循环到电解槽内。

实际上对于这两种系统，已经发现，电解槽进料总量的大比例（通常100%）物料必须与废气接触，以有效地将氟化物浓度降至一个相当的水平。由于气流中的杂质，降低了进料的全面质量。

本发明的目的在于提高气-固接触的效率，使得用较小比例的氧化铝总量，即能够降低电解槽系列废气的氟化物含量。

任何干洗涤操作的目的均是用于以可能的最高速率将废气流中的气体杂质吸附或化学吸附于颗粒材料上，并且使颗粒材料载有可能达到最高量的杂质。从商业观点看，应该通过将与气-固接触有关的操作费用降至最低来实现该操作。

气相传质系数和传质速率极大地依赖于颗粒周围的扩散边界层的传质阻力。如果通过高的滑移速度（颗粒和气体之间的相对速度）来显著降低边界层，则传质将取决于在颗粒表面的吸附或化学吸附速率。通常，这将导致传质过程以很快的速率进行。因此，对于相对较短的停留时间，吸附过程能够基本达到平衡，颗粒材料在其被分离之前即接近了对于气体组分的饱和极限。因此，仅需要较少的颗粒材料则可处理相同的气体量。

已经发现，如果颗粒材料与高速废气流接触，则颗粒表面的扩散作用被降低至最低，并且它对于吸附的总速率的影响是很小的。

按照上述目的，本发明提供了一种从气流中洗涤一种气体组分的方法，它包括：

使所述气流具有预定的速度，在所述的气流中夹带的颗粒材料能够吸附气体组分，并使其显著降低，并回收所述的处理过的颗粒材料，其特征在于，所述的预定速度相对于颗粒材料是这样的一个大小和方向，即使得在吸附过程中，气体组分对于颗粒材料的边界扩散阻力和回收所述处理过的颗粒材料都显著降低。

最好，在洗涤操作之前，基本上从气流中除去所有的固体材料。

颗粒材料最好是氧化铝，而气体组分是气态氟化物。

已经进一步发现，处理过的细颗粒材料（最好小于45μm）比处理过的粗颗粒含有较大比例的微量金属。这样，如果从处理过的粗氧化铝颗粒洗提出细颗粒，则作为进料处理过的氧化铝中添加的杂质的化合作用将降低。

这样做所具有的另一优点是：它解决了细颗粒材料对于在电解槽附近工作的人们所引起的职业性健康问题。

这样，本发明的另一方面提供了：

一种用于处理含在废气流中的气体组分的方法，它包括，使高速废气流与一种能够吸附或化学吸附气体组分的颗粒材料接触，

回收颗粒材料的粗颗粒;气体组分在所述材料上的吸附已经达到平衡;

使气流能带走颗粒材料中的细颗粒，并且分离和回收细颗粒。

这种方法的优点是气流仅将细颗粒带至集尘室，从而降低了袋滤器的固相载荷，并且也降低了该设备的操作费用。此外，能从系统中除去或单独处理具有如微量金属那样的高浓度杂质的颗粒。

如果需要进一步降低处理过的氧化铝的杂质含量，则最好在与吸附颗粒材料接触之前，基本上全部除去废气中的固体。

最好在一个具有环形反应区的设备中实现该接触过程，所述气流从该反应区的下方进入。进入的废气最好与环形的轴线成一定角度而进入反应区的底部，使得气流通过反应区前进时，具有围绕所述轴线的园周运动。用这种方式，高速气流能被容纳在一个相对小的区域中。

由于气流相对于颗粒材料是高速的（最好大于1m/s），因此将边界层降至最低，并且在材料的表面快速发生反应。因此，颗粒材料达到平衡仅需极短的接触时间。

在预定的停留时间之后，可以去掉颗粒材料中的粗颗粒，并使气流带走细颗粒材料。

本发明的以上和其它的特征和优点将从以下参照附图对优选实施方案进行描述中变得更为明显。其中：

图1是一个结合有本发明方法的一个实施方案的干洗涤系统的工艺流程图;

图2是用于实施本发明方法的一个实施方案的设备的示意图;

图3是一个用于说明反应区中气流和一个颗粒相对速度的示意图;

图4是一个用于实现本发明方法的一个实施方案的设备的局部透视图;

图5至7是用于说明当滑移速度增加时，颗粒周围的扩散边界层减少情况的示意图;

图8是一个用于说明滑移速度对传质速率和反应速率的相对改善的作用的图表;

图9、10、11和12是用于说明铁、钒、镍和镓作为颗粒尺寸的函数而分别吸附或化学吸附于氧化铝上的量。

现在将根据从铝精炼电解槽的废气中除去氟化物和微量金属，例如钒、镍、镓和铁来描述本发明洗涤方法。

在图1所示的总的工艺流程图中，未处理的电解槽废气首先通过一个除固体步骤2来除去可能夹在气流中的任何颗粒材料，例如二氧化硅、氧化铝或碳，除去的材料作为料流3。这一步骤可通过一系列旋风分离器或复式旋风分离器或其它除尘设备完成。

随后，气流进入反应器4，在反应器中氟化物和微量金属被吸附或化学吸附于原始的氧化铝5的表面上。随后除去处理过的氧化铝的粗颗粒6，并且使其与铝的精炼操作的进料混合。随后，由气流带走其细颗粒，并在其进入集尘室8之前使其通过折流板7，分离出所夹带的较大的颗粒。在细颗粒中的较大颗粒9被返回至反应器，而其余部分10通入集尘室，以便从气流中分离出颗粒流11。在颗粒流11排去的颗粒尺寸小于约45微米，最好小于约20微米，而小于约10微米则更好。

如果能够足以控制从反应器出来的细颗粒的颗粒尺寸，也可以不用折流板系统。

在图2和4所示的用于实现本发明方法的设备20中，含氟化物的废气流21在所示箭头的方向进入反应器。环形反应区22的底部具有许多进气导板23，它们在与反应区入口至少成80°角的方向上引导所进入的高速废气，从而使得气体基本上在反应区22的园周方向上运动。从而气体在反应器20的工作区产生了一个围绕反应区22的轴线的旋流运动。

氧化铝通过轴向导管24喂入反应器，该导管有一个扩张的锥形进料器，以便在进入25处的环形反应区之前，能使在气流中，颗粒材料呈均匀分布。

随着颗粒与气流的接触，气流的旋流运动和气流相对于颗粒的速度引起了下面将要讨论的扩散边界层的剪切或破坏。颗粒最初在离心力作用下移至反应区22的外侧，但随着更多的颗粒进入反应器，反应区内装入和处理过的颗粒被迫移到反应区内侧。已经完成了吸附过程的处理过的颗粒通过导管28以料流27从反应器中取出，它们将与精炼电解槽或熔炼炉进料混合。

反应器29的壁可如图4所示的那样向上延伸，并且以锥形向外延伸（未示出），以便如图1所示那样保持夹带细颗粒，直至经过该处理步骤为止。

如早先讨论的那样，当氧化铝颗粒进入反应区时，如果颗粒和气体之间的速度差大，它将足以剪切或破坏在颗粒周围所环绕的扩散边界层。这些在图5、6和7中示出。

在图5中，颗粒速度大致与气体速度相同。这导致了滑移速度接近于零，它相当于在输送式反应器中进行的洗涤操作。如图所示，其扩散边界层是大的，因此，具有高的气相阻力。

在图6中，增加了滑移速度，因此扩散边界层阻力较低，并且气相传质较快。此种情况类似于流化床反应器，尽管它改进了洗涤操作，但由于其投资和操作费用较高，从而显著地降低了人们对该类型反应器的兴趣。

如图7所示，当气体速度比颗粒速度大得多，将大大地降低边界层扩散阻力。在气流方向上，颗粒速度基本为零，其滑移速度大于约1米/秒。它提供了足够低的气相传质阻力，以便达到有效的气体洗涤。尽管气体的速度不会大到足以除去所有的边界层，但是已除去或破坏了足够量的边界层，使得在总反应速率中大大地降低了氟化物向颗粒扩散速率的影响。这样，在总反应中的速率是由氟化物在氧化铝表面的吸附或化学吸附来确定。

由于氟化物和氧化铝之间的反应是快速和完全的，因此与氧化铝的接触能以单程进行。为处理在铝电解槽中形成的大量废气，可以并联形成一排反应器。电解槽废气的气态氟化物的一个典型的干洗工序必定可以处理浓度为100～400ppm（氟化氢）的气2～3×10⁶Nm³/小时。

图8是一个图表，其中X轴表示滑移速度，单位为m/s，Y1轴表示传质系数，单位为cm/s，而Y2轴表示反应速率相对改进的百分数。

沸化床气体洗涤器具有的典型滑移速度为0.6m/s，而输送反应器具有的滑移速度小于0.1m/s。因此，从图8可以清楚地看出操作时滑移速度大于1m/s的好处。

对于按照本发明并且最好在环形反应区完成的气体洗涤操作，最好使用4至5m/s之间的滑移速度以提高洗涤效率。如早先所述，通过使用环形反应区，该设备能允许气流带走氧化铝细颗粒或过后回收氧化铝细颗粒，此外，1米直径的环形反应区的压力降是10～30mm水柱，该值的数量级小于相应的流化床气体洗涤器。

本申请人已经发现，小于45微米的细颗粒吸附或化学吸附了不成比例量的，特别是微量金属。

图9、10、11和12说明了铁、钒、镍和镓的吸附，其每百万的份数（Y轴）与颗粒尺寸（X轴）的函数关系。

在铝精炼电解槽的废气的气态氟化物吸附或化学吸附于氧化铝上，氟化物和处理过的氧化铝两者均用作精炼电解槽的进料。微量金属，例如镓、镍、铁和钒被认为是污染物，并且由于它们也存在于废气中，所以它与气态氟化物一起被吸附或化学吸附于氧化铝上。

为防止这些微量金属随处理过的氧化铝一起返回精炼电解槽，因此回收那些不成比例地含有较高量微量金属的细颗粒，并且不使其作为精炼电解槽的进料。从图9至12可以清楚地看出，小于10微米的颗粒具有最大比例的微量金属，从而可以看出分离出直至45微米的细颗粒所带来的好处。

表1示出了通过除去20微米颗粒尺寸的氧化铝和45微米颗粒尺寸的氧化铝，所得到的杂质含量降低。

表 1

元素        除去的颗粒          氧化铝          除去的杂质尺寸（微米）        （重）％            ％
				V          －20                 20                47－45                 25                55Ni        －20                  20                53－45                  25                60Fe        －20                  20                17－45                  25                20

可以看出，分离细颗粒对于除去钒和镍是最显著的。

尽管主要是通过用氧化铝接触铝电解槽废气来除去其中的气态氟化物来描述本发明的，但是本专业普通技术人员能够很容易地理解到，本发明的方法能用于取决于吸附或化学吸附颗粒扩散速率的其它气体洗涤或气固接触场合，例如，它能用于烟道气或需脱硫气体的脱硫。这样的含硫气体含有二氧化硫或其它的硫的氧化物，在其放空、释放之前必须首先对其进行处理，降低其对环境的有害作用。通常的作法是在湿式或干式洗涤器中处理它们。在此情况下，固体接触介质可以是石灰或熟石灰或氧化锌。颗粒周围的扩散边界层的降低将提高反应速率和效率。

Claims (22)

1、一种洗涤气流中气体组分的方法，包括：

使所述气流具有预定的速度，

使能够吸附或化学吸附该气体组分的颗粒材料接触所述的气流，并且回收所述的处理过的颗粒材料，其特征在于，所述预定速度相对于颗粒材料是这样的大小和方向，即使得在吸附过程中，气体组分对于颗粒材料的边界层扩散阻力显著降低。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，气流相对于颗粒的预定速度大于1m/s。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，气流相对于颗粒的预定速度大于4m/s。

4、如权利要求3所述的方法，其特征在于，气流相对于颗粒的预定速度小于5m/s。

5、如权利要求1所述的方法，其特征在于，气流和颗粒材料之间的接触是在一个环形反应区进行。

6、如权利要求5所述的方法，其特征在于，使从该环形区下方进入的气流基本上具有园周运动，并且所述颗粒基本上在轴向上进入该反应区。

7、如权利要求1或6所述的方法，其特征在于，所述颗粒材料中的细颗粒由所述气流从粗颗粒中洗提出来，这些细颗粒夹带在该气流中并且与所述气流一起离开反应区。

8、如权利要求7所述的方法，其特征在于，在颗粒材料离开反应区之前，气流中的气体组分在该颗粒材料上的吸附或化学吸附已基本达到平衡。

9、如权利要求7所述的方法，其特征在于，颗粒材料是氧化铝，而气体组分是气态氟化物。

10、如权利要求9所述的方法，其特征在于，细颗粒的颗粒尺寸小于约45微米。

11、如权利要求10所述的方法，其特征在于，细颗粒的颗粒尺寸小于约20微米。

12、如权利要求11所述的方法，其特征在于，细颗粒的颗粒尺寸小于约10微米。

13、一种用于处理废气流中所含气体组分的方法，包括：使一种能够吸附或化学吸附气体组分的颗粒材料与高速废气流接触;

回收颗粒材料中的粗颗粒;气体组分在所述材料上的吸附已经基本达到平衡;

使颗粒材料中的细颗粒能由气流带走，并且分离和回收所述的细颗粒。

14、如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述高速气流在一环形反应区中接触所述颗粒材料，所述废气流基本上以园周运动通过所述反应区，并且所述颗粒材料基本上在相反的轴向上供入该反应区。

15、如权利要求14所述的方法，其特征在于，废气流相对于颗粒材料的速度大于约1m/s。

16、如权利要求14所述的方法，其特征在于，废气流相对于颗粒材料的速度大于4m/s。

17、如权利要求16所述的方法，其特征在于，废气流相对于颗粒材料的速度小于5m/s。

18、如权利要求13或14所述的方法，其特征在于，细颗粒的颗粒尺寸小于约45微米。

19、如权利要求13或14所述的方法，其特征在于，细颗粒的颗粒尺寸小于约20微米。

20、如权利要求13或14所述的方法，其特征在于，细颗粒的颗粒尺寸小于约10微米。

21、如权利要求13或14所述的方法，其特征在于，颗粒材料是氧化铝，而被除去的气体组分是气态氟化物。

22、如权利要求21所述的方法，其特征在于，在处理过的氧化铝离开反应区之前，氟化物在氧化铝上的吸附已基本达到平衡。

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