CN109289484B - 一种高温炉含氯、氮尾气的回收利用系统 - Google Patents

一种高温炉含氯、氮尾气的回收利用系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高温炉含氯、氮尾气的回收利用系统，包括：固气分离装置2、与固气分离装置2连接的氯气回收系统、与氯气回收系统连接的氮气回收系统、与固气分离装置2连接的氯液回收系统以及分别与氯气回收系统、氯液回收系统连接的反应液回收系统。反应液回收系统包括反应液回收器9、与反应液回收器9连接的盐、水分离器11、以及与盐水分离器11连接的冷却装置12。其中，反应液回收系统的冷却装置12与固气分离装置2连接。本发明解决了高温炉在通入氯气、氮气且绝氧高温下进行生产而产生的含氯、氯尾气的净化处理问题。

Description

一种高温炉含氯、氮尾气的回收利用系统
技术领域
本发明涉及环境保护领域，尤其涉及一种高温炉含氯、氮气及杂质气体尾气的处理回收系统。
背景技术
目前国内外合成金刚石企业其原料石墨的纯化均为干法生产，所用设备大多是高温炉，且炉内工作温度一般在2800℃以上，由于石墨耐氧化性差，尤其是高温下更易氧化为二氧化碳而挥发，故高温下对石墨提纯时必须在绝氧、有惰性气体（主要为氮气）的环境中进行，而有很多企业为提高产品石墨的质量，在高温炉内引入一定量的氯气，这使得对尾气的处理必须考虑氯气的问题。
因此，提供一种低成本处理含氯高温炉尾气，高效回收尾气中的氮气与氯气、具有实用推广价值的含氯高温炉尾气的回收处理系统是本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种成本较低、环境友好、新颖高效、设计合理、符合国情、具有实用推广价值的高温炉含氯、氮尾气的回收利用系统。
根据本发明的一个方面，提供一种高温炉含氯、氮尾气的回收利用系统，包括：固气分离装置、与固气分离装置连接的氯气回收系统、与氯气回收系统连接的氮气回收系统、与固气分离装置连接氯液回收系统以及分别与氯气回收系统、氯液回收系统连接的反应液回收系统。反应液回收系统包括反应液回收器、与反应液回收器连接的盐、水分离器以及与盐、水分离器连接的冷却装置，反应液回收器分别与氯气回收系统和氯液回收系统连接。其中，反应液回收系统的冷却装置与固气分离装置连接。
可选择地，固气分离装置包括设置于固气分离装置侧壁的冷水入口和高温烟气入口、设置于固气分离装置顶部与氯气回收系统连接的含氯尾气出口、设置于固气分离装置底部与氯液回收系统连接的氯液出口以及设置于固气分离装置底部的第一排渣器。
可选择地，固气分离装置呈圆锥体，冷水入口切向设置于固气分离装置的圆锥体侧壁，冷水沿冷水入口旋转进入固气分离装置。
可选择地，冷却装置与固气分离装置的冷水入口通过高压水泵连接。
可选择地，氯气回收系统包括与固气分离装置的含氯尾气出口连接的活性炭吸附床以及与活性炭吸附床连接的氢氧化钠反应器，氢氧化钠反应器与反应液回收系统的反应液回收器连接。
可选择地，氯液回收系统包括与固气分离装置的氯液出口连接的氢氧化钙反应器以及设置于氢氧化钙反应器底部的第二排渣器，氢氧化钙反应器与反应液回收系统的反应液回收器连接。
可选择地，反应液回收器为硫酸亚铁反应器，硫酸亚铁反应器的底部设有第三排渣器。
可选择地，氢氧化钙反应器为圆锥体，第二排渣器为密闭螺旋输送机。
可选择地，硫酸亚铁反应器为圆锥体，第三排渣器为密闭螺旋输送机。
可选择地，氮气回收系统包括分子筛膜床。
本发明的有益效果为：
本发明解决了高温炉在通入氯气、氮气且绝氧高温下进行生产而产生的含氯、氯尾气的净化处理问题。
本发明依据高温炉排放的尾气中氯气、氮气及杂质气体相变温度、对活性炭及分子筛吸附特性的不同，将杂质气体、氮气与部分氯气彼此分离回收，剩余氯气用氢氧化钠溶液氧化、硫酸亚铁还原处理，可得沉淀氢氧化铁和氯化钠、硫酸铁混合溶液，再经过滤得氢氧化铁固体，而混合溶液还需进一步通过盐、水分离装置再分离，从而得氯化钠、硫酸铁混合结晶沉淀并回收，水则经冷却后再返回循环水系统，冷却水循环利用、节约水资源，符合可持续发展的要求。
本发明在固气分离装置中将含氯尾气与冷水混合后，使得含氯尾气中的部分杂质气体遇冷固化沉淀与含氯尾气分离，不仅解决了氯气、氮气的分离，而且还解决了排气管道由于杂质气体的骤冷固化而堵塞的问题，延长了排气管道的使用寿命、节约维修成本、降低了高温炉尾气回收的成本，性价比高、实用高效、符合国情、具有实用推广价值。
本发明的高温炉含氯、氮尾气的回收利用系统的固气分离装置呈圆锥体，冷水入口切向设置于固气分离装置的圆锥体侧壁，冷水呈螺旋状进入固气分离装置内，使得冷水能够与烟气快速混合，提高烟气处理效率，烟气中的杂质气体遇冷固化，固化杂质气体沿圆锥体内壁旋转而下，与烟气迅速分离。
本发明的高温炉含氯、氮尾气的回收利用系统的氢氧化钙反应器、硫酸亚铁反应器均为圆锥体，使得回收沉淀物更加方便快捷。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明的高温炉含氯、氮尾气的回收利用系统的结构示意图。
附图标记：1、高压水泵，2、固气分离装置，3、第一排渣器，4、活性炭吸附床，5、氢氧化钠反应器，6、分子筛膜床，7、氢氧化钙反应器，8、第二排渣器，9、反应液回收器/亚硫酸钠反应器，10、第三排渣器，11、盐、水分离器，12、冷却装置。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征向量可以相互任意组合。
如图1所示，一种高温炉含氯、氮尾气的回收利用系统，包括：固气分离装置2、与固气分离装置连接的氯气回收系统、与氯气回收系统连接的氮气回收系统、与固气分离装置2连接氯液回收系统以及分别与氯气回收系统、氯液回收系统连接的反应液回收系统。其中，反应液回收系统包括分别与氯气回收系统、氯液回收系统连接的反应液回收器9、与反应液回收器9连接的盐、水分离器11、与盐、水分离器11连接的冷却装置12，其中反应液回收系统的冷却装置12与固气分离装置2连接。
如图1所示，固气分离装置2包括设置于固气分离装置2侧壁的冷水入口和高温烟气入口、设置于固气分离装置顶部与氯气回收系统连接的含氯尾气出口、设置于固气分离装置底部与氯液回收系统连接的氯液出口以及设置于固气分离装置2底部的第一排渣器3。
如图1所示，固气分离装置2呈圆锥体，冷水入口切向设置于固气分离装置2的圆锥体侧壁，冷水沿冷水入口旋转进入固气分离装置2。
如图1所示，冷却装置12与固气分离装置2的冷水入口通过高压水泵1连接。
如图1所示，氯气回收系统包括与固气分离装置2的含氯尾气出口连接的活性炭吸附床4以及与活性炭吸附床4连接的氢氧化钠反应器5，氢氧化钠反应器5与反应液回收系统的反应液回收器9连接。
如图1所示，氯液回收系统包括与固气分离装置2的氯液出口连接的氢氧化钙反应器7以及设置于氢氧化钙反应器7底部的第二排渣器8，氢氧化钙反应器7与反应液回收系统的反应液回收器9连接。
如图1所示，反应液回收器9为硫酸亚铁反应器，硫酸亚铁反应器的底部设有第三排渣器10。
如图1所示，氢氧化钙反应器7为圆锥体，第二排渣器8为密闭螺旋输送机。
如图1所示，硫酸亚铁反应器为圆锥体，第三排渣器10为密闭螺旋输送机。
如图1所示，氮气回收系统包括分子筛膜床6。
即将冷却水由高压水泵1泵入固气分离装置2中与尾气混合，杂质气体经骤冷便在固气分离装置2中固化沉淀（其中有金属氧化物、部分金属氯化物等），杂质固体沿固气分离装置2圆锥体内壁旋转而下，再由第一排渣器3排除并回收。
活性炭吸附床4对固气分离装置2输出的含氯气体进行吸附处理（除去大部分氯气）；再对其余只含微量氯气的气体进行化学处理，即使其与氢氧化钠溶液（NaOH）在氢氧化钠反应器5内反应：Cl2+2NaOH==NaCl+NaClO+H2O，生成物再在硫酸亚铁反应器内与硫酸亚铁（FeSO4）进行还原反应：6FeSO4+3NaClO+3H2O=2Fe2(SO4)3+2Fe(OH)3↓+3NaCl，最终生成含氯盐（NaCl）、铁盐Fe2(SO4)3和铁的氢氧化物Fe(OH)3沉淀。沉淀Fe(OH)3可通过第三排渣器10排除并回收，而留在硫酸亚铁反应器内的混合液NaCl、Fe2(SO4)3溶液虽对环境无害，但还需进一步处理，可将混合液引入盐、水分离器（11）内，回收NaCl、Fe2(SO4)3混合晶体，分离出来的水则经冷却装置12、高压水泵返回系统重复利用。
由氢氧化钠反应器5排出的含氮气体，直接通过分子筛膜床6，由于分子筛膜对其中氮气和其它氧气、氧化碳等具有不同的吸附力，故含氮气体通过分子筛膜的床层后，氮气则吸附在分子筛膜床上，而其它气体如氧气等则透过分子筛膜床流出，排入大气，待分子筛膜床接近饱和时，对其采用减压的方法即可使吸附的氮气脱附，又可使分子筛膜床活性再生，同时也可制得一定纯度（含氮99.5%以上）的氮气。
固气分离装置2输出的含氯气液体进入氢氧化钙反应器7内用Ca(OH)2 与已水解的氯反应：2Cl2+2Ca(OH)2═CaCl2+Ca(ClO)2+2H2O，再在硫酸亚铁反应器内用FeSO4对未沉淀的Ca(ClO)2进行反应：12FeSO4+3Ca(ClO)2+6H2O=4Fe2(SO4)3+2Fe(OH)3↓+3CaCl2；从而确保最终溶液中不含任何溶解氯。
实施例1
实测炉体尾气排量为1400L/min且经快速测定所排放的气体中氯气含量为6%（体积百分数）、氮气含量为90%，此时炉体排出的含氮、氯及杂质气体与冷却水混合后，杂质气体因经骤冷便固化，在固气分离装置2内沉淀（其中有金属氧化物、部分金属氯化物等），再由第一排渣器3排除，通过回收得知数量约0.056kg/min；由固气分离装置2排出的含氯液体和含氯、氮气体则分别处理。
对不能固化的含氮、氯气体则由固气分离装置2顶部进入活性炭吸附床4内，对含氯气体进行吸附处理（除去大部分氯气），经回收测定数量为71L/min；再对其余含微量氯气、大量氮气的气体在氢氧化钠反应器5内进行化学处理，氯与氢氧化钠溶液（NaOH）反应（Cl2+2NaOH==NaCl+NaClO+H2O），从而去除剩余的氯；由氢氧化钠反应器5排出的含氮气体则再进入分子筛膜床6，由于分子筛膜床6对氮气的选择性吸附，从而使氮气被吸附于分子筛膜床6上，而其它气体如氧等则透过分子筛膜床6（富氧气体数量为150L/min），再对分子筛膜床6进行减压（减压至相对压力P/P0=0.2）使氮气解吸，回收纯度为99.5%（数量为1199L/min）的氮气。
由固气分离装置2排出的含氯（因部分氯气水解而进入溶液）液体，再进入氢氧化钙反应器7，氯与石灰反应，反应式：
2Cl2+2Ca(OH)2═CaCl2+Ca(ClO)2+2H2O
随着溶液浓度的增加，会有一定量的CaCl2和Ca(ClO)2沉淀生成，生成物中的沉淀达饱和后，即可通过第二排渣器8将CaCl2、Ca(ClO)2结晶排出并回收，其余溶液与氢氧化钠反应器5排出的溶液一起，再进入硫酸亚铁反应器内与硫酸亚铁（FeSO4）进行还原反应：
12FeSO4+3Ca(ClO)2+6H2O=4Fe2(SO4)3+4Fe(OH)3↓+3CaCl2
6FeSO4+3NaClO+3H2O=2Fe2(SO4)3+2Fe(OH)3↓+3NaCl
最终生成含氯盐（NaCl、CaCl2）、铁盐Fe2(SO4)3和铁的氢氧化物Fe(OH)3沉淀，沉淀Fe(OH)3可通过第三排渣器10排除并回收，通过回收沉淀物得知数量约0.045kg/min；而留在硫酸亚铁反应器内的混合液被引入盐、水分离器11内，回收NaCl、CaCl2、Fe2(SO4)3混合晶体，分离出来的水则经冷却装置12、水泵1返回系统重复利用。
实施例2
实测炉体尾气排量为1000L/min且经快速测定所排放的气体中氯气含量为5%（体积百分数）、氮气含量为89%，此时炉体排出的含氮、氯及杂质气体与冷却水混合后，杂质气体因经骤冷便固化，在固气分离装置2内沉淀（其中有金属氧化物、部分金属氯化物等），再由第一排渣器3排除，通过回收得知数量约0.04kg/min；由固气分离装置2排出的含氯液体和含氯、氮气体分别处理。
对不能固化的含氮、氯气体则由固气分离装置2顶部进入活性炭吸附床4内，对含氯气体进行吸附处理（除去大部分氯气），经回收测定数量为71L/min；再对其余含微量氯气、大量氮气的气体在氢氧化钠反应器5内进行化学处理，即使其中氯与氢氧化钠溶液（NaOH）反应（Cl2+2NaOH==NaCl+NaClO+H2O），从而去除剩余的氯；由氢氧化钠反应器5排出的含氮气体则再进入分子筛膜床6，由于分子筛膜床6对氮气的选择性吸附，从而使氮气被吸附于分子筛膜床6上，而其它气体如氧等则透过分子筛膜床6（富氧气体数量为107L/min），再对分子筛膜床6进行减压（减压至相对压力P/P0=0.2）使氮气解吸，回收纯度为99.5%（数量为856L/min）的氮气。
由固气分离装置2排出的含氯（因部分氯气水解而进入溶液）液体，再进入氢氧化钙反应器7，氯与石灰反应，反应式：
2Cl2+2Ca(OH)2═CaCl2+Ca(ClO)2+2H2O
随着溶液浓度的增加，会有一定量的CaCl2和Ca(ClO)2沉淀生成，生成物中的沉淀达饱和后，即可通过第二排渣器8将CaCl2、Ca(ClO)2结晶排出并回收，其余溶液与氢氧化钠反应器5排出的溶液一起，再进入硫酸亚铁反应器内与硫酸亚铁（FeSO4）进行还原反应：
12FeSO4+3Ca(ClO)2+6H2O=4Fe2(SO4)3+4Fe(OH)3↓+3CaCl2
6FeSO4+3NaClO+3H2O=2Fe2(SO4)3+2Fe(OH)3↓+3NaCl
最终生成含氯盐（NaCl、CaCl2）、铁盐Fe2(SO4)3和铁的氢氧化物Fe(OH)3沉淀，沉淀Fe(OH)3可通过第三排渣器10排除并回收，通过回收沉淀物得知数量约0.045kg/min；而留在硫酸亚铁反应器内的混合液被引入盐、水分离器11内，回收NaCl、CaCl2、Fe2(SO4)3混合晶体，分离出来的水则经冷却装置12、水泵1返回系统重复利用。
实施例3
实测炉体尾气排量为800L/min且经快速测定所排放的气体中氯气含量为7%（体积百分数）、氮气含量为88%，此时炉体排出的含氮、氯及杂质气体与冷却水混合后，杂质气体因经骤冷便固化，在固气分离装置2内沉淀（其中有金属氧化物、部分金属氯化物等），再由第一排渣器3排除，通过回收得知数量约0.035kg/min；由固气分离装置2排出的含氯液体和含氯、氮气体分别进行处理。
对不能固化的含氮、氯气体则由固气分离装置2顶部进入活性炭吸附器4内，对含氯气体进行吸附处理（除去大部分氯气），经回收测定数量为42L/min；再对其余含微量氯气、大量氮气的气体在氢氧化钠反应器5内进行化学处理，即使其中氯与氢氧化钠溶液（NaOH）反应（Cl2+2NaOH==NaCl+NaClO+H2O），从而去除剩余的氯；由氢氧化钠反应器5排出的含氮气体则再进入分子筛膜床，由于分子筛膜床6对氮气的选择性吸附，从而使氮气被吸附于分子筛膜床6上，而其它气体如氧等则透过分子筛膜床6（富氧气体数量为86L/min），再对分子筛膜床6进行减压（减压至相对压力P/P0=0.2）使氮气解吸，回收纯度为99.5%（数量为638L/min）的氮气。
由固气分离装置2排出的含氯（因部分氯气水解而进入溶液）液体，再进入氢氧化钙反应器7，氯与石灰反应，反应式：
2Cl2+2Ca(OH)2═CaCl2+Ca(ClO)2+2H2O
随着溶液浓度的增加，会有一定量的CaCl2和Ca(ClO)2沉淀生成，生成物中的沉淀达饱和后，即可通过第二排渣器8将CaCl2、Ca(ClO)2结晶排出并回收，其余溶液与氢氧化钠反应器5排出的溶液一起，进入硫酸亚铁反应器内与硫酸亚铁（FeSO4）进行还原反应：
12FeSO4+3Ca(ClO)2+6H2O=4Fe2(SO4)3+4Fe(OH)3↓+3CaCl2；
6FeSO4+3NaClO+3H2O=2Fe2(SO4)3+2Fe(OH)3↓+3NaCl，
最终生成含氯盐（NaCl、CaCl2）、铁盐Fe2(SO4)3和铁的氢氧化物Fe(OH)3沉淀，沉淀Fe(OH)3可通过第三排渣器10排除并回收，通过回收沉淀物得知数量约0.045kg/min；而留在硫酸亚铁反应器内的混合液被引入盐、水分离器11内，回收NaCl、CaCl2、Fe2(SO4)3混合晶体，分离出来的水则经冷却装置12、水泵1返回系统重复利用。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，仅仅参照较佳实施例对本发明进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种高温炉含氯、氮尾气的回收利用系统，其特征在于，包括：固气分离装置（2）、与所述固气分离装置（2）连接的氯气回收系统、与所述氯气回收系统连接的氮气回收系统、与所述固气分离装置（2）连接的氯液回收系统以及分别与所述氯气回收系统、所述氯液回收系统连接的反应液回收系统；
所述反应液回收系统包括反应液回收器（9）、与所述反应液回收器（9）连接的盐、水分离器（11）以及与所述盐、水分离器（11）连接的冷却装置（12），所述反应液回收器（9）分别与所述氯气回收系统和所述氯液回收系统连接，其中，所述反应液回收系统的所述冷却装置（12）与所述固气分离装置（2）连接；
所述固气分离装置（2）包括设置于所述固气分离装置（2）侧壁的冷水入口和高温烟气入口、设置于所述固气分离装置（2）顶部与所述氯气回收系统连接的含氯尾气出口、设置于所述固气分离装置（2）底部与所述氯液回收系统连接的氯液出口以及设置于所述固气分离装置（2）底部的第一排渣器（3）；
所述固气分离装置（2）呈圆锥体，所述冷水入口切向设置于所述固气分离装置（2）的圆锥体侧壁，冷水沿所述冷水入口旋转进入所述固气分离装置（2）；
所述氯气回收系统包括与所述固气分离装置（2）的所述含氯尾气出口连接的活性炭吸附床（4）以及与所述活性炭吸附床（4）连接的氢氧化钠反应器（5），所述氢氧化钠反应器（5）与所述反应液回收系统的所述反应液回收器（9）连接；
所述氯液回收系统包括与所述固气分离装置（2）的所述氯液出口连接的氢氧化钙反应器（7）以及设置于氢氧化钙反应器（7）底部的第二排渣器（8），所述氢氧化钙反应器（7）与所述反应液回收系统的所述反应液回收器（9）连接；
所述反应液回收器（9）为硫酸亚铁反应器，所述硫酸亚铁反应器的底部设有第三排渣器（10）；
所述氮气回收系统包括分子筛膜床（6）。
2.如权利要求1所述的高温炉含氯、氮尾气的回收利用系统，其特征在于，所述冷却装置（12）与所述固气分离装置（2）的所述冷水入口通过高压水泵（1）连接。
3.权利要求1所述的高温炉含氯、氮尾气的回收利用系统，其特征在于，所述氢氧化钙反应器（7）为圆锥体，所述第二排渣器（8）为密闭螺旋输送机。
4.权利要求1所述的高温炉含氯、氮尾气的回收利用系统，其特征在于，所述硫酸亚铁反应器为圆锥体，所述第三排渣器（10）为密闭螺旋输送机。
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