CN109569241B - 一种捕集co2的喷雾装置及工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种捕集CO2的喷雾装置及工艺，该装置包括喷雾塔，塔体顶部设有进液口和气体排出口，底部设有液体排出口和进气口，进气口上方设有气体分布器，进液口与喷嘴装置连接，喷嘴装置由喷嘴单元有序分布组成，每一个喷嘴单元由双层喷嘴板、旋转驱动组件和压力传感器组成；双层喷嘴板包括喷嘴前板和喷嘴后板，喷嘴前板和喷嘴后板上均匀设有喷嘴孔；所述的旋转驱动组件包括旋芯和转动圈，旋芯上装有电磁感应装置；压力传感器通过电磁感应装置将流体压力大小的信号传递到旋芯上使得旋芯转动并驱动喷嘴后板做出相应的旋转，使得喷嘴前板和喷嘴后板的喷嘴孔形成动态的重叠、交错。

Description

一种捕集CO2的喷雾装置及工艺
技术领域
本发明涉及一种捕集CO2的喷雾装置及工艺，具体涉及一种在捕集CO2的喷雾塔中具有可变液体流量的喷雾装置，属于化工设备机械领域。
背景技术
由于希望减缓全球变暖，二氧化碳捕集的重要性正在增加。在燃烧后二氧化碳捕集的各种技术中，使用胺或氨（NH3）水溶液的化学吸收被认为是最接近实际的使用，因为这种方法具有优势，包括高捕获效率η和高通量。使用液体吸收剂的化学吸收通常在填充塔或喷雾塔中实现，其中喷雾塔是最简单的化学吸收反应器，其中吸附剂溶液喷入上升气流中，吸收二氧化碳并沿与气流相反的方向落下。吸收剂液滴的大小会影响它们的下落速度和它们吸收的二氧化碳量。任何实际的二氧化碳捕集技术必须同时满足两个高捕获效率和低成本的冲突目标，使用过量的吸收剂或过长的塔可获得捕获效率η> 90％，但是使用过量的吸收剂导致高能量成本，过长的塔导致高的建造成本，这两者都是CO 2捕获商业化的关键障碍。
喷雾塔较低CO2捕获效率可归因于空间液滴分布以及液滴尺寸的高度不均匀性，这源于喷嘴的特征：一个普通的喷嘴产生一个锥形喷雾的液滴，具有很大的尺寸变化，不同尺寸的液滴之间惯性的差异导致液滴分布不均匀。小液滴可能沿着高速气流向后流动，大液滴可能会到达墙壁并丢失。由于非零相对速度引起的液滴之间的碰撞增加了液滴尺寸和尺寸分散，导致表面积减小。随着液滴尺寸的增加，吸收质量和内部分散和化学反应所需的时间增加。结合起来，这些因素降低了吸收剂的使用程度，从而降低了喷雾塔的捕获效率。当吸附剂滴的数量密度超过极限时，由于高液滴种群区域的气体浓度大大降低，传质速率甚至可能降低。
发明内容
为了克服传统喷雾塔因吸收剂液滴尺寸和空间分布不均匀而导致CO2捕获效率降低的局限性，本发明提供了一种捕集CO2的喷雾装置及工艺，用于捕获二氧化碳，大大提高了捕集效率。
本发明提供的喷雾装置，其实质是一种喷嘴，核心结构是多喷嘴板，可以在流动横截面上垂直且均匀地喷射几乎相同尺寸的吸附剂液滴。这种新的喷雾装置，通过调节压力来控制吸收液体的流量，同时通过喷嘴板垂直向下注入吸附剂液滴几乎消除了壁损失，产生具有均匀尺寸的吸收剂液滴，没有发生小液滴的回流（没有产生小到足以由气流进行的液滴）。液滴的均匀尺寸和空间分布实现了在相同的操作条件下比典型喷雾塔高得多的CO2捕获效率。
本发明提供了一种捕集CO2的喷雾装置，包括喷雾塔，塔体顶部设有进液口和气体排出口，底部设有液体排出口和进气口，进气口上方设有气体分布器，进液口下接储液器，储液器下接喷嘴装置，喷嘴装置由喷嘴单元有序分布组成，每一个喷嘴单元由双层喷嘴板、旋转驱动组件和压力传感器组成；双层喷嘴板包括喷嘴前板和喷嘴后板，喷嘴前板和喷嘴后板上均匀设有喷嘴孔；所述的旋转驱动组件包括旋芯和转动圈，旋芯上装有电磁感应装置；旋转驱动组件安装于喷嘴后板的中心位置，其末端与喷嘴后板相互连接来控制后板转动，后板与该旋转驱动组件为同轴向转动配合；压力传感器测流体到达喷嘴前板处的压力，压力传感器通过电磁感应装置将流体压力大小的信号传递到旋芯上使得旋芯转动并驱动喷嘴后板做出相应的旋转，使得喷嘴前板和喷嘴后板的喷嘴孔形成动态的重叠、交错。
上述装置中，所述喷嘴装置由有序排列的13个喷嘴单元组成：中心轴线处布置一个喷嘴单元，在其外侧绕圆周方向布置两圈喷嘴单元，其中内圈沿着圆周均匀地设有四个喷嘴单元，外圈沿着圆周均匀地设有八个喷嘴单元。每一个喷嘴单元的内部设有喷嘴空腔；喷嘴单元的下部从上往下依次设有喷嘴后板和喷嘴前板，喷嘴后板和喷嘴前板上均设有大量成型的圆形喷嘴孔；旋转驱动组件设置在喷嘴后板的中心处，在喷嘴前板和后板之间的四周均匀设有四个压力传感器。
上述装置中，所述喷嘴后板和喷嘴前板是塑料或金属薄片，喷嘴后板和喷嘴前板均有大量成型的圆形喷嘴孔，孔径300μm，平均每平方厘米开9×102个孔（圆形孔径300μm，一个微孔面积约7.0686×10-4cm2，设每平方厘米开9×102个孔，使得圆形喷嘴孔均匀分布），初始状态时，喷嘴后板和喷嘴前板的喷嘴孔相对应。
上述装置中，所述的喷嘴内腔的四个压力传感器安装于喷嘴板前板和后板之间，压力传感器用于测流体到达喷嘴前板处的压力。压力传感器有一个限定值，当偏离限定值时，压力传感器将通过电磁感应装置将信号传递到旋芯上使得旋芯转动，从而驱动喷嘴板后板旋转。当流体压力增大时，该信息通过电磁感应装置反馈到喷嘴板后板中心处的旋芯上，旋芯将逆时针旋转15°，喷嘴板前板和后板的喷嘴孔部分重叠交错，减少喷嘴喷出的流体流量；当流体压力减小时，该信息同样通过电磁感应装置反馈到喷嘴板后板中心处的旋芯上，此时旋芯将顺时针旋转15°至初始位置，增大喷嘴喷出的流体流量。
上述装置中，所述的旋转驱动组件，旋芯的转动驱动转动圈转动，从而驱动喷嘴后板旋转。
上述装置中，喷雾塔塔体由透明聚碳酸酯制成，可以直观地观察喷雾。
上述装置中，所述的喷嘴板、旋芯和转动圈是同轴转动的。
上述装置中，所述的气体分布器为多孔板式气体分布器，其表面开孔率为80~90%，且表面气孔的孔径大小不一致，靠近进气口处的气孔孔径小，远离进气口处的气孔孔径大，以产生均匀的气体速度分布。
本发明在喷雾装置内，设计了新型的喷雾喷嘴进料系统，主要涉及一种具有可变液体流量的喷嘴装置，该装置覆盖塔的大部分流动横截面，并且此装置中每个喷嘴单元中的喷嘴孔以圆形微孔均匀排列，使得喷射的液滴几乎是单分散的，并且通过从喷嘴板垂直向下注入吸附剂液滴，使得液滴的空间分布在整个反应器中以特定的模式均匀。
本发明提供了一种捕集CO2的喷雾工艺，采用上述的捕集CO2的喷雾装置，包括以下步骤：液相通过进液口，再经储液器进入喷嘴装置，液相通过每个喷嘴单元进入喷雾塔，产生均匀的液滴空间分布；喷雾塔塔体由透明聚碳酸酯制成，可以直观地观察喷雾；含CO2的混合气相从进气口通过安装在底部的气体分布器，产生均匀的气体速度分布；气相和液相之间形成逆流流动，充分接触进行液相吸收CO2的过程，最终吸收尾气经塔顶的气相排出口排出，吸收液经塔底的液相排出口排出，完成CO2的捕集。
本发明的有益效果：
本发明的捕集CO2的新型喷雾装置，主要是一种喷嘴系统，通过合理设计喷嘴系统的分布和结构，同时利用压力传感器以及电磁感应装置进行信息的接受和处理，使得喷嘴板前板和后板的喷嘴孔不断地重叠交错，从而做到调节喷嘴喷出的流体流量，得到均匀尺寸的液滴。通过从喷嘴板垂直向下注入吸附剂液滴几乎消除了壁损失，并且由于均匀的液滴尺寸，没有发生小液滴的回流：没有产生小到足以由气流进行的液滴，从而达到在相同条件下具有比典型喷雾塔高得多的CO2捕获效率。
附图说明
图1是本发明的喷雾装置结构示意图；
图2是本发明喷雾装置中的喷嘴单元结构示意图；
图3是图2的俯视图；
图4是本发明的喷嘴单元中喷嘴后板的剖视图；
图5是本发明的喷嘴后板中旋芯的俯视图；
图6是本发明的喷嘴装置中的喷嘴单元分布图。
图中：1.喷雾塔塔体，2.进液口，3.储液器，4.喷嘴装置，5.气体分布器，6.进气口，7.气相排出口，8.液体排出口，9.喷嘴空腔，10.喷嘴后板，11.旋转驱动组件，12.压力传感器，13.喷嘴前板，14.旋芯，15.转动圈。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
如图1~6所示，一种捕集CO2的喷雾装置，包括喷雾塔，喷雾塔塔体1顶部设有进液口2和气体排出口7，底部设有液体排出8口和进气口6，进气口6上方设有气体分布器5，进液口2与储液器3连接，储液器3下接喷嘴装置4，喷嘴装置4由喷嘴单元有序分布组成，每一个喷嘴单元由双层喷嘴板、旋转驱动组件11和压力传感器12组成；双层喷嘴板包括喷嘴前板13和喷嘴后板10，喷嘴前板13和喷嘴后板10上均匀设有喷嘴孔；所述的旋转驱动组件11包括旋芯14和转动圈15，旋芯14上装有电磁感应装置；旋转驱动组件11安装于喷嘴后板10的中心位置，其末端与喷嘴后板10相互连接来控制后板转动，后板与该旋转驱动组件为同轴向转动配合；压力传感器12测流体到达喷嘴前板13处的压力，压力传感器12通过电磁感应装置将流体压力大小的信号传递到旋芯14上使得旋芯转动并驱动喷嘴后板10做出相应的旋转，使得喷嘴前板13和喷嘴后板10的喷嘴孔形成动态的重叠、交错。
上述装置中，所述喷嘴装置4由有序排列的13个喷嘴单元组成：中心轴线处布置一个喷嘴单元，在其外侧绕圆周方向布置两圈喷嘴单元，其中内圈沿着圆周均匀地设有四个喷嘴单元，外圈沿着圆周均匀地设有八个喷嘴单元；如图6所示。每一个喷嘴单元的内部设有喷嘴空腔；喷嘴单元的下部从上往下依次设有喷嘴后板10和喷嘴前板13，喷嘴后板13和喷嘴前板10上均设有大量成型的圆形喷嘴孔；旋转驱动组件11设置在喷嘴后板10的中心处，在喷嘴前板13和喷嘴后板10之间的四周均匀设有四个压力传感器12。
上述装置中，所述喷嘴后板10和喷嘴前板13是塑料或金属薄片，喷嘴后板10和喷嘴前板13均有大量成型的圆形喷嘴孔，孔径300μm，平均每平方厘米开9×102个孔（圆形孔径300μm，一个微孔面积约7.0686×10-4cm2，设每平方厘米开9×102个孔，使得圆形喷嘴孔均匀分布），初始状态时，喷嘴后板10和喷嘴前板13的喷嘴孔相对应。运行时，压力传感器12通过电磁感应装置将流体压力大小的信号传递到旋芯14上使得旋芯转动并驱动喷嘴后板10做出相应的旋转，使得喷嘴前板13和喷嘴后板10的喷嘴孔交错排列，形成动态的重叠、交错。
上述装置中，所述的喷嘴内腔的四个压力传感器12安装于喷嘴板前板和后板之间，压力传感器12用于测流体到达喷嘴前板处的压力。压力传感器有一个限定值，当偏离限定值时，压力传感器将通过电磁感应装置将信号传递到旋芯上使得旋芯转动，从而驱动喷嘴板后板旋转。当流体压力增大时，该信息通过电磁感应装置反馈到喷嘴板后板中心处的旋芯上，旋芯将逆时针旋转15°，喷嘴板前板和后板的喷嘴孔部分重叠交错，减少喷嘴喷出的流体流量；当流体压力减小时，该信息同样通过电磁感应装置反馈到喷嘴板后板中心处的旋芯上，此时旋芯将顺时针旋转15°至初始位置，增大喷嘴喷出的流体流量。
上述装置中，所述的旋转驱动组件11，旋芯14的转动驱动转动圈转动，从而驱动喷嘴后板10旋转。
上述装置中，喷雾塔塔体1由透明聚碳酸酯制成，可以直观地观察喷雾。
上述装置中，所述的喷嘴板10、旋芯14和转动圈15是同轴转动的。
上述装置中，所述的气体分布器5为多孔板式气体分布器，其表面开孔率为80~90%，且表面气孔的孔径大小不一致，靠近进气口处的气孔孔径小，远离进气口处的气孔孔径大，以产生均匀的气体速度分布。
本发明在喷雾装置内，设计了新型的喷雾喷嘴进料系统，主要涉及一种具有可变液体流量的喷嘴装置，该装置覆盖塔的大部分流动横截面，并且此装置中每个喷嘴单元中的喷嘴孔以圆形微孔均匀排列，使得喷射的液滴几乎是单分散的，并且通过从喷嘴板垂直向下注入吸附剂液滴，使得液滴的空间分布在整个反应器中以特定的模式均匀。
本发明提供了一种捕集CO2的喷雾工艺，采用上述的捕集CO2的喷雾装置，包括以下步骤：液相NH3溶液从进液口2经储液器3进入喷嘴装置4，溶液通过每个喷嘴单元进入喷雾塔，以产生均匀的液滴空间分布，喷雾塔塔体1由透明聚碳酸酯制成，可以直观地观察喷雾。气相N 2和CO 2气体的混合物从进气口6通过安装在底部的气体分布器5，以产生均匀的气体速度分布。气流和液滴之间形成逆流流动，吸收尾气经塔顶的气相排出口7排出，吸收液经塔底的液相排出口8排出。
在图2中，NH3溶液进入喷嘴单元入口端，经过喷嘴板后板10再通过喷嘴板前板13喷出液滴，图2 和图4表示了旋转驱动组件11安装于喷嘴板后板的中心位置，其末端与喷嘴板后板相互连接来控制后板转动，图2和图3表示了压力传感器12在喷嘴板前板13和后板10之间四周均匀分布，压力传感器测流体到达喷嘴板前板处的压力，并且给压力传感器一个限定值。喷嘴板前板13固定于喷嘴本体的末端，喷嘴板后板10与前板相距固定高度H，喷嘴板是塑料或金属薄片，喷嘴板前板和后板均有大量成型的圆形喷嘴孔，
孔径300μm，平均每平方厘米开9×102个孔，初始状态时，前板和后板的喷嘴孔相对应，当在NH3溶液流动过程中流量变大时，流体压力变大，偏离了压力传感器12的限定值，压力传感器将通过电磁感应装置将信号传递到旋芯14上，使得旋芯14逆时针旋转α=15°，从而驱动喷嘴板后板10旋转，使得喷嘴板前板13和后板10的喷嘴孔部分重叠交错，减少喷嘴喷出流的流体流量；流动过程中流量减小时，流体压力减小时，该信息同样由压力传感器12通过电磁感应装置反馈到喷嘴板后板10中心处的旋芯14上，此时旋芯14将顺时针旋转α=15°至初始位置，增大喷嘴喷出的流体流量。

Claims (6)

1.一种捕集CO2的喷雾装置，其特征在于：包括喷雾塔，塔体顶部设有进液口和气体排出口，底部设有液体排出口和进气口，进气口上方设有气体分布器，进液口下接储液器，储液器下接喷嘴装置，喷嘴装置由喷嘴单元有序分布组成，每一个喷嘴单元由双层喷嘴板、旋转驱动组件和压力传感器组成；双层喷嘴板包括喷嘴前板和喷嘴后板，喷嘴前板和喷嘴后板上均设有喷嘴孔；所述的旋转驱动组件包括旋芯和转动圈，旋芯上装有电磁感应装置；旋转驱动组件安装于喷嘴后板的中心位置，其末端与喷嘴后板相互连接来控制后板转动，后板与该旋转驱动组件为同轴向转动配合；压力传感器测流体到达喷嘴前板处的压力，压力传感器通过电磁感应装置将流体压力大小的信号传递到旋芯上使得旋芯转动并驱动喷嘴后板做出相应的旋转，使得喷嘴前板和喷嘴后板的喷嘴孔形成动态的重叠、交错；
所述喷嘴装置由有序排列的13个喷嘴单元组成：中心轴线处布置一个喷嘴单元，在其外侧绕圆周方向布置两圈喷嘴单元，其中内圈沿着圆周均匀地设有四个喷嘴单元，外圈沿着圆周均匀地设有八个喷嘴单元；
每一个喷嘴单元的内部设有喷嘴空腔；喷嘴单元的下部从上往下依次设有喷嘴后板和喷嘴前板，喷嘴后板和喷嘴前板上均设有大量成型的圆形喷嘴孔；旋转驱动组件设置在喷嘴后板的中心处，在喷嘴前板和后板之间的四周均匀设有四个压力传感器；
所述喷嘴后板和喷嘴前板是塑料或金属薄片，喷嘴后板和喷嘴前板均有大量成型的圆形喷嘴孔，孔径300μm，平均每平方厘米开9×102个孔，初始状态时，喷嘴后板和喷嘴前板的喷嘴孔相对应。
2.根据权利要求1所述的捕集CO2的喷雾装置，其特征在于：所述的喷嘴单元内腔的四个压力传感器安装于喷嘴前板和喷嘴后板之间，压力传感器用于测流体到达喷嘴前板处的压力。
3.根据权利要求1所述的捕集CO2的喷雾装置，其特征在于：所述的旋转驱动组件，旋芯的转动驱动转动圈转动，从而驱动喷嘴后板旋转。
4.根据权利要求1所述的捕集CO2的喷雾装置，其特征在于：喷雾塔塔体由透明聚碳酸酯制成。
5.根据权利要求1所述的捕集CO2的喷雾装置，其特征在于：所述的喷嘴板、旋芯和转动圈是同轴转动的。
6.一种捕集CO2的喷雾工艺，采用权利要求1~5任一项所述的捕集CO2的喷雾装置，其特征在于：
液相通过进液口，再经储液器进入喷嘴装置，液相通过每个喷嘴单元进入喷雾塔，产生均匀的液滴空间分布；含CO2的混合气相从进气口通过安装在底部的气体分布器，产生均匀的气体速度分布；气相和液相之间形成逆流流动，充分接触，进行液相吸收CO2的过程，最终吸收尾气经塔顶的气相排出口排出，吸收液经塔底的液相排出口排出，完成CO2的捕集。
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