CN110013717A - 用于从气体流捕集颗粒的设备和方法以及从气体中去除可溶颗粒的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于从气体流中去除可溶颗粒物的方法，诸如从尿素生产设备的精整区段的废气中去除尿素粉尘。所述方法包括使用水性骤冷液体使废气经受至少两个骤冷阶段。第一上游骤冷阶段中使用的骤冷液体相较于第二下游骤冷阶段中的骤冷液体含有更高浓度的溶解颗粒物。将骤冷后的气体引导穿过粒子捕集区，所述粒子捕集区通常包括湿式洗涤器、文丘里洗涤器和湿式静电除尘器中的一者或多者。

Description

用于从气体流捕集颗粒的设备和方法以及从气体中去除可溶 颗粒的方法
本申请是申请日为2014年11月14日、申请号为201480073189.5、发明名称为“用于从气体流捕集颗粒的设备和方法以及从气体中去除可溶颗粒的方法”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明属于从气体流捕集可溶颗粒物的领域，并且涉及可在该领域中使用的粒子捕集装置。值得注意的是，本发明属于尿素生产领域，并且涉及从与固体尿素粒子生产相关的废气中去除尿素粉尘(尿素精整)。本发明还涉及尿素生产设备，并且涉及改造现有的尿素生产设备。
背景技术
尿素是由氨和二氧化碳生产的。当今的尿素生产涉及相对清洁的方法，其尿素粉尘和氨的排放特别地低。然而，除了尿素的化学合成之外，商业规模的尿素生产需要以合适的固体颗粒形式提供尿素。为此，尿素生产涉及精整步骤，在精整步骤中使尿素熔体变成所需颗粒形式，其通常涉及造粒、成粒和制粒中的任一过程。
造粒曾经是最常用的方法，在造粒过程中尿素熔体以液滴形式分布在造粒塔中，由此液滴在滴落时固化。然而，通常希望最终产品相比于由造粒技术所产生的产品具有更大的直径和更高的抗压强度。这些缺点推动了流化床成粒技术的发展，该技术中将尿素熔体喷洒在随着过程继续而尺寸增长的颗粒上。在注入成粒机中之前，添加甲醛以防止结块并提高最终产品的强度。
为了除去在结晶期间释放的能量，将大量的冷却空气供应到成粒单元。离开精整区段的空气含有(尤其是)尿素粉尘。鉴于尿素生产需求的提高以及日益增长的对于降低排放水平的法律和环境要求，并根据更严格的标准，希望去除尿素粉尘。
在过去的几十年中，控制空气污染已成为社会优先关注的问题。许多国家都已经制定了非常精细的监管方案，旨在要求工厂和其他主要的空气污染源采取从释放到大气中的气态流出物流中去除污染物的技术。控制空气污染的标准变得越来越严格，因此不断需要更有效的污染控制技术。另外，运行污染控制设备的运营成本可能是巨大的，并且因此也不断需要经济高效的技术。
尿素粉尘的去除本身具有挑战性，因为废气(主要是空气)的量是巨大的，同时尿素粉尘的浓度较低。典型的气流量级为750,000Nm3/h。其中尿素粉尘的典型浓度是约2重量％。此外，部分尿素粉尘具有亚微米尺寸。满足现行标准意味着需要去除大部分这种亚微米粉尘。
另一个问题是尿素精整中需要大量的空气，导致这部分生产过程由于需要具有大的电力消耗的非常大的排风扇而成为成本相对较高的工作。特别是，当空气经受洗涤以减少尿素粉尘并且特别是大部分的亚微米粉尘向大气中的排放时，由于洗涤装置中的压降不可避免，在该过程中会轻易地损失相对较大量的能量。
常规的盘式洗涤器几十年来已经作为用于尿素成粒机的主要颗粒捕集系统，并且它们可有效捕集和回收直径大于1～2μm的尿素颗粒。这种一般类型的盘式洗涤器是已知的并在现有技术专利，包括美国专利第3,219,685号、第3,969,094号、第4,060,399号、第4,507,129号、第4,741,890号以及其中所述并引用的现有技术中有所描述。盘式洗涤器无法有效捕集亚微米颗粒。然而，新的法规和美国国家环境空气质量标准(例如，PM2.5NAAQS)要求高效地捕集亚微米颗粒。
常规的文丘里洗涤器使用文丘里喷嘴来使气体骤冷并且可高效捕集大于1μm的颗粒。往往将常规文丘里洗涤器与塔盘或除雾器结合使用。这种一般类型的文丘里洗涤器是已知的并在现有技术专利，包括美国专利第3,768,234号、第4,043,772号、第4,578,226号以及其中所述并引用的现有技术中有所描述。
在骤冷阶段之后连接的多个平行文丘里管洗涤器可高效捕集亚微米颗粒并且对于许多应用来说是足够的。这种一般类型的多个平行文丘里管洗涤器是已知的并在现有技术专利，包括美国专利第5,484,471号、第6,383,260号以及其中所述并引用的现有技术中有所描述。
湿式静电除尘器(WESP)也可高效捕集亚微米颗粒。然而，WESP存在操作性问题。必须对其周期性地断电冲洗。当颗粒负载较高时，必须经常进行冲洗，而产生高排放。当洗涤不充分时，颗粒积聚并且形成难以去除的火花区(sparking zones)，从而导致性能随时间推移而退化、停机清洁以及腐蚀问题。独立式湿式静电除尘器必须很大，才能足够高效。通过将湿式静电除尘器整合到高级分阶段湿式洗涤器中而使这些和其他操作性问题得以缓解。这种一般类型的湿式静电除尘器是已知的并在现有技术专利，包括美国专利第1,339,480号、第2,722,283号、第4,389,225号、第4,194,888号、第6,106,592号以及其中所述并引用的现有技术中有所描述。
与从气体流中去除粉尘相关的另一参考文献为FR 2600553。其中描述了改进的洗气(洗涤)方法。在第一洗涤步骤中，逆着气体流方向(此方向为洗涤操作中的常规方向)将洗涤液喷洒到气体流中。然后使气体流穿过多个平行的文丘里喷嘴，进行液/气分离，并且穿过喷洒的洗涤液。
参考文献EP 0 084 669涉及清洁可能包含来自尿素设备的粉尘的气体混合物。该参考文献公开了施用一种洗涤水溶液，在使洗涤水溶液与气体混合物接触前向该洗涤水溶液中添加甲醛。所公开的方法具体地涉及添加甲醛，并且该方法使用标准洗涤器进行。
US 3,985,523涉及从肥料生产过程产生的空气中去除污染物。此专利申请公开了一种方法，其中将被污染的空气冷凝并且进一步处理所得液态污染物流。
空气污染控制领域的技术人员特别关注的是降低“细颗粒”的排放，因为呼吸系统长期和短期暴露于该颗粒会对健康造成不利影响。如本文所用，术语“细颗粒”应被理解为是指直径小于2.5μm的粒子。为了控制这些粒子，EPA最近已调低了针对小于2.5μm的粒子的排放的“PM2.5标准”。在常规洗涤器中，这些小粒子因其尺寸难以收集。然而，这个尺寸范围内的粒子目前是所测排放物的原因。
尿素粉尘可溶于水中。当尿素固体粒子被捕集在水中时，尿素固体粒子完全或部分地溶解成水和尿素的溶液。随着越来越多的尿素被捕集到水中，溶解尿素的浓度不断增大，直至达到溶解度极限而无法溶解更多尿素。当热力学条件改变时，尿素还可从溶液中析出，形成固体粒子。当通过洗涤器捕集尿素粉尘时，有利的是浓缩并且控制溶液中的尿素浓度，使得能够有利地再利用所捕集的尿素。
因此，需要新的洗涤系统及方法，用于高效且高性价比地降低尿素成粒机的可溶颗粒和气体排放。此外，这些技术可同样高效且高性价比地用于其他工业排放过程，包括含硫碳质化合物(尤其是煤和生物质)的燃烧，其产生的燃烧产物气体包含无法接受的高水平的颗粒、氮氧化物、氯化氢和二氧化硫。在释放到大气中时，颗粒和氮氧化物可造成不透明性和呼吸道问题，二氧化硫还会缓慢反应形成硫酸(H2SO4)、无机硫酸盐化合物和有机硫酸盐化合物。大气中的NO2、SO2或H2SO4会导致不期望的“酸雨”。
发明内容
为了更好地解决前述一种或多种需求，本发明在一个方面提供了一种用于从气体流中去除可溶颗粒物的方法，该方法包括使用水性骤冷液体使气体流经受骤冷并且使骤冷后的气体穿过至少一个粒子捕集区，其中使用上游骤冷液体和下游骤冷液体在至少两个串联阶段中使气体流经受所述骤冷，其中术语上游和下游是参照气体流的流动方向定义的，其中可溶颗粒物溶解于水性骤冷液体中并且其中下游骤冷液体相较于上游骤冷液体具有更低浓度的溶解的所述颗粒物。
在另一方面，本发明为一种粒子捕集系统，该粒子捕集系统包括串联的进气口、第一骤冷区、粒子捕集区以及出气口，第一骤冷区包括：用于分配骤冷液体的进液口、位于进液口的下游并通往粒子捕集区的气流管线、以及用于骤冷液体的出液口，所述进液口和出液口任选地形成骤冷液体的第一再循环回路的一部分，其中在第一骤冷区的下游和粒子捕集区的出气口的上游设置至少第二骤冷区，所述第二骤冷区具有用于骤冷液体的进液口和出液口，其中第二骤冷区的进液口和出液口任选地形成第二再循环回路的一部分，所述第二再循环回路可独立于所述第一再循环回路操作，并且其中所述第一骤冷区优选地可独立于所述第二骤冷区操作，术语下游是参照气体流的流动方向定义的。
在又另一方面，本发明提供了一种用于尿素设备的精整设备，所述精整设备包括尿素精整装置，该尿素精整装置包括液体尿素入口、冷却气体入口、固体尿素收集器、废气出口以及至少一个粒子捕集系统，其中该粒子捕集系统是如先前段落中所描述的系统，所述废气出口与粒子捕集装置的进气口流体连通。
在仍另外的一方面，本发明为一种改造现有尿素设备的方法，所述现有尿素设备包括：合成与回收区段；所述区段与蒸发区段流体连通，所述蒸发区段与精整区段流体连通并且具有通往冷凝区段的气流管线；所述精整区段具有通往粉尘洗涤区段的气流管线，其中该方法包括：在精整区段和粉尘洗涤区段之间安装第一骤冷系统，所述骤冷系统与处于精整区段和粉尘洗涤区段之间的气流管线流体连通；以及在第一骤冷系统的下游安装至少一个第二骤冷系统，其中第一和第二骤冷系统可彼此独立地操作，术语下游是参照气体流从精整区段至粉尘洗涤区段的预期流动方向定义的。在又另一方面，所述第一和第二骤冷系统各自任选地形成再循环回路的一部分，其可彼此独立操作。
附图说明
图1是本发明的优选系统的示意图，图中示出气流流动；
图2是本发明的同一优选系统的示意图，图中示出水流流动。
具体实施方式
在广义上，本发明基于以下合理的理论：涉及用水性液体进行骤冷而从气体中捕集可溶颗粒物，可通过以至少两个阶段进行骤冷来改善。因此，先进行这些骤冷阶段，再进行后续的洗涤(清洗)步骤，也就是说，通过使骤冷后的气体穿过至少一个粒子捕集区。根据本发明，在后续骤冷阶段中的水性液体具有较低浓度的待去除的可溶颗粒物。
其中，在本说明书中提及了“流体连通”，这是指设备的第一部分或区段与设备的第二部分或区段之间的任意连接，流体尤其是液体可经其从设备的第一部分流动到设备的第二部分。这种流体连通通常是通过管道系统、软管、导管、泵或本领域技术人员众所周知的用于运输流体的其他装置来提供。流体连通可为直接流体连通，诸如上述内容中不涉及除了流体运输装置本身以外的任何其他设备的任意流体连通。流体连通还可为间接的，其中流体可通过管道系统、软管、导管或泵，并且还包括其他设备如汽提器或反应器而运输。
其中，在本说明书中提及了“气流管线”，这是指设备的第一部分或区段与设备的第二部分或区段之间的任意连接，气体或蒸气尤其是水蒸气可经其从设备的第一部分流动到设备的第二部分。此类气流管线通常包括管道系统、导管、风扇或本领域技术人员众所周知用于运输气体的其他装置，如果需要的话在高于或低于(真空)大气压下。
在提及“文丘里洗涤器”时，可以是指单个文丘里洗涤器或多个文丘里洗涤器。此外，一个或多个文丘里洗涤器自身可包括一个或多个文丘里管。
本发明尤其涉及尿素精整。尿素生产工艺中的这个部分是指获得固体尿素的区段。
精整区段可为造粒塔、成粒区段、制粒区段或基于任何其他精整技术的区段或设备。成粒区段可为流化床成粒，或鼓式成粒，或盘式成粒，或任何其他类似和已知的成粒装置。这种精整区段的主要功能是将如从尿素合成获得的尿素熔体转移至固化粒子流中。这些固化粒子，通常被称为“丸粒”或“颗粒”，是来自尿素设备的主要产物流。在任何情况下，为了将尿素从液相转移到固相，必须除去结晶热。此外，通常从固化尿素粒子去除一些额外的热量，以将其冷却至适于进一步加工和处理(包括这种最终产品的安全和舒适的储存和运输)的温度。在精整区段中所产生的总热量去除通常以两种方式进行：(i)通过水的蒸发。这种水作为尿素熔体的一部分进入精整区段，或者以液态水形式喷洒在精整工艺中的适当位置；(ii)通过用空气冷却。通常通过用空气冷却来去除大部分的结晶/冷却热。冷却过程的冷却空气以升高的温度离开精整区段。每kg最终固化产品通常施用等于3-30kg的量的空气，优选地3-10kg的量的空气。这是尿素生产设备的精整区段的典型废气。
在精整区段中，空气与尿素熔体和固化尿素粒子直接接触。这无意中导致空气在一定程度上被一些尿素粉尘和氨污染。取决于精整区段(造粒/成粒、成粒类型、在成粒中选择的条件)的性质，在空气中存在的粉尘量可能差异很大，已观察到在0.05重量％至10重量％(相对于最终产品流而言)范围内的值。对于基于成粒的精整区段，粉尘量更典型地在2重量％至8重量％的范围内。出于环境或经济考虑，粉尘在废气中的这种存在通常使得需要除尘系统，随后才可以将空气再排放回大气中。
在粉尘洗涤区段中，通常使用循环尿素溶液作为洗涤剂来进行粉尘洗涤。除此之外，通常施用淡水洗涤。在粉尘洗涤区段中，获得尿素溶液的吹扫流。这种吹扫流通常含有浓度为10-60重量％的尿素。为了对存在于这种吹扫流中的尿素进行再加工，使吹扫流返回至蒸发区段，它在蒸发区段中被进一步浓缩，然后再循环至精整区段。清洁空气从粉尘洗涤处排放到大气中。
本发明的适用性不限于尿素精整。本发明可有利地用于对热气体流中所包含的可溶颗粒物进行去除的所有情况。
根据本发明，在一个方面，提供了一种用于从气体流中去除可溶颗粒物的方法。结合此方法，应当强调的是，在本公开中术语“上游”和“下游”在任何情况下都是参照待处理气体流的流动方向定义的。这同样适用于对本发明的系统和设备的描述。其中，本领域技术人员将会把气体流的预期流动方向理解为从进气口到出气口。
一般来讲，可溶颗粒和不可溶颗粒都被捕集到粒子捕集装置如洗涤器中。根据本发明，粒子捕集是在至少两个骤冷阶段的下游完成的。可溶颗粒包括尿素，也包括例如来自回收锅炉的钠物质。不可溶颗粒是指典型的无机污染物，诸如煤灰或沙。气体也可溶于水中，进而被洗涤器捕集。随着溶质的浓度接近其溶解度极限，任何指定粒子的溶解度可随着液体的热力学条件而变化。
所有或至少部分所捕集的颗粒物溶解于骤冷液体中。通常，0.1重量％至99.9重量％的所捕集可溶颗粒溶解于骤冷液体中。优选地，至少50重量％的所捕集颗粒溶解于骤冷液体中，例如50重量％至95重量％，优选地80重量％至95重量％
引入水溶液中的不可溶颗粒物通常保持固相，并且一般可从液体中滤出。这些不可溶粒子一般不影响周围气体中水的蒸气压。
引入水溶液中的可溶颗粒物通常溶解成液态，并且一般不可从液体中滤出。将可溶颗粒物溶解在水溶液中而制备的溶液会影响周围气体中水的蒸气压(如理想液体混合物的拉乌尔定律所描述的)。
此外，当气体(例如，氨气)被洗涤器捕集时，其同样可以是可溶的。气体可任选地(例如，通过硫酸)中和，从而形成同样可溶的产物(例如，硫酸铵)。作为原始气体或中和产物的可溶气体也将影响周围气体中水的蒸气压。
各种可溶颗粒或气体的混合物将对周围气体中水的蒸气压具有累积影响。
如果超出饱和条件，则一些溶质可析出(例如，尿素将从溶液中结晶析出)，在这种情况下，可溶颗粒物有时可表现得相当于不可溶颗粒物。
气体流中的可溶颗粒的一个例子为来自尿素设备的精整区段的废气的尿素粉尘。
气体流中的可溶气体的一个例子为来自尿素设备的精整区段的废气的氨气，可通过添加硫酸到液体溶液中来将氨气中和成硫酸铵。
本发明的方法包括：用水性骤冷液体使气体流经受骤冷并且使骤冷后的气体穿过粒子捕集区，其中使用上游骤冷液体和下游骤冷液体来使废气经受至少两个串联的骤冷阶段，其中下游骤冷液体相较于上游骤冷液体含有更低浓度的溶解的所述颗粒物。
骤冷液体一般为再利用的处理液，其来自与处理气体流的设备相连接的邻近设施或设备，或者来自同一设备的不同部分。更优选地，骤冷液体自气体处理过程本身再循环。
骤冷是指向气体添加水(即，水性骤冷液体)，例如通过将水与气体混合。这通常是通过一个或多个骤冷器，即用于将水引入气体流中的装置来进行的。这种引入通常以使得水被较好分散到气体中的方式来进行，例如使在气体中存在水滴。优选地，通过将水喷洒在精整区段与粉尘洗涤区段之间的气流管线中而将水引入气体中。这可以通过将液体喷洒在粉尘洗涤区段之前的管道中来进行。其也可以是配备有喷雾系统的单独的腔室或塔。喷雾系统、合适的雾化喷嘴等是本领域技术人员已知的。优选地，喷洒足够大量的液体，采用的喷洒方式和一致性(consistency)使得足量水蒸发，从而利用液体水喷雾使气体因接近热力学平衡条件的水蒸气达到饱和。
值得注意的是，如本领域技术人员将理解，骤冷与洗涤具有根本上的不同。骤冷的目的为调节气体流，具体地讲，通过产生相对湿度(RH)为100％的气氛来调节气体流。通常，这是通过以下步骤完成的：将骤冷液体与气体流并流同向喷洒，并且/或者提供骤冷腔室，在该骤冷腔室中使气体和骤冷液体停留足够长的时间以使待调节的气体处于或者至少接近100％RH。在另一方面，清洗(或洗涤)操作与调节气氛无关，但会引起待清洗(即，洗涤)的气体与洗涤液体之间的物理接触，在此之后一般会预见到立即去除洗涤液体。因此，气体流的清洗(洗涤)通常涉及使气体与逆流或错流的洗涤液体流接触。
利用喷雾骤冷器的骤冷区段优选包括(a)其中通过水的引入(例如注入)和蒸发来冷却待骤冷的气体的区段；(b)颗粒物(粉尘)捕集盆，用于收集从气体除掉的粉尘；(c)由配备有注射喷嘴的喷管组成的喷雾器系统，和(d)具有泵的供水系统。
在将补充水添加到水性骤冷液体中之前，通常借由骤冷液体的再循环来使溶液浓度循环上升。后者也是本领域技术人员从工艺经济角度考虑时的标准选择。一般来讲，骤冷液体会持续再循环，直至溶解颗粒的溶液浓度高达50重量％，然后提取或排出该溶液。在实施过程中，持续提取一部分包含所需浓度的溶解颗粒物的循环流体。这种所提取的液体有时被称为吹扫(purge)液体或吹除(blowdown)液体。与此同时，通过添加补充水来稀释剩余液体，补充水可为淡水或更稀的液流(例如，下游骤冷液流)。
在本发明中，在第一骤冷阶段，使所捕集的颗粒以高浓度再循环，然后将其提取以便再利用或处置。在更下游的气体中，第二骤冷阶段再循环的水具有低得多的溶解颗粒浓度。
在本发明中，在第二(下游)骤冷过程之后，可使更下游的气体送往具有更加低浓度颗粒物的水性骤冷液体，该水性骤冷液体至多为可用于最终骤冷的相对较纯的(淡)水。
在各个骤冷区段，存在三种液体流：(a)从气体中被捕集的溶解颗粒物，(b)离开的吹扫液体或吹除液体，其包含高浓度的溶解颗粒物，以及(c)进入的新鲜补充水，其含有较低浓度的溶解颗粒物或不含溶解颗粒物。
将骤冷后的气体引导至粒子捕集区。“粒子捕集区”是指使气体经受去除其中颗粒物的条件的区段。通常，这是指粒子捕集容器，诸如湿式洗涤器。其还可是指例如文丘里洗涤器或者湿式静电除尘器(WESP)。在一个优选的实施例中，粒子捕集区包括串联组合的湿式洗涤器(诸如，盘式洗涤器)和其下游的文丘里洗涤器。更优选地，文丘里洗涤器包括多个平行的文丘里管。在另一个优选的实施例中，WESP位于湿式洗涤器的下游，或者文丘里洗涤器的下游，或者最优选地串联在湿式洗涤器和文丘里洗涤器之后。
在这些和其他实施例中，在调节塔盘阶段(湿式洗涤器)，水或另一种水性液体持续流过一个或多个水平塔盘。优选地，在塔盘阶段流过一个或多个塔盘的水流量介于每立方米气体0.05升至0.70升水之间。最优选地，在塔盘阶段流过一个或多个塔盘的水流量介于每立方米气体0.10升至0.35升水之间。塔盘阶段的水源可与其他阶段共享。
在这些和其他实施例中，在文丘里阶段(文丘里洗涤器)且优选地多个平行的文丘里管阶段中，细密水雾持续喷洒到每个文丘里管的入口喷嘴内。优选地，每个文丘里管的入口水流量介于每立方米气流0.10升至1.5升水之间，并且细密雾的平均液滴直径小于200μm。最优选地，每个文丘里管的入口水流量介于每立方米气流0.25升至0.70升水之间，并且细密雾的平均液滴直径小于150μm。
在这些和其他实施例中，在多个平行的文丘里管阶段中，细密水雾逆着气体流持续喷洒到每个文丘里管的喉部。优选地，每个文丘里管的逆流喉部流量介于每立方米气流0.05升至0.70升水之间，并且细密雾的平均液滴直径小于300μm。最优选地，每个文丘里管的逆流喉部流量介于每立方米气流0.10升至0.35升水之间，并且细密雾的平均液滴直径小于200μm。
在这些和其他实施例中，湿式静电除尘器位于骤冷过程之后，任选地后接有塔盘调节和/或文丘里管洗涤，并且尺寸设置成抛光湿式静电除尘器。抛光湿式静电除尘器的优选比收集面积介于每立方米气流10至100平方米收集面积之间。最优选地，抛光湿式静电除尘器的比收集面积介于每立方米气流20至50平方米收集面积之间。
不希望受理论约束，本发明人认为本发明有效地利用了以下现象。包含高浓度溶解颗粒(如尿素)的水相较于包含低浓度溶解颗粒的水会产生更低的蒸气压。如此，即使气体温度不改变，气相中的水量也会显著变化。在40℃左右，浓尿素溶液上的水分压为5.3体积％，而稀尿素溶液上的水分压为5.6体积％。当未进行稀骤冷喷洒时，冷凝停止并且颗粒物尺寸停止增长。所得较小粒子更加难以通过文丘里洗涤器或湿式静电除尘器从下游气体中捕集。增加使用更稀的水性骤冷液体(即，相较于初始再循环的上游骤冷液体具有更低浓度的溶解颗粒物的水性骤冷液体)的骤冷步骤将导致气体中存在的水发生进一步蒸发，并使气体中的颗粒物进一步生长(并且由此捕集)。
在一个典型实施例中，在第一骤冷阶段，水通过液压喷嘴持续再循环并且收集在贮存器中，该贮存器可以或者可以不整合进洗涤器容器的底部。优选地，第一骤冷的水流量介于每立方米气流0.10至1.5升水之间。最优选地，第一骤冷的水流量介于每立方米气流0.25至0.70升水之间。第一水性骤冷液体中的溶解颗粒(例如，尿素)的浓度优选地介于20重量％至50重量％之间。最优选地，介于40重量％至45重量％之间。
在一个典型实施例中，在位于下游的第二骤冷阶段中，水通过液压喷嘴持续再循环并且收集在贮存器中。优选地，第二骤冷的水流量介于每立方米气流0.01至0.30升水之间。最优选地，第二骤冷的水流量相对于每立方米进入第二骤冷阶段的气流介于0.03至0.15升水之间。第二水性骤冷液体中的溶解颗粒(例如，尿素)的浓度优选地介于0.1重量％至5重量％之间。最优选地，介于0.5重量％至2重量％之间。
在尿素精整的情况下，来自精整区段(例如流化床成粒机的造粒塔)的废气(或“气态流出物”)预期包括在其中夹带有液体或固体颗粒材料的流出物流，包括可随着流出物流被冷却而冷凝的蒸气。
在骤冷区中，气态流出物被冷却至低得多的温度，在尿素精整区段的废气的情况下，优选低于约45℃。许多冷却热流出物气流的方法是本领域技术人员已知的。
这是喷雾骤冷意料之外的益处。在与尿素无关，但例如与烟道气有关的领域中，冷却气态流出物对于过饱和体系有影响。其中，将流出物冷却造成流出物流中的可冷凝蒸气经历相变。这些蒸气的冷凝将自然地发生在流出物流中充当成核点的粒子周围。因此，出于以下两个原因，流出物流的预冷却是有用的。第一，可冷凝污染物被转化为液相并且从而更容易从流出物中去除。第二，成核过程增大了流出物中的先已存在的粒子的尺寸，从而使得更容易将其去除。
通过骤冷去除较大的粒子防止较大的粒子与亚微米粒子竞争作为成核位点。如上所述，理想的是亚微米粒子由于冷凝而尺寸增加，以使得它们更容易从流出物流中去除。
事实是，通过喷雾骤冷，在亚饱和尿素精整废气中，与水的相互作用能够促进粉尘的有效去除，因此这是令人惊讶的。不希望受理论约束，本发明人认为，这种作用是由喷洒水的蒸发引起的。这造成了温度下降，增加了气相中的水量，并且减少了达到饱和所需的气相中的水量。因此，使得水与亚微米粉尘之间的相互作用成为可能。
特别是在尿素精整领域中，例如在尿素成粒技术中，公认实施过程中难以获得精整步骤下游的过饱和气流。这是由于在来自尿素精整(例如来自成粒机)的废气中天然存在着大量相对干燥的空气，因而含水量低，再加上尿素粉尘具有吸湿性，因此难以获得过饱和气流。对于离开燃烧装置的烟道气，使用骤冷喷雾更容易达到饱和，这是由于可用于蒸发喷洒水的温度较高，同时入口水蒸气浓度相对较高。
然而，与本领域公认的看法相反，本发明人惊讶地发现，在骤冷时相对大量的水冷凝在微米尺寸和亚微米尺寸的尿素粒子上。这导致微米尺寸和亚微米尺寸粒子的显著生长。由于水在亚微米尺寸粒子上的冷凝而导致的所述粒子的这种生长导致了显著较大的粒径，其使得粒子在骤冷区下游的粒子捕集区中在可接受的压降下更容易被收集/捕获。
前述方法在非常适合用于从尿素精整区段的废气中去除可溶颗粒物(尿素粉尘)的同时，还可用于从其他(热)气体中去除其他可溶颗粒物。例如，在制浆造纸工业中使用回收锅炉以浓缩和再循环可溶的钠化合物。又如，使用洗涤器从化石燃料燃烧过程中捕集酸性气体，这些酸性气体在被捕集并且使用中和剂中和时表现得相当于可溶颗粒。
在这些实施例和其他实施例中，一些酸性颗粒或酸性气体可通过添加选自以下的碱性试剂来化学中和：苛性碱(caustic)、石灰、石灰石、熟石灰、飞灰、氧化镁、苏打灰、碳酸氢钠、碳酸钠以及它们的混合物。一些碱性颗粒或碱性气体可通过添加选自以下的酸性试剂来化学中和：乙酸、硼酸、碳酸、柠檬酸、盐酸、氢氟酸、硝酸、草酸、磷酸、硫酸以及它们的混合物。
本发明还涉及用于进行上述方法的设备。
这种设备在一个实施例中是指粒子捕集系统(即，按照从上游至下游的顺序所描述的)：进气口、第一骤冷区、粒子捕集区以及出气口，所述第一骤冷区包括：用于分配骤冷液体的进液口、位于进液口的下游并通往粒子捕集区的气流管线、以及用于骤冷液体的出液口，所述进液口和出液口任选地形成骤冷液体的第一再循环回路的一部分，其中在第一骤冷区的下游和粒子捕集区的出气口的上游提供至少第二骤冷区，所述第二骤冷区具有用于骤冷液体的进液口和出液口，其中第二骤冷区的进液口和出液口任选地形成第二再循环回路的一部分，所述第二再循环回路可独立于所述第一再循环回路操作。通过设置两个具有可独立操作的再循环回路的骤冷区，可以确保在任一回路中再循环的水性骤冷液体具有所需的不同特性，即，相对于在本发明的方法中应用的至少两个骤冷区而言，所述水性骤冷液体可基本上如前所述具有不同的颗粒物浓度。优选地，在根据本发明的系统中，粒子捕集区包括选自以下的粒子捕集装置：湿式洗涤器、文丘里洗涤器、湿式静电除尘器以及它们的组合。这些装置，以及这些装置可组合的方式基本上如上所述。
本发明还涉及其中优选使用上述粒子捕集系统的设备，即用于尿素设备的精整设备。其中存在尿素精整装置，其包含执行其功能的适当属性。这些属性是本领域技术人员已知的，并且通常包括液体尿素入口、冷却气体入口、固体尿素收集器(通常：尿素粒子，优选是颗粒)和废气出口。废气出口基本上如前文所述那样与粒子捕集系统的入口流体连通(通常通过气流管线)。根据本发明，第一骤冷系统，优选是喷雾骤冷器，安装在尿素精整装置与粒子捕集区之间。应理解，骤冷系统安装成使得从其中喷洒的水进入流自精整区段的出口和粒子捕集区的入口的气体流。第二骤冷区设置在第一骤冷区的下游，一般在粒子捕集区的进气口的上游或者在粒子捕集区的进气口处。
应理解，在本发明的所有方面，第二骤冷区可在粒子捕集区的上游，但是也可包括在粒子捕集区中(例如，湿式洗涤器的下游和文丘里洗涤器的上游)，即第二骤冷区在粒子捕集区的出气口的上游。
在一个优选的实施例中，粒子捕集区包括多个平行操作的文丘里洗涤器。优选地，除尘系统设计成使得这些平行文丘里管可彼此独立地操作，即同时使用的文丘里管的数目，可在工艺过程中按需要调整。优选的系统是由EnviroCare公司提供的系统。
EnviroCare洗涤器由骤冷区段组成，其下游安装有所谓的MMV(微雾文丘里)区段。所述MMV区段由多个平行的文丘里管组成。在MMV区段中，大量的液体通过单相喷嘴与气流呈顺流喷洒在文丘里管的喉部中，从而产生一致和可调节的液滴尺寸，通常在50μm至700μm范围内。液滴尺寸是可用于控制粉尘去除效率的参数之一。
在文丘里管中，颗粒物与水滴之间发生紧密接触。颗粒物与水滴之间出现多个通道，这是因为最初水滴被气流加速(并因此具有比气流更低的速度)，而在文丘里管的后部分中，由于膨胀，气体速度降低，而液滴处于特定速度并由于惯性而保持其速度(现在液滴具有比气流更高的速度)。
以与气流呈逆流的方式进行所谓的喉部喷雾，其控制在文丘里区段的压降。以这种方式，气流波动可以在或多或少的恒定效率下调节。
因此，虽然在标准的文丘里管中，通过剪切力产生水滴(或者更确切地说，水片段)，但在EnviroCare概念中，产生特定尺寸(和形状)的水滴。这确保了水的较好和有效的分布以及因此较好的洗涤。因此，虽然在标准的文丘里洗涤器中，水的混合取决于剪切质量、喉部和发散区内部的流动模式，但在EnviroCare概念中，混合得到控制。
虽然标准的文丘里洗涤器的收集效率强烈取决于气流波动(因此压降波动)，但EnviroCare洗涤器通过喉部喷雾控制压降。
粒子捕集区优选地包括容纳在洗涤器容器中的多个文丘里管。所有的文丘里管基本上相同，并且具有类似的设计。使用多个文丘里管的优点是，允许更紧凑的整体设计并且降低了单独的喷嘴的尺寸。更小的喷嘴能够更好地产生效率所需的精细洗涤液滴。更小的文丘里管产生更好的气-液相互作用。对于指定尺寸的文丘里管，减少平行文丘里管的数目将增大捕集效率和压降。
在本发明中使用的洗涤器设计特别适合于改造现有的污染控制设备以提高洗涤效率并降低运营成本。为了改造现有的低能量冲击洗涤器，多个文丘里管可容纳在冲击腔室中或在一个或多个冲击板后的腔室延伸部分中。
骤冷区段被设置在MMV洗涤塔上游的气体管道中并且洗涤溶液提供在用于对来自流化床成粒机的气体流出物进行骤冷和冷却的区段(或其他精整区段)处。骤冷区段执行对气体流绝热加湿和冷却或骤冷的功能。在尿素精整区段的废气流的情况下，在骤冷步骤期间气体可从约100℃冷却至约50℃的温度。在离开回收锅炉的烟道气的情况下，在骤冷步骤期间气体可从约250℃冷却至约70℃的温度。所得温度在热力学上取决于入口气体流量、温度和物质浓度，以及骤冷水流量、温度和化学组成(makeup)。
本发明还涉及包括如上所述的精整区段的尿素设备。更具体地，本发明的尿素设备包括合成与回收区段；所述区段与蒸发区段流体连通，所述蒸发区段与精整区段流体连通并且具有通往冷凝区段的气流管线；并且所述精整区段具有通往粉尘洗涤区段的气流管线，其中所述精整区段包括基本上如上文所述的尿素精整设备。
本发明适用于构造新型尿素设备(“草根”设备)以及改造现有尿素设备。
应当理解，根据本发明的新型设备可恰好构建为与上述内容相适应。在改造现有设备中，本发明涉及改造现有尿素设备的方法，使得确保设备如上所述至少具有双骤冷区。该方法用于改造现有尿素设备。所述现有设备通常包括合成与回收区段；所述区段与蒸发区段流体连通，所述蒸发区段与精整区段流体连通并且具有通往冷凝区段的气流管线；所述精整区段具有通往粉尘洗涤区段的气流管线。改造现有尿素设备的方法根据本发明包括：在精整区段和粉尘洗涤区段之间安装第一骤冷系统，所述骤冷系统与精整区段和粉尘洗涤区段之间的气流管线流体连通；以及在第一骤冷系统的下游安装至少一个第二骤冷系统，其中第一和第二骤冷系统各自形成可彼此独立操作的再循环回路的一部分。
本发明不限于任何特定的尿素生产方法。
经常使用的根据汽提工艺用于制备尿素的方法是二氧化碳汽提方法，如例如Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry(乌尔曼工业化学百科全书)，第A27卷，1996年，第333-350页中所述。在这种方法中，合成区段后接一个或多个回收区段。合成区段包括反应器、汽提器、冷凝器和洗涤器，其中操作压力为12至18MPa并且优选为13至16MPa。在合成区段中，离开尿素反应器的尿素溶液被供给到汽提器，其中大量的未转化的氨和二氧化碳与尿素水溶液分离。这种汽提器可以是壳管式热交换器，其中尿素溶液在管侧被供给到顶部，并且进料至合成过程的二氧化碳被添加至汽提器的底部。在壳侧，添加蒸汽以加热溶液。尿素溶液在底部离开热交换器，而气相在顶部离开汽提器。离开所述汽提器的蒸气含有氨、二氧化碳和少量的水。所述蒸气在降膜型热交换器或者可为水平型或垂直型的浸没型冷凝器中冷凝。水平型浸没式热交换器描述于Ullmann's Encyclopedia ofIndustrial Chemistry(乌尔曼工业化学百科全书)，第A27卷，1996年，第333-350页中。在所述冷凝器中由放热氨基甲酸盐缩合反应释放的热量通常用于产生蒸汽，其被用于在下游尿素加工区段中对尿素溶液进行加热和浓缩。由于在浸没型冷凝器中产生一定的液体滞留时间，因此一部分尿素反应已在所述冷凝器中发生。所形成的含有冷凝氨、二氧化碳、水和尿素以及未冷凝的氨、二氧化碳和惰性蒸气的溶液被运送到反应器。在反应器中，从碳酸盐到尿素的上述反应接近平衡。离开反应器的尿素溶液中的氨与二氧化碳的摩尔比一般为2.5至4mol/mol。也可以将冷凝器和反应器组合在一件设备上。这件设备的实例如Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry(乌尔曼工业化学百科全书)，第A27卷，1996年，第333-350页中所述。离开尿素反应器的所形成尿素溶液被供给到汽提器，并且含有未冷凝氨和二氧化碳的惰性蒸气被运送到在与反应器类似的压力下操作的洗涤区段。在所述洗涤区段中，从惰性蒸气中洗涤氨和二氧化碳。来自下游回收系统的所形成的氨基甲酸盐溶液被用作所述洗涤区段中的吸收剂。在这个合成区段中离开汽提器的尿素溶液需要至少45重量％并且优选至少50重量％的尿素浓度以在汽提器下游的一个单个回收系统中进行处理。回收区段包括加热器、液体/气体分离器和冷凝器。这个回收区段中的压力为200至600kPa。在回收区段的加热器中，通过加热尿素溶液而将大部分的氨和二氧化碳与尿素和水相分离。通常使用蒸汽作为加热剂。尿素和水相含有少量的溶解的氨和二氧化碳，其离开回收区段并被运送到下游尿素加工区段，其中通过从所述溶液中蒸发水来浓缩尿素溶液。
其他方法和设备包括基于以下技术的方法和设备，例如：由Urea Casale开发的HEC方法，由Toyo Engineering Corporation开发的ACES方法，以及由Snamprogetti开发的方法。在本发明的尿素精整方法之前，可使用所有的这些方法和其他方法。
尿素精整技术，例如造粒和成粒，是本领域技术人员已知的。关于尿素，参考例如Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry(乌尔曼工业化学百科全书)，2010年，第4.5章。
在下文中将参考以下附图和实施例来进一步说明本发明。所述附图和实施例并非意在限制本发明。
图1
在一个优选的实施例中，在示出气体流的图1中示出，洗涤器容器1包含第一骤冷区2、浓溶液贮存器3、跨接管道4、第二骤冷区5、分离腔室6、稀溶液贮存器7、多个调节塔盘8、多个平行文丘里管9、除雾器10、湿式静电除尘器11以及出口管道12。带颗粒气体进入骤冷区中，在骤冷区中热气体因水性骤冷液体的蒸发而冷却。将溶解的颗粒收集在水中并且在贮存器3中浓缩。当气体离开骤冷区并且进入洗涤器容器时，气体再次用稀水性骤冷液体骤冷。在分离腔室6中，重液滴滴落而被收集到稀溶液贮存器7中。气体继续向上穿过一个(或多个)调节塔盘8，然后穿过多个文丘里管9。可使用除雾器10。随后气体流过湿式静电除尘器以去除大部分剩余的亚微米颗粒11，然后离开洗涤器12。
图2
在示出了水流的图2中，示出了骤冷和洗涤器容器，总体指示为1。在骤冷区2的顶部附近使用喷嘴注入第一骤冷区的浓水溶液。从浓溶液贮存器收集和提取未蒸发的水。将浓溶液再循环回骤冷喷雾，其中一部分排出以进行再循环或处置。将稀溶液4喷洒入跨接管道或者直接喷洒入分离腔室5内。将稀溶液收集到稀溶液贮存器中并提取6。可将稀溶液再循环回第二骤冷、进行处置或在调节塔盘上或者在文丘里管中使用。将水泵送至文丘里管入口8和文丘里管喉部9。未蒸发的水被捕获到保持文丘里管的隔板(diaphragm)上并且向下泻落至塔盘7。水继续沿着塔盘向下泻落，最终落入稀洗涤器贮存器中并被提取6。
实施例1
设计了尿素成粒机，其具有需要洗涤的含尿素废气。离开成粒机的空气的温度为100.5℃并且水蒸气的摩尔分数为3.1％。设计了骤冷喷雾器，其通过蒸发冷却空气，直至空气流饱和并且水不再蒸发。使用热力学算法并结合蒸气表确定，当使用纯水时以上情况将在37.2℃的最终气体温度下发生，其中水蒸气的摩尔分数为6.4％。对于这一设计项目，蒸发的水量经计算为4.61L/s。然而，在实施过程中，骤冷喷雾将再循环直至尿素浓度增大至约45重量％。在此尿素浓度处，水的蒸气压会小很多。使用拉乌尔定律进行估算并重复上述计算，发现新的饱和气体温度为39.4℃，水蒸气摩尔分数为5.8％。虽然饱和温度高出了2.2℃，但是气态水的摩尔分数降低了10％以上。就所设计的实施例而言，预测仅蒸发3.66L/s。在浓骤冷阶段的下游，当气体暴露于稀水时，饱和条件将匹配第一种情况，因而需要额外0.95L/s的蒸发。为了同样促进亚微米颗粒生长，需要第二稀骤冷。
实施例2
用仅安装有一个骤冷的洗涤器，从造纸厂回收锅炉的221℃且30％湿度的排出气体中捕集硫酸钠。在骤冷水更新并且硫酸钠的浓度保持较低的情况下，计算出的饱和温度为74℃，气相中具有36.5％的水蒸气。然而，造纸厂倾向于使硫酸钠的浓度循环上升至16％的波美度。在此浓度处，饱和温度上升至76℃，其中气相中具有仅36.2％的湿度。这造成了下游蒸发继续但是亚微米颗粒的尺寸无法充分生长的情况。在高波美度条件下，颗粒排放量增大。第二新鲜(或者稀的)水骤冷将增强洗涤器的粒子捕集性能。

Claims (10)

1.一种粒子捕集系统，所述粒子捕集系统包括串联的进气口、第一骤冷区、粒子捕集区以及出气口，所述第一骤冷区包括：用于分配骤冷液体的进液口、位于所述进液口的下游并通往所述粒子捕集区的气流管线以及用于所述骤冷液体的出液口，所述进液口和所述出液口任选地形成用于所述骤冷液体的第一再循环回路的一部分，其中在所述第一骤冷区的下游和所述粒子捕集区的出气口的上游设置至少第二骤冷区，所述第二骤冷区具有用于骤冷液体的进液口和出液口，其中所述第二骤冷区的进液口和出液口任选地形成第二再循环回路的一部分，所述第二再循环回路能够独立于所述第一再循环回路操作，术语下游是参照所述气体流的流动方向定义的。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一骤冷区和所述第二骤冷区能够独立地操作。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述粒子捕集区包括选自湿式洗涤器、文丘里洗涤器、湿式静电除尘器以及它们的组合的粒子捕集装置。
4.一种用于尿素设备的精整设备，所述精整设备包括尿素精整装置，所述尿素精整装置包括液体尿素入口、冷却气体入口、固体尿素收集器、废气出口以及至少一个粒子捕集系统，其中所述粒子捕集系统是根据权利要求1或2所述的系统，所述废气出口与所述粒子捕集装置的进气口流体连通。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述尿素精整装置是流化床成粒单元。
6.根据权利要求4或5所述的设备，还包括用于去除氨的酸洗涤器。
7.根据权利要求6所述的设备，所述酸洗涤器位于所述粒子捕集区的下游。
8.根据权利要求4或5所述的设备，其中所述粒子捕集区包括一个或多个微雾文丘里(MMV)型文丘里洗涤器。
9.一种尿素设备，包括合成与回收区段；所述区段与蒸发区段流体连通，所述蒸发区段与精整区段流体连通并且具有通往冷凝区段的气流管线；并且所述精整区段具有通往粉尘洗涤区段的气流管线，其中所述精整区段包括根据权利要求4至7中任一项所述的设备。
10.一种改造现有尿素设备的方法，所述现有尿素设备包括合成与回收区段；所述区段与蒸发区段流体连通，所述蒸发区段与精整区段流体连通并且具有通往冷凝区段的气流管线；所述精整区段具有通往粉尘洗涤区段的气流管线，其中所述方法包括：在所述精整区段和所述粉尘洗涤区段之间安装第一骤冷系统，所述骤冷系统与处于所述精整区段和所述粉尘洗涤区段之间的气流管线流体连通；以及在所述第一骤冷系统的下游安装至少一个第二骤冷系统，其中所述第一骤冷系统和所述第二骤冷系统各自任选地形成能够彼此独立操作的再循环回路的一部分，术语下游是参照所述气体流从所述精整区段至所述粉尘洗涤区段的预期流动方向定义的。
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