CN110332819B - 汞蒸汽冷凝回收装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汞蒸汽冷凝回收装置及方法，其中装置包括水冷式换热组件和汞液收集槽，还包括冲洗单元，换热器均安装在汞液收集槽顶部，汞液收集槽的上端段由若干伸入到槽内液位线以下的竖隔板分隔成与各组换热器一对一布置的气液分离区，管程出口与气液分离区连通布置，在气液分离区上端段的汞液收集槽上设有若干气相出口，气相出口与气液分离区一对一连通布置，第(n‑1)组换热器的管程出口通过对应的气相出口与第n组换热器的管程入口连通，N≥n≥2；冲洗单元包括安装在汞液收集槽上的液下泵和若干冲洗喷嘴，液下泵启动抽取汞液收集槽内上部清液经冲洗喷嘴洒出对换热管束进行冲洗。本发明降低了已冷凝汞金属被炉气带入下一工段的概率。

Description

汞蒸汽冷凝回收装置及方法

技术领域

本发明涉及用于火法冶炼的汞回收领域，尤其涉及一种用于火法冶炼的汞蒸汽冷凝回收装置及方法。

背景技术

汞常温常压下为液态金属且为剧毒。目前铜、铅、锌等各类金属冶炼过程产生的固废渣中均含有一定量的汞，回收这类固废渣中的汞既能避免汞对人类和生态环境造成严重威胁又能取得一定的经济效益。

针对含汞的固废渣的回收工艺有火法和湿法两种，火法是现今提汞的主要方法。电热回转炉蒸馏法是火法提汞中的主要方法之一，如图2所示，该方法是将经过处理后的含汞废渣送入电热蒸馏炉内进行焙烧，经过焙烧废渣中的汞转为汞蒸汽随炉气一同送往后续的空气冷凝器，含汞炉气在空气冷凝器中大幅降温后进入后续的冷凝回收工段I。在冷凝回收工段I内，含汞炉气通过多组串联的水冷式换热器a的管程与通过水冷式换热器a的壳层的冷媒体进行换热，含汞炉气温度不断降低。冷凝出的金属汞和冷凝水通过各级水冷式换热器a下部排入汞液收集槽b内，经过沉降汞液富集于汞液收集槽b底部并定期放出，从而达到回收金属汞的目的。

然而上述工艺操作实施过程中，往往会存在以下问题：

1、水冷式换热器的换热管束是通过上下布置的两个管板安装在壳体内的，为保证介质在水冷式换热器内的流速及换热效率，上述工艺中的水冷式换热器一般为细长型，为便于炉气集聚流通，壳体上下两端还均采用收口状，这就致使换热管束下方的壳体内腔体积较小，导致部分冷凝的汞金属未来得及进入汞液收集槽就被炉气带入下一工段内，进而降低了汞回收率；因水冷式换热器的直径和高度有特定的设计要求，如直接加大壳体体积，又会导致水冷式换热器管程和壳层流体速度下降影响换热效率，同时会增加制造成本并增大设备占地面积。

2、含汞炉气中的杂质及汞易粘结在换热管内壁造成结构或堵塞进而影响换热效率。

3、上述冷凝回收工段I中各设备间需要通过大量的管道进行连通，占地面积大，土建投资费用偏高。

4、上述冷凝回收工段冷媒体为并联流过水冷式换热器的壳层，导致冷媒体循环量增大，动力消耗较大。

鉴于此，克服以上现有技术中的缺陷，提供新的汞蒸汽冷凝回收装置及方法成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种汞金属不易被气相夹带、汞蒸气冷凝与回收工段内换热管不易堵塞、冷媒体循环量小、设备布置更紧凑的汞蒸汽冷凝回收装置及方法。

本发明提供的这种汞蒸汽冷凝回收装置，包括水冷式换热组件、带有溢流口的汞液收集槽，水冷式换热组件包括N组水冷式换热器，N≥2，各组水冷式换热器均包括壳体和安装在壳体内的换热管束，在壳体上设有壳程进口、壳程出口、管程入口和管程出口，还包括冲洗单元，

水冷式换热器均安装在汞液收集槽顶部，

汞液收集槽的上端段由若干伸入到槽内液位线以下的竖隔板分隔成与各组水冷式换热器一对一布置的气液分离区，管程出口与气液分离区连通布置，在气液分离区上端段的汞液收集槽上设有若干气相出口，气相出口与气液分离区一对一连通并高于溢流口布置，第(n-1)组水冷式换热器的管程出口通过对应的气相出口与第n组水冷式换热器的管程入口连通，第(n-1)组水冷式换热器的壳程进口与第n组水冷式换热器的壳程出口连通，N≥n≥2，第一组水冷式换热器的壳程出口为冷媒体排出口，第N组水冷式换热器的壳程进口为冷媒体输入口；

冲洗单元包括安装在汞液收集槽上的液下泵和若干冲洗喷嘴，冲洗喷嘴安装在换热管束上方的壳体内，液下泵底部吸入口位于汞液收集槽内液位上层区域，液下泵的泵出口与各冲洗喷嘴连通，冲洗喷嘴喷洒孔面向换热管束布置，液下泵启动抽取汞液收集槽内上部清液经冲洗喷嘴洒出对换热管束进行冲洗。

与第(n-1)组水冷式换热器连通的气液分离区横截面积大于与第n组水冷式换热器连通的气液分离区的横截面积。

为使本发明紧凑有序，汞液收集槽外环绕有冷媒散热管，冷媒散热管的出口通过循环泵与第N组水冷式换热器的壳程进口连通、进口与第一组水冷式换热器的壳程出口连通。

冷媒散热管的出口和进口分别位于管体的顶部和底部。

为加速冷媒的冷却，所述冷媒散热管的外壁面设有散热翘片。

所述换热管束通过上下平行布置的两个管板安装在壳体内，冲洗喷嘴安装在位于上方的管板上方。

汞液收集槽呈下部为倒锥形的圆筒状。

本发明还提供了一种利用上述装置进行汞蒸汽冷凝回收的方法，包括如下步骤：

S1、形成气液分离区：

往汞液收集槽内注入清液，清液水平面高于竖隔板底面布置，清液上方的槽腔由竖隔板分隔成若干与各组水冷式换热器一对一布置的气液分离区；

S2、串联冷媒介质、往水冷式换热组件中注入含汞炉气进行多级分离与换热：

冷媒从第n组水冷式换热器壳程进口进入，依次流通第n组水冷式换热器、第组水冷式换热器直至第一组水冷式换热器的壳程后从第一组水冷式换热器的壳程出口排出；

经过空气冷凝器降温后的含汞炉气从第一组水冷式换热器的管程入口进入，并在该组水冷式换热器内与冷媒体进行第一次间接换热，含汞炉气温度降低使得部分汞蒸汽与水蒸气冷凝成液态形成混合炉气，随后混合炉气从该组水冷式换热器的管程出口进入到相对应的气液分离区，混合炉气中冷凝下来的液体汞与冷凝水与炉气分离并靠重力自然沉降进入汞液收集槽内，分离出部分液体汞与冷凝水的混合炉气则从对应的气相出口离开汞液收集槽进入到第二组水冷式换热器，完成第一次气液分离；

进入第二组水冷式换热器的混合炉气重复上述步骤进行第二次间接换热和第二次气液分离；

以此类推，至此完成第N次间接换热和气液分离后，炉气由与第N组水冷式换热器连通的气相出口离开去到后续工段；

S3、对汞液收集槽内的汞进行回收：

落入汞液收集槽内的汞与冷凝水由于比重差异进一步在槽内实现分层，比重大的汞液最终落入汞液收集槽下部，定期打开槽底部放出汞液成品；

S4、对换热管束进行除垢：

启动液下泵，汞液收集槽上部清液被抽取送入各组水冷式换热器的冲洗喷嘴内，冲洗喷嘴对换热管束内进行喷水，水流冲洗除掉换热管束内的污垢避免水冷式换热器堵塞。

所述水冷式换热组件包括2组水冷式换热器，含汞炉气在第一组水冷式换热器内换热后降至70～90℃，通过第二组水冷式换热器换热后炉气降至30～50℃。

所述水冷式换热组件包括至少3组水冷式换热器，含汞炉气在第一组水冷式换热器内换热后降至90～110℃，混合炉气经二至N组水冷式换热器换热后降温至30～50℃。

本发明利用若干竖隔板将汞液收集槽内液位线以上的空间分成与各水冷式换热器独立连通的若干气液分离区，前一级水冷式换热器冷凝后的含汞炉气需从气液分离区上端段的气相出口输入后一级水冷式换热器中，将从水冷式换热器壳体下端流出的已冷凝的汞金属在气液分离区内得到更多空间与含汞炉气进行分离，由于气液分离区炉气流通面积显著大于水冷式换热器管程流通面积，因此相同气量的混合炉气在气液分离区内的流速明显降低，混合炉气中冷凝下来的液体汞与冷凝水能够与炉气得以充分分离并靠重力自然沉降进入汞液收集槽内而不被流动缓慢的炉气夹带出汞液收集槽，降低了已冷凝汞金属被炉气带入下一工段的概率，进而增加了汞回收率；将水冷式换热器直接安装在汞液收集槽上，在满足同样的换热功率作用下，即使适当增加汞液收集槽的体积，也远比现有技术中汞液收集槽、水冷式换热器和管道三者联合所占用的面积要小，使布局更加紧凑合理；冷媒体采用串联流程可以让水先与温度较低的炉气换热再与温度高的炉气换热，尽可能充分发挥水的冷却作用，减少水量消耗；同时，集成的冲洗单元可对换热单元进行在线冲洗解决了传统汞蒸气冷凝器中管程易结垢堵问题。

附图说明

图1为本发明的局部剖视结构示意图。

图2为现有技术中电热回转炉蒸馏法的结构示意图。

图中示出的标记及所对应的构件名称为：

1、水冷式换热器；1-1、第一组水冷式换热器；1-2、第二组水冷式换热器；11、壳体；12、换热管束；13、壳程进口；14、；壳程出口；15、管程入口；16、管程出口；17、上管板；18、下管板；

2、汞液收集槽；21、上筒体；22、下筒体；23、放汞口；24、竖隔板；25、(25-1、25-2)气液分离区；26(26-1、26-2)、气相出口；27、溢流口；

3、冲洗单元；31、液下泵；32、冲洗喷嘴；33、冲洗管路；

4、冷媒散热管；5、循环泵。

具体实施方式

从图1可以看出，本发明这种汞蒸汽冷凝回收装置，包括水冷式换热组件、汞液收集槽2和冲洗单元3，水冷式换热组件包括N组水冷式换热器1，N≥2。

实施例一

从图1可以看出，本发明这种汞蒸汽冷凝回收装置，包括水冷式换热组件、汞液收集槽2和冲洗单元3，

水冷式换热组件包括第一组水冷式换热器1-1和第二组水冷式换热器1-2，各组水冷式换热器1均包括壳体11和换热管束12，在壳体1上端段内水平固接有上管板17，在壳体1下端段内水平固接有下管板18，在上管板17和下管板18上开有若干对应布置的管孔，换热管束12穿过上管板17、下管板18上的管孔并位于二者之间；在壳体11顶部设有收口状的管程入口15，在壳体1底部设有直通状的管程出口16；在靠近上管板17下端面的壳体11侧壁上设有壳程进口13，在靠近下管板18上端面的壳体11侧壁上设有壳程出口14，第一组水冷式换热器1-1的壳程进口14与第二组水冷式换热器1-2的壳程出口13连通，第一组水冷式换热器1-1的壳程出口13为冷媒体排出口，第二组水冷式换热器1-2的壳程进口14为冷媒体输入口；

汞液收集槽2包括位于上部的上筒体21和位于下部的下筒体22，上筒体21呈圆柱状，下筒体22呈倒圆锥状，在上筒体21侧壁上设有溢流口27，在下筒体22底部设有放汞口23，第一组水冷式换热器1-1和第二组水冷式换热器1-2均安装在汞液收集槽2顶部，在汞液收集槽2顶部设有连通各水冷式换热器管程出口16与上筒体21内部的圆孔，圆孔与管程出口16直径相同且同轴布置；在上筒体21内侧顶部设有一竖隔板24，竖隔板24的底部伸入到槽内液位线以下，槽内液位线上方的上筒体21内腔由竖隔板24分隔成两个气液分离区25，气液分离区25-1与第一组水冷式换热器1-1的管程出口16连通布置，气液分离区25-2与第二组水冷式换热器1-2的管程出口16连通布置；在上筒体21侧壁上设有两气相出口26，两气相出口26均高于溢流口27布置，气相出口26-1与气液分离区25-1的上端段连通布置，气相出口26-2与气液分离区25-2的上端段连通布置，气相出口26-1通过管道与第二组水冷式换热器1-2的管程入口15连通；

冲洗单元3包括液下泵31和若干冲洗喷嘴32，冲洗喷嘴32安装在上管板17上方的壳体1内，冲洗喷嘴32的喷洒孔面向换热管束12布置，液下泵31安装在上筒体21顶部，液下泵31底部吸入口位于汞液收集槽2内液位上层区域内，液下泵3的泵出口通过冲洗管路33与各冲洗喷嘴32连通，液下泵31启动，汞液收集槽2内上部清液被抽取至冲洗喷嘴32，并经冲洗喷嘴32的喷洒孔洒出对换热管束12进行冲洗。

在本发明中，气液分离区25-1的横截面积大于气液分离区25-2的横截面积。

从图1还可以看出，在本发明汞液收集槽2外壁面的支撑架上外环绕有冷媒散热管4，在冷媒散热管4的外壁面设有散热翘片，冷媒散热管4与汞液收集槽2外壁面间隔布置，冷媒散热管4的出口和进口分别位于管体的顶部和底部，冷媒散热管4的出口通过循环泵5与第二组水冷式换热器1-2的壳程进口13连通，冷媒散热管4的进口与第一组水冷式换热器1-1的壳程出口14连通。

本发明这种利用上述装置进行汞蒸汽冷凝回收的方法，包括如下步骤：

S1、形成气液分离区：

往汞液收集槽2内注入清液，清液的水平面高于竖隔板24底面位置，清液上方的槽腔由竖隔板24分隔成与各组水冷式换热器一对一布置的气液分离区25；

S2、串联冷媒介质、往水冷式换热组件中注入含汞炉气进行多级分离与换热：

冷媒从第二组水冷式换热器1-2的壳程进口13进入，依次流通第二组水冷式换热器1-2和第一组水冷式换热器1-1的壳程后，从第一组水冷式换热器1-1的壳程进口14排出；

含汞废渣经焙烧后产生的含汞炉气经过空气冷凝器降温后，从第一组水冷式换热器1-1的管程入口15进入，并在第一组水冷式换热器1-1内与冷媒体进行第一次间接换热，含汞炉气在第一组水冷式换热器1-1内换热后降至70～90℃，含汞炉气温度降低使得部分汞蒸汽与水蒸气冷凝成液态形成混合炉气，随后混合炉气从第一组水冷式换热器1-1的管程出口16进入到气液分离区25-1，混合炉气中冷凝下来的液体汞与冷凝水能够与炉气分离并靠重力自然沉降进入汞液收集槽2内，分离出部分液体汞与冷凝水的混合炉气则从气相出口26-1离开汞液收集槽2进入到第二组水冷式换热器1-2，完成第一次气液分离；

进入第二组水冷式换热器1-2的混合炉气重复上述步骤进行第二次间接换热和第二次气液分离，混合炉气经第二组水冷式换热器1-2换热后降温至30～50℃，炉气中的汞蒸汽绝大多数冷凝为液态汞，分离后的炉气由气相出口26-2离开去到后续工段；

S3、对汞液收集槽内的汞进行回收：

落入汞液收集槽2内的汞与冷凝水由于比重差异进一步在槽内实现分层，比重大的汞液最终落入汞液收集槽2下部，定期打开汞液收集槽2底部的放汞口23放出汞液成品；

S4、对换热管束进行除垢：

启动液下泵31，汞液收集槽2内的上部清液被抽取送入各组水冷式换热器的冲洗喷嘴32内，冲洗喷嘴32对换热管束12内进行喷水，水流冲洗除掉换热管束12内的污垢避免水冷式换热器堵塞，污垢定期随汞液或槽体上部的溢流口27离开汞液收集槽2；

在本实施例中，升温后的冷媒由第一组水冷式换热器1-1的壳程出口14进入冷媒散热管4，与外部空气进行换热冷却后通过循环泵5重新从第二组水冷式换热器1-2的壳程出口14进入水冷式换热组件重新冷凝炉气，从而实现对冷媒介质的循环利用。

实施例二

本实施例与实施例一的不同之处在于，水冷式换热组件包括N组水冷式换热器1，N＞2；在上筒体21内侧顶部设有若干竖隔板24，槽内液位线上方的上筒体21内腔由各竖隔板24分隔成N个气液分离区25，各气液分离区与各组水冷式换热器的管程出口16一对一连通布置；在上筒体21侧壁上设有N个气相出口26，各气相出口与各气液分离区的上端段一对一连通布置；第(n-1)组水冷式换热器的管程出口16通过对应的气相出口与第n组水冷式换热器的管程入口15连通，第(n-1)组水冷式换热器的壳程进口与第n组水冷式换热器的壳程出口连通，与第(n-1)组水冷式换热器连通的气液分离区横截面积大于与第n组水冷式换热器连通的气液分离区的横截面积，N≥n≥2。

通过实施例二中的装置进行汞蒸汽冷凝回收的方法与实施一的不同之处在于：在步骤S2中，

含汞废渣经焙烧后产生的含汞炉气经过空气冷凝器降温后，从第一组水冷式换热器的管程入口15进入，并在第一组水冷式换热器内与冷媒体进行第一次间接换热，含汞炉气在第一组水冷式换热器1-1内换热后降至90～110℃，含汞炉气温度降低使得部分汞蒸汽与水蒸气冷凝成液态形成混合炉气，随后混合炉气从第一组水冷式换热器的管程出口16进入到气液分离区，混合炉气中冷凝下来的液体汞与冷凝水能够与炉气分离并靠重力自然沉降进入汞液收集槽2内，分离出部分液体汞与冷凝水的混合炉气则从气相出口离开汞液收集槽2进入到第二组水冷式换热器，完成第一次气液分离；

进入第二组水冷式换热器的混合炉气重复上述步骤进行第二次间接换热和第二次气液分离；

以此类推，至此完成第N次间接换热和气液分离后，混合炉气经二至N组水冷式换热器换热后降温至30～50℃，炉气由与第N组水冷式换热器连通的气相出口离开去到后续工段。

Claims (10)

1.一种汞蒸汽冷凝回收装置，包括水冷式换热组件、带有溢流口（27）的汞液收集槽（2），水冷式换热组件包括N组水冷式换热器（1），N≥2，各组水冷式换热器均包括壳体（11）和安装在壳体内的换热管束（12），在壳体上设有壳程进口（13）、壳程出口（14）、管程入口（15）和管程出口（16），其特征在于：还包括冲洗单元（3），

水冷式换热器均安装在汞液收集槽顶部，

汞液收集槽的上端段由若干伸入到槽内液位线以下的竖隔板（24）分隔成与各组水冷式换热器一对一布置的气液分离区（25），管程出口与气液分离区连通布置，在气液分离区上端段的汞液收集槽上设有若干气相出口（26），气相出口与气液分离区一对一连通并高于溢流口布置，第（n-1）组水冷式换热器的管程出口通过对应的气相出口与第n组水冷式换热器的管程入口连通，第（n-1）组水冷式换热器的壳程进口与第n组水冷式换热器的壳程出口连通，N≥n≥2，第一组水冷式换热器的壳程出口为冷媒体排出口，第N组水冷式换热器的壳程进口为冷媒体输入口；

冲洗单元包括安装在汞液收集槽上的液下泵（31）和若干冲洗喷嘴（32），冲洗喷嘴安装在换热管束上方的壳体内，液下泵底部吸入口位于汞液收集槽内液位上层区域，液下泵的泵出口与各冲洗喷嘴连通，冲洗喷嘴喷洒孔面向换热管束布置，液下泵启动抽取汞液收集槽内上部清液经冲洗喷嘴洒出对换热管束进行冲洗。

2.根据权利要求1所述的汞蒸汽冷凝回收装置，其特征在于：与第（n-1）组水冷式换热器连通的气液分离区横截面积大于与第n组水冷式换热器连通的气液分离区的横截面积。

3.根据权利要求1所述的汞蒸汽冷凝回收装置，其特征在于：汞液收集槽外环绕有冷媒散热管（4），冷媒散热管的出口通过循环泵（5）与第N组水冷式换热器的壳程进口连通、进口与第一组水冷式换热器的壳程出口连通。

4.根据权利要求3所述的汞蒸汽冷凝回收装置，其特征在于：冷媒散热管的出口和进口分别位于管体的顶部和底部。

5.根据权利要求3所述的汞蒸汽冷凝回收装置，其特征在于：所述冷媒散热管的外壁面设有散热翘片。

6.根据权利要求1所述的汞蒸汽冷凝回收装置，其特征在于：所述换热管束通过上下平行布置的两个管板安装在壳体内，冲洗喷嘴安装在位于上方的管板上方。

7.根据权利要求1所述的汞蒸汽冷凝回收装置，其特征在于：汞液收集槽呈下部为倒锥形的圆筒状。

8.一种利用权利要求1至7任一所述装置进行汞蒸汽冷凝回收的方法，其特征在于包括如下步骤：

S1、形成气液分离区：

往汞液收集槽（2）内注入清液，清液水平面高于竖隔板底面布置，清液上方的槽腔由竖隔板分隔成若干与各组水冷式换热器一对一布置的气液分离区（25）；

S2、串联冷媒介质、往水冷式换热组件中注入含汞炉气进行多级分离与换热：

冷媒从第n组水冷式换热器壳程进口（13）进入，依次流通第n组水冷式换热器、第（n-1）组水冷式换热器直至第一组水冷式换热器的壳程后从第一组水冷式换热器的壳程出口排出；

经过空气冷凝器降温后的含汞炉气从第一组水冷式换热器的管程入口（15）进入，并在该组水冷式换热器内与冷媒体进行第一次间接换热，含汞炉气温度降低使得部分汞蒸汽与水蒸气冷凝成液态形成混合炉气，随后混合炉气从该组水冷式换热器的管程出口（16）进入到相对应的气液分离区，混合炉气中冷凝下来的液体汞与冷凝水能够与炉气分离并靠重力自然沉降进入汞液收集槽（2）内，分离出部分液体汞与冷凝水的混合炉气则从对应的气相出口（26）离开汞液收集槽进入到第二组水冷式换热器，完成第一次气液分离；

进入第二组水冷式换热器的混合炉气重复上述步骤进行第二次间接换热和第二次气液分离；

以此类推，至此完成第N次间接换热和气液分离后，炉气由与第N组水冷式换热器连通的气相出口离开去到后续工段；

S3、对汞液收集槽内的汞进行回收：

落入汞液收集槽内的汞与冷凝水由于比重差异进一步在槽内实现分层，比重大的汞液最终落入汞液收集槽下部，定期打开槽底部放出汞液成品；

S4、对换热管束进行除垢：

启动液下泵（31），汞液收集槽上部清液被抽取送入各组水冷式换热器的冲洗喷嘴（32）内，冲洗喷嘴对换热管束（12）内进行喷水，水流冲洗除掉换热管束内的污垢避免水冷式换热器堵塞。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述水冷式换热组件包括2组水冷式换热器，含汞炉气在第一组水冷式换热器内换热后降至70～90℃，通过第二组水冷式换热器换热后炉气降至30～50℃。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述水冷式换热组件包括至少3组水冷式换热器，含汞炉气在第一组水冷式换热器内换热后降至90～110℃，混合炉气经二至N组水冷式换热器换热后降温至30～50℃。

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