CN110482578A - 一种湿式镁法烟气脱硫副产物氧化装置及其氧化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及脱硫废水处理技术领域，具体是一种湿式镁法烟气脱硫副产物高效氧化装置及其氧化方法。氧化装置主要包括喷淋反应器，水泵，气泵，喷淋反应器上部设有液体喷头，下部设有喷气头，水泵与液体喷头以第三管路连通，气泵与喷气头以第四管路连通。WM‑FGD废水经水泵抽入液体喷头，经液体喷头雾化成液滴进入喷淋反应器中，同时，含氧气体经气泵泵入喷气头进入喷淋反应器，液滴中的亚硫酸镁与氧气发生氧化反应，生成硫酸镁；整个反应过程可使用PLC控制器自动控制。本发明装置及处理方法将传统曝气方法由气相进入液相主体方式，转变为液相进入气相主体，极大提高了气液接触反应面积和反应效率。

Description

一种湿式镁法烟气脱硫副产物氧化装置及其氧化方法
技术领域
本发明涉及脱硫废水处理技术领域，具体是一种湿式镁法烟气脱硫副产物高效氧化装置及其氧化方法。
背景技术
湿式镁法烟气脱硫(WM-FGD)技术最早应用于美国、日本和我国台湾地区，其在日本和台湾地区市场占有率达95％以上。经过十多年的研究和发展，WM-FGD技术高效性、可靠性、经济性已获得广泛认同。国内学者也不断改进创新WM-FGD技术，形成如镁基-海水法(CN102120138A)等新型自主知识产权技术。尤其是近几年来，WM-FGD在国内应用实例不断增加，并取得良好的环境及经济效益，为该技术在全国范围内推广应用，奠定了有利基础。
WM-FGD工艺另一优势为可以由脱硫废水中回收利用高价值的硫酸镁，其技术关键在于对脱硫副产物-亚硫酸镁高效氧化处理。涉及主要化学反应过程为：
2MgSO3+O2→2MgSO4
当前，亚硫酸镁氧化处理以强制氧化曝气方式为主，即在脱硫废水底部设置曝气管或者空气管配合搅拌器进行曝气。
但是，以上传统曝气氧化方式都需要较大的占地面积，能耗高，且前期基建和设备投资及后期运行维护成本高。根据双膜理论和化学反应原理，亚硫酸镁的氧化效率取决于气液两相间的接触面积和接触反应时间。曝气方式气泡直径较大，且混合过程气泡相互融合变大，因而气液接触面积较小，反应时间较短，导致氧化效率较低。
综上所述，传统曝气氧化方式已不能满足WM-FGD副产物氧化处理技术需求，而本领域内缺少针对WM-FGD废水新型、高效氧化方法和装置的研究。
发明内容
为解决上述现有技术的缺陷，本发明提供了一种湿式镁法烟气脱硫副产物氧化装置及其氧化方法，以解决了湿式镁法烟气脱硫(WM-FGD)副产物高效氧化的难题。
为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
本发明一方面提供了一种湿式镁法烟气脱硫副产物氧化装置，所述装置包括喷淋反应器，水泵，气泵，所述喷淋反应器上部设有液体喷头，下部设有喷气头，所述喷淋反应器底部与脱硫废水池以第一管路连通，脱硫废水池与水泵以第二管路连通，第一管路与第二管路连接处以三通阀Ⅰ连接，水泵与液体喷头以第三管路连通，气泵与喷气头以第四管路连通。
上述技术方案中，所述喷淋反应器的高径比1:1.5-1.8。
上述技术方案中，所述液体喷头的喷嘴类型为陶瓷螺旋喷嘴。
上述技术方案中，可选地，喷气头在第四管路的数量为6-10个，喷气头与竖直方向之间倾角为30-60°，并按顺时针方向呈椭圆形排列。
上述技术方案中，可选地，所述氧化装置在第三管路上设置液体流量计、压力表，在第四管路上设有气体流量计。
上述技术方案中，可选地，所述氧化装置在第三管路上设有三通阀门Ⅱ。
上述技术方案中，可选地，所述氧化装置的喷淋反应器上部设有自动排气阀。
上述技术方案中，可选地，所述氧化装置还包括PLC控制器，PLC控制器连接三通阀门Ⅱ、三通阀门Ⅰ、水泵、气泵、液体流量计、压力表和/或气体流量计；实时监测压力和流量以控制水泵进水流量、压力和气泵进气流量。
本发明另一方面提供了一种湿式镁法烟气脱硫副产物氧化方法，所述方法以液相进入气相的方式反应，液相以微米级液滴进入分散的气相充分反应，将含有亚硫酸镁的液体氧化成含硫酸镁的液体。
上述技术方案中，所述方法使用前述湿式镁法烟气脱硫副产物氧化装置进行氧化反应，将脱硫废液中的亚硫酸镁氧化成硫酸镁。
上述技术方案中，所述方法为：切换三通阀Ⅰ方向，使脱硫废水池与水泵连通，WM-FGD废水经水泵抽入液体喷头，经液体喷头雾化成液滴进入喷淋反应器中，同时，含氧气体经气泵泵入喷气头进入喷淋反应器，液滴中的亚硫酸镁与氧气发生氧化反应，生成硫酸镁，切换三通阀Ⅰ方向，使喷淋反应器底部与水泵连通，反应液循环进入喷淋反应器中继续反应。
上述技术方案中，所述方法反应装置运行过程中，使用PLC控制器自动控制，通过PLC实时监测液体流量、压力和气体流量，控制水泵进水流量、压力和气泵进气流量，当硫酸镁氧化率≤85％时，控制三通阀Ⅰ方向，使喷淋反应器底部与水泵连通，继续循环反应，当硫酸镁氧化率≥85％时，使用PLC自动控制三通阀Ⅱ连通方向，喷淋反应器内反应液经三通阀Ⅰ、水泵、三通阀Ⅱ排出，不再进入喷淋反应器内反应。
上述技术方案中，进水压力为0.1-0.25MPa，液滴粒径为50-500μm，液滴在喷淋反应器内停留时间在15-20s，喷淋反应器中的液气比(L/m3)为1:5-8。
上述技术方案中，所述含氧气体为自然空气、富氧空气或臭氧
本发明的有益效果：
本发明针对WM-FGD副产物-亚硫酸镁高效氧化处理问题，提出采用喷淋氧化方法并设计高效喷淋氧化反应装置，将传统曝气方法由气相(氧化气体)进入液相(还原性物质)主体方式，转变为液相(还原性物质)进入气相(氧化气体)主体，极大提高了气液接触反应面积和反应效率。
本发明装置及处理方法可以解决亚硫酸镁高效氧化处理关键技术问题，为WM-FGD废水处理提供技术支持，减少了占地面积，节约投资和运行成本，有利于WM-FGD技术推广应用，同时也可为其他废水氧化处理提供参考。
附图说明
图1本发明装置结构示意图；
图2实施例3不同亚硫酸镁浓度对反应速率响应关系图；
图中，1.水泵，2.三通阀门Ⅱ，3.液体流量计，4.压力表，5.液体喷头，6.自动排气阀，7.喷淋反应器，8.喷气头，9.气体流量计，10.气泵，11.含氧气源，12.PLC控制器，13.三通阀门Ⅰ，14.第一管路，15.第二管路，16.第三管路，17.第四管路。
图3不同浓度亚硫酸镁喷淋氧化速率曲线：(a)低浓度亚硫酸镁，(b)高浓度亚硫酸镁，k为曲线斜率。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
一种湿式镁法烟气脱硫副产物氧化装置，包括喷淋反应器7，水泵1，气泵10，所述喷淋反应器上部设有液体喷头5，下部设有喷气头8，述喷淋反应器底部与脱硫废水池以第一管路14连通，脱硫废水池与水泵以第二管路15连通，第一管路与第二管路连接处以三通阀Ⅰ13连接，水泵与液体喷头以第三管路16连通，气泵与喷气头以第四管路17连通。
使用时，切换三通阀Ⅰ连通方向，使脱硫废水池与水泵连通，脱硫废水池中含亚硫酸镁的废水经耐腐蚀水泵抽入液体喷头，经液体喷头雾化成小液滴，进入喷淋反应器中，同时，空气经气泵泵入喷气头，进入喷淋反应器，小液滴中的亚硫酸镁与空气发生氧化反应，生成硫酸镁，切换三通阀Ⅰ连通方向使喷淋反应器底部与水泵连通，喷淋反应器中反应液经水泵循环进入喷淋反应器中继续反应，直至亚硫酸镁氧化率≥85％。
实施例2
为更高效的处理湿式镁法烟气脱硫副产物，本发明湿式镁法烟气脱硫副产物氧化装置设置PLC控制器12，以自动控制整个反应过程，装置具体包括喷淋反应器7，水泵1，气泵10，喷淋反应器上部设有液体喷头5，下部设有喷气头8，喷气头的数量为6-10个，喷气头与竖直方向之间倾角为30-60°，并按顺时针方向呈椭圆形排列，液体喷头的喷嘴类型为陶瓷螺旋喷嘴，喷淋反应器的高径比1:1.6，喷淋反应器上部设有自动排气阀6，喷淋反应器底部与脱硫废水池以第一管路14连通，脱硫废水池与水泵以第二管路15连通，水泵与液体喷头以第三管路16连通，气泵与喷气头以第四管路17连通；氧化装置在第三管路上设置液体流量计3、压力表4，在第四管路上设有气体流量计9；液体流量计、压力表和气体流量计，可以随时监控进入喷淋反应器内的液体及气体流量，氧化装置在第三管路上设有三通阀门Ⅰ，在第一管路设有三通阀门Ⅱ2，PLC控制器连接三通阀门Ⅰ、三通阀门Ⅱ、水泵、气泵、液体流量计、压力表和/或气体流量计；PLC控制器实时监测压力和流量进而控制水泵进水流量、压力和气泵进气流量；依据亚硫酸镁氧化率，自动控制三通阀Ⅰ的连通方向。
一种湿式镁法烟气脱硫副产物高效氧化方法，将WM-FGD废水经耐腐蚀的水泵抽入液体喷头，通过检测液体流量计和压力表，PLC控制器控制水泵转速进而控制进水压力在0.2MPa，则经液体喷头雾化成液滴，液滴粒径控制在50-500μm，液滴停留时间10-20s，进入喷淋反应器中，同时，空气经气泵泵入喷气头，进入喷淋反应器，同样通过检测气体流量，PLC控制器控制气泵进而控制进气量，使液气比为1L:6m3，液滴中的亚硫酸镁与空气发生氧化反应，生成硫酸镁，PLC控制器控制三通阀方向，使喷淋反应器底部与水泵连通，反应液水泵循环进入喷淋反应器中继续循环反应；当喷淋反应器内液面高于喷气头位置时，切换三通阀Ⅰ方向使脱硫废水池与水泵连通，向喷淋反应器内通入废液；当亚硫酸镁氧化率≥85％时，切换三通阀Ⅱ至废水出口，将液体输送至外部单元，等待后续处理；再切换三通阀Ⅰ使脱硫废水池与水泵连通，重新抽入废液至喷淋反应器中反应。在整个反应过程中使用PLC控制器自动控制，通过PLC控制器实时监控进水流量、压力和气泵进气流量，随时控制流量和压力在所需范围，根据亚硫酸镁氧化率控制三通阀Ⅰ和三通阀门Ⅱ的连通方向，从而控制废液流通方向。
喷淋反应器的高径比和液滴的停留时间可采用CFD仿真设计优化喷淋反应器的结构，喷气头的位置及角度可采用CFD仿真计算设计，以增加气液接触时间。
实施例3
验证本发明装置和方法的实际应用效果。
配制初始浓度为4.8，9.6，14.4，96，192，288mmol L-1的亚硫酸镁溶液，分别进行喷淋氧化实验。同时控制溶液pH保持在7.5，温度为25℃。喷淋流量控制为10L/min，对应液滴平均粒径为200μm。
每隔3min测定喷淋溶液中硫酸根含量，进而得到平均反应速率。将不同浓度及平均反应速率取对数，得到反应速率(k)与亚硫酸镁浓度(CMgSO3)关系图2。由图2可知，反应速率对亚硫酸镁浓度呈1.5级响应，而现有普通曝气装置的响应级数小于1。当亚硫酸镁浓度为288mmol L-1，氧化反应速率高达39.5mmol L-1s-1，明显高于现有普通曝气装置的氧化反应速率。
另外，将上述不同实验条件下亚硫酸镁反应速率随时间变化曲线(见图3)输入PLC控制器，即可实现实时计算亚硫酸镁氧化效率。当氧化效率大于85％时，废水排出喷淋反应器，进而达到自动控制反应时间的效果。
对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种湿式镁法烟气脱硫副产物氧化装置，其特征在于，所述装置包括喷淋反应器(7)，水泵(1)，气泵(10)，所述喷淋反应器上部设有液体喷头(5)，下部设有喷气头(8)，所述喷淋反应器底部与脱硫废水池以第一管路(14)连通，脱硫废水池与水泵(1)以第二管路(15)连通，第一管路(14)与第二管路(15)连接处以三通阀Ⅰ(13)连接，水泵(1)与液体喷头以第三管路(16)连通，气泵(10)与喷气头(8)以第四管路(17)连通。
2.根据权利要求1所述的一种湿式镁法烟气脱硫副产物氧化装置，其特征在于，所述喷淋反应器(7)的高径比1:1.5-1.8；所述液体喷头(5)的喷嘴类型为陶瓷螺旋喷嘴；所述喷气头(8)的数量为6-10个，喷气头(8)与竖直方向之间倾角为30-60°，并按顺时针方向呈椭圆形排列。
3.根据权利要求1所述的一种湿式镁法烟气脱硫副产物氧化装置，其特征在于，所述氧化装置在第三管路(16)上设置液体流量计(3)、压力表(4)，在第四管路上设有气体流量计(9)。
4.根据权利要求1或3所述的一种湿式镁法烟气脱硫副产物氧化装置，其特征在于，所述氧化装置在第三管路上(16)设有三通阀门Ⅱ(2)。
5.根据权利要求1～4任一项所述的一种湿式镁法烟气脱硫副产物氧化装置，其特征在于，所述氧化装置的喷淋反应器上部设有自动排气阀(6)。
6.根据权利要求1～5任一项所述湿式镁法烟气脱硫副产物氧化装置，其特征在于，所述氧化装置还包括PLC控制器(12)，PLC控制器连接三通阀门Ⅱ(2)、三通阀门Ⅰ(13)、水泵(1)、气泵(10)、液体流量计(3)、压力表(4)和/或气体流量计(9)；实时监测压力和流量以控制水泵进水流量、压力和气泵进气流量。
7.一种湿式镁法烟气脱硫副产物氧化方法，其特征在于，所述方法以液相进入气相的方式反应，液相以微米级液滴进入分散的气相充分反应，将含有亚硫酸镁的液体氧化成含硫酸镁的液体。
8.根据权利要求7所述的氧化方法，其特征在于，所述方法使用权利要求1～8任一项所述氧化装置进行氧化反应，将脱硫废液中的亚硫酸镁氧化成硫酸镁；切换三通阀Ⅰ(13)方向，使脱硫废水池与水泵连通，WM-FGD废水经水泵抽入液体喷头，经液体喷头雾化成液滴进入喷淋反应器中，同时，含氧气体经气泵泵入喷气头进入喷淋反应器，液滴中的亚硫酸镁与氧气发生氧化反应，生成硫酸镁，切换三通阀Ⅰ(13)方向，使喷淋反应器底部与水泵连通，反应液循环进入喷淋反应器中继续反应。
9.根据权利要求8所述的氧化方法，其特征在于，所述方法反应装置运行过程中，使用PLC控制器自动控制，通过PLC实时监测液体流量、压力和气体流量，控制水泵进水流量、压力和气泵进气流量，当硫酸镁氧化率≤85％时，控制三通阀Ⅰ(13)方向，使喷淋反应器底部与水泵连通，继续循环反应，当硫酸镁氧化率≥85％时，使用PLC自动控制三通阀Ⅱ(2)连通方向，喷淋反应器内反应液经三通阀Ⅰ、水泵、三通阀Ⅱ排出，不再进入喷淋反应器内反应。
10.根据权利要求8或9所述的氧化方法，其特征在于，进水压力为0.1-0.25MPa，液滴粒径为50-500μm，液滴在喷淋反应器内停留时间在15-20s，喷淋反应器中的液气比(L/m3)为1:5-8。
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