CN110981011A - 一种超重力高盐水脱碳与酸回收系统及使用方法 - Google Patents

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宋伟
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朱稳樑
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Abstract

一种超重力高盐水脱碳与酸回收系统及使用方法，包括超重力脱碳系统、超重力挥发性酸回收系统以及酸加药系统；其中，超重力脱碳系统的气体出口与室外大气相连，超重力脱碳系统的液体出口与超重力挥发性酸回收系统的液体入口相连；超重力脱碳挥发系统的气体出口与酸加药系统的气体入口相连，酸加药系统的出口与超重力脱碳系统的液体入口连接，待脱碳原液经过超重力脱碳系统脱碳后，进入超重力挥发性酸回收系统。本发明采用超重力脱碳系统脱除高浓盐水中的碳酸根\碳酸氢根离子以及挥发性酸回收，该系统具有造价低、操作弹性大、占地面积小特点，适合矿井水和煤化工废水气等的脱碳和挥发性酸回收的工艺过程。

Description

一种超重力高盐水脱碳与酸回收系统及使用方法
技术领域
本发明涉及脱碳和挥发性酸回收技术领域，更具体的，涉及一种超重力高盐水脱碳与酸回收系统及使用方法。
背景技术
矿井水和煤化工废水近零排放蒸发结晶工艺过程大体可以分为4个单元步骤：以去除悬浮物为目的的净化处理，出水满足排放和一般回用要求(不限制TDS)；以部分脱盐回用为目的的深度处理，产品水TDS质量浓度≤1000mg/L，可以作为生活用水和要求较高的工业用水；以减量为目的的浓缩处理，浓缩后的高浓盐水TDS≥60000mg/L，满足蒸发结晶的经济性要求，产品水TDS质量浓度通常≤1000mg/L；以溶解性总固体固化为目的的蒸发结晶处理。
经过浓缩后的高浓盐水中会含有大量的碳酸根\碳酸氢根离子，水中的碳酸根\碳酸氢根离子会使得蒸发结晶工艺单元产生大量泡沫，影响蒸发结晶冷凝水品质和降低再生蒸汽的焓值，增大蒸发结晶整体工艺运行成本，因此在近零排放蒸发结晶工艺前需要将水中的碳酸根\碳酸氢根离子降至1mol/L以下。
目前脱碳主要技术有石灰脱碳和加酸解吸脱碳两种主流工艺。其中，石灰脱碳法原理为将水中调节pH至11.5以上，使水中碳酸根\碳酸氢根离子主要以CO3 2形式存在，之后在反应池加入石灰乳、混凝剂和絮凝剂，使Ca2+和CO3 2-反应生成CaCO3，最后在沉淀池将CaCO3沉淀，CaCO3固体送至污泥装置脱水处理。该方法能够有效将水中的CO3 2-降到1mol/L以下。但是石灰脱碳法在实际工程中需要加入过量的石灰乳，导致了水中有Ca2+残留，为后续蒸发结晶设备结垢带来了风险。加酸解吸脱碳原理为在首先将水中的pH调节至4以下，使得碱度主要以CO2形式存在，在脱碳塔内通过吹风解吸，将水中的CO2带离气-水二元体系，从而达到脱碳降碱度的目的。在矿井水和煤化工废水近零排放蒸发结晶工艺中为保障后续结晶设备稳定运行，需要调节进水pH至10。因此，加酸解吸脱碳法需要首先将pH调节至4以下进行脱盐，随后要将pH调节至10，满足进入蒸发结晶设备的要求，这一过程消耗了大量的酸、碱药剂，运行成本高。此外，加酸解吸脱碳法还存在设备尺寸大和停留时间长的问题。脱碳塔和土建水池联建时，由于设备尺寸大，从而导致增大了建筑的工程量；待脱碳水在设备中停留时间长，从而导致了部分解吸出来的CO2不能及时的脱离气-水二元体系，重新溶于水中，导致脱碳效果不理想。根据实际工程运行经验，原水中加酸调节pH到4，进入脱碳塔，经过处理后，脱碳率约为70％。
因此，针对经过多倍浓缩后的高浓盐水脱碳，需要寻求一种新的化工过程强化技术，并开发高效、深度、低成本的脱碳工艺。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种超重力高盐水脱碳与酸回收系统，以有效解决高盐水脱碳和酸回收流程中脱碳设备尺寸大、效率低的问题、酸、碱加药量大的问题。提高加酸解吸脱碳的效率，提酸的利用率，降低酸、碱投加量，提高CO2解吸效率，进而实现高盐水碳酸根\碳酸氢根离子高效、低成本的脱除。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种超重力高盐水脱碳与酸回收系统，包括超重力脱碳系统、超重力挥发性酸回收系统以及酸加药系统；其中，超重力脱碳系统的气体出口与室外大气相连，超重力脱碳系统的液体出口与超重力挥发性酸回收系统的液体入口相连；超重力脱碳挥发系统的气体出口与酸加药系统的气体入口相连，酸加药系统的出口与超重力脱碳系统的液体入口连接，待脱碳原液经过超重力脱碳系统脱碳后，进入超重力挥发性酸回收系统。
本发明进一步的改进在于，超重力脱碳系统包括进料泵、超重力脱碳设备、鼓风机与酸加药泵；其中，进料泵与鼓风机均与超重力脱碳设备相连；酸加药系统经酸加药泵与超重力脱碳设备相连。
本发明进一步的改进在于，酸加药系统与酸加药泵之间设置有过滤器，酸加药泵与超重力脱碳设备之间设置有脉冲阻尼器。
本发明进一步的改进在于，超重力挥发性酸回收系统包括超重力挥发性酸回收设备与真空泵，超重力挥发性酸回收设备通过真空泵与酸加药系统相连；超重力挥发性酸回收设备与超重力脱碳设备相连。
本发明进一步的改进在于，酸加药系统包括液位计、pH计与计量箱，其中，pH计与液位计均设置在计量箱上；计量箱与超重力脱碳设备相连。
本发明进一步的改进在于，酸加药系统还包括与计量箱相连的酸雾吸收装置。
本发明进一步的改进在于，计量箱内存储有挥发性酸溶液。
本发明进一步的改进在于，挥发性酸溶液为硝酸、盐酸或醋酸。
一种基于上述系统的使用方法为：待脱碳原液通过超重力脱碳设备液体入口进入超重力脱碳设备，酸加药系统中的挥发性酸溶液通过超重力脱碳设备液体入口进入超重力脱碳设备；解吸气通过超重力脱碳设备的气体入口进入超重力脱碳设备；进入超重力脱碳设备中的待脱碳原液、挥发性酸溶液、解吸气进行混合，从而达到脱碳的效果；脱碳后携带大量可挥发性酸，pH较低的液体通过超重力脱碳设备液体出口进入超重力挥发性酸回收设备的液体进口，超重力挥发性酸回收设备在真空泵的作用下保持真空环境，挥发性酸在超重力挥发性酸回收设备中脱离液体，达到挥发性酸和液体分离效果；挥发性酸送至酸加药系统。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
本发明利用超重力技术在超重力脱碳系统中，将待脱碳原液中的碳酸根\碳酸氢根转化为CO2，并通过解吸气快速带离超重力脱碳设备，防止解吸出来的CO2重新溶于水中，达到更为彻底的脱碳目的。
本发明采用超重力挥发性酸回收系统在真空环境下将高浓盐水中挥发性酸回收并重复利用，产水pH呈弱酸性，减少后续调节pH至中性或碱性的加药量，该系统具有造价低、操作弹性大、占地面积小特点，适合矿井水和煤化工废水气等的脱碳和挥发性酸回收的工艺过程。
本发明中通过设置酸加药系统，能够将超重力挥发性酸回收系统中的挥发性酸重新制备呈加药所学的酸剂。该系统具有挥发性酸重复使用、酸剂补充量少特点。
本发明采用超重力脱碳系统和超重力挥发性酸回收系统将液体切割成细小的夜滴、液膜和液丝，增大液体的比表面积，强化气液两相传质、气液混合、脱碳过程和挥发性酸脱离液体过程，能够强化脱碳效率，减少药剂使用量，缩小脱碳设备尺寸。
进一步的，通过过滤器过滤挥发性酸溶液中混有的悬浮固形物。
进一步的，通过脉冲阻尼器减振消能。
进一步的，根据液位计显示液位高低，通过补充挥发性酸液。根据pH计显示pH值高低，通过脱碳水入口补充稀释挥发性酸溶液的脱碳水。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中，1为进料泵，2为压力表，3为流量计，4为超重力脱碳设备，5为鼓风机，6为超重力挥发性酸回收设备，7为真空泵，8为液位计，9为pH计，10为计量箱，11为酸雾吸收装置，13为过滤器，14为酸加药泵，15为脉冲阻尼器，16为压力表，17为流量计。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
一种超重力高盐水脱碳与酸回收系统，该工艺装置包括超重力脱碳系统、超重力挥发性酸回收系统以及酸加药系统；超重力脱碳系统的气体出口与室外大气相连，超重力脱碳系统的液体出口与超重力挥发性酸回收系统的液体入口相连；超重力脱碳挥发系统的气体出口与酸加药系统的气体入口相连，酸加药系统的出口与超重力脱碳系统的液体入口连接，超重力挥发性酸回收系统的液体出口将产品液体送出系统。待脱碳原液经过超重力脱碳系统脱碳后，进入超重力挥发性酸回收系统将挥发性酸回收，脱碳后的液体由超重力挥发性酸回收系统的液体出口排出。
超重力脱碳系统包括进料泵1、超重力脱碳设备4、鼓风机5、过滤器13、酸加药泵14与脉冲阻尼器15；其中，超重力脱碳设备4上开设有液体入口、气体出口及气体入口、气体出口，其中，液体入口有两个，一个为待脱碳原液液体入口，一个为酸加药液体入口；
酸加药液体入口前设有调节阀、过滤器13、酸加药泵、脉冲阻尼器15、压力表16和转子流量计17，挥发性酸在酸加药泵14作用下经由超重力脱碳设备4脱酸加药液体入口进入超重力脱碳设备4；
待脱碳原液液体入口前设有进料泵1、压力表2、流量计3，待脱碳原液在进料泵1作用下经由超重力脱碳设备4待脱碳原液液体入口进入超重力脱碳设备4。
超重力液体出口连接超重力挥发性酸回收系统，脱碳后液体进入超重力挥发性酸回收系统。
气体出口由管道连至大气，携带CO2的解吸气通过超重力脱碳系统的气体出口引至室外；
具体的，进料泵1、鼓风机5、酸加药泵14均与超重力脱碳设备4相连，并且，进料泵1与超重力脱碳设备4设置有压力表2和流量计3。
进料泵1用于将待脱碳原液送入超重力脱碳设备4。
鼓风机5用于将解吸气送入超重力脱碳设备4的气体入口。
酸加药泵14用于将挥发性酸溶液送入超重力脱碳设备4。
超重力脱碳设备4用于混合待脱碳原液、挥发性酸溶液和解吸气，将待脱碳原液中的碳酸根\碳酸氢根转化为CO2，并通过解吸气带离超重力脱碳设备4，达到脱碳目的，超重力脱碳设备4将液体切割成细小的夜滴、液膜和液丝，增大液体的比表面积，强化气液两相传质、气液混合以及脱碳过程，强化挥发性酸脱离液体，能够强化脱碳流程，缩小脱碳设备尺寸。
过滤器13用于过滤挥发性酸溶液中混有的悬浮固形物。
脉冲阻尼器15用于减振消能。
具体的，超重力脱碳设备4包括密闭的壳体，在密闭的壳体中设有由转子和填料组成的转动部件，在壳体及上盖上开有2个液体入口、液体出口及气体入口、气体出口；液体入口设置有延伸到转子中心空腔中的液体分布器；转动部件中的填料可为但不局限于金属丝网填料、聚四氟填料、陶瓷填料、结构化填料或规整填料。
超重力挥发性酸回收系统包括超重力挥发性酸回收设备6与真空泵7，超重力挥发性酸回收设备6的气体出口通过真空泵7与酸加药系统相连；超重力挥发性酸回收设备6中的气体和挥发的酸气在真空环境下，易于脱离液体，通过超重力挥发性酸回收系统的气体出口后，进入真空泵7。
真空泵7用于保证超重力挥发性酸回收设备6内真空环境，使挥发性气体在压力作用下通过超重力挥发性酸回收设备6气体出口离开超重力挥发性酸回收设备6。
超重力挥发性酸回收设备6用于增大进液的比表面积，有利于挥发性酸挥发出来。
酸加药系统包括液位计8、pH计9、计量箱10与酸雾吸收装置11，酸雾吸收装置11、pH计9与液位计8均设置在计量箱10上；计量箱10与超重力脱碳设备4相连，并且计量箱10与超重力脱碳设备4之间设置有过滤器13、酸加药泵14、脉冲阻尼器15、压力表16和流量计17。
液位计8用于显示计量箱内液位高度，根据液位计显示液位高低，控制挥发性酸溶液补充量。
pH计9用于显示计量箱10内pH值，根据pH计显示pH值高低，通过脱碳水入口补充稀释挥发性酸溶液的脱碳水。
计量箱10上设有气体入口、挥发性酸液入口与脱盐水入口，气体入口将超重力挥发性酸回收设备的挥发性酸通入计量箱10。
计量箱10用于储存挥发性酸溶液；本发明中挥发性酸溶液优先选自硝酸、盐酸或醋酸；
酸雾吸收装置11上开设有碱液入口，碱液入口将吸收酸雾的碱液送至酸雾吸收系统，酸雾吸收装置11用于计量箱中吸收挥发出来的酸气；
本发明超重力脱碳系统和超重力挥发性酸回收系统的超重力机的重力加速度优先为0-1000g。
如图1所示，本装置的使用方法为：待脱碳原液在进料泵1的作用下，通过超重力脱碳设备4液体入口进入超重力脱碳设备4，待脱碳原液进料管线上设置压力表2和流量计3来检测进料压力和流量；计量箱10中的挥发性酸溶液在酸加药泵14作用下，通过超重力脱碳设备4液体入口进入超重力脱碳设备4，挥发性酸溶液进料管线上设置过滤器13来过滤溶液中的悬浮固形物，震荡阻尼器15用于管道液体减震消能；鼓风机5产生的解吸气通过超重力脱碳设备4的气体入口进入超重力脱碳设备4；进入超重力脱碳设备4中的待脱碳原液、挥发性酸溶液、解吸气充分混合，从而达到脱碳的效果；脱碳后携带大量可挥发性酸，pH较低的液体通过超重力脱碳设备4液体出口流出后，进入超重力挥发性酸回收设备6的液体进口，超重力挥发性酸回收设备6在真空泵7的作用下保持真空环境，大量的挥发性酸在超重力挥发性酸回收设备6中脱离液体，挥发出来，达到挥发性酸和液体分离效果，脱碳、脱挥发性酸的液体通过超重力挥发性酸回收设备6的液体出口离开装置系统；挥发性酸送至计量箱10，挥发性酸与水结合形成酸溶液，计量箱10上设置液位计8和pH计9，液位计8用来显示和控制计量箱10内挥发性酸溶液液位，pH计9用于显示和控制计量箱10内挥发性酸溶液pH值，计量箱10内少量挥发出来的挥发性酸通过酸雾吸收设备11吸收。
下面为具体实施例。
实施例1
高浓盐水水量50m3/h，碳酸根\碳酸氢根离子含量1500mg/L，解吸气气量100m3/h，温度常温，压力常压，将高浓盐水通入、酸溶液和解吸气通入超重力脱碳设备4中，超重力脱碳设备4的超重力水平均为300g，对液体出口产水进行检测，此时碳酸根\碳酸氢根离子浓度为182mg/L，解吸率约为87.9％，pH为4.6，再将脱碳后的液体通入超重力挥发性酸回收设备6，超重力挥发性酸回收设备6的超重力水平均为400g，超重力挥发性酸回收设备6内真空度0.6Mpa，对液体出口产水进行检测，此时碳酸根\碳酸氢根离子浓度为63mg/L，解吸率约为95.8％，pH为5.8，挥发性酸得到回收，后续调节碱性所需碱液加药量减少。
实施例2
高浓盐水水量50m3/h，碳酸根\碳酸氢根离子含量1500mg/L，解吸气气量100m3/h，温度常温，压力常压，将高浓盐水通入、酸溶液和解吸气通入超重力脱碳设备4中，超重力脱碳设备4的超重力水平均为500g，对液体出口产水进行检测，此时碳酸根\碳酸氢根离子浓度为113mg/L，解吸率约为92.5％，pH为4.7，再将脱碳后的液体通入超重力挥发性酸回收设备6，超重力挥发性酸回收设备6的超重力水平均为400g，超重力挥发性酸回收设备6内真空度0.6Mpa，对液体出口产水进行检测，此时碳酸根\碳酸氢根离子浓度为58mg/L，解吸率约为96.1％，pH为5.8，挥发性酸得到回收，后续调节碱性所需碱液加药量减少。
实施例3
高浓盐水水量100m3/h，碳酸根\碳酸氢根离子含量1500mg/L，解吸气气量100m3/h，温度常温，压力常压，将高浓盐水通入、酸溶液和解吸气通入超重力脱碳设备4中，超重力脱碳设备4的超重力水平均为300g，对液体出口产水进行检测，此时碳酸根\碳酸氢根离子浓度为156mg/L，解吸率约为89.6％，pH为4.3，再将脱碳后的液体通入超重力挥发性酸回收设备6，超重力挥发性酸回收设备6的超重力水平均为400g，超重力挥发性酸回收设备6内真空度0.6Mpa，对液体出口产水进行检测，此时碳酸根\碳酸氢根离子浓度为77mg/L，解吸率约为94.9％，pH为5.7，挥发性酸得到回收，后续调节碱性所需碱液加药量减少。
实施例4
高浓盐水水量50m3/h，碳酸根\碳酸氢根离子含量1500mg/L，解吸气气量100m3/h，温度常温，压力常压，将高浓盐水通入、酸溶液和解吸气通入超重力脱碳设备4中，超重力脱碳设备4的超重力水平均为300g，对液体出口产水进行检测，此时碳酸根\碳酸氢根离子浓度为179mg/L，解吸率约为88.1％，pH为4.6，再将脱碳后的液体通入超重力挥发性酸回收设备6，超重力挥发性酸回收设备6的超重力水平均为600g，超重力挥发性酸回收设备6内真空度0.6Mpa，对液体出口产水进行检测，此时碳酸根\碳酸氢根离子浓度为32mg/L，解吸率约为97.9％，pH为6.3，挥发性酸得到回收，后续调节碱性所需碱液加药量减少。
实施例5
高浓盐水水量50m3/h，碳酸根\碳酸氢根离子含量1500mg/L，解吸气气量100m3/h，温度常温，压力常压，将高浓盐水通入、酸溶液和解吸气通入超重力脱碳设备4中，超重力脱碳设备4的超重力水平均为300g，对液体出口产水进行检测，此时碳酸根\碳酸氢根离子浓度为183mg/L，解吸率约为87.8％，pH为4.6，再将脱碳后的液体通入超重力挥发性酸回收设备6，超重力挥发性酸回收设备6的超重力水平均为400g，超重力挥发性酸回收设备6内真空度0.8Mpa，对液体出口产水进行检测，此时碳酸根\碳酸氢根离子浓度为44mg/L，解吸率约为97.1％，pH为6.1，挥发性酸得到回收，后续调节碱性所需碱液加药量减少。
超重力技术是一项强化传质、混合和化学反应的新技术，该技术利用超重力旋转床内部转子旋转产生的离心力模拟超重力环境来强化传递和反应过程，大幅度地提高传递与反应过程的效率，超重力旋转床装置主要包括密闭的壳体，内有一个旋转的转子，转子上有环形填料层，不同的流体从壳体相应的入口流入旋转床，在旋转的填料层中的离心力场下(即超重力环境)进行传质过程，传质速率比传统的各反应器中提高1～3个数量级。对旋转床强化传质过程原理的一般认识是：流体在离心力场环境下被撕裂成细小的液滴、液丝或液膜，产生大量的快速更新的表面积，大大强化传质和混合过程。
本发明利用超重力技术在超重力脱碳设备4中，将待脱碳原液中的碳酸根\碳酸氢根转化为CO2，并通过解吸气带离超重力脱碳设备4，达到脱碳目的。
本发明利用超重力技术和真空环境在超重力挥发性酸回收设备6中，将挥发性酸带离出液体，并在真空的作用下离开超重力挥发性酸回收设备6，进入酸加药计量箱10，达到挥发性酸回收目的。
本发明采用超重力脱碳设备4将液体切割成细小的夜滴、液膜和液丝，增大液体的比表面积，强化气液两相传质、气液混合以及脱碳过程，强化挥发性酸脱离液体，能够强化脱碳流程，缩小脱碳设备尺寸。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种超重力高盐水脱碳与酸回收系统，其特征在于，包括超重力脱碳系统、超重力挥发性酸回收系统以及酸加药系统；其中，超重力脱碳系统的气体出口与室外大气相连，超重力脱碳系统的液体出口与超重力挥发性酸回收系统的液体入口相连；超重力脱碳挥发系统的气体出口与酸加药系统的气体入口相连，酸加药系统的出口与超重力脱碳系统的液体入口连接，待脱碳原液经过超重力脱碳系统脱碳后，进入超重力挥发性酸回收系统。
2.根据权利要求1所述的一种超重力高盐水脱碳与酸回收系统，其特征在于，超重力脱碳系统包括进料泵(1)、超重力脱碳设备(4)、鼓风机(5)与酸加药泵(14)；其中，进料泵(1)与鼓风机(5)均与超重力脱碳设备(4)相连；酸加药系统经酸加药泵(14)与超重力脱碳设备(4)相连。
3.根据权利要求2所述的一种超重力高盐水脱碳与酸回收系统，其特征在于，酸加药系统与酸加药泵(14)之间设置有过滤器(13)，酸加药泵(14)与超重力脱碳设备(4)之间设置有脉冲阻尼器(15)。
4.根据权利要求2所述的一种超重力高盐水脱碳与酸回收系统，其特征在于，超重力挥发性酸回收系统包括超重力挥发性酸回收设备(6)与真空泵(7)，超重力挥发性酸回收设备(6)通过真空泵(7)与酸加药系统相连；超重力挥发性酸回收设备(6)与超重力脱碳设备(4)相连。
5.根据权利要求1所述的一种超重力高盐水脱碳与酸回收系统，其特征在于，酸加药系统包括液位计(8)、pH计(9)与计量箱(10)，其中，pH计(9)与液位计(8)均设置在计量箱(10)上；计量箱(10)与超重力脱碳设备(4)相连。
6.根据权利要求5所述的一种超重力高盐水脱碳与酸回收系统，其特征在于，酸加药系统还包括与计量箱(10)相连的酸雾吸收装置(11)。
7.根据权利要求1所述的一种超重力高盐水脱碳与酸回收系统，其特征在于，计量箱(10)内存储有挥发性酸溶液。
8.根据权利要求7所述的一种超重力高盐水脱碳与酸回收系统，其特征在于，挥发性酸溶液为硝酸、盐酸或醋酸。
9.一种基于权利要求4所述的系统的使用方法为：待脱碳原液通过超重力脱碳设备(4)液体入口进入超重力脱碳设备(4)，酸加药系统中的挥发性酸溶液通过超重力脱碳设备(4)液体入口进入超重力脱碳设备(4)；解吸气通过超重力脱碳设备(4)的气体入口进入超重力脱碳设备(4)；进入超重力脱碳设备(4)中的待脱碳原液、挥发性酸溶液、解吸气进行混合，从而达到脱碳的效果；脱碳后携带大量可挥发性酸，pH较低的液体通过超重力脱碳设备(4)液体出口进入超重力挥发性酸回收设备(6)的液体进口，超重力挥发性酸回收设备(6)在真空泵(7)的作用下保持真空环境，挥发性酸在超重力挥发性酸回收设备(6)中脱离液体，达到挥发性酸和液体分离效果；挥发性酸送至酸加药系统。
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