CN113117458A - 从含HCl和CO2等混合气体中选择性脱除HCl的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及从含HCl和CO2等混合气体中选择性脱除HCl的装置，包括气体流量计、超重力设备、气体浓度检测装置、吸收剂储罐、液体泵及液体流量计等。本发明另一方面涉及从含HCl和CO2等混合气体中选择性脱除HCl的方法。本发明利用超重力设备强化气液传质的特征，提高了对混合气体中HCl的吸收率。同时凭借物料在超重力设备内停留时间短的特点，利用HCl和CO2的溶解度以及与碱液等吸收剂反应动力学的差异进行选择性吸收HCl，大大降低了其他不必要去除的气体的吸收率，极大地节省了吸收剂成本。而且设备的尺寸大幅减小，降低了设备的投资成本，拓展了超重力技术的应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及从含HCl和CO2等混合气体中选择性脱除HCl的装置及方法，特别是利用超重力技术从含HCl和CO2等混合气体中选择性脱除HCl的装置及方法。
背景技术
在湿法冶金、氯碱工业、燃烧含氯物质(垃圾焚烧、生物质燃烧、煤炭燃烧)等过程中，均会产生一定量的HCl气体，它的存在不但会严重威胁人的生命安全，还会造成后续设备和管路腐蚀以及危害环境等，所以无论是后续工艺的要求还是尾气排放环保标准的要求，HCl都是必须要去除的气体。
目前常见的HCl气体的处理技术包括干法和湿法，其中干法吸收剂再生和更换程序繁琐，需要长时间停工；而湿法由于其去除效率高，便于连续操作，是目前工业处理含HCl尾气最广泛使用的方法。其中湿法中最常见的是水吸收法和碱液吸收法，常见的尾气处理工艺为水和碱液两级吸收。
在实际处理过程中，含有HCl的气体中往往含有大量CO2等气体，其中CO2等气体除非后续工艺的需要一般不必去除。然而在碱液去除尾气中的HCl时，为了保证吸收剂的容量，一般采用高浓度碱液进行循环吸收，但是使用传统塔设备吸收HCl时，尾气在塔设备内的停留时间过长，其中的CO2会与碱液反应造成碱液的消耗，增加不必要的成本。因此从含CO2混合气体中选择性脱除HCl可以节省HCl去除工艺中的碱液消耗量。
为了满足HCl的排放浓度要求并降低碱耗，可以有两个手段：一是碱液吸收尾气中的HCl时，HCl与NaOH等碱液是瞬时反应。与HCl相比，CO2与NaOH等碱液的反应速率小几个数量级，且HCl在水中具有较高的溶解度，于是可以利用HCl和CO2的溶解度以及与碱液反应动力学的差异进行选择性吸收，重点在于减小气液接触时间以降低反应速率较慢的反应发生的几率。二是增强传质，使得HCl气体在碳酸氢钠，甚至水溶液中的吸收也能满足排放要求，这样可以利用NaOH吸收CO2生成的碳酸根和碳酸氢根继续与HCl反应，使得CO2的碱耗接近为零。
而强化传质与停留时间短，即气液接触时间短正是超重力设备的特点。超重力技术是一种过程强化技术，通过利用特定设备(旋转填充床、定-转子反应器和折流旋转床等)旋转产生的离心力形成一种模拟的超重力环境。物料在该环境下处于高分散、强湍动的状态，从而使气液传质过程得以高度强化。超重力设备具有以下特点：设备尺寸与质量大幅缩小，分子混合与传递过程高度强化，物料在设备内的停留时间极短等，因此已被广泛应用于污染气体与废水的治理，纳微材料的制备等领域。因此利用超重力技术可以从含HCl和CO2等混合气体中选择性吸收HCl。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超重力设备用于气体吸收的装置及方法：通过强化气体与液体的传质，可以显著提高HCl的吸收效果，而且可以达到选择性吸收HCl的目的。
本发明一方面涉及到含HCl和CO2气体的前处理工艺：在超重力设备里，以水为吸收剂，吸收混合气体中的少量HCl，避免HCl流入后续工艺造成不利影响，同时尽量避免对后续工艺需要的CO2等其他气体的吸收。
本发明另一方面涉及到含HCl和CO2等混合气体的处理工艺：在超重力设备里，以碱液、有机胺或者水为吸收剂，循环吸收HCl使其排放达标的同时，降低气体中CO2的吸收率，使吸收剂的消耗量降低。
进一步的，该方法包括：所述含HCl和CO2的混合气体从气体进口进入超重力设备，吸收剂从液体入口进入超重力设备；在超重力设备的内部，气体中的HCl被吸收剂吸收，吸收HCl后的液体从液体出口离开超重力设备，处理后的气体则从气体出口离开超重力设备。气相与液相在超重力设备的接触方式可以为逆流接触、错流接触或并流接触。
作为较为优选的方案之一，吸收剂采用纯水，碱液(包括NaOH、Na2CO3、NaHCO3、KOH、K2CO3、KHCO3、Ca(OH)2溶液)，有机胺等溶液的一种或多种。
作为较为优选的方案之一，输入超重力设备的气体与液体的体积流量比为1～1000：1。
进一步优选的，输入超重力设备的气体与液体的体积流量比为1～400：1。
作为较为优选的方案之一，超重力设备的超重力水平为10-1000g(g为地球重力加速度，g＝9.8m/s2)。
进一步优选的，超重力设备的超重力水平为40-400g(g为地球重力加速度，g＝9.8m/s2)。
作为较为优选的方案之一，根据具体工艺不同，吸收剂可以循环使用或者非循环一次性使用。
作为较为优选的方案之一，所用的超重力设备为任何通过旋转产生离心力形成模拟的超重力环境的设备。
进一步优选的，所用的超重力设备采用旋转填充床、定-转子反应器、折流旋转床等。
任何同时包含HCl和CO2等气体的气源都可以按照本发明方法进行处理。气源对本发明来说不是关键的，包括例如废物焚化炉的焚烧，煤气化，煤炭、垃圾衍生燃料、生物质燃料的燃烧，湿法冶金，氯碱工业等。典型地，这些气流中同时包含HCl和CO2等气体，其中HCl的含量一般在几十甚至到几千mg/m3，CO2的含量一般在1％～50％(mol)。
本发明的技术效果在于：
1)本发明将强化气液传质的技术(超重力技术)及设备与HCl的吸收结合起来，在超重力设备内形成超重力环境，其中气相为连续相，液相为分散相，最终提高了吸收剂对HCl的吸收率，进而达到其出口HCl浓度低于《危险废物焚烧污染控制标准》(GB 18484-2020)的日均值50mg/m3，甚至低于《烧碱、聚氯乙烯工业水污染物排放标准》(GB 15581-2016)排放限值20mg/m3。
2)当采用高浓度碱液循环吸收HCl时，可利用超重力设备极大强化传质的特点，将循环终点pH控制在7左右，使得HCl气体在碳酸氢钠，甚至水溶液中的吸收也满足排放要求，这样可以利用NaOH吸收CO2生成的碳酸根和碳酸氢根继续与HCl反应，将前期吸收的CO2重新释放至气相中，使得CO2的碱耗接近为零，从而使碱耗显著降低。
3)当采用高浓度碱液循环吸收HCl时，对于一些HCl排放浓度要求较高的场所，不得不提高循环终点pH时，超重力技术也可凭借停留时间短的特点，利用HCl和CO2的溶解度以及与碱液反应动力学的差异对HCl进行选择性吸收，最终也可以达到大幅降低碱液消耗的目的。
4)在HCl含量较高或者排放要求较高时，还可以继续增大超重力水平以控制尾气中的HCl达标排放，操作弹性大，调控方便。
5)超重力设备相比传统设备的尺寸大幅减小，可以降低设备的投资成本。
附图说明
附图为本发明的超重力设备中选择性吸收含HCl和CO2气体的工艺流程图。其中，1为含HCl和CO2的混合气，2为气体流量计，3为超重力设备，4为气体浓度检测装置，5、6为吸收剂储罐，7为液体泵，8为液体流量计，9为后续气体管路。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方案进行进一步说明，但不以任何方式限制本发明。
超重力设备中选择性吸收HCl的工艺流程参见附图所示。HCl和CO2混合气体经过流量计2后从气体进口进入反应器3，吸收剂经过泵7与流量计8后从液体入口进入超重力设备。吸收HCl后的吸收剂离开超重力设备，可根据具体工艺要求选择进入循环罐6后继续返回超重力设备3吸收HCl，或者排至富液罐5待处理。处理后的气体经过气体出口进入后续气体管路。气体浓度检测装置4用于实时监测HCl浓度。若HCl浓度超出排放标准，可通过增加超重力设备的转速提高超重力水平、增加吸收剂用量等方式将HCl浓度控制在排放标准以下。
下面结合具体的实施例进行说明。
实施例1
采用旋转填充床(北京化工大学自制)，吸收HCl与空气混合气(HCl浓度为770mg/m3)，调节其超重力水平为133g。将HCl混合气和纯水溶液分别从气体入口和液体入口送进旋转填充床中，吸收剂一次性通过反应器。气体流量为400L/h，液体流量为4.5L/h。旋转填充床气体出口HCl的浓度为28mg/m3，HCl吸收率为96.4％。
实施例2
采用旋转填充床，吸收HCl、CO2与空气混合气(HCl浓度为866mg/m3、CO2浓度为14％)，调节其超重力水平为164g。将HCl、CO2混合气和pH＝10.88的Na2CO3-NaHCO3溶液分别从气体入口和液体入口送进旋转填充床中，吸收剂一次性通过反应器。气体流量为430L/h，液体流量为2L/h。旋转填充床气体出口HCl的浓度为23mg/m3，HCl吸收率为97.3％，CO2吸收率为零。
实施例3
采用定-转子反应器(北京化工大学自制)，吸收HCl、CO2与空气混合气(HCl浓度为1000mg/m3、CO2浓度为12％)，调节其超重力水平为41g。将HCl、CO2混合气和pH＝11的NaOH溶液分别从气体入口和液体入口送进定-转子反应器中，吸收剂一次性通过反应器。气体流量为400L/h，液体流量为3.5L/h。定-转子反应器气体出口HCl的浓度为50mg/m3，HCl吸收率为95％，CO2吸收率为零。
实施例4
采用定-转子反应器，吸收HCl、CO2和空气混合气(HCl浓度为1183mg/m3、CO2浓度为12％)，调节其超重力水平为133g。采用1L 6％的NaOH溶液为吸收剂吸收混合气，吸收剂通过反应器后继续循环，流量为3.5L/h，气体流量为950L/h。反应进行到400min，循环液pH由14.4降至9.3。期间定-转子反应器气体出口HCl的浓度低于34mg/m3，HCl总吸收率为97.1％，CO2总吸收率仅为2.7％。
在应用碱液循环吸收HCl尾气时，H2O作为吸收剂的实施例可认为是碱液循环吸收的终点，在此之前的超重力设备出口HCl浓度不会高于该实施例中的出口HCl浓度。可以看到，在适宜的操作条件下，本发明处理的HCl排放浓度能满足GB 18484-2020的日均值小于50mg/m3的要求。同时，pH＝7作为循环终点可以使得吸收进碱液的CO2再次被释放，从而避免了传统塔设备传质效率低、循环终点pH较高，导致大量碳酸盐、碳酸氢盐依然存在于循环液中就被弃用、碱耗高的缺点。同时，如实施例4所示，如果循环处理尾气时排放要求苛刻，即便循环终点pH较高，使碱液中的CO2未被释放，超重力设备也可凭借其物料停留时间短的特点，利用HCl和CO2的溶解度以及与碱液反应动力学的差异对HCl进行选择性吸收，使得碱液吸收混合气时吸收的CO2达到最少化，极大节省了碱耗。本发明过程简单，操作弹性大，且核心设备占地少、体积小，可以节省投资和运行成本。
本领域技术人员应理解，以上实施例仅是示例性实施例，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行多种变化、替换和改变。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内。
Claims (6)
1.一种从含HCl和CO2等混合气体中选择性脱除HCl的装置，其特征在于包括：气体流量计(2)，超重力设备(3)，气体浓度检测装置(4)，吸收剂储罐(5)、(6)，液体泵(7)，液体流量计(8)等。
2.一种使用权利要求1所述的从含HCl和CO2等混合气体中选择性脱除HCl的方法，其特征在于包括：所述含HCl的混合气体从气体入口进入超重力设备，吸收剂从液体入口进入超重力设备；在超重力设备的内部，气体中的HCl被吸收剂吸收，吸收HCl后的液体从液体出口离开超重力设备，处理后的气体则从气体出口离开超重力设备；
气相与液相在超重力设备的接触方式可以为逆流接触、错流接触或并流接触；
超重力设备的超重力水平为10-1000g(g为地球重力加速度，g＝9.8m/s2)；
气体与液体的体积流量比为1～1000：1。
3.根据权利要求1所述的从含HCl和CO2等混合气体中选择性脱除HCl的装置，其特征在于：所用的超重力设备为通过旋转产生离心力形成模拟的超重力环境的设备，包括但不限于旋转填充床、定-转子反应器和折流旋转床等。
4.根据权利要求2所述的从含HCl和CO2等混合气体中选择性脱除HCl的方法，其特征在于：吸收剂包括但不限于纯水，碱液(包括NaOH、Na2CO3、NaHCO3、KOH、K2CO3、KHCO3、Ca(OH)2溶液)，有机胺等溶液的一种或多种。
5.根据权利要求2所述的从含HCl和CO2等混合气体中选择性脱除HCl的方法，其特征在于：除HCl外，混合气体包括但不限于CO2等其他气体。
6.根据权利要求2所述的从含HCl和CO2等混合气体中选择性脱除HCl的方法，其特征在于：利用超重力设备强化气液传质的特征提高HCl的吸收效率，以满足尾气HCl排放浓度的要求。同时，利用HCl和CO2等其他气体的溶解度以及与碱液等吸收剂反应动力学的差异，以及超重力设备内物料停留时间短的特点可以选择性吸收HCl，即降低CO2等其他气体的吸收率，从而减少吸收剂的消耗量。
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Denomination of invention: Device and method for selective removal of HCl from mixed gases containing HCl and CO2 Effective date of registration: 20231201 Granted publication date: 20230407 Pledgee: Binzhou Bincheng Branch of China Construction Bank Co.,Ltd. Pledgor: BEFAR GROUP Co.,Ltd. Registration number: Y2023980069001 |
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Date of cancellation: 20231204 Granted publication date: 20230407 Pledgee: Binzhou Bincheng Branch of China Construction Bank Co.,Ltd. Pledgor: BEFAR GROUP Co.,Ltd. Registration number: Y2023980069001 |