CN113307352A - 一种强化含硫废水氧化的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种强化含硫废水氧化的装置及方法，所述废水氧化装置包括氧化反应器，所述氧化反应器内底端设有气液喷射单元，所述气液喷射单元包括一级或若干级分布管，所述分布管包括液相环形分布管、气相环形分布管和若干个气液混合喷嘴，用于在反应器底部产生微小气泡群，增加气液的传质面积；所述气液喷射单元上方设置底端设有筛网的导流筒，提高气泡分布的均匀性，且导流筒内外形成密度差，形成围绕导流筒的局部液体循环，增加混合液的湍流程度，增强传质推动力，从而解决现有技术中氧利用率低、传质不足、能耗高等问题。

Description

一种强化含硫废水氧化的装置及方法
技术领域
本发明属于含硫废水处理技术领域，具体涉及一种强化含硫废水氧化的装置及方法。
背景技术
为提高石油资源利用率，催化裂化(FCC)是炼油厂不可或缺的二次加工手段，是重油轻质化，获取轻质燃料油的主要生产装置。但其生产过程中原料中的部分硫、氮转化为SOX、NOX等有害物质，随FCC再生烟气排入大气造成环境污染，这已成为炼油厂主要的污染源之一。FCC再生烟气中，主要污染物有SOX、NOX和颗粒物等，据统计，催化裂化过程中再生烟气SOX和NOX的排放分别占大气中总排放的6％-7％和10％，烟气中的颗粒物、SOX、NOX等污染因子是引发雾霾、酸雨、破坏臭氧层、造成大气污染，损害人类健康等环境问题的关键诱因。
烟气脱硫技术(FGD)是工业上普遍应用的SOX控制技术的重要手段，而烟气湿法洗涤脱硫除尘技术是目前应用最广的一种技术，可概括为两方面：一是尘粒与水接触时直接被水捕获：二是尘粒在水的作用下凝聚性增加。湿法烟气脱硫技术中，产生的烟气脱硫废水是主要的排放污染物，目前烟气脱硫脱硝配套的废水处理设施一般是通过混凝、沉淀、过滤等去除悬浮物(SS)，再通过空气氧化将还原性盐类造成的COD去除。
由于目前处理废水的氧化罐通常采用传统鼓泡加搅拌的方式，向罐体内鼓入空气，气泡过大且聚并明显，导致气泡上浮速度快，氧利用率低且传质效率低，进而导致氧化罐尺寸大，能耗增大，造成系统复杂等问题。且现有废水处理单元维护量大，故障率高造成维护成本高，难以保证长周期运行。为此，亟需对现有氧化罐的鼓气方式进行优化改造，减小气泡尺寸，在保证罐内湍动程度的前提下提升传质效率，简化流程，保障工艺长期稳定运行。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提供了一种强化含硫废水氧化的装置及方法，在反应器底部产生微小气泡，增加气液相传质面积；在顶部设置导流筒，增加混合液的湍流程度，解决现有技术中氧利用率低、传质不足和能耗高等问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种强化含硫废水氧化的装置，所述废水氧化装置包括氧化反应器和用于输送废水和空气的增压泵、压缩机，其中：
所述氧化反应器的下端设有液相进口和气相进口，上端设有液相出口，所述液相进口、气相进口分别与所述增压泵、压缩机通过管道连通；
所述氧化反应器内底端设有气液喷射单元，所述气液喷射单元包括一级或若干级分布管，所述分布管包括液相环形分布管和气相环形分布管，所述液相环形分布管和气相环形分布管分别与所述液相进口和气相进口连通；所述液相环形分布管和气相环形分布管上分别设有若干个一一对应的出液口和出气口，且所述一一对应的出液口和出气口间分别通过若干个气液混合喷嘴连通；
所述气液喷射单元上方设置一导流筒，所述导流筒通过固定连接于所述氧化反应器内壁上的固定支架安装于所述氧化反应器内，且所述导流筒的底端设置第一筛网。
本发明进一步设置为，所述液相环形分布管和气相环形分布管以所述氧化反应器的中心轴同心分布，所述气相环形分布管位于所述液相环形分布管上方，且直径小于液相环形分布管的直径。
本发明进一步设置为，所述液相环形分布管和气相环形分布管的距离为50-80cm。
本发明进一步设置为，所述气液混合喷嘴沿所述分布管周向中心对称分布。
本发明进一步设置为，所述液相环形分布管的出液口与所述出液口所在的液相环形分布管的截面圆心的连线与对应的气液混合喷嘴的壁面相切，使得液相环形分布管中的废液从出液口切向进入气液混合喷嘴，形成旋流。
本发明进一步设置为，所述分布管的级数大于1时，所述分布管沿所述氧化反应器的径向从外圈至中心依次分布，所述分布管的级数优选为2级或3级。
本发明进一步设置为，所述气液混合喷嘴的轴线与所述氧化反应器的轴向的夹角为0°-45°。
本发明进一步设置为，所述气液混合喷嘴的轴线与所述氧化反应器轴向的夹角从外圈向中心逐渐减小。
本发明进一步设置为，所述导流筒包括从上而下连接且截面形状为圆形的等截面筒段和渐缩筒段，所述等截面筒段与渐缩筒段的连接处设有第二筛网。
本发明进一步设置为，所述等截面筒段的直径为60-100cm，所述渐缩筒段的锥角为30°-45°。
本发明进一步设置为，所述第一筛网和第二筛网由金属丝交叉编织而成，所述金属丝的编织角度为20°-40°；所述第一筛网的筛孔尺寸根据氧化反应器中的最大气泡尺寸而确定：
反应器内最大气泡直径为0.2-1.5mm时，所述筛孔的面积为5-6mm2；
反应器内最大气泡直径为1.5-2mm时，所述筛孔的面积为4-5mm2；
反应器内最大气泡直径为2-4mm时，所述筛孔的面积为3-4mm2。
本发明还提供了一种利用所述含硫废水氧化的装置强化含硫废水氧化的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)待处理的含硫废水与空气分别由所述增压泵和压缩机提供动力，从所述液相进口和气相进口通入所述氧化反应器中的液相分布环管和气相分布环管中；
(2)含硫废水在液相环形分布管内分布均匀后从出液口切向进入气液混合喷嘴内形成旋流，空气在气相环形分布管内分布均匀后从出气口进入气液混合喷嘴内被旋流剪切破碎为小气泡，形成混合液从气液混合喷嘴喷出；
(3)所述混合液沿着所述氧化反应器的内壁向上运动，所述导流筒内外形成密度差，混合液自导流筒的顶部向筒内流入并在导流筒内向下流动，从所述第一筛网流出至导流筒外部，形成局部液体环流。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明在所述氧化反应器内的底部设置气液喷射单元，通过分布管的液相环形分布管、气相环形分布管及气液混合喷嘴用以产生带有微小气泡群的气液混合液，增大气液传质面积，且大大提高了气泡在所述氧化反应器中分布的均匀度。
(2)本发明在所述氧化反应器内设置底部带有筛网的导流筒，使得气泡趋向于边壁运动，减少向中心聚集的趋势，提高气泡分布的均匀性。同时，导流筒内的气含率相对于导流筒外较低，在气泡群浮力的作用下，液体向筒内流动，形成局部液体循环。一方面液体湍动程度增加，可以增加气泡表面液膜的更新速率，进而提高传质推动力，提高气液传质系数；另一方面，部分液体在导流筒内循环，增加了液体停留时间，提升了氧化效果。
附图说明
图1为本发明所涉及的强化含硫废水氧化的装置的示意图；
图2为本发明所涉及的气液喷射单元的俯视图；
图3为本发明所涉及的气液混合喷嘴的安装角度示意图；
图4为本发明所涉及的导流筒的结构示意图；
图5为本发明所涉及的导流筒的筛网编织方式的示意图；
图6为本发明所涉及的导流筒的筛网编织角度的示意图；
图7为实施例2中第一级分布管中气液混合喷嘴的安装角度示意图；
图8为实施例2中第二级分布管中气液混合喷嘴的安装角度示意图；
图9为实施例2中第三级分布管中气液混合喷嘴的安装角度示意图。
具体实施方式
本发明旨在提高含硫废水氧化过程中的气液传质系数，强化废水处理效果。空气鼓入氧化装置时的气泡较小，此时气液传质的主导因素为气液传质面积。装置中气泡越小时，比表面积越大，气液传质面积越大，气液两相的传质效果越好，因此本发明设置气液喷射单元用以产生带有较小气泡的气液混合液，相比于传统鼓泡的气泡尺寸有数量级的减小，显著提高空气鼓入时的气液传质系数。
随着气泡的上升，气泡直径逐渐增加，传质的主导因素转换为传质推动力。根据前期研究表明，在湍动鼓泡流状态下，气泡在浮升过程中有向装置中心区域聚集的趋势，使得气含率分布呈中心大、边壁小的类似抛物线分布，液体或浆料在气泡群的驱动下也形成中心向上运动，近壁向下运动的大尺度循环流动。在装置的充分发展段中，气含率与轴向速度沿径向的类似抛物线分布是流动的基本特征，并且这种分布不随轴向位置变化，是一种稳定的一维分布。因此本发明在所述气液喷射单元上方设置导流筒并在导流筒底部设置筛网，使得气泡趋向于边壁运动，减少向中心聚集的趋势，提高气泡分布的均匀性。同时，导流筒内的气含率相对于导流筒外较低，在气泡群浮力的作用下，液体向筒内流动，形成局部液体循环。
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。应理解，以下实施例仅用于对本发明作进一步说明，不应理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员根据本发明的内容作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例1
图1显示了本发明的一种强化含硫废水氧化的装置的示意图。由图1所示，所述废水氧化装置包括氧化反应器1和用于输送废水和空气的增压泵2、压缩机3，其中：
所述氧化反应器1的下端设有液相进口4和气相进口5，上端设有液相出口6，所述液相进口4、气相进口5分别与所述增压泵2、压缩机3通过管道连通，经过混凝处理后的上清液含硫废水与空气分别由所述增压泵2和压缩机3提供动力，从所述液相进口4和气相进口5通入所述氧化反应器1，经氧化反应器1氧化处理后的废水经由所述液相出口6排出；
所述氧化反应器1内底端设有气液喷射单元7，结合图2所示，所述气液喷射单元7包括一级或若干级用于均布气液相的分布管8，所述每一级的分布管8包括液相环形分布管81和气相环形分布管82，所述液相环形分布管81和气相环形分布管82分别与所述液相进口4和气相进口5连通；所述液相环形分布管81和气相环形分布管82上分别设有若干个一一对应的出液口83和出气口84，且所述一一对应的出液口83和出气口84间分别通过若干个气液混合喷嘴85连通，使得含硫废水经液相进口4进入液相环形分布管81内分布均匀并通过出液口83进入气液混合喷嘴85内形成旋流，空气经气相进口5进入气相环形分布管82内分布均匀并通过出气口84通入气液混合喷嘴85内，被旋流剪切破碎为小气泡，气液混合后从气液混合喷嘴85喷出向上运动；
所述气液喷射单元7上方设置一导流筒9，所述导流筒9通过固定连接于所述氧化反应器1的内壁上的固定支架11安装于所述氧化反应器1内，且所述导流筒9的底端设置第一筛网10，使得所述向上运动的混合液向所述氧化反应器1的内壁靠近，沿所述导流筒9外侧向上运动，由于导流筒9内气泡较少，筒内外形成密度差，混合液自导流筒9的顶部向筒内流入并向下流动，从所述第一筛网10流出至导流筒9外部，形成局部液体环流。所述局部液体环流增加了部分液体的在反应器中的停留时间，所述停留时间为未设置所述导流筒9的1.5-2倍。
进一步的，所述液相环形分布管81和气相环形分布管82以所述氧化反应器1的中心轴同心分布，所述气相环形分布管82位于所述液相环形分布管81上方，且直径小于液相环形分布管81的直径。为了提高气泡在液相中轴向分布的均匀性，所述液相环形分布管81和气相环形分布管82需保持一定的环隙距离，所述液相环形分布管81和气相环形分布管82的距离优选为50-80cm。
进一步的，所述气液混合喷嘴85沿所述分布管8周向对称分布，有利于提高气泡在氧化反应器1中分布的均匀性，提高传质效率。
进一步的，所述液相环形分布管81的出液口83与所述出液口83所在的液相环形分布管81的截面的圆心的连线与对应的气液混合喷嘴85的壁面相切，使得液相环形分布管81中的废液从出液口83切向进入气液混合喷嘴85，形成旋流。
进一步的，所述气相环形分布管82的出气口84与所述出气口84所在的气相环形分布管82的截面的圆心的连线同样与对应的气液混合喷嘴85的壁面相切，使得气相环形分布管82中的空气从出气口84切向进入气液混合喷嘴85中。
进一步的，当所述气液喷射单元7的分布管8的级数大于1时，所述每级分布管8沿所述氧化反应器1的径向依次分布，且从外圈至中心依次命名为第一级分布管、第二级分布管至第若干级分布管。
进一步的，所述气液喷射单元7的分布管8的级数为1级至6级，优选为2级或3级。
优选的，所述氧化反应器1的直径为2.5m时，所述第一级分布管的液相环形分布管81的直径为1.9m，所述第二级分布管的液相环形分布管81的直径为1.3m，所述第三级分布管的液相环形分布管81的直径为0.7m；所述氧化反应器1的直径为3m时，所述第一级分布管的液相环形分布管81的直径为2.3m，所述第二级分布管的液相环形分布管81的直径为1.5m，所述第三级分布管的液相环形分布管81的直径为0.8m。
进一步的，如图3所示，所述气液混合喷嘴85的轴线与所述氧化反应器1的轴向的夹角α为0°-45°。
进一步的，所述气液混合喷嘴85的轴线与所述氧化反应器1轴向的夹角从外圈向中心逐渐减小，即所述气液混合喷嘴85沿所述氧化反应器1的径向从外圈到中心越来越陡，可以进一步提高气泡在液体中的充盈度，减小死区。
进一步的，如图4所示，所述导流筒9包括从上而下连接且截面形状为圆形的等截面筒段91和渐缩筒段92，所述等截面筒段91的直径优选为60-100cm，所述渐缩筒段92的锥角θ优选为30°-45°，使得所述导流筒9内的液速高于筒外，达到更优的液体循环效果。
进一步的，等截面筒段91与渐缩筒段92的连接处设有第二筛网12，所述第一筛网10和第二筛网12可阻止部分大气泡进入导流筒9内，甚至使其破碎，形成导流筒9内外的密度差。
进一步的，如图5和图6所示，所述第一筛网10和第二筛网12由金属丝13交叉编织而成，为达到良好的循环效果，同时避免造成过大的压力损失，所述金属丝13的编织角度β为20°-40°。且所述第一筛网10的筛孔尺寸根据氧化反应器1中的最大气泡尺寸而定，当反应器内最大气泡直径为0.2-1.5mm时，所述筛孔面积为5-6mm2；当反应器内最大气泡直径为1.5-2mm时，所述筛孔面积为4-5mm2；当反应器内最大气泡直径为2-4mm时，所述筛孔面积为3-4mm2。
进一步的，根据所述氧化反应器1内的液位高度不同，所述导流筒9的长度不同，其中：当氧化反应器1内的液位高度为2-4m时，所述等截面筒段91的长度为1-2m，所述渐缩筒段92的长度为0.2-0.6m；当氧化反应器1内的液位高度为4-6m时，所述等截面筒段91的长度为2-3m，所述渐缩筒段92的长度为0.6-0.9m。
实施例2
某石化厂针对催化裂化烟气采用湿法脱硫方法处理得到含硫废水，下表为所述含硫废水的组成变化情况及采用实施例1所述的强化含硫废水氧化的装置处理所述含硫废水的设计工况。
Figure BDA0003104060050000071
Figure BDA0003104060050000081
根据所述含硫废水的组成，设计4个实施例1所述的氧化反应器串联运行，设计处理量为20m3/h，每个氧化反应器的进风量为540m3/h。
所述每个氧化反应器内气液喷射单元的分布管的级数为三级，所述每级分布管的气液混合喷嘴的数量从中心轴向外侧依次为8、12、16。如图7-9所示，所述气液混合喷嘴轴线与反应器轴向的角度α由外圈向中心依次为45°，35°，30°。
所述每个气液混合喷嘴中液体的进料流量为0.55m3/h，液体进料的线速度为1.5m/s，气体的进料流量为15m3/h。氧化反应器内的表观气速小于0.07m/s，存在直径在0.2-2.5mm左右的微细气泡群，所述第一筛网的筛孔面积为4mm2，所述第二筛网的筛孔面积为5mm2，金属丝的编织角度为30°。
通过传统的鼓泡氧化反应器处理所述含硫废水时，单个反应器的进气量为1800m3/h，气液比为90：1，而通过上述设计处理所述含硫废水时，单个反应器的进气量降低为540m3/h，气液比为27：1，大大提高了氧气的利用率，鼓风机和泵等动设备的总运行费用可降低60％。每个反应器中COD的去除率可达75％以上，四价硫离子的去除率达80％以上，总体出水COD可低至30mg/L。
实施例3
某炼油厂生产得到的含硫废水，其COD可达4860mg/L。针对所述炼油厂含硫废水，设计2个实施例1所述的氧化反应器串联运行，设计处理量为34m3/h，每个氧化反应器的进风量为620m3/h，氧化反应器内的反应温度为50℃。
所述每个氧化反应器内气液喷射单元的分布管的级数为三级，所述每级分布管的气液混合喷嘴的数量从中心轴向外侧依次为8、10、14，且所述气液混合喷嘴轴线与反应器轴向的角度由外圈向中心依次为45°，35°，35°。
所述每个气液混合喷嘴中液体的进料流量为1.06m3/h，液体进料的线速度为2m/s，气体的进料流量为19.3m3/h。氧化反应器内的表观气速小于0.1m/s，存在直径在0.8-3.5mm左右的微细气泡群，所述第一筛网的筛孔面积为4mm2，所述第二筛网的筛孔面积为5mm2。金属丝的编织角度为25°。
通过上述设计处理所述含硫废水时，每个反应器中COD的去除率可达70％以上，四价硫离子的去除率达72％以上，鼓风机和泵等动设备的总运行费用与传统的鼓泡氧化反应器处理相比可降低50％，总体出水COD可低至300mg/L。
实施例4
某制药厂生产得到的含硫废水，其COD可达3450mg/L。针对所述制药厂含硫废水，设计2个实施例1所述的氧化反应器串联运行，设计处理量为8.5m3/h，每个氧化反应器的进风量为170m3/h，氧化反应器内的反应温度为40℃。
所述每个氧化反应器内气液喷射单元的分布管的级数为两级，所述每级分布管的气液混合喷嘴的数量从中心轴向外侧依次为8、12，且所述气液混合喷嘴轴线与反应器轴向的角度由外圈向中心依次为45°、30°。
所述每个气液混合喷嘴中液体的进料流量为0.425m3/h，液体进料的线速度为1.2m/s，气体的进料流量为8m3/h。氧化反应器内的表观气速小于0.05m/s，存在直径在1-1.5mm左右的微细气泡群，所述第一筛网的筛孔面积为5mm2，所述第二筛网的筛孔面积为6mm2。金属丝的编织角度为35°。
通过上述设计处理所述含硫废水时，每个反应器中COD的去除率可达80％以上，四价硫离子的去除率达85％以上，鼓风机和泵等动设备的总运行费用与传统的鼓泡氧化反应器处理相比可降低65％，总体出水COD可低至140mg/L。

Claims (13)

1.一种强化含硫废水氧化的装置，其特征在于，所述废水氧化装置包括氧化反应器和用于输送废水和空气的增压泵、压缩机，其中：
所述氧化反应器的下端设有液相进口和气相进口，上端设有液相出口，所述液相进口、气相进口分别与所述增压泵、压缩机通过管道连通；
所述氧化反应器内底端设有气液喷射单元，所述气液喷射单元包括一级或若干级分布管，所述分布管包括液相环形分布管和气相环形分布管，所述液相环形分布管和气相环形分布管分别与所述液相进口和气相进口连通；所述液相环形分布管和气相环形分布管上分别设有若干个一一对应的出液口和出气口，且所述一一对应的出液口和出气口间分别通过若干个气液混合喷嘴连通；
所述气液喷射单元上方设置一导流筒，所述导流筒通过固定连接于所述氧化反应器内壁上的固定支架安装于所述氧化反应器内，且所述导流筒的底端设置第一筛网。
2.根据权利要求1所述的废水氧化装置，其特征在于，所述液相环形分布管和气相环形分布管以所述氧化反应器的中心轴同心分布，所述气相环形分布管位于所述液相环形分布管上方，且直径小于液相环形分布管的直径。
3.根据权利要求1所述的废水氧化装置，其特征在于，所述液相环形分布管和气相环形分布管的距离为50-80cm。
4.根据权利要求1所述的废水氧化装置，其特征在于，所述气液混合喷嘴沿所述分布管周向中心对称分布。
5.根据权利要求1所述的废水氧化装置，其特征在于，所述液相环形分布管的出液口与所述出液口所在的液相环形分布管的截面圆心的连线与对应的气液混合喷嘴的壁面相切，使得液相环形分布管中的废液从出液口切向进入气液混合喷嘴，形成旋流。
6.根据权利要求1所述的废水氧化装置，其特征在于，所述分布管的级数大于1时，所述分布管沿所述氧化反应器的径向从外圈至中心依次分布。
7.根据权利要求6所述的废水氧化装置，其特征在于，所述分布管的级数为2级或3级。
8.根据权利要求1所述的废水氧化装置，其特征在于，所述气液混合喷嘴的轴线与所述氧化反应器的轴向的夹角为0°-45°。
9.根据权利要求6所述的废水氧化装置，其特征在于，所述气液混合喷嘴的轴线与所述氧化反应器轴向的夹角从外圈向中心逐渐减小。
10.根据权利要求1所述的废水氧化装置，其特征在于，所述导流筒包括从上而下连接且截面形状为圆形的等截面筒段和渐缩筒段，所述等截面筒段与渐缩筒段的连接处设有第二筛网。
11.根据权利要求10所述的废水氧化装置，其特征在于，所述等截面筒段的直径为60-100cm，所述渐缩筒段的锥角为30°-45°。
12.根据权利要求10所述的废水氧化装置，其特征在于，所述第一筛网和第二筛网由金属丝交叉编织而成，所述金属丝的编织角度为20°-40°；所述第一筛网的筛孔尺寸根据氧化反应器中的最大气泡尺寸而确定：
反应器内最大气泡直径为0.2-1.5mm时，所述筛孔的面积为5-6mm2；
反应器内最大气泡直径为1.5-2mm时，所述筛孔的面积为4-5mm2；
反应器内最大气泡直径为2-4mm时，所述筛孔的面积为3-4mm2。
13.一种利用权利要求1-12中任一废水氧化装置强化含硫废水氧化的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)待处理的含硫废水与空气分别由所述增压泵和压缩机提供动力，从所述液相进口和气相进口通入所述氧化反应器中的液相分布环管和气相分布环管中；
(2)含硫废水在液相环形分布管内分布均匀后从出液口切向进入气液混合喷嘴内形成旋流，空气在气相环形分布管内分布均匀后从出气口进入气液混合喷嘴内被旋流剪切破碎为小气泡，形成混合液从气液混合喷嘴喷出；
(3)所述混合液沿着所述氧化反应器的内壁向上运动，所述导流筒内外形成密度差，混合液自导流筒的顶部向筒内流入并在导流筒内向下流动，从所述第一筛网流出至导流筒外部，形成局部液体环流。
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