CN114950106A - 基于尾气污染物吸收脱除处理低浓度氮氧化物装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微流体技术领域，具体涉及一种基于尾气污染物吸收脱除处理低浓度氮氧化物装置及方法。本发明针对王水溶解贵金属产生的氮氧化物气体，采用微流体溶液处理，氧化还原效率高，且反应时间大大缩短，并且采用微反应器中的微通道内形成泰勒气泡进行快速传质，可避免难以达到气液吸收平衡等问题，由于微反应器的微通道的物理尺寸缩小到微米甚至纳米级别，使得流体物理量如温度、压力、浓度、和密度等的梯度急速增加，导致传热传质推动力的大大增加，可使传热系数提高一个数量级而传质时间降低了一个数量级，通过反应速度的提高，反应设备以及反应体系可大大缩减，使得反应过程的安全性大大提高，用地投资大大节约，消耗材料大大减少。
Description
技术领域
本发明属于微流体技术领域，具体涉及一种基于尾气污染物吸收脱除处理低浓度氮氧化物装置及方法。
背景技术
近年来，雾霾天气频繁袭扰已经成为制约经济发展、城市建设与生态文明建设的重要因素。基于此，不遗余力得开展创新研究，开发出高效、绿色的处理低浓度 SOx和 NOx烟气的新工艺、设备和技术，防治雾霾，从根本上缓解当前的大气污染，已经成为经济社会跨越式发展的迫切需求。
雾霾是一种复杂的大气污染形式，主要由氧硫化物、氮氧化物和可吸入颗粒物（PM2.5 ）这三项组成，它们与雾气结合在一起，不仅造成大气混浊视野模糊，而且可通过呼吸系统进入人体，严重损害肺部和心脑血管系统，进而引发各种疾病。表 1 是国家统计局关于近年来我国和 NOx排放量的统计数据。
表 1 近年来我国 SO2和 NOx排放量
| 指标 | 2014年 | 2015年 | 2016年 | 2017年 |
| SO<sub>2</sub>排放量（万t） | 1974.00 | 1859.12 | 1102.86 | 875.40 |
| NO<sub>X</sub>排放量（万t） | 2078.00 | 1851.02 | 1394.31 | 1258.83 |
从表 1 中可以看出，近年来我国 SO2减排工作行之有效，与 2014 年相比，到2017 年其减排率达到 55.65%；而NOx减排率却仍然较低，与 2014 年相比，到 2017 年其减排率仅为 39.42%，大量吸收处理工业生产过程产生的NOx是解决环境污染乃至雾霾问题的关键。
目前，各大钢铁厂、有色金属冶炼厂、火电厂和化工厂等释放的大量尾气是NOx的重要来源。
湿法烟气脱硝技术是在湿法脱硫技术的基础上，将某种添加剂加入溶液中，使NOx被溶液吸收。但传统湿法烟气脱硝技术中，传统塔式装备中气液接触时间短、传质距离长，难以达到气液吸收平衡；而且气液接触表面更新不够，脱除效率低，脱除率在50~80%左右，需要三级脱除甚至多级脱除，并且气液之间由于存在压力差易形成短路，以及设备庞大，投资大，运行成本高。
因此，常规湿法处理烟气的工艺和塔式装备这些局限性亟待解决，而高效、密闭的气液反应设备的开发是解决这一问题的关键所在，即针对以上技术问题缺陷，急需设计和开发一种基于尾气污染物吸收脱除处理低浓度氮氧化物装置及方法。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种基于尾气污染物吸收脱除处理低浓度氮氧化物装置；
本发明的第二目的在于提供一种基于尾气污染物吸收脱除处理低浓度氮氧化物方法；
本发明的第一目的是这样实现的：所述装置包括第一反应釜，所述第一反应釜的一端设置有酸溶液进液口和酸溶液出液口；所述第一反应釜的另一端通过微反应器和第二反应釜连接；
所述微反应器和所述第二反应釜还设置有吸收液循环泵；所述第二反应釜的一端分别设置有吸收液出液口、吸收液出料口和尾气出口；所述第二反应釜的另一端设置有吸收液进料口。
本发明的第二目的是这样实现的：所述方法具体包括如下步骤：
（1）将含有还原剂、酸碱度调节剂和氧化剂的体系溶液作为吸收液；
（2）开启吸收液的循环泵，待吸收液进入微反应器后，再开启进气端的阀门，氮氧化物气体进入微反应器；
（3）两相流至微反应器出口，回收至吸收液池中并对气液分离收集，氮氧化物气体被还原成氮气，而吸收液留在池中循环使用。
本发明通过所述的装置以及相应的处理方法，针对王水溶解贵金属产生的氮氧化物气体，采用微流体溶液处理，氧化还原效率高，且反应时间大大缩短，并且采用微反应器中的微通道内形成泰勒气泡进行快速传质，可避免难以达到气液吸收平衡等问题，采用气液两相在微流体条件下进行反应，可大大增加气液表面更新，尾气进入微反应器后，与溶液混合，气体被微反应器筛板切割成无数个细小气泡，均匀地进入微通道，自下而上，可以使之气体和液体在微通道内充分反应。
而且使得氮氧化物气体被快速高效吸收，反应可以在较高温度下进行，温度升高会影响气体变为活化分子，进而增加了活化分子的百分数，使得单位时间内分子分子在微通道内的有效碰撞次数明显增加，同时温度升高可以影响溶质的溶解度和水解速率，促进了溶液处理废气的效果，吸收效率非常优越。
此外，在保证在封闭的体系中进行，条件可控性强，安全性高，避免了短路和泄露的危险，本发明方案采用一种新的处理液，使用尿素铁肥取代常规湿法脱硝常使用的尿素，尿素铁肥中的金属阳离子Fe2+在溶液中形成等结合形成络合物，然后此络合物与NO发生快速络合反应，增大NO在液相中的溶解度，而达到脱除氮氧化物的目的的新方法。
附图说明
图1为本发明一种基于尾气污染物吸收脱除处理低浓度氮氧化物装置及方法架构示意图；
图2为本发明基于尾气污染物吸收脱除处理低浓度氮氧化物方法流程示意图；
附图说明：
1-反应釜；101-第一反应釜；102-第二反应釜；2-阀门；201-第一阀门；202-第二阀门；203-第三阀门；204-第四阀门；205-第五阀门；206-第六阀门；3-酸溶液进液口；4-氮氧化物进气口；5-微反应器；6-吸收液出液口；7-吸收液循环泵；8-吸收液进料口；9-吸收液出料口；10-尾气出口；11-管道；1101-第一管道；1102-第二管道；1103-第三管道；1104-第四管道；12-酸溶液出液口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，以便所属领域技术人员详细了解本发明，但不以任何方式对本发明加以限制。依据本发明的技术启示所做的任何变换或改进均属于本发明的保护范围。
以下结合附图对本发明作进一步阐述。
如图1-2所示，本发明提供了一种基于尾气污染物吸收脱除处理低浓度氮氧化物装置，所述装置包括第一反应釜101，所述第一反应釜101的一端设置有酸溶液进液口3和酸溶液出液口12；所述第一反应釜101的另一端通过微反应器5和第二反应釜102连接；
所述微反应器5和所述第二反应釜102还设置有吸收液循环泵7；所述第二反应釜102的一端分别设置有吸收液出液口6、吸收液出料口9和尾气出口10；所述第二反应釜102的另一端设置有吸收液进料口8。
所述微反应器5与所述第一反应釜101之间通过设置的第一管道1101连接；
所述吸收液循环泵7与所述第二反应釜102之间通过设置的第二管道1102连接；
所述微反应器5与所述第二反应釜102上所述吸收液出液口6通过设置的第三管道1103连接；
所述尾气出口10处设置连接有第四管道1104。
所述酸溶液进液口3处设置有第一阀门201；所述酸溶液出液口12处设置有第二阀门202；所述第一管道1101靠近所述第一反应釜101侧设置有第三阀门203；所述第一管道1101靠近所述微反应器5侧设置有第四阀门204；
所述吸收液进料口8处设置有第五阀门205；所述吸收液出料口9处设置第六阀门206。
所述吸收液循环泵7靠近所述微反应器5一侧安装。
为实现本发明方案目的，还提供一种基于尾气污染物吸收脱除处理低浓度氮氧化物方法，所述方法具体包括如下步骤：
（1）将含有还原剂、酸碱度调节剂和氧化剂的体系溶液作为吸收液；
（2）开启吸收液的循环泵，待吸收液进入微反应器5后，再开启进气端的阀门，氮氧化物气体进入微反应器5；
（3）两相流至微反应器5出口，回收至吸收液池中并对气液分离收集，氮氧化物气体被还原成氮气，而吸收液留在池中循环使用。
所述微反应器5中设置有至少一个微通道，所述微通道的直径取值范围为0.1mm-2.0mm，每段混合微通道的长度为取值范围为10mm-480m。
于步骤（2）中，所述氮氧化物气体和待吸收液进入微反应器5供给体积比的范围为0.1-100000；
于步骤（2）中，所述氮氧化物气体和待吸收液进入微反应器5供给体积比的范围为0.5-100；
所述吸收液中的还原剂具体为：尿素或尿素铁肥或水合肼或抗坏血酸或硼氢化钠；
所述吸收液中的氧化剂具体为：次氯酸钠或双氧水或亚氯酸钠；
所述吸收液中的酸碱度调节剂具体为：氢氧化钠。
所述步骤（2）中，具体反应温度范围为0~90℃，反应压力范围为0~5Mpa，吸收液pH值范围为7-13。
也就是说，本发明方案提供一种尾气污染物吸收脱除装置及处理低浓度氮氧化物的应用方法，其设备包括：设备组成部件包括酸溶液进液口3、阀门（即第一阀门201、第二阀门202、第三阀门203、第四阀门204、第五阀门205、第六阀门206）、反应釜（第一反应釜101，第二反应釜102）、氮氧化物进气口4、微反应器5、吸收液进料口8和出液口（即吸收液出液口6）、吸收液循环泵7、吸收液进料口8、吸收液出料口9、尾气出口10等。使用管道连接气体阀门，并将微反应器5、吸收液循环泵7等设备连接起来。
一种尾气污染物吸收脱除装置及处理低浓度氮氧化物的应用方法的具体吸收步骤为：
（1）将含还原剂、酸碱度调节剂和氧化剂的体系溶液作为吸收液；
（2）先开启吸收液的流量泵，待吸收液进入微反应器5后，开启进气端的阀门，氮氧化物气体进入微反应器5。
（3）两相流至微反应器5出口，回收至吸收液池中并对气液分离收集，氮氧化物气体被还原成氮气，而吸收液留在池中循环使用。
具体地，所述微反应器5中含有一个或多个微通道，其单个微通道的直径0.1mm-2.0mm，每段混合微通道的长度为10mm-480m。
所述气体和液体供给体积比在0.1-100000范围。其优化的气液比为，所述气体和液体供给体积比在0.5-100范围内。
在本发明方案中，优化的吸收液组成为：还原剂为尿素、尿素铁肥、水合肼、抗坏血酸、硼氢化钠等，氧化剂为次氯酸钠、双氧水、亚氯酸钠等，酸碱度调节剂为氢氧化钠，反应温度0~90℃，反应压力0~5Mpa，吸收液pH值范围为7-13。
优选地，采用用一种新的处理液试剂尿素铁肥，该处理液包括从未在尾气处理中采用过的配比，所述设备可现实连续化生产，吸收液可循环使用。
换言之，种尾气污染物吸收脱除装置及处理低浓度氮氧化物的应用方法，是一种高效、安全、无污染、分离率高的新方法。本发明通过一种尾气污染物吸收脱除装置及处理低浓度氮氧化物的应用方法，经过将含还原剂、碱液和氧化剂的体系溶液作为吸收液，经流量泵的出口端连接微反应器5；先开启吸收液的流量泵，待吸收液进入微反应器5的微通道后，再开启进气系统。反应过程中，对微反应器5的进液端和进气端的流速和气液比，通过调整这些参数来改变气液在微通道中的停留时间。增加气液在微通道中的停留时间可以增加气液的反应可能性，可以使气液在微通道中长时间地传质；两相流至微反应器5出口，回收至吸收液池中并对气液分离收集，氮氧化物气体被氧化还原成氮气，而吸收液留在池中循环使用，实现了氮氧化物的处理。
所述气体和液体供给体积流速在0-500ml/min范围内连续可调。所述吸收液含还原剂、碱液和氧化剂的体系溶液。所述气体是王水溶解贵金属产生的氮氧化物气体(NO浓度1200ppm)。
所述设备组成部件包括酸溶液进液口3，阀门、反应釜、氮氧化物进气口4、微反应器5、吸收液进料口8和出液口、吸收液循环泵7、吸收液进料口8、吸收液出料口9、尾气出口10等。所述设备可现实连续化生产，吸收液可循环使用，控制操控方式包括自动控制模式和手动控制模式两种。所述两相在微通道中的接触时间为0.01~3s。
而且通过利用微反应器5系统的高效、低耗、安全等特点来改造传统冶金产业的低效高耗单元过程如废弃处理、换热和混合等，有可能开发出新的节能工艺过程，从而推动冶金行业的产业升级。
由于微反应器5的微通道的物理尺寸缩小到微米甚至纳米级别，使得流体物理量如温度、压力、浓度、和密度等的梯度急速增加，导致传热传质推动力的大大增加，可使传热系数提高一个数量级而传质时间降低了一个数量级，由此带来的优势还表现在：由于反应速度的提高，反应设备以及反应体系可大大缩减，使得反应过程的安全性大大提高，用地投资大大节约，消耗材料大大减少；对于原料、反应过程或产物存在毒性的反应，可通过采用分区域小型的分布式生产方式，从而避免有毒有害原料产品运输的风险；其处理能力可以通过增加功能单元的数目(Numbering—up)来提高，而不需要逐级放大反应设备。目前先进的微制造技术正在促进微反应器5的快速发展，这一领域中的焦点都大量集中在不同相的气-液或液-液两相反应的扩散传质的研究。
具体发明过程原理：由于微反应器5内两相界面积与两相传质深度之比，两相中目标元素浓度梯度很大，致使气液界面反应推动力大大提高，传质效率往往比传统操作提高一个数量级，所以气相和液相可以在微通道内，通过短时间形成的泰勒气泡接触的情况下进行快速传质。它的特点是强化了气液反应过程，提高效率、降低能耗。
微流体技术是在微观尺寸下控制、操作和检测复杂流体的技术，是在微化工、微机械、生物工程和纳米技术基础上发展起来的一门全新交叉学科。近年来微流体技术的快速发展，已经在化学、医学及生命科学等领域上造成革命性的冲击。目前，在化学和化工领域，如溶液萃取、化学合成及颗粒合成等，微流体技术已经能够达到年产数吨的产能。因此把微流体技术应用于湿法烟气处理领域，可能在改善湿法烟气处理过程中的吸收效率低、气液接触表面更新、降低设备投资和提高操作的安全性等方面，发挥重要作用。
本发明使用微流体技术，使气液两相在微通道内形成泰勒气泡，通过混合室出口快速分离，氮氧化物去除率可达94%以上，而尾气则不含NO,而且未出现由于压力差形成的短路。从而避免了传统湿法处理氮氧化物气体中含NO较难处理等一系列问题。
本发明通过所述的装置以及相应的处理方法，针对王水溶解贵金属产生的氮氧化物气体，采用微流体溶液处理，氧化还原效率高，且反应时间大大缩短，并且采用微反应器5中的微通道内形成泰勒气泡进行快速传质，可避免难以达到气液吸收平衡等问题，采用气液两相在微流体条件下进行反应，可大大增加气液表面更新，尾气进入微反应器5后，与溶液混合，气体被微反应器5筛板切割成无数个细小气泡，均匀地进入微通道，自下而上，可以使之气体和液体在微通道内充分反应。
而且使得氮氧化物气体被快速高效吸收，反应可以在较高温度下进行，温度升高会影响气体变为活化分子，进而增加了活化分子的百分数，使得单位时间内分子分子在微通道内的有效碰撞次数明显增加，同时温度升高可以影响溶质的溶解度和水解速率，促进了溶液处理废气的效果，吸收效率非常优越。
此外，在保证在封闭的体系中进行，条件可控性强，安全性高，避免了短路和泄露的危险，本发明方案采用一种新的处理液，使用尿素铁肥取代常规湿法脱硝常使用的尿素，尿素铁肥中的金属阳离子Fe2+在溶液中形成等结合形成络合物，然后此络合物与NO发生快速络合反应，增大NO在液相中的溶解度，而达到脱除氮氧化物的目的的新方法。
实施例1
（1）一种尾气污染物吸收脱除装置及处理低浓度氮氧化物的应用方法，将含氢氧化钠0.05mol/L、过氧化氢5%的碱性溶液作为液相，将王水溶解贵金属产生的氮氧化物气体作为气相(NO浓度1200ppm)，分别通入流量泵和气体稳流器内，出口接微反应器5入口。
（2）先开启液相流量泵，待液相进入微反应器5的微通道（微通道的直径0.1mm-2.0mm，每段混合微通道的长度为10mm-480m）后，再开启进气开关，同时观察氮氧化物检测仪的数值变化，调节两相的流量，气液两相流量分别为150mL/min、150mL/min，两相再微通道中的接触时间为0.01s，反应温度60℃，反应压力1MPa，溶液pH=12；
（3）两相在微反应器5的出口排出，两相在液相箱内分离，气相从液相箱上方的尾气口排出，吸收液在液相箱内循环使用，实现了氮氧化物湿法处理，检测得到51.25%%(NO浓度585ppm)的氮氧化物脱除率。
实施例2
（1）一种尾气污染物吸收脱除装置及处理低浓度氮氧化物的应用方法，将含尿素5%、次氯酸钠0.1mol/L的碱性溶液作为液相，将王水溶解贵金属产生的氮氧化物气体作为气相(NO浓度1200ppm)，分别通入流量泵和气体稳流器内，出口接微反应器5入口。
（2）先开启液相流量泵，待液相进入微反应器5的微通道（微通道的直径0.1mm-2.0mm，每段混合微通道的长度为10mm-480m）后，再开启进气开关，同时观察氮氧化物检测仪的数值变化，调节两相的流量，气液两相流量分别为100mL/min、100mL/min，两相再微通道中的接触时间为0.03s，反应温度20℃，反应压力0.6MPa，溶液pH=12.28；
（3）两相在微反应器5的出口排出，两相在液相箱内分离，气相从液相箱上方的尾气口排出，吸收液在液相箱内循环使用，实现了氮氧化物湿法处理，检测得到65.75%(NO浓度411ppm)的氮氧化物脱除率。
实施例3
（1）一种尾气污染物吸收脱除装置及处理低浓度氮氧化物的应用方法，将含尿素铁肥3%、亚氯酸钠0.01mol/L的碱性溶液作为液相，将王水溶解贵金属产生的氮氧化物气体作为气相(NO浓度1200ppm)，分别通入流量泵和气体稳流器内，出口接微反应器5入口。
（2）先开启液相流量泵，待液相进入微反应器5的微通道（微通道的直径0.1mm-2.0mm，每段混合微通道的长度为10mm-480m）后，再开启进气开关，同时观察氮氧化物检测仪的数值变化，调节两相的流量，气液两相流量分别为200mL/min、200mL/min，两相再微通道中的接触时间为0.01s，反应温度20℃，反应压力2MPa，溶液pH=10；
（3）两相在微反应器5的出口排出，两相在液相箱内分离，气相从液相箱上方的尾气口排出，吸收液在液相箱内循环使用，实现了氮氧化物湿法处理，检测得到94%(NO浓度73.08ppm)的氮氧化物脱除率。
Claims (10)
1.一种基于尾气污染物吸收脱除处理低浓度氮氧化物装置，其特征在于所述装置包括第一反应釜，所述第一反应釜的一端设置有酸溶液进液口和酸溶液出液口；所述第一反应釜的另一端通过微反应器和第二反应釜连接；
所述微反应器和所述第二反应釜还设置有吸收液循环泵；所述第二反应釜的一端分别设置有吸收液出液口、吸收液出料口和尾气出口；所述第二反应釜的另一端设置有吸收液进料口。
2.根据权利要求1所述的一种基于尾气污染物吸收脱除处理低浓度氮氧化物装置，其特征在于所述微反应器与所述第一反应釜之间通过设置的第一管道连接；
所述吸收液循环泵与所述第二反应釜之间通过设置的第二管道连接；
所述微反应器与所述第二反应釜上所述吸收液出液口通过设置的第三管道连接；
所述尾气出口处设置连接有第四管道。
3.根据权利要求2所述的一种基于尾气污染物吸收脱除处理低浓度氮氧化物装置，其特征在于所述酸溶液进液口处设置有第一阀门；所述酸溶液出液口处设置有第二阀门；所述第一管道靠近所述第一反应釜侧设置有第三阀门；所述第一管道靠近所述微反应器侧设置有第四阀门；
所述吸收液进料口处设置有第五阀门；所述吸收液出料口处设置第六阀门。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于尾气污染物吸收脱除处理低浓度氮氧化物装置，其特征在于所述吸收液循环泵靠近所述微反应器一侧安装。
5.一种基于尾气污染物吸收脱除处理低浓度氮氧化物方法，其特征在于所述方法具体包括如下步骤：
（1）将含有还原剂、酸碱度调节剂和氧化剂的体系溶液作为吸收液；
（2）开启吸收液的循环泵，待吸收液进入微反应器后，再开启进气端的阀门，氮氧化物气体进入微反应器；
（3）两相流至微反应器出口，回收至吸收液池中并对气液分离收集，氮氧化物气体被还原成氮气，而吸收液留在池中循环使用。
6.根据权利要求5所述的一种基于尾气污染物吸收脱除处理低浓度氮氧化物方法，其特征在于所述微反应器中设置有至少一个微通道，所述微通道的直径取值范围为0.1mm-2.0mm，每段混合微通道的长度为取值范围为10mm-480m。
7.根据权利要求5所述的一种基于尾气污染物吸收脱除处理低浓度氮氧化物方法，其特征在于于步骤（2）中，所述氮氧化物气体和待吸收液进入微反应器供给体积比的范围为0.1-100000。
8.根据权利要求5所述的一种基于尾气污染物吸收脱除处理低浓度氮氧化物方法，其特征在于于步骤（2）中，所述氮氧化物气体和待吸收液进入微反应器供给体积比的范围为0.5-100。
9.根据权利要求5或7或8所述的一种基于尾气污染物吸收脱除处理低浓度氮氧化物方法，其特征在于所述吸收液中的还原剂具体为：尿素或尿素铁肥或水合肼或抗坏血酸或硼氢化钠；
所述吸收液中的氧化剂具体为：次氯酸钠或双氧水或亚氯酸钠；
所述吸收液中的酸碱度调节剂具体为：氢氧化钠。
10.根据权利要求5或7或8所述的一种基于尾气污染物吸收脱除处理低浓度氮氧化物方法，其特征在于所述步骤（2）中，具体反应温度范围为0~90℃，反应压力范围为0~5Mpa，吸收液pH值范围为7-13。
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