專利名稱:同步換熱式氣體吸收塔和氮氧化物吸收濃縮工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及氣體吸收塔,以及NOx廢氣的環(huán)保治理。
背景技術(shù):
氮氧化物(主要指NO和NO2,通稱NOx)排放在空氣里會(huì)形成黃色或褐色的煙霧, 俗稱“黃龍”,是目前造成大氣污染的重要污染源之一。NOx廢氣不但會(huì)造成酸雨、酸霧,還能 破壞臭氧層,給自然環(huán)境和人類生產(chǎn)、生活帶來嚴(yán)重危害。硝酸工業(yè)、燃料燃燒和機(jī)動(dòng)車尾 氣排放等過程都會(huì)釋放出大量氮氧化物。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),2005年我國氮氧化物的排放量高 達(dá)2220萬噸,高居世界各國前列,由此帶來的大氣污染和酸雨問題嚴(yán)重,經(jīng)濟(jì)損失巨大,嚴(yán) 重制約了我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)性發(fā)展。因此控制氮氧化物排放、加強(qiáng)氮氧化物污染的治 理,已成為環(huán)境保護(hù)工作中一項(xiàng)非常緊迫的任務(wù)。當(dāng)前對(duì)氮氧化物廢氣的脫除技術(shù)主要分為干法和濕法兩大類。干法主要包括催化 還原法、固體吸附法、等離子法,主要適用于低濃度氮氧化物體系,例如汽車尾氣、燃料燃燒 廢氣等。濕法則主要是通過用水、稀酸、堿溶液來反應(yīng)吸收高濃度的N0X。其中用水吸收處 理技術(shù)是最值得提倡的綠色環(huán)保工藝,其不僅能夠?qū)崿F(xiàn)NOx廢氣的環(huán)保排放,還能將廢氣中 的NOx全部進(jìn)行回收和資源化,并根據(jù)實(shí)際需要生產(chǎn)出10 65%濃度不等的硝酸供企業(yè)循 環(huán)利用。水吸收氮氧化物的流程看似普通,其實(shí)吸收過程異常復(fù)雜,在吸收過程中包含多 個(gè)可逆和不可逆的化學(xué)反應(yīng)以及學(xué)術(shù)界存在爭(zhēng)議的氮氧化物中間產(chǎn)物,由于各個(gè)反應(yīng)相互 影響關(guān)聯(lián),要想研究清楚其中的每個(gè)步驟環(huán)節(jié)幾乎不可能,因此在研究過程通常將之簡(jiǎn)化 為兩步第一步為氣相氧化反應(yīng)向含有氮氧化物的廢氣中補(bǔ)充空氣,使NO氧化成為能被 水吸收的NO2 :2N0+02 = 2N02 ;第二步為液相吸收3N02+H20 = 2HN03+N0,生成的NO再與仏 重新進(jìn)行第一步反應(yīng),從而循環(huán)反應(yīng)吸收。NOx吸收濃縮的關(guān)鍵點(diǎn)在于吸收過程溫度的控制。NOx吸收過程是強(qiáng)放熱反應(yīng),如 果在各吸收段不及時(shí)進(jìn)行熱量轉(zhuǎn)移,其操作溫度就會(huì)升高,將不利于NOx的吸收,尾氣排放 容易超標(biāo)。一般操作溫度不要超過40°C,高壓和低溫都有利于吸收,但溫度低于10°C時(shí)氮 氧化物容易溶解在硝酸中而使得硝酸溶液帶色,同時(shí)低溫還會(huì)消耗更多的冷凍水而增加能 耗。通常反應(yīng)吸收溫控采用外部循環(huán)換熱,其實(shí)現(xiàn)容易,操作簡(jiǎn)單,較大的液體量也容易使 填料表面潤濕,提高填料的效率。隨著廢氣中NOx濃度和流量的下降,各吸收段反應(yīng)規(guī)模和 產(chǎn)生的熱量逐漸減小,此時(shí)液體循環(huán)量和換熱量均相應(yīng)減小。美國德林卡德公司曾提出一種用于硝酸制造、再循環(huán)或回收的專利 (CN96199789. 3)先用硝酸將NOx源中的NO氧化成3價(jià)的氮氧化物(如N2O3),再通入氧氣 和水進(jìn)行反應(yīng),生成硝酸。這表明NOx向硝酸轉(zhuǎn)化過程中還存在其它可逆和不可逆反應(yīng)。由 于部分反應(yīng)是循環(huán)進(jìn)行的(如NO被氧化成NO2,而NO2與水又反應(yīng)生成NO),實(shí)踐證明采用 水或稀硝酸常壓?jiǎn)嗡蚨嗨?lián)吸收的方法,尾氣排放很難達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)(< MOmg/ m3),有的甚至依然為“黃龍”。專利CN02138494.0曾提出一種以吸收塔為主吸收設(shè)備,噴射泵為輔助吸收設(shè)備,常壓下用稀硝酸單級(jí)循環(huán)吸收尾氣中氮氧化物的方法。其實(shí)際效果有 待考證。本專利發(fā)明人獲授權(quán)的專利ZL200610039814. 1提出了一種治理回收氮氧化物的 整套工藝,包括吸收、漂白、濃縮過程,該套工藝已在生產(chǎn)己二酸、草酸、DNT的企業(yè)(均采用 硝酸做氧化劑,硝煙吸收后重新變?yōu)楦邼舛认跛嵫h(huán)利用)成功應(yīng)用,但仍存在一些缺陷, 例如一方面仍需要外循環(huán)換熱,這樣就增加了泵、換熱器等許多外部設(shè)備,同時(shí)增加了動(dòng)力 消耗和操作成本;另一方面,由于反應(yīng)熱只能是在吸收液流經(jīng)一段填料后才采出換熱,因此 反應(yīng)熱移出滯后,造成各段填料溫差較大,反應(yīng)速率不可控,吸收效率不均勻,這就需要更 多的吸收理論級(jí)來滿足工藝要求,使得流程較長(zhǎng),通常需要2 3座吸收塔。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種同步換熱式氮氧化物(NOx)吸收濃縮工藝及裝置,在保證NOx 廢氣環(huán)保排放、全部回收成為35 58%硝酸的基礎(chǔ)上,摒棄了較高動(dòng)力消耗的外部換熱系 統(tǒng),僅通過塔內(nèi)件的集成和優(yōu)化即實(shí)現(xiàn)了塔內(nèi)部反應(yīng)和換熱的同步進(jìn)行,節(jié)約了能耗,提高 了反應(yīng)吸收效率,使流程和投資大幅度縮減。本發(fā)明具體技術(shù)方案如下一種同步換熱式氣體吸收塔,它是一個(gè)泡罩塔,塔底部有液體出口和進(jìn)氣口,塔頂 部有尾氣出口和吸收液出口,如圖1所示,每層塔盤的泡罩間有1-3層換熱盤管,換熱盤管 進(jìn)口和出口直接通向塔體外,如圖2所示,換熱盤管內(nèi)可以流動(dòng)傳熱介質(zhì)。本發(fā)明的同步換 熱式氣體吸收塔適用于氣體被所采用的吸收液吸收時(shí)明顯放熱或吸熱的氣體吸收。上述的同步換熱式氣體吸收塔,所述的每層塔盤的泡罩間有1-3層換熱盤管,吸 收塔的下、中、上各部分塔盤的泡罩間的換熱盤管的層數(shù)可以相同或不同。由于吸收塔的下 部被吸收氣體濃度高,放熱量或吸熱量大,吸收塔的下部塔板的泡罩間可以有3層換熱盤 管,中部塔板可以有二層換熱盤管,上層塔板被吸收氣體的濃度低,放熱量或吸熱量小,可 以有一層換熱盤管,通常上、中、下部的塔板數(shù)比例為2. 5 1.5 1。上述的同步換熱式氣體吸收塔,所述的上、中、下部塔板間的距離可以是不同的。上述的同步換熱式氣體吸收塔,塔底部可以采用1-2層填料,可以是規(guī)整填料或 散堆填料,每層填料上部配有液體分布器,下方配有填料支撐裝置,在每層填料中間有換熱 盤管。上述的同步換熱式氣體吸收塔,所述的填料層采用規(guī)整填料,每盤填料之間排有1 層換熱盤管(如圖3所示),每盤填料高度在150mm 250mm ;采用散堆填料時(shí),換熱管既可 采用與規(guī)整填料相同的盤管結(jié)構(gòu)也可設(shè)計(jì)為豎直型盤管結(jié)構(gòu)(如圖4所示),豎直換熱管各 排之間的距離為150mm 300mm,高度為等于或接近填料層高度。一種采用上述同步換熱式氣體吸收塔的氮氧化物(NOx)吸收濃縮工藝,它是將含 NOx的廢氣與空氣按廢氣的濃度和種類以一定比例(1體積NO消耗0. 75體積& ;1體積NO2 消耗0. 25體積& ;1體積空氣中含0. 2體積的O2)混合后,從吸收塔的塔底進(jìn)入,作為吸收劑 的水或稀硝酸從塔頂進(jìn)入,混合氣和吸收劑在各級(jí)填料或者塔板上逆流或錯(cuò)流接觸反應(yīng), 反應(yīng)熱由各層填料和塔板上的換熱盤管內(nèi)的冷卻水及時(shí)帶走,凈化后的達(dá)標(biāo)氣體從尾塔頂 部排放,吸收、反應(yīng)后產(chǎn)生的一定濃度的硝酸由塔底流出。上述氮氧化物(NOx)吸收濃縮工藝,所述的吸收操作壓力為0. 4 IMPa (絕壓)當(dāng)0. 4MPa彡操作壓力彡0. 6MPa時(shí),采用30 32理論級(jí)吸收;當(dāng)0. 6MPa彡操作壓力 彡0. 8MPa時(shí),采用洸 30理論級(jí)吸收;當(dāng)0. 8MPa彡操作壓力彡IMPa時(shí),采用22 洸理 論級(jí)吸收。上述的氮氧化物(NOx)吸收濃縮工藝,理論級(jí)由復(fù)合泡罩塔板或者填料來實(shí)現(xiàn)每 層復(fù)合泡罩塔板折合成0. 6理論級(jí),吸收塔內(nèi)總實(shí)際塔板數(shù)為36 M塊;當(dāng)進(jìn)氣中總氮 氧化物(NCHNO2)質(zhì)量濃度較高(> 30% )時(shí),塔底部也可采用1 2層填料,填料高度為 3 5m,每層填料上方配有液體分布器,下方配有填料支撐裝置,可采用各種耐酸材質(zhì)的散 堆或規(guī)整填料,其余部分采用復(fù)合有換熱管的泡罩塔板。上述的氮氧化物(NOx)吸收濃縮工藝,換熱盤管穿過塔壁與外部冷卻水循環(huán)系統(tǒng) 相連,盤管內(nèi)的冷卻水將氮氧化物與水反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量及時(shí)移出,保證將吸收反應(yīng)段的 操作溫度在20 40°C之間,有利于反應(yīng)順利進(jìn)行。上述的氮氧化物(NOx)吸收濃縮工藝及裝置,其特征是各層塔板之間的板間距并 不相等。由于反應(yīng)為兩步反應(yīng),且分別在不同相內(nèi)進(jìn)行,第一步為氣相氧化反應(yīng)2N0+02 = 2N02,主要在各塔板之間的氣相空間內(nèi)進(jìn)行;第二步為液相吸收3N0dH20 = 2HN03+N0,主要 在塔板上的液層內(nèi)進(jìn)行,而生成的NO再與&重新進(jìn)行第一步反應(yīng)。一開始由于NO2濃度較 高,液相反應(yīng)占主導(dǎo),且放熱多,需要更多換熱面積,因此下部板間距較小,在0. 35 0. 5m 之間,隨著氣相中NOx的濃度降低,氣相反應(yīng)需要更多的空間和停留時(shí)間,因此板間距需要 逐步加大,中部板間距0. 4 0. 6m之間,上部板間距0. 5 0. 8m之間。采用本發(fā)明的同步換熱式氣體吸收塔的氮氧化物(NOx)吸收濃縮工藝,吸收塔頂 部排放尾氣中NOx排放濃度< 150ppm,速率< lkg/h ;吸收塔底部得到質(zhì)量濃度為35 58%的硝酸。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1、采用逐級(jí)反應(yīng)同步移熱的方式使整個(gè)氮氧化物吸收段溫度控制均勻,反應(yīng)過程 接近于理想狀態(tài),所需的實(shí)際填料高度和塔板數(shù)減少;2、無需大液體量外部循環(huán)換熱,大大降低了動(dòng)力消耗,使整個(gè)流程更短更加緊湊, 外部配套設(shè)備的大量減少使得整套裝置的投資大幅度下降;3、充分考慮了不同濃度的NOx反應(yīng)的原理和特征,非等距塔板的設(shè)置,讓整條塔的 空間利用更加合理、有效;4、廢氣治理效果好,尾氣中NOx排放濃度< 150ppm,速率< lkg/h,低于目前國內(nèi) 外的排放標(biāo)準(zhǔn);5、尾氣中NOx全部被回收并被再生資源化,生成質(zhì)量濃度35 58%濃度可調(diào)、可 直接做氧化劑的濃硝酸,循環(huán)使用;6、治理過程中不產(chǎn)生二次廢酸、廢水,綠色環(huán)保;7、本發(fā)明裝置緊湊,產(chǎn)出/投資比高,特別適用于流量大、NOx濃度高、環(huán)保排放要 求高的廢氣治理過程,符合目前國家環(huán)保、節(jié)能減排、循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。
圖1為泡罩和填料層復(fù)合的同步換熱式氮氧化物吸收塔結(jié)構(gòu)示意圖,其中S1為 工業(yè)NOx廢氣進(jìn)口 ;S2為35%-58%硝酸出口 ;S3為尾氣出口 ;S4為吸收劑水或稀硝酸進(jìn)口 ; 1為填料;2為填料層換熱管;3為液體分布器;4為復(fù)合泡罩塔盤。圖2為復(fù)合泡罩塔盤結(jié)構(gòu)示意圖,上圖為正視圖,下圖為俯視圖,其中5為塔板;6 為泡罩;7為塔板換熱盤管;8為降液管;9為塔體。圖3為填料層橫排式換熱管排布示意圖,其中1為填料;2為填料層換熱管;9為 塔體;10為冷凝水進(jìn)口主管;11為冷凝水出口主管。圖4為填料層豎直型換熱管排布示意圖,其中1為填料;9為塔體;10為冷凝水進(jìn) 口主管;11為冷凝水出口主管;12為填料層豎直型換熱管。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 采用40%的硝酸做氧化劑生產(chǎn)己二酸產(chǎn)品,產(chǎn)生NOx廢氣,流量 5000Nm3/h,N0x的平均質(zhì)量濃度為25%,其中NO與NO2約為2 1。將廢氣與空氣按體積比 例2 1混合后進(jìn)入吸收塔,以質(zhì)量濃度為1.5%的稀硝酸廢水作為吸收劑。吸收塔操作壓 力為4. 2atm,內(nèi)部采用50層帶換熱盤管的復(fù)合泡罩塔板吸收。上部塔板10塊,塔板泡罩間 1排盤管,板間距0. 8m ;中部塔板15塊,2排盤管,板間距0. 6m ;下部塔板25塊,3排盤管, 板間距0. 5m。吸收塔塔徑為2.細(xì)。放空尾氣中NOx排放濃度134ppm,速率0. 78kg/h。從 吸收段流出質(zhì)量濃度為40%的硝酸循環(huán)使用。實(shí)施實(shí)例2 采用55%的硝酸做氧化劑生產(chǎn)甲醇催化劑,產(chǎn)生NO和NO2氣體,比例 約1 1,流量500Nm3/h。吸收塔操作壓力為8atm,頂部采用30層帶換熱盤管的復(fù)合泡罩 塔板吸收,塔底部設(shè)有2段填料,上方采用350Y型規(guī)整填料細(xì),每盤填料高200mm,各盤之 間設(shè)有換熱盤管;下方采用38mm矩鞍環(huán)填料an,不設(shè)換熱盤管。將廢氣與空氣按體積比例 1 2混合后從兩段填料中間即規(guī)整填料下方進(jìn)入吸收塔,另將一股空氣(與NOx氣體體 積比1 1)從塔底部即矩鞍環(huán)填料下方進(jìn)入吸收塔用做漂白高濃度硝酸。塔板段上部塔 板4塊,塔板泡罩間1排盤管,板間距0. 6m沖部塔板6塊,2排盤管,板間距0. 5m ;下部塔 板10塊,3排盤管,板間距0.細(xì)。吸收塔塔徑為lm。放空尾氣中NOx排放濃度68ppm,速率 0. 085kg/ho從吸收塔底部流出質(zhì)量濃度為55%的硝酸循環(huán)使用。實(shí)施實(shí)例3 采用50 %的硝酸做氧化劑生產(chǎn)草酸,產(chǎn)生含50 %的NO和NO2氣體, 流量1500m3/h。將廢氣與空氣按體積比例1 2. 5混合后進(jìn)入吸收塔,吸收塔操作壓力為 6. Satm,吸收劑為清水。頂部采用30層帶換熱盤管的復(fù)合泡罩塔板吸收,塔底部設(shè)有1段 填料,采用500Y型規(guī)整填料3m,每盤填料高200mm,各盤之間設(shè)有換熱盤管。塔板段上部塔 板9塊,塔板泡罩間1排盤管,板間距0. 5m ;中部塔板16塊,2排盤管,板間距0. 45m ;下部 塔板15塊,3排盤管,板間距0.細(xì)。吸收塔塔徑為1. 6m。放空尾氣中NOx排放濃度92ppm, 速率0. 345kg/h0從吸收塔底部流出質(zhì)量濃度為50%的硝酸循環(huán)使用。
權(quán)利要求
1.一種同步換熱式氣體吸收塔,其特征是它是一個(gè)泡罩塔,塔底部有液體出口和進(jìn) 氣口,塔頂部有尾氣出口和吸收液出口,每層塔盤的泡罩間有1-3層換熱盤管,換熱盤管進(jìn) 口和出口直接通向塔體外,換熱盤管內(nèi)流動(dòng)傳熱介質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同步換熱式氣體吸收塔,其特征是所述的每層塔盤的泡罩 間有1-3層換熱盤管,吸收塔的下、中、上各部分塔盤的泡罩間的換熱盤管的層數(shù)相同或不 同,吸收塔的下部塔板的泡罩間有3層換熱盤管,中部塔板有二層換熱盤管,上層塔板有一 層換熱盤管,上、中、下部的塔板數(shù)比例為2. 5:1. 5:1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同步換熱式氣體吸收塔,其特征是所述的上、中、下部塔板 間的距離是不同的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同步換熱式氣體吸收塔,其特征是塔底部采用1-2層填料, 采用規(guī)整填料或散堆填料,每層填料上部配有液體分布器,下方配有填料支撐裝置,在每層 填料中間有換熱盤管。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的同步換熱式氣體吸收塔,其特征是所述的填料層采用規(guī)整 填料,每盤填料之間排有1層換熱盤管,每盤填料高度在150mnT250mm ;采用散堆填料時(shí),換 熱管采用與規(guī)整填料相同的盤管結(jié)構(gòu)或采用豎直型盤管結(jié)構(gòu),豎直換熱管各排之間的距離 為150mnT300mm,高度為等于或接近填料層高度。
6.一種采用權(quán)利要求1-5任一的所述的同步換熱式氣體吸收塔的氮氧化物吸收濃縮 工藝,其特征是它是將含NOx的廢氣與空氣按廢氣的濃度和種類以一定比例混合后,從吸 收塔的塔底進(jìn)入,作為吸收劑的水或稀硝酸從塔頂進(jìn)入,混合氣和吸收劑在各級(jí)填料或者 塔板上逆流或錯(cuò)流接觸反應(yīng),反應(yīng)熱由各層填料和塔板上的換熱盤管內(nèi)的冷卻水及時(shí)帶 走,凈化后的達(dá)標(biāo)氣體從尾塔頂部排放,吸收、反應(yīng)后產(chǎn)生的一定濃度的硝酸由塔底流出。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述氮氧化物吸收濃縮工藝,其特征是所述的吸收塔的吸收操作 壓力為絕壓0.4 IMPa:當(dāng)0.4 MPa彡操作壓力彡0.6 MI^a時(shí),采用30 32理論級(jí)吸收;當(dāng)0. 6 MPa彡操作壓力彡0.8 MPa時(shí),采用沈 30理論級(jí)吸收;當(dāng)0.8 MPa彡操作壓力彡1 MPa時(shí), 采用2216理論級(jí)吸收。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的氮氧化物吸收濃縮工藝,其特征是理論級(jí)由復(fù)合泡罩塔板 或者填料來實(shí)現(xiàn)每層復(fù)合泡罩塔板折合成0. 6理論級(jí),吸收塔內(nèi)實(shí)際總塔板數(shù)為36飛4 塊;當(dāng)進(jìn)氣中總氮氧化物質(zhì)量濃度>30%時(shí),塔底部采用廣2層填料,填料高度為3 5m,每 層填料上方配有液體分布器,下方配有填料支撐裝置,采用各種耐酸材質(zhì)的散堆或規(guī)整填 料,其余部分采用復(fù)合有換熱管的泡罩塔板。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的氮氧化物吸收濃縮工藝,其特征是所述的換熱盤管穿過塔 壁與外部冷卻水循環(huán)系統(tǒng)相連,盤管內(nèi)的冷卻水將氮氧化物與水反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量及時(shí)移 出,保證將吸收反應(yīng)段的操作溫度在20 40°C之間,有利于反應(yīng)順利進(jìn)行。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的氮氧化物吸收濃縮工藝及裝置,其特征是各層塔板 之間的板間距并不相等,由于反應(yīng)為兩步反應(yīng),且分別在不同相內(nèi)進(jìn)行,第一步為氣 相氧化反應(yīng)2N0+02=2N02,主要在各塔板之間的氣相空間內(nèi)進(jìn)行;第二步為液相吸收 3N02+H20=2HN03+N0,主要在塔板上的液層內(nèi)進(jìn)行,而生成的NO再與仏重新進(jìn)行第一步反應(yīng), 一開始由于NO2濃度較高,液相反應(yīng)占主導(dǎo),且放熱多,需要更多換熱面積,因此下部板間距 較小,在0. 35、. 5m之間,隨著氣相中NOx的濃度降低,氣相反應(yīng)需要更多的空間和停留時(shí)間,因此板間距需要逐步加大,中部板間距0. 4^0. 6m之間,上部板間距0. 5^0. 8m之間。
全文摘要
一種同步換熱式氣體吸收塔,它是一個(gè)泡罩塔,塔底部有液體出口和進(jìn)氣口,塔頂部有尾氣出口和吸收液出口,每層塔盤的泡罩間有1-3層換熱盤管,換熱盤管進(jìn)口和出口直接通向塔體外,換熱盤管內(nèi)流動(dòng)傳熱介質(zhì)。一種采用上述的同步換熱式氣體吸收塔的氮氧化物吸收濃縮工藝,它是將含NOX的廢氣與空氣按廢氣的濃度和種類以一定比例混合后,從吸收塔的塔底進(jìn)入,作為吸收劑的水或稀硝酸從塔頂進(jìn)入,混合氣和吸收劑在各級(jí)填料或者塔板上逆流或錯(cuò)流接觸反應(yīng),反應(yīng)熱由各層填料和塔板上的換熱盤管內(nèi)的冷卻水及時(shí)帶走,吸收塔頂部排放尾氣中NOX排放濃度<150ppm,速率<1kg/h;吸收塔底部得到質(zhì)量濃度為35~58%的硝酸。
文檔編號(hào)B01D53/18GK102068881SQ201010607030
公開日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2010年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月27日
發(fā)明者張志炳, 張鋒, 彭璟, 王曉旭, 耿皎, 袁剛 申請(qǐng)人:南京大學(xué)