CN102451610B

CN102451610B - 一种工业生产窑炉氮氧化物尾气的治理方法和装置

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Publication number: CN102451610B
Application number: CN201010514314.5A
Authority: CN
Inventors: 刘春阳; 回军; 韩建华; 赵景霞; 杨丽
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals
Current assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals
Priority date: 2010-10-15
Filing date: 2010-10-15
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2030-10-15
Also published as: CN102451610A

Abstract

本发明公开了一种工业生产窑炉氮氧化物尾气的治理方法和装置，将窑炉产生气通过管道连接到自吸式气液混合设备上，对窑炉尾气进行处理，处理后的气体依靠自吸式气液混合设备自身提供的压力由排气筒排放。本发明装置包括自吸气式气液混合设备、吸收液冷却***和吸收液沉降***。与现有技术相比，本发明方法和装置可以有效处理工业生产窑炉氮氧化物尾气，费用低廉，工艺简单，可以长周期稳定操作。

Description

一种工业生产窑炉氮氧化物尾气的治理方法和装置

技术领域

本发明涉及一种废气治理方法和装置，特别是工业生产窑炉氮氧化物尾气的治理方法和装置。

背景技术

工业生产窑炉经常会排放大量含有氮氧化物的废气，其成分主要为一氧化氮(NO)、一氧化二氮(N₂O)、二氧化氮(NO₂)等，是国家限制排放的主要大气污染物之一。特别是催化剂生产窑炉排放的废气，其氮氧化物浓度高，颜色呈棕红色或者棕黄色，对环境和人的健康极具危害性。例如采用金属与硝酸(浓硝酸或稀硝酸)反应生产催化剂或使用金属硝酸盐作为原料时，在催化剂干燥、焙烧活化等阶段窑炉均会排放出含氮氧化物的废气。催化剂生产窑炉排放的氮氧化物尾气有如下特点：(1)浓度高。催化剂焙烧过程中催化剂浸渍的硝酸盐、胺等含氮物质在高温下集中分解或氧化生成氮氧化物，氮氧化物浓度非常高，有些品种的催化剂所产生的氮氧化物浓度达到10000-30000mg/m³，气体呈深红棕色，排放到大气中危害非常大。(2)排气量波动大。由于催化生产有些不是连续的过程，并且焙烧的不同温度阶段、相同温度的不同时间，废气的产生量都有很大变化。对后续的废气处理带来很大的问题。当废气产生量大而废气处理装置的处理量小时，窑炉尾气就会发生泄漏，对操作人员的身体健康造成损害。当废气产生量小而废气处理装置的处理量大时，催化剂粉末就会通过管道进入废气处理装置而损失，催化剂产率下降，同时对废气处理装置的正常操作造成很大危害。(3)粉尘含量高，粉尘粒径小，难以去除。催化剂生产废气的粉尘问题是催化剂废气处理的难点。由于一些催化剂是以粉末状态进行焙烧，其粉尘的粒径非常小，采用常规的布袋除尘、旋风除尘都难以完全去处，对废气处理装置的危害很多，对填料塔等吸收装置往往几天就可能堵死而停车。(4)废气温度高。催化剂窑炉出口废气温度高达700-800℃，即使经过管道输送后也会有300-400℃，如果没有降温措施，处理后排放的尾气温度很高，产生严重的热污染。

氮氧化物废气处理技术，可分为干法和湿法两类。干法包括将废气中的NOx还原为氮气的氨选择性催化还原法(SCR)，如氨选择性非催化还原法、金属碳基催化剂催化还原法等；吸附法(分子筛、活性炭、硅胶和含NN₃的泥煤等)；等离子体活化法等。湿法包括水吸收法、碱液吸收法、氨水吸收法、氧化吸收法、硫代硫酸钠还原法、尿素吸收还原法及络合吸收法等。

干法处理技术中，吸附法由于现有吸附剂的吸附容量较小、用量大、需再生处理等原因，在NOx废气处理中一般应用较少。氨选择性催化还原法及氨选择性非催化还原法，目前已成为锅炉烟气脱硝技术研究及应用的热点。但实践证明，在治理工业窑炉生产过程中产生的NOx废气时，氨选择性催化还原法处理方法并不适合，其主要原因是由于NOx排放的不均匀性，造成操作温度及投氨量难以控制，导致催化剂床层及设备内构件烧结，另外该反应的副反应多，可重新生成NOx，氨易穿透，排出气中经常可见大黄烟和大白烟，产物为NH₄NO₂、NH₄NO₃、NH₃等。因此，采用干法技术处理工业窑炉废气时，应对工艺流程、催化剂及设备等进行深入研究。

湿法处理技术中，吸收液种类多，应用较为普遍。如碱液吸收法(包括NaOH、Na₂CO₃)在国内已广泛应用于硝酸生产及使用过程中的尾气处理，并副产硝酸钠和亚硝酸钠产品。氨水液相吸收法和氨水喷淋法在锅炉烟气处理上也得到应用。硫代硫酸钠还原法、尿素还原法等在航天、硝酸生产与使用、催化剂生产等行业废气处理中也逐渐得到应用。同干法相比，湿法具有较大的操作弹性，可选择不同的反应体系，更适合于工业窑炉生产废气的处理。

湿法氮氧化物处理工艺的主体设备是提供气液接触、传质、反应的吸收塔。现有的吸收塔分为两种：一种是气液两相逆流接触的喷淋吸收塔(带填料或空塔)，在这种设备中，气相是连续相，液相是分散相；另一种是气液两相鼓泡接触反应器，运行过程中，液相是连续相，气相是分散相。这两种设备在废气处理过程中都存在局限性：喷淋塔压降小，动力消耗少，但气液接触表面积低，设备效率较低；鼓泡反应器为了提供较大的气液两相的接触面积，必须增加液体深度，这样就会使压降增加，动力消耗增大，而且也容易造成堵塞。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种费用低廉，工艺简单的工业生产窑炉氮氧化物尾气的治理方法和装置。

本发明工业生产窑炉氮氧化物尾气的治理方法包括如下内容：将窑炉产生气通过管道连接到自吸式气液混合设备上，对窑炉尾气进行处理，处理后的气体依靠自吸式气液混合设备自身提供的压力由排气筒排放。

本发明方法中，所述的自吸气式气液混合设备由罐体，电机，叶轮轴，气液混合叶轮和传动密封件等部分组成。利用电机通过叶轮轴带动气液混合叶轮在罐体内的吸收液下高速旋转产生的负压区，窑炉尾气通过自吸气式气液混合设备的叶轮轴内通道或叶轮轴外套筒被吸至气液混合叶轮负压区，气液混合叶轮上设有布气孔，窑炉尾气通过布气孔将气体以微气泡的形式分散于液体中，发生快速传质与化学反应，窑炉尾气中的污染物被自吸气式气液混合设备中的吸收液捕集、吸收并发生反应，处理后气体从吸收液中上浮，从反应器顶部排气口进入排气筒排放。

所述的自吸气式气液混合设备的气液混合叶轮结构如下：气液混合叶轮主要是由空心连轴接头、空心盘、空心导流叶片、环形导流板组成。空心连轴接头的孔道与空心盘的内部空间相通；空心盘由上盖板、下盖板及筒体组成；空心盘下盖板下侧密封连接空心导流叶片，与空心导流叶片对应位置的下盖板开设与空心导流叶片内部空间连通的通道，空心导流叶片下端设置环形导流板，空心导流叶片旋转方向的后方一侧叶片设置布气孔。

上述气液混合叶轮中，空心导流叶片具有一内部空间，该内部空间上侧与空心盘相通，空心导流叶片旋转方向的后方一侧叶片通过布气孔与空心导流叶片外部相通，其余部分为密封结构。

上述气液混合叶轮中，空心导流叶片的横截面可以是适宜的形状，如等边倒三角形、后倾式倒三角形、不规则倒三角形、梯形、不规则梯形、平行四边形等适宜的形状。空心盘下盖板上与空心导流叶片之间的通道形状优选与空心导流叶片横截面相同。空心导流叶片数量可以根据气液混合叶轮的规模设置1～50个，优选为2～30个。

上述气液混合叶轮中，所述的布气孔可以沿叶轮轴线方向设置一排或多排。布气孔的数目和排列方式也可以在空心导流叶片旋转方向后方一侧叶片上做任意改变。

上述气液混合叶轮中，空心导流叶片上端与空心圆盘的下盖板相连，下端与环形导流板相连，两个相邻空心导流叶片之间形成水流通道。

上述气液混合叶轮中，环形导流板为中心具有圆形进水口(或进液口)的平板或锥形板；其外形可以根据需要采用任意形状，但一般选择圆形。环形导流板与空心导流叶片连接，导流板的内外圆所形成的环形区域面积至少能封闭空心导流叶片下端。环形导流板可以防止水流从空心导流叶片上端或下端滑漏，提高叶轮的吸排水量及真空度，从而提高引气量及气液混合效果；另外环形导流板还可以减小水体对空心导流叶片的拖曳，降低叶轮的功耗。

自吸气式气液混合设备的吸气速率由其电机的转速决定，转速越快，吸气速率越大。操作时根据窑炉尾气的排放量通过变频器来控制电机的转速，从而控制自吸气式气液混合设备的吸气速率，使***处理气量与工业生产窑炉的排放量保持一致，以刚好使窑炉不向往泄漏废气为最佳。

所述的叶轮在吸收液液面以下至少200mm。其作用是当此自吸式气液混合设备不运转时，由于叶轮上的布气孔位于液下，使整个设备相当于一台水封，保证窑炉尾气不会泄露到外界环境。

所述的吸收液可以为尿素溶液、氢氧化钠溶液、氨水，硫代硫酸钠溶液或者碳酸钠溶液。其中优选尿素溶液，其中包括尿素1％-30％(重量)，可以包括适量常规的催化剂。吸收液有效成分浓度降低后可以更换新鲜吸收液或补加有效成分。

根据操作时吸收液的温度和固体物质含量情况，进行冷却和/或沉降分离操作，然后循环使用。一般控制吸收液温度到60℃以下，优选为50℃以下，吸收液中固体含量一般控制30％以下(重量)，优选为20％以下。吸收液的冷却及沉降可以在气液混合设备的罐体内进行，也以设置独立的冷却***和沉降***。冷却***和沉降***可以并联设置，即吸收液分别进入冷却***和沉降***；冷却***和沉降***也可以串联设置，即吸收液先后进入冷却***和沉降***，先后顺序可以任意，优选先进入沉降***再进入冷却***；冷却***和沉降***也可以是各自独立的***。冷却***和沉降***可以根据操作情况选择使用，可以间歇使用，也可以连续使用，可以同时使用，也可以使用其中一个***。

所述的冷却***可以由各种形式的冷却器组成，其目的是使由于与高温窑炉尾气换热后升温的吸收液的温度下降。

所述的沉降***可以是各种形式的过滤器、沉降塔、沉降罐等，优选溢流式沉降罐，其特征是沉降后上清液通过溢流堰流出沉降罐，吸收液中的泥沉降到罐底通过排泥阀排出。其目的是将进入吸收液的粉尘从吸收液中去除，使吸收液能够继续循环使用。

本发明工业生产窑炉氮氧化物尾气的治理装置包括自吸气式气液混合设备、吸收液冷却***和吸收液沉降***。自吸气式气液混合设备、吸收液冷却***和吸收液沉降***的结构及相互关系按本发明上述内容确定。其中的冷却***和沉降***按如下方式之一进行设置：冷却***和沉降***并联设置，即吸收液分别进入冷却***和沉降***；或者冷却***和沉降***串联设置，即吸收液先后进入冷却***和沉降***，先后顺序任意；或者冷却***和沉降***是各自独立的***。一般为：冷却***和沉降***可以并联设置，即自吸气式气液混合设备的排液口分别与冷却***的进液口和沉降***的进液口相通；冷却***和沉降***也可以串联设置，即自吸气式气液混合设备先后与冷却***和沉降***联通，先后顺序可以任意，优选自吸气式气液混合设备与沉降***相通，沉降***与冷却***相通。

本发明的优点是能够氮氧化物去除效率高，可达到90％以上；处理量能跟随窑炉尾气产生量随时变化；装置不存在堵塞问题；处理后尾气温度低，可直接排放。本发明方法使用的自吸气式气液混合设备克服了现有自吸气式气液混合设备吸气量不足和吸气量调整不灵活的问题，充分利用空心导流叶片旋转方向后方一侧叶片的面积，可以大大增加布气孔的数量，并且可以通过增加空心导流叶片高度而任意增加布气孔的数目和改变排列方式。可以充分利用了叶轮旋转时导流叶片后侧产生的负压、导流叶片间水流变线产生的负压、以及水流在圆盘表面产生的剪切作用引入气体，叶轮的引气量大、气液混合效果好，不仅在低转数下即可引入大量气体，而且引气孔不在叶轮的中心区域，叶轮中心吸入的仅为吸收液，真空度大小不受其它因素限制，气体引入量与吸排液量可以随转数提高而同时增加，引气量大小调节方便，另外水流剪切作用还可以防止布气孔堵塞。可以有效适应某些工业生产窑炉氮氧化物尾气的特点。

附图说明

图1为本发明一种具体流程示意及装置构成图。

图2为本发明方法使用的自吸气式气液混合设备的自引气式气液混合叶轮的纵剖面主视图。

图3为图2的A-A方向视图。

图4为另一种空心导流叶片结构的横剖面图。

图5为第三种空心导流叶片结构的横剖面图。

图6为气液混合叶轮外形结构立体图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的实现方式。

如图1所示，工业窑炉101产生的含氮氧化物的尾气经过管道102进入自吸式气液混合设备103进行处理处理后的气体依靠自吸式气液混合设备自身提供的压力由排气筒104达标排放。

自吸式气液混合设备103由电机105、罐体106、叶轮轴107、叶轮108和传动及密封机构组成。罐体内装有吸收液109。吸收液经泵10输送至沉降罐111和冷却器112中进行除泥和冷却操作。沉降罐内有溢流堰113和排泥阀114。沉降罐111和冷却器112位于高位，经沉降和冷却后吸收液依靠重力自流回自吸式气液混合设备103的罐体106内循环使用。

下面结合图2～6进一步说明自吸气式气液混合设备使用的自引气式气液混合叶轮的结构及运行方式。

如图2所示，自引气气液混合叶轮由空心连轴接头1、上盖板2、筒体3、下盖板5、空心导流叶片6，环形导流板7组成；其中上盖板2、筒体3、下盖板5构成叶轮的圆筒形空心盘；下盖板5圆周均匀分布有若干与空心导流叶片6对应的

形开口；空心导流叶片6为截面与下盖板5上形开口同形的中空结构，空心导流叶片6上端

形开口与下盖板5上

形开口密封连接，与空心盘内部空间相通；下端

形开口被环形导流板7封闭。布气孔4设置在空心导流叶片旋转方向的后方一侧导流叶片上。

图3～图5视图中，从中可见空心导流叶片6和环形导流板7的形式和位置。箭头方向为叶轮旋转方向，布气孔4的位置。所述空心导流叶片还可以采用其他形式。

在驱动电机及叶轮轴的带动下，叶轮在液体内以一定的速度旋转，并在叶轮内部产生负压，尾气由空心连轴接头1进入叶轮，通过空心圆盘下盖板5上的开口进入空心导流叶片，经布气孔4以微气泡形式分散于液体中。

环形导流板7中心处的开孔为叶轮的吸水口(或吸液口)，环形导流板7与导流叶片6、下盖板5形成封密的水流通道(或液体通道)，有效地防止水流从导流叶片底端或顶端滑漏，提高了叶轮内部的水流速度和真空度，同时也降低了水体对叶轮拖曳。增加环形导流板后，叶轮内部的真空度可以达到极限真空度(0.1MPa左右)，不仅引气量明显提高，而且功耗降低。

某些工业生产窑炉产生的尾气的氮氧化物浓度高，温度高，粉尘含量很大，气量及有害污染物变化大。采用本发明方法和装置，当以微气泡的形式进入吸收液，气液之间经过充分的传质和传热，氮氧化物与吸收液反应生成氮气，去除率达90％以上。粉尘进入吸收液，使处理后废气不含粉尘，温度就会降至50℃以下，符合国家排放标准。吸收液温度略有升高，经冷却器冷却和沉降***除泥后返回循环使用。本发明方法和装置可以对该尾气进行长周期稳定处理。

Claims

1.一种工业生产窑炉氮氧化物尾气的治理方法，包括如下内容：将窑炉产生气通过管道连接到自吸式气液混合设备上，对窑炉尾气进行处理，处理后的气体依靠自吸式气液混合设备自身提供的压力由排气筒排放，其特征在于：所述的自吸气式气液混合设备由罐体，电机，叶轮轴，气液混合叶轮和传动密封件组成，利用电机通过叶轮轴带动气液混合叶轮在罐体内的吸收液下高速旋转产生的负压区，窑炉尾气通过自吸气式气液混合设备的叶轮轴内通道或叶轮轴外套筒被吸至气液混合叶轮负压区，气液混合叶轮上设有布气孔，窑炉尾气通过布气孔将气体以微气泡的形式分散于液体中，发生快速传质与化学反应，窑炉尾气中的污染物被自吸气式气液混合设备中的吸收液捕集、吸收并发生反应，处理后气体从吸收液中上浮，从反应器顶部排气口进入排气筒排放；其中自吸气式气液混合设备的气液混合叶轮结构如下：气液混合叶轮主要是由空心连轴接头、空心盘、空心导流叶片、环形导流板组成；空心连轴接头的孔道与空心盘的内部空间相通；空心盘由上盖板、下盖板及筒体组成；空心盘下盖板下侧密封连接空心导流叶片，与空心导流叶片对应位置的下盖板开设与空心导流叶片内部空间连通的通道，空心导流叶片下端设置环形导流板，空心导流叶片旋转方向的后方一侧叶片设置布气孔。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：气液混合叶轮中，空心导流叶片具有一内部空间，该内部空间上侧与空心盘相通，空心导流叶片旋转方向的后方一侧叶片通过布气孔与空心导流叶片外部相通，其余部分为密封结构。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：气液混合叶轮中，空心盘下盖板上与空心导流叶片之间的通道形状与空心导流叶片横截面相同。

4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：空心导流叶片数量为1～50个。

5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：气液混合叶轮中，空心导流叶片上端与空心圆盘的下盖板相连，下端与环形导流板相连，两个相邻空心导流叶片之间形成水流通道。

6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：气液混合叶轮中，环形导流板为中心具有圆形进水口的平板或锥形板；环形导流板与空心导流叶片连接，导流板的内外圆所形成的环形区域面积至少能封闭空心导流叶片下端。

7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：吸收液为尿素溶液、氢氧化钠溶液、氨水，硫代硫酸钠溶液或者碳酸钠溶液。

8.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：控制吸收液温度到60℃以下，吸收液中固体含量控制30％以下。

9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于：控制吸收液温度到50℃以下，吸收液中固体含量控制20％以下。

10.一种工业生产窑炉氮氧化物尾气的治理装置，其特征在于：包括自吸气式气液混合设备、吸收液冷却***和吸收液沉降***；自吸气式气液混合设备为权利要求1～6任一权利要求中涉及的自吸气式气液混合设备；其中的冷却***和沉降***按如下方式之一进行设置：冷却***和沉降***并联设置，即吸收液分别进入冷却***和沉降***；或者冷却***和沉降***串联设置，即吸收液先后进入冷却***和沉降***，先后顺序任意；或者冷却***和沉降***是各自独立的***。