CN103920384A - 一种常压法吸收高浓度氮氧化物的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种常压法吸收高浓度氮氧化物的设备，它包括一级吸收塔、二级吸收塔与三级吸收塔；各级吸收塔顶部连接有进气管路与吸收液进液管，一级吸收塔的进气管路连接被处理气源，二级吸收塔进气管路与一级吸收塔连接，三级吸收塔进气管路与二级吸收塔连接，一级、二级吸收塔的吸收液进液管连接酸液储箱，三级吸收塔的吸收液进液管连接碱液储箱，各个吸收液进液管上安装有液泵，各级吸收塔底部设有与相应储箱连接的塔釜液回流管，塔釜液回流管上安装有水冷却器。利用本发明可将氮氧化物经过二级酸吸收和一级碱吸收，转化为硝酸和硝酸钾，尾气达到国家排放标准。吸收塔采用射流吸收型式，气体、液体都从塔顶部进入，结构简单，流程短，适应大范围变工况要求。

Description

一种常压法吸收高浓度氮氧化物的设备

技术领域

本发明涉及一种常压法吸收高浓度氮氧化物的设备，将氮氧化物用稀酸和过氧化氢氧化吸收成硝酸，尾气达到国家排放标准。 

背景技术

硝酸工业中经常会遇到高浓度氮氧化物(NOx)尾气的处理问题，氮氧化物的排放，国家有严格的标准，而高浓度氮氧化物的处理，难度很大，成本较高。目前国内外使用的氮氧化物尾气处理方法分为干法和湿法两大类。干法以催化还原为主，高温下，用还原剂将NOx催化还原为N₂等气体，纯粹从环保角度出发，处理对象是低浓度NOx，对于高浓度NOx，效果不佳，且不能回收利用NOx，而吸收可以将NOx转化为HNO₃，对硝酸工业来说，经济意义远大于干法。吸收是湿法的一种，吸收法使用水、酸或碱溶液吸收氮氧化物，转化为硝酸或硝酸盐。吸收有常压法、综合法、中压法、高压法和双加压法，目前主要采用双加压法，其它方法已很少采用，因为处理后尾气中NOx浓度偏高。吸收在逆流吸收塔内完成，工业上一般采用多级吸收。水吸收氮氧化物的总反应式为：

3NO₂ + H₂O = 2HNO₃ + NO + Q (1)

2NO + O₂ = 2NO₂ + Q (2)

NO + NO₂ + Na₂CO₃ = 2NaNO₂ + CO₂ (3)

NO₂ + Na₂CO₃ = NaNO₃ + NaNO₂ + CO₂ (4)

由反应式(1)、(2)知，1 mol NO₂变成了不易吸收的1/3 mol NO，要使NO吸收，必须再次氧化成NO₂，再次吸收，经过反复氧化吸收，才能达到排放要求，在此过程中，NO₂的吸收反应和NO的氧化反应交叉进行，过程非常复杂。

氮氧化物的吸收方法，还有酸吸收和碱吸收。有研究表明，NO₂在稀硝酸中吸收时，NO的氧化主要在气液相界面和液相中进行，NO的氧化是一个慢过程，低温和加压有利于氧化反应的进行，因此目前多采用双加压法，但压力的升高必然使设备成本和操作费用增加，能耗增加；而目前的常压吸收工艺尾气浓度偏高，已很少采用。降低吸收温度，能增加NO的氧化速率，提高氧化度，利于吸收，但移除反应热使设备结构复杂。

目前的吸收法都采用多级酸吸收和多级碱吸收的联合方法，酸吸收后，有大量NO生成，经过干法氧化后，NO的氧化度提高至40%，再进入碱吸收级，生成亚硝酸盐和硝酸盐，如反应式(3)、(4)，亚硝酸盐是强致癌物，排放标准是0.5 ppm，而在碱吸收中生成的亚硝酸盐含量比较高，后续要遇到处理亚硝酸盐的难题。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是开发一种常压法吸收高浓度氮氧化物的设备；该设备为常压循环吸收设备，在室温下能将高浓度氮氧化物转化为硝酸，尾气达到国家排放标准，硝酸中亚硝酸盐含量低于0.5ppm，不含其它二次污染物。

一种常压法吸收高浓度氮氧化物的设备，其特征在于：包括一级吸收塔、二级吸收塔与三级吸收塔；各级吸收塔顶部连接有进气管路与吸收液进液管，一级吸收塔的进气管路连接被处理气源，二级吸收塔进气管路与一级吸收塔连接，三级吸收塔进气管路与二级吸收塔连接，一级、二级吸收塔的吸收液进液管连接酸液储箱，三级吸收塔的吸收液进液管连接碱液储箱，各个吸收液进液管上安装有液泵，各级吸收塔底部设有与相应储箱连接的塔釜液回收管，塔釜液回收管上安装有水冷却器。

三个吸收塔的结构相同，是一种射流式常压吸收塔，包括塔体，其特征在于：塔体顶部安装进气管与进液管，塔体上部安装液体分布器，进液管出口与液体分布器连接，塔体顶部与液体分布器之间设有进气空间，液体分布器下方安装填料塔，填料塔下面的空间作为气液分离器，气液分离器上部安装排气管，气液分离器外面安装有液位计，气液分离器底部安装回收管。

本发明常压法吸收高浓度氮氧化物的设备，研制过程主要是从以下需要解决的技术问题入手：

一是吸收介质的选择，要能在液相中快速氧化NO，尽可能地提高氧化度，使其尽快地转变为NO₂，用尽可能少的吸收级使尾气达标；

二是吸收塔的结构设计，要使NO在吸收塔内有足够的停留时间，完成氧化吸收，气液流动形式是解决问题的关键。

三是移除热量的方法，高浓度氮氧化物的吸收，有很大的反应热放出，吸收液温度超过35℃以上，吸收效果很差，如何及时移除反应热是吸收的一个技术难题，即要解决换热方式的问题，使吸收设备结构尽可能简单。解决上述三点问题的对应方案是：

一、吸收介质

用稀硝酸和过氧化氢(H₂O₂)作为吸收介质，NO在稀硝酸和过氧化氢的联合氧化下，在液相中快速地转化为NO₂，如反应式(5)，反应速度快，氧化程度高，在反复氧化吸收中，NO的含量衰减很快，以较少的反应级数就可达到很高的吸收程度，过氧化氢酸液吸收后，尾气中NO_x的含量很低，用KOH碱液吸收成KNO₃和微量KNO₂，如反应式(6)、(7)，KNO₂被H₂O₂氧化为KNO₃，如反应式(8)。最终的吸收液中KNO₂含量很低，能达到0.5ppm以下。

NO + H₂O₂ = NO₂ + H₂O (5)

2NO₂ +2 KOH = KNO₃ + KNO₂ + H₂O (6)

NO + NO₂ + 2KOH = 2KNO₂ + H₂O (7)

KNO₂ + H₂O₂ = KNO₃ + H₂O (8)

二、吸收塔结构

吸收塔采用射流吸收型式，不采用现有技术普遍采用的气体、液体逆流进塔。而是气体、液体都从吸收塔顶部进入，塔体顶部与液体分布器之间设有进气空间，塔顶装有液体分布器，吸收液从分布器喷淋而下，形成射流，产生一定负压，能将气体吸入塔内，即使气压较低，也能克服填料层阻力，顺利通过填料层。气体从塔顶进入后，冲击液体使液体雾化，产生喷雾效果，能有效地促进气液接触程度，达到充分传质的目的。采用填料塔，塔内装填陶瓷环填料，以减少阻力和持液量。射流和填料层能使气液沿塔截面均匀分布，产生轴向短路的可能性小，气液接触充分，气体从塔顶到塔釜，气路长，在塔内停留时间长，NO有充分的时间氧化为NO₂，气液到塔釜时，液体中所含NO量很少，容易从塔釜液体中溢出，在塔釜实现气液分离，即使釜液中含NO，也会被H₂O₂继续氧化；而现有技术逆流吸收时，气液在塔釜首先接触，釜液中携带大量NO，釜液排出时，NO会随釜液排出至吸收液储箱，现场产生大量酸雾和黄烟。本发明吸收塔采用射流吸收型式，射流吸收能适应液气比、气压和流量不断变化的工况，能间歇和连续操作，操作弹性比逆流大得多，即使大液量，也不易出现液泛和漏液。塔釜作为气液分离器，尾气和吸收液从塔釜分离，尾气进入旋液分离器进一步分离液滴后，进入下一级吸收塔。塔釜控制一定液位，以实现液封。

三、降温方式

射流吸收，气液最初接触界面在塔顶填料层，塔顶反应最为剧烈，放热最多，采用大液体喷淋量，能快速带走反应热，有效降低吸收液温度，塔内不需设置冷却装置，吸收塔结构简单，塔釜排液管路上设置的水冷却器对吸收液冷却，以利吸收液循环。

本发明吸收塔采用了射流吸收型式，气液以喷雾的形式沿塔截面均匀分布，传质充分，气体停留时间长，NO有足够的时间氧化吸收。采用大液体喷淋量和冷却釜液的方式移除吸收热，使吸收液温度降至30℃以下，吸收塔结构简单，流程短，操作弹性大，完全适应大范围变工况要求。本发明能将高浓度氮氧化物转化为较高浓度硝酸，实现废物回收利用，尾气和尾液能达到国家排放标准，环保成本低，设备结构简单，工艺流程简单，操作费用低，经济效益和社会效益明显。

附图说明

图1是本发明结构示意图，

图2是吸收塔结构示意图。

图中：1—酸液储箱，2—H₂O₂储罐，3—一级吸收液泵，4—一级吸收液进液管，简称进液管，5—一级吸收液电磁流量计，6—一级吸收液调节阀，7—一级吸收塔，701—进气管，702—液体分布器进液主管，703—进气空间，704—压力式液体分布器，705—塔体，706—填料层，707—塔釜，也称气液分离器，708—旋液分离器，709—支腿，710—填料支撑板，711—填料压板，8—一级液位计，9—一级釜液开关阀，10—一级塔釜液回收管，简称回收管，11—N₂O₄废气气源，12—废气孔板流量计，13—一级进气调节阀，14—一级尾气管，也是二级吸收塔进气管路，15—二级吸收塔，16—二级吸收液泵，17—二级吸收液进液管，18—二级塔釜液回收管，19—二级尾气管，也是三级吸收塔进气管路，20—三级吸收塔，21—碱液储箱，22—三级吸收液泵，23—三级吸收液进液管，24—三级塔釜液回收管，25—配碱箱，26—三级尾气管，27—酸液排出管路，28—碱液排出管路，29—一级水冷却器，30—二级水冷却器，31—三级水冷却器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的设备结构作进一步详细描述。一种常压法吸收高浓度氮氧化物的设备，包括一级吸收塔7、二级吸收塔15与三级吸收塔20；各级吸收塔顶部连接有进气管路与吸收液进液管；即一级吸收塔7顶部设有一级进气管路以及一级吸收液进液管4，二级吸收塔15顶部设有一级尾气管即二级进气管14以及二级吸收液进液管17，三级吸收塔20顶部设有与二级吸收塔连接的二级尾气管即三级进气管19以及三级吸收液进液管23；一级进气管路与被处理N₂O₄废气气源11连接，二级吸收塔进气管路14与一级吸收塔7连接，三级吸收塔进气管路19与二级吸收塔15连接；三级吸收塔20设有三级尾气管26，三级尾气管26出口与大气直接连通。

一级吸收液进液管4与二级吸收液进液管17连接酸液储箱1，三级吸收液进液管23连接碱液储箱21；各个吸收液进液管上安装有液泵，即一级吸收液进液管4安装一级吸收液泵3，二级吸收液进液管17安装二级吸收液泵16，三级吸收液进液管23安装三级吸收液泵22；各级吸收塔底部设有与相应储箱连接的塔釜液回收管，塔釜液回收管上安装有水冷却器，即一级吸收塔7底部设有与酸液储箱1连接的一级塔釜液回流管10，二级吸收塔15设有与酸液储箱1连接的二级塔釜液回流管18，三级吸收塔20设有与碱液储箱21连接的三级塔釜液回流管24；一级塔釜液回流管10上安装有一级水冷却器29，二级塔釜液回流管18上安装有二级水冷却器30，三级塔釜液回流管24上安装有三级水冷却器31。

一级进气管路安装有废气孔板流量计12与一级进气调节阀13，分别用于测量进气流量与调节进气流量；一级吸收液泵3的出液口端、一级吸收液进液管4上依次安装一级吸收液电磁流量计5与一级吸收液调节阀6，分别用于测量进液流量与调节进液流量；一级塔釜液回流管10上安装一级釜液开关阀9，一级液位计8与一级釜液开关阀9电连接，当液位达到设定值时，一级釜液开关阀9自动开启；酸液储箱1连接有H₂O₂储罐2，酸液储箱1底部安装酸液排出管路27，碱液储箱21连接有配碱箱25，碱液储箱21底部安装碱液排出管路28。

常压法吸收高浓度氮氧化物的设备用于吸收高浓度氮氧化物时，方法大致是：以重量百分比浓度为3%～5%稀硝酸和0.1%～2%过氧化氢为主吸收液，置于酸液储箱；以16%氢氧化钾辅助吸收液，置于碱液储箱；在常压下，间歇和连续操作模式下，将浓度40%~60%(mol%)，流量100~400 Nm³/h，压力0.01~0.2MPa的四氧化二氮或/和二氧化氮气体进入一级吸收塔,一级尾气进入二级吸收塔，二级尾气再进入三级吸收塔，三级尾气达到排放标准通过高空排放；实现将四氧化二氮或/和二氧化氮气体经过二级酸吸收和一级碱吸收，转化为硝酸钾，尾气浓度达到100 mg/m³的国家排放标准，吸收液中亚硝酸盐含量低于0.5 ppm的国家排放标准，不含其它二次污染物。

三个吸收塔的结构相同，均为射流式常压吸收塔，本实施方法以一级吸收塔为例对射流式常压吸收塔的结构给予说明：一种射流式常压吸收塔，包括塔体705，塔体705顶部安装进气管701与液体分布器进液主管702，塔体705上部安装液体分布器704，进液管4出口与液体分布器进液主管702连接，液体分布器进液主管702出口端连接液体分布器704，塔体705顶部与液体分布器704之间设有进气空间703，液体分布器704下方安装填料层706，填料层706下面的空间作为气液分离器707，气液分离器707上部安装排气管14，气液分离器707外面安装有液位计8，气液分离器707底部设置回流管10。排气管14连接至旋液分离器708。塔体705底部与支腿709固定连接。

填料层706包括填料支撑板710和填料压板711，填料安装在填料支撑板710与和填料压板711之间，填料选用Dg50陶瓷鲍尔环。

氮氧化物气体从进气管进入塔头，吸收液从塔头进液管进入液体分布器，液体分布器是一种压力式排管，能将吸收液均匀分布于塔体截面上。塔头是进气和进液的空间，气液最先在塔头部分接触，而后进入填料层，气液在填料层中完成氧化吸收。塔釜是气液分离的空间，未吸收的尾气在塔釜分离后，从排气管排出，进入旋液分离器，进一步分离尾气中的液滴，吸收液从回流管流出，经过水冷却器冷却后，流入吸收液储箱，以便循环吸收。塔釜安装的液位计，便于测量控制液位。 

Claims (8)

1.一种常压法吸收高浓度氮氧化物的设备，其特征在于：包括一级吸收塔（7）、二级吸收塔(15)与三级吸收塔（20）；一级吸收塔（7）顶部设有一级进气管路以及一级吸收液进液管（4），二级吸收塔（15）顶部设有一级尾气管（14）以及二级吸收液进液管（17），三级吸收塔（20）顶部设有与二级吸收塔连接的二级尾气管（19）以及三级吸收液进液管（23）；一级进气管路与被处理N₂O₄废气气源（11）连接，二级吸收塔进气管路（14）与一级吸收塔(7)连接，三级吸收塔进气管路（19）与二级吸收塔（15）连接；三级吸收塔（20）设有三级尾气管（26），三级尾气管（26）出口与大气直接连通。

2.如权利要求1所述的一种常压法吸收高浓度氮氧化物的设备，其特征在于：一级吸收液进液管（4）与二级吸收液进液管（17）连接酸液储箱（1），三级吸收液进液管（23）连接碱液储箱（21）；一级吸收液进液管（4）安装一级吸收液泵（3），二级吸收液进液管（17）安装二级吸收液泵（16），二级吸收液进液管（23）安装三级吸收液泵（22）；一级吸收塔（7）底部设有与酸液储箱（1）连接的一级塔釜液回收管（10），二级吸收塔（15）设有与酸液储箱（1）连接的二级塔釜液回收管（18），三级吸收塔（20）设有与碱液储箱（21）连接的三级塔釜液回收管（24）；一级塔釜液回收管（10）上安装有一级水冷却器（29），二级塔釜液回收管（18）上安装有二级水冷却器（30），三级塔釜液回收管（24）上安装有三级水冷却器（31）。

3.如权利要求1、2或3所述的一种常压法吸收高浓度氮氧化物的设备，其特征在于：一级进气管路安装有废气孔板流量计（12）与一级进气调节阀（13），一级吸收液泵（3）的出液口端、一级吸收液进液管（4）上依次安装一级吸收液电磁流量计（5）与一级吸收液调节阀（6）。

4.如权利要求3所述的一种常压法吸收高浓度氮氧化物的设备，其特征在于：一级塔釜液回流管（10）上安装一级釜液开关阀（9），一级液位计（8）与一级釜液开关阀（9）连接；酸液储箱（1）连接有H₂O₂储罐（2），酸液储箱（1）底部安装酸液排出管路（27），碱液储箱（21）连接有配碱箱（25），碱液储箱（21）底部安装碱液排出管路（28）。

5.一种射流式常压吸收塔，包括塔体705，其特征在于：塔体（705）顶部安装进气管（701）与液体分布器进液主管（702），塔体（705）上部安装液体分布器（704），进液管（4）出口与液体分布器进液主管（702）连接，液体分布器进液主管（702）出口端连接液体分布器（704），塔体（705）顶部与液体分布器（704）之间设有进气空间（703），液体分布器（704）下方安装填料层（706），填料层（706）下面的空间作为气液分离器（707），气液分离器（707）上部安装排气管（14），气液分离器（707）外面安装有液位计（8），气液分离器（707）底部安装回流管（10）。

6.如权利要求5所述的一种射流式常压吸收塔，其特征在于：排气管（14）安装旋液分离器（708）。

7.如权利要求6所述的一种射流式常压吸收塔，其特征在于：填料层（706）包括填料支撑板（710）和填料压板（711），填料支撑板（710）与填料压板（711）之间安装填料。

8.如权利要求7所述的一种射流式常压吸收塔，其特征在于：填料选用Dg50陶瓷鲍尔环。