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涡旋脉冲反应器用于含粉尘废气的净化实验研究 罗 鹏 东北大学机械工程与自动化学院, 沈阳 110004 沈阳化工学院, 辽宁 110142 陈富新 沈阳化工学院, 辽宁 110142 巴德纯 东北大学机械工程与自动化学院, 沈阳 110004 摘要 提出了一种新型涡旋脉冲式反应器的结构设计。 用在实验室条件下通过 PVC 反应器进行了含粉尘 HCl 废气 净化试验。 系统地考察了操作温度、液气比及吸收液中的 HCl 含量对 HCl 脱除率 R 的影响。 结果表明 涡旋脉冲式 反应器可以高效率地脱除废气中的 HCl 和粉尘, 在适宜的操作条件下, HCl 脱除率可达 99. 5以上; 粉尘去除率接近 100。 关键词 反应器 废气净化 氯化氢 1 引言 在半导体材料 、 光纤等产品的生产过程中, 会产 生大量的含有 SiCl4和 HCl 的废气。废气中的 SiCl4 会进一步与水蒸汽反应生成微颗粒状SiO2,长时间在 空气中飘浮,造成较大范围的空气污染 。在这类废气 向大气排放之前 , 必须除去 SiO2颗粒和 HCl 气体。 由于废气中含有大量粉尘颗粒 ,使用传统的穿流板塔 等设备 [ 1] 对废气进行净化处理时 ,会产生塔板堵塞等 问题 。 涡旋脉冲气液接触技术是 20 世纪末出现的一种 新的气液传质及反应强化技术。该技术最早由英国 AEA Technology 公司开发 ,并成功应用于化学反应工 程、 工艺尾气净化处理、 废液处理、核污染废液处理等 领域。与其有类似强化作用的超重力技术及设备 [ 2] 主要是通过填料旋转液体 ,而涡旋脉冲式反应器主要 是旋转气体强化气液传质过程, 设备没有转动部件, 可靠性更高 。由于具有结构尺寸小 、 传质效率高、操 作弹性大、处理含粉尘废气时不堵塞等诸多优点, 涡 旋脉冲气液接触器在许多工艺条件下表现出填料塔、 板式塔等传统废气净化处理设备无法比拟的优越性。 我们对涡旋脉冲气液接触技术进行了从设备结构到 操作特性等多方面的系统研究 ,以期为该技术在我国 环保领域获得推广应用积累基本的特性参数。在此 仅就涡旋脉冲气液接触器的结构、工作原理及用于含 粉尘 HCl 废气的净化实验进行介绍 。 2 涡旋脉冲式反应器的结构及工作原理 涡旋脉冲式反应器主要由壳体、气体入口流叶 片、 循环液体喷嘴等部分组成 ,其结构如图 1所示。 工艺气体沿切向高速进入壳体 6,在壳体上的气 图 1 涡旋脉冲式反应器基本结构 1锥形沉降槽; 2下隔板; 3喷嘴; 4导向叶片; 5上隔板; 6 壳体; 7气液分离网; 8圆形挡板; 9上端盖。 体导向叶片 4 的作用下在壳体中形成气旋 。气体旋 转的同时向壳体的中心运动, 最终由中心管排出。同 时,工艺液体经过循环泵增压后分成两股 ,分别从相 对布置的两个喷嘴 3 喷出, 形成喷溅的液滴 , 与旋转 的气体接触 ,实现气液两相间的传质过程 。在气体作 涡旋运动过程中 ,由于动量守恒, 气体周向速度逐渐 增加, 使气液两相间的剪切速率逐渐增加 ,这对气液 传质过程非常有利 。两股相对喷射的液体以一定的 脉冲频率流动, 两喷头的流量也以一定的频率发生变 化。因此喷出的液滴区的直径由小到大成周期性的 变化 。这不仅促进了液体形成较细小的液滴 ,增加了 液滴的比表面积 ,强化了气液传质过程 , 而且液体周 期性的喷溅还能有效地防止气体短路。 根据我们的经验, 在设备结构方面 ,有以下几个 细节设计应给予充分考虑 。 2. 1 工艺气体进出口结构设计 为了充分利用进口工艺气体的能量 ,使其在反应 器壳体内产生高速周向旋转, 气体进口接管与壳体必 44 环 境 工 程 2005年 8 月第23 卷第4 期 须严格相切。在气体进口附近还应设置导流叶片 ,以 使气体充分旋转。导流叶片与壳体的间距不应太大 并具有流线型外形, 以防阻挡循环液的喷溅和破坏气 流的旋转 。壳体顶部的气体出口前应设置圆形挡板。 挡板的直径应大于出口管直径的 3倍以上 ,其作用是 维持出口附近气体的旋转态势 ,增大气体在反应器内 的停留时间,减少液滴夹带。设计气速较高时 ,应考 虑在出口挡板反设置气液分离网。 2. 2 循环液体喷嘴结构设计 喷嘴的作用是使来自循环泵的两股循环液体高 速对撞 ,以产生微小均匀的喷溅液滴, 从而获得较高 的气液传质效率 。为产生对称的液滴喷溅,两喷嘴的 几何轴线应严格对中 。经验表明, 悬臂安装的两个分 离的喷嘴很难保证安装及使用时的轴线对中要求。 将喷嘴安装在上下隔板的中心 ,可以较好地保证对撞 喷嘴的对中。喷嘴流道的设计应能保证液体的压力 能充分转变为动能, 一般设计成拉戈尔喷嘴。 2. 3 液固分离槽 当循环液中可能存在固体反应产物或气体中夹 带的粉尘时,应在反应器底部设置液固分离槽 。锥形 沉降槽通常有较好的分离效果 ,并方便排渣。 3 试验研究 冶金工业和材料工业企业常产生大量含粉尘及 HCl 的工业废气, 对大气环境造成严重污染 [ 3] 。开发 运行费用低、 运行安全可靠的废气处理技术具有重要 的实际意义。为了降低运行费用同时回收稀盐酸 ,我 们以水作为循环吸收液, 利用涡旋脉冲反应器进行了 含粉尘及 HCl 的废气的净化试验。 3. 1 试验装置及方法 图 2 HCl 废气净化试验流程图 1气瓶; 2减压阀; 3调节阀; 4流量计; 5压力表; 6加热 器; 7缓冲罐; 8反应器; 9循环泵。 净化试验在图 2 所示的实验系统上进行。含粉 尘及 HCl 的模拟废气采用如下方法制备 。来自钢瓶 的N2进入缓冲罐 7 时, 气体的冲击扰动作用将定量 放置在缓冲罐底部的碳黑吹起 , 并与置于缓冲罐底 部,有定量 H2SO4滴入的盛有 NaCl 的敞口盒中溢出 的HCl 气体混合成模拟废气 。模拟废气经加热器 6 调温后切向喷入反应器, 与反应器内脉冲喷溅的循环 吸收液高速接触 ,实现废气的高效净化。净化后的尾 气从反应器顶部放空 。气体在反应器的入口和出口 处用球胆采样器采样 。废气中的 HCl 浓度用银量法 测定。溶液中 HCl 的浓度用中和滴定法测定。试验 用涡旋脉冲反应器直径为450 mm ,材料为硬质 PVC。 3. 2 试验结果与讨论 评价装置净化效果的主要指标是 HCl 脱除率 R 和粉尘的去除率R1,其定义分别为 R ni-n0 ni 100 1 R1 wi-w0 wi 100 2 式中 ni气相中 HCl 入口质量浓度 ; n0 气相中HCl 出口质量浓度; wi 入口处标准状态下单位体积气体中含 有的粉尘质量; w0 出口处标准状态下单位体积气体中含 有的粉尘质量。 操作过程中 , 有许多因素会对净化效率产生影 响,其中主要的因素有 操作温度、 液气比及吸收液中 的HCl 含量 。我们对这些主要影响因素进行了条件 试验, 以确定脉冲反应器净化含粉尘 HCl 废气的最佳 工艺条件。 3. 2. 1 温度对 R 的影响 在HCl 入口浓度为 3. 9 10 -3吸收液中 HCl 浓度 为3,控制入口气速为9. 8 m s和液气比80 L m 3 , 在 15～ 50 ℃间, 考察了温度与 HCl 脱除率 R 之间的关 系。试验结果见图 3。由试验结果可以看出 , 15 ～ 20 ℃ 为最佳吸收温度 。温度超过20 ℃后 ,随着操作 温度的上升 ,HCl 脱除率有所下降 。 图 3 操作温度与 SO2脱除率 R 的关系 45 环 境 工 程 2005年 8 月第23 卷第4 期 3. 2. 2 液气比对 R 的影响 在HCl 入口浓度为 3. 9 10 -3 , 吸收液中 HCl 入 口浓度含量为 3, 控制入口气速为9. 8 m s和操作温 度为20 ℃, 考察了液气比在 25 ～ 200 L m 3 范围内与 HCl 脱除率 R 之间的关系。试验结果见图 4。由试 验结果可以看出 ,当液气比较小时 ,HCl 脱除率较低。 这是因为喷溅液滴的密度小, 无法保证气液的充分接 触。当 120 L m 3 后 , 液气比对 HCl 脱除 率影响 不大 。 图 4 液气比与 SO2脱除率 R 的关系 3. 2. 3 吸收液中HCl 的含量对 R 的影响 在 HCl 入 口 浓 度 为 3. 9 10 -3 , 液 气 比 为 100 L m 3条件下 , 控制入口气速为10 m s和操作温度 为25 ℃,考察了吸收液中 HCl 的含量与 HCl 脱除率 R 之间的关系 。试验结果见图 5。由试验结果可以 看出, 当吸收液中 HCl 的含量较小时 ,HCl 脱除率较 高。这种关系符合气体吸收的一般原理。当吸收液 中HCl 的浓度增大到 8 时 ,HCl 脱除率开始显著下 降。为保证较高的HCl 脱除率 ,吸收液中HCl 的浓度 应控制在 8 以内。 3. 2. 4 操作条件对粉尘去除率 R1的影响 操作温度 、 吸收液的组成对粉尘去除率R1无影 图 5 吸收液中HCl 的含量与 HCl 脱除率 R 的关系 响 。液气比大于50 L m 3后 ,对 R 1的影响变得十分微 弱。在正常操作条件下, 排出气体中检测不出夹带 碳黑 。 4 结论 用水作为循环吸收液 ,涡旋脉冲反应器能高效率 地脱除废气中的 HCl 和粉尘。适宜的工艺条件为 操 作温度低于20 ℃; 液气比 60～ 80 L m 3 ; 吸收液中 HCl 的含量不大于 8。在适宜的工艺条件下,HCl 脱除 率可达 99. 5 以上, 粉尘去除率接近 100。系统操 作弹性很大, 当超过120 L m 3后 , 液气比几乎对脱除 率没有影响 。这一特性特别适于气体流量波动大的 废气处理操作。 参考文献 1 刘晓涛, 郭卫兵等. 穿流板塔治理HCl 废气工艺探讨. 环境工程, 1999. 17 5 33～ 35. 2 Mallinson. R, Ramshaw . C. [ P] . US4263255, 1981. 3 诸永泉, 谈定生等. 废气中低浓度氯化氢制取盐酸的研究及应用. 上海化工, 1999. 24 8 13～ 16. 作者通讯处 罗鹏 110142 沈阳经济技术开发区 11 号街 沈阳化 工学院 电话 024 89383281 2004- 12-07 收稿 上接第 66页 入最大量低于 10时 ,终渣中浸出毒性六价铬浓度 低于国家标准的 1. 5 mg L ,达到环境排放要求; 2 解毒方法以废治废, 方法简单 , 成本低易于 实现 。 参考文献 1 兰嗣国, 殷惠民, 狄一安等. 浅谈铬渣解毒技术. 环境科学研究, 1998. 11 3 53～ 56. 2 韩怀芬, 黄玉柱, 金漫彤. 铬渣的固化 稳定化研究. 环境污染与防 治,2002. 24 4 199～ 200. 3 孙春宝, 孙加林. 含铬废渣的综合利用途径研究. 环境工程, 1997. 15 1 42～ 44. 4 东北大学无机化学教研室编. 大学化学 Ⅱ . 沈阳 东北大学出版 社, 1993. 155. 5 刘锦华, 刘英杰, 张惠棠. 铬渣烧结中铬酸离子的还原和再氧化. 钢 铁研究学报 增刊 , 1997. 9 68～ 70. 6 李文超主编. 冶金热力学. 北京 冶金工业出版社, 1995. 37. 7 郭顺勤主编. 铬锰的性质及其应用. 北京 高等教育出版社,1992. 28. 8 方荣利, 金成昌. 铬渣的利用研究. 矿产综合利用, 1997. 5 50～ 44. 作者通讯处 王明玉 110004 东北大学材冶学院 119 2005- 01-04 收稿 46 环 境 工 程 2005年 8 月第23 卷第4 期 Keywords activated carbon, adsorption, PH3 EXPERIMENTAL STUDY ON PURIFYING DUST-BEARING WASTE GAS BY VORTEX LIQUID - GAS REACTORLuo Peng et al 44 Abstract A design of a novel vortex liquid -gas reactor was presented. Experimental studies were carried out in lab. The effects of temperature, the ratio of liquid gas and the concentration of HCl in the solution on HCl adsorptivity R were investigated. The experimental results showed that the vortex liquid -gas reactor can be used for removing the solid particles and hydrogen chloride gas in the carrier gas stream efficiently. It was also found that in the suitable conditions the HCl absorptivity could be as high as 99. 5 and there were no solids found in the discharged gas stream. Keywords reactor, waste gases treatment and hydrogen chloride EXPERIMENT RESEARCH ON TREATMENT OF ALDEHYDE POLLUTION BY TEA Wang Jinquan et al 47 Abstract In order to reduce the volatilisation content of aldehyde in the material of furniture, it is a experiment research that three plywood boardswere dealt separately with the extraction by liquid of teas and its mixed liquid with other reagents. The research results indicated that the extraction by liquid of teas could reduce the volatilisation conent of aldehyde from 400. 4μ g to 315. 4μ g, relative decrease about 21. 2; itsmixed liquidwith other reagents could reduce the volatilisation contnet of aldehyde from 390. 1μ g to 94. 6μ g, relative decrease about 75. 7. Keywords air pollution, tea, aldehyde and treatment RESEARCH ON MECHANISM OF SEVERAL SEMI-DRY DESULPHURIZATION PROCESSES GeJielong et al 49 Abstract In order to contrast and research the mechanism and perance of the desulphurization processes such as recycle semic -dry process, gas duct fluidized bed, lime spray in boiler and humidification activation behind boiler, semi -dry sprayer etc it is synthetically contrasted and analysed the inds of the desulphurization processes including react time, operating temperature. Ca S value, reliability, fuel applicability, equipmentfloor area, perance price ratio and so on. The result shows that novel integrated desulphurization technology NIDhas predominance on the inds such as fuel applicability, operating remperature, perance price ratio, operating reliability and so on by contrasting with other semi-dry desulphurization processes. So NID is well worth to be expanded and applied. Keywords semi -dry process, desulphurization, mechanism, inds and research THE FUNDAMENTAL STUDY ON THE REUTILIZATIONOF ELECTRONIC SCRAP BY PASSIVE PULSE AIR CLASSIFIERSDuan Chenlong et al 53 Abstract The mechanical separation of electronic scrapESwill benefit both the environment and the society. According to the characteristicsof ES, a passive pulse air -classifier was used to recover valuable components from ES at laboratory stage. The results of the laboratory experiments indicate that the passive pulsing classifiers achieve more effective results of separation and get a wider range of operating velocities of the airflow than the traditional ones. Keywords electronic scrap, mechanical separation, air -classifier, pulse air and separation efficiency CHARACTERISTICS OF BY -PRODUCTS FROM MUNICIPAL SOLID WASTE INCINERATOR He Pinjing et al 56 Abstract Incineration has become one of the major municipal solidwaste MSWtreatment processes in some cities of China. As a result, secondary pollution of by -products from the MSW incinerator is of increasing concern. According to the monitoring results over more than 2 years covering various seasons, the generation and typical characteristics of the leachate from the waste pit and the MSWI residues air pollution control residues and bottom ashare presented, taking a typicalMSW incinerator inShanghai as a case. Thereby the distribution of th heavy metals in the MSW incineration plant is discussed. Keywords municipal solid waste incineration, leachate, fly ash, bottom ash and properties of pollutants generation source RESEARCH STATUS AND PROBLEMS OF MODERN MUNICIPAL SOLID WASTE LANDFILL Li Zhibin et al 60 Abstract Modern municipal solid waste landfill isa most effective and safe in delaing withmunicipalwaste. A great deal of research work has been done by home and overseas scholars on geotechnical problems of landfill, but there are still some problems that have not been paid enough attention to. Based on the research achievements by home and overseas scholars, a series of problems were advanced that needed to be deeply researched. And some precautionary suggestions were given after tentative work. Keywords municipal solid waste landfill, geotechnical engineering problems and research status STUDY ONTOXICITY ELIMINATION OF CHROMIUM DREGS BY BLAST FURNACE SLAG Wang Mingyu et al 65 4 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 23,No. 4, Aug . , 2005