專利名稱：：氣-固接觸方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及廢氣流的處理，并且尤其涉及通過固體接觸從上述氣流中除去一種氣體組分的方法。鋁的電解生產(chǎn)中即遇到了一個可通過固體接觸法除去氣流中的一種氣體組分的實例。電解槽系列廢氣中具有氣態(tài)氟化物，并且特別是具有氟化氫，它是熔煉過程的必然結(jié)果。如果將這些氣體排入大氣，這就意味著凈損失了由熔煉過程產(chǎn)生的氟化物，這是不經(jīng)濟的，降低氟化物釋放量從環(huán)境保護觀點看來也是重要的。目前從廢氣中除去氣態(tài)氟化物是通過干洗滌技術(shù)完成的。它包含有使未處理的電解槽系列廢氣與氧化鋁顆粒接觸的步驟，并且氣態(tài)氟化物被化學(xué)吸附和/或物理吸附于氧化鋁表面上。隨后，在集塵室中與原來在廢氣中的夾帶顆粒一起收集氧化鋁。在這樣的干洗滌技術(shù)中，氧化鋁和廢氣之間的主要接觸可在兩種類型的反應(yīng)器中發(fā)生，即一種類型是已知的輸送反應(yīng)器。在一種輸送反應(yīng)器中，原始的氧化鋁在其被分離之前被注入到低速至中速氣流中。顆粒被注入氣流中，其目的是使氣流夾帶顆粒，并且顆粒相對于氣流的速度是低的。盡管這種反應(yīng)器是非常簡單的，但它是較低效率的氣-固接觸器，并且為達到所希望的洗滌效果，通常進行再循環(huán)(直至20次)。高的再循環(huán)由于過度的使用氧化鋁顆粒，將導(dǎo)致其高度的磨損，并且由于顆粒尺寸在鋁槽進料中是一個重要的參數(shù)。而顆粒過細將使這種槽產(chǎn)生控制問題。在這種類型的反應(yīng)器中，高的再循環(huán)比也將導(dǎo)致高比例的用于吸附氟化物的氧化鋁被帶至集塵室，這將使得集塵室具有高的固相載荷。此外，高的再循環(huán)比將難以預(yù)測和控制氟化物吸附于氧化鋁上的比值。另一種反應(yīng)器使用了傳統(tǒng)的流化床系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)需要大量的初始投資費用，并且由于流化床具有較大的壓力降，因此需要較高的操作費用。在這兩種反應(yīng)器中，所有的氧化鋁最終被供入電解槽中，并且使得其雜質(zhì)(在廢氣中的碳、微量金屬和其它顆粒)也被再循環(huán)到電解槽內(nèi)。實際上對于這兩種系統(tǒng)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，電解槽進料總量的大比例(通常100%)物料必須與廢氣接觸，以有效地將氟化物濃度降至一個相當?shù)乃?。由于氣流中的雜質(zhì)，降低了進料的全面質(zhì)量。本發(fā)明的目的在于提高氣-固接觸的效率，使得用較小比例的氧化鋁總量，即能夠降低電解槽系列廢氣的氟化物含量。任何干洗滌操作的目的均是用于以可能的最高速率將廢氣流中的氣體雜質(zhì)吸附或化學(xué)吸附于顆粒材料上，并且使顆粒材料載有可能達到最高量的雜質(zhì)。從商業(yè)觀點看，應(yīng)該通過將與氣-固接觸有關(guān)的操作費用降至最低來實現(xiàn)該操作。氣相傳質(zhì)系數(shù)和傳質(zhì)速率極大地依賴于顆粒周圍的擴散邊界層的傳質(zhì)阻力。如果通過高的滑移速度(顆粒和氣體之間的相對速度)來顯著降低邊界層，則傳質(zhì)將取決于在顆粒表面的吸附或化學(xué)吸附速率。通常，這將導(dǎo)致傳質(zhì)過程以很快的速率進行。因此，對于相對較短的停留時間，吸附過程能夠基本達到平衡，顆粒材料在其被分離之前即接近了對于氣體組分的飽和極限。因此，僅需要較少的顆粒材料則可處理相同的氣體量。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果顆粒材料與高速廢氣流接觸，則顆粒表面的擴散作用被降低至最低，并且它對于吸附的總速率的影響是很小的。按照上述目的，本發(fā)明提供了一種從氣流中洗滌一種氣體組分的方法，它包括使所述氣流具有預(yù)定的速度，在所述的氣流中夾帶的顆粒材料能夠吸附氣體組分，并使其顯著降低，并回收所述的處理過的顆粒材料，其特征在于，所述的預(yù)定速度相對于顆粒材料是這樣的一個大小和方向，即使得在吸附過程中，氣體組分對于顆粒材料的邊界擴散阻力和回收所述處理過的顆粒材料都顯著降低。最好，在洗滌操作之前，基本上從氣流中除去所有的固體材料。顆粒材料最好是氧化鋁，而氣體組分是氣態(tài)氟化物。已經(jīng)進一步發(fā)現(xiàn)，處理過的細顆粒材料(最好小于45μm)比處理過的粗顆粒含有較大比例的微量金屬。這樣，如果從處理過的粗氧化鋁顆粒洗提出細顆粒，則作為進料處理過的氧化鋁中添加的雜質(zhì)的化合作用將降低。這樣做所具有的另一優(yōu)點是它解決了細顆粒材料對于在電解槽附近工作的人們所引起的職業(yè)性健康問題。這樣，本發(fā)明的另一方面提供了一種用于處理含在廢氣流中的氣體組分的方法，它包括，使高速廢氣流與一種能夠吸附或化學(xué)吸附氣體組分的顆粒材料接觸，回收顆粒材料的粗顆粒;氣體組分在所述材料上的吸附已經(jīng)達到平衡;使氣流能帶走顆粒材料中的細顆粒，并且分離和回收細顆粒。這種方法的優(yōu)點是氣流僅將細顆粒帶至集塵室，從而降低了袋濾器的固相載荷，并且也降低了該設(shè)備的操作費用。此外，能從系統(tǒng)中除去或單獨處理具有如微量金屬那樣的高濃度雜質(zhì)的顆粒。如果需要進一步降低處理過的氧化鋁的雜質(zhì)含量，則最好在與吸附顆粒材料接觸之前，基本上全部除去廢氣中的固體。最好在一個具有環(huán)形反應(yīng)區(qū)的設(shè)備中實現(xiàn)該接觸過程，所述氣流從該反應(yīng)區(qū)的下方進入。進入的廢氣最好與環(huán)形的軸線成一定角度而進入反應(yīng)區(qū)的底部，使得氣流通過反應(yīng)區(qū)前進時，具有圍繞所述軸線的園周運動。用這種方式，高速氣流能被容納在一個相對小的區(qū)域中。由于氣流相對于顆粒材料是高速的(最好大于1m/s)，因此將邊界層降至最低，并且在材料的表面快速發(fā)生反應(yīng)。因此，顆粒材料達到平衡僅需極短的接觸時間。在預(yù)定的停留時間之后，可以去掉顆粒材料中的粗顆粒，并使氣流帶走細顆粒材料。本發(fā)明的以上和其它的特征和優(yōu)點將從以下參照附圖對優(yōu)選實施方案進行描述中變得更為明顯。其中圖1是一個結(jié)合有本發(fā)明方法的一個實施方案的干洗滌系統(tǒng)的工藝流程圖;圖2是用于實施本發(fā)明方法的一個實施方案的設(shè)備的示意圖;圖3是一個用于說明反應(yīng)區(qū)中氣流和一個顆粒相對速度的示意圖;圖4是一個用于實現(xiàn)本發(fā)明方法的一個實施方案的設(shè)備的局部透視圖;圖5至7是用于說明當滑移速度增加時，顆粒周圍的擴散邊界層減少情況的示意圖;圖8是一個用于說明滑移速度對傳質(zhì)速率和反應(yīng)速率的相對改善的作用的圖表;圖9、10、11和12是用于說明鐵、釩、鎳和鎵作為顆粒尺寸的函數(shù)而分別吸附或化學(xué)吸附于氧化鋁上的量?，F(xiàn)在將根據(jù)從鋁精煉電解槽的廢氣中除去氟化物和微量金屬，例如釩、鎳、鎵和鐵來描述本發(fā)明洗滌方法。在圖1所示的總的工藝流程圖中，未處理的電解槽廢氣首先通過一個除固體步驟2來除去可能夾在氣流中的任何顆粒材料，例如二氧化硅、氧化鋁或碳，除去的材料作為料流3。這一步驟可通過一系列旋風(fēng)分離器或復(fù)式旋風(fēng)分離器或其它除塵設(shè)備完成。隨后，氣流進入反應(yīng)器4，在反應(yīng)器中氟化物和微量金屬被吸附或化學(xué)吸附于原始的氧化鋁5的表面上。隨后除去處理過的氧化鋁的粗顆粒6，并且使其與鋁的精煉操作的進料混合。隨后，由氣流帶走其細顆粒，并在其進入集塵室8之前使其通過折流板7，分離出所夾帶的較大的顆粒。在細顆粒中的較大顆粒9被返回至反應(yīng)器，而其余部分10通入集塵室，以便從氣流中分離出顆粒流11。在顆粒流11排去的顆粒尺寸小于約45微米，最好小于約20微米，而小于約10微米則更好。如果能夠足以控制從反應(yīng)器出來的細顆粒的顆粒尺寸，也可以不用折流板系統(tǒng)。在圖2和4所示的用于實現(xiàn)本發(fā)明方法的設(shè)備20中，含氟化物的廢氣流21在所示箭頭的方向進入反應(yīng)器。環(huán)形反應(yīng)區(qū)22的底部具有許多進氣導(dǎo)板23，它們在與反應(yīng)區(qū)入口至少成80°角的方向上引導(dǎo)所進入的高速廢氣，從而使得氣體基本上在反應(yīng)區(qū)22的園周方向上運動。從而氣體在反應(yīng)器20的工作區(qū)產(chǎn)生了一個圍繞反應(yīng)區(qū)22的軸線的旋流運動。氧化鋁通過軸向?qū)Ч?4喂入反應(yīng)器，該導(dǎo)管有一個擴張的錐形進料器，以便在進入25處的環(huán)形反應(yīng)區(qū)之前，能使在氣流中，顆粒材料呈均勻分布。隨著顆粒與氣流的接觸，氣流的旋流運動和氣流相對于顆粒的速度引起了下面將要討論的擴散邊界層的剪切或破壞。顆粒最初在離心力作用下移至反應(yīng)區(qū)22的外側(cè)，但隨著更多的顆粒進入反應(yīng)器，反應(yīng)區(qū)內(nèi)裝入和處理過的顆粒被迫移到反應(yīng)區(qū)內(nèi)側(cè)。已經(jīng)完成了吸附過程的處理過的顆粒通過導(dǎo)管28以料流27從反應(yīng)器中取出，它們將與精煉電解槽或熔煉爐進料混合。反應(yīng)器29的壁可如圖4所示的那樣向上延伸，并且以錐形向外延伸(未示出)，以便如圖1所示那樣保持夾帶細顆粒，直至經(jīng)過該處理步驟為止。如早先討論的那樣，當氧化鋁顆粒進入反應(yīng)區(qū)時，如果顆粒和氣體之間的速度差大，它將足以剪切或破壞在顆粒周圍所環(huán)繞的擴散邊界層。這些在圖5、6和7中示出。在圖5中，顆粒速度大致與氣體速度相同。這導(dǎo)致了滑移速度接近于零，它相當于在輸送式反應(yīng)器中進行的洗滌操作。如圖所示，其擴散邊界層是大的，因此，具有高的氣相阻力。在圖6中，增加了滑移速度，因此擴散邊界層阻力較低，并且氣相傳質(zhì)較快。此種情況類似于流化床反應(yīng)器，盡管它改進了洗滌操作，但由于其投資和操作費用較高，從而顯著地降低了人們對該類型反應(yīng)器的興趣。如圖7所示，當氣體速度比顆粒速度大得多，將大大地降低邊界層擴散阻力。在氣流方向上，顆粒速度基本為零，其滑移速度大于約1米/秒。它提供了足夠低的氣相傳質(zhì)阻力，以便達到有效的氣體洗滌。盡管氣體的速度不會大到足以除去所有的邊界層，但是已除去或破壞了足夠量的邊界層，使得在總反應(yīng)速率中大大地降低了氟化物向顆粒擴散速率的影響。這樣，在總反應(yīng)中的速率是由氟化物在氧化鋁表面的吸附或化學(xué)吸附來確定。由于氟化物和氧化鋁之間的反應(yīng)是快速和完全的，因此與氧化鋁的接觸能以單程進行。為處理在鋁電解槽中形成的大量廢氣，可以并聯(lián)形成一排反應(yīng)器。電解槽廢氣的氣態(tài)氟化物的一個典型的干洗工序必定可以處理濃度為100～400ppm(氟化氫)的氣2～3×106Nm3/小時。圖8是一個圖表，其中X軸表示滑移速度，單位為m/s，Y1軸表示傳質(zhì)系數(shù)，單位為cm/s，而Y2軸表示反應(yīng)速率相對改進的百分數(shù)。沸化床氣體洗滌器具有的典型滑移速度為0.6m/s，而輸送反應(yīng)器具有的滑移速度小于0.1m/s。因此，從圖8可以清楚地看出操作時滑移速度大于1m/s的好處。對于按照本發(fā)明并且最好在環(huán)形反應(yīng)區(qū)完成的氣體洗滌操作，最好使用4至5m/s之間的滑移速度以提高洗滌效率。如早先所述，通過使用環(huán)形反應(yīng)區(qū)，該設(shè)備能允許氣流帶走氧化鋁細顆?；蜻^后回收氧化鋁細顆粒，此外，1米直徑的環(huán)形反應(yīng)區(qū)的壓力降是10～30mm水柱，該值的數(shù)量級小于相應(yīng)的流化床氣體洗滌器。本申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，小于45微米的細顆粒吸附或化學(xué)吸附了不成比例量的，特別是微量金屬。圖9、10、11和12說明了鐵、釩、鎳和鎵的吸附，其每百萬的份數(shù)(Y軸)與顆粒尺寸(X軸)的函數(shù)關(guān)系。在鋁精煉電解槽的廢氣的氣態(tài)氟化物吸附或化學(xué)吸附于氧化鋁上，氟化物和處理過的氧化鋁兩者均用作精煉電解槽的進料。微量金屬，例如鎵、鎳、鐵和釩被認為是污染物，并且由于它們也存在于廢氣中，所以它與氣態(tài)氟化物一起被吸附或化學(xué)吸附于氧化鋁上。為防止這些微量金屬隨處理過的氧化鋁一起返回精煉電解槽，因此回收那些不成比例地含有較高量微量金屬的細顆粒，并且不使其作為精煉電解槽的進料。從圖9至12可以清楚地看出，小于10微米的顆粒具有最大比例的微量金屬，從而可以看出分離出直至45微米的細顆粒所帶來的好處。表1示出了通過除去20微米顆粒尺寸的氧化鋁和45微米顆粒尺寸的氧化鋁，所得到的雜質(zhì)含量降低。表1<tablesid="table1"num="001"><tablealign="center">元素除去的顆粒氧化鋁除去的雜質(zhì)尺寸(微米)(重)％％V－202047－452555Ni－202053－452560Fe－202017－452520</table></tables>可以看出，分離細顆粒對于除去釩和鎳是最顯著的。盡管主要是通過用氧化鋁接觸鋁電解槽廢氣來除去其中的氣態(tài)氟化物來描述本發(fā)明的，但是本專業(yè)普通技術(shù)人員能夠很容易地理解到，本發(fā)明的方法能用于取決于吸附或化學(xué)吸附顆粒擴散速率的其它氣體洗滌或氣固接觸場合，例如，它能用于煙道氣或需脫硫氣體的脫硫。這樣的含硫氣體含有二氧化硫或其它的硫的氧化物，在其放空、釋放之前必須首先對其進行處理，降低其對環(huán)境的有害作用。通常的作法是在濕式或干式洗滌器中處理它們。在此情況下，固體接觸介質(zhì)可以是石灰或熟石灰或氧化鋅。顆粒周圍的擴散邊界層的降低將提高反應(yīng)速率和效率。權(quán)利要求1.一種洗滌氣流中氣體組分的方法，包括使所述氣流具有預(yù)定的速度，使能夠吸附或化學(xué)吸附該氣體組分的顆粒材料接觸所述的氣流，并且回收所述的處理過的顆粒材料，其特征在于，所述預(yù)定速度相對于顆粒材料是這樣的大小和方向，即使得在吸附過程中，氣體組分對于顆粒材料的邊界層擴散阻力顯著降低。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，氣流相對于顆粒的預(yù)定速度大于1m/s。3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，氣流相對于顆粒的預(yù)定速度大于4m/s。4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，氣流相對于顆粒的預(yù)定速度小于5m/s。5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，氣流和顆粒材料之間的接觸是在一個環(huán)形反應(yīng)區(qū)進行。6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，使從該環(huán)形區(qū)下方進入的氣流基本上具有園周運動，并且所述顆?；旧显谳S向上進入該反應(yīng)區(qū)。7.如權(quán)利要求1或6所述的方法，其特征在于，所述顆粒材料中的細顆粒由所述氣流從粗顆粒中洗提出來，這些細顆粒夾帶在該氣流中并且與所述氣流一起離開反應(yīng)區(qū)。8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，在顆粒材料離開反應(yīng)區(qū)之前，氣流中的氣體組分在該顆粒材料上的吸附或化學(xué)吸附已基本達到平衡。9.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，顆粒材料是氧化鋁，而氣體組分是氣態(tài)氟化物。10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，細顆粒的顆粒尺寸小于約45微米。11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，細顆粒的顆粒尺寸小于約20微米。12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，細顆粒的顆粒尺寸小于約10微米。13.一種用于處理廢氣流中所含氣體組分的方法，包括使一種能夠吸附或化學(xué)吸附氣體組分的顆粒材料與高速廢氣流接觸;回收顆粒材料中的粗顆粒;氣體組分在所述材料上的吸附已經(jīng)基本達到平衡;使顆粒材料中的細顆粒能由氣流帶走，并且分離和回收所述的細顆粒。14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述高速氣流在一環(huán)形反應(yīng)區(qū)中接觸所述顆粒材料，所述廢氣流基本上以園周運動通過所述反應(yīng)區(qū)，并且所述顆粒材料基本上在相反的軸向上供入該反應(yīng)區(qū)。15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，廢氣流相對于顆粒材料的速度大于約1m/s。16.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，廢氣流相對于顆粒材料的速度大于4m/s。17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，廢氣流相對于顆粒材料的速度小于5m/s。18.如權(quán)利要求13或14所述的方法，其特征在于，細顆粒的顆粒尺寸小于約45微米。19.如權(quán)利要求13或14所述的方法，其特征在于，細顆粒的顆粒尺寸小于約20微米。20.如權(quán)利要求13或14所述的方法，其特征在于，細顆粒的顆粒尺寸小于約10微米。21.如權(quán)利要求13或14所述的方法，其特征在于，顆粒材料是氧化鋁，而被除去的氣體組分是氣態(tài)氟化物。22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，在處理過的氧化鋁離開反應(yīng)區(qū)之前，氟化物在氧化鋁上的吸附已基本達到平衡。全文摘要在此公開了一種氣體洗滌方法，通過使顆粒材料與高速廢氣流接觸，降低由于擴散邊界層引起的傳質(zhì)阻力并提供較高的傳質(zhì)速率。此方法特別適合于用氧化鋁從鋁電解槽廢氣中洗滌氣態(tài)氟化物。此外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，顆粒尺寸最好的是小于45μm的細顆粒從廢氣中吸附或化學(xué)吸附不成比例量的雜質(zhì)微量金屬。為防止這些含在廢氣中的微量金屬再循環(huán)回電解槽中，可以從粗顆粒中洗提出這些細顆粒。文檔編號B01D53/10GK1059479SQ9110856公開日1992年3月18日申請日期1991年8月3日優(yōu)先權(quán)日1990年8月3日發(fā)明者C·G·古德斯,G·A·韋爾伍德,A·R·基亞,R·F·斯蒂爾申請人:科馬爾科鋁有限公司