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TW202231334A - 緊湊型文氏管洗滌器、文氏管洗滌系統、和利用緊湊型文氏管洗滌器從氣流中去除物質的方法 - Google Patents

緊湊型文氏管洗滌器、文氏管洗滌系統、和利用緊湊型文氏管洗滌器從氣流中去除物質的方法 Download PDF

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詹姆斯 Ｐ 諾頓
理查德 Ｓ 陶德
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Abstract

本發明揭露一種緊湊型文氏管洗滌器包括：進氣部、與進氣部對齊的排放部、噴嘴以及液體入口。所述排放部具有由進氣部及排放部的交叉點限定的底部、發散的內表面以及由發散的內表面限定的發散角。液體洗滌介質由液體入口被引入噴嘴，其中噴嘴以足夠大的排放角產生朝向排放部底部的完整噴霧模式，使得噴嘴與排放部底部相交的點處產生的完整噴霧模式的橫截面完全覆蓋並基本匹配排放部的底部的橫截面的大小和形狀。

Description

緊湊型文氏管洗滌器,　文氏管洗滌系統,　和利用緊湊型文氏管洗滌器從氣流中去除物質的方法
[相關申請的交叉引用]
此申請案的請求項主張於2020年10月30日所提出的美國臨時申請案第63/107,933號的優先權。此美國臨時申請案第63/107,933號揭露的整體內容以引用方式併入本文中。
本發明的領域涉及使用濕式洗滌系統來處理氣流以去除物質，所述物質包括例如污染物、殘留反應物和催化劑。
濕式洗滌系統用於處理氣流以通過攔截、吸收、吸附、化學反應或這些方法的任何組合去除不希望的物質，方法是使所述氣流與洗滌液流接觸，洗滌液流的組成和條件適用於特定的被處理的氣體和整體處理目標。處理氣流所必需的氣-液接觸是入口氣流的條件和組成、預期廢氣的條件和組成、洗滌液的條件和組成、以及用於物理接觸液體和氣體流的手段的函數。用於液-氣接觸的設備和方法在許多行業中很常見，設備可從許多供應商處獲得，範圍從使用帶有一層或多層液體噴霧的外殼的簡單系統到能夠實現將物質濃度降低非常多的高能耗文氏管系統（venturi system）。本發明的一實施例的方法和設備提供一種比目前實踐的文氏管液-氣接觸更有效的方式，從而在以下方面產生益處：提高性能、提高操作靈活性、提高檢查和維護能力、提高機械可靠性、減少場地空間並降低能耗。
採用習知的噴射器文氏管進行液-氣接觸的濕式洗滌系統可以使用安裝在主氣體外殼外部的少量大文氏管或安裝在氣體外殼內部的大量小文氏管，來實現高污染物去除效率所需的緊密液氣接觸。
採用少量大文氏管的系統被配置為單階段系統，並且由於文氏管洗滌器的尺寸，無法容易重新配置以提供多個高效的低壓降（low pressure drop）文氏管洗滌階段。與本發明的實施例相比，這些系統需要更多的煙道氣（flue gas）入口管道，以將進入的氣體移動到具有較高高度的大型、附加的文氏管入口以及到文氏管入口的單獨管道。使用本文所述的緊湊型文氏管洗滌器的洗滌系統通常需要在顯著較低的高度處的單個氣體入口，從而簡化氣體入口管道。與單階段系統相比，在使用本文所述的緊湊型文氏管洗滌器的系統中經濟地使用多個文氏管階段允許每個階段以較低的能量和不同的洗滌液體組成操作，從而導致較低的能量消耗以獲得相同的洗滌器性能。
採用大量小文氏管的系統很容易配置為多階段系統中的其中一階段，文氏管洗滌階段的數量受每個文氏管洗滌級施加在入口氣體上的背壓（back pressure）限制，並且需要將入口循環液體管道和噴嘴安裝在氣體外殼內，因為安裝在氣體外殼內而無法接觸它們以進行維護或提高運行中的洗滌系統的性能。本發明的一實施例的方法和裝置通過提供本文所述的具有改進的洗滌性能和良好的壓力恢復特性的緊湊型文氏管洗滌器來解決習知的小型文氏管濕式洗滌系統的限制，所述緊湊型文氏管洗滌器可以安裝在氣體外殼內同時提供可以從氣體外殼的外部接觸之循環液體管道和噴嘴，這允許在運行中維護或更換液體噴嘴，從而提高單元可靠性。在運行中更換噴嘴的能力還允許在無需關閉洗滌器的情況下變更單元的性能（用替代設計的噴嘴更換液體噴嘴）。由於本文所述的緊湊型文氏管洗滌器的低氣體側壓降特性，在採用本文所述的緊湊型文氏管洗滌器的洗滌系統設計中可包括多個文氏管洗滌階段，而不會對入口氣流施加過大的背壓。添加額外文氏管洗滌階段的能力降低了滿足任何特定洗滌器性能標準所需的總能量。採用本文所述的緊湊型文氏管洗滌器的洗滌系統在每個接觸階段具有較少的文氏管洗滌器和專用液體噴嘴，從而減少了專用設備的數量和循環液體管道的數量，進而降低了資本和維護（備件）成本。
本發明公開了通過濕式洗滌的方法及設備，從製造過程、烴燃料的燃燒以及固體、液體和氣體廢物的焚燒/熱氧化所產生的氣流（氣體處理）中去除不需要的物質。本發明的一實施例對習知的濕式洗滌系統進行了一些改良，包括：緊湊型文氏管洗滌器，其允許設計緊湊的多單元、多洗滌階段以實現高洗滌效率；以及一個緊湊型文氏管洗滌器，其使用排放部逐漸變化的區域來接觸和收集不需要的物質。
本發明的一實施例提供一種緊湊型文氏管洗滌器包括：進氣部、與進氣部對齊的排放部、噴嘴，以及液體入口。所述排放部具有（i）由進氣部及排放部的交叉點限定的底部、（ii）發散的內表面、以及（iii）由發散的內表面限定的發散角。液體洗滌介質由液體入口被引入噴嘴。其中噴嘴以足夠大的排放角產生朝向排放部底部的完整噴霧模式，使得噴嘴與排放部底部相交的點處產生的完整噴霧模式的橫截面完全覆蓋並基本匹配排放部的底部的橫截面的大小和形狀。
本發明的一實施例提供一種文氏管洗滌系統，包括一個或多個洗滌階段。每個所述洗滌階段包括一個或多個緊湊型文氏管洗滌器。每個所述緊湊型文氏管洗滌器包括：進氣部、與進氣部對齊的排放部、噴嘴，以及液體入口。所述排放部具有（i）由進氣部及排放部的交叉點限定的底部、（ii）發散的內表面以及（iii）由發散的內表面限定的發散角。液體洗滌介質由液體入口被引入噴嘴。其中噴嘴以足夠大的排放角產生朝向排放部底部的完整噴霧模式，使得噴嘴與排放部底部相交的點處產生的完整噴霧模式的橫截面完全覆蓋並基本匹配排放部的底部的橫截面的大小和形狀。
本發明的一實施例提供一種利用緊湊型文氏管洗滌器從氣流中去除物質的方法。所述緊湊型文氏管洗滌器包括進氣部、與進氣部對齊的排放部、噴嘴，以及液體入口。所述排放部具有（i）由所述進氣部及所述排放部的交叉點限定的底部、（ii）發散的內表面以及（iii）由發散的內表面限定的發散角。液體洗滌介質由液體入口被引入噴嘴。此方法包括：噴嘴以足夠大的排放角產生朝向所述排放部的底部的完整噴霧模式，使得所述噴嘴與所述排放部底部相交的點處產生的完整噴霧模式的橫截面完全覆蓋並基本匹配排放部的底部的橫截面的大小和形狀，並且當氣流與液體洗滌介質混合時，使氣流通過緊湊型文氏管洗滌器的進氣部及排放部。
根據本發明原理的說明性實施例的描述旨在結合附圖來閱讀，這些附圖被認為是整個書面描述的一部分。在本文所公開的本發明的實施例的描述中，任何提及到方向或方位僅是為了描述的方便，並不旨在限制本發明的範圍。諸如「下、「上」、「水平」、「垂直」、「在上方」、「在下方」、「上方」、「下方」、「上端」和「下端」等相對術語及其衍生詞（例如、「水平的」、「下方的」、「上方的」等）應被解釋為是指如下文描述的或討論中的附圖中所示的方向。這些相對術語僅是為了描述方便，除非有明確指出，否則不要求設備以特定方向構造或操作。諸如「連接」、「固定」、「連接」、「耦合」、「互連」和類似的術語是指一種關係，其中結構通過中間結構以及可移動的或剛性的連接或關聯，直接或間接地相互固定或連接，除非另有明確說明。此外，本發明的特徵和優勢通過參考示例性實施例來說明。因此，本發明明確地不應限於此類用於說明一些可能的非限制性特徵組合之示例性實施例，所述示例性實施例可以單獨存在或以其他特徵的組合存在。本發明的範圍由所附請求項限定。
本揭露描述目前所設想實踐本發明的最佳模式或多個模式。此描述不應理解為限制本發明，而是提供本發明的示例，其僅出於說明性目的並且通過參考附圖向本領域一般技術人員告知本發明的優點和構造。在附圖的各個視圖中，相同的附圖標記表示相同或相似的部分。
圖1A示出了本文所述的緊湊型文氏管洗滌器（1A）。此緊湊型文氏管洗滌器包括：進氣部（1）、與進氣部（1）對齊的發散的排放部（2）、液體入口（3）、以及噴嘴（4）。液體洗滌介質由液體入口（3）被引入噴嘴（4）。噴嘴（4）位於距排放部（2）的底部足夠遠的位置（排放部（2） 的底部是由排放部（2）和進氣部（1）的交叉點限定的橫截面面積）並設計用於產生具有足夠大的排放角（5）的完整噴霧，以便噴嘴（4）在與排放部（2）的底部相交的點處產生的完整噴霧模式的橫截面完全覆蓋排放部（2）的底部的橫截面。由噴嘴（4）產生的噴霧模式完全覆蓋排放部（2）的底部可確保沒有氣體繞過排放部（2）的底部而未接觸洗滌液。在本發明的一優選實施例中，噴霧模式在到達排放部（2）底部相交的點處的橫截面幾何形狀和面積匹配排放部（2）底部的橫截面幾何形狀和面積以及排放部（2）的本身的橫截面幾何形狀，從而最大限度地減少液體噴霧對進氣部（1）的內表面及排放部（2）的任何影響，從而產生最大的用於在排放部（2）的底部的下游進行洗滌的液體洗滌介質。在本發明的一優選實施例中，噴霧模式的橫截面幾何形狀、排放部（2）的底部的橫截面幾何形狀、以及排放部（2）的橫截面幾何形狀相同且為圓形或矩形。當氣體和液體通過排放部（2）時，這最大限度地提高了整個排放部（2）的液體覆蓋率使更多的液體可用於連續洗滌，從而降低特定性能層級（level of performance）的能量消耗或是提高與習知系統相同能階（energy level）時的單位性能。必要時，可以使用多個噴嘴（4）來產生所需的噴霧模式。排放部（2）可以設計成與噴嘴（4）的噴霧排放角（5）有相同的發散角（排放部的發散角由排放部發散的內表面限定），從而最小化液體洗滌介質對排放部（2）的內表面的任何影響，以最大化用於洗滌的液體洗滌介質。習知的噴射型文氏管洗滌器中排放部的發散角通常小於15度並且最經常小於10度，但本發明實施例的排放部（2）的發散角可以大於20度，並且在本發明的優選實施例中是20至45度，這會導致緊湊型文氏管洗滌器（1A）的長度小於同等容量的習知文氏管洗滌器的長度的25%。
噴嘴（4）被設計成將洗滌液先霧化成片然後成小液滴，這些液滴提供用於吸收氣態物質和攔截小顆粒物質和煙霧的表面積，同時為通過慣性撞擊收集較大的固體顆粒和煙霧提供快速移動的物體。為實現從氣流中去除不需要的物質，噴嘴（4）可設計成提供必需的不同尺寸、速度及分散模式的液滴。洗滌液與氣體混合並一同流經進氣部（1）至排放部（2），在排放部（2）中進入的氣體和洗滌液都緊密混合/分散。進氣部（1）的內表面所形成的角度足夠大，以免阻礙洗滌液噴霧的任何部分到達進氣部（1）連接到排放部（2）的點。根據設計要求，進氣部（1）的內表面形成的角度可以大到180度。
如圖 1B 所示，待處理的氣體從由內壁（8A）和外壁（8B）形成的充氣部（8C）或者從管道或從其他氣體外殼（例如，管子、管道、容器、罐、反應器、鐵桶等）進入一個或多個緊湊型文氏管洗滌器的進氣部（1）。待處理的氣體在通過進氣部（1）時被加速，在進氣部（1）連接到排放部（2）的點處達到其最高速度。
合併的氣體和液體流進入排放部（2）均勻混合。在排放部（2）的底部，洗滌液流（片狀和液滴）與氣體之間存在不同的速度。不同的速度對洗滌器的性能至關重要，並且還能為氣流提供能量以抵消部分或全部文氏管氣體側壓力損失。為了使液體流和氣體之間的速度差最大化以及為了處理氣體的洗滌液的可用性最大化，排放部（2）被設計為具有與噴嘴（4）的噴霧排放角（5）相同的發散角（5A）。因此，當氣體通過排放部（2）時，其速度隨著排放部（2）的橫截面積的增加而降低。較高動量的液體流則繼續分散，最小化對排放部（2）的內表面的影響。片狀及短細狀的洗滌液通過緊湊型文氏管洗滌器的整個長度（10）繼續分解，最大限度地形成液滴並提高氣體處理能力。在排放部（2）中氣體和液體流之間的速度差逐漸增大，進一步提高了氣體處理能力。
如圖1B所示，混合的氣體和液體流從緊湊型文氏管洗滌器通過排放部出口（7）排放到由壁（16）封閉的處理氣室（17）中。當需要小液滴以達到所需的氣體處理程度時，可能需要在排放部出口（7）的下游附加氣液分離裝置（11）。這些裝置可以採用多種形式，從位於距文氏管排放口（7）固定距離（13）的簡單垂直靶板到更複雜的商用進氣口蒸汽筒（inlet vapor horn）。緊湊型文氏管洗滌器可以旋轉以對外殼壁（16）提供部分或全部衝擊，以最小化室內部。作為改善液體分離，另一種方式是改變緊湊型文氏管洗滌器或一組緊湊型文氏管洗滌器的方向（9）。
本發明實施例的緊湊性質允許將（一個或多個）緊湊型文氏管洗滌器安裝在氣體外殼內，同時提供從氣體外殼外部進入液體入口（3）及噴嘴（4）的通道。當液體入口（3）及噴嘴（4）被移除時，可以使用如圖2所示的隔離組件來防止氣體洩漏。隔離組件可以包括安裝噴嘴（mounting nozzle）（14）、隔離閥（18）以及填料壓蓋（15）。隔離組件的結合使液體入口（3）及噴嘴（4）能夠在運行中的洗滌系統中進行維護或更換，從而最大限度地提高整體單元的可靠性和運行時間。此外，此功能允許安裝不同設計的噴嘴以改變洗滌器的性能特徵，而無需使洗滌器停止使用。
本發明的一個實施例能夠經濟地使用的多階段洗滌系統。圖3示出了結合了本文所述的緊湊型文氏管洗滌器（1A）的兩階段式洗滌系統。兩階段式洗滌系統包括由壁（16）限定的外殼，所述外殼具有一個或多個氣體入口（39），其將進入的氣流引導至由外壁（8B）和內壁（8A）界定的充氣部（8C），內壁（8A）將進入的氣流與從（一個或多個）排放部出口（7）離開的已處理的氣流隔開。進氣室（inlet chamber）中的氣體在排放到第一處理氣室（17）之前必須流過一個或多個緊湊型文氏管洗滌器。此兩相（液體和氣體）混合物離開（一個或多個）排放部出口（7）並進入第一處理氣室（17）。緊湊型文氏管洗滌器可以直接排放到第一處理氣室（17）以進行初級液體/蒸汽分離，或者可以被引導與液體分離裝置（11）接觸或與氣室的壁（16）接觸，或者可以如圖4A和4B所示，被引導朝向或通過任何其他衝擊裝置或表面以增加液滴撞擊，以減少被帶到位於第一處理氣室（17）出口處的去挾帶裝置（de-entrainment device）（22）的經處理的氣流中夾帶的液滴的量。
第一處理氣室（17）的下部可設計成提供用於收集和儲存第一階段洗滌液體存量的貯槽（20）。來自貯槽（20）的第一階段洗滌液通過液體出口噴嘴（21）和泵吸入管線（pump suction line）（101）供應到一個或多個第一階段循環泵（42）。循環泵（42）通過主供應管線（102）和分支管線（103）向（一個或多個）第一階段緊湊型文氏管洗滌器的每個液體入口（3）提供所需的洗滌液體流量和壓力。液體貯槽（20）的體積可根據貯槽液位控制的設計標準來設置，並提供足夠的存量以允許在進入的氣體污染物負載高的期間繼續洗滌器操作。
第一處理氣室（17）中的已處理氣體被洗滌液飽和並且將少量的液滴攜帶至去挾帶裝置（22）。所述裝置可以是用於液體/蒸汽分離的多種市售去挾帶裝置中的任何一種。具體的去挾帶裝置的選擇取決於可添加到第二階段洗滌液中的第一階段洗滌液而不會影響第二階段的性能或可靠性的允許量。收集的液滴聚結成較大的液滴和液膜，並在重力的影響下落回貯槽（20）。取決於具體的設計要求，可以提供如圖3中部分示出的全抽取托盤（34），當液滴通過第一處理氣室（17）中的湍流氣流模式落下時，最大限度地減少可能的再挾帶（re-entrainment）來減少去挾帶裝置（22）的液體負載。
在將挾帶液體的量減少到可接受的程度後，已處理的氣體流入由外壁（16或8B）和內壁（8A）限定的區域（25），內壁（8A）包含第二階段液體貯槽（28）的側壁（23）以及分隔出區域（25）和第二階段處理氣室（29）的壁（24）。穿透內壁（8A）安裝一個或多個緊湊型文氏管洗滌器，為從區域（25）流動到第二階段處理氣室（29）的氣體提供通道。當氣體流過（一個或多個）第二階段緊湊型文氏管洗滌器時，氣體再次與洗滌液流接觸並進行附加處理。第一階段和第二階段使用的緊湊型文氏管洗滌器的設計規格不需要相同。
在第二洗滌階段中，從排放部出口（7）排放的經處理的氣體和液體可被引導至衝擊液體分離裝置（11）或第二階段液體貯槽（28）的側壁（23），其中側壁（23）可向下指向第二階段液體貯槽（28）的表面，或為去除初始液滴提供另一種方法。圖5A、5B及5C示出了各種緊湊型文氏管洗滌器排放方向。
洗滌液通過重力被引導或流入第二階段貯槽（28），並且洗滌液在此處被收集和儲存以供在第二洗滌階段中使用。第二階段洗滌液通過液體出口噴嘴（27）和泵吸入管線（114）供給到（一個或多個）第二階段循環泵（44）。循環泵（44）通過主供應管線（109）和分支管線（110）向每個第二階段液體入口（3）提供所需的洗滌液體流量和壓力。液體貯槽（20）的體積可根據貯槽液位控制的設計標準來設置，並提供足夠的存量以允許在進入的氣體污染物負載高的期間繼續洗滌器操作。
來自第二階段文氏管的已處理氣體將少量的液滴攜帶至去挾帶裝置（26）。所述裝置可以是用於液體/蒸汽分離的多種市售去挾帶裝置中的任何一種。具體的去挾帶裝置的選擇取決於能包含在從洗滌器出口（40）流出的廢氣中的不希望的物質的允許量。收集的液滴聚結成較大的液滴和液膜，在重力的影響下落回第二階段液體貯槽（28）。取決於具體的設計要求，可以提供如圖3中部分示出的全抽取托盤（34）來減少去挾帶裝置（26）的液體負載。
當需要時，可以從外部源通過補充液體管線（105）將補充液體添加到第二階段液體貯槽（28）。需要時可以加入洗滌試劑（如氫氧化銨、氫氧化鈉和氫氧化鈣等的鹼，如HCl、HBr、H 2SO4等的酸，如醇類吸收劑（如胺類、離子液體等）等的反應終止劑） 到第二洗滌階段以與來自第一洗滌階段的已處理氣體中的不希望的物質反應，這些物質被吸收到洗滌液中，進而允許額外的不希望的物質被吸收到洗滌液中。試劑通過試劑管線（106）從外部源添加到第二階段液體貯槽（28）。還可以將補充液體和試劑都添加到第二階段循環泵（44）的吸入口中。
從第二階段液體貯槽（28）的連續溢流經由溢流管線（41）在第二階段液體貯槽（28）中保持預定的固定液位。溢流（107）包含第二階段洗滌液（取決於應用，其由水或其他流體組成）、微​​量收集的顆粒、以及吸收和反應的氣態污染物，其與第一階段液體貯槽（20）中的第一階段洗滌液混合。第一洗滌階段處理含有最高水平污染物的入口氣流。因此，第一階段洗滌液將具有比第二階段洗滌液更高水平的顆粒物質以及吸收和反應的氣態污染物。為適應較高水平的污染物，當需要時可以通過試劑進料管線（108）將洗滌試劑添加到第一階段液體貯槽（20），其中試劑輸送管線（108）可以將試劑直接引入到第一階段液體貯槽（20）或替代地引入到泵吸入管線（101）而供給（一個或多個）第一階段循環泵（42）。加入第一洗滌階段的試劑量通常遠大於加入第二洗滌階段的試劑量。每個洗滌階段中循環液體的分離允許在第二洗滌階段中使用低濃度的反應物，這降低了處理氣體中污染物的熱力學平衡濃度，從而最大限度地提高了洗滌性能。相反的，第一階段中較高濃度的反應物導致較高的處理氣體污染物濃度，這些污染物被傳遞到第二階段洗滌器並完成去除。例如，含有2,000 vppm（volume parts per million）SO 2（一種酸性氣體污染物）的氣體在兩階段洗滌器的第一階段中使用苛性鹼（NaOH）進行處理。洗滌液在pH值7.0並含有7.5 wt%的鈉鹽（Na 2SO 4、Na 2SO 3和 NaHSO 3）下運行。在第一階段緊湊型文氏管洗滌器中入口氣體與洗滌液接觸期間，液滴吸收SO 2，將部分Na 2SO 3轉化為NaHSO 3，導致洗滌液pH值降低。新的液體組合物具有0.0007 psia的SO 2平衡蒸汽壓，相當於處理氣體中SO 2濃度為50 vppm。然而第一階段緊湊型文氏管洗滌器中的接觸不完全，接觸時間有限，因此系統只能達到80%的平衡，導致處理後的氣體SO 2濃度為62.5 vppm。第二階段洗滌液化學成分的控制可通過添加可控的補充液和試劑而獨立於第一階段。在示例情況下，將第二階段液體控制在pH值7.3以及具有2.5 wt%的鈉鹽。在第二階段緊湊型文氏管洗滌器中入口氣體與洗滌液接觸期間，液滴吸收SO 2，將部分Na 2SO 3轉化為NaHSO 3，導致洗滌液pH值降低。由於氣體中SO 2的含量遠低於進入第一階段的氣體（第一階段已去除96.9%的入口SO 2），因此Na 2SO 3轉化為NaHSO 3的比例要低得多，因此pH值下降也相應地低於第一階段。離開第二階段緊湊型文丘里洗滌器的洗滌液體組合物具有平衡蒸氣壓為0.00007 psia 的SO 2，相當於處理氣體中SO 2的濃度為5 vppm。第二階段緊湊型文氏管洗滌器中的氣液接觸不完全，接觸時間有限，因此，與第一階段一樣，第二階段緊湊型文丘里洗滌器只能達到80%接近平衡，導致最終處理的氣體SO 2濃度為6.25 vppm。
圖6示出了本發明的一實施例，其包括例如冷卻、吸收、化學反應和類似過程等用於煙道氣處理的部分，這些過程可以通過第一階段處理的氣體與循環液流的低能量接觸而發生。這種階段間處理部分可以包括全抽取托盤（34）。全抽取托盤（34）具有用於從第一階段處理氣體室（17）到階段間外殼（37）的氣體通道，用於收集以及在某些情況下用於儲存階段間循環液體，並通過外殼噴嘴（38）和泵吸入管線（115）將階段間循環液體輸送到（一個或多個）階段間循環泵（43）。（一個或多個）階段間液體循環泵（43）提供階段間部分所需的流量和壓力。來自（一個或多個）泵（43）的液體被送到液體分配集流管（30）或其他液體分配裝置。液體分配集流管（30）可包括配備有噴嘴（32）的支管（31）。液體分配集流管（30）用於將階段間液體均勻地分佈在階段間外殼（37）的橫截面上。如果需要，可以安裝多個堆疊式噴頭（30、31和32）以影響此部分所需的氣體處理。同樣，填料（35）或其他氣/液接觸介質可用於此部分以提高整體氣體處理能力。階段間部的一種常見用途是冷卻飽和氣流以促進小液滴、煙霧和小顆粒上的冷凝，以有效地增加它們的尺寸，進而使其更容易在第二階段文氏管中收集。這可以通過添加熱交換器（45）或用於在將階段間循環液體流重新引入階段間外殼（37）和隨後與來自第一洗滌階段的處理過的氣體接觸之前冷卻階段間循環液體流的其他方法來實現。階段間部的第二種常見用途是通過使用強氧化劑（如臭氧、亞氯酸鈉或次氯酸鈉）進行氧化，將一氧化二氮（NO和NO 2）轉化為更易溶解的N 2O 4和N 2O 5。在 NO x轉化後，可通過與亞硫酸鈉水溶液和額外的氧化劑接觸，在第二階段文氏管洗滌器中收集更易溶解的物質。階段間部的第三個用途是使用包含吸收劑（胺、離子液體等）的循環液流從氣流中去除CO 2。當提供階段間氣體處理段時，如果第二階段洗滌液與階段間氣體處理相容，則可以將第二階段洗滌液級聯（cascaded）至階段間部。如果第二階段洗滌液與階段間氣體處理不兼容，則第二階段溢流將被引流至第一階段液體貯槽（20）。根據具體的設計要求，如圖6所示的全抽取托盤（34）可以包括在階段間部中，以將階段間液體與第一階段液體分離。
通常可以使用簡單的氣體分散噴嘴來實施次階段氣流的階段間氣體處理，而不需要使用前一段落中描述的用於循環液體階段間系統的設施。
圖7示出了習知的噴射器文氏管洗滌器，其包括氣體入口（51）、本體（52）、會聚部（53）、喉部（54）、發散部（55）、出口（56）、液體入口（57）、以及以由噴射角（59）描述的全錐形噴射模式來排放洗滌液的液體噴嘴（58）。習知的噴射器文氏管設計將液體噴嘴（58）放置在與喉部（54）頂部距離（60）處並以噴射角（59）排放，使得液體噴射模式覆蓋喉部橫截面的100%，以將循環液體與待洗滌氣體充分混合。習知的文氏管被設計成通過在喉部（54）中的緊密接觸從氣流中去除不希望的物質。離開喉部（54）的混合液體和氣體流進入發散部（55），發散部（55）被設計為最大限度地恢復氣流的壓力，並設計有一個為了優化壓力恢復的發散角（75）。為了使氣壓恢復最大化，提供喉部（54）和設計有發散角（75）的發散部分（55）會使一部分通過噴嘴（58）噴射到文氏管中的循環液體與喉部（54）和發散部（55）的噴射器側壁接觸，而這會減少可參與洗滌過程的液滴數量。由於如圖7所示的陰影區域（61）影響，從洗滌過程中去除的液體量可以佔總洗滌液的25%到40%。緊湊型文氏管洗滌器（1A）設計為沒有喉部且其發散部發散角（5A）與噴嘴（4）的噴霧排放角（5）相等，這可以最大限度地減少衝擊排放部（2）發散內表面的液體噴霧量，而最大程度提高洗滌液的可用性。由於液體流的速度基本恆定而氣體從排放部（2）的入口流向出口時其速度逐漸降低，緊湊型文氏管洗滌器（1A）旨在利用氣體和液體流之間不斷增加的速度差從而在發散部（2）中實現所需的氣體處理水平。與習知的噴射器文氏管洗滌器相比，緊湊型文氏管洗滌器（1A）中液體和蒸氣流之間的更高速度差以及可用於氣體處理的液體體積更大。與習知的噴射器文氏管相比，緊湊型文氏管洗滌器（1A）可在較低的溫度下實現相同的氣體處理性能或在能耗相同的情況下提高氣體處理性能。
圖7A示出了使用大型噴射器文氏管洗滌器的習知的噴射器文氏管洗滌系統。由於洗滌器的尺寸，通常需要將文氏管安裝在氣體外殼（65）外部，而這需要提供單個或多個大型連接裝置，例如彎頭（sweep elbow）（62）和管狀的噴嘴（63），以從文氏管出口（56）輸送兩相氣體和液體混合物到氣體外殼（65）。這些裝置價格昂貴，並且在許多應用中會受到侵蝕腐蝕，使顆粒材料被收集在洗滌器中。此外，當使用多個大型噴射器文氏管洗滌器時，氣體必須通過管道到達文氏管入口高度，然後分支到每個文氏管洗滌器。與具有較低高度且單一氣體的系統相比，這增加了入口氣體管道的複雜性和成本。當入口的噴嘴（63）切向定向時通常通過與外殼（37）接觸，或當入口的噴嘴（63）徑向定向時通過使用擋板或使用其他方向變化或撞擊方式，可使離開外殼的噴嘴（63）的處理過的氣體和液體部分分離。在最初的氣液分離之後，處理過的氣體和一些液滴向上流過外殼（65）並在進入去挾帶裝置（67）之前通過全抽取托盤（66）以進行最終的液滴去除。在液滴去除之後，處理過的氣體通過氣體出口（68）排出。由於大型文氏管的尺寸和方向，在習知的大型噴射器文氏管洗滌器配置中提供第二噴射器文氏管階段時，需要將第二洗滌器建造在第一洗滌器頂部或旁邊，從而大大增加了系統的成本和複雜性，且在許多情況下還增加了所需的場地空間。使用如圖3和6所示的配置的緊湊型文氏管洗滌器（1A）的多階段洗滌系統旨在最大限度地減少氣體入口（39）的數量，從而降低進氣管道的複雜性和成本。將緊湊型文氏管洗滌器（1A）放置在由壁（16）界定的洗滌器外殼內可消除將兩相液體和氣體混合物從習知的噴射器文氏管出口（56）引導到氣體外殼（65）所需的外部設備，從而節省資本投資，提高可靠性，降低維護成本。並且在外殼（16）中結合了多個階段可減少需要高氣體處理能力的單元對場地空間的要求。使用可直接從外殼壁支撐並且從外殼外部容易接近的多個較小的噴嘴允許為操作時的移除提供成本有效的方式，這提高洗滌器的可靠性，降低維護成本，並允許使用簡單有效的方式來改變單元性能。
圖8示出了習知的文氏管洗滌器，其可以安裝在氣體外殼的內部。文氏管包括入口錐（80）、喉部（81）、發散部（82）、用於產生由噴射角（86）限定的中空噴射模式的第一液體噴嘴（84）、以及用於產生由噴射角（85）限定的完整液體噴射模式的可選的第二噴嘴（83）。待處理的氣體通過入口區（80）進入噴射器文氏管，在入口錐（80）處氣體速度迅速增加。從第二液體噴嘴（83）提供的液體在喉部（81）的入口處與氣流完全混合。當在入口處設置第二液體噴嘴（83）時，氣流的處理發生在喉部（81）中。當未設置液體噴嘴（83）時的氣流，或當提供液體噴嘴（83）時的兩相氣體和液體流，通過發散部（82）離開噴射器文氏管並通過噴霧（86）以進行初級或次級氣體處理。由於來自噴嘴（84）的液滴形成的噴霧（86）與氣體之間的接觸時間非常短，因此這種氣體處理的效果有限。
圖8A示出了採用小型噴射器型文氏管的典型洗滌系統。在此系統中，待處理的氣體通過單個氣體入口（39）進入外殼（65）。通過使氣體與從一層或多層的液體噴射組件噴射的循環液體接觸來影響第一洗滌階段，所述液體噴射組件包括主集管、支管（31）和噴嘴（32）。接著，噴霧室的出口通向文氏管洗滌階段。文氏管洗滌階段包括一個裝有多個小型文氏管洗滌器的全抽取托盤（在圖8和圖8之前進行了描述）。此配置中使用的典型洗滌器尺寸為12英寸至24英寸 （習知的洗滌器氣體入口和出口尺寸通常相同，並且是用於描述洗滌器「尺寸」的基準尺寸）。雖然在這種配置中可以使用更大的洗滌器來減少提供所需水準的氣體處理所需的洗滌器組件的總數，但它們需要額外的外殼高度以容納更長的文氏管長度，這顯著增加了洗滌系統的總成本。文氏管洗滌器的垂直方向需要安裝用於文氏管出口接觸噴嘴的液體供應集流管（109A）及單獨的噴嘴供應支管（110A），以及安裝用於氣體外殼（65）內部的文氏管入口噴嘴的液體供應集流管（109B）及單獨的噴嘴供應支管（110B），這使它們在使用中的洗滌系統無法進行維護或更換。由於液體噴嘴的設計和條件對文氏管洗滌器的性能至關重要，大多數用於從氣流中去除顆粒物的噴射器型文氏管都配備了昂貴的高耐磨液體噴嘴，以減少噴嘴磨損並允許裝置保持長期的洗滌性能，進而使進行噴嘴維護/更換時洗滌器停機時間延長。本文所述的緊湊型文氏管洗滌器（1A）專門設計為允許在每個文氏管接觸階段使用較少的較大文氏管洗滌器，從而提供到液體入口（3）和噴嘴（4）以及液體供應集流管和單獨的液體供應管線，允許對這些關鍵部件進行操作中的檢查、維護和更換。如此，這些部件可以由相當便宜的材料製成。配置有內部文氏管洗滌器的習知洗滌系統必須關閉以修復噴嘴故障，而基於本發明實施例的洗滌系統則沒有這種限制。配置有內部文氏管洗滌器的習知洗滌系統必須關閉來改變噴嘴配置以提高洗滌性能。應該注意的是，關閉洗滌系統可能還需要關閉或降低產生在洗滌器中處理的氣體的上游製程的速度，從而帶來負面的操作、安全和經濟影響。如上所述，本發明的一個實施例旨在避免習知文氏管洗滌系統設計中固有的這些不良影響。
圖8B示出了採用小型噴射器文氏管習知的兩階段式文氏管洗滌系統，其中第一液態氣體接觸階段採用習知的潤濕填料或網格。
圖8C示出了習知的兩階段式文氏管洗滌系統，其中第一液-氣接觸階段採用托盤。
本發明的一實施例可以包括一個或多個利用本文所述的緊湊型文氏管洗滌器且可以具有或不具有任何數量的階段間氣體處理部的洗滌階段。
本發明的一實施例可以包括一個或多個利用本文所述的緊湊型文氏管洗滌器且可以位於習知的噴霧或板塔接觸部（tray tower contacting section）的下游的洗滌階段。
本發明的一實施例可用於改進現有的基於低能量接觸（例如噴霧塔或盤式塔、填充床塔以及類似的接觸方法）的洗滌系統。本發明的一實施例可能需要將一個或多個利用本文所述緊湊型文氏管洗滌器的洗滌階段放置在現有洗滌器的下游並位於現有洗滌器外殼內，所述外殼可以是塔、柱、管道或類似的結構。
本發明的一實施例可用於替代現有洗滌系統的現有低收集效率接觸階段以提高洗滌性能、增加洗滌器氣體容量或降低洗滌器能量需求。本發明的一實施例非常適合用於從受污染的氣流中去除酸性氣體、酸煙及微粒。
本發明的一實施例非常適合結合淬火（quenching）和污染物去除應用的氣相反應器出口。可以使用本發明的實施例來實現，例如，猝火、淨靜（killing）或停止由丙烯腈反應器出口流中的氨催化的聚合反應、冷卻所得處理過的氣流、以及冷凝入口氣流中所含的一些水。在此應用中，添加到水性循環液流中的硫酸與吸收的氨反應形成可溶性硫酸銨鹽，所述硫酸銨鹽可以溶解在水性清洗流中，從系統中排出。
本發明的一實施例非常適合增加去除二氧化碳（CO2）的能力，所述二氧化碳可能來自碳氫化合物燃料（天然氣、產生的氣體、井口氣、液態石油燃料、焦炭、碳煤、木材和生物質）燃燒產生的煙道氣、以及來自無數化學、石化、聚合物、製藥和金屬製造過程的製程和排放氣流，這些製程可能已經有或可能沒有處理設施。使用新型緊湊型文氏管洗滌器的氣體處理系統佔地面積小，可顯著降低安裝成本，並且此類系統的低壓降在許多情況下將無需修改或更換現有上游設備，而當使用其他類型的洗滌系統則通常需修改或更換現有上游設備。
本發明的一實施例非常適合控制來自水泥、石灰、石灰石和其他礦物加工和製造操作的CO2排放。在使用其他類型的濕式洗滌系統時很常見需要進行上游設備的修改或更換，基於新型緊湊型文氏管洗滌器的洗滌系統的低背壓在許多情況下可免除此需要。對於新的基層製造和加工設施，可以在基於新型緊湊型文氏管洗滌器中實現多組分控制，而因無需單獨的排放控制系統，從而節省資本成本、運營成本和廠房空間。
雖然本發明已經針對幾個所描述的實施例進行了一些詳細的描述並且具有一些特殊性，並非意在將其限於任何此類細節或實施例或任何特定實施例，應參照所附請求項來解釋，以便根據現有技術提供對這些請求項的最廣泛可能的解釋，並因此有效地涵蓋本發明的預期範圍。此外，前述內容根據發明人預見的實施例描述了本發明，對於這些實施例可獲得有效的描述，但不代表目前未預見的本發明的非實質性修改可以代表其等同物。
1:進氣部 1A:緊湊型文氏管洗滌器 2:排放部 3:液體入口 4:噴嘴 5:排放角 5A:發散角 6: 7:排放部出口 8A:內壁 8B:外壁 8C:充氣部 9:方向改變 10:緊湊型文氏管洗滌器的整個長度 11:液體分離裝置 12: 13:固定距離 14:安裝噴嘴 15:  填料壓蓋 16:壁 17:第一階段處理氣室 18:隔離閥 20:第一階段液體貯槽 21:液體出口噴嘴 22:去挾帶裝置 23:側壁 24:壁 25:區域 26:去挾帶裝置 27:液體出口噴嘴 28:第二階段液體貯槽 29:第二階段處理氣室 30:液體分配集流管 31:支管 32:噴嘴 34:全抽取托盤 35:填料 37:階段間外殼 38:外殼噴嘴 39:氣體入口 40:洗滌器出口 41:溢流管線 42:第一階段循環泵 43:泵 44:第二階段循環泵 45:熱交換器 51:氣體入口 52:本體 53:會聚部 54:喉部 55:發散部 56:出口 57:液體入口 58:液體噴嘴 59:噴射角 60:距離 61:陰影區域 62:彎頭 63:噴嘴 65:氣體外殼 66:全抽取托盤 67:去挾帶裝置 68:氣體出口 69: 70: 71: 72: 73: 74: 75:發散角 80:入口錐 81:喉部 82:發散部 83:第二液體噴嘴 84:第一液體噴嘴 85:噴射角 86:噴霧 101:泵吸入管線 102:主供應管線 103:分支管線 104: 105:補充液體管線 106:試劑管線 107:溢流 108:試劑進料管線 109:主供應管線 109A、109B:液體供應集流管 110:分支管線 110A、110B:噴嘴供應支管 111: 112: 113: 114:泵吸入管線 115:泵吸入管線
圖1A是示出緊湊型文氏管洗滌器的圖。 圖1B是示出緊湊型文氏管洗滌器的安裝的圖。 圖2是示出隔離組件的圖。 圖 3是兩階段式文氏管洗滌系統的橫截面圖，所述系統在兩個洗滌階段中使用緊湊型文氏管洗滌器。 圖4A和4B示出了在圖3示出的兩階段式文氏管洗滌系統的第一洗滌階段中緊湊型文氏管洗滌器的各種方位。 圖5A、5B及5C示出了在圖3示出的兩階段式文氏管洗滌系統的第二洗滌階段中緊湊型文氏管洗滌器的各種方向。 圖6示出了具有階段間氣體處理區域的兩階段式文氏管洗滌系統。 圖7示出了習知的噴射型文氏管洗滌器。 圖7A示出了習知的噴射型文氏管洗滌系統。 圖8示出了習知的文氏管洗滌器，其可以安裝在氣體外殼的內部。 圖8A示出了習知的兩階段式文氏管洗滌系統，其包括第一噴霧洗滌階段及隨後的第二文氏管洗滌階段。 圖8B示出了習知的兩階段式文氏管洗滌系統，其包括第一填充床或網格洗滌階段及隨後的第二文氏管洗滌階段。 圖8C示出了習知的兩階段式文氏管洗滌系統，其包括第一盤式洗滌階段及隨後的第二文氏管洗滌階段。
1:進氣部
1A:緊湊型文氏管洗滌器
2:排放部
3:液體入口
4:噴嘴
5:排放角
5A:發散角

Claims (20)

  1. 一種緊湊型文氏管洗滌器，包括： 一進氣部； 一排放部，與該進氣部對齊，該排放部具有（i）由該進氣部及該排放部的交叉點限定的一底部、（ii）發散的一內表面、以及（iii）由該發散的內表面限定的一發散角； 一噴嘴；以及 一液體入口，一液體洗滌介質由該液體入口被引入該噴嘴；其中 該噴嘴以足夠大的一排放角產生朝向該排放部的該底部的一完整噴霧模式，使得該噴嘴與該排放部底部相交的點處產生的該完整噴霧模式的橫截面完全覆蓋並基本匹配該排放部的該底部的橫截面的大小和形狀。
  2. 如請求項1所述之緊湊型文氏管洗滌器，其中該排放部的該發散角與該噴嘴產生的該完整噴霧模式的該排放角基本上相同。
  3. 如請求項1所述之緊湊型文氏管洗滌器，其中該排放部的該發散角與該噴嘴產生的該完整噴霧模式的該排放角基本上相同且大於20度。
  4. 如請求項1所述之緊湊型文氏管洗滌器，其中該排放部的該發散角與該噴嘴產生的該完整噴霧模式的該排放角基本上相同且介於20度與45度之間。
  5. 如請求項1所述之緊湊型文氏管洗滌器，其中該完整噴霧模式的橫截面幾何形狀、該排放部的該底部的橫截面幾何形狀、以及該排放部的橫截面幾何形狀基本上相同。
  6. 如請求項5所述之緊湊型文氏管洗滌器，其中該完整噴霧模式的橫截面幾何形狀、該排放部的該底部的橫截面幾何形狀、以及該排放部的橫截面幾何形狀基本上相同且為圓形或矩形。
  7. 如請求項5所述之緊湊型文氏管洗滌器，更包括一個或多個附加噴嘴。
  8. 如請求項1所述之緊湊型文氏管洗滌器，其中（i）該排放部的該發散角與該噴嘴產生的該完整噴霧模式的該排放角基本上相同且介於20度與45度之間，並且（ii）該完整噴霧模式的橫截面幾何形狀、該排放部的該底部的橫截面幾何形狀、以及該排放部的橫截面幾何形狀基本上相同且為圓形或矩形。
  9. 一種文氏管洗滌系統，包括一個或多個洗滌階段，每個該洗滌階段包括一個或多個緊湊型文氏管洗滌器，每個該緊湊型文氏管洗滌器包括： 一進氣部； 一排放部，與該進氣部對齊，該排放部具有（i）由該進氣部及該排放部的交叉點限定的一底部、（ii）發散的一內表面、以及（iii）由該發散的內表面限定的一發散角； 一噴嘴；以及 一液體入口，一液體洗滌介質由該液體入口被引入該噴嘴；其中 該噴嘴以足夠大的一排放角產生朝向該排放部的該底部的一完整噴霧模式，使得該噴嘴與該排放部底部相交的點處產生的該完整噴霧模式的橫截面完全覆蓋並基本匹配該排放部的該底部的橫截面的大小和形狀。
  10. 如請求項9所述之文氏管洗滌系統，其中一個或多個該緊湊型文氏管洗滌器的該排放部的該發散角與該噴嘴產生的該完整噴霧模式的該排放角基本上相同。
  11. 如請求項9所述之文氏管洗滌系統，其中一個或多個該緊湊型文氏管洗滌器的該排放部的該發散角與該噴嘴產生的該完整噴霧模式的該排放角基本上相同且大於20度。
  12. 如請求項9所述之文氏管洗滌系統，其中一個或多個該緊湊型文氏管洗滌器的該排放部的該發散角與該噴嘴產生的該完整噴霧模式的該排放角基本上相同且介於20度與45度之間。
  13. 如請求項9所述之文氏管洗滌系統，其中一個或多個該緊湊型文氏管洗滌器的該完整噴霧模式的橫截面幾何形狀、該排放部的該底部的橫截面幾何形狀、以及該排放部的橫截面幾何形狀基本上相同。
  14. 如請求項13所述之文氏管洗滌系統，其中一個或多個該緊湊型文氏管洗滌器的該完整噴霧模式的橫截面幾何形狀、該排放部的該底部的橫截面幾何形狀、以及該排放部的橫截面幾何形狀基本上相同且為圓形或矩形。
  15. 如請求項14所述之文氏管洗滌系統，其中一個或多個該緊湊型文氏管洗滌器更包括一個或多個附加噴嘴。
  16. 如請求項9所述之文氏管洗滌系統，其中一個或多個該緊湊型文氏管洗滌器的該噴嘴和該液體入口為可拆卸的並且位於一隔離組件內，可從該文氏管洗滌系統的外部接觸該隔離組件，並且該隔離組件具有在移除該噴嘴或該液體入口時可以防止氣體從該文氏管洗滌系統洩漏的裝置。
  17. 如請求項9所述之文氏管洗滌系統，其中安裝一個或多個該緊湊型文氏管洗滌器時能改變該緊湊型文氏管洗滌器的方向。
  18. 如請求項9所述之文氏管洗滌系統，其中（i）一個或多個該緊湊型文氏管洗滌器的該排放部的該發散角與該噴嘴產生的該完整噴霧模式的該排放角基本上相同且介於20度與45度之間，並且（ii）一個或多個該緊湊型文氏管洗滌器的該完整噴霧模式的橫截面幾何形狀、該排放部的該底部的橫截面幾何形狀、以及該排放部的橫截面幾何形狀基本上相同且為圓形或矩形，並且（iii）一個或多個該緊湊型文氏管洗滌器的該噴嘴和該液體入口為可拆卸的並且位於一隔離組件內，可從該文氏管洗滌系統的外部接觸該隔離組件，並且該隔離組件具有在移除該噴嘴或該液體入口時可以防止氣體從該文氏管洗滌系統洩漏的裝置。
  19. 一種利用緊湊型文氏管洗滌器從氣流中去除物質的方法，該緊湊型文氏管洗滌器包括（a）一進氣部、（b）與該進氣部對齊的一排放部，該排放部具有（i）由該進氣部及該排放部的交叉點限定的一底部、（ii）發散的一內表面、以及（iii）由該發散的內表面限定的一發散角、（c）一噴嘴、以及（d）一液體入口，其中一液體洗滌介質由該液體入口被引入該噴嘴，該方法包括： 該噴嘴以足夠大的排放角產生朝向該排放部的該底部的一完整噴霧模式，使得該噴嘴與該排放部底部相交的點處產生的該完整噴霧模式的橫截面完全覆蓋並基本匹配該排放部的該底部的橫截面的大小和形狀，並且 當該氣流與該液體洗滌介質混合時，使該氣流通過該緊湊型文氏管洗滌器的該進氣部及該排放部。
  20. 如請求項19所述之方法，其中（i）該排放部的該發散角與該噴嘴產生的該完整噴霧模式的該排放角基本上相同且介於20度與45度之間，並且（ii）該完整噴霧模式的橫截面幾何形狀、該排放部的該底部的橫截面幾何形狀、以及該排放部的橫截面幾何形狀基本上相同且為圓形或矩形。
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