颗粒产生装置的制作方法
本实用新型涉及提供亚微颗粒的装置，特别是用于工业气体工艺的亚微颗粒装置，所述工业气体工艺例如通过添加此类颗粒作为凝结核由SO2的氧化、SO3的水合作用和H2SO4的冷凝产生硫酸。
实用新型概述
由水合SO3生产硫酸需要冷凝H2SO4蒸气，以及使H2SO4气溶胶的形成和排放最小化。
添加凝结核是控制H2SO4蒸气冷凝和使H2SO4气溶胶的形成最小化的有效的和有成本效益的方法。本公开内容描述了通过材料的燃烧产生此类凝结核的装置，所述材料在燃烧后将形成固体颗粒。
除非明确指定，术语颗粒或者凝结核应被认为是等同的。
术语颗粒前体应理解为，可以在特定条件下反应以形成大小适合用作凝结核的颗粒的化合物。
通常，除非明确指明，化学反应可以通过术语转化、分解、反应或者氧化中的任一个来描述，而不采用其任何特定理解。
术语亚微颗粒应理解为具有小于1μm(10-6m)的几何直径的颗粒。
术语H2SO4气溶胶或雾应理解为以任何给定的浓度悬浮于气相中的H2SO4液滴。该液滴直径通常小于5μm。此类液滴如此小以致它们将长期留存在空中。
以广义的形式，本公开内容涉及含亚微颗粒流生成装置，所述装置包括颗粒前体源和燃烧器，所述颗粒前体源经由前体管线与燃烧器流体连通。
在另一实施方案中，所述燃烧器包括具有燃烧空气入口、燃料入口和前体入口的燃烧炉以及燃烧器火焰区，所述入口配置为单个或者多个入口，所述燃烧器火焰区位于燃烧室内部，所述燃烧室具有入口和出口、燃烧空气管线、燃料管线、稀释空气管线和气流管线，其中
所述颗粒前体源经由所述前体管线与所述燃烧器的前体入口流体连通，
所述燃烧炉的燃烧空气入口经由所述燃烧空气管线与燃烧空气源流体连通，
所述燃烧炉的燃料入口经由所述燃料管线与燃料源流体连通，
所述燃烧室入口经由所述稀释空气管线与稀释空气源流体连通，
并且其中所述燃烧室出口与所述气流管线流体连通。
在另一实施方案中，本公开内容涉及含亚微颗粒流生成装置，所述装置包括颗粒前体源、燃烧器，所述燃烧器包括具有燃烧空气入口、燃料入口和前体入口的燃烧炉以及燃烧器火焰区，所述入口配置为单个或者多个入口，所述燃烧器火焰区位于燃烧室内部，所述燃烧室具有入口和出口、加热装置、前体管线、燃烧空气管线、燃料管线、稀释空气管线和气流管线，其中
所述颗粒前体源经由所述前体管线与所述燃烧器的前体入口流体连通，
所述燃烧炉的燃烧空气入口经由所述燃烧空气管线与燃烧空气源流体连通，
所述燃烧炉的燃料入口经由所述燃料管线与燃料源流体连通，
所述燃烧室入口经由所述稀释空气管线与稀释空气源流体连通，
并且其中所述燃烧室出口与所述气流管线流体连通，
具有提供确保颗粒稳定产生的装置的相关益处。
在另一实施方案中，所述颗粒前体源包括颗粒前体容器、加热装置、载气控制阀和载气管线，所述颗粒前体容器具有入口和位于所述颗粒前体容器入口上方的出口，所述加热装置与所述颗粒前体容器热连通，所述载气控制阀具有入口和出口，其中
所述载气控制阀入口经由所述载气管线与载气源流体连通，
所述载气控制阀出口与所述颗粒前体容器的入口流体连通，
所述颗粒前体容器的出口经由所述前体管线与所述燃烧器的前体入口流体连通，
具有提供确保向所述燃烧炉稳定提供前体的装置的相关益处。
在另一实施方案中，所述装置还包括前体稀释管线，所述前体稀释管线与前体稀释源流体连通。
在另一实施方案中，所述装置还包括前体稀释管线，所述前体稀释管线与前体稀释源流体连通，并且配置为在所述前体管线中稀释包含颗粒前体的气体，具有避免前体在所述前体管线中冷凝的相关益处。
在另一实施方案中，所述装置还包括冷却装置，所述冷却装置与颗粒前体容器热连通。
在另一实施方案中，所述装置还包括冷却装置，所述冷却装置与颗粒前体容器热连通，其通过允许冷却至最佳前体温度而具有在炎热气候或者工艺设备中恒定蒸发的相关益处。
在另一实施方案中，所述装置还包括温度传感器和温度控制装置。
在另一实施方案中，所述装置还包括温度传感器和温度控制装置，其配置用于控制所述颗粒前体容器中的温度，具有提供从所述前体容器精确和可重复蒸发的相关益处。
在另一实施方案中，所述燃烧炉使用预混火焰，其中在燃烧前将稀释的前体气体与燃料/氧化剂流混合。
在另一实施方案中，所述燃烧炉使用预混火焰，其中在燃烧前将稀释的前体气体与燃料/氧化剂流混合，具有良好受控的火焰的相关益处。
在另一实施方案中，所述装置在所述燃料管线和所述燃烧空气管线之一或者两者中还包括气体流量控制装置。
在另一实施方案中，所述装置在所述燃料管线和所述燃烧空气管线之一或者两者中还包括气体流量控制装置，其任选地配置为依赖于火焰温度控制燃料管线和燃烧空气管线之一或两者的流量，具有最佳控制火焰中颗粒的形成的相关益处。
本公开内容的另一方面涉及向工艺气流提供亚微颗粒的装置，其包括含亚微颗粒流生成装置，并且还包括具有入口和出口以及湍流产生装置的工艺气管线，其中所述湍流生产装置位于所述工艺气管线的内部，并且其中所述气流管线配置为将所述含亚微颗粒流在所述湍流产生装置的上游或者下游并且在所述工艺气管线的横截面积的中心50％内导入所述工艺气管线。
本公开内容的另一方面涉及向工艺气流提供亚微颗粒的装置，其包括含亚微颗粒流生成装置，并且还包括具有入口和出口以及湍流产生装置的工艺气管线，其中所述湍流产生装置位于所述工艺气管线的内部，并且其中所述气流管线配置为将所述含亚微颗粒流在所述湍流产生装置的上游或者下游并且在所述工艺气管线的横截面积的中心50％内导入所述工艺气管线，具有使穿过工艺气管线的颗粒浓度的变化最小化的相关益处。
本公开内容的另一方面涉及由含SO2工艺气产生硫酸的工艺设备，所述工艺设备包含二氧化硫转化器，所述转化器包含有将SO2氧化至SO3的活性的材料，所述转化器具有入口和出口、具有工艺气入口和工艺气出口的冷凝器，其中所述二氧化硫转化器的入口经由工艺气管线与所述含SO2工艺气的源流体连通，并且所述冷凝器的入口经由氧化工艺气管线与所述二氧化硫转化器的出口流体连通，其中所述工艺气管线和所述氧化工艺气管线之一或者两者包括向工艺气流提供颗粒的装置。
本公开内容的另一方面涉及由含SO2工艺气产生硫酸的工艺设备，所述工艺设备包括二氧化硫转化器，所述转化器包含有将SO2氧化至SO3的活性的材料，所述转化器具有入口和出口、具有工艺气入口和工艺气出口的冷凝器，其中所述二氧化硫转化器的入口经由工艺气管线与所述含SO2工艺气的源流体连通，并且所述冷凝器的入口经由氧化工艺气管线与所述二氧化硫转化器的出口流体连通，其中所述工艺气管线和所述氧化工艺气管线之一或者两者包括向工艺气流提供亚微颗粒的装置，具有此类工艺设备在产生硫酸中高度有效并且向环境释放最少酸雾的相关益处。
实用新型详述
产生硫酸的常规方法包括用O2催化氧化SO2以形成SO3，随后与H2O进行气相反应以形成H2SO4蒸气。在冷却工艺气时，H2SO4蒸气冷凝并且可以与工艺气分离，然后可以将其送至烟囱或用于进一步处理的工艺设备。硫酸产物具有商品品质。
有许多SO2源，例如来自冶金工业的SO2气体，来自炼油工业的H2S气体、废硫酸和/或单质硫，来自粘胶工业的CS2和H2S，来自焦化工业的单质硫、含硫盐和/或H2S。如果在进入硫酸设备时硫类物质不是SO2，则第一步可以是焚烧含硫进料，形成含SO2的热工艺气。通常使用大气作为用于焚烧的O2源，但是其它O2源也是可能的，包括富含O2的空气或者纯O2。如果含硫进料的热值不足以在燃烧器中支持稳定的火焰，则可以将燃料气体进料至燃烧器。
然后将热工艺气冷却至约400℃，这是SO2氧化催化剂的正常入口温度，所述SO2氧化催化剂通常为二氧化硅载体上的钒基催化剂。SO2氧化是放热的，并且如果需要高SO2转化率，则需要进行多步SO2转化，在每步之间冷却工艺气，以便为SO2的高转化率提供最佳条件(即，SO2氧化催化剂具有活性的最低可能温度)。
在SO2转化后，所形成的SO3将与气态H2O反应以形成H2SO4蒸气。在大多数情况下，存在充足的H2O用于该反应，但是在例如单质硫作为SO2源的情况下，可能需要将水蒸气添加至工艺气中。
然后转化后的工艺气进入冷凝塔，在冷凝塔中将工艺气冷却至低于硫酸的露点温度的温度，并且硫酸将冷凝以形成液相。
冷凝塔可以采用不同的布局：如美国专利7,361,326中所述的填充床冷凝器，其中将较冷的硫酸循环用于直接冷却工艺气，如例如US 5,198,206和AT507668中所述的垂直或者水平的玻璃管冷凝器，其使用大气作为间接冷却剂。
这些冷凝方法的共同点为，避免形成H2SO4气溶胶几乎是不可能的，所述H2SO4气溶胶的特征为非常难以在下游过滤器中去除。
为了抑制该气溶胶的形成，将许多所谓的凝结核或者颗粒添加至工艺气，提供用于冷凝H2SO4蒸气的表面区域。添加最佳数目的颗粒将确保控制硫酸液滴的凝结和生长，并且有效抑制硫酸气溶胶的形成。在US 7,361,326和US 5,198,206中描述了最佳的颗粒浓度和颗粒的不同来源。
在燃烧室中，通过颗粒前体(如硅油蒸气)的热分解或者氧化，形成硫酸蒸气在硫酸冷凝器中冷凝所需的核。备选地，颗粒前体也可以是有机金属化合物或者烟灰烃。
本公开提出了设计用于提供期望数目的凝结核的颗粒产生装置。
颗粒前体优选为保存在颗粒产生装置的容器中的液体。载气经过所述液体，以便用颗粒前体将载气饱和。载气穿过具有许多小孔的歧管，以使气泡足够小，从而确保将载气用前体蒸气完全饱和。将载气在容器底部引入并且使其在容器顶部离开。
在前体容器的顶部出口中，可以安装破沫器，以阻止任何夹带的前体液滴离开容器。
通过前体的化学式和容器中的温度确定颗粒前体的蒸气压。对于硅油，～35℃的饱和温度在具有足够高的蒸气压和与13℃的凝固温度之间具有足够安全的距离之间是良好的折衷。
通过维持前体容器中的稳定温度，获得了载气的恒定蒸气浓度，然后蒸发的前体的量仅取决于载气的流量，其可以通过质量流量控制器自动控制。
前体容器的温度可以通过加热单元以及任选的冷却单元保持恒定。优选地通过温度控制器保持温度恒定，所述温度控制器控制加热单元和冷却单元(如果存在)的输入。
可以将容器保持在绝缘壳体中，以减少热损失，但是也允许将载气在注入至前体液体中之前预热。
前体容器还配备有用于将前体加入至容器中的入口和用于将前体排出的出口。入口可以位于容器的顶部并且安装有防止载气通过所述管线离开的球阀。类似地，排放出口可以位于容器的底部，以使得可以仅通过重力排空整个容器。排放管线可以安装有球阀。
为了避免饱和前体气体再冷凝，可将离开容器的气体与稀释流混合，从而降低混合气流的露点温度。
将任选地稀释的前体气体导向颗粒产生装置的燃烧室。前体必须达到用于前体的热分解的足够高的温度，在该过程中形成被称为一次颗粒的固体。对于硅油，最低分解温度为600℃至700℃，并且固体颗粒将为SiO2。一次颗粒的直径小于0.1μm。这些一次颗粒的数浓度将会非常高，并且所述颗粒将碰撞、凝聚并形成较大的颗粒，从而降低数浓度。
通常，产生火焰区以提供用于前体热分解的高温。燃料优选是气态的(例如天然气)，但是也可以应用其它燃料气体(焦炉煤气、丙烷等)。用于燃烧的O2通常为通过燃烧空气鼓风机递送的大气。控制燃料和空气的流量以确保处于合适温度的稳定火焰。
火焰可以是层流或湍流的、预混合或者非预混合的，并且前体还可以与燃料和空气预混合，或者备选地，通过例如环形分配器加至火焰区中。
在火焰区的下游，燃烧的气体与更大的稀释空气流混合，所述稀释空气流通常也由燃烧空气鼓风机提供。该稀释用于将燃烧气体冷却至适于与硫酸设备中的工艺气混合的温度。其还降低了在火焰区产生的初级颗粒的聚集速率，从而以最低的前体消耗速率确保最高的可能颗粒数浓度。
然后将离开颗粒产生装置的负载颗粒的气体与包含H2SO4蒸气的工艺气混合，并且导向H2SO4冷凝塔，在冷凝塔中，工艺气冷却至远低于H2SO4露点温度的温度。然后H2SO4蒸气在冷凝塔中冷却表面的表面上冷凝，而且也在所加入的凝结核上冷凝。凝结核将随着H2SO4在颗粒上冷凝而生长，并形成小液滴，所述液滴可以被位于冷凝塔出口处的除雾器有效捕获。添加太少或者太多颗粒可以导致H2SO4气溶胶的形成，所述气溶胶不能在除雾器中被有效捕获，且将被排放至大气，其中可以观察到其作为可见烟离开烟囱。
通常将通过酸雾分析仪监控从硫酸冷凝塔排放的H2SO4气溶胶/雾，所述酸雾分析仪可以用作酸雾控制器的输入用于控制颗粒浓度，例如通过控制载气至颗粒前体容器或者颗粒前体容器中的温度控制器的流量，目标为使酸雾排放最小化。
凝结核最终进入在硫酸产品中，这意味着将会发现核越小硫酸中的二氧化硅的浓度越低。通常，硫酸产物中的SiO2浓度远低于最常见的分析方法的检测限。
附图说明：
图1示出了根据本公开的颗粒生成装置的实例。
图2示出了根据本公开的工艺设备的实例。
标识图中要素的标记列表：
2 载气
4 载气测流
6 流量控制阀
8 前体容器
10 液体颗粒前体
12 前体入口管线
14 前体入口阀
16 排放管线
18 排放阀
20 颗粒前体流
22 稀释流
26 加热装置
28 冷却装置
30 稀释颗粒前体气流
32 热密封
33 燃料
34 氧化剂
36 稀释空气
38 燃烧炉
40 燃烧室
42 包含颗粒的气体
44 工艺气
46 工艺气管线
48 湍流生成装置
102 含SO2工艺气
104 热交换器
106 热工艺气
108 二氧化硫转化器
110 催化活性材料床
112 夹层冷却器
114 氧化工艺气
116 颗粒生成装置
118 包含颗粒的气体
120 用于冷凝的流
122 浓硫酸
124 冷凝器
126 脱硫工艺气
128 烟囱
130 酸雾分析仪
132 控制器
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本申请，而非对本申请进行限定。
根据图1，载气2的主流任选地分成载气测流4和任选的稀释流22。通常，载气2为大气或者氮气。将载气测流4导向包含液体颗粒前体10(例如硅油或者烟灰燃料)的前体容器8。通过流量控制阀6控制载气的流量，所述流量控制阀可以与酸雾分析仪和控制系统连接，以使H2SO4气溶胶从连接的硫酸设备的排放最小化。
这将产生前体浓度接近饱和的颗粒前体流20。为了确保液体颗粒前体不凝结，优选对该流20进行热追踪，并且其还可以被载气的任选的稀释流22稀释，以避免最终稀释颗粒前体流30中的凝结。稀释流22的流量可以通过阀(未示出)来控制以保持流量恒定。为了确保恒定的温度，前体容器8可以配置为通过热源26加热，并且任选地还配置用于通过冷却装置28(如珀尔帖(Peltier)元件)来冷却。可以将冷却装置28和加热装置26配置为自动温度控制，以维持恒温，并且尤其在这种情况下，如果前体容器和相关设备隔离在热密封32中，则其可以是有益的。前体容器安装有前体入口管线12，用于将前体添加或者再填充至前体容器8。前体入口管线12可以装备有前体入口阀14并且位于前体容器8的顶部。
前体容器8可以安装有位于底部的排放管线16，并且该出口管线可以装备有排放阀18。
将稀释颗粒前体气流30与燃料33和氧化剂34(如大气)在单独的入口或者合并的入口中一起导向燃烧炉38，并且导向燃烧室40中的燃烧炉38，其中其在足够用于由颗粒前体形成颗粒的温度下被点燃。可以向燃烧室中添加一定量的稀释空气36，以确保包含颗粒的气体42的温度适合于在工艺气管线46中与工艺气44混合。为了确保工艺气44和包含颗粒的气体42的良好混合，将湍流生成装置48(如倾斜盘、导流叶片或者类似装置)置于工艺气管线46中。
图2阐明了本公开内容的另一实施例，其为采用如上所述的颗粒生成装置116产生硫酸的过程。此类过程包括将含SO2工艺气102导向任选的热交换器104，以将含SO2工艺气102加热或者冷却至约400℃至420℃的温度，提供热工艺气106，所述热工艺气106将被导向二氧化硫转化器108，在所述转化器中将二氧化硫在一个或者数个催化性活性材料的床110中转化为三氧化硫，提供氧化工艺气114。为了重新捕获能量以及通过将SO2与SO3之间的平衡移向SO3而确保高转化率，转化器可以包括一个或者多个夹层冷却器112，即，放置以冷却所述催化性活性材料的床110之间的产物气体的热交换器。颗粒生成装置116提供包含颗粒的气流118，所述包含颗粒的气流118与二氧化硫转化器108下游的氧化工艺气114合并，形成用于冷凝的流120。在该用于冷凝的流120中，存在于工艺气中的水(或者任选地添加至工艺气中的水)与二氧化硫转化器中形成的SO3反应，以形成H2SO4蒸气并且导向冷凝器124，所述冷凝器配置为通过用传热介质(例如大气)(未示出)进行热交换来冷却所述流用于冷凝，以将H2SO4冷凝为浓硫酸122并提供脱硫工艺气126，可将所述脱硫工艺气126导向烟囱128。可以任选地配置酸雾分析仪130以提供至控制器132的输入，所述控制器132通过控制经液体颗粒前体的载气的流量控制颗粒前体的浓度。
在另一实施方案中，来自颗粒生成装置116的包含颗粒的气流118可以代为与二氧化硫转化器108上游任何地方的热工艺气合并。
在另一实施方案中，含SO2工艺气102可以来源于一次SO2源(例如冶金熔炉)，来源于发电设备中富硫燃料的燃烧，或者来源于诸如元素硫、富含H2S的废气的硫源的燃烧，来源于例如精炼厂、化工厂或者粘胶产生，或者来源于精炼厂中的废硫酸的燃烧。
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