基于高效传热传质技术的碱式硫酸铝脱硫富液的再生方法与流程

本发明涉及化工生产技术领域，尤其是涉及一种基于高效传热传质技术的碱式硫酸铝脱硫富液的再生方法。

背景技术：

湿法烟气脱硫技术已成为烟气脱硫技术的主要发展趋势，按照吸收二氧化硫后脱硫剂的处理方法不同，主要分为吸收剂非再生湿法烟气脱硫技术、吸收剂可再生湿法烟气脱硫技术。不可再生湿法烟气脱硫技术常见的有石灰石-石膏湿法脱硫技术、湿式氨法脱硫技术、海水脱硫技术等。然而，由于可再生湿法烟气脱硫技术脱硫剂脱除烟气中的二氧化硫后，经处理后脱硫剂可以继续循环使用。可见，与不可再生湿法烟气脱硫技术相比，可再生湿法烟气脱硫技术具有脱硫剂可循环使用、二氧化硫气体可回收综合利用、脱硫成本较低等优点，具有更为广泛的应用前景。目前可再生湿法烟气脱硫技术常见的有柠檬酸钠法、氧化镁回收法、亚硫酸钠循环法、有机胺法、碱式硫酸铝-解吸法等。研究人员对亚硫酸钠法、氧化镁法、柠檬酸钠法、有机胺法等进行了研究，相比较而言，碱式硫酸铝-解吸法具有制备原料廉价易得，溶液化学性能稳定，脱硫效率高，生成产物石膏具有商业价值，脱硫液可循环使用，工艺液气比小，回收的so2可再利用等众多优点，作为一种有前景的脱硫剂，已在烟气脱硫技术中进行了实际应用。

碱式硫酸铝水溶液是由粉末状的硫酸铝与石灰石发生中和反应，静置后过滤掉石膏沉淀物后得到的无色透明液体，如反应(1-1)所示；

al2(so4)3(aq)+3xcaco3(s)+6xh2o→(1-x)al2(so4)3·xal2o3(aq)+3xcaso4·2h2o(s)+3xco2(g)(1-1)

碱式硫酸铝溶液中吸收so2的有效成分为al2o3，用铝量(a)和碱度(x)表示。铝量为每升碱式硫酸铝溶液中含有总铝(以al2o3计)的质量(g/l)，碱度为游离的al2o3占溶液中总铝的比例。在反应(1-1)中，x表示溶液的碱度。碱式硫酸铝溶液吸收二氧化硫后，形成碱式硫酸铝脱硫富液，如反应(1-2)所示。由于反应(1-2)是可逆反应，通过加热的方式就可以使得碱式硫酸铝脱硫富液中解吸出二氧化硫。但由于al2(so3)3在溶液中具有不稳定性，碱式硫酸铝脱硫富液在解吸二氧化硫的同时，so3^2-、al³⁺会发生双水解反应，如反应(1-3～1-6)所示。此外极少量so3^2-会发生氧化反应，如反应(1-7)所示；

(1-x)al2(so4)3·xal2(so3)3(aq)+3x/2o2(g)→al2(so4)3(aq)(1-7)

以往碱式硫酸铝-解吸法烟气脱硫技术研究焦点主要集中在对so2的吸收过程，从机理、动力学、影响因素、抑制剂等方面进行了大量研究，而针对so2的解吸过程研究较少。张宏等以水浴加热方式对碱式硫酸铝再生法脱硫解吸工艺进行了实验研究，结果表明解吸液在最佳的解吸条件下，so2解吸率约为70％。由于采用传统的水浴加热方式，存在加热不均匀、加热时间长、能耗高等缺点。针对水浴加热方式存在的缺点，研究人员进行了改善，如张树峰等采用水浴加热加上机械搅拌的方式对解吸效果进行了研究，结果表明加装了机械搅拌装置的解吸率只是略高于未加装机械搅拌装置的解吸率。高艺等则采用了水浴加热加上微波辅助的方式进行了解吸效果的实验研究，结果表明微波作用虽然有利于促进解吸反应深度，恒温水浴解吸到达终点后继续使用微波作用解吸，解吸率也只提高了3～5％。总体来说，水浴加热方式只是以热传导的方式进行热量传递，碱式硫酸铝脱硫富液解吸二氧化硫时所吸收的热量有限，解吸出的so2在脱硫富液中的传质系数也较小。从碱式硫酸铝脱硫富液解吸二氧化硫的反应机理可以看出，提高二氧化硫的解吸效果主要可以通过加热和减少so2分压力。实际上，加热和减少so2分压力其本质是为了提高传热传质效率。

技术实现要素：

为解决现有技术中，碱式硫酸铝脱硫富液中二氧化硫解吸效果差、效率低、加热不均、解吸时间长等问题，本发明提供了一种基于高效传热传质技术的碱式硫酸铝脱硫富液的再生方法，即基于高效传热传质设备缩放管降膜蒸发器采用降液膜蒸发的方法用于碱式硫酸铝脱硫富液的再生。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于高效传热传质技术的碱式硫酸铝脱硫富液的再生方法，包括以下步骤：

将碱式硫酸铝脱硫富液先进行预热，然后再将预热后的碱式硫酸铝脱硫富液通入缩放管降膜蒸发器中进行热交换并使碱式硫酸铝脱硫富液发生解吸反应，碱式硫酸铝脱硫富液经解吸反应后获得再生碱式硫酸铝溶液和二次蒸汽，将再生碱式硫酸铝溶液回收供循环使用，将二次蒸汽与碱式硫酸铝脱硫富液进行热交换预热碱式硫酸铝脱硫富液，二次蒸汽经过热交换后变成二氧化硫和冷凝水，收集由二次蒸汽热交换后获得的二氧化硫。

作为优选，预热后的碱式硫酸铝脱硫富液通入缩放管降膜蒸发器前，先利用热源将缩放管降膜蒸发器预热。

作为优选，基于高效传热传质技术的碱式硫酸铝脱硫富液的再生方法，通过基于高效传热传质技术的碱式硫酸铝脱硫富液再生系统实现；基于高效传热传质技术的碱式硫酸铝脱硫富液再生系统由脱硫富液储液罐、进液泵、冷凝器、缩放管降膜蒸发器依次连接组成；冷凝器由冷凝器壳、冷凝器上筒、冷凝器下筒和冷凝管组成，冷凝器上筒连接于冷凝器壳上端，冷凝器下筒连接于冷凝器壳下端，冷凝管位于冷凝器壳中；冷凝器壳侧面下部设有进液口，冷凝器壳侧面上部设有出液口；冷凝器上筒顶端设有二次蒸汽进口，冷凝器下筒底部设有冷凝水出口，冷凝器下筒侧面设有二氧化硫出口；缩放管降膜蒸发器由上筒体、壳体、下筒体和缩放降膜传热管组成，上筒体和壳体之间通过上管板连接在一起，下筒体和壳体通过下管板连接在一起；缩放降膜传热管设于壳体中；上筒体的侧面还设有脱硫富液进口，下筒体的下端面设有再生液出口，下筒体的侧面设有二次蒸汽出口；壳体侧面热源进口和热源出口；冷凝器的出液口与缩放管降膜蒸发器上的脱硫富液进口相连，缩放管降膜蒸发器上的二次蒸汽出口与冷凝器上的二次蒸汽进口相连，冷凝器的二氧化硫出口还与真空泵相连。

缩放管是一种典型的强化传热管，由具有周期性交替的渐缩段和渐扩段交替构成。缩放管由于具有传热效果好、曲面过渡平滑、流阻小、不易结垢等优点，作为性能较优的强化传热元件，之前主要用于管内外单相流体强化传热，在本发明提出将缩放管用于降膜蒸发器中使用，能够提高碱式硫酸铝脱硫富液的传热系数和传质速率。图1为缩放管降膜蒸发器的缩放管内降液膜传热传质物理模型，如图1所示，碱式硫酸铝脱硫富液在缩放管降膜蒸发器的缩放管内表面形成降液膜，管外加热热源提供热量，热量由管外向管内液膜传递，由于液膜处于蒸发状态，热量主要用于碱式硫酸铝脱硫富液解吸反应发生的吸收热、水蒸汽的蒸发热及部分热损失，同时管内碱式硫酸铝脱硫富液解吸出的so2通过液相主体向气液界面传递，最后脱离气液界面进入气相主体。因此，传热的目的是使碱式硫酸铝脱硫富液中亚硫酸根离子快速转化为so2，传质的目的是使得富液解吸出的so2快速转移到气相中。

作为优选，进液泵与冷凝器之间还设有进液阀，冷凝器的二氧化硫出口与真空泵之间还设有二氧化硫净化罐中，冷凝器的冷凝水出口上设有冷凝水阀门。

二氧化硫净化罐用于吸收二氧化硫气体中夹杂的水蒸气等，经二氧化硫净化罐及真空泵之后二氧化硫回收再利用。

作为优选，缩放管降膜蒸发器的上筒体顶端还设有真空度调节口，所述的真空度调节口与真空度调节阀门相连。

与空气相连的真空度调节口和真空度调节阀门的作用是可以调节缩放管降膜蒸发器缩放降膜传热管内真空度的大小，为了使碱式硫酸铝脱硫富液在合适的真空度下降膜蒸发。

作为优选，缩放降膜传热管的上端高于上管板顶部，缩放降膜传热管的下端低于下管板底部。

作为优选，热源进口设于缩放管降膜蒸发器壳体侧面的下端，热源出口设于缩放管降膜蒸发器壳体侧面的上端。

作为优选，缩放降膜传热管由收缩管段和扩张管段组成，收缩管段长度大于扩张管段的长度。

作为优选，缩放降膜传热管收缩管段长度为扩张管段长度的2～10倍，周期性肋间距为肋深的7～20倍，肋深为管径的3～15％，管径尺寸范围为10～60mm，壁厚为1～2mm。

其中肋间距(图3中的p)指一段收缩管段长度(图3中的p1)与一段扩张管段长度(图3中的p2)之和，肋深(图3中的e)指收缩管段或扩张管段管径最大处与管径最小处的垂直于缩放降膜传热管径向的距离，本发明中所指的管径尺寸(图3中的di)指收缩管段或扩张管段最大处的外管径。

试验证明，碱式硫酸铝脱硫富液在缩放管内降膜蒸发传热系数比光滑管高17％～29％，传质系数高33％～69％，表明碱式硫酸铝脱硫富液在缩放管管内降液膜强化传热传质效果显著，同时也说明碱式硫酸铝脱硫富液在缩放管内形成的降液膜流速和方向不断地发生改变，使得液膜湍流强度较光滑管更大。

因此，本发明具有以下有益效果：

本发明基于碱式硫酸铝脱硫富液解吸反应机理，提出采用降液膜蒸发的方法用于碱式硫酸铝脱硫富液进行再生，还将缩放管应用在降膜蒸发和降膜预热领域，开发出了缩放管降膜蒸发器；采用本发明中的碱式硫酸铝脱硫富液的再生方法及基于高效传热传质技术的碱式硫酸铝脱硫富液再生系统二氧化硫解吸率可以提高6.7～16.3％，在硫含量0.02～0.1mol/l，铝含量10～30g/l，碱度10～30％的条件下，碱式硫酸铝脱硫富液在缩放管内降膜二氧化硫解吸率可高达94.2％以上。

附图说明

图1为本发明缩放管降膜蒸发器的缩放管内降液膜解吸传热传质示意图；

图2为本发明中基于高效传热传质技术的碱式硫酸铝脱硫富液再生系统的一种示意图；

图3为本发明基于高效传热传质技术的碱式硫酸铝脱硫富液再生系统中缩放管降膜蒸发器的一种示意图；

图中：脱硫富液储液罐1，进液泵2，冷凝器3，冷凝器壳30，冷凝器上筒31，冷凝器下筒32，冷凝管33，进液口34，出液口35，二次蒸汽进口36，冷凝水出口37，冷凝水阀门38，二氧化硫出口39，缩放管降膜蒸发器4，上筒体40，壳体41，下筒体42，缩放降膜传热管43，上管板44，下管板45，收缩管段46，扩张管段47，脱硫富液进口48，再生液出口49，二次蒸汽出口50，热源进口51，热源出口52，真空度调节口53，真空度调节阀门54，进液阀5，真空泵6，二氧化硫净化罐7；肋间距p，收缩管段长度p1，扩张管段长度p2，肋深e，管径尺寸di。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的说明。

显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明中，若非特指，所有的设备和原料均可从市场上购得或是本行业常用的，下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域常规方法。

实施例1

一种基于高效传热传质技术的碱式硫酸铝脱硫富液的再生方法，包括以下步骤：

将碱式硫酸铝脱硫富液进行预热，然后先利用热源将缩放管降膜蒸发器预热，再将预热后的碱式硫酸铝脱硫富液通入缩放管降膜蒸发器中进行热交换并使碱式硫酸铝脱硫富液发生解吸反应，碱式硫酸铝脱硫富液经解吸反应后获得再生碱式硫酸铝溶液和二次蒸汽，将再生碱式硫酸铝溶液回收，将二次蒸汽与碱式硫酸铝脱硫富液进行热交换预热碱式硫酸铝脱硫富液，二次蒸汽经过热交换后变成二氧化硫和冷凝水，收集由二次蒸汽热交换后获得的二氧化硫。

基于高效传热传质技术的碱式硫酸铝脱硫富液的再生方法通过基于高效传热传质技术的碱式硫酸铝脱硫富液再生系统实现；

如图2、3所示，基于高效传热传质技术的碱式硫酸铝脱硫富液再生系统由脱硫富液储液罐1、进液泵2、冷凝器3、缩放管降膜蒸发器4依次连接组成，进液泵与冷凝器之间还设有进液阀5；

冷凝器由冷凝器壳30、冷凝器上筒31、冷凝器下筒32和冷凝管33组成，冷凝器上筒连接于冷凝器壳上端，冷凝器下筒连接于冷凝器壳下端，冷凝管位于冷凝器壳中；冷凝器壳侧面下部设有进液口34，冷凝器壳侧面上部设有出液口35；冷凝器上筒顶端设有二次蒸汽进口36，冷凝器下筒底部设有冷凝水出口37，冷凝器的冷凝水出口上设有冷凝水阀门38，冷凝器下筒侧面设有二氧化硫出口39；缩放管降膜蒸发器由上筒体40、壳体41、下筒体42和缩放降膜传热管43组成，上筒体和壳体之间通过上管板44连接在一起，下筒体和壳体通过下管板45连接在一起；缩放降膜传热管设于壳体中，缩放降膜传热管的上端高于上管板顶部，缩放降膜传热管的下端低于下管板底部，缩放降膜传热管由收缩管段46和扩张管段47组成，缩放降膜传热管收缩管段的长度为扩张管段长度的2倍，周期性肋间距为肋深的20倍，肋深为管径的3％，管径尺寸为10mm，壁厚为1mm；上筒体的侧面还设有脱硫富液进口48，下筒体的下端面设有再生液出口49，下筒体的侧面设有二次蒸汽出口50，壳体侧面热源进口51和热源出口52，热源进口设于缩放管降膜蒸发器壳体侧面的下端，热源出口设于缩放管降膜蒸发器壳体侧面的上端，缩放管降膜蒸发器的上筒体顶端还设有真空度调节口53，真空度调节口与真空度调节阀门54相连；冷凝器的出液口与缩放管降膜蒸发器上的脱硫富液进口相连，缩放管降膜蒸发器上的二次蒸汽出口与冷凝器上的二次蒸汽进口相连，冷凝器的二氧化硫出口与真空泵6相连，冷凝器的二氧化硫出口与真空泵之间还设有二氧化硫净化罐7。图中虚线部分为虚线是抽真空系统。

实施例2

一种基于高效传热传质技术的碱式硫酸铝脱硫富液的再生方法，包括以下步骤：

将碱式硫酸铝脱硫富液进行预热，然后先利用热源将缩放管降膜蒸发器预热，再将预热后的碱式硫酸铝脱硫富液通入缩放管降膜蒸发器中进行热交换并使碱式硫酸铝脱硫富液发生解吸反应，碱式硫酸铝脱硫富液经解吸反应后获得再生碱式硫酸铝溶液和二次蒸汽，将再生碱式硫酸铝溶液回收，将二次蒸汽与碱式硫酸铝脱硫富液进行热交换预热碱式硫酸铝脱硫富液，二次蒸汽经过热交换后变成二氧化硫和冷凝水，收集由二次蒸汽热交换后获得的二氧化硫。

基于高效传热传质技术的碱式硫酸铝脱硫富液的再生方法通过基于高效传热传质技术的碱式硫酸铝脱硫富液再生系统实现；

如图2、3所示，基于高效传热传质技术的碱式硫酸铝脱硫富液再生系统由脱硫富液储液罐1、进液泵2、冷凝器3、缩放管降膜蒸发器4依次连接组成，进液泵与冷凝器之间还设有进液阀5；

冷凝器由冷凝器壳30、冷凝器上筒31、冷凝器下筒32和冷凝管33组成，冷凝器上筒连接于冷凝器壳上端，冷凝器下筒连接于冷凝器壳下端，冷凝管位于冷凝器壳中；冷凝器壳侧面下部设有进液口34，冷凝器壳侧面上部设有出液口35；冷凝器上筒顶端设有二次蒸汽进口36，冷凝器下筒底部设有冷凝水出口37，冷凝器的冷凝水出口上设有冷凝水阀门38，冷凝器下筒侧面设有二氧化硫出口39；缩放管降膜蒸发器由上筒体40、壳体41、下筒体42和缩放降膜传热管43组成，上筒体和壳体之间通过上管板44连接在一起，下筒体和壳体通过下管板45连接在一起；缩放降膜传热管设于壳体中，缩放降膜传热管的上端高于上管板顶部，缩放降膜传热管的下端低于下管板底部，缩放降膜传热管由收缩管段46和扩张管段47组成，缩放降膜传热管收缩管段的长度为扩张管段长度的6倍，周期性肋间距为肋深的14倍，肋深为管径的9％，管径尺寸为35mm，壁厚为1.5mm；上筒体的侧面还设有脱硫富液进口48，下筒体的下端面设有再生液出口49，下筒体的侧面设有二次蒸汽出口50，壳体侧面热源进口51和热源出口52，热源进口设于缩放管降膜蒸发器壳体侧面的下端，热源出口设于缩放管降膜蒸发器壳体侧面的上端，缩放管降膜蒸发器的上筒体顶端还设有真空度调节口53，真空度调节口与真空度调节阀门54相连；冷凝器的出液口与缩放管降膜蒸发器上的脱硫富液进口相连，缩放管降膜蒸发器上的二次蒸汽出口与冷凝器上的二次蒸汽进口相连，冷凝器的二氧化硫出口与真空泵6相连，冷凝器的二氧化硫出口与真空泵之间还设有二氧化硫净化罐7。图中虚线部分为虚线是抽真空系统。

实施例3

一种基于高效传热传质技术的碱式硫酸铝脱硫富液的再生方法，包括以下步骤：

将碱式硫酸铝脱硫富液进行预热，然后先利用热源将缩放管降膜蒸发器预热，再将预热后的碱式硫酸铝脱硫富液通入缩放管降膜蒸发器中进行热交换并使碱式硫酸铝脱硫富液发生解吸反应，碱式硫酸铝脱硫富液经解吸反应后获得再生碱式硫酸铝溶液和二次蒸汽，将再生碱式硫酸铝溶液回收，将二次蒸汽与碱式硫酸铝脱硫富液进行热交换预热碱式硫酸铝脱硫富液，二次蒸汽经过热交换后变成二氧化硫和冷凝水，收集由二次蒸汽热交换后获得的二氧化硫。

基于高效传热传质技术的碱式硫酸铝脱硫富液的再生方法通过基于高效传热传质技术的碱式硫酸铝脱硫富液再生系统实现；

如图2、3所示，基于高效传热传质技术的碱式硫酸铝脱硫富液再生系统由脱硫富液储液罐1、进液泵2、冷凝器3、缩放管降膜蒸发器4依次连接组成，进液泵与冷凝器之间还设有进液阀5；

冷凝器由冷凝器壳30、冷凝器上筒31、冷凝器下筒32和冷凝管33组成，冷凝器上筒连接于冷凝器壳上端，冷凝器下筒连接于冷凝器壳下端，冷凝管位于冷凝器壳中；冷凝器壳侧面下部设有进液口34，冷凝器壳侧面上部设有出液口35；冷凝器上筒顶端设有二次蒸汽进口36，冷凝器下筒底部设有冷凝水出口37，冷凝器的冷凝水出口上设有冷凝水阀门38，冷凝器下筒侧面设有二氧化硫出口39；缩放管降膜蒸发器由上筒体40、壳体41、下筒体42和缩放降膜传热管43组成，上筒体和壳体之间通过上管板44连接在一起，下筒体和壳体通过下管板45连接在一起；缩放降膜传热管设于壳体中，缩放降膜传热管的上端高于上管板顶部，缩放降膜传热管的下端低于下管板底部，缩放降膜传热管由收缩管段46和扩张管段47组成，缩放降膜传热管收缩管段的长度为扩张管段长度的10倍，周期性肋间距为肋深的7倍，肋深为管径的15％，管径尺寸为60mm，壁厚为2mm；上筒体的侧面还设有脱硫富液进口48，下筒体的下端面设有再生液出口49，下筒体的侧面设有二次蒸汽出口50，壳体侧面热源进口51和热源出口52，热源进口设于缩放管降膜蒸发器壳体侧面的下端，热源出口设于缩放管降膜蒸发器壳体侧面的上端，缩放管降膜蒸发器的上筒体顶端还设有真空度调节口53，真空度调节口与真空度调节阀门54相连；冷凝器的出液口与缩放管降膜蒸发器上的脱硫富液进口相连，缩放管降膜蒸发器上的二次蒸汽出口与冷凝器上的二次蒸汽进口相连，冷凝器的二氧化硫出口与真空泵6相连，冷凝器的二氧化硫出口与真空泵之间还设有二氧化硫净化罐7。图中虚线部分为虚线是抽真空系统。

碱式硫酸铝脱硫富液的再生过程：

在碱式硫酸铝脱硫富液再生系统中，存储于脱硫富液储液罐中的碱式硫酸铝脱硫富液由进液泵泵入冷凝器中，从冷凝器的进液口进入从出液口输出，这一过程先将碱式硫酸铝脱硫富液预热，然后由脱硫富液进口进入缩放管降膜蒸发器，在缩放管降膜蒸发器的缩放降膜传热管中实现二氧化硫的解吸反应，反应后碱式硫酸铝脱硫富液变成再生碱式硫酸铝溶液，再生碱式硫酸铝溶液回收利用，再生碱式硫酸铝溶液可继续作为脱硫剂循环使用；除了再生碱式硫酸铝溶液，还能获得二次蒸汽，二次蒸汽的主要组成为二氧化硫，将二次蒸汽输出通入冷凝器中，既起到冷凝二次蒸汽的作用，还能预热通过冷凝器的碱式硫酸铝脱硫富液，冷凝后二次蒸汽分为冷凝水和二氧化硫，冷凝水回收或者检测后排放，二氧化硫在二氧化硫净化罐除去水蒸气等后在真空泵之后回收再利用，此外二氧化硫净化罐后的真空泵起到维持整个系统真空度的作用；缩放管降膜蒸发器也需要通入热源进行热交换并使碱式硫酸铝脱硫富液发生解吸反应，这里的热源可以是液态的热源也可以是气态的热源，在缩放管降膜蒸发器中，碱式硫酸铝脱硫富液从其中的缩放降膜传热管中通过，热源从缩放降膜传热管中外通过。

应当理解的是，对于本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。