本實用新型涉及一種同時脫除煙氣中二氧化硫(SO₂)和氮氧化物(NOx)的氣液垂直交錯流式生物膜填料塔新型裝置及應(yīng)用。屬于工業(yè)廢氣凈化處理技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
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我國的大氣環(huán)境污染問題日趨突出，其中以工業(yè)燃煤排放的SO₂和NOx等氣態(tài)污染物造成的嚴重大氣污染，近年來已越來越受到人們的廣泛關(guān)注。

近年來國內(nèi)外已研發(fā)了一些煙氣同時脫硫脫氮技術(shù)，但目前大多仍處于實驗研發(fā)及應(yīng)用驗證階段，而且相關(guān)試驗應(yīng)用技術(shù)一般存在工藝流程復(fù)雜、設(shè)備投資大或運行費用高、對煙氣中低濃度SO₂和NOx的聯(lián)合去除率低、副產(chǎn)品處置利用困難等技術(shù)或經(jīng)濟問題，大多難以實現(xiàn)大范圍的廣泛推廣應(yīng)用。因此，研究開發(fā)適合中國國情的煙氣同時脫硫脫氮新技術(shù)十分必要。

本實用新型前期研究形成的“液相催化氧化-微生物組合法同時脫除煙氣中二氧化硫和氮氧化物的方法”[發(fā)明專利ZL200610011013.4]，在應(yīng)用于煙氣同時脫硫脫氮的凈化性能、投資成本、運行費用、可操作性、副產(chǎn)品等方面與現(xiàn)有常規(guī)技術(shù)相比較，均顯示出了明顯的優(yōu)勢。

上述原有技術(shù)使用的是常規(guī)的氣液逆流式生物膜填料塔。該類型裝置在運行中，隨操作時間延長及操作條件變化等，有時會出現(xiàn)因氣液短路或液泛、阻力降增加導致氣液傳質(zhì)效率降低、脫硫脫氮性能發(fā)揮不穩(wěn)定等問題，因此，有必要開發(fā)研究具有脫硫脫氮效率高、氣液傳質(zhì)性能好、易操作等特性的新型煙氣同時脫硫脫氮用生物膜填料塔裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)不足，發(fā)明一種一種同時脫除煙氣中二氧化硫(SO₂)和氮氧化物(NOx)的氣液垂直交錯流式生物膜填料塔新型裝置及應(yīng)用

本實用新型使用的生物膜填料塔內(nèi)氣液流向類型與原有技術(shù)[發(fā)明專利ZL200610011013.4]不同點的說明：原有技術(shù)使用的是常規(guī)的氣液逆流式生物膜填料塔。本實用新型技術(shù)為了提高氣液傳質(zhì)效果，使用的是新型氣液垂直交錯流式生物膜填料塔。兩者僅在氣液操作流向上略有不同。在常規(guī)的氣液逆流式生物膜填料塔的操作運行中，煙氣進入塔內(nèi)后在單層生物膜填料單元中是自下而上向上流動的，而噴淋液則是自上而下向下流動的，即在塔內(nèi)氣液兩相是按上下對向逆流方式操作的。

本實用新型煙氣同時脫硫脫氮用氣液垂直交錯流式生物膜填料塔新型裝置，其特征在于生物膜填料塔底有一個總煙氣進口(1)和循環(huán)液出口(4)，生物膜填料塔頂部有總煙氣出口(2)和循環(huán)液進口(3)，生物膜填料塔內(nèi)部至少有三個單層生物膜填料單元(17、18、19)，每個單層生物膜填料單元(17、18、19)頂部裝有相對應(yīng)的液體噴淋分布裝置(20、21、22)，每個單層生物膜填料單元(17、18、19)中部為獨立的生物膜填料室，每個單層生物膜填料單元(17、18、19)左側(cè)都開有一個煙氣進口，每個單層生物膜填料單元(17、18、19)右側(cè)都開有一個煙氣出口，下一層右側(cè)部的煙氣出口與上一層左側(cè)部的煙氣進口相通，各層煙氣管在塔內(nèi)相互接通，構(gòu)成煙氣自單層生物膜填料單元(17、18、19)的左側(cè)進入而后從右側(cè)流出，自下而上的相互連通狀態(tài)；每個單層生物膜填料單元(17、18、19)頂部開有進液導管(10、11、12)，下部開有排液導管(13、14、15)，循環(huán)液從循環(huán)槽中由循環(huán)泵從塔的頂部送入塔內(nèi)，經(jīng)由進液總管(9)分別輸送到各單層生物膜填料單元上部的液體噴淋分布裝置(20、21、22)中，隨后自上向下均勻噴淋到生物膜填料上；形成氣體從側(cè)部進入、液體從上落下的垂直交錯流動方式。

本實用新型煙氣同時脫硫脫氮用氣液垂直交錯流式生物膜填料塔新型裝置及應(yīng)用，其特征是在在運行中，煙氣進入塔內(nèi)后在單層生物膜填料單元中是自左向右流動，噴淋液則從塔內(nèi)自上而下向下流動，即在塔內(nèi)形成氣體、液體的垂直交錯流動方式，以此強化“氣-液-生物膜”間的傳質(zhì)，從而提高生物膜填料塔的煙氣同時脫硫脫氮效率。

本實用新型技術(shù)裝置將在工業(yè)低濃度SO₂和NOx廢氣污染控制方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1本實用新型技術(shù)裝置系統(tǒng)的工藝流程示意圖。

圖2本實用新型氣液垂直交錯流式生物膜填料塔的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2A為圖2的A-A方向剖視圖。

圖2B為圖2的B-B方向剖視圖。

圖3氣液垂直交錯流式生物膜填料塔內(nèi)的單層生物膜填料單元結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4兩個采用不同氣液流向的生物膜填料塔的煙氣同時脫硫效果考察實驗結(jié)果。

圖5兩個采用不同氣液流向的生物膜填料塔的煙氣同時脫氮效果考察實驗結(jié)果。

圖中:1—總煙氣進口、2—總煙氣出口；3—循環(huán)液進口、4—循環(huán)液出口；5—第一煙氣導流管、6—第二煙氣導流管、7—第三煙氣導流管、8—第四煙氣導流管；9—進液總管，10—第一進液導管、11—第二進液導管、12—第三進液導管，13—第一排液導管、14—第二排液導管、15—第三排液導管，16—排液總管，17—第一單層生物膜填料單元、18—第二單層生物膜填料單元，19—第三單層生物膜填料單元；20—第一液體噴淋分布裝置，21—第二液體噴淋分布裝置，22—第液體噴淋分布裝置；

31—煙氣進口、32—煙氣出口；33—噴淋液進口、34—噴淋液出口；35—生物膜填料層；36—液體噴淋分布裝置；37—懸掛固定支架；

41—預(yù)處理器(必要時使用)；42—引風機；43—生物膜填料塔；44—循環(huán)液儲槽及泵。

具體實施方式：

本實用新型除使用的新型生物膜填料塔內(nèi)氣液流向類型與原有技術(shù)[發(fā)明專利ZL200610011013.4]不同外，其它的生物法煙氣同時脫硫脫氮技術(shù)原理、技術(shù)方案、外加添加劑配制及使用方法、生物膜填料塔實驗裝置系統(tǒng)及其操作運行方法等，均與前期研究形成的“液相催化氧化-微生物組合法同時脫除煙氣中二氧化硫和氮氧化物的方法”[發(fā)明專利ZL200610011013.4]的相同，在此不再重述。

為了提高生物膜填料塔的煙氣同時脫硫脫氮效率，本實用新型依據(jù)流體力學、流體動力學原理，以提高“氣-液-生物膜”間傳質(zhì)效率為目標，對原有技術(shù)使用的生物膜填料塔的結(jié)構(gòu)和氣液流動方式進行創(chuàng)新改造，通過研究及實驗驗證，開發(fā)研制出了能夠提高煙氣同時脫 硫脫氮效率的氣液垂直交錯流式生物膜填料塔新型技術(shù)裝置，具體系統(tǒng)工藝流程示意見圖1。

本實用新型的氣液垂直交錯流式生物膜填料塔新型裝置是一種生物膜塔式反應(yīng)器，其主要組成部分包括塔體、生物膜填料層、氣體進口及出口、液體進口及出口(其結(jié)構(gòu)示意見圖2)。塔內(nèi)的生物膜填料層由若干個(一般為2～3個)單層生物膜填料單元串聯(lián)組成。這些單層生物膜填料單元即是利用微生物對煙氣同時脫硫脫氮的作用主體。

在操作運行中，由風機將煙氣從氣液垂直交錯流式生物膜填料塔塔體下部的氣體進口送入塔內(nèi)后，經(jīng)煙氣各根導流管自下而上依次進入若干個(一般為2～3個)單層生物膜填料單元內(nèi)，利用附著在填料表面生物膜中的脫硫、脫氮微生物功能菌進行煙氣同時脫硫脫氮處理。經(jīng)過若干個單層生物膜填料單元的多級處理后，凈化的煙氣由塔頂部的氣體出口排出。同時操作的循環(huán)液則是從循環(huán)槽中由循環(huán)泵從塔的頂部送入塔內(nèi)，再經(jīng)由進液總管9分別輸送到各單層生物膜填料單元上部的液體噴淋分布裝置中，之后自上向下均勻噴淋到生物膜填料上；循環(huán)噴淋液向下流動及潤濕生物膜填料后，經(jīng)由單層生物膜填料單元下部的排液導管匯集向下流入塔下部的塔釜，由液體出口4排出塔外進入循環(huán)槽。

煙氣在各單層生物膜填料單元中是自左向右流動的，而噴淋液是自上而下向下流動的，即在塔內(nèi)氣液兩相是按垂直交錯流動方式操作的(詳見圖3)。依據(jù)流體力學、流體動力學原理分析可以認為，由于氣體、液體在以垂直交錯方式流動中與生物膜填料接觸，在氣體、液體垂直交錯流動的剪切力作用下，在與氣、液接觸的生物膜表面會形成許多微小的湍流混合高效傳質(zhì)區(qū)，從而強化了“氣-液-生物膜”間的傳質(zhì)，其宏觀表現(xiàn)即是使煙氣同時脫硫脫氮用生物膜填料塔的脫硫脫氮效率有較大的提高。

本實用新型采用的新型氣液垂直交錯流式生物膜填料塔的操作運行中，煙氣進入塔內(nèi)后在單層生物膜填料單元中是自左向右流動的，而噴淋液仍然是自上而下向下流動的，即在塔內(nèi)氣液兩相是按垂直交錯流方式操作的(詳見圖3)。正是由于這種氣液垂直交錯的流動方式提高了“氣-液-生物膜”間的傳質(zhì)效果，從而使本實用新型采用的新型氣液垂直交錯流式生物膜填料塔的煙氣同時脫硫脫氮效率，明顯高于原有技術(shù)使用的常規(guī)氣液逆流式生物膜填料塔的煙氣同時脫硫脫氮效率(其中以對提高煙氣脫氮效率的效果最為明顯，詳見實施例)。

實施例:

在按生物法煙氣同時脫硫脫氮操作的生物膜填料塔系統(tǒng)上，進行采用新型氣液垂直交錯流式生物膜填料塔提高煙氣同時脫硫脫氮效率的效果考察實驗。生物膜填料塔系統(tǒng)由預(yù)處理器41、引風機42、一個生物膜填料塔43、循環(huán)液儲槽及循環(huán)泵44組成，其流程和連接方式如圖1所示。

實驗中采用的氣液垂直交錯流式生物膜填料塔，為長280×寬120×高800mm的小長方柱型有機玻璃生物膜填料塔，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。該生物膜填料塔內(nèi)分3個單層生物膜填料單元裝填直徑為1～1.5cm的類球形陶粒，每個單層填料單元均為高85×寬80×長170mm的長方體結(jié)構(gòu)，各層填料單元之間間隔100mm，裝填的填料總體積為1.13L×3＝3.39L(其單層填料單元結(jié)構(gòu)及氣、液流向詳見示意圖3)。

實驗運行均在常溫常壓條件下進行，氣體流量為0.16m³/h(空塔停留時間75s)，煙氣中SO₂和NO_X濃度分別為800～2500mg/m³、500～2000mg/m³，循環(huán)液流量為8～10L/h，循環(huán)液總量為10L，其pH為0.5～1.5。實驗期間測量生物膜填料塔的阻力降為50～70Pa。生物膜填料塔進、出口SO₂和NO_X氣體濃度采用英國產(chǎn)煙氣分析儀KM950進行測定。

作為對比，同期還進行了采用常規(guī)氣液逆流式生物膜填料塔系統(tǒng)的對比實驗。對比實驗中采用的常規(guī)氣液逆流式生物膜填料塔，為直徑80×高1500mm的小圓柱形玻璃塔，內(nèi)分2個單層填料單元裝填直徑為1～1.5cm的類球形陶粒，每層單元高450mm，填料層間隔110mm，填料總體積2.25×2＝4.5L。對比實驗的操作運行條件中，除氣體流量為0.2m³/h(空塔停留時間81s)、循環(huán)液體流量為6～7L/h外，其它操作運行條件、樣品采樣及測定均與上述的氣液垂直交錯流式生物膜填料塔提高煙氣同時脫硫脫氮效率的效果考察實驗的一致。實驗期間測量該氣液逆流式生物膜填料塔的阻力降為440～500Pa。

分別對上述兩個采用不同氣液流向的生物膜填料塔進行了12天的煙氣同時脫硫脫氮效果考察實驗，實驗結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4中的實驗結(jié)果顯示，實驗期間，兩個采用不同氣液流向的生物膜填料塔系統(tǒng)的SO₂脫除率均為100％，故此實驗主要考察NOx脫除率的變化情況。圖5中的實驗結(jié)果表明，在實驗期間，新型氣液垂直交錯流式生物膜填料塔對煙氣中NOx的脫除效率值呈現(xiàn)了先快速升高之后維持在高位小幅波動的變化趨勢，且最高值達到了35.64％；而作為對比的常規(guī)氣液逆流式生物膜填料塔的NOx脫除效率值雖然也逐步波動上升，但其最高值僅達到27.21％。而且，在12天的實驗期間，新型氣液垂直交錯流式生物膜填料塔的脫氮效率平均值為33.42％，明顯高于常規(guī)氣液逆流式生物膜填料塔的煙氣脫氮效率平均值25.00％； 兩者相比，應(yīng)用本實用新型的新型氣液垂直交錯流式生物膜填料塔使NOx脫除效率平均值提高了8.42％，即脫氮效率獲得了顯著的提高。

進一步分析對比兩個采用不同氣液流向的生物膜填料塔系統(tǒng)的操作條件和結(jié)構(gòu)參數(shù)可知，在通入氣體中的SO₂、NOx濃度基本相同以及處理氣體流量、循環(huán)液體流量略有不同的條件下，雖然氣液垂直交錯流式生物膜填料塔的生物膜填料總體積(可間接表征塔內(nèi)功能菌群生存及作用空間大小)、空塔停留時間(可間接表征塔內(nèi)接觸反應(yīng)時間長短)略小，但其脫氮效率的平均值仍然能夠比常規(guī)氣液逆流式生物膜填料塔的脫氮效率平均值明顯高出8.42％。

這一結(jié)果明確顯示了在不外加化學以及生物強化劑的情況下，僅通過創(chuàng)新構(gòu)建氣液垂直交錯流動方式對提高生物膜填料塔煙氣脫氮性能的作用效果。