从气体混合物流中除去气体的方法和装置
阅读说明：本技术 从气体混合物流中除去气体的方法和装置 (Method and apparatus for removing gas from gas mixture stream ) 是由 克拉斯·英奇 彼得·弗兰岑 卡尔·佩特鲁斯·哈格马克 于 2020-03-04 设计创作，主要内容包括：一种从气体混合物流中除去气体的方法和装置。在气体混合物流(106)中引入第一液体(82),以蒸发冷却所述气体混合物并使其饱和。提供第二液体(84)的小液滴,所述小液滴能够吸附并溶解所述气体和所述小液滴的尺寸小到不会被重力沉降并大到足以被离心分离。将小液滴喷射到所述气体混合物流中,以将所述气体吸附和溶解到所述液滴中；以及从所述气体混合物流中离心分离所述小液滴。(A method and apparatus for removing gas from a gas mixture stream. A first liquid (82) is introduced into the gas mixture stream (106) to evaporatively cool and saturate the gas mixture. Providing small droplets of a second liquid (84) that are capable of adsorbing and dissolving the gas and the small droplets are of a size small enough not to be gravitationally settled and large enough to be centrifuged. Spraying small droplets into the gas mixture stream to adsorb and dissolve the gas into the droplets; and centrifuging the droplets from the gas mixture stream.)
技术领域
本发明涉及一种从气体混合物流中除去气体的方法。
本发明还涉及一种用于执行该方法的装置。
背景技术
用于减少船用柴油发动机的废气中硫氧化物(SOx)(例如二氧化硫)的现有系统，主要基于各种类型的洗涤器。为此，最常使用湿式洗涤器，其中将碱性溶液(如氢氧化钠(NaOH))的气溶胶喷入所谓的闭环系统中的洗涤器，以使其与硫氧化物反应，形成例如水溶性盐或其他一次性反应产物。当船在港口或海水的碱度不足时，这是通常发生的情况。在海水本身具有足够碱度的情况下，可以在海上使用所谓的开路系统，在该系统中，添加海水气溶胶以与废气中的硫氧化物反应，从而将其除去。
这些洗涤器系统需要大量的废气喷淋水才能使硫氧化物输入气溶胶液滴，液滴必须非常大，废气流必须非常缓慢，以使液滴能够抵抗洗涤器中的气流而重力沉积。这反过来使装置非常大。
为了改进这些系统，形成本发明基础并在WO2018/231105A1中公开的紧凑系统提出将高压下的气溶胶喷射到废气流中，并使用离心技术从气流中分离液滴。因此，有可能使用更少量的水来获得非常小的液滴，其总表面积更大，能够与二氧化硫快速反应。需要喷射的水量仅为现有系统所需水量的约2.5％至5％，同时保持了分离效果。
发明内容
本发明的目的是进一步一般性地改进现有技术的方法和装置，特别是WO2018/231105 A1公开的方法和装置，以更好地满足新排放要求，即排放量对应不能超过柴油燃料中硫的0.1％。
本发明的一方面中，该方法包括：
在气体混合物流中引入第一液体，以蒸发冷却所述气体混合物并使其饱和；
提供第二液体的小液滴，所述小液滴能够溶解所述气体和所述小液滴的尺寸小到不会被重力沉降并大到足以被离心分离；
将所述小液滴喷射到所述气体混合物流中，以将所述气体溶解到所述液滴中；以及
从所述气体混合物流中离心分离所述小液滴。
虽然本发明可以在从气体混合物流中除去气体的各种应用中普遍实施，但是本公开具体示例用于从诸如上述船用柴油机的燃烧废气中除去二氧化硫。这类应用的例子可以在以下文献中找到：
EP2499091、EP2747877、US8444942、EP2298957、EP1524023、WO2016/062731和EP3393625。
分两步供应液体具有以下一般优势和特定应用优势：
引入第一液体(例如水)的初始步骤导致蒸发和饱和，蒸发使热(例如300-400℃)气体混合物(例如废气混合物)饱和和冷却，饱和使蒸发停止。重要的是，引入第一液体的步骤中，蒸发和饱和使第二液体的小液滴保持其尺寸不变。否则，像WO2018/231105 A1的单喷射步骤那样，水会继续随着冷却作用从液滴中蒸发，之后不能控制液滴尺寸。因此，引入水的步骤中的饱和有效防止了喷射步骤中引入的液滴蒸发。冷却对不能承受过量的热量的普通离心分离器也是有利的。
由于第二液体的液滴尺寸小到不会被重力沉降并大到足以被离心分离，它们能确安全地被气体混合物流裹挟向前移动，并在离心分离步骤中从气体混合物流中分离。
可以通过将第一液体的小液滴喷射到气体混合物流中来引入第一种液体。小液滴提供了快速冷却和最终饱和。
第一液体的小液滴可通过使用双流体喷嘴对加压空气进行雾化，或使用单流体喷嘴的高压液体喷射形成。双流体喷嘴可能有利于产生非常小的液滴，以尽快进行冷却。
第二液体的小液滴也可通过使用双流体喷嘴对加压空气进行雾化，或使用单流体喷嘴的高压液体喷射形成。单流体喷嘴有利于每单位时间产生更多液滴，反过来也可能需要更少的喷嘴数量。
液体的雾化将产生具有小液滴的气溶胶，以提供大的总表面积，使得第一液体和第二液体的反应时间短，几乎不需要或不需要减慢给定的流速，特别是对于柴油发动机的废气流，在第一步获得快速蒸发水冷和饱和，使用液滴中的碱来中和硫氧化物，因此，系统也可以保持非常紧凑。
通过用加压空气产生雾化，可以通过改变空气和碱性水溶液的流速来控制液滴的尺寸。
液滴的尺寸也可以通过仅改变加压空气的压力来控制。当雾化喷嘴和碱性溶液的流速已经确定时，可以通过这种方式控制液滴尺寸。
可以控制尺寸在约20-200μm之间变化，通常为约50μm。气流中进一步更小的液滴可能以不希望的方式通过分离步骤。该尺寸更正式地理解为中等尺寸液滴的大小。例如，中等尺寸dv50表示50％液滴体积的液滴直径大于dv50。dv50等于50μm的典型分布包含20-130μm的液滴(10％体积的液滴直径小于20μm，90％体积的液滴直径小于130μm)。
可以在喷射第一液体的下游将第二液体的小液滴喷射到所述气体混合物流中。由此，可在给定时间内使气体混合物流足够饱和。
可以以与废气流并流喷射气溶胶液滴。
第一液体可以是水，第二液体可以是碱性水溶液。
气体混合物可以是燃烧废气，待除去的气体可以是含有硫氧化物的气体。
具体而言，气体混合物可以是来自船用柴油发动机的废气流，而待除去的气体可以是含有硫氧化物的气体。
用于执行根据本发明的方法的装置被插入废气管道的废气流通道，用于执行上述方法，包括用于水和碱性水溶液的喷嘴；以及至少一个离心分离器，位于气体混合物流的喷嘴下游；所述喷嘴包括至少一个水喷嘴，以及至少一个雾化喷嘴，其位于所述气体混合物流中所述至少一个水流喷嘴的下游，用于产生碱性溶液的液滴。
废气管可以是船用柴油发动机的废气管。
虽然也可以通过单流体高压喷嘴进行雾化，但是在一个实施例中，所述至少一个雾化喷嘴是双流体(碱性溶液和加压空气)喷嘴。可以选择并控制现有技术中没有使用过的这种喷嘴，以获得所期望的液滴尺寸。
所述装置还可包括控制和驱动单元，其能够在运行过程中根据发动机负荷控制液滴尺寸。
根据权利要求和随后的详细描述，本发明的其他特征和优点是显而易见的。
附图说明
图1是示出了用于处理来自船用柴油发动机的废气的示例性装置的示意图。
附图通常是示例性的，由此相互关联的组件的比例、方向、尺寸等可能不对应于实际装置。
具有相互关联功能的部件可以用相同的数字表示。
具体实施方式
虽然本发明可以在处理气体的其他领域中实施，但在下面的详细描述中，本发明在船用装置上实施。
图1中的船用装置10示意性地显示为插入到船舶100的大型柴油推进发动机102的废气管104的废气流动通道中。可能用于在兆瓦范围内的发动机102的柴油通常含有大量硫，这些硫被转化为硫氧化物(SOx)，例如废气流106中的SO2。
一般来说，用于减少这些硫氧化物的装置10可被认为由形成废气管106的连续分区的喷射段20和离心分离段50组成。喷射流体通过驱动和控制单元80供应到喷射段20的喷嘴32，42。
喷射段20依次串联分隔成具有各自喷嘴32和42的喷水段30和碱性溶液喷射段40，喷嘴32和42可以单个或以围绕废气流的一个或多个圆形阵列排列。水可以是海水82，以及碱性溶液84，例如氢氧化钠(NaOH)，可以含有海水。
如图1中虚线所示，喷水段30中的喷嘴32可以是单流体类型，例如能够利用加压水的动能将其分散成液滴，并将水滴喷射到废气流106中。水滴冷却废气流，并在废气流中蒸发，使废气流被水蒸气饱和。然而，它们同样也可以是双流体(两相)型，如图1中的实线所示。
尽管如图1中虚线所示的碱性溶液喷射段40的喷嘴42也可以是单流体类型，在实线所示的实施方式中，喷嘴42被示为双流体(两相)类型的，能够使用加压空气/压缩空气将液体碱性溶液84流雾化成小液滴的气溶胶并将气溶胶喷射到蒸汽饱和的废气流106中。图1的大圆圈实线下部区域示出了外混型的双流体雾化喷嘴42，但也可使用其他类型的双流体雾化喷嘴。
由于废气流已经被蒸汽饱和，碱性溶液的液滴将保持其尺寸。在液滴中，液滴中的碱性溶液与酸性硫氧化物反应并中和成盐和水。该反应可以在反应室62中发生和完成62，反应室62形成贯穿分离器段50并差不多延伸至碱性溶液喷射段40的上方的内部空间。
分离段50具有多个离心分离器52。从图1放大的圆形上部区域可以看出，每个分离器52都有一个转子54，转子54上有一叠窄间距的锥形分离盘56，其突出到反应室62中。分离器也可以为更基本类型，在转子中具有径向翼而非锥形盘(未示出)。每个分离器52是逆流型的，即废气流径向向内(箭头P)穿过盘56之间的空隙，抵抗由旋转转子52产生的泵送效应。用于从气流例如曲轴箱气体中离心分离固体和/或液体颗粒的这种转子型离心分离器52，本身是已知的，如从WO2012/052243 A1。
每个分离器转子54进一步配备有与转子54一起旋转的风扇64。风扇64位于腔室58中，腔室58从反应室62的分离段68分隔并将其包围，用于增强从转子52的出气口60到腔室58并进一步流向清洁废气出口70的清洁气体的流动。可选地，公共风扇(未示出)可以布置在反应室62的上游或下游，而非为每个分离器52设置单独的风扇64，反应室62用于通过转子54的堆叠圆盘供给废气、水和反应产物的混合物，并将硫氧化物含量降低的气体排放到废气出口70。分离器转子54由单个电动机72驱动，或者由公共电动机和皮带传动驱动(未示出)，类似于WO2012/052243 A1的图2所示。在反应室62中，具有至少有一个出口74，用于排出反应产物和被分离器转子54分离出的液体。在最初提到的文献WO2018/231105 A1中详细描述了与以上描述类似并可用于本发明的不同的分离器装置。
以示例和简化的方式示出了控制和驱动单元80。控制和驱动单元80操作和简要配置如下：泵88从各自的源82和84抽取海水和碱性溶液并对其加压。压缩机86抽取可暂时储存在蓄压器92中的环境空气并对其加压。阀门90将各自的加压流体分配到喷嘴32和42。调节器94保持压力和/或流量的设定值。阀门90和调节器94的设置由控制单元96控制。用于控制液滴尺寸的设定，如液体和空气压力的设定由根据在船舶100运行期间发动机负荷变化的废气流量来控制。废气流量由在废气管102中的流量传感器108获取。
单元80可以被具体配置成，通过已知方式改变流过选定类型的雾化喷嘴42的空气和液体流的速率，来控制由雾化喷嘴42产生的液滴的尺寸。当给定雾化喷嘴类型和液体流速时，只需要改变空气压力。
上述详细描述主要是为了清楚理解而给出的，而非施加不必要的限制。通过阅读本公开，修改对于本领域技术人员来说是显而易见的，并且可以在不脱离本发明的精神或所附权利要求的范围的情况下进行修改。
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