[发明专利]三相全混流二氧化碳氨化矿化反应系统与装置

说明书

技术领域

本发明涉及烟气二氧化碳和湿法磷酸工业固废二水磷石膏转化为化工产品的技术领域，特别是三相全混流二氧化碳氨化矿化反应系统与装置。

背景技术

烟气CO₂被含氨的水溶液吸收后与工业固废二水磷石膏反应得到硫酸铵和矿化产品碳酸钙，是CO₂减排的有效途径之一。化学反应方程式如下

CO₂+CaSO₄·2H₂O(二水磷石膏)+2NH₃ → CaCO₃↓(固)+(NH₄)₂SO₄+H₂O

该反应是吸热反应，通常在带搅拌和加热的液固两相反应器中进行（张万福. 磷石膏转化制硫酸铵反应器加热方式的选择，磷肥与复肥，2010,25(4)：66-67）。而向反应系统直接引入常温的氨气，形成近常压的气液固三相全混流，既可利用氨气的动量代替机械搅拌，又可回收氨与溶液酸性物质中和放热补充上述反应所需热量，还可利用过量氨抑制CO₂从液相逸出从而提高碳酸根离子浓度强化矿化反应。这种一举三得的改进，可以通过本发明三相全混流二氧化碳氨化矿化反应系统与装置获得。

发明内容

本发明公开一种方法，直接向二水磷石膏与二氧化碳矿化生成碳酸钙和硫酸铵的液固反应系统引入常温（4~26 ℃）饱和氨气，利用氨气的压力能（500~1000 kPa）射流搅拌，形成近常压（90~150kPa，气相绝压）的气液固三相全混流反应系统，氨与酸性物质中和反应放热可以补充液固转化反应所需热量，分散于液固相中的氨气抑制CO₂逸出从而提高液相碳酸根离子浓度强化矿化反应。这是本方法基本的发明思想，这种一举三得的改进，可以节约能量、简化流程、减少设备投资。

本发明的具体方法是：压力500~1000 kPa（绝压）、常温（4~26 ℃）饱和氨气进入射流管1自上而下、以大于10m/s的速度射流而出、冲刷反应器2锥底正中的卸料旋塞阀3、然后折流而上在混合反应区剧烈搅拌液固相形成气液固三相全混流。混合反应区的高度由垂直安装于反应器2内部的出料管4上端部位置h决定，此即气相与液固相分离面高度、料浆从该管口连续自动恒液位输出到带搅拌的养晶罐5，气相则继续向上通过反应器2的扩大段、穿过湍球洗涤段6、进入带阀门控制的混合气输出管7送往下游工序。反应器内液/固体积比3~5，液相含CO₂的质量%浓度8%~15%、NH₃/CO₂摩尔比2~3，液固相温度75℃~85℃，气相压力90~150kPa（绝压） 。

二水磷石膏和溶液混合加入反应器是通过安装于反应器2顶部并垂直伸入反应器到达锥部的液固加料装置8。二水磷石膏从上部敞口锥通过搅龙9往下推进，溶液从距搅龙上端距离为a的位置加入并与二水磷石膏共同经过搅龙下端混合后落入反应器锥部。

溶液进入反应器之前，先由溶液泵10加压并通过换热器11调整温度（使之满足反应器内液固相温度75℃~85℃的工艺条件），然后一分为二，1/3通过搅龙9、2/3通过湍球洗涤层6加入反应器。

承接出料管4的养晶罐5浆料层高度c为2~4 m，出料管4插入深度1.5~3.5 m，起液封作用。

在混合气输出管6的阀门前安装气相平衡管13，其下端插入盛水深度L=3~6m的敞口液封槽12液面以下2~5m，起自动泄压作用保证反应器气相压力不超过120~150kPa（绝压）。

反应器2由底锥、筒体段、扩大段和密闭的顶盖四部分组成。筒体段的直径d由操作状态下氨气的体积流量设计值V（m³/s）确定，满足氨气在筒体段表观上升速度u=V/(0.785d²)=2.5~6.5 m/s。扩大段与顶盖连接处的直径D满足V/(0.785D²)=1.5~2.5 m/s。

出料管4上端部开口处距反应器筒体段下端部的高度h=(2~5)d，筒体段长度F =(1.2~1.5) h，筒体段与扩大段长度之和H≥2F，扩大段内安置的湍球洗涤层6的厚度为150~280 mm。

养晶罐5和液封槽12底部安放位置距反应器筒体段下端部的高度f=6~12m。