专利名称：通风系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于将气体注入流体的设备和方法，更特别地， 涉及一种用于将空气注入泥浆的喷头和搅拌器构造和相关的方法。
背景技术：
在一些传统的废气脱硫系统中，潮湿的净气器将载硫气体与石灰 石/水泥浆接触。在废气中的硫与石灰或者石灰石反应，从而产生亚硫 酸钙(CaS03)。包含亚硫酸钙的泥浆被包含在大的容器当中。典型地， 空气被注入进泥浆，从而将亚硫酸钙氧化为硫酸钙(CaS04)。氧化反 应使得泥浆更容易处理，并且副产品(硫酸钙作为石膏更为人所熟知) 具有价值并且可以回收。质量转移系数，该系数为耗氧量的比率和氧缺少量之间的比例系 数，是通风装置或者构造在氧或者其他气体转移到水或者其他流体中 的效率的常用测量。具体而言，质量转移系数kla对于具体装置或者构造在下面等式中是常量 dc/dt=kla (Cs-C)其中dc/dt-气体在溶液中的浓度的变化率kla-总的质量转移系数 Q-气体在溶液中的饱和浓度 C二气体在溶液中的真实浓度传统的用于将空气注入泥浆中的系统在公布的英国专利申请GB2 164 576A中公开并且在图1 (现有技术)中示出。传统的系统包括容 器100，大体垂直的气体喷枪102和推动器104。空气喷枪102和推动 器104都潜在泥浆106内。来自推动器的流，其在图1中由指向箭头I 示意性地示出，促进了在气体和流体之间的质量转移。推动器的操作产生了涡流，该涡流在涡流或者漩涡中心形成了低 压区。退出喷枪102的气体可以朝着推动器104向后流入低压区，该 流动在图1中用指向箭头F示意性地示出。术语"溢流"(flooding) 用来指指其中来自喷枪102的空气与推动器104的叶片接触的状况。 在溢流期间，系统的质量转移效率大大地降低，并且推动器或者其驱 动器的寿命可能会縮短。发明内容提供一种系统，用于将气体引入布置在容器内的泥浆内。该系统 包括推动器和优选与该推动器间隔开的喷枪。该喷枪相对于该容器静 止。气体优选是用于氧化废气脱硫系统中的亚硫酸钙的泥浆的空气。 该推动器被布置在容器内，用于搅动泥浆。该喷枪被布置在该推动器 的流出侧上。喷枪包括气体穿过的管道，和至少一个连接到该管道的 叶片。该管道具有形成在其内的出口，该出口通常指向远离该推动器。说明两种主要的实施例用于解释。在第一实施例中，叶片是单个 近似平面的桨叶。在第二实施例中，叶片是包括布置在喷枪的相对侧 上的一对叶片。该对叶片中的第一个相对于该对叶片中的第二个向下 倾斜，并且该叶片在与推动器的涡流的方向相反的方位向下倾斜。优 选地，喷枪的出口部分大体平行于推动器的旋转轴线。还提供了一种将气体注入泥浆的方法。该方法包括以下步骤(a) 提供包含泥浆的容器；(b)提供包括推动器的搅拌器；(c)提供在推 动器的流出侧上布置在容器内的气体喷枪；(d)将气体穿过气体喷枪注入容器内；以及(e)旋转推动器以在气体喷枪上产生泥浆流。该气 体喷枪包括出口和至少一个叶片，该出口被大体指向远离该推动器。发明人的理论是，喷枪和推动器系统将来自推动器的流动进行导 向，并且将来自推动器的涡流的至少一部分转换为纵向流，这将易于 提高如在质量转移系数中所证实的质量转移，并且减少溢流。
图l (现有技术)是传统的喷枪和推动器系统的示意图；图2是根据本发明的第一实施例的喷枪和推动器系统的示意图；图3是图2中示出的喷枪的视图；图4是图2中示出的实施例和图1中现有技术构造的性能曲线图；和图5是本发明另一实施例的视图。
具体实施方式
这里所述的系统和部件用于在废气脱硫工艺中，将气体注入泥浆 内并且促进质量转移，特别用于将空气注入包含亚硫酸钙(CaS03)的 泥浆内。空气存在时，亚硫酸钙被氧化为硫酸钙(CaS04)，然后通过 为人所熟知的工艺将该硫酸钙从泥浆中去除。参考示意性地示出用于将气体注入泥浆内的系统的第一实施例的 图2，结合的喷枪和推动器系统10a示出为布置在包含泥浆14a的容器 12a内。系统10a包括推动器16a和喷枪20a，受让人称该系统为 AirWing 。推动器16a，连同这里所述的用于其他实施例的推动器优 选是螺旋桨型的。本发明不限制于任何具体形式或者结构的推动器， 而是包含任何能够在喷枪上产生显著的轴向流动(也就是，主要平行 于推动器轴线的流动)的设备。推动器16a被安装到轴18a上，该轴优 选延伸穿过容器12a的侧壁。如图2和图3所示，在图3中(一定程度上示意性地)示出的喷 枪20a包括用于供给空气的管道。该管道包括主供给管，例如下导管 22a、弯管24a、出口部分26a和叶片组件30a。下导管22a和出口部分 26a优选是圆形横截面的坚固直管。出口 27a形成在出口部分26a的远 端。出口部分26a可以大体平行于中心推动器轴线19a，使得出口部分 中心线28a、出口 27a和来自出口的流动大体平行于中心推动器轴线 19a。优选地，出口部分中心线28a和推动器轴线19a向下倾斜大约10 °到大约15° 。另外，轴线28a可以不与轴线19a平行。并且轴线28a 和19a可以大体水平，使得出口部分中心线28a、出口27a和来自出口 的流动大体水平。叶片组件30a是大体扁平的(即平的)矩形板，该板包括前缘32a、 后缘34a、上表面36a、下表面38a和一对相对的外围边40a。上表面 36a通过悍接、铸造或者螺栓紧固或者其他惯用的方式连接到出口部分 26a。优选地，前缘32a和后缘34a是水平的并且垂直于中心轴线19a。 外围边40a优选地相互平行并且平行于出口中心线28a。叶片组件20a、 下导管22a、弯管24a和出口部分26a可以由任何合适的合金，例如抗 腐蚀的镍铬合金形成。图3示出了喷枪20a的部分和推动器16a之间的一些优选的关系。 弯管24a优选地具有等于或者大于管内直径d的内半径，这主要是压降 的原因。管内直径d在图3中示意性地示出。叶片30a优选地具有是管 内直径d大约两倍至大约四倍，并且更优选地是管内直径的大约两倍 的长度(平行于出口部分26a)，而是管内直径的大约三倍至大约五倍， 并且更优选地是管内直径的大约四倍的宽度(垂直于其长度)。出口 中心线28a从推动器16a的中心线偏置距离R，该距离优选地是推动器 直径D的大约35%至大约45%,更优选地是推动器直径D的大约38%。 优选地，下导管22a与推动器16a隔开推动器直径D的大约1/3至大约 2/3，更优选地是推动器直径D的大约一半。喷枪20a相对于推动器16a 的相对位置主要是基于溢流因素而考虑的。提供上述参数用于图示和大体的指导。本发明不限制于这些参数 的任何一个，除非特定的权利要求可能在清楚地表述了参数时才这样 限制。进一步，熟悉通风技术的技术人员在阅读了该本公开之后应该 理解的是，可以对参数进行改变以适合具体的应用，并且参数中的一 些是相关的，从而改变一个需要对其他的进行调整。在操作中，压縮机(图中未示出)将空气推送穿过喷枪20a和喷 枪出口 27a。连接到推动器轴18a的电机(图中未示出)旋转推动器16a， 以在喷枪20a上具有涡流并且主要是轴向流地移动泥浆。在典型的商业 设备中的推动器的大小可以(优选地)从35英寸(900mm)到55英 寸(1400)的范围改变。 一般，商业设备的空气流动参数可以根据大 体在03到0.57cm/s之间的表面气体速度范围来选择，如上面所述。根 据特定的工艺需求，对于特定商业设备的表面空气速度可以在上述范 围之外。如在这里所用的，表面气体速度是通过将总体气体流率除以 水平穿过容器所截取的横截面面积而获得的理论值。因此，管道直径可以根据期望的空气流动(例如表面气体速度) 和其他的工艺参数来改变，典型的可能是在3英寸和12英寸之间 (80mm-300mm)。在商业设备中的叶片的尺寸可以大体在管道尺寸的 基础上随着确定几何形状和尺寸，如关于图3所示出的和所述的。上 述尺寸当然可以根据特殊应用的参数改变(包括改变为优选的表面气 体速度范围外)，根据该公开，这些参数可以为熟悉废气脱硫系统中 的通风的技术人员所理解。喷枪和推动器系统10a与图1中所示出的现有技术的系统相比， 产生了改进的质量转移。为了验证和测量相对于现有技术的喷枪构造 的性能改进，确定系统10a的质量转移系数(kla)。实验测量是在具有六英尺的直径的清楚、圆柱形容器内执行的。已知量的亚硫酸钠(Na2S03)被引入到存在少量CoCl2的容器内，该 CoCl2用作催化剂。推动器16a用于搅拌容器，并且压縮空气被供给到 喷枪20a。测量氧化亚硫酸钠所需的时间，并且通过下面的等式计算质 量转移系数kla:126(U"(c)其中，(Na2S03)是导入容器内的Na2S03的量，单位是mol;Vv。,是容器的容积，单位是liter;T是氧化容器内的所有的Na2S03的时间；c氧饱和浓度，单位是g/liter以及，16和126是成分的分子量，单位是g/mo1。用于测试的推动器是螺旋桨型的推动器，具有1.5的螺距和6" (6 英寸)的直径。推动器操作在1200至1800rpm。空气流在每小时1，000 至1,900标准立方英尺(scfh)的范围内流动，这产生了 0.3至0.57cm/s 的表面气体速度。包括用于空气压縮机和推动器电机的动力的总动力 位于0.1至0.4W/kg (即，瓦/千克流体)的范围。Na2S03在氧化剂容 器的浓度是0.008mol/kg。在图4中提供了喷枪20a和推动器16a的测试结果，图4还示出 了图1中所示的传统的喷枪102的测试结果。喷枪20a的数据在图4 中标记为"新"；传统喷枪102的数据标记为"标准"。由于数据是 取自于清洁水、亚硫酸钠和催化剂的混合物，因此图4中的质量转移 系数数据是以最大测量量的百分率，而不是以1/时间的单元数提供。例如通过将创造性的喷枪20a和现有技术的喷枪102的质量转移 系数的相对大小的直接对比，创造性的喷枪20a的优异的质量转移从图 4中是显而易见的(1)在相同的0.356W/kg的具体功耗的时刻，其 在图中分别用由实心方框和空心方框表示，和(2)其中，创造性喷枪 20a以明显小的功耗操作，但是在大部分的操作范围内产生了比现有技 术的喷枪102所产生的质量转移系数大的质量转移系数，这个改进在 图中分别由实心三角和空心菱形表示。下面提供对喷枪和推动器系统10a的改进性能的解释以确保完整 的公开，并且该解释的本意不是限制权利要求的范围，除非在讨论的 权利要求中清楚地表述。发明人相信，喷枪组件20a提供了产生改进质 量转移的两个方面改进的湍流和指向流动。第一，叶片组件30a在来 自推动器16a的出口流内产生了额外的湍流。所增加的湍流易于减小气 泡的大小，这改进了在空气和泥浆之间的质量转移。第二，弯管24a 和出口部分26a引导气体远离推动器16a，这减少了推动器溢流的可能 性和激烈性，并且还能够使喷枪出口 27a与传统的喷枪相比靠近推动器 被定位。进一步，叶片组件30a可以将来自推动器16a的涡流的一部分 转换为在大体远离推动器的方向的纵向流。参考示出了本发明另一实施例的图5，喷枪20b是喷枪和推动器系 统10b的一部分。喷枪20b被布置在包含在容器12b (未示出)中的泥 浆14b内。泥浆14b和推动器16b，如在图5中示意性地示出的，和容 器12b这里概括地相对于第一实施例系统10a进行说明。喷枪20b包括下导管22b、弯管24b、出口部分26b和叶片组件30b。 下导管22b和出口部分26b优选地是圆形横截面的坚固直管。并且出 口 27b形成在出口部分26b的远端。优选地，出口部分26b以与推动 器轴线相同的角度大体向下倾斜，该推动器轴线优选向下倾斜大约10 °到15° ，从而，其中心线28b、出口 27b和来自出口的流动大体平 行于推动器轴线。另外，出口部分26b可以大体水平方位，从而其中心线28b、出口 27b和来自出口的流动大体水平。叶片组件30b包括一对布置在出口部分26b的相对侧上的叶片31L 和31R。每个叶片组件31L和31R具有前缘32b、后缘34b、上表面36b 和下表面38b。由于每个叶片大体在其中心具有相对厚部33b，该厚部 朝着在前缘32b和后缘34b处的相对薄部逐渐变薄，因此叶片31L和 31R厚度变化。本发明或者实施例包括具有扁平且均匀的侧轮廓的叶片，如图2 和3中所示，和逐渐变薄的侧轮廓的叶片。图5示出了在向前和向后 的两个方向逐渐变薄的叶片30b的侧轮廓，并且本发明包括任何种类 的逐渐变薄部分。另外，本发明包括含有具有弯曲侧轮廓的叶片的任 何构造的叶片。叶片31L和31R的每一个连接到出口部分26b的侧部，并且相对 于出口中心线28b向下倾斜。优选地，叶片31L和31R相对地倾斜， 并且在与来自推动器16b的出口流的漩涡相反的方向定向。例如，如 果来自推动器16b的漩涡的方向是顺时针的，则叶片31L和31R朝着 产生局部、相对逆时针的区域被定向。发明人认为叶片31L和31R将涡流的部分转换为纵向流，这将倾 向于引导气流远离推动器16b，尽管没有对这种构造进行测试。叶片组 件30b还可以增强漩涡以如上所述改进质量转移。如这里所使用的，词语"将涡流的部分转换为纵向流"大体是指， 来自推动器的流矢量的漩涡分量或者切向分量的部分相对于流矢量的 纵向分流被减小。发明人相信，喷枪20a和20b将涡流的部分转换为纵 向流，但是本发明不限制于将涡流的部分转换为纵向流的喷枪，除非 这种功能在具体考虑的权利要求中清楚地表述。并且，本发明包括通 过任何机构将涡流转换为纵向流。如图中所示，叶片组件30a和30b的优选的方位是适当地水平的或者垂直于下导管22a和22b，并且测试 结果表明如果其他的参数不改变，则垂直的方位或者平行于下导管22a 和22b的方位并无好处。这里的系统和其部件的说明提供用于图示的目的，并且其意不在 于限制本发明的范围。除非特定的权利要求清楚地表述它，否则本发 明不限制于例如具有出口部和大体平行于推动器轴线或者大体水平的 出口流的喷枪，或者不限制于具有未在权利要求清楚表述的任何特定 结构的喷枪。主供给管不需要正好是垂直的，而是可以采用包括延伸 穿过容器侧壁的任何构造。弯管不需要是90度的弯管。不局限于这里 的特定实施例，本发明的范围而是应该根据权利要求的清楚表述的语 言来确定。
权利要求
1.一种用于将气体引入设置在容器中的泥浆中的系统，所述系统包括推动器，所述推动器设置在所述容器中，用于搅动所述泥浆，和静止的喷枪，所述喷枪设置在所述推动器的流出侧上，所述喷枪包括(i)所述气体通过的管道，所述管道具有形成在其中的出口，所述出口大体指向为离开所述推动器，和(ii)联接到所述管道的至少一个叶片。
2. 如权利要求l所述的系统，其中，所述喷枪与所述推动器间隔开。
3. 如权利要求l所述的系统，其中，所述至少一个叶片是单个近 似平面的桨叶。
4. 如权利要求l所述的系统，其中，所述至少一个叶片将来自所 述推动器的涡流的至少一部分转换为纵向流。
5. 如权利要求l所述的系统，其中，所述至少一个叶片是设置在 所述喷枪的相对侧上的一对叶片，所述一对叶片中的第一个叶片相对 于所述一对叶片中的第二个叶片向下倾斜，使得所述叶片具有与所述 推动器的涡流方向相反的取向。
6. 如权利要求5所述的系统，其中，所述叶片将所述涡流的一部 分转换为纵向流。
7. 如权利要求5所述的系统，其中，所述叶片是近似平面的。
8. 如权利要求5所述的系统，其中，每个叶片在前缘和后缘处相对薄，并在所述前缘和所述后缘之间相对厚。
9. 如权利要求l所述的系统，其中，所述管道包括主供给管、弯 管和出口部分，并且气体出口设置在所述出口部分中。
10. 如权利要求9所述的系统，其中，所述出口部分近似平行于 推动器旋转轴线。
11. 如权利要求IO所述的系统，其中，所述推动器旋转轴线向下 倾斜水平面以下大约IO。至大约15° 。
12. 如权利要求9所述的系统，其中，气体出口的方向基本是水 平的。
13. 如权利要求9所述的系统，其中，所述弯管的内半径等于或 者大于所述主供给管的内直径。
14. 如权利要求9所述的系统，其中，所述叶片的长度是所述主 供给管的内直径的大约两倍至大约四倍。
15. 如权利要求14所述的系统，其中，叶片长度是所述管内直径 的大约两倍。
16. 如权利要求14所述的系统，其中，所述叶片的宽度是所述管 内直径的大约三倍至大约五倍。
17. 如权利要求16所述的系统，其中，所述宽度是所述管内直径 的大约四倍。
18. 如权利要求9所述的系统，其中，所述出口部分的中心线从推动器旋转轴线偏移距离R，所述距离R是所述推动器直径的大约35。/。 至大约45%。
19. 如权利要求18所述的系统，其中，所述距离R是所述推动器 直径的大约38%。
20. 如权利要求18所述的系统，其中，所述主供给管与所述推动 器隔开所述推动器直径的大约1/3至大约2/3。
21. 如权利要求18所述的系统，其中，所述主供给管与所述推动 器隔开所述推动器直径D的大约一半。
22. 如权利要求9所述的系统，其中，所述至少一个叶片连接到 所述管道的水平部分。
23. 如权利要求22所述的系统，其中，所述主供给管是近似竖直 的下导管。
24. 如权利要求1所述的系统，其中，所述管道包括近似水平部 分，所述部分终止以形成所述气体出口。
25. 如权利要求1所述的系统，其中，气体喷枪出口从搅拌器的 纵向中心线偏置。
26. 如权利要求1所述的系统，其中，所述泥浆包括废气脱硫工 艺中的亚硫酸钙。
27. —种将气体注入泥浆的方法，包括以下步骤 (a)提供包含所述泥浆的容器；(b)提供包括推动器的搅拌器；(C)提供静止的气体喷枪，所述气体喷枪在所述容器中设置在所 述推动器的流出侧上，所述气体喷枪包括出口和至少一个叶片，所述 出口大体指向为离开所述推动器；(d) 将气体通过所述气体喷枪注入所述容器中；和(e) 旋转所述推动器以在所述气体喷枪上产生泥浆流。
28. 如权利要求27所述的方法，其中，所述叶片在所述气体喷枪 出口附近促进大体离开所述推动器的局部流，由此减小所述推动器的 溢流。
29. 如权利要求27所述的方法，其中，旋转所述推动器的步骤产 生来自所述推动器的流出涡流，所述叶片增大在所述气体喷枪出口附 近的所述流出涡流的纵向分量。
30. 如权利要求27所述的方法，其中，提供所述气体喷枪的步骤 包括当采用直的、基本竖直的喷枪时，在产生推动器溢流的位置处 将所述气体喷枪设置在所述推动器附近。
31. 如权利要求27所述的方法，其中，所述至少一个叶片是单个 近似平面的桨叶。
32. 如权利要求29所述的方法，其中，所述至少一个叶片是单个 近似平面的桨叶。
33. 如权利要求27所述的方法，其中，所述至少一个叶片是设置 在所述喷枪的相对侧上的一对叶片，所述一对叶片中的第一个叶片相 对于所述一对叶片中的第二个叶片向下倾斜，使得所述叶片具有与所 述推动器的涡流方向相反的取向。
34. 如权利要求29所述的方法，其中，所述至少一个叶片是设置 在所述喷枪的相对侧上的一对叶片，所述一对叶片中的第一个叶片相 对于所述一对叶片中的第二个叶片向下倾斜，使得所述叶片具有与所 述推动器的涡流方向相反的取向。
35. 如权利要求27所述的方法，其中，所述泥浆包括废气脱硫工 艺中的亚硫酸钙。
36. 如权利要求27所述的方法，其中，所述气体喷枪与所述推动 器间隔开。
全文摘要
一种用于在废气脱硫工艺中将空气引入泥浆中的系统包括静止的喷枪(20a)和推动器(16a)。该喷枪包括出口部分(26a)和叶片组件(30a)。该出口引导空气远离推动器。叶片组件可以产生湍流并且可以将来自推动器的涡流的部分转换为纵向流。
文档编号C04B11/00GK101330967SQ200680034197
公开日2008年12月24日 申请日期2006年9月15日 优先权日2005年9月16日
发明者彼得·约翰·奈茨, 沃伊切赫·韦恰尔科夫斯基, 罗伯特·彼得·多德 申请人:费城齿轮公司