多相中和反应成套装置及中和反应方法

技术领域

本发明属于三废处理设备技术领域，具体涉及多相中和反应成套装置，还涉及多相中和反应方法。

背景技术

目前，工业废气处理时存在大量外排CO

碱性固体废物的主要成分是钢渣、电石渣、镁渣、矿渣、灰渣、泥浆等。与天然矿物相比，碱性工业固废具备以下几种优势：①碱性工业固废含有的钙、镁氧化物反应活性较高，具有较高的CO

发明专利CN103739184B公开了一种利用干法水泥窑余热干化生活污泥及直接掺烧处理的方法，将市政污泥和氢氧化钠、丙三醇、二甘醇胺、烷基苯磺酸钠和水混合成添加剂，再计量加入煤粉和熟石灰。在干化回转窑内被引入的干法水泥窑窑头余风或发电锅炉后的烟气干化，干化污泥混合物以空气泵的高压气间隔直接打入干法水泥窑窑尾与分解炉间的上升烟道内，与窑内水泥原料混合掺烧。但是该方法是在干化回转窑内利用余热干化，然后定量混入水泥原料中焚烧制成水泥，不仅需要和水泥厂结合处理污泥，存在大规模污泥运输成本的问题，而且需要添加多种化学试剂，工业化成本高。发明专利CN110694458A公开了一种利用城市污泥吸收石灰窑炉烟气中二氧化碳的方法，石灰窑炉煅烧的生石灰粉，与污泥混合反应减水、稳定、灭菌，形成的混合物堆体又用来吸收石灰煅烧过程产生的二氧化碳而使之“钙化”，实现二氧化碳减排，同时烟气余热进一步干燥混合物，环环相扣，形成生产过程的良性循环。但是该方法将碳酸钙分解制备得到石灰和二氧化碳，没有达到二氧化碳的净利用。

发明内容

本发明的目的是提供多相中和反应成套装置，解决了现有碱性固体废物处理成本高及工业外排二氧化碳处理难的问题。

本发明的另一目的是提供多相中和反应方法。

本发明所采用的技术方案是，多相中和反应成套装置，包括反应罐体，反应罐体内设置有电动搅拌机，反应罐体的顶部设置有固相进料口、液相进料口、气相进料口，固相进料口连接有固相加料单元，液相进料口连接有液相加料单元，气相进料口连接有气相加料单元，反应罐体的底部设置有底排阀，电动搅拌机连接有控制单元。

本发明的特点还在于，

固相加料单元包括储料罐，储料罐的底部依次连接有底部阀门I、螺旋输送机、防潮投加器、投加盒、固相加料阀门，储料罐上设置有雷达料位计，储料罐的顶部设置有排气口I，固相加料阀门与固相进料口连接，投加盒的底部设置有电子计量称，螺旋输送机上设置有防堵探测器，固相加料阀门与控制单元连接。

液相加料单元包括储液罐，储液罐的底部依次连接有底部阀门II、平流泵、液相加料阀门，储液罐上设置有液位计I，储液罐的顶部设置有出口阀、排气口II，液相加料阀门与液相进料口连接，液相加料阀门与控制单元连接。

气相加料单元包括储气罐，储气罐依次连接有压力表I、减压阀I、流量计I、减压阀II、气相加料阀门，储气罐上设置有顶部安全阀I，气相加料阀门与气相进料口连接，气相加料阀门与控制单元连接。

反应罐体的顶部设置有顶部安全阀II、排气阀，反应罐体的侧壁上套设有电加热套筒，反应罐体上设置有压力传感器、温度传感器、转速传感器，压力传感器、温度传感器、转速传感器均与控制单元连接。

反应罐体的顶部设置有清洗口，清洗口上设置有清洗阀门，清洗阀门依次连接有压力表II、流量计II、出口阀A、清洗水泵、清洗水箱，清洗水箱的底部设置有底部阀门III，清洗水箱上设置有液位计II，清洗阀门与控制单元连接。

控制单元包括数据采集模块、顺序控制模块、数据自动计算模块、模拟量控制模块、模型模拟模块、模拟反馈模块；

数据采集模块用于采集反应罐中搅拌速度、物料温度、物料粘度、反应压力动态变化数据；

数据采集模块与压力传感器、温度传感器、转速传感器连接；

顺序控制模块用于控制固相物料、液相物料和气体物料进料顺序及投加量，反应罐体内物料混合时间、搅拌速度控制和反应时间控制；

顺序控制模块与电动搅拌机、固相加料阀门、液相加料阀门、气相加料阀门、清洗阀门连接；

数据自动计算模块用于根据固相物料、液相物料和气体物料进料量以及数据采集模块采集的数据，计算固液气三相反应进行的程度和反应效率；

模拟量控制模块用于将模拟量模拟结果与反应结果进行对比，用于优化实验反应条件；

模型模拟模块用于通过将多组反应过程进行数据统计、归一化和拟合，建立三相反应模型，同时通过反应组数的增加不断检验优化现有模型；

模拟反馈模块用于通过将三相反应模型与后期反应数据进行对比，自动反馈反应过程中可能出现的问题，用于对反应结果进行反馈和优化分析。

电动搅拌机的搅拌杆位于反应罐体内的部分为中空结构，搅拌杆上设置有若干层搅拌桨叶，每层搅拌桨叶均为中空结构且均与搅拌杆连通，每层搅拌桨叶上均设置有若干自闭式出气孔，每个自闭式出气孔均包括设置于搅拌桨叶上表面的阀座与阀体的一端连接，阀体的另一端与阀盖连接，阀盖与弹簧的一端连接，弹簧的另一端与控制塞连接，阀座上设置有通孔，控制塞与通孔配合，控制塞的底部设置密封圈，阀体上设置有若干气体喷嘴，通孔与与搅拌桨叶连通，搅拌杆与气相进料口接通。

本发明所采用的另一技术方案是，多相中和反应方法，采用多相中和反应成套装置，具体过程为：通过控制单元设定固液气三相投加顺序和投加量，启动固相加料单元和液相加料单元加料，再启动电动搅拌机，将固液两相物料进行混合并开启电加热套筒进行加热，再启动气相加料单元进行通气，开始固液气三相反应，控制单元获取反应罐体中搅拌速度、物料温度、物料粘度、反应压力动态变化数据，并计算固液气三相反应进行的程度和反应效率，达到设定反应程度后停止反应，电动搅拌机停止搅拌，气相加料阀门关闭，三相反应物料温度下降到设定值后，打开底排阀，将三相反应物料外排。

本发明的特点还在于，

具体按照以下步骤实施：

步骤1，通过顺序控制模块设定固液气三相投加顺序和投加量，电石渣和矿井水同时启动进料，电石渣通过防潮投加器和投加盒通过固相进料口加入，通过电子计量称记录电石渣投加量到设定值后停止投加，矿井水通过平流泵从液相进料口加入，通过平流泵数据记录投加量到设定值后自动停止；

步骤2，顺序控制模块启动电动搅拌机，启动电动搅拌机达到设定转速后稳定搅拌，将电石渣和矿井水固液两相物料进行混合，同时开启电加热套筒对反应罐体内物料进行加热；

步骤3，反应罐体中电石渣和矿井水固液两相搅拌达到一定时间和粘度值，同时物料通过加热达到设定值后，通过顺序控制模块打开气相加料阀门，将模拟煤化工火炬外排气通入反应罐体中，反应罐体压力达到设定值后关闭气相加料阀门；

步骤4，反应罐体开始三相反应，反应过程中采取气体压力保压措施，通过减压阀I动态补充反应罐体中气体，保证反应压力在设定值，通过压力传感器、温度传感器、转速传感器，采集反应罐中搅拌速度、物料温度、物料粘度、反应压力动态变化数据，上传至数据采集模块中；

步骤5，数据自动计算模块根据电石渣、矿井水和模拟煤化工火炬外排气进料量和反应罐体中压力值，计算固液气三相反应进行的程度和反应效率，达到设定反应程度后停止反应；

步骤6，通过顺序控制模块控制电动搅拌机停止搅拌，控制气相加料阀门关闭，三相反应物料温度下降到设定值后，打开底排阀，将三相反应物料外排；

步骤7，顺序控制模块启动清洗阀门，通入清洗溶液开始自动清洗反应罐体，清洗完成后进入下一阶段反应过程，同时通过模拟量控制模块、模型模拟模块和模拟反馈模块进行反应数据对比、分析、拟合和反馈，不断优化三相反应条件和控制过程。

本发明的有益效果是：

(1)本发明多相中和反应成套装置，具有通用性，适用于一般碱性工业固废、工业废水及工业酸性废气的三相中和反应的进行，具有适用多种物料反应、多实验条件反应、反应过程易于操作、节能环保、反应效率高、安全稳定和使用周期短、成本低的优点，为工业三废的改性资源化反应提供成套技术方案和装置，具有广阔的应用前景；(2)本发明的成套装置采用的智能控制部分，顺序控制模块可实现多相反应过程一键智能控制，减少人员操作量；数据采集模块可实现数据实时采集，为反应过程机理分析提供全方位的参考，内置数据自动计算模块可快速计算反应结果，用于反应效果的反馈和反应条件的调整；模型模拟模块通过将多组反应数据进行数据统计、归一化和拟合，建立多相反应数学模型；通过模拟量控制模块和智能模拟反馈模块，将三相反应模型与后期反应数据进行智能对比，自动反馈反应过程中可能出现的问题，用于对反应结果进行反馈和优化分析，不断充实反应数据库；

(3)本发明的成套装置搅拌器采用中空形式多层立体搅拌桨叶，可将反应气体与固液两相充分接触，提高三相的接触面积和反应效率，桨叶表面开设的自闭式出气孔，防止液相固相进入气体通道，底部通过PTFE凹槽密封穿透罐体，提高搅拌器的强度，适用于高粘度、反应生产沉淀的反应体系。

附图说明

图1为本发明多相中和反应成套装置的结构示意图；

图2为本发明多相中和反应成套装置中搅拌器叶片的俯视图；

图3为本发明多相中和反应成套装置中搅拌器叶片的结构示意图。

图中，1.储料罐，2.雷达料位计，3.底部阀门I，4.螺旋输送机，5.防堵探测器，6.防潮投加器，7.投加盒，8.排气口I，9.储液罐，10.液位计I，11.底部阀门II，12.平流泵，13.出口阀，14.排气口II，15.储气罐，16.顶部安全阀I，17.压力表I，18.流量计I，19.减压阀I，20.控制单元，21.反应罐体，22.电动搅拌机，23.固相进料口，24.通孔，25.顶部安全阀II，26.排气阀，27.电加热套筒，28.压力传感器，29.温度传感器，30.转速传感器，31.底排阀，32.清洗水箱，33.液位计II，34.底部阀门III，35.出口阀A，36.清洗水泵，37.流量计II，38.压力表II，39.液相进料口，40.气相进料口，41.固相加料阀门，42.液相加料阀门，43.气相加料阀门，44.减压阀II，45.清洗口，46.清洗阀门，47.搅拌桨叶，48.阀体，49.控制塞，50.弹簧，51.阀盖，52.阀座，53.密封圈，54.气体喷嘴，55.自闭式出气孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

实施例1

本发明多相中和反应成套装置，结构如图1所示，包括反应罐体21，反应罐体21上部为圆柱状，下部为圆锥状，容积为5-100L，采用耐酸碱腐蚀的316L或2205双相不锈钢，耐压可达到10Mpa，反应罐体21内设置有电动搅拌机22，电动搅拌机22的扭矩1200N.cm，0-1000rmp/分，反应罐体21的顶部设置有固相进料口23、液相进料口39、气相进料口40，固相进料口23设置于反应罐体21的左侧顶部，液相进料口39设置于反应罐体21的左侧底部，固相进料口23连接有固相加料单元，液相进料口39连接有液相加料单元，气相进料口40连接有气相加料单元，反应罐体21的底部设置有底排阀31，电动搅拌机22连接有控制单元20，反应罐体21的顶部设置有顶部安全阀II25、排气阀26，反应罐体21的侧壁上套设有电加热套筒27，通过电加热套筒可对反应罐体内物料进行加热，通过电加热可达到200℃，加热速度20℃/min，反应罐顶部采用三组对角螺栓紧固，反应罐体21上设置有压力传感器28、温度传感器29、转速传感器30，压力传感器28、温度传感器29、转速传感器30均与控制单元20连接，通过压力传感器28、温度传感器29、转速传感器30将相关数据传送到控制单元20，温度显示精度0.1℃，压力显示精度0.01MPa，搅拌转速显示精度1rmp。

固相加料单元包括储料罐1，储料罐1为圆锥形罐体，内壁采用环氧防腐防磨处理，采用密闭防潮顶盖进行密封，储料罐1的底部依次连接有底部阀门I3、螺旋输送机4、防潮投加器6、投加盒7、固相加料阀门41，底部阀门I3采用球阀，防潮投加器6可防止固体物料投加过程中返潮结块堵塞管道，储料罐1上设置有雷达料位计2，储料罐1的顶部设置有排气口I8，排气口I8用于保持管罐体内气压稳定，固相加料阀门41与固相进料口23连接，投加盒7的底部设置有电子计量称，可精确计量固体物料的投加量，螺旋输送机4上设置有防堵探测器5，通过防堵探测器5可探测管道内是否堵塞，固相加料阀门41与控制单元20连接。

液相加料单元包括储液罐9，储液罐9为PP、PE材质圆形桶，储液罐9的底部依次连接有底部阀门II11、平流泵12、液相加料阀门42，储液罐9上设置有液位计I10，液位计I10为超声波液位计可显示储液罐9中液位的高低，底部阀门II11采用球阀，通过平流泵可调节液体流量，显示外送液体体积，储液罐9的顶部设置有出口阀13、排气口II14，液相加料阀门42与液相进料口39连接，液相加料阀门42与控制单元20连接，出口阀13用于补充液体，排气口II14用于罐体气压稳定。

气相加料单元包括储气罐15，储气罐15为耐腐蚀钢瓶储气罐，内壁涂覆一层氧化铝、氧化钢、氧化锆复合防酸性气体腐蚀材料，耐压达到10Mpa，储气罐15依次连接有压力表I17、减压阀I19、流量计I18、减压阀II44、气相加料阀门43，储气罐15上设置有顶部安全阀I16，气相加料阀门43与气相进料口40连接，气相加料阀门43与控制单元20连接，减压阀II44和减压阀I19用于调节外送气体流量。

反应罐体21的顶部设置有清洗口45，清洗口45上设置有清洗阀门46，清洗阀门46依次连接有压力表II38、流量计II37、出口阀A35、清洗水泵36、清洗水箱32，清洗水箱32的底部设置有底部阀门III34，清洗水箱32上设置有液位计II33，清洗水箱32为PP、PE材质圆形桶，液位计II33为超声波液位计，清洗阀门46与控制单元20连接；通过清洗阀门46可将清洗液不同组分进行复配，清洗液通过清洗水泵36打入反应罐体21进行罐体清洗，通过流量计II37可显示清洗液流量，通过压力表II38可显示清洗管道中的压力，清洗流程完后通过底部阀门III34将清洗废液进行外排。

如图2和图3所示，电动搅拌机22的搅拌杆位于反应罐体21内的部分为中空结构，搅拌杆的底部通过PTFE凹槽密封，搅拌杆上设置有若干层搅拌桨叶47，搅拌桨叶采用316L或2205双相不锈钢材质，每层搅拌桨叶47均为中空结构且均与搅拌杆连通，每层搅拌桨叶47上均设置有若干自闭式出气孔55，每个自闭式出气孔55均包括设置于搅拌桨叶上表面的阀座52，阀座52与阀体48的一端连接，阀体48的另一端与阀盖51连接，阀盖51与弹簧50的一端连接，弹簧50的另一端与控制塞49连接，阀座52上设置有通孔24，控制塞49与通孔24配合，控制塞49的底部设置密封圈53，阀体48上设置有若干气体喷嘴54，通孔24与搅拌桨叶47连通，搅拌杆与气相进料口40接通，气相进料口40设置于搅拌杆的底部且穿出反应罐体21，气体从搅拌杆进入搅拌桨叶47，通过通孔24作用于控制塞49，控制塞49被挤压打开通孔24，气体进入阀体48，然后通过气体喷嘴54排出，当停止供气时，当阀体48内部压力大于气体进口压力时，在弹簧50的作用下，通孔24被控制塞49密封，则无气体进入阀体48，同时也能防止液相固相进入阀体48内。

实施例2

在实施例1的基础上，控制单元20采用DCS控制程序，包括数据采集模块、顺序控制模块、数据自动计算模块、模拟量控制模块、模型模拟模块、模拟反馈模块；数据采集模块用于采集反应罐中搅拌速度、物料温度、物料粘度、反应压力动态变化数据；数据采集模块与压力传感器28、温度传感器29、转速传感器30连接；顺序控制模块用于控制固相物料、液相物料和气体物料进料顺序及投加量，反应罐体内物料混合时间、搅拌速度控制和反应时间控制；顺序控制模块与电动搅拌机22、固相加料阀门41、液相加料阀门42、气相加料阀门43、清洗阀门46连接；数据自动计算模块用于根据固相物料、液相物料和气体物料进料量以及数据采集模块采集的数据，计算固液气三相反应进行的程度和反应效率；模拟量控制模块用于将模拟量模拟结果与反应结果进行对比，用于优化实验反应条件；模型模拟模块用于通过将多组反应过程进行数据统计、归一化和拟合，建立三相反应模型，同时通过反应组数的增加不断检验优化现有模型；模拟反馈模块用于通过将三相反应模型与后期反应数据进行对比，自动反馈反应过程中可能出现的问题，用于对反应结果进行反馈和优化分析。

实施例3

本发明多相中和反应方法，采用多相中和反应成套装置，具体过程为：通过控制单元20设定固液气三相投加顺序和投加量，启动固相加料单元和液相加料单元加料，再启动电动搅拌机22，将固液两相物料进行混合并开启电加热套筒27进行加热，再启动气相加料单元进行加气，则固液气三相反应，控制单元20获取反应罐体21中搅拌速度、物料温度、物料粘度、反应压力动态变化数据，并计算固液气三相反应进行的程度和反应效率，达到设定反应程度后停止反应，电动搅拌机22停止搅拌，气相加料阀门43关闭，三相反应物料温度下降到设定值后，打开底排阀31，将三相反应物料外排。

具体按照以下步骤实施：

步骤1，通过顺序控制模块设定固液气三相投加顺序和投加量，电石渣和矿井水同时启动进料，电石渣通过防潮投加器6和投加盒7通过固相进料口23进料口加入，通过电子计量称记录电石渣投加量到设定值后停止投加，矿井水通过平流泵12从液相进料口39加入，通过平流泵12数据记录投加量到设定值后自动停止；

步骤2，顺序控制模块启动电动搅拌机22，启动电动搅拌机22达到设定转速后稳定搅拌，将电石渣和矿井水固液两相物料进行混合，同时开启电加热套筒27对反应罐体21内物料进行加热；

步骤3，反应罐体21中电石渣和矿井水固液两相搅拌达到一定时间和粘度值，同时物料通过加热达到设定值后，通过顺序控制模块打开气相加料阀门43，将模拟煤化工火炬外排气通入反应罐体21中，反应罐体21压力达到设定值后关闭气相加料阀门43；

步骤4，反应罐体21开始三相反应，反应过程中采取气体压力保压措施，通过减压阀I19动态补充反应罐体21中气体，保证反应压力在设定值，通过压力传感器28、温度传感器29、转速传感器30，采集反应罐中搅拌速度、物料温度、物料粘度、反应压力动态变化数据，上传至数据采集模块中；

步骤5，数据自动计算模块根据电石渣、矿井水和模拟煤化工火炬外排气进料量和反应罐体21中压力值，计算固液气三相反应进行的程度和反应效率，达到设定反应程度后停止反应；

步骤6，通过顺序控制模块控制电动搅拌机22停止搅拌，控制气相加料阀门43关闭，三相反应物料温度下降到设定值后，打开底排阀31，将三相反应物料外排；

步骤7，顺序控制模块启动清洗阀门46，通入清洗溶液开始自动清洗反应罐体21，清洗完成后进入下一阶段反应过程，同时通过模拟量控制模块、模型模拟模块和模拟反馈模块进行反应数据对比、分析、拟合和反馈，不断优化三相反应条件和控制过程。