一种基于离子交换的高效循环式工业脱硫装置的制作方法

本发明涉及工业脱硫领域，尤其涉及一种基于离子交换的高效循环式工业脱硫装置。

背景技术：

脱硫，泛指燃烧前脱去燃料中的硫分以及烟道气排放前的去硫过程。是防治大气污染的重要技术措施之一。目前脱硫方法一般有燃烧前、燃烧中和燃烧后脱硫等三种。随着工业的发展和人们生活水平的提高，对能源的渴求也不断增加，燃煤烟气中的so2已经成为大气污染的主要原因。减少so2污染已成为当今大气环境治理的当务之急。不少烟气脱硫工艺已经在工业中广泛应用，其对各类锅炉和焚烧炉尾气的治理也具有重要的现实意义。

通过对国内外脱硫技术以及国内电力行业引进脱硫工艺试点厂情况的分析研究，目前脱硫方法一般可划分为燃烧前脱硫、燃烧中脱硫和燃烧后脱硫等3类。

其中燃烧后脱硫，又称烟气脱硫（fluegasdesulfurization，简称fgd），在fgd技术中，世界上普遍使用的商业化技术是钙法，所占比例在90%以上。其中，最实用最普遍的是湿法脱硫。

湿法脱硫，特点是脱硫系统位于烟道的末端、除尘器之后，脱硫过程的反应温度低于露点，所以脱硫后的烟气需要再加热才能排出。由于是气液反应，其脱硫反应速度快、效率高、脱硫添加剂利用率高，如用石灰做脱硫剂时，当ca/s=1时，即可达到90%的脱硫率，适合大型燃煤电站的烟气脱硫。然而，目前的湿法脱硫的技术中，存在如下问题：喷雾器喷洒的水雾直接落在脱硫塔底部沉积后，会对脱硫塔造成腐蚀；由于采用向工业废气喷洒水雾的方法，由于水雾的重力的因素，再考虑到废气排入脱硫塔的速度以及废气上升的速度，往往需要大量的水才能达到可观的脱硫效果，这样一来浪费水资源。

技术实现要素：

发明目的：

针对喷雾器喷洒的水雾直接落在脱硫塔底部沉积后，会对脱硫塔造成腐蚀；由于采用向工业废气喷洒水雾的方法，由于水雾的重力的因素，再考虑到废气排入脱硫塔的速度以及废气上升的速度，往往需要大量的水才能达到可观的脱硫效果，这样一来浪费水资源的问题，本发明提供一种基于离子交换的高效循环式工业脱硫装置。

技术方案：

一种基于离子交换的高效循环式工业脱硫装置，包括内部贯通且内壁竖直的塔体，所述塔体的内部分为上层区以及下层区，

所述上层区包括烟气进口、若干第一喷雾口、若干第二喷雾口、烟气出口、若干第一出气口以及凹井，所述烟气进口设置于所述上层区与所述下层区衔接位置，所述烟气出口设置于塔顶，所述塔体设置有凸槛，所述凸槛连接所述凹井，所述凹井的井壁倾斜且井底为平面，所述凹井的井底位于所述上层区的半高位置，所述凸槛顶部设置有若干第二出气口，所述第一喷雾口设置于所述凹井井底高度以下的塔壁，所述第二喷雾口设置于所述凹井井底到所述凸槛之间的塔壁，所述第二喷雾口连接外接水泵，所述第一出气口缓慢向上层区排出气体；

所述下层区包括外包腔，所述外包腔的底面高于所述塔体的下层区的底面，所述下层区底部储存有工作溶液，所述外包腔内储存有石灰水，所述工作溶液的液面高度与所述石灰水的液面高度一致，所述下层区的塔壁上设置有阳离子交换膜，所述阳离子交换膜连通所述下层区与所述外包腔，所述阳离子交换膜的顶部低于所述外包腔中石灰水液面高度，所述外包腔的空气部分的气压为一个标准大气压；所述外包腔包括石墨电极、抽水口以及抽气口，所述石墨电极用于电解所述石灰水，所述石墨电极深入石灰水，所述抽水口的高度高于所述石墨电极深入石灰水的最深高度，所述抽气口设置于所述外包腔的空气部分，所述抽水口设置有水泵，所述水泵用于抽取所述石墨电极附近的液体，所述抽气口设置有抽风机，所述抽风机用于抽取所述外包腔中的混合空气；

所述塔体的塔壁中设置有输气管道以及输水管道，所述输水管道的最高高度与位置最高的所述第一喷雾口一致，所述输水管道分别连接所述抽水口以及所述第一喷雾口；所述输气管道的最高高度低于所述凸槛，所述第一出气口分布于所述凸槛以下的塔壁，所述输气管道分别连接所述抽气口以及第一出气口；

所述凹井的井底还设置旋转轴，所述旋转轴垂直于所述凹井的井底，所述旋转轴上设置有若干旋转叶片，所述旋转叶片设置有第三喷雾口，所述第三喷雾口分布于所述旋转叶片的下表面，所述输水管道由所述凹井的井底延伸至所述旋转轴中，所述输水管道由所述旋转轴发散至所述旋转叶片中，所述输水管道连接所述第三喷雾口，所述旋转轴顺时针旋转，所述第三喷雾口的喷雾方向与所述旋转轴旋转方向相反。

作为本发明的一种优选方式，所述输水管道延伸至所述凹井的侧壁以及井底，所述凹井的侧壁与所述凸槛的衔接处设置有若干毛细孔，所述毛细孔连接所述输水管道，所述毛细孔与所述输水管道连接处设置有渗透膜，所述毛细孔倾斜设置，所述毛细孔的倾斜方向与所述凹井的井壁一致且倾斜角度大于所述凹井的井壁。

作为本发明的一种优选方式，所述凹井的井底设置有齿纹痕，所述齿纹痕一面为斜面、另一面为竖直面，所述竖直面面向所述烟气进口，所述齿纹痕的凹处设置有毛细孔，所述毛细孔连接所述输水管道，所述毛细孔与所述输水管道连接处设置有渗透膜。

作为本发明的一种优选方式，位于所述凸槛处的所述输水管道中设置有液压阀，所述液压阀根据位于所述凹井内的所述输水管道中的液压控制开闭。

作为本发明的一种优选方式，所述下层区的底面设置有第一加热隔板，所述第一加热隔板用于对所述下层区内的工作溶液进行加热。

作为本发明的一种优选方式，所述外包腔侧壁上正对所述阳离子交换膜的位置设置有第二加热隔板，所述第二加热隔板用于对石灰水局部加热。

作为本发明的一种优选方式，所述输水管道设置有保温层。

作为本发明的一种优选方式，所述下层区还包括ph检测仪，所述下层区与所述外包腔之间还设置有应急供水管道，所述应急供水管道中设置有应急水泵，所述ph检测仪用于检测所述下层区中的工作溶液的ph值并根据所述ph值大小控制所述应急水泵开闭，所述应急水泵用于向所述下层区供水。

作为本发明的一种优选方式，所述第二喷雾口根据所述ph检测仪进行喷雾强度调整，当所述ph检测仪检测ph较低时，所述第二喷雾口加强喷雾。

作为本发明的一种优选方式，所述下层区设置处理腔，所述处理腔分割所述下层区，所述处理腔设置处理液，所述处理液用于处理亚硫酸产物。

本发明实现以下有益效果：

1、在废气上升的过程中，通过凹井的斜面将竖直上升的废气强制改变成沿着凹井的斜面上升，从而相对增加了部分废气在脱硫塔中存在的时间，使得废气中的二氧化硫与第一喷雾口以及第二喷雾口喷洒的水雾之间的接触时间增长，使得废气中的二氧化硫能够充分的溶解在水雾中，提高脱硫效果。

2、通过毛细孔以及渗透膜逐渐渗出水，并通过水的表面张力使得水能够沿着凹井的斜面以及凹井底面的齿纹痕流动，相较直接喷洒的水雾掉落至下层区的时间，水在凹井斜面以及底面的齿纹痕上流动的时间较长，因此延长了水与废气的接触时间，使得废气中的二氧化硫能够充分的溶解在水中，提高脱硫效果。

3、通过旋转轴带动旋转叶片旋转从而产生向下的风，将上升的废气向下吹，使得废气从塔体的上层区至烟气出口的时间延长，使得废气与水雾的接触时间变长，使得脱硫效果更佳；同时，旋转叶片旋转对于第三喷雾口喷洒的水雾产生一定的离心作用，使得第三喷雾口喷洒的水雾的覆盖面积增大，从而增大水雾与废气中二氧化硫的接触面积，提高脱硫效果。

4、通过利用阳离子交换膜将外包腔中的ca²⁺引入下层区，并利用加热的方式增大溶解度，使得下层区中ca²⁺的含量增大，从而使得ca²⁺和so3^2-的离子积增大，从而使得电解平衡左移，更加利于生成亚硫酸钙沉淀，增强脱硫后续工序的效果；同时，通过限定远离塔壁的工作区域，使得亚硫酸以及亚硫酸钙等物质与塔壁相隔，从而避免了亚硫酸以及亚硫酸钙产物对塔壁的腐蚀。

5、通过阳离子交换膜限定阴离子存在的区域，从而使得带有亚硫酸的水雾滴落至下层区时仅有水分通过阳离子交换膜至外包腔中，从而使得抽水口抽取水分时不会有so3^2-进入水循环中；并且通过抽取外包腔中的水分，从而可以实现水循环，减少了水资源的消耗。

6、通过电解石灰水中的oh^-并生成电解水，并利用该电解水进行水循环，从而减少了水资源的消耗。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并于说明书一起用于解释本公开的原理。

图1为本发明塔体截面图。

图2为本发明图1中a虚线框的示意图。

图3为本发明图1中b虚线框的示意图。

图4为本发明旋转叶片示意图。

图5为本发明塔体斜视图。

图6为本发明脱硫原理流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例一

参考图1-6。本实施例提供一种基于离子交换的高效循环式工业脱硫装置，包括内部贯通且内壁竖直的塔体1，所述塔体1的内部分为上层区以及下层区。

所述上层区包括烟气进口、若干第一喷雾口2、若干第二喷雾口3、烟气出口4、若干第一出气口5以及凹井6，所述烟气进口设置于所述上层区与所述下层区衔接位置，所述烟气出口4设置于塔顶，所述塔体1设置有凸槛，所述凸槛连接所述凹井6，所述凹井6的井壁倾斜且井底为平面，所述凹井6的井底位于所述上层区的半高位置，所述凸槛顶部设置有若干第二出气口7，所述第一喷雾口2设置于所述凹井6井底高度以下的塔壁，所述第二喷雾口3设置于所述凹井6井底到所述凸槛之间的塔壁，所述第二喷雾口3连接外接水泵，所述第一出气口5缓慢向上层区排出气体。

所述下层区包括外包腔8，所述外包腔8的底面高于所述塔体1的下层区的底面，所述下层区底部储存有工作溶液，所述外包腔8内储存有石灰水，所述工作溶液的液面高度与所述石灰水的液面高度一致，所述下层区的塔壁上设置有阳离子交换膜9，所述阳离子交换膜9连通所述下层区与所述外包腔8，所述阳离子交换膜9的顶部低于所述外包腔8中石灰水液面高度，所述外包腔8的空气部分的气压为一个标准大气压；所述外包腔8包括石墨电极10、抽水口11以及抽气口12，所述石墨电极10用于电解所述石灰水，所述石墨电极10深入石灰水，所述抽水口11的高度高于所述石墨电极10深入石灰水的最深高度，所述抽气口12设置于所述外包腔8的空气部分，所述抽水口11设置有水泵，所述水泵用于抽取所述石墨电极10附近的液体，所述抽气口12设置有抽风机，所述抽风机用于抽取所述外包腔8中的混合空气。

所述塔体1的塔壁中设置有输气管道13以及输水管道14，所述输水管道14的最高高度与位置最高的所述第二喷雾口2一致，所述输水管道14分别连接所述抽水口11以及所述第二喷雾口2；所述输气管道13的最高高度低于所述凸槛，所述第一出气口5分布于所述凸槛以下的塔壁，所述输气管道13分别连接所述抽气口12以及第一出气口5。

所述凹井6的井底还设置旋转轴15，所述旋转轴15垂直于所述凹井6的井底，所述旋转轴15上设置有若干旋转叶片16，所述旋转叶片16设置有第三喷雾口17，所述第三喷雾口17分布于所述旋转叶片16的下表面，所述输水管道14由所述凹井6的井底延伸至所述旋转轴15中，所述输水管道14由所述旋转轴15发散至所述旋转叶片16中，所述输水管道14连接所述第三喷雾口17，所述旋转轴15顺时针旋转，所述第三喷雾口17的喷雾方向与所述旋转轴15旋转方向相反。

作为本发明的一种优选方式，所述输水管道14延伸至所述凹井6的侧壁以及井底，所述凹井6的侧壁与所述凸槛的衔接处设置有若干毛细孔18，所述毛细孔18连接所述输水管道14，所述毛细孔18与所述输水管道14连接处设置有渗透膜，所述毛细孔18倾斜设置，所述毛细孔18的倾斜方向与所述凹井6的井壁一致且倾斜角度大于所述凹井6的井壁。

作为本发明的一种优选方式，所述凹井6的井底设置有齿纹痕19，所述齿纹痕19一面为斜面、另一面为竖直面，所述竖直面面向所述烟气进口，所述齿纹痕19的凹处设置有毛细孔18，所述毛细孔18连接所述输水管道14，所述毛细孔18与所述输水管道14连接处设置有渗透膜。

作为本发明的一种优选方式，位于所述凸槛处的所述输水管道14中设置有液压阀，所述液压阀根据位于所述凹井6内的所述输水管道14中的液压控制开闭。

在具体实施过程中，当工业废气从烟气进口进入脱硫装置的塔体1后，废气在塔体1中会上升，在上升的过程中，第二喷雾口3以及第一喷雾口2中会喷出水雾，水雾与废气混合，废气中的二氧化硫溶解于水雾的水中，形成亚硫酸化学式为h2so3，亚硫酸随着水雾掉入下层区底部的工作溶液中，工作溶液为具有少量钙离子浓度的溶液；亚硫酸随着水雾进入工作溶液。

此时，工作溶液与外包腔8中的石灰水通过阳离子交换膜9保证水分的互相流通，从而使得在亚硫酸伴随水雾掉入工作溶液时能够保证工作溶液与石灰水的液面同时上升，即工作溶液与石灰水中的水分同时增加；亚硫酸在工作溶液中电离形成氢离子化学式为h⁺和亚硫酸离子化学式为so3^2-。

在外包腔8中，石灰水化学式为ca(oh)2电离形成ca²⁺以及oh^-，阳离子交换膜9可以看作是一种高分子电解质。

由于阳膜带负电荷，虽然原来的解离正离子受水分子作用解离到水中，但在膜外通电通过电场作用，带有正电荷的阳离子就可以通过阳膜，而阴离子因为同性排斥而不能通过，所以具有选择透过性。

因此，石灰水中的ca²⁺可以通过阳离子交换膜9到达工作溶液中；当ca²⁺通过阳离子交换膜9进入工作溶液后，ca²⁺和so3^2-结合生成亚硫酸钙化学式为caso3沉淀；对于亚硫酸溶解至工作溶液后生成的h⁺，部分h⁺会从阳离子交换膜9交换至石灰水中，从而和石灰水中的oh^-结合生成水，使得石灰水与工作溶液中的水分进一步增多。

然而，即使阳离子交换膜9交换了ca²⁺以及h⁺，相较于交换至石灰水中的h⁺，石灰水中的oh^-仍旧占有摩尔量上的优势，此时，石墨电极10会对石灰水进行电解，主要电解的对象是石灰水中的oh^-，石墨电极10电解oh^-会生成水和氧气，生成水后会导致石灰水和工作溶液中水量增多，因此液面高度升高。

由于石墨电极10深入石灰水中，在石墨电极10电解的过程中，最先电解的石灰水是石墨电极10附近的石灰水，当石墨电极10附近的oh^-大量被电解时，石墨电极10附近的ca²⁺相对脱离正负电荷中和，更便于脱离石灰水，从阳离子交换膜9进入到工作溶液中。

进而，石墨电极10附近的水量增多，石灰水中的设置在石墨电极10上方一小段距离的抽水口11更便于抽取石墨电极10附近的电解水，电解水进入输水管道14并由输水管道14向上；而电解oh^-生成的氧气混入外包腔8中原本就存在的空气中形成混合空气，同时，由于电解水的生成导致石灰水的液面上升，两者共同导致外包腔8中空气部分的气压增大，从而便于抽气口12抽取气体，并且通过输气管道13由第一出气口5排出，再混合经由第二喷雾口3以及第一喷雾口2喷雾处理的废气混合并从第二出气口7排出塔体1。

在塔体1工作时，外接水泵会抽取外界的水分并由第一喷雾口2喷出，由于第一喷雾口2在第二喷雾口3的下方，第一喷雾口2从外界抽取的水分较多，第一喷雾口2喷出的水的量较多，因此在废气上升的过程中会先被第一喷雾口2喷出的水雾一次净化脱硫，且该次净化程度较大，再由第二喷雾口3喷出的水分进行二次净化脱硫，该次净化是作为对一次净化的补充，且多利用循环的水，节约一定的水资源。

在实际情况中，可以将第二喷雾口3也接入外接水泵，但是该外接水泵的功率小于第一喷雾口2连接的外接水泵的功率，从而能够进一步保证二次净化脱硫的脱硫效果。

由于第一出气口5向上排出气体，因此在塔壁的表面形成一个气比，保证了废气不会在塔体1内侧壁停留。

当电解水从输水管道14传输到凹井6时，凹井6的侧壁与凸槛的衔接处设置的毛细孔18会将电解水渗透到毛细孔18外，由于水的表面张力的作用，从毛细孔18渗出的水会以水珠的形式在凹井6的侧壁上下滑；而由烟气进口进入塔体1的废气在上升的过程中会遇到凹井6，且在凹井6的阻隔下，废气会沿着凹井6的侧壁上升，在沿着侧壁上升的过程中，废气会与侧壁上的水珠相遇，废气中的二氧化硫会溶解于侧壁上的水珠，形成亚硫酸，并从凹井6的侧壁上下滑并滴落到下层区的工作溶液中。

当废气上升至凹井6的底部时，凹井6底部的齿纹痕19增加了废气与凹井6底部的接触面积，凹井6底部这只的毛细孔18会渗透输水管道14中的电解水，由于齿纹痕19的凹陷，电解水在凹陷处利用表面张力停留，在继续渗水的过程中，凹陷处的电解水不断堆积，直到电解水的量过多，从而电解水会沿着齿纹痕19的表面下滑，同时，由于废气在凹井6底部的接触面积增大，废气中的二氧化硫更加能够溶解于电解水中，从而使得废气中的二氧化硫的脱硫程度更大。

值得提及的是，在废气接触凹井6的底部时，会被齿纹痕19的竖直面阻隔，使得部分废气能够被“固定”在竖直面以及斜面之间，从而使得废气与电解水的接触时间增长，使得废气的脱硫效果更佳。

进一步的，输水管道14将电解水传输至凹井6底部的旋转轴15中，并由旋转轴15中传输至旋转叶片16之中，旋转轴15带动旋转叶片16旋转，旋转叶片16旋转时风向向下，从而对于废气上升造成一个阻隔，并将废气向下吹，使得大部分废气聚集在凹井6的下方，使得废气能够极大程度的接触第一喷雾口2中不断喷出的水雾，使得脱硫的效果更加明显。

由于旋转轴15带动旋转叶片16旋转，则对第三喷雾口17喷出的水雾能够向外、向下扩散，使得水雾的覆盖面积更大，增加脱硫效果。

实施例二

参考图1-6。本实施例与实施例一基本上一致，区别在于，在本实施例中：

作为本发明的一种优选方式，所述下层区的底面设置有第一加热隔板20，所述第一加热隔板20用于对所述下层区内的工作溶液进行加热。

作为本发明的一种优选方式，所述外包腔8侧壁上正对所述阳离子交换膜9的位置设置有第二加热隔板21，所述第二加热隔板21用于对石灰水局部加热。

作为本发明的一种优选方式，所述输水管道14设置有保温层。

作为本发明的一种优选方式，所述下层区还包括ph检测仪，所述下层区与所述外包腔8之间还设置有应急供水管道，所述应急供水管道中设置有应急水泵，所述ph检测仪用于检测所述下层区中的工作溶液的ph值并根据所述ph值大小控制所述应急水泵开闭，所述应急水泵用于向所述下层区供水。

作为本发明的一种优选方式，所述第二喷雾口3根据所述ph检测仪进行喷雾强度调整，当所述ph检测仪检测ph较低时，所述第二喷雾口3加强喷雾。

作为本发明的一种优选方式，所述下层区设置处理腔，所述处理腔分割所述下层区，所述处理腔设置处理液，所述处理液用于处理亚硫酸产物。

在具体实施过程中，下层区设置的第一加热隔板20会对工作溶液进行加热，从而使得工作溶液对于各溶质的溶解度上升，以便使得ca²⁺和so3^2-的摩尔量更多，从而使得ca²⁺和so3^2-的离子积变大，以及使得离子积与溶度积的平衡向左移动，更加便于沉淀。

第二加热隔层对石灰水的局部加热，使得局部温度增大，便于对oh^-的电解。输水管的保温层对输水管中的水进行保温，同样达到了在由第一喷雾口2或第二喷雾口3喷出的时候，具有一定温度的水雾使得废气中的二氧化硫的溶解度增大的效果。

就正常情况而言，往往在第一喷雾口2与第二喷雾口3喷洒水雾吸收废气中的二氧化硫中，进而滴落至下层区的工作溶液后，工作溶液中的h⁺浓度上升，工作溶液的ph值变小，而湿法脱硫工序的最佳ph值在5.8～6.2。

因此，需要将ph值变大，可以直接增大工作溶液中的水的含量，于是，当ph检测仪检测到工作溶液的ph值小于5.8时，应急水泵打开，向下层区的工作溶液加入水，当ph检测仪判断工作溶液的ph值大于5.8时，关闭应急水泵。与此同时，也可以通过增大第二喷雾口3的喷雾量对工作溶液的ph值进行调整。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的是让熟悉该技术领域的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此来限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作出的等同变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。