一种膜曝气-吸收耦合式膜法海水烟气脱硫装置的制作方法

本实用新型的技术方案属于环保技术领域，涉及一种膜曝气-吸收耦合式膜法海水烟气脱硫装置及方法。

背景技术：

大气污染是人类面临的重大环境问题之一，其中尤以二氧化硫的污染最为严重。它不仅引起呼吸道疾病，而且导致酸雨、破坏生态环境。我国二氧化硫排放量高居世界第一位，解决二氧化硫污染问题尤为迫切。要从根本上解决二氧化硫等大气污染的问题，必须从源头减少排放，对工业源烟气进行脱硫处理，将污染物消除或将其浓度降到允许值以下。是解决日益严重的二氧化硫污染问题的重要途径。传统的脱硫方法有着副产品处理困难,工艺复杂,废水污染等诸多问题。所以,探究高吸收效率，经济实用型的脱硫方法越来越受到人们的重视。

膜吸收法脱硫技术是气体膜分离技术与气体吸收技术相结合的一种新型脱硫技术，具有气液接触面积大、设备轻巧灵便、易于操作、易于集成放大等优点。海水是地球上最丰富的水资源且呈弱碱性，具有较强的酸碱缓冲能力和二氧化硫吸收能力，是一种吸收能力高,不易产生二次污染的吸收剂。所以利用膜吸收法海水烟气脱硫方案相继出现。它不仅有效避免了气液两相直接接触，从而避免了传统吸收塔内出现的液泛、漏液和雾沫夹带等问题。而且具有占地面积小，重量轻，膜接触器体积小，高传质比表面积，独立控制的气液两相流量，能耗低等优点。如何优化膜吸收法海水烟气脱硫的技术方案成为人们研究的重要课题。

专利cn106582211a《一种气泡强化式膜吸收海水烟气脱硫的方法》公开了一种气泡强化式膜吸收海水烟气脱硫工艺。其主要流程包括烟气除尘、降温及中空纤维膜吸收。该专利在吸收剂的海水中同时鼓入空气，达到了降低传质阻力，提升吸收速率；同时改变膜清洗这一被动式措施等效果。但在上述鼓气过程中海水与扰动气体混合后同时进入吸收器，气液混合程度及气泡大小控制较难，影响强化效果。专利cn102485320a《膜吸收法海水烟气脱硫装置及其工艺》公开了一种膜吸收法海水烟气脱硫装置及其工艺。其主要流程包括烟气和经过预处理的海水在中空纤维膜的微孔处形成反应界面，实现烟气脱硫。脱硫海水经曝气固硫，ph值达标后排放。其装置由一级或多级膜吸收器组成，其工艺特征在于装置气阻低，动力消耗小，脱硫效率高。上述两项专利均公开了利用膜吸收技术进行海水烟气脱硫的方法，但吸收过程与曝气过程相互分离，过程集成性较差，不利于工业化应用。将膜吸收技术应用于海水脱硫过程仍有待提高。

技术实现要素：

本实用新型的目的为针对现有技术不足，提供了一种膜曝气-吸收耦合式膜法海水烟气脱硫装置。在膜吸收单元中集成吸收与曝气单元，除了分布有吸收的膜丝外，还加入了用来鼓气的膜丝，实现曝气、吸收在同一装置内进行，通过曝气单元所产生的微小气泡形成两相流，与吸收膜丝呈错流式流动，提高吸收过程二氧化硫吸收效率。曝气气泡大小易于控制，与海水混合均匀，具有节省空间，轻巧灵便、易于操作及集成放大。

本实用新型所采用的技术方案如下：

一种膜曝气-吸收耦合式膜法海水烟气脱硫装置，该装置包括长方体状壳体和固定在壳体中部的帘式中空纤维膜元件；其中,长方体状壳体为密闭、中空的筒体；壳体上设有待处理气体进口、待处理气体出口和曝气气体进口、曝气气体出口，上下设有吸收剂进口和吸收剂出口。吸收剂为海水；

所述的帘式中空纤维膜元件，包括吸收层和曝气层上下两部分；其中，上部为吸收层、下部为曝气层，每部分均匀平行排列一层或多层中空纤维膜丝；吸收层和曝气层之间的间距为5-50mm；

所述的壳体上的待处理气体进口与上部的吸收膜丝管程的一端相连，吸收膜丝管程的另一端与壳体的待处理气体出口相连；壳体的曝气气体进口与曝气膜丝管程的一端相连，曝气膜丝管程的另一端与壳体上的曝气气体出口相连；

吸收剂进口位于壳体的下部；吸收剂出口位于壳体的顶部；

吸收剂由壳体接口进入壳体，而后由壳体接口流出，实现气液相交叉错流的流动及吸收方式。

所述的中空纤维膜元件的膜丝相邻根和相邻层之间的间距为1-3mm；

所述的中空纤维膜的膜丝的材质为聚丙烯、聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯，内径为0.5-2mm，膜丝上孔径为0.05-1μm，孔隙率为40-80％。

所述的吸收膜丝管程的长度为100–1000mm；

所述的曝气膜丝管程的长度为100–1000mm；

所述的管程的长度即为单根膜丝的长度。

本实用新型的实质性特点为：

本实用新型的吸收器中，除了吸收的膜丝外，还加入了用来鼓气的膜丝。这样可鼓出细微的气泡，对吸收器里的海水产生扰动，同时空气中还有氧气可以对二氧化硫溶解后产生的亚硫酸根进行氧化，这样从两方面可以进行促进吸收，同时产生的水中亚硫酸根也被氧化，减轻了后续处理的难度。在工艺上，在各种参数的优化下，才能更好的实现这个功能。

本实用新型的有益效果为：

1.通过中空纤维膜的微孔将曝气气体扩散为微小型气泡的方法，可通过中空纤维膜孔径方便的控制气泡大小，气液相可单独控制，可调节性操作大，同时气泡尺寸更小，可极大提高气液接触面积和气液均匀混合的程度。

2.中空纤维膜吸收部分与曝气部分分别位于装置上下，海水在装置内径向流动，形成了气液相交叉错流的流动方式，保证曝气气泡在较短时间内发生作用，且减少气泡相互碰撞合并的可能性，最大限度的发挥气液两相流作用。

3.将曝气过程和吸收过程耦合于一体，具有节省空间、易于操作、易于集成放大等优点。

4.本实用新型所公开的一种膜曝气-吸收耦合式膜法海水烟气脱硫装置及方法。对烟气中二氧化硫的脱除率大于80％。其中，脱硫率最大达到了89.67％。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1为利用本实用新型的烟气脱硫装置进行海水烟气脱硫的工艺流程示意图。

图2是本实用新型烟气脱硫装置的各部分元件组装结构示意图。

图3是本实用新型烟气脱硫装置的内部膜元件的结构示意图。

其中，1壳体；2帘式中空纤维膜元件；3待处理气体进口；4待处理气体出口；5曝气气体进口；6曝气气体出口；7吸收剂进口；8吸收剂出口；9吸收层；10曝气层。

具体实施方式

本实用新型所述的膜曝气-吸收耦合式膜法海水烟气脱硫方法如图1所示，该方法包括以下步骤：

(1)烟气的预处理

待处理的烟气经除尘器除尘，换热器降温至20℃-50℃；

(2)烟气中二氧化硫的吸收

海水泵将海水充满膜吸收装置的壳体内部空间，并以0.02-500m³/h的流速通过；同时，经过预处理的烟气进入膜吸收装置中的帘式中空纤维膜元件的吸收层入口，并通过吸收膜丝管程、鼓气风机将空气输入膜吸收装置中的帘式中空纤维膜元件的曝气层入口，并通过曝气膜丝管程；空气经由曝气膜丝表面微孔以气泡形式曝出，与壳体内的海水形成两相流，与上层吸收膜丝呈垂直方向错流式流动，在吸收膜丝表面的微孔处与烟气接触并完成二氧化硫气体的吸收；

其中,空气和海水的体积流量比为空气：海水＝1：1-100,烟气与海水体积流量比为1：1-20；烟气的压力小于泡点压力即小于15kpa,空气的压力大于泡点压力即大于15kpa。

(3)烟气及海水的后处理

吸收后的烟气和鼓气气体进入尾气排放装置，海水经吸收装置上层排出。海水的成分为：k⁺0.400g·kg^-1、na⁺10.780g·kg^-1、ca²⁺0.412g·kg^-1、mg²⁺1.280g·kg^-1、sr²⁺0.008g·kg^-1、cl^-19.350g·kg^-1、hco3^_0.107g·kg^-1、co3^2-0.016g·kg^-1、so4^2-2.710g·kg^-1、br^-0.067g·kg^-1、b(oh)30.019g·kg^-1、b(oh)40.008g·kg^-1。

所述的膜吸收装置如图2所示，包括长方体状壳体1和固定在壳体中部的帘式中空纤维膜元件2；其中,长方体状壳体1为密闭、由四块侧板构成的矩形筒体，由上下板和螺栓螺母固定，可拆卸，帘式中空纤维膜元件两端设有封头。壳体前后设有待处理气体进口3、待处理气体出口4和曝气气体进口5、曝气气体出口6，上下设有吸收剂进口7和吸收剂出口8，吸收剂为海水。

所述的帘式中空纤维膜元件如图3所示，包括吸收层9和曝气层10上下两部分；其中，上部为吸收层9、下部为曝气层10，每部分均匀平行排列一层或多层中空纤维膜丝；吸收层9和曝气层10之间的间距为4mm；

所述的壳体上的待处理气体进口3与上部的吸收膜丝管程的一端相连，吸收膜丝管程的另一端与壳体的待处理气体出口4相连；壳体的曝气气体进口5与曝气膜丝管程的一端相连，曝气膜丝管程的另一端与壳体上的曝气气体出口6；

吸收剂进口7位于壳体的下部；吸收剂出口8位于壳体的顶部；

吸收剂由壳体接口7进入壳体，而后由壳体接口8流出，实现气液相交叉错流的流动及吸收方式。

所述的中空纤维膜元件的膜丝相邻根和相邻层之间的间距为1-3mm；

膜丝的材质为材质为聚丙烯、聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯，膜丝上具有微孔，微孔的孔径为0.05-1μm，孔隙率为40-80％，直径为0.5-2mm。

所述的吸收膜丝管程的长度为100-1000mm；

所述的曝气膜丝管程的长度为100–1000mm；

所述的管程的长度即为单根膜丝的长度。

所述的中空纤维膜元件的吸收层、曝气层分别均匀平行排列一层或多层中空纤维膜丝，其中，中空纤维膜膜丝的根数和流量应符合如下关系：烟气流量＝(0.01-1m/s)×中空纤维膜根数×直径²/4

实施例1

二氧化硫浓度为2.5‰wt的烟气，经除尘器除尘，换热器降温至20℃，以60ml/min的流量0.05mpa压力进入膜吸收装置上层吸收膜丝管程，鼓气气体(空气)经过减压阀、流量计、压力表后以40ml/min的流量0.03mpa压力由鼓气风机鼓入膜吸收装置下层曝气膜丝管程，中空纤维膜元件参数如表1所示。以ph＝8.5的原海水为吸收剂，海水流量为0.8l/min，由海水泵输入膜吸收装置壳程，空气和海水形成两相流，与吸收膜丝呈错流式流动，在膜吸收装置中进行烟气中二氧化硫气体的吸收。最后烟气、空气、海水各自由出口流出。测得出口处烟气中二氧化硫浓度为0.3％，脱硫率为88.01％。

表1.中空纤维膜元件参数

实施例2

二氧化硫浓度为4.5‰wt的烟气，经除尘器除尘，换热器降温至30℃，以180l/min的流量0.05mpa压力进入膜吸收装置(10组并联)上层吸收膜丝管程，鼓气气体(空气)经过减压阀、流量计、压力表后以40l/min的流量0.03mpa压力由鼓气风机鼓入膜吸收装置下层曝气膜丝管程，中空纤维膜元件参数如表1所示。以ph＝8.0的原海水为吸收剂，海水流量为1.2m³/min，由海水泵输入膜吸收装置壳程，空气和海水形成两相流，与吸收膜丝呈错流式流动，在膜吸收装置中进行烟气中二氧化硫气体的吸收。最后烟气、空气、海水各自由出口流出。测得出口处烟气中二氧化硫浓度为1.75％wt，脱硫率为61.15％。

表2.中空纤维膜元件参数

实施例3

二氧化硫浓度为1.5‰wt的烟气，经除尘器除尘，换热器降温至20℃，以120l/min的流量0.05mpa压力进入膜吸收装置(8组并联)上层吸收膜丝管程，鼓气气体(空气)经过减压阀、流量计、压力表后以40l/min的流量0.03mpa压力由鼓气风机鼓入膜吸收装置下层曝气膜丝管程，中空纤维膜元件参数如表1所示。以ph＝8.0的原海水为吸收剂，海水流量为0.4m³/min，由海水泵输入膜吸收装置壳程，空气和海水形成两相流，与吸收膜丝呈错流式流动，在膜吸收装置中进行烟气中二氧化硫气体的吸收。最后烟气、空气、海水各自由出口流出。测得出口处烟气中二氧化硫浓度为0.35％，脱硫率为76.35％。

表3.中空纤维膜元件参数

由上述实施例可见，通过中空纤维膜的微孔将曝气气体扩散为微小型气泡的方法，可通过中空纤维膜孔径方便的控制气泡大小，气液相可单独控制，可调节性操作大，同时气泡尺寸更小，可极大提高气液接触面积和气液均匀混合的程度。同时气液相交叉错流的流动方式，保证曝气气泡在较短时间内发生作用，且减少气泡相互碰撞合并的可能性，最大限度的发挥气液两相流作用。基于上述优势，本实用新型所公开的一种膜曝气-吸收耦合式膜法海水烟气脱硫装置及方法。对烟气中二氧化硫的脱除率大于80％。

本实用新型还将曝气过程和吸收过程耦合于一体，具有节省空间、易于操作、易于集成放大等优点，有利于工业化应用。

本实用新型使用的膜吸收装置尺寸(长/宽/高)：220mm*95mm*40mm,帘式中空纤维膜的主要尺寸(长/宽/高)：180mm*60mm*40mm。以传统吸收法海水烟气脱硫系统为例，排放量20000m³/h的海水的需要约100m³曝气池进行水质恢复，使用本实用新型后，由于吸收过程中的氧化作用，其曝气池体积可减少40％以上。

本实用新型未尽事宜为公知技术。