膜吸收法海水煙氣脫硫裝置及其工藝的製作方法

2023-05-31 00:41:31 1

專利名稱：膜吸收法海水煙氣脫硫裝置及其工藝的製作方法
技術領域：
本發明屬於大氣汙染控制技術與膜科學技術應用的交叉領域，具體涉及一種以海水作為吸收液，採用膜吸收技術脫除煙氣中二氧化硫的系統。
背景技術：
大氣中的二氧化硫主要來自於工業廢氣、煤和石油等化石燃料的燃燒。我國在目前乃至未來相當長的時期內，通過燃煤提供熱源和電力資源仍為主流。近年來，沿海地區經濟發展迅速導致電荒帶來的經濟負擔加重，致使沿海火電發展迅猛，目前已約佔火電裝機總量的三分之一。電力行業排放的SO2約佔全國總排放量的50%。我國淡水資源的嚴重缺乏，使得沿海電廠海水淡化、海水直流冷卻和海水循環冷卻技術的產業化優勢明顯，利用和推廣海水煙氣脫硫技術，將大氣汙染治理與海水資源再利用有機結合，既可節約大量的淡水，又可減少SO2排放，可謂一舉兩得。燃煤電廠成熟的煙氣脫硫工藝可分為溼法、幹法和半乾法等。其中幹法和半乾法工藝需要消耗大量吸收劑，並產生固體副產物，設備磨損大，運行維護費用高。成熟的溼法工藝有海水法和石灰石_石膏法，與石灰石_石膏法相比，海水法可節省配製吸收液所消耗的大量淡水，但由於採用傳統氣體吸收設備(如填料塔、液柱塔和噴淋塔等)，仍然無法擺脫溼法煙氣脫硫的共性問題由於煙氣吸收過程中氣液兩相直接接觸，使得該工藝易受液泛、溝流和霧沫夾帶等流體力學條件的限制，導致吸收液和煙氣分布不均勻，傳質效率低， 並且排放的煙氣中含有大量水蒸氣，加之殘留的SO2，因此存在設備腐蝕問題。傳統煙氣脫硫工藝和設備的諸多改進，目的在於使吸收液滴細小增大比表面，使煙氣流場更加均勻優化，強化氣液傳質，提升脫硫效率。然而結果是設備體積龐大，工藝控制複雜，投資和運行維護成本高。公開號為CN101091873A，其
公開日為2007年12月26日的中國發明專利公開了 《一種膜吸收法海水脫除煙氣中二氧化硫的工藝方法》，其工藝過程是煙氣經除塵降溫後， 由氣體壓縮機調壓後進入中空纖維膜吸收器的管程內，並保持氣液相壓力差在中空纖維膜組件泡點壓力範圍內，其氣相壓力值高達llkPa。由於中空纖維膜吸收器毛細現象所產生的氣阻較大，因此需要通過氣體壓縮機提供煙氣，動力消耗很大。因此以往膜吸收法脫除酸性氣體研究均處於實驗室階段，難以實現工程化應用。

發明內容
針對上述現有技術，本發明提供一種膜吸收法海水煙氣脫硫裝置，該裝置由一級或多級膜吸收器組成，膜吸收器由多組簾式或柱式中空纖維膜元件組成，多孔疏水性中空纖維膜材料提供巨大的有效氣液接觸面積，使該裝置氣阻低，動力消耗小，脫硫效率高；裝置體積小，重量輕，可模塊化集成；同時，本發明提供了利用上述裝置進行煙氣脫硫的工藝， 是以海水作為吸收液，以氣液膜元件組成膜吸收器，實現煙氣脫硫。採用該工藝氣液兩相均勻分布，而且可以在氣液兩相獨立操作的情況下，使煙氣中SO2與弱鹼性海水快速反應，並被及時帶走，在膜表面形成不可逆反應層，氣液傳質速率快，脫硫效率高，並可減輕或避免傳統海水法煙氣夾帶大量水蒸氣而造成的設備腐蝕問題。配合PLC控制可實現自動在線清洗工藝，從進一步控制和減輕膜汙染。為了解決上述技術問題，本發明膜吸收法海水煙氣脫硫裝置予以實現的技術方案是該裝置包括至少一級膜吸收器、依次相連的海水預處理設備和海水泵、依次相連的熱交換器和供風設備；所述膜吸收器的液相進口與所述海水泵相連，所述膜吸收器的氣相進口與所述供風設備相連；所述膜吸收器的液相出口與一曝氣池相連；所述供風設備採用增壓風機；所述膜吸收器採用箱式氣液接觸膜吸收器和罐式氣液接觸膜吸收器中的一種，其中所述箱式氣液接觸膜吸收器包括中空纖維膜元件、一箱體、設置在箱體中的擋板和設置在箱體中的膜清洗部件；所述中空纖維膜元件與箱體的壁之間形成一膜吸收器殼程；所述中空纖維膜元件為片狀簾式疏水性中空纖維膜元件；所述箱體中沿著氣相流經方向呈格柵網絡狀布置有多片所述的片狀簾式疏水性中空纖維膜元件；所述片狀簾式疏水性中空纖維膜元件由經過編織的中空纖維膜片和密封在多片所述的片狀簾式疏水性中空纖維膜片上、下兩端的膜元件封頭構成，所述膜元件封頭設有汲液腔；每片所述的片狀簾式疏水性中空纖維膜元件之間相對獨立；與多個所述的膜元件封頭兩端分別對正的設置有給水管，所述膜元件封頭兩端分別連接至與之對正的給水管上，所述箱體的壁上在與每個給水管的兩端對正的位置處設有一孔口，所述給水管的兩端從與之對正的孔口中伸出箱體；所述擋板為一中空的板，所述擋板與氣相流經方向基本垂直，所述擋板緊密地設置在多片所述的片狀簾式疏水性中空纖維膜元件與所述箱體之間；所述膜清洗部件包括水平地設置在箱體中的一清洗給水管和多個清洗管，所述清洗管的管壁上均勻地設有多個噴嘴，多個所述的清洗管連接至所述的清洗給水管上；所述罐式氣液接觸膜吸收器包括中空纖維膜元件、一罐式殼體和水平地設置在所述罐式殼體中的膜清洗部件；所述中空纖維膜元件與罐體的壁之間形成一膜吸收器殼程；所述中空纖維膜元件為柱式疏水性中空纖維膜元件；所述罐式殼體中均勻布置有多組所述的柱式疏水性中空纖維膜元件，每組柱式疏水性中空纖維膜元件中設有與一中心管平行的支撐杆，所述中心管的管壁上均勻分布一定數量的孔，所有的孔所佔據的區域面積要大於或等於所述中心管的橫截面積，所述中心管的頂端設有堵頭；每組柱式疏水性中空纖維膜元件中的中空纖維膜經過紗線編織後捲成柱狀，兩端密封澆鑄；每組柱式疏水性中空纖維膜元件之間相對獨立；一部分所述柱式疏水性中空纖維膜元件的上端和下端設置有雙通封頭，另一部分所述柱式疏水性中空纖維膜元件的上端和下端設置有三通封頭；多組所述柱式疏水性中空纖維膜元件上的雙通封頭的管端與三通封頭的管端分別在同一水平面上相互連接裝配並形成通路；設置有三通封頭的柱式疏水性中空纖維膜元件均位於貼近所述罐式殼體的內壁處；其中，對角線上的兩組對稱的三通封頭柱式膜元件的上端和下端的封頭均各設有一自由管端；罐式殼體的壁上在與每個自由管端對正的位置處設有一孔口， 所述自由管端從與之對正的孔口中伸出殼體；多組所述柱式疏水性中空纖維膜元件的上端和下端設有柱式疏水性中空纖維膜元件的導流支撐或支撐結構；所述導流支撐結構包括有多個氣相導流孔；所述膜清洗部件包括水平地設置在罐體中的一清洗給水管和多個清洗管，所述清洗管的管壁上設置有多個噴嘴，所述多個清洗管集成連接至所述給水管上。
本發明膜吸收法海水煙氣脫硫工藝予以實現的技術方案是利用上述膜吸收法海水煙氣脫硫裝置進行煙氣脫硫，其過程如下煙氣經熱交換器採用海水冷卻降溫後，通過增壓風機送入膜吸收器殼程；經海水預處理設備預處理後的海水經海水泵進入膜吸收器管程作為脫硫吸收液；氣液兩相在中空纖維膜的微孔處形成反應界面，煙氣中SO2與海水反應生成亞硫酸鹽；脫硫後的煙氣從所述膜吸收器的氣相出口排出；與此同時，帶有亞硫酸鹽的海水經曝氣池曝氣固硫，其PH值達標後排放。與現有技術中噴淋塔氣體吸收和以往膜吸收法脫除酸性氣體系統相比，本發明膜吸收法海水煙氣脫硫裝置及其工藝的有益效果是其一，本發明煙氣脫硫裝置中採用的中空纖維膜比表面巨大，加之膜吸收器的優化結構設計，保證了氣液分布均勻，使單位設備體積的有效傳質面積達到傳統吸收塔的10 倍 20倍，並且疏水性膜材料的耐海水和酸性氣體腐蝕特性良好；其二，本發明煙氣脫硫工藝氣液兩相獨立操作，流速控制範圍寬，無液泛；煙氣與海水不直接接觸，脫硫後煙氣不夾帶大量水蒸氣，使排放煙氣的露點溫度大幅降低，可以減輕或避免設備腐蝕；其三，本發明煙氣脫硫裝置中的膜吸收器煙氣阻力低，耐煙氣SO2濃度和流量衝擊能力強，海水利用率高，動力消耗小；膜吸收器抗汙染能力強，脫硫效率穩定，可根據煙氣 SO2濃度，在90% 98%範圍內自動調節脫硫率，控制SO2達到排放標準。


圖1為膜吸收法海水煙氣脫硫工藝流程圖；圖2a是本發明中罐式氣液接觸膜吸收器的柱式疏水性中空纖維膜元件示意圖；圖2b是帶有三通封頭的柱式疏水性中空纖維膜元件示意圖；圖2c是帶有雙通封頭的柱式疏水性中空纖維膜元件示意圖；圖2d是一單級罐式膜吸收器中的9組柱式膜元件的封頭連接方式示意圖；圖3a是本發明中罐式氣液接觸膜吸收器的導流支撐板的結構示意圖；圖3b是本發明中罐式氣液接觸膜吸收器的清洗部件的結構示意圖；圖3c是本發明中罐式氣液接觸膜吸收器的底板的結構示意圖；圖4a是本發明中罐式氣液接觸膜吸收器採用單級膜吸收器運行模式示意圖；圖4b為本發明中罐式氣液接觸膜吸收器採用單級膜吸收器反衝洗運行模式示意圖；圖4c為本發明中罐式氣液接觸膜吸收器採用兩級串聯集成模式示意圖；圖5a是本發明中箱式氣液接觸膜吸收器透視圖；圖5b是圖5a中所示的片狀簾式疏水性中空纖維膜元件示意圖；圖5c是圖5a中所示的束集成的片狀簾式疏水性中空纖維膜元件示意圖；圖6a是本發明中箱式氣液接觸膜吸收器中膜清洗部件的透視圖；圖6b是圖6a箱式氣液接觸膜吸收器中所示清洗管的示意圖；圖7是本發明中箱式氣液接觸膜吸收器中殼體內部擋板的結構透視圖；圖8是本發明中箱式氣液接觸膜吸收器運行模式的示意圖9是本發明中箱式氣液接觸膜吸收器反衝洗模式的示意圖；圖10是本發明中箱式氣液接觸膜吸收器在線清洗模式的示意圖；圖11是本發明中箱式氣液接觸膜吸收器由ー兩級串聯集成後的示意圖。圖中1——中空纖維膜 2——紗線3——中心管4——饒鑄材料5——支撐杆6、7——雙通封頭8——管壁孔9、10——三通封頭11——導流支撐板12——卡槽孔13——孔ロ14——膜清洗部件15——清洗管比——噴嘴17——給水管18——底板19——清洗劑出口 20——罐式殼體21——清洗劑進ロ 22、23、25、洸——液相進入/流出管道的迸/出口24——堵頭101至108——液相進入/流出管道的進/出口109——清洗劑進ロ1110——清洗劑出口111——給水管112——膜元件封頭113——中空纖維膜114——清洗給水管115——清洗管116——擋板117——箱體118——給水管122——汲液腔124——中空纖維膜元件I——第一級罐式膜吸收器 II——第二級罐式膜吸收器A——液相B——清洗劑C——氣相
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進ー步詳細地描述。如圖1所示，本發明膜吸收法海水煙氣脫硫裝置，包括至少ー級膜吸收器201、依 次相連的海水預處理設備203和海水泵204、依次相連的熱交換器208和供風設備；所述膜 吸收器201的液相進ロ與所述海水泵204相連，所述膜吸收器201的氣相進ロ與所述供風 設備相連；所述膜吸收器201的液相出口與一曝氣池205相連；所述供風設備採用增壓風 機209 ；所述膜吸收器201採用罐式氣液接觸膜吸收器和箱式氣液接觸膜吸收器中的ー種。 其中，罐式氣液接觸膜吸收器由多組柱式疏水性中空纖維膜元件構成，煙氣依次流經膜吸 收器QOl-I至201-n)對應串聯的中心管從均布在管壁上的圓孔垂直於纖維軸均勻噴出， 擦過中空纖維膜外壁向外擴散，然後沿著柱狀簾式膜的外表面流向下一級膜吸收器殼程， 從最後的ー級排出。箱式氣液接觸膜吸收器由多組片狀簾式疏水性中空纖維膜元件構成， 簾式膜片沿著煙氣流經方向形成格柵狀網絡結構，以保證煙氣在其流經方向的垂直斷面 上，均勻地沿著垂直於纖維軸方向流過中空纖維膜外壁，煙氣依次流經膜吸收器O01-1至201-n)；上述兩種類型的膜吸收器，可以根據規模確定裝置由幾個膜吸收器組成，易於規模化設計和模塊化集成。海水流經中空纖維膜中孔，煙氣垂直纖維軸方向流過中空纖維膜外壁，氣液兩相在膜微孔處形成快速反應界面，煙氣中SO2被海水吸收並及時帶走。脫硫後的海水集中排入曝氣池進行曝氣處理，PH值達標後排放。脫硫後的煙氣，從膜吸收器的氣相出口排出。本發明中的膜吸收器採用疏水性中空纖維膜，選自聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚碸、聚醚碸、聚芳醚碸、聚乙烯、聚丙烯、聚酯、矽橡膠，一種或兩種以上聚合物共混或覆合的膜材料。其多孔膜最大孔徑範圍為0. 001 μ m 2. 0 μ m，壁厚範圍為20 μ m 200 μ m，孔隙率範圍為20% 80%。本發明膜吸收法海水煙氣脫硫工藝如圖1所示，以海水作為吸收液，通過罐式或箱式氣液接觸膜吸收器，實現煙氣脫硫。利用本發明膜吸收法海水煙氣脫硫裝置進行煙氣脫硫的過程是煙氣207經熱交換器208採用海水冷卻降溫後，通過增壓風機209送入膜吸收器殼程作為脫硫吸收液；經海水預處理設備203預處理後的海水202經海水泵204進入膜吸收器管程；氣液兩相在中空纖維膜的微孔處形成反應界面，煙氣中SO2與海水反應生成亞硫酸鹽；脫硫後的煙氣從所述膜吸收器201的氣相出口排出；與此同時，帶有亞硫酸鹽的海水經曝氣池205曝氣固硫，其pH值達標後排放206。本發明膜吸收法海水煙氣脫硫工藝中，吸收液海水是指原海水、海水直流冷卻排放的海水、海水循環冷卻和膜法海水淡化排放的濃海水中的任一種，其電導率範圍為 30000 μ S/cm 80000 μ S/cm ；其pH值控制在7. 5以上。其預處理是在自然沉降基礎上加入非氧化性殺生劑進行殺生處理，經過粗過濾去除50 μ m以上的懸浮物，同時根據原水水質變化，適時進行電導率、PH值監測和調節。膜吸收器排出的脫硫海水和清洗海水呈酸性，可根據PH值大小適量混入新鮮海水，同時進行曝氣處理以固定SO2，經過恢復後的海水 (pH ^ 6. 5)排入大海。海水作為吸收液脫除煙氣中SO2以及恢復過程的化學反應原理如下海水流經膜吸收器時，吸收溶解煙氣中的SO2,並快速發生反應生成亞硫酸氫根離子，其化學反應方程式如下(I)SO2 (aq) +H2O — H'+HSOf原海水或濃海水裡富含碳酸氫根離子呈弱鹼性，具有較強的緩衝能力，可中和反應(1)產生的氫離子，其化學反應方程式如下(2) H++HCCV — H2CHCO2反應(1)生成的亞硫酸氫根離子在曝氣池中被氧化成硫酸根離子，同時生成的氫離子被混入的新鮮海水中的碳酸氫根離子中和，從而將SO2固定在海水裡不再析出，其化學反應方程式如下(3) HS(V+l/202 (aq) +HCOf — SO廣+H2CHCO2吸收液為濃海水時，與原海水相比，由於其鹽度、鹼度、離子強度均較高，對SO2的緩衝容量和吸收能力更強，吸收過程中的化學反應增強因子更大，因此總傳質係數比較大， 在相同操作工藝條件下，濃海水脫硫率明顯高於原海水。上述工藝處理中的煙氣是指包括經除塵後的燃煤煙氣和/或含SO2的工業廢氣， 其中SO2濃度範圍為50mg/Nm3 5000mg/Nm3。高溫煙氣經過熱交換器將其溫度降至50°C以下，然後進入膜吸收器進行脫硫，脫硫後的煙氣經過SO2濃度和溫度檢測後，從膜吸收器的氣相出口排出。上述膜吸收器，採用自動在線反衝洗及清洗工藝設計，以控制和減輕膜汙染。自動控制系統採用海水A正向和反衝洗定時交替運行操作控制模式，以防止淤泥和生物附著汙堵膜元件進水端面。如圖8和圖9所示箱式膜吸收器為例，正向運行模式為海水從101、102 流進，經過給水管111、簾式膜元件封頭112，自上而下流經每組膜元件的中空纖維膜13中孔，從107、108流出；反衝洗運行模式為海水從103、104流進，自下而上流經每組膜元件的中空纖維膜13中孔，從105、106流出。如圖10所示的在線清洗運行模式中，清洗海水B由進口 109流入，通過安裝在膜吸收器中的膜清洗部件自動定時清洗中空纖維膜113表面沉積的煙塵，以減輕煙塵中空纖維膜外表面的汙染。清洗海水與脫硫海水集中排入曝氣池，進行曝氣處理，PH值恢復後排海。下面結合圖2a至圖4c對罐式氣液接觸膜吸收器的結構作進一步詳細描述。罐式氣液接觸膜吸收器包括柱式疏水性中空纖維膜元件，一罐式殼體20和水平地設置在所述罐式殼體20中的膜清洗部件14 ；如圖4a所示，所述罐式殼體20中均勻疏鬆的布置有多組所述的柱式疏水性中空纖維膜元件，如圖2a所示，每組柱式疏水性中空纖維膜元件中設有與一中心管3平行的支撐杆5，所述中心管3的管壁上均勻分布一定數量的管壁孔8，且該管壁孔8所佔據的區域面積要大於或等於所述中心管3的橫截面積；每組柱式疏水性中空纖維膜元件中的中空纖維膜1經過紗線2編織後捲成柱狀，兩端用澆鑄材料4密封澆鑄，所述柱式疏水性中空纖維膜元件由紗線2編織的中空纖維膜1、中心管3、支撐杆5採用該領域公知的工藝一次澆鑄成型，每組柱式疏水性中空纖維膜元件之間相對獨立；為確保中空纖維膜1均勻分布在中心管3的周圍空間內，中空纖維膜都是經過紗線2均勻精密編織，這種結構有利於氣體在中空纖維膜之間均勻分布，有利於氣液有效接觸面積最大化，可有效防止中空纖維膜集結成束狀。但要控制中心管3與中空纖維膜1澆鑄件的直徑比適當，如果兩者直徑比和中心管內徑較小時，那麼中心管3周圍的中空纖維膜絲束會增厚，不僅增加了氣相自由流動阻力，也降低了單位中空纖維膜面積的吸收效率。因此， 將中心管3與柱式膜元件直徑比控制在1 5到1 2之間，中心管直徑為DN25到DN80 之間。所述膜清洗部件的結構如圖3b所示，包括多個清洗管15，所述清洗管15的管壁上設置有多個噴嘴16，所述多個清洗管15按照一定間距均布併集成連接至所述給水管17 上，可向中空纖維膜均勻噴灑清洗劑，實現對中空纖維膜外表面的清洗。如圖2b所示，一部分所述柱式疏水性中空纖維膜元件的上端和下端設置有雙通封頭6、7，如圖2c所示，另一部分所述柱式疏水性中空纖維膜元件的上端和下端設置有三通封頭9、10，三通封頭的各管端之間分別呈90°、135°和135°或90°、90°和180°的角度，所述雙通封頭和三通封頭管端之間的角度可以根據每個柱式膜元件之間連接方式來調整，並不是一成不變的。圖2d示出了一單級罐式膜吸收器中的9組柱式膜元件的封頭連接方式示意圖(圖中所示帶有序號01-09的圓為別表示9組柱式膜元件的封頭)01和07為三通封頭管端之間夾角為90°、135°、135° ；04和06為三通封頭管端之間夾角為90°、90°、180° ；02、05、08為雙通封頭，管端之間夾角為180° ；
03和09為雙通封頭，管端之間夾角為90° ；01和07各設置一自由管端。9組所述柱式疏水性中空纖維膜元件上端的雙通封頭6和三通封頭9的管端、下端的雙通封頭7和三通封頭10的管端分別相互連接裝配形成通路，如圖2d中連接有關封頭(圓)之間的連線所示，這樣連接的好處是減少了給水管路的無效空間，增大膜填充密度；其中，設置有三通封頭的柱式疏水性中空纖維膜元件均位於貼近所述罐式殼體20的內壁處；如圖2d中的100所示，對角線上的兩組對稱的三通封頭柱式膜元件的上端和下端的封頭均各設有一自由管端，其餘膜元件封頭管端均形成閉路，上下共4個自由管端；罐式殼體20的壁上在與每個所述三通封頭自由管端對正的位置處設有一孔口，即分別對應4個自由管端處開4個孔口，所述自由管端從與之對正的孔口中伸出殼體，這些孔口分別作為液相進、出口 ；無論是雙通還是三通封頭與所述柱式疏水性中空纖維膜元件之間可以是螺紋連接或互鎖卡槽連接等形式均可。如圖2b所示，帶雙通封頭膜元件內液相A流徑是雙通封頭7的左邊開口流入液相A，一部分由上而下流經中空纖維膜1內，另一部分液相A將通過該雙通封頭7的右邊開口為下一個相連接膜元件提供液相A ；此時，下端的雙通封頭6將從左邊開口接到上一個與其相連接膜元件流出的液相A，和本膜元件中空纖維膜1內流出的液相A —並通過該雙通封頭6的右邊開口排出。而氣相C則是通過中心管3上的管壁孔 8流出後擴散到中空纖維膜1外表面。多組所述柱式疏水性中空纖維膜元件的上端和下端設有柱式疏水性中空纖維膜元件的導流支撐或支撐結構；如圖3a所示，所述導流支撐結構為一位於所述中心管頂部的導流支撐板11，所述導流支撐板11上設有中心管定位卡槽孔12和氣相導流孔13，其中，卡槽孔12不僅可以保證中心管3內氣相C可以流入到下一級罐式氣液接觸膜吸收器，還起到分擔下一級罐式氣液接觸膜吸收器重量的作用。導流支撐板11上均布的孔口是為從中心管的管壁孔8中流出的氣相C流向下一級罐式氣液接觸膜吸收器的通道，因此該孔口是氣相導流孔13，氣相導流孔13的孔徑和數量要適當，所述導流支撐板上全部的氣相導流孔13 所佔據的區域面積要大於所述中心管上全部管壁孔8所佔據的區域面積，以實現大流量低壓力氣相可以順利流通。如圖3c所示，所述支撐結構為一位於所述中心管底部的支撐底板 18，所述支撐底板18上同樣設置有中心管定位卡槽孔12。當然，支撐底板18上與導流支撐板11上的中心管定位卡槽孔12是數量相等，布局位置是一一對應的，從而起到固定和支撐柱式疏水性中空纖維膜元件的作用。圖4a為單級罐式膜吸收器(正向)運行模式示意圖，其中A為液相，B為清洗劑， C為氣相，19為清洗劑出口，21為清洗劑進口，22、23、25、26為液相進出口，24為堵頭。所述單級罐式膜吸收器主要包括柱式疏水性中空纖維膜元件、導流支撐板11、底板18、膜清洗部件14、罐式殼體20等部件，柱式疏水性中空纖維膜元件通過雙通和三通封頭裝配形成一多組柱式膜元件，當然，封頭的結構可以有多種形式，包括但不限於本發明中所述的雙通封頭和三通封頭。其中柱式疏水性中空纖維膜元件以一定膜填充密度裝填於罐式殼體20 內。所述膜填充密度是指多組柱式疏水性中空纖維膜元件包含的中空纖維膜總體積佔殼體內部空間體積的百分比，其範圍為3% 50%。罐式氣液接觸膜吸收器進入正向運行模式時，液相進出口 25和26是關閉狀態。一種液相A從進口 22進入罐式膜吸收器，流經通過多個雙通或三通封頭相連接的柱式疏水性中空纖維膜元件的中空纖維膜後從液相進出口
123流出。液相A是從上而下通過中空纖維膜內流經的，而氣相C則是通過中心管3的管壁孔8流出後，沿著中空纖維膜外邊面向上擴散到導流支撐板11的氣相導流孔13的孔口排出，也就是說罐體內氣液相的流向是相反，眾所周知，當兩相介質流向相反時兩者的傳質效率最高。清洗過程是清洗劑B可以定時從清洗劑進口 21流入膜清洗部件14後，噴灑在中空纖維膜1表面進行衝洗，以防止氣相中雜質對中空纖維膜造成不可逆汙染。最後清洗劑 B從罐殼體清洗劑出口 19排出。圖4b示出了單級罐式氣液接觸膜吸收器反衝洗運行模式。在圖4b的剖視部分可見柱式疏水性中空纖維膜元件通過雙通和三通封頭裝配的多組柱式膜元件以一定膜填充密度裝填於罐式殼體內。罐式氣液接觸膜吸收器進入反衝運行模式時，液相進出口 22和23 是關閉狀態。一種液相A從液相進出口 25進入罐式氣液接觸膜吸收器，流經通過多個雙通或三通封頭相連接的柱式疏水性中空纖維膜元件的中空纖維膜後從液相進出口 26流出。 液相在中空纖維膜內的流向與正向運行模式相反，這樣的操作可以衝洗掉粘附在中空纖維膜內表面的雜質，防止長時間運行對中空纖維膜造成不可逆汙染。清洗劑B也是定時的從清洗劑進口 21流入噴灑在中空纖維膜1表面進行衝洗，最後從罐殼體出口 19排出。多級罐式氣液接觸膜吸收器，即由多級上述的單級罐式氣液接觸膜吸收器並聯和 /或串聯集成；其中，相互串聯的罐式氣液接觸膜吸收器的中心管連通，兩兩串聯的罐式氣液接觸膜吸收器之間設置有導流支撐結構。此外，膜吸收器的串聯和/或並聯方式有多種， 包括水路串並聯與氣路串並聯的相互組合，即氣路串聯時，水路的串聯與並聯及氣路並聯時，水路的串聯與並聯共四種基本方式。所述水路和氣路分別是液相與氣相流通的路徑。總之可以根據具體工況條件選擇多級罐式氣液接觸膜吸收器之間的連接方式。圖4c只是眾多連接方式之一。在多級罐式氣液接觸膜吸收器中，所述導流支撐結構為位於所述中心管頂部的導流支撐板，所述導流支撐板上設有中心管定位卡槽孔和氣相導流孔；所述支撐結構為設置在位於最低層的每個罐式氣液接觸膜吸收器底部的支撐底板，所述支撐底板上設置有中心管定位卡槽孔。圖4c中示出了一種兩級串聯的集成模式，主要是有第一級罐式氣液接觸膜吸收器I和第二級罐式氣液接觸膜吸收器II串聯裝配而成。與單級罐式氣液接觸膜吸收器型式相比，主要不同之處是第一級罐式氣液接觸膜吸收器I的中心管頂端沒有堵頭24， 也就是兩罐式氣液接觸膜吸收器的中心管之間是相通的。氣相C的流徑是一部分氣相從第一級罐式氣液接觸膜吸收器I的中心管的管壁孔8擴散到第一級罐式氣液接觸膜吸收器 I的罐式殼體當中，而另一部分氣相流到第二級罐式氣液接觸膜吸收器II的中心管後再從其管壁孔8擴散到第二級罐式氣液接觸膜吸收器II的罐式殼體內；擴散到第一級罐式氣液接觸膜吸收器I的罐式殼體內的氣相C可通過導流支撐板11上的氣相導流孔13流經第二級罐式氣液接觸膜吸收器II的罐式殼體內後排出。另外，清洗運行的清洗劑通過清洗劑出口 19排出。下面結合圖5a至圖11對箱式氣液接觸膜吸收器的結構作進一步詳細描述。如圖5a_5c、圖6a和圖8所示，一種新型低氣阻箱式氣液接觸膜吸收器，包括箱體 107、中空纖維膜元件124，設置在箱體117中的擋板116、設置在箱體117上部的膜清洗部件。所述中空纖維膜元件為片狀簾式疏水性中空纖維膜元件124，所述片狀簾式疏水性中空纖維膜元件124是沿著氣相流經方向並呈格柵網絡狀布置在所述的箱體117中，多片片狀簾式疏水性中空纖維膜元件124以一定膜填充密度、均勻排布於箱體117內部。如圖5b和圖5c所示，所述片狀簾式疏水性中空纖維膜元件124由經過編織的中空纖維膜片123和密封在多片所述的中空纖維膜片123上、下兩端的膜元件封頭112構成， 所述膜元件封頭112設有汲液腔122 ；所述中空纖維膜元件124選用普通簾式中空纖維膜元件，所述普通簾式中空纖維膜元件包括用紗線編織的連續排布的中空纖維膜和具有汲液腔122的簾式膜元件封頭112，如圖5b所示。或選用束集成簾式中空纖維膜元件，所述束集成簾式膜元件包括多束並列排布的集成式中空纖維膜和具有汲液腔122的簾式膜元件封頭112，如圖5c所示。所述的編織或束集成簾式中空纖維膜是指中空纖維膜被均勻的排布成疏鬆帘子形狀，這種結構有利於中空纖維膜在膜吸收器內均勻分布，以實現氣液有效接觸面積最大化。每片所述的片狀簾式疏水性中空纖維膜元件124之間是相對獨立的；所述箱體117中在與多個所述的膜元件封頭112兩端分別對正的位置上設置有給水管，所述膜元件封頭112兩端分別連接至與之對正的那個給水管上，所述箱體117的壁上，在與每個給水管111、118、119、120的兩端對正的位置處設有一孔口，所述給水管的兩端從與之對正的孔口中伸出箱體117，從而形成了多個液相進入/流出管道的進/出口 101、102、103、104、 105、106、107、108。如圖6a所示，所述膜清洗部件包括水平地設置在箱體117中的一清洗給水管114 和多個清洗管115，如圖6b所示，所述清洗管115的管壁上均勻地設有一定數量的噴嘴，多個所述的清洗管115以一定優化的間距均布併集中連接至所述的清洗給水管114上，並水平置於箱體117內部，所述清洗管115的高度與所述膜元件封頭112的高度平齊或所述清洗管115的高度高於所述膜元件封頭112的高度；箱體側壁上設有用於清洗劑流進所述膜清洗部件的清洗劑進口 109，以及清洗劑出口 110。每個所述清洗管115的管壁上的多個所述噴嘴所佔據的區域面積小於或等於所述清洗管115的橫截面積。如圖7所示，所述箱體117的外形可以是正方體或長方體的殼體，由於箱體是正方體或長方體的六面體，因此，所述箱體117的六面壁是兩兩一組為正對面設置的，其中一組的對面壁為可打開的箱體壁，其餘的四面箱體壁為連續封閉設置的。箱體117內部的擋板 116為一中空的板，所述擋板116與氣相流經方向基本垂直，所述擋板116被緊密地設置在多片所述的片狀簾式疏水性中空纖維膜元件124與所述箱體的壁之間，所述箱式是膜吸收器的殼體，因此，其內部應至少設置一級的擋板116，該擋板116的設置可防止氣體從膜元件以外的空間流過，目的是保證氣體均勻流過膜元件的中空纖維膜表面，從而使氣液膜接觸單元的有效接觸面積最大化。圖8示出了箱式氣液接觸膜吸收器(正向)運行模式，液相A由多個液相進入管道的進口 101和102流入，與此同時，將孔口 105、106封閉；依次流經給水管111和118、膜元件封頭112、管程、給水管119和120，由出口 107和108 (此時103和104封閉)流出；氣相 C由箱體一側流入箱體內形成的殼程，沿著呈柵狀網絡結構的簾式膜元件，垂直於中空纖維膜軸方向流過中空纖維膜113外表面。兩種(氣液)流體不直接接觸，而是以疏水性中空纖維膜113為介質進行傳質。圖9示出了箱式氣液接觸膜吸收器反衝洗運行模式。液相A由進口 105和106(101 和102封閉)流入，依次流經給水管119和120、簾式膜元件封頭112、管程、給水管111和118，由出口 103和104(107和108封閉)流出；氣相C由箱體一側流入經殼程，沿著呈柵狀網絡結構的簾式膜元件，垂直於中空纖維膜軸方向流過中空纖維膜113外表面，兩種(氣液)流體不直接接觸，以中空纖維膜113為介質進行傳質；圖9所示反衝模式實質上是圖8 所示運行模式中液相A在管程的反向運行，運行和反衝模式的交替運行的目的是為實現對中空纖維膜113內表面和膜元件封頭112汲液腔122進水端面的衝洗，減緩中空纖維膜內表面汙染的速度。圖10示出了箱式氣液接觸膜吸收器在線清洗運行模式，實質上是在圖8或圖9所示(正向)運行/反衝洗運行模式的基礎上，開啟進口 109，清洗劑B進入清洗給水管114、 由具有多個噴嘴的清洗管115將清洗液均勻地噴向中空纖維膜外表面，實現在線運行時對中空纖維膜外表面的清洗，減緩中空纖維膜外表面的汙染速度。一種多級集成化的箱式氣液接觸膜吸收器，可以由多級上述的箱式氣液接觸膜吸收器並聯和/或串聯集成。圖11示出了其中一個具體的實施例，是採用第二級的箱式氣液接觸膜吸收器II旋轉90°後與第一級的箱式氣液接觸膜吸收器I連接，使相鄰兩個箱式氣液接觸膜吸收器中的片狀簾式疏水性中空纖維膜元件排列方式在沿氣相C的方向上相互垂直。在實現上述箱式氣液接觸膜吸收器正向、反衝洗和清洗運行三種模式的基礎上，使氣相C依次流經膜吸收器(I至N級)。多級集成化的箱式氣液接觸膜吸收器的集成形式可以是多級箱式膜吸收器的串聯或並聯的有機組合連接，圖11所示串聯組合的一種集成形式，但不限制本發明。本發明中的罐式或箱式氣液接觸膜吸收器的運行狀態包括(正向)運行、反衝洗運行和在線清洗運行三種模式，通過自動控制的優化設計，可實現定時自動切換運行，還可以利用一 PLC控制根據實際需要實現三種模式之間的切換。無論是自動化切換還是半自動化的切換是本技術領域所熟知的常識，不再贅述。同理，本膜吸收法海水煙氣脫硫裝置中， 還通常包括有在線檢測儀器。實施例1 採用如圖1所示的膜吸收法海水煙氣脫硫工藝，其裝置的脫硫核心部分由3級如圖11所示的箱式氣液接觸膜吸收器串聯裝配而成，採用臥式安裝。每級膜吸收器中空纖維膜填充面積500m2，膜填充密度約9% ；採用原海水作為吸收液，其電導率47400 μ S/cm 51800 μ S/cm, pH值7. 45 8. 22，溫度為常溫；採用實際燃煤煙氣，其SO2濃度1000mg/Nm3 1600mg/Nm3，煙塵濃度100mg/Nm3，溫度130°C 150°C，進入膜吸收器之前，經過熱交換器降溫至50°C以下。控制海水總流量5m3/h 25m3/h，採用並聯方式流經3級膜吸收器，海水流經中空纖維膜中孔，液相壓力0. 02MPa ；煙氣處理量1000Nm3/h，煙氣依次水平流經3級膜吸收器，並垂直纖維軸方向流過中空纖維膜外壁，煙氣在膜吸收器中壓力0. 6kPa。經過穩定運行之後，測得膜吸收器的氣相出口煙氣SO2濃度在20mg/Nm3 100mg/Nm3之間，脫硫率達到 91. 7% 98. 5%，脫硫後海水pH值3. 1 5. 7。原海水分A、B兩路進入膜吸收器，A路海水進入管程進行脫硫，B路海水進入安裝在膜吸收器殼程之間的膜清洗部件，自動控制系統採用正向/反衝洗運行模式交替運行，通過膜清洗部件定期向膜外表面噴出海水清洗的工藝，以控制和減少氣相和液相的膜汙染。清洗海水和脫硫海水集中排入曝氣池，經曝氣處理 20分鐘，pH值達標後排放。實施例2:
採用與上述實施例1相同的工藝、裝置和吸收液，煙氣為SO2濃度為2860mg/Nm3 和4290mg/Nm3的高濃度實際燃煤煙氣，控制海水流量為15m3/h，pH值為8. 20 8. 51，煙氣處理量在500Nm7h 1300Nm7h範圍內，對應濃度為2860mg/Nm3的煙氣，脫硫率97. % 88. 5%，脫硫後海水ρΗ值3. 3 5. 5 ；對應濃度為4290mg/m3的煙氣，煙氣處理量彡IOOONm3/ h情況下，脫硫率97. 1 % 90. 6%，脫硫後海水pH值2. 7 5. 0。煙氣SO2濃度在IOOOmg/ Nm3 4290mg/Nm3範圍內波動，煙氣處理量彡IOOONmVh,脫硫率均達到90%以上。氣相和液相的膜汙染控制以及清洗海水和脫硫海水的後處理均與實施例1相同。儘管上面結合圖對本發明進行了描述，但是本發明並不局限於上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨的情況下，還可以作出很多變形，這些均屬於本發明的保護之內。
權利要求
1. 一種膜吸收法海水煙氣脫硫裝置，包括至少一級膜吸收器(1)、依次相連的海水預處理設備(3)和海水泵(4)、依次相連的熱交換器(8)和供風設備；所述膜吸收器(1)的液相進口與所述海水泵(4)相連，所述膜吸收器(1)的氣相進口與所述供風設備相連； 其特徵在於所述膜吸收器(1)的液相出口與一曝氣池(5)相連； 所述供風設備採用增壓風機(9)；所述膜吸收器(1)採用箱式氣液接觸膜吸收器和罐式氣液接觸膜吸收器中的一種，其中所述箱式氣液接觸膜吸收器包括中空纖維膜元件、一箱體、設置在箱體中的擋板和設置在箱體上部的膜清洗部件；所述中空纖維膜元件與箱體的壁之間形成一膜吸收器殼程； 所述中空纖維膜元件為片狀簾式疏水性中空纖維膜元件；所述箱體中沿著氣相流經方向呈格柵網絡狀布置有多片所述的片狀簾式疏水性中空纖維膜元件；所述片狀簾式疏水性中空纖維膜元件由經過編織的中空纖維膜片和密封在多片所述的片狀簾式疏水性中空纖維膜片上、下兩端的膜元件封頭構成，所述膜元件封頭設有汲液腔；每片所述的片狀簾式疏水性中空纖維膜元件之間相對獨立；與多個所述的膜元件封頭兩端分別對正的設置有給水管，所述膜元件封頭兩端分別連接至與之對正的給水管上，所述箱體的壁上在與每個給水管的兩端對正的位置處設有一孔口，所述給水管的兩端從與之對正的孔口中伸出箱體；所述擋板為一中空的板，所述擋板與氣相流經方向基本垂直，所述擋板緊密地設置在多片所述的片狀簾式疏水性中空纖維膜元件與所述箱體之間；所述膜清洗部件包括水平地設置在箱體中的一清洗給水管和多個清洗管，所述清洗管的管壁上均勻地設有多個噴嘴，多個所述的清洗管連接至所述的清洗給水管上；所述罐式氣液接觸膜吸收器包括中空纖維膜元件、一罐式殼體和水平地設置在所述罐式殼體中的膜清洗部件；所述中空纖維膜元件與罐體的壁之間形成一膜吸收器殼程； 所述中空纖維膜元件為柱式疏水性中空纖維膜元件；所述罐式殼體中均勻布置有多組所述的柱式疏水性中空纖維膜元件，每組柱式疏水性中空纖維膜元件中設有與一中心管平行的支撐杆，所述中心管的管壁上均勻分布一定數量的孔，所有的孔所佔據的區域面積要大於或等於所述中心管的橫截面積，所述中心管的頂端設有堵頭；每組柱式疏水性中空纖維膜元件中的中空纖維膜經過紗線編織後捲成柱狀，兩端密封澆鑄；每組柱式疏水性中空纖維膜元件之間相對獨立；一部分所述柱式疏水性中空纖維膜元件的上端和下端設置有雙通封頭，另一部分所述柱式疏水性中空纖維膜元件的上端和下端設置有三通封頭；多組所述柱式疏水性中空纖維膜元件上的雙通封頭的管端與三通封頭的管端分別在同一水平面上相互連接裝配並形成通路；設置有三通封頭的柱式疏水性中空纖維膜元件均位於貼近所述罐式殼體的內壁處； 其中，對角線上的兩組對稱的三通封頭柱式膜元件的上端和下端的封頭均各設有一自由管端；罐式殼體的壁上在與每個自由管端對正的位置處設有一孔口，所述自由管端從與之對正的孔口中伸出殼體；多組所述柱式疏水性中空纖維膜元件的上端和下端設有柱式疏水性中空纖維膜元件的導流支撐或支撐結構；所述導流支撐結構包括有多個氣相導流孔；所述膜清洗部件包括水平地設置在罐體中的一清洗給水管和多個清洗管，所述清洗管的管壁上設置有多個噴嘴，所述多個清洗管集成連接至所述給水管上。
2.根據權利要求1所述膜吸收法海水煙氣脫硫裝置，其特徵在於，所述中空纖維膜元件，其膜材料選自聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚碸、聚醚碸、聚芳醚碸、聚乙烯、聚丙烯、聚酯、矽橡膠，一種或兩種以上聚合物共混或複合的膜材料。
3.根據權利要求1所述膜吸收法海水煙氣脫硫裝置，其特徵在於，所述中空纖維膜元件，其多孔膜最大孔徑範圍為0. 01 μ m 2. 0 μ m，壁厚範圍為20 μ m 200 μ m,孔隙率範圍為30% 80% ；中空纖維膜平均直徑範圍為ΙΟΟμπι 3000μπι。
4.根據權利要求1所述膜吸收法海水煙氣脫硫裝置，其特徵在於，所述中空纖維膜元件所包含的中空纖維膜總體積與所述箱式或罐式殼體容積之間的百分比為3% 50%。
5.根據權利要求1所述膜吸收法海水煙氣脫硫裝置，其特徵在於，所述膜清洗部件中的噴嘴所佔據的區域面積小於或等於清洗管的橫截面積。
6.根據權利要求1所述膜吸收法海水煙氣脫硫裝置，其特徵在於，所述罐式氣液接觸膜吸收器中導流支撐結構為一位於所述中心管頂部的導流支撐板，所述導流支撐板上設有中心管定位卡槽孔和氣相導流孔；所述支撐結構為一位於所述中心管底部的支撐底板，所述支撐底板上設置有中心管定位卡槽孔；所述導流支撐板上氣相導流孔所佔據的區域面積大於所述中心管管壁孔的總孔面積。
7.一種膜吸收法海水煙氣脫硫工藝，其特徵在於，利用如權利要求1所述的膜吸收法海水煙氣脫硫裝置進行煙氣脫硫的過程是煙氣(7)經熱交換器(8)採用海水冷卻降溫後，通過增壓風機(9)送入膜吸收器殼程；經海水預處理設備(3)預處理後的海水(2)經海水泵(4)進入膜吸收器管程作為脫硫吸收液；氣液兩相在中空纖維膜的微孔處形成反應界面，煙氣中S02與海水反應生成亞硫酸^rt.；脫硫後的煙氣從所述膜吸收器(1)的氣相出口排出；與此同時，帶有亞硫酸鹽的海水經曝氣池(5)曝氣固硫，其ρΗ值達標後排放(6)。
8.根據權利要求7膜吸收法海水煙氣脫硫工藝，其特徵在於，所述海水是指原海水、海水直流冷卻排放的海水、海水循環冷卻和膜法海水淡化排放的濃海水中的任一種，其電導率範圍為30000 μ S/cm 80000 μ S/cm,其ρΗ值控制在7. 5以上。
9.根據權利要求7膜吸收法海水煙氣脫硫工藝，其特徵在於，所述煙氣是指經過除塵後的燃煤煙氣和/或含SO2的工業廢氣，其中SO2濃度範圍50mg/Nm3 5000mg/Nm3，其在膜吸收器中的壓力範圍OKPa 2. OKPa0
10.根據權利要求7膜吸收法海水煙氣脫硫工藝，其特徵在於，所述膜吸收器採用自動在線反衝洗及清洗工藝，控制和減輕膜汙染。
全文摘要
本發明公開了一種膜吸收法海水煙氣脫硫裝置及其工藝，其煙氣由增壓風機送入膜吸收器殼程，經過預處理的海水經海水泵進入膜吸收器管程作為吸收液，氣液兩相在中空纖維膜的微孔處形成反應界面，煙氣中SO2與海水反應生成亞硫酸鹽並被及時帶走，實現煙氣脫硫。脫硫海水經曝氣固硫，pH值達標後排放。其裝置由一級或多級膜吸收器組成，膜吸收器由多組簾式或柱式中空纖維膜元件組成。其工藝特徵在於裝置氣阻低，動力消耗小，脫硫效率高。採用自動在線反衝洗及清洗工藝設計，可控制和減輕膜汙染；裝置體積小，重量輕，可模塊化集成；氣液兩相流速獨立控制，可在較寬範圍內操作，並可減輕或避免傳統海水法煙氣夾帶大量水蒸氣而造成的設備腐蝕問題。
文檔編號B01D53/78GK102485320SQ20101057297
公開日2012年6月6日 申請日期2010年12月5日 優先權日2010年12月5日
發明者關毅鵬, 劉國昌, 呂經烈, 張召才, 李曉明, 李雪梅, 郭春剛, 陳穎 申請人:國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所