CN106582211A - 一种气泡强化式膜吸收海水烟气脱硫的方法 - Google Patents

一种气泡强化式膜吸收海水烟气脱硫的方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种气泡强化式膜吸收海水烟气脱硫的方法。该方法包括以下步骤：将待处理的初始烟气除尘，降温进入中空纤维膜吸收装置；扰动气体输入气液混合器与海水混合，得到的气液混合物进入中空纤维膜吸收装置；气液混合物和步骤（1）中的烟气分别进入中空纤维膜两侧，并在中空纤维膜表面发生吸收作用；最后烟气和海水分别排出。本发明气泡强化式膜吸收海水烟气脱硫方法，利用扰动气体的作用，提升海水对烟气中二氧化硫去除率；在热量利用上分别利用初始烟气、脱硫后烟气、吸收后海水进行换热，充分烟气本身热量，降低热量消耗。

Description

一种气泡强化式膜吸收海水烟气脱硫的方法
技术领域
本发明的技术方案属于大气污染控制及治理技术领域，涉及一种利用气泡强化膜吸收过程从而利用海水脱除烟气中二氧化硫的工艺方法。
背景技术
伴随全球工业化进程所产生的能源需求使得化石燃料的燃烧也越来越多，而其产生的二氧化硫及随之生成的酸雨对人类生存环境的危害巨大。酸雨不仅能使水体、土壤酸化，直接破坏动植物的生存环境，腐蚀破坏人类的建筑、雕塑等，而且可能对人体产生直接影响，从而引起健康问题。所以，对工业源烟气进行脱硫处理，从源头减少排放，是解决日益严重的二氧化硫污染的重要办法。目前常用的脱硫方法有三种：干法、湿法和半干法。与此同时，海水体量巨大且呈弱碱性，是一种天然的烟气脱硫吸收剂，同时经无害化处理后的吸收后海水排放简单，因此是沿海地区极具推广价值的烟气脱硫方案，且已实现工业化。目前大部分烟气脱硫技术均使用塔设备来进行二氧化硫的吸收，普遍存在着设备庞大，运行灵活性差，易产生雾沫夹带、液泛等问题。为解决塔设备普遍存在的上述问题，结合天然海水的优势，新型脱硫技术——膜吸收烟气脱硫也已被提出并进行研究。
发明专利CN101091873B《一种膜吸收法海水脱除烟气中二氧化硫的工艺方法》公开了一种膜吸收海水烟气脱硫工艺，其主要流程为烟气经除尘降温后，由气体压缩机调压后进入中空纤维吸收器管程，同时海水及经简单预处理进入壳程，进而两相在膜内外流动，并在膜孔中实现发生烟气吸收过程，所公开实施例中烟气脱硫率约95％。发明专利CN102485320B《膜吸收法海水烟气脱硫装置及其工艺》公开了一种海水膜吸收法海水烟气脱硫装置及其工艺，其装置由一级或多级膜吸收器组成，膜吸收器由多组帘式或柱式中空纤维构成，为解决其清洗问题，装置集成有清洗装置实现在线清洗。上述两专利均公开了利用膜吸收技术进行海水烟气脱硫的方法，主要是将膜吸收技术应用于海水脱硫过程，有待进一步提升，同时膜吸收过程可能产生膜表面结垢，清洗过程为被动式的补偿措施，吸收过程与后续曝气过程相互分离，过程集成性较差。目前膜吸收海水烟气脱硫技术并未有工业化应用报道。
发明内容
本发明的目的为针对当前技术中存在的传统吸收塔设备存在的液泛、漏液、雾沫夹带等现象，提供一种气泡强化式膜吸收海水烟气脱硫方法。该方法在吸收剂的海水中同时鼓入空气，在吸收侧形成气液两相流，增加吸收侧膜表面附近湍流程度，降低二氧化硫由烟气侧向海水侧的传质阻力，提升吸收速率；同时改变膜清洗这一被动式措施，将清洗过程与吸收过程相耦合，形成集成式的新型高效膜吸收海水烟气脱硫方法，可有效提升单位膜面积处理烟气能力，同时降低膜的清洗频率，延长膜使用寿命，并实现过程的热量与流程的集成。
本发明所采用的技术方案如下：
一种气泡强化式膜吸收海水烟气脱硫的方法，包括以下步骤：
(1)烟气的预处理
待处理的初始烟气依次经过除尘器去除烟尘，经烟气换热器降低烟气温度至40℃-60℃，再经海水换热器二次降温至20℃-40℃后进入中空纤维膜吸收装置；
(2)海水的预处理
吸收剂海水输送进入精度为0.1～10μm的过滤器，除去悬浮物后进入气液混合器；烟气与海水体积流量比为1-50：1；
(3)烟气中二氧化硫的吸收
利用气体压缩机将扰动气体输入气液混合器与同时进入的海水混合，得到的气液混合物进入中空纤维膜吸收装置；气液混合物和步骤(1)中的烟气分别进入中空纤维膜两侧，并在中空纤维膜表面发生吸收作用；其中，体积流量比扰动气体：海水＝1：1-100；所述中空纤维膜洗手装置中的膜材料为疏水性材料；
(4)烟气及海水的后处理
发生吸收作用后的烟气由中空纤维膜吸收装置排出后进入烟气换热器与初始烟气换热，升温至70℃-90℃后进行排放；发生吸收作用后海水由中空纤维膜吸收装置排出，再经曝气氧化后排放。
所述扰动气体为空气、氧气和氮气中的一种或多种；
所述气液混合器为静态混合器、溶气器和气液两相泵中的一种或多种组合而成。
所述的初始烟气中的SO2体积浓度优选为0.2‰-5‰。
所述的海水的流量优选为1-500m3/h；
所述的中空纤维膜吸收装置由1支或多支中空纤维膜元件串联或并联构成；所述中空纤维膜元件为柱式膜元件或帘式膜元件。
所述的疏水性材料具体为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯或聚砜中的一种或几种。
所述中空纤维膜元件中膜材料的孔径为0.05-1μm，孔隙率为40-80％。
本发明的实质性特点为：
本发明的核心在于在作为吸收剂的海水中同时鼓入扰动气体，形成气-液两相流，这一新型的方法可产生如下作用：
1，在吸收侧形成气液两相流，增加吸收侧膜表面附近湍流程度，降低二氧化硫由烟气侧向海水侧的传质阻力，提升吸收速率；
2，烟气中的二氧化硫气体溶解于烟气中可形成亚硫酸、亚硫酸氢根、亚硫酸根等离子，而当鼓入气体为空气或氧气时，可以利用含有的氧气可将上述离子氧化为硫酸根，此过程可有效促进二氧化硫的吸收与溶解，进而提升反应。
3，鼓入的空气与吸收侧海水形成气液两相流，可对膜表面产生振动冲刷作用，有效的阻碍污染物的沉积，实现吸收过程与清洗作用的集成。
本发明的有益效果是：
(1)本发明气泡强化式膜吸收海水烟气脱硫方法，相较于吸收塔设备，由于气液两相仅在微米级的膜孔中接触，单个接触面积小而总接触面积巨大因此可有效避免塔式海水脱硫方法液泛、漏液、雾沫夹带等问题；同时所采用的膜及元件均为高分子材料对海水及酸性气体具有很好的耐腐蚀性能；
(2)本发明气泡强化式膜吸收海水烟气脱硫方法，相较于现有的膜吸收海水烟气脱硫方法，由于鼓气相的加入，伴随产生物理扰动及化学反应，两方面协同耦合均可对二氧化硫的吸收过程产生促进作用，进而提高海水对烟气中二氧化硫的吸收效率；与此同时鼓入的空气可对膜表面产生擦洗、振动作用，因此可有效提高膜表面的抗污染性能，实现吸收过程与清洗过程的耦合；
(3)本发明气泡强化式膜吸收海水烟气脱硫方法，在热量利用上分别利用初始烟气、脱硫后烟气、吸收后海水进行换热，充分烟气本身热量，降低热量消耗。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明气泡强化式膜吸收海水烟气脱硫方法的工艺流程示意图。
图2为采用帘式中空纤维膜元件的中空纤维膜吸收装置的结构示意图；
图3为采用柱式中空纤维膜元件的中空纤维膜吸收装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明的气泡强化式膜吸收海水烟气脱硫方法的工艺流程是：待处理的烟气依次经过除尘器除尘，烟气换热器降温和海水换热器二次降温后进入中空纤维膜装置的管程(壳程)；一定流量海水经过滤器后进入气液混合器，与同时进入的一定流量的扰动气体混合后形成气液混合流，共同进入中空纤维膜装置的壳程(管程)；在膜吸收装置中进行烟气中二氧化硫气体的去除，排出的烟气在烟气换热器与原始烟气换热升温后进入烟气排放系统；而吸收后海水进入曝气氧化系统进行水质恢复后排放。
所述的中空纤维膜吸收装置为公知器件。该装置由1支或多支中空纤维膜元件串联或并联构成；所述为柱式膜元件或帘式膜元件，基本结构如图2，3所示。
所述中空纤维膜吸收装置中的膜元件的构成数目：处理烟气中二氧化硫质量流量(g/h)÷单位膜面积二氧化硫吸收量(g/m2·h)÷单支膜元件面积(m2)，其中单位膜面积二氧化硫吸收量为10-60g/m2·h，单支膜元件面积为所选用膜元件的面积。
所述中空纤维膜元件中膜材料为疏水性材料。具体为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯或聚砜中的一种或几种。
所述中空纤维膜元件中膜孔径为0.05-1μm，孔隙率为40-80％。
本发明所公开的一种气泡强化式膜吸收海水烟气脱硫的方法，其具体实施方式如下：
(1)烟气的预处理
待处理的初始烟气依次经过除尘器去除烟尘，经烟气换热器降低烟气温度，经海水换热器二次降温后进入由1支或多支中空纤维膜元件构成的中空纤维膜装置的管程(或壳程)；中空纤维膜元件所使用膜孔径为0.05-1μm；
(2)海水的预处理
吸收剂海水经泵以一定流量输送进入精度为0.1～10μm的过滤器，除去悬浮物后进入气液混合器，烟气与海水体积流量比为1-500；
(3)烟气中二氧化硫的吸收
利用气体压缩机将扰动气体(空气、氧气、氮气及类似气体中的一种或若干种的混合物)输入气液混合器与海水混合形成气液两相，扰动气体与海水体积流量比为1-100，共同进入中空纤维膜装置的壳程(管程)。烟气中二氧化硫与海水在中空纤维膜的微孔界面发生吸收反应，进行二氧化硫的脱除。在作为吸收液的海水侧，随之进入的扰动气体所形成的微小气泡可对膜表面的海水形成湍流，进而促进二氧化硫吸收；同时气泡的流动可实现膜表面的擦洗，防止垢类物质在膜表面的沉积；
(4)烟气及海水的后处理
由膜吸收装置排出的烟气在烟气换热器与初始烟气换热升温后进入烟气排放系统；由膜吸收装置排出的吸收后海水进入曝气氧化系统进行水质恢复后排放。
膜材料为疏水性材料，具体为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚砜等的一种或几种。
具体实施例如下。
实施例1
采用如附图所示采用燃煤电厂排放烟气作为初始烟气，初始烟气中SO2体积浓度为2.39‰，烟气温度约110℃，烟气流量1m3/h，经除尘后颗粒物浓度为20mg/Nm3，经烟气换热器降温至60℃，随后经海水换热器温度降至40℃，而后进入1支柱式中空纤维元件的管程，中空纤维膜元件参数如表所示1所示；海水温度30℃，控制海水流量0.24m3/h(烟气体积流量：海水体积流量＝4.2：1)以0.2MPa压力通过精密过滤器，过滤精度5μm，干扰气体为空气，鼓气量0.18m3/h(干扰气体体积流量：海水体积流量＝1:1.3)，经混合器混合后进入中空纤维元件的壳程，经稳定运行之后烟气SO2质量浓度为0.06‰，脱硫率约为97.5％，脱硫后烟气温度为38℃，进入烟气换热器与初始烟气换热后升温至88℃，送至排放系统排放；吸收后海水中SO3 2--HSO3 --H2SO3总浓度为35mg/L(以SO3 2-计)，温度约30℃，进入海水换热器温升约31℃，后送至水质恢复系统进行曝气恢复。
表1.单支中空纤维膜元件参数
(所述中空纤维膜吸收装置中的膜元件的构成数目是根据烟气中二氧化硫体积浓度、烟气流量进行成比例增减的，可由如下公式近似计算获得：膜元件的构成数目＝二氧化硫体积浓度×烟气体积流量÷22.4L/mol×64g/mol÷单位膜面积二氧化硫吸收量÷单支膜元件膜面积。其中22.4L/mol为标准气体的摩尔体积，64g/mol为二氧化硫的摩尔质量，单位膜面积二氧化硫吸收量为10-60mg/m2·h，单支膜元件膜面积为标准化商品膜产品的面积。后面实施例同。
根据以上计算，本实施例中，单位膜面积二氧化硫吸收量为11g/m2·h。
实施例2
采用如图所示采用燃煤电厂排放烟气作为初始烟气，初始烟气中SO2质量浓度为2.39‰，烟气温度约130℃，烟气流量10m3/h，经除尘后颗粒物浓度为20mg/Nm3，经烟气换热器降温至70℃，随后经海水换热器温度降至35℃，而后进入并联的2支柱式中空纤维元件的管程，中空纤维膜元件参数如表所示2所示；海水温度20℃，控制海水流量3m3/h(烟气体积流量：海水体积流量＝3.3:1)，以0.2MPa压力通过精密过滤器，过滤精度5μm，干扰气体为氮气，鼓气量3.6m3/h(干扰气体体积流量：海水体积流量＝1.2:1)，经混合器混合后进入中空纤维元件的壳程，经稳定运行之后烟气SO2质量浓度为0.07‰，脱硫率约为97％，脱硫后烟气温度为30℃，进入烟气换热器与初始烟气换热后升温至90℃，送至排放系统排放；吸收后海水中SO3 2--HSO3 --H2SO3总浓度为34mg/L(以SO3 2-计)，温度约21℃，进入海水换热器温升约22℃，后送至水质恢复系统进行曝气恢复。
表2.单支中空纤维膜元件参数
本实施例中，单位膜面积二氧化硫吸收量为11g/m2·h。
实施例3
采用如图所示采用燃煤锅炉排放烟气作为初始烟气，初始烟气中SO2质量浓度为2.65‰，烟气温度约120℃，烟气流量4m3/h，经除尘后颗粒物浓度为30mg/Nm3经烟气换热器降温至60℃，随后经海水换热器温度降至30℃，而后进入1支柱式中空纤维元件的管程，中空纤维膜元件参数如表所示3所示；海水温度20℃，控制海水流量0.48m3/h(烟气体积流量：海水体积流量＝8.3:1)，以0.2MPa压力通过精密过滤器，过滤精度2μm，干扰气体为空气，鼓气量0.4m3/h(干扰气体体积流量：海水体积流量＝0.8:1)，经混合器混合后进入中空纤维元件的壳程，经稳定运行之后烟气SO2质量浓度为0.01％，脱硫率约为96.4％，脱硫后烟气温度为25℃，进入烟气换热器与初始烟气换热后升温至85℃，送至排放系统排放；吸收后海水中SO3 2--HSO3 --H2SO3总浓度为76mg/L(以SO3 2-计)，温度约21℃，进入海水换热器温升约22℃，后送至水质恢复系统进行曝气恢复。
表3.单支中空纤维膜元件参数
本实施例中，单位膜面积二氧化硫吸收量为14.6g/m2·h。
由上述实施例可见，本发明所公开的气泡强化式膜吸收海水烟气脱硫的方法，由于烟气中二氧化硫与海水之间的吸收反应发生在中空纤维膜的微孔界面，因此可有效避免塔设备的液泛、雾沫夹带等问题；同时在作为吸收液的海水侧，随之进入的扰动气体所形成的微小气泡可对膜表面的海水形成湍流，进而促进二氧化硫吸收；同时气泡的流动可实现膜表面的擦洗，防止垢类物质在膜表面的沉积。综合上述优势，本发明所公开的气泡强化式膜吸收海水烟气脱硫的方法，对烟气中二氧化硫的脱除率大于96％，大于普通塔式烟气脱硫系统及专利公开的普通膜吸收烟气脱硫系统；同时系统整体均为高分子材质，对海水具有较好的耐腐蚀性；由此可见，本发明所公开的气泡强化式膜吸收海水烟气脱硫的方法，能够较大程度提升二氧化硫脱除效率，同时克服塔设备海水腐蚀问题，具有良好效果。
本发明未尽事宜为公知技术。

Claims (6)

1. 一种气泡强化式膜吸收海水烟气脱硫的方法，其特征为该包括以下步骤：
（1）烟气的预处理
待处理的初始烟气依次经过除尘器去除烟尘，经烟气换热器降低烟气温度至40℃-60℃，再经海水换热器二次降温至20℃-40℃后进入中空纤维膜吸收装置；
（2）海水的预处理
吸收剂海水输送进入精度为0.1～10μm的过滤器，除去悬浮物后进入气液混合器；烟气与海水体积流量比为1-50：1；
（3）烟气中二氧化硫的吸收
利用气体压缩机将扰动气体输入气液混合器与同时进入的海水混合，得到的气液混合物进入中空纤维膜吸收装置；气液混合物和步骤（1）中的烟气分别进入中空纤维膜两侧，并在中空纤维膜表面发生吸收作用；其中， 体积流量比扰动气体：海水=1：1-100；所述中空纤维膜洗手装置中的膜材料为疏水性材料；
(4) 烟气及海水的后处理
发生吸收作用后的烟气由中空纤维膜吸收装置排出后进入烟气换热器与初始烟气换热，升温至70℃-90℃后进行排放；发生吸收作用后海水由中空纤维膜吸收装置排出，再经曝气氧化后排放；
所述扰动气体为空气、氧气和氮气中的一种或多种；
所述气液混合器为静态混合器、溶气器和气液两相泵中的一种或多种组合而成。
2.如权利要求1所述的气泡强化式膜吸收海水烟气脱硫的方法，其特征为所述的初始烟气中的SO2体积浓度优选为0.2‰-5‰。
3.如权利要求1所述的气泡强化式膜吸收海水烟气脱硫的方法，其特征为所述的海水的流量优选为1-500 m3/h。
4.如权利要求1所述的气泡强化式膜吸收海水烟气脱硫的方法，其特征为所述的中空纤维膜吸收装置由1支或多支中空纤维膜元件串联或并联构成；所述中空纤维膜元件为柱式膜元件或帘式膜元件。
5.如权利要求1所述的气泡强化式膜吸收海水烟气脱硫的方法，其特征为所述的疏水性材料具体为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯或聚砜中的一种或几种。
6.如权利要求1所述的气泡强化式膜吸收海水烟气脱硫的方法，其特征为所述中空纤维膜元件中膜材料的孔径为0.05-1μm，孔隙率为40-80%。
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