CN109758896A - 一种船舶废气海水脱硫用膜接触器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种船舶废气海水脱硫用膜接触器，所述膜接触器包括壳体、上封头、下封头、上固定盘和下固定盘，其特征在于该膜接触器还包括贯穿上封头、下封头、上固定盘和下固定盘的中心管，所述中心管包括贯穿上封头、上固定盘的上支撑管和贯穿下封头、下固定盘的下支撑管以及与上、下支撑管连接的陶瓷膜，所述下支撑管靠近下封头的一端设置有氧化气体入口，所述上支撑管靠近上封头的一端设置有氧化气体出口。本发明通过在膜接触器中同时采用膜进行脱硫和曝气，避免了脱硫产生的亚硫酸盐不稳定而分解的问题，从而提高了固硫效果。

Description

一种船舶废气海水脱硫用膜接触器

本发明涉及一种船舶用脱硫装置，具体涉及一种应用于船舶的废气脱硫膜接触器。

众所周知，随着经济全球化的发展，国际贸易和船舶运输得到了快速的发展，船舶的吨位也在不断的增加，船舶柴油机废气的排放量也随之迅速增加，以石油产品为燃料的船舶废气排放造成的环境污染日趋严重。船舶柴油机废气排放造成的大气污染和温室效应已经受到世界范围的高度重视。2016年10月27日国际海事组织IMO下属的海上环境保护委员会第70次会议通过决议，确定2020年在全球海域实行船舶燃油0.5%含硫上限的规定，之前划设的四大排放控制区仍然实行0.1%的限制。据相关机构预测，欧盟其他海域以及包括中国在内的亚洲海域将来也可能会划设排放控制区，使硫排放最终降至0.1%的标准。目前距离法规生效只有两年左右的时间，然而全球只有少数几家船舶尾气脱硫设备厂家具有成熟的产品，以现有的生产能力满足如此多数量的需求，对船舶尾气脱硫设备厂家是一项艰巨的任务。

海水脱硫工艺是利用海水的碱度达到脱除烟气中二氧化硫的一种脱硫方法。在传统工艺中，在脱硫吸收塔内，大量海水喷淋洗涤进入吸收塔内的燃煤烟气，烟气中的二氧化硫被海水吸收而除去，净化后的烟气经除雾器除雾、经烟气换热器加热后排放。膜分离技术具备高效、节能、环保和占地小等特征。疏水膜及膜接触器产品，如膜式氧合器、脱气和充气接触器已得到广泛应用。与常规气水混合工艺相比，膜法充气工艺气水两相非直接接触，气体通过疏水性透气膜进入水相，所产生气泡直径小，气液接触面积大，气水混合均匀，充气效率高。针对海水脱硫和膜接触器的好处，已经有学者将两者结合到一起采用海水通过膜接触器进行脱硫，并取得了一定成效。

利用海水进行废气脱硫时，海水与SO₂生成不稳定的亚硫酸盐，现有技术一般在膜接触器后设置常规粗放式曝气池曝气设备以将亚硫酸盐氧化成稳定的硫酸盐，但是申请人发现在通过膜接触器进行海水脱硫时，由于不同于传统的气液直接接触式脱硫，SO₂通过膜孔与海水接触，SO₂分压较小、海水碱度不够，加之酸碱中和放热等因素，极易导致不稳定的亚硫酸盐分解从而导致海水膜接触器法脱硫效率较低。因此，急需对现有的膜接触器进行改造以解决亚硫酸盐易分解的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种船舶废气海水脱硫用膜接触器，以通过脱硫过程中同时曝气的方式以避免亚硫酸盐的分解。

本发明提供了一种船舶废气海水脱硫用膜接触器，所述膜接触器包括壳体、封头、固定盘、中空纤维膜丝，所述壳体为圆柱形，壳体两端密封连接有上封头和下封头，上、下封头内设具有多孔的上固定盘和下固定盘，中空纤维膜丝两端固定在上、下固定盘上的孔内，上封头非中心处设置有含硫气体进口，下封头非中心处内设置有净化气体出口，壳体靠近下封头的一侧设置有海水入口，壳体靠近上封头的另一侧设置有脱硫后海水出口，其特征在于该膜接触器还包括贯穿上封头、下封头、固定盘和壳体中心的中心管，所述中心管包括贯穿上封头、上固定盘的上支撑管和贯穿下封头、下固定盘的下支撑管的以及与上、下支撑管连接的陶瓷膜，所述下支撑管靠近下封头的一端设置有氧化气体入口，所述上支撑管靠近上封头的一端设置有氧化气体出口。

优选的，所述陶瓷膜与中空纤维膜丝基本平行。

优选的，所述的陶瓷膜为微滤膜，其孔径范围为30-80nm。

优选的，所述的陶瓷膜为氧化铝、氧化锆、氧化钛、氮化硅或莫来石材质。

优选的，所述的陶瓷膜外表面经硅烷偶联剂疏水改性处理。

优选的，所述的硅烷偶联剂为二甲基二氯硅烷、十三氟代正辛基硅烷、十七氟癸基三乙氧基硅烷中的一种。

优选的，所述的陶瓷膜与膜丝之间间距为5-20cm。

优选的，所述膜丝为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚砜、聚醚砜、聚乙烯、聚丙烯、聚酯等材质，所述膜丝的孔径范围为0.02μm-1μm，孔隙率为30%-70%。

本发明提供的船舶废气脱硫用膜接触器的工作方法如下：

降温、除尘后的含硫烟气从含硫烟气入口进入膜接触器的上封头内，并通过上固定盘进入中空纤维膜丝中并沿着膜丝方向向下流动，而海水从海水入口进入膜接触器的壳体内，并沿着膜丝外表面向上流动。在废气压力作用下，废气中的SO₂穿过膜丝的孔道与海水接触生成亚硫酸盐。而与此同时，氧化气体（例如空气、氧气或者两者混合物）从氧化气体入口进入中心管内，并穿过下支撑管进入陶瓷膜内部，并在压力作用下穿过陶瓷膜膜孔与海水接触，从而将海水中的亚硫酸盐氧化成稳定的硫酸盐。净化后的废气从净化气体出口排出，脱硫后的海水从脱硫后海水出口排出，而完成曝气的氧化气体从氧化气体出口排出后循环利用。

同时，为保证本发明的船舶废气脱硫用膜接触器的稳定工作，本发明还提供了一种船舶废气脱硫系统，所述脱硫系统包括膜接触器、船舶含硫废气引入系统、海水处理系统和氧化气体引入系统，所述膜接触器包括壳体、上封头、下封头、上固定盘和下固定盘，所述壳体为圆柱形，壳体两端密封连接有上封头和下封头，上、下封头分别内设具有多孔的上固定盘和下固定盘，中空纤维膜丝两端固定在上、下固定盘上的孔内，上封头非中心处设置有含硫气体进口，下封头非中心处内设置有净化气体出口，壳体靠近下封头的一侧设置有海水入口，壳体靠近上封头的另一侧设置有脱硫后海水出口，其特征在于该膜接触器还包括贯穿上封头、下封头、上固定盘和下固定盘的中心管，所述中心管包括贯穿上封头、上固定盘的上支撑管和贯穿下封头、下固定盘的下支撑管以及与上、下支撑管连接的陶瓷膜，所述下支撑管靠近下封头的一端设置有氧化气体入口，所述上支撑管靠近上封头的一端设置有氧化气体出口；所述的船舶废气引入系统与含硫气体入口连接，所述的海水处理系统与海水入口连接，所述的氧化气体引入系统与氧化气体入口连接。

优选的，所述的船舶含硫废气引入系统包括依次连接的冷却器、风机、含硫气体流量计。

优选的，所述的海水处理系统包括依次连接的预处理器、浓缩器、缓冲罐、泵、海水流量计。

优选的，所述的氧化气体引入系统包括依次连接的空气压缩机、汽水分离器、压力缓冲罐、氧化空气流量计。

优选的，所述的净化气体出口与SO₂检测器连接。

采用上述船舶废气脱硫装置的工作方法如下：

船舶产生的含硫废气经冷却器降温，并通过风机加压经含硫气体流量计后进入膜接触器的上封头内，并通过上固定盘进入中空纤维膜丝中并沿着膜丝方向向下流动；而新鲜的海水经预处理（一般采用微滤除杂进行预处理，也可以包括杀生剂进行杀生处理）后进入浓缩器（可以选用常规的反渗透膜）浓缩2-3倍后进入缓冲罐，并经泵、海水流量计从海水入口进入膜接触器的壳体内，并沿着膜丝外表面向上流动。在废气压力作用下，废气中的SO₂穿过膜丝的孔道与海水接触生成亚硫酸盐。而与此同时，空气压缩机产生的压缩空气经汽水分离器进行汽水分离后进入压力缓冲罐，并经氧化气体流量计从氧化气体入口进入中心管内，并穿过下支撑管进入陶瓷膜内部，并在压力作用下穿过陶瓷膜膜孔与海水接触，从而将海水中的亚硫酸盐氧化成稳定的硫酸盐。净化后的废气从净化气体出口经SO₂检测器检测符合标准后排空，脱硫后的海水从脱硫后海水出口排出（必要情况下可以将其与新鲜海水混合后再排入海水中），而完成曝气的氧化气体从氧化气体出口排出后再循环至压力缓冲罐中循环利用。在上述方法中，冷却器优选采用海水冷却器，并将升温后的海水与脱硫后海水混合后排入海水中。

与现有技术相比，本发明提供了船舶废气用膜接触器具有以下有益效果。

首先，本发明膜接触器中心位置设置可以实现曝气功能的中心管，使得氧化气体可以通过中心管进入膜接触器内部，实现了脱硫的时候对亚硫酸盐进行氧化，避免了亚硫酸盐的分解从而提高了脱硫效果。

其次，本发明提供的中心管在关键位置设置了陶瓷膜，其在实现膜法曝气的同时，利用了陶瓷膜耐酸碱的特点可以避免海水腐蚀，而陶瓷膜机械强度大的特点可实现其对整个膜组件的支撑作用，避免在运行过程中两种不同的有机膜之间的相互干扰。

另外，本发明还对陶瓷与膜丝之间的距离进行了流体模拟，优化出了最佳的间距范围，保证了膜丝的脱硫的能力。

附图说明

图1为本发明提供的船舶废气脱硫用膜接触器；

图2为本发明提供的船舶脱硫工艺。

图1中，1-壳体；2-上封头；3-下封头；4-上固定盘；5-下固定盘；6-含硫气体入口；7-净化气体出口；8-脱硫后海水出口；9-海水入口；10-上支撑管；11-下支撑管；12-陶瓷膜；13-氧化气体出口；14-氧化气体入口；15-中空纤维膜丝。

图2中，16-冷却器；17-风机；18-含硫气体流量计；19-预处理器；20-浓缩器；21-缓冲罐；22-泵；23-海水流量计；24-空气压缩机；25-汽水分离器；26-压力缓冲罐；27-氧化空气流量计；28-SO₂气体检测器。

具体实施方式

实施例1

图1给出了一种船舶废气脱硫用膜接触器的实施例，一种船舶废气海水脱硫用膜接触器，所述膜接触器包括壳体1、上封头2、下封头3、上固定盘4、下固定盘5，所述壳体1为圆柱形，壳体两端密封连接有上封头2和下封头3，上、下封头内分别设具有多孔的上固定盘4和下固定盘5，中空纤维膜丝15两端固定在上、下固定盘上的孔内，上封头2非中心处设置有含硫气体进口6，下封头3非中心处内设置有净化气体出口7，壳体1靠近下封头的一侧设置有海水入口9，壳体1靠近上封头2的另一侧设置有脱硫后海水出口8，其特征在于该膜接触器还包括贯穿上封头2、下封头3、上固定盘4和下固定盘5的中心管，所述中心管包括贯穿上封头2、上固定盘的4上支撑管10和贯穿下封头3、下固定盘5的下支撑管11以及与上、下支撑管连接的陶瓷膜12，所述下支撑管11靠近下封头3的一端设置有氧化气体入口14，所述上支撑管10靠近上封头2的一端设置有氧化气体出口13。

在本实施例中，陶瓷膜与中空纤维膜丝基本平行。陶瓷膜为二甲基二氯硅烷作为硅烷偶联剂对氧化锆材质微滤膜进行疏水改性后的微滤膜，其平均孔径范围为50nm。在本实施例中，陶瓷膜与膜丝之间间距为5-20cm。中空纤维膜丝为聚偏氟乙烯材质，膜丝的孔径范围0.1μm，孔隙率为50%。

采用上述膜接触器的脱硫方法如下：

降温、除尘后的含硫烟气从含硫烟气入口6进入膜接触器的上封头2内，并通过上固定盘4进入中空纤维膜丝15中并沿着膜丝方向向下流动，而海水从海水入口9进入膜接触器的壳体1内，并沿着膜丝外表面向上流动。在废气压力作用下，废气中的SO₂穿过膜丝的孔道与海水接触生成亚硫酸盐。而与此同时，氧化气体（例如空气、氧气或者两者混合物）从氧化气体入口14进入中心管内，并穿过下支撑管11进入陶瓷膜12内部，并在压力作用下穿过陶瓷膜膜孔与海水接触，从而将海水中的亚硫酸盐氧化成稳定的硫酸盐。净化后的废气从净化气体出口排出，脱硫后的海水从脱硫后海水出口排出，而完成曝气的氧化气体从氧化气体出口排出后循环利用。

实施例2

图2给出了一种船舶废气脱硫装置的示意图，所述脱硫系统包括膜接触器、船舶含硫废气引入系统、海水处理系统和氧化气体引入系统，所述膜接触器包括壳体1、上封头2、下封头3、上固定盘4、下固定盘5，所述壳体1为圆柱形，壳体两端密封连接有上封头2和下封头3，上、下封头内分别设具有多孔的上固定盘4和下固定盘5，中空纤维膜丝15两端固定在上、下固定盘上的孔内，上封头2非中心处设置有含硫气体进口6，下封头3非中心处内设置有净化气体出口7，壳体1靠近下封头的一侧设置有海水入口9，壳体1靠近上封头2的另一侧设置有脱硫后海水出口8，其特征在于该膜接触器还包括贯穿上封头2、下封头3、上固定盘4和下固定盘5的中心管，所述中心管包括贯穿上封头2、上固定盘4的上支撑管10和贯穿下封头3、下固定盘5的下支撑管11以及与上、下支撑管连接的陶瓷膜12，所述下支撑管11靠近下封头3的一端设置有氧化气体入口14，所述上支撑管10靠近上封头2的一端设置有氧化气体出口13；所述的船舶废气引入系统与含硫气体入口连接，所述的海水处理系统与海水入口连接，所述的氧化气体引入系统与氧化气体入口连接。所述的船舶含硫废气引入系统包括依次连接的冷却器16、风机17、含硫气体流量计18。所述的海水处理系统包括依次连接的预处理器19（微滤过滤器）、浓缩器20（反渗透膜）、缓冲罐21、泵22、海水流量计23。所述的氧化气体引入系统包括依次连接的空气压缩机24、汽水分离器25、压力缓冲罐26、氧化空气流量计27。所述的净化气体出口与SO₂检测器28连接。

采用上述船舶废气脱硫装置的工作方法如下：

船舶产生的含硫废气经海水冷却器16降温，并通过风机17加压经含硫气体流量计18后进入膜接触器的上封头内，并通过上固定盘进入中空纤维膜丝中并沿着膜丝方向向下流动；而新鲜的海水经预处理器19预处理（在这里采用微滤除杂进行预处理）后进入浓缩器20（可以选用常规的反渗透膜）浓缩2-3倍后进入缓冲罐21，并经泵22、海水流量计23从海水入口进入膜接触器的壳体内，并沿着膜丝外表面向上流动。在废气压力作用下，废气中的SO₂穿过膜丝的孔道与海水接触生成亚硫酸盐。而与此同时，空气压缩机24产生的压缩空气经汽水分离器25进行汽水分离后进入压力缓冲罐26，并经氧化气体流量计27从氧化气体入口进入中心管内，并穿过下支撑管进入陶瓷膜内部，并在压力作用下穿过陶瓷膜膜孔与海水接触，从而将海水中的亚硫酸盐氧化成稳定的硫酸盐。净化后的废气从净化气体出口经SO₂检测器28检测符合标准后排空，脱硫后的海水从脱硫后海水出口排出（必要情况下可以将其与新鲜海水混合后再排入海水中），而完成曝气的氧化气体从氧化气体出口排出后再循环至压力缓冲罐中循环利用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种船舶废气海水脱硫用膜接触器，所述膜接触器包括壳体、上封头、下封头、上固定盘和下固定盘，所述壳体为圆柱形，壳体两端密封连接有上封头和下封头，上、下封头分别内设具有多孔的上固定盘和下固定盘，中空纤维膜丝两端固定在上、下固定盘上的孔内，上封头非中心处设置有含硫气体进口，下封头非中心处内设置有净化气体出口，壳体靠近下封头的一侧设置有海水入口，壳体靠近上封头的另一侧设置有脱硫后海水出口，其特征在于该膜接触器还包括贯穿上封头、下封头、上固定盘和下固定盘的中心管，所述中心管包括贯穿上封头、上固定盘的上支撑管和贯穿下封头、下固定盘的下支撑管以及与上、下支撑管连接的陶瓷膜，所述下支撑管靠近下封头的一端设置有氧化气体入口，所述上支撑管靠近上封头的一端设置有氧化气体出口。

2.根据权利要求1所述的膜接触器，其特征在于所述陶瓷膜与中空纤维膜丝基本平行。

3.根据权利要求1所述的膜接触器，其特征在于所述的陶瓷膜为微滤膜，其孔径范围为30-80nm。

4.根据权利要求1所述的膜接触器，其特征在于所述的陶瓷膜为氧化铝、氧化锆、氧化钛、氮化硅或莫来石材质。

5.根据权利要求1所述的膜接触器，其特征在于所述的陶瓷膜外表面经硅烷偶联剂疏水改性处理。

6.根据权利要求5所述的膜接触器，其特征在于所述的硅烷偶联剂为二甲基二氯硅烷、十三氟代正辛基硅烷、十七氟癸基三乙氧基硅烷中的一种。

7.根据权利要求1所述的膜接触器，其特征在于所述的陶瓷膜与膜丝之间间距为5-20cm。

8.根据权利要求1所述的膜接触器，其特征在于所述膜丝为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚砜、聚醚砜、聚乙烯、聚丙烯、聚酯等材质，所述膜丝的孔径范围为0.02μm-1μm，孔隙率为30%-70%。