CN208082235U

CN208082235U - 电渗析耦合离子交换树脂的脱盐装置

Info

Publication number: CN208082235U
Application number: CN201820290416.5U
Authority: CN
Inventors: 池勇志; 陈富强; 张梦怡; 付翠莲; 杨昆; 高修强
Original assignee: Tianjin Chengjian University
Current assignee: Tianjin Chengjian University
Priority date: 2018-03-01
Filing date: 2018-03-01
Publication date: 2018-11-13
Anticipated expiration: 2028-03-01

Abstract

本实用新型提供一种电渗析耦合离子交换树脂的脱盐装置，该装置包括依次连接的输水管、过滤器、原水泵、原水脱盐一体箱、抽气机、NaOH箱、浓水箱、阳极箱、膜堆、阴极箱、整流器、输气管、脱盐循环泵、阳极液循环泵、浓缩液循环泵、阴极液循环泵、NaOH循环泵、脱盐回用箱、浓缩液储存箱。有益效果是有效解决传统电渗析脱除热稳盐的同时会造成MDEA15％左右损耗问题，该装置增加了水流与膜表面的应力，避免了膜表面的结垢，减轻了膜污染的情况，将膜使用寿命延长了20％以上，该装置中的抽气机通过不断将脱盐室中的NH₃抽出脱盐室外，将MDEA吸附液中热稳盐阳离子的脱除速率加快了20％以上。

Description

电渗析耦合离子交换树脂的脱盐装置

技术领域

本实用新型适用于整体煤气化联合循环发电厂中N-甲基二乙醇胺(MDEA)吸附液中热稳盐脱除领域，具体涉及一种电渗析耦合离子交换树脂的脱盐装置。

背景技术

我国资源的特点是相对富煤、缺油、少气，探明的天然气储量不到世界总量的1％，而煤炭储量相对丰富，现阶段煤在我国能源结构中占65％～70％，我国以煤电为主的能源格局将长期保持。我国电力结构中，火电约占69％，而其中90％以上为煤电。由于传统的煤发电电厂每年排放大量的烟粉尘、二氧化硫、氮氧化物等污染物，随着我国对环境问题日益重视，这迫使传统煤发电电厂向整合煤气化联合循环发电系统(IGCC)转型，而IGCC在煤气化过程中，不可避免的会产生H₂S、CO₂等气体，若直接进入后续燃气机组将会生成SO₂等气体污染环境，现在主流煤气化发电公司采取用MDEA吸附液对H₂S、CO₂等气体进行脱硫去除。MDEA吸附液在循环使用过程中存在一定程度的降解，降解的酸性产物与H₂S、CO₂反应生成一系列盐，因这种盐很难通过温度变化从再生塔中解析出来，故称为热稳态盐(HSS)。热稳态盐(HSS)主要包含S₂O₃ ^2-、SCN^-、CH₃COO^-、SO₄ ^2-、HCOO^-、C₂O₄ ^2-、SO₃ ^2-等阴离子以及NH₄ ⁺、MDEAH⁺等阳离子。由于HSS“束缚”MDEA分子，不仅造成MDEA吸附液有效浓度减小、处理能力下降，还会导致MDEA吸附液黏度增大、能耗增加，同时加剧设备与管线的腐蚀；此外容易导致MDEA吸附液发泡且难以消除。所以必须对MDEA吸附液中的热稳盐进行脱除。而如今的传统电渗析脱除MDEA吸附剂热稳盐工艺，虽能够脱除MDEA吸附剂中热稳盐，但存在着处理效率低，脱盐同时会对MDEA吸附液中的MDEA造成损耗，且不能将MDEAH⁺再生成MDEA的缺点，传统的离子交换树脂脱除MDEA吸附剂热稳盐工艺，虽然处理效率好，且不会对MDEA吸附液中的MDEA造成损耗，但存在酸碱废液多，再生过程繁琐的缺点，传统的用NaOH法对MDEA吸附剂进行再生的方法，会造成MDEA吸附液中增加新的Na⁺杂质，对IGCC后续燃气机组的燃机叶片造成腐蚀。所以研发一种能够耦合电渗析技术、离子交换树脂技术、NaOH再生MDEA技术的所有优点的工艺，能快速脱除热稳盐的同时不造成MDEA的损耗且能对MDEA进行再生的一种新型三室电渗析脱盐装置，具有很大的实际意义。

发明内容

本实用新型主要目的是提供一种电渗析耦合离子交换树脂的脱盐装置，能够将电渗析与离子交换树脂脱盐方式耦合在一起从而快速有效的脱除MDEA吸附液中热稳盐，不会造成MDEA损耗，能够使MDEA吸附液中MDEAH⁺再生为MDEA，且不会在MDEA吸附液中增加新的杂质，避免对后续工艺造成影响。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是提供一种电渗析耦合离子交换树脂的脱盐装置，其中：该电渗析装置包括依次连接的输水管、过滤器、原水泵、原水脱盐一体箱，原水脱盐一体箱底部通过输水管路连接到膜堆，膜堆底部通过输水管路连接回原水脱盐一体箱顶部形成循环回路，在原水脱盐一体箱的出水口与膜堆之间通过输水管路连接有脱盐循环泵；浓水箱、浓缩液循环泵、膜堆底部通过输水管路相互连接，膜堆顶部通过输水管路连接回浓水箱顶部形成循环回路，浓水箱左侧通过输水管路与浓缩液储存箱连接；阳极箱、阳极液循环泵、膜堆底部通过输水管路相互连接，膜堆顶部通过输水管路连接回阳极箱顶部形成循环回路；阳极箱顶部通过输气管连接到抽气机；阴极箱、阴极液循环泵、膜堆底部通过输水管路相互连接，膜堆顶部通过输水管路连接回阴极箱顶部形成循环回路；阴极箱顶部通过输气管连接到抽气机；NaOH箱、NaOH循环泵、膜堆底部通过输水管路相互连接，膜堆顶部通过输水管路连接回NaOH箱形成循环回路；整流器与膜堆两端相互连接。

本实用新型的效果是该装置能够有效解决现有脱除MDEA中热稳盐工艺的处理效率低，脱除热稳盐同时对MDEA有所损耗，酸碱废液多，不能将MDEA吸附液中MDEAH⁺再生为MDEA，会重新增加新的杂质等问题；该装置的脱盐循环泵与膜堆中脱盐室顶部连接，使脱盐室水流方向由上到下流动，浓缩液循环泵与膜堆中浓缩室底部连接，使浓缩室水流方向由下到上流动，NaOH循环泵与膜堆中NaOH室底部连接使NaOH室水流方向由下到上流动，此结构使NaOH室、脱盐室、浓缩室三室水流彼此逆向流动，增加了水流与膜表面的应力，避免了膜表面的结垢，减轻了膜污染的情况，将膜使用寿命延长了20％以上；该装置在膜堆脱盐室中增加了软性阴离子交换树脂填料，大大提高了膜间导电性，显著增强了由溶剂到膜面的离子迁移，增加了电渗析装置脱除热稳盐的效率，提高了电流效率，同时软性阴离子交换树脂为枝状结构，避免了传统颗粒状离子交换树脂在长时间的水力冲击下堵塞膜堆出水口的情况；该装置在传统的电渗析装置中增加了NaOH室，使NaOH室里面的OH^-能通过阴离子交换膜进入到脱盐室中，与MDEAH⁺发生反应生成MDEA，解决了传统电渗析不能再生MDEA的问题，且OH^-能就地再生失去活性的软性阴离子交换树脂填料，从而实现连续深度脱盐，将热稳盐的脱除率增加到85％以上，而Na⁺被阴离子交换膜阻挡在NaOH室内，避免了Na⁺进入到脱盐室中后进入燃气机组，解决了传统用NaOH法再生MDEA吸附液时Na⁺杂质对IGCC后续燃气机组的燃机叶片造成腐蚀的问题，同时NaOH的加入引进了Na⁺、OH^-两种新的电解质，再次提高了电流效率，与传统的电渗析装置相比，电流效率提高了50％以上；该装置在脱盐室与浓缩室之间设置了阴离子交换膜，有效的避免了MDEAH⁺进入到浓缩室中，从而不会使正向进行，有效解决传统电渗析脱除热稳盐的同时会造成MDEA 15％左右损耗问题；该装置设置有抽气机，通过输气管连接在脱盐室通风口上，通过不断将脱盐室中的NH₃抽出脱盐室外，将MDEA吸附液中热稳盐阳离子的脱除速率加快了20％以上。

附图说明

图1为本实用新型的电渗析耦合离子交换树脂的脱盐装置结构示意图；

图2为本实用新型原水脱盐一体箱结构示意图；

图3为本实用新型膜堆结构示意图。

图中：

1、输水管 2、过滤器 3、原水泵 4、原水脱盐一体箱 4-1、脱盐箱 4-2、溢流管 4-3、溢流口 4-4、通风口 4-5、原液进水口 4-6、原水箱 4-7、脱盐液进水口 4-8、溢流板 5、抽气机 6、NaOH箱 7、浓水箱 8、阳极箱 9、膜堆 9-1、阳极 9-2、阳极侧极板 9-3、阳极室9-4、浓缩室 9-5、脱盐室 9-6、NaOH室 9-7、阴极室 9-8、阴极 9-9、压紧板 9-10、阳离子交换膜 9-11、软性阴离子交换树脂填料 9-12、阴离子交换膜 9-13、阴极侧极板 10、阴极箱11、整流器 12、输气管 13、脱盐循环泵 14、阳极液循环泵 15、浓缩液循环泵 16、阴极液循环泵 17、NaOH循环泵 18、脱盐回用箱 19、浓缩液储存箱

具体实施方式

结合附图对本实用新型的电渗析耦合离子交换树脂的脱盐装置结构加以说明。

如图1、图2、图3所示，本实用新型的电渗析耦合离子交换树脂的脱盐装置结构是，该装置包括依次连接的输水管1、过滤器2、原水泵3、原水脱盐一体箱4，原水脱盐一体箱4底部通过输水管路连接到膜堆9，膜堆9底部通过输水管路连接回原水脱盐一体箱4顶部形成循环回路，在原水脱盐一体箱4的出水口与膜堆9之间通过输水管路连接有脱盐循环泵13；浓水箱7、浓缩液循环泵15、膜堆9底部通过输水管路相互连接，膜堆9顶部通过输水管路连接回浓水箱7顶部形成循环回路，浓缩液左侧通过输水管路与浓缩液储存箱19连接；阳极箱8、阳极液循环泵14、膜堆9底部通过输水管路相互连接，膜堆9顶部通过输水管路连接回阳极箱8顶部形成循环回路；阳极箱8顶部通过输气管12连接到抽气机5；阴极箱10、阴极液循环泵16、膜堆9底部通过输水管路相互连接，膜堆9顶部通过输水管路连接回阴极箱10顶部形成循环回路；阴极箱10顶部通过输气管12连接到抽气机5；NaOH箱6、NaOH循环泵17、膜堆9底部通过输水管路相互连接，膜堆9顶部通过输水管路连接回NaOH箱6形成循环回路；整流器11与膜堆9两端相互连接。

所述原水脱盐一体箱4包括脱盐箱4-1、溢流管4-2、溢流口4-3、通风口4-4、原液进水口4-5、原水箱4-6、脱盐液进水口4-7、溢流板4-8，脱盐箱4-1通过溢流板4-8连接到原水箱4-6，通风口4-4通过输气管12连接到抽气机5，脱盐回用箱18通过溢流管4-2和溢流口4-3与脱盐箱4-1连接，原液进水口4-5与原水箱4-6相互连接，脱盐液进水口4-7与脱盐箱4-1顶部相互连接。

所述膜堆9包括有由从左至右依次排列的阳极侧极板9-2、阳离子交换膜9-10、两张阴离子交换膜9-12、阳离子交换膜9-10、阴极侧极板9-13加上隔板和垫片后交替叠压形成膜片处理单元，膜片处理单元用设置在阴极侧极板9-13右侧的压紧板9-9压紧后，用螺杆锁紧。阳极侧极板9-2与阳离子交换膜9-10之间形成阳极室9-3，阳离子交换膜9-10与阴离子交换膜9-12之间形成浓缩室9-4，阴离子交换膜9-12与阴离子交换膜9-12之间形成脱盐室9-5，软性阴离子交换树脂填料9-11填充于脱盐室9-5中，阴离子交换膜9-12与阳离子交换膜9-10之间形成NaOH室9-6，阳离子交换膜9-10与阴极侧极板9-13之间形成阴极室9-7，阳极9-1和阴极9-8通过电线与整流器11相互连接。

所述的脱盐循环泵13与膜堆9中脱盐室9-5顶部连接，使脱盐室9-5水流方向由上到下流动；浓缩液循环泵15与膜堆9中浓缩室9-4底部连接，使浓缩室9-4水流方向由下到上流动，NaOH循环泵17与膜堆9中NaOH室9-6底部连接使NaOH室9-6水流方向由下到上流动，此结构使NaOH室9-6、脱盐室9-5、浓缩室9-4三室之间水流彼此逆向流动。

本实用新型的新型三室电渗析脱盐装置中输水管1的直径为32mm，输气管12直径的为10mm，原水脱盐一体箱4体积为200L，浓水箱7体积为200L，NaOH箱6体积为200L，阴极箱10和阳极箱8体积为100L，原水泵3额定流量为4m³，额定扬程为10m，脱盐循环泵13、阳极液循环泵14、浓缩液循环泵15、阴极液循环泵16、NaOH循环泵17流量为10m³，额定扬程为10m，过滤器2采用大通量褶皱式滤芯，过滤精度5um。在装置运行前，将NaOH箱6装满箱体体积3/4的浓度为15％的NaOH溶液，将阳极箱8中加满箱体体积3/4的浓度为5％的Na₂SO₄溶液，浓水箱7中加满箱体体积1/2的软水。

检查管道连接正常后，将MDEA吸附液以1m³/h进入装置，MDEA吸附液通过输水管1进入到过滤器2中，去掉大部分悬浮物颗粒后，打开原水泵3，将MDEA吸附液从原水脱盐一体箱4上的原液进水口4-5进入到原水脱盐一体箱中4的原水箱4-6，待水面上升到箱体1/2处时，打开脱盐循环泵13，此时流速为8m³/h，将MDEA吸附液提升到膜堆9中的脱盐室9-5中。同时打开阳极液循环泵14、浓缩液循环泵15、阴极液循环泵16、NaOH循环泵17、抽气机5，使阳极液、浓缩液、阴极液、NaOH液同时以8m³/h的流速开始循环运行。脱盐循环泵13与膜堆中脱盐室9-5顶部连接，使脱盐室9-5水流方向由上到下流动，浓缩液循环泵15与膜堆中浓缩室9-4底部连接，使浓缩室9-4水流方向由下到上流动，NaOH循环泵17与膜堆中NaOH室9-6底部连接使NaOH室水流方向由下到上流动，使NaOH室9-6、脱盐室9-5、浓缩室9-4三室之间水流彼此逆向流动，增加了水流与膜表面的应力，避免了膜表面的结垢，减轻了膜污染的情况，将膜使用寿命延长了20％以上。打开整流器11，将外部三相交流电转换为直流电，使膜堆9中阴极9-8与阳极9-1之间形成直流电，整个装置正式开始运行，膜堆脱盐室9-5中的MDEA吸附液中的热稳盐阴离子首先通过离子交换作用吸附到软性阴离子交换树脂填料9-11上，而后在直流电场作用下，沿软性阴离子交换树脂填料9-11构成的导电传递路径移到阴离子交换膜9-12表面，透过膜进入到脱盐室9-5中，软性阴离子交换树脂填料9-11能够大大提高膜间导电性，增强了由溶液到膜表面离子迁移，显著提高了脱盐效率，同时软性阴离子交换树脂为枝状结构，避免了传统颗粒状离子交换树脂在长时间的水力冲击下堵塞膜堆出水口的情况。同时NaOH室9-6中NaOH溶液中的OH^-在电场作用下通过阴离子交换膜9-12进入到脱盐室9-5中分别与MDEA吸附液中的MDEAH⁺、NH₄ ⁺发生以下反应：

MDEAH⁺+OH^-→MDEA+H₂O (1)

NH₄ ⁺+OH^-→NH₃↑+H₂O (2)

由上述反应方程式可以看出，OH^-在脱盐室9-5中与MDEA吸附液中的MDEAH⁺、NH₄ ⁺发生反应生成了MDEA以及将NH₄ ⁺离子反应生成了NH₃气体，在抽气机5的抽气作用，NH₃通过输气管12排出装置外，由于抽气机5加快了NH₃气体的排出，使得上述(2)反应向右进行，加快了NH₄ ⁺离子的脱除，将MDEA吸附液中热稳盐阳离子的脱除速率加快了20％以上。同时OH^-对软性阴离子交换树脂填料9-11进行就地再生，使部分软性阴离子交换树脂填料保持OH^-型，从而实现离子交换树脂9-11的连续深度除盐，将热稳盐的脱除率增加到85％以上。脱盐室9-5与浓缩室9-4之间设置了阴离子交换膜9-12，有效的避免了脱盐室中MDEAH⁺进入到浓缩室9-4中，从而不会使正向进行，有效解决传统电渗析脱除热稳盐的同时造成MDEA损耗的问题，MDEA吸附液中热稳盐被部分脱除后的脱盐液通过输水管1进入到水脱盐一体箱4上的脱盐箱4-1中，脱盐液逐渐装满脱盐箱4-1，7/8的脱盐液溢流过箱体中间溢流板4-8进入原水箱4-6中继续循环，1/8的脱盐液通过溢流口4-3溢流出MDEA脱盐回用箱18进行回收使用。

浓缩液循环泵15将浓水箱7中软水提升到膜堆9里的浓缩室9-4中，脱盐室9-5中MDEA吸附液中热稳盐阴离子以及其携带少量水分子通过阴离子交换膜9-12进入到浓缩室9-4中，然后再出膜堆9浓缩室9-4进入浓水箱7中，再不断循环以上操作，待浓缩液浓度上升到一定程度后，膜堆9浓缩室9-4渗透压大于膜堆脱盐室9-5渗透压，脱盐室9-5水分子会在渗透压作用下进入到浓缩室9-4中，此时浓缩室产水量会大于最初浓缩室产水量，待浓水箱7液体上升到一定程度后，通过溢流管溢流到浓缩液回用箱19中储存。NaOH室9-6的NaOH溶液中的OH^-通过阴离子交换膜9-12进入到脱盐室9-5中，与脱盐室9-5中MDEAH⁺、热稳盐、NH₄ ⁺反应，而Na⁺被阴离子交换膜9-12阻挡在NaOH室9-6中，避免了Na⁺进入脱盐室9-5后进入燃气机组，解决了Na⁺进入到后续IGCC燃机工艺段腐蚀燃机叶片的问题，同时NaOH的加入引进了Na⁺、OH^-两种新的电解质，再次提高了电流效率，与传统的电渗析装置相比，电流效率提高了50％以上。NaOH反应后被送出膜堆9进入到NaOH箱6中，然后继续上述循环，待NaOH箱6中pH小与12时，需补充新鲜NaOH溶液。阴极箱10中Na₂SO₄溶液在循环时，阴极液发生电解，产生氢气，在抽气机5的作用下，氢气被排出装置外，阴极液发生反应后再被送出膜堆9进入到阴极箱10中，继续上述循环。阳极箱8中Na₂SO₄溶液送入到膜堆9中阳极室9-3，待膜堆9运行时，阳极液发生电解，产生氧气与氯气，在抽气机5的作用下，气体被排出装置外，阳极液发生反应后再被送出膜堆9进入到阳极箱8中，继续上述循环。

当然，上述说明并非对本实用新型的限制，本实用新型也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种电渗析耦合离子交换树脂的脱盐装置，其特征是：该装置包括依次连接的输水管(1)、过滤器(2)、原水泵(3)、原水脱盐一体箱(4)；

所述原水脱盐一体箱(4)底部通过输水管路与膜堆(9)连接，膜堆(9)底部通过输水管路连接回原水脱盐一体箱(4)顶部形成循环回路，在原水脱盐一体箱(4)的出水口与膜堆(9)之间通过输水管路连接有脱盐循环泵(13)；浓水箱(7)、浓缩液循环泵(15)、膜堆(9)底部通过输水管路相互连接，膜堆(9)顶部通过输水管路连接回浓水箱(7)顶部形成循环回路，浓缩液循环泵(15)左侧通过输水管路与浓缩液储存箱(19)连接；

所述膜堆(9)底部通过输水管路与阳极箱(8)、阳极液循环泵(14)相互连接，膜堆(9)顶部通过输水管路连接回阳极箱(8)顶部形成循环回路；阳极箱(8)顶部通过输气管(12)连接到抽气机(5)；

所述膜堆(9)底部通过输水管路与阴极箱(10)、阴极液循环泵(16)、相互连接，膜堆(9)顶部通过输水管路连接回阴极箱(10)顶部形成循环回路；阴极箱(10)顶部通过输气管(12)连接到抽气机(5)；

所述膜堆(9)底部通过输水管路与NaOH箱(6)、NaOH循环泵(17)相互连接，膜堆(9)顶部通过输水管路连接回NaOH箱(6)形成循环回路；膜堆(9)两端与整流器(11)相互连接。

2.根据权利要求1所述的电渗析耦合离子交换树脂的脱盐装置，其特征是：所述原水脱盐一体箱(4)包括脱盐箱(4-1)、溢流管(4-2)、溢流口(4-3)、通风口(4-4)、原液进水口(4-5)、原水箱(4-6)、脱盐液进水口(4-7)、溢流板(4-8)，所述脱盐箱(4-1)通过溢流板(4-8)连接到原水箱(4-6)，通风口(4-4)通过输气管(12)连接到抽气机(5)，脱盐回用箱(18)通过溢流管(4-2)和溢流口(4-3)与脱盐箱(4-1)连接，原液进水口(4-5)与原水箱(4-6)顶部相互连接，脱盐液进水口(4-7)与脱盐箱(4-1)顶部相互连接。

3.根据权利要求1所述的电渗析耦合离子交换树脂的脱盐装置，其特征是：所述膜堆(9)包括有由从左至右依次排列的阳极侧极板(9-2)、阳离子交换膜(9-10)、两张阴离子交换膜(9-12)、阳离子交换膜(9-10)、阴极侧极板(9-13)加上隔板和垫片后交替叠压形成膜片处理单元，膜片处理单元通过设置在阴极侧极板(9-13)右侧的压紧板(9-9)压紧后通过螺杆锁紧，阳极侧极板(9-2)与阳离子交换膜(9-10)之间形成阳极室(9-3)，阳离子交换膜(9-10)与阴离子交换膜(9-12)之间形成浓缩室(9-4)，阴离子交换膜(9-12)与阴离子交换膜(9-12)之间形成脱盐室(9-5)，软性阴离子交换树脂填料(9-11)填充于脱盐室(9-5)中，阴离子交换膜(9-12)与阳离子交换膜(9-10)之间形成NaOH室(9-6)，阳离子交换膜(9-10)与阴极侧极板(9-13)之间形成阴极室(9-7)，阳极(9-1)和阴极(9-8)通过导线与整流器(11)相互连接。

4.根据权利要求1所述的电渗析耦合离子交换树脂的脱盐装置，其特征是：所述脱盐循环泵(13)与膜堆(9)中脱盐室(9-5)顶部连接，使脱盐室(9-5)水流方向自上而下流动；浓缩液循环泵(15)与膜堆(9)中浓缩室(9-4)底部连接，使浓缩室(9-4)水流方向自下而上流动，NaOH循环泵(17)与膜堆(9)中NaOH室(9-6)底部连接，使NaOH室(9-6)水流方向自下而上流动，使NaOH室(9-6)、脱盐室(9-5)、浓缩室(9-4)三室之间水流彼此逆向流动。