CN210303209U - 液相溶氧加注装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及液相溶氧加注装置，包括水箱、计量泵、氧气汇流排、臭氧发生器、气水分散膜和加注管道；水箱的输出端连接计量泵的输入端，计量泵的输出端依次连接减压阀、调节阀和流量计，流量计的输出端连接气水分散膜的输入端；氧气汇流排或臭氧发生器的输出端依次连接减压阀、调节阀、流量计和压力计，压力计的输出端连接气水分散膜的输入端；气水分散膜的输出端依次通过调节阀和压力计连接加注管道。本实用新型的有益效果是：本实用新型公开了一种利用液相载氧进行氧气或臭氧加注的方法和液相溶氧加注装置，通过加压和膜分散技术，分别提高了水中溶解氧浓度以及氧气/臭氧纳米气泡浓度，从而大幅增加富氧水载氧量。
Description
技术领域
本实用新型属于有机废水高级氧化、土壤修复、电厂给水加氧等场合使用的富氧水加注领域，具体涉及一种通过加压和膜分散技术，在水中增加氧气或臭氧的分散和溶解，从而进行液相溶氧加注的装置。
背景技术
随着日益严格的环保排放标准的实施，包括Fenton法、臭氧法等在内的有机废水高级氧化处理技术，开始广泛应用于医药、化工等领域污水处理设施的提标提质改造中。传统的臭氧曝气氧化方法是臭氧气体直接通过曝气装置扩散至废水与有机物反应，其溶解和反应效率均较为低下，造成了能源浪费和计量困难等显著问题。近些年来，采用微细臭氧气泡的污水处理装置可以将臭氧溶解分散于水中，根据污染物的处理量进行定量加注。但是这种装置的高级氧化能力受限于常压下臭氧在水中较低的溶解度，倘若使用加压增加水中的臭氧溶解度，将可以大大增强臭氧氧化效果。相关参考文献如下：
李静,刘国荣.臭氧高级氧化技术在废水处理中的应用[J].污染防治技术,2007,(6):55-57,116.
宋亚丽,高乃云,董秉直.水处理中臭氧降低膜污染的研究进展[J].给水排水,2006,(S1):18-21.
Y.h.Chen,C.Y.Chang,C.Y.Chiu,等.Dynamic behavior of ozonation withpollutant in a countercurrent bubble column with oxygen mass transfer[J].Water Research,2003,37(11):2583-2594.
微生物土壤修复技术是环保领域新兴的一项重要技术，目前广泛应用于农药或石油污染的农田中。通常农田土壤受到长时间的农药或石油污染后，污染范围和深度变得很广、污染浓度很低，难以采用淋洗、蒸汽浸提等方法集中处理。这类污染可以采用原位、长效、低成本的微生物土壤修复技术进行有效处理：好氧菌类等微生物可以利用土壤中的氧气，针对性地降解有机砷和持久性有机污染物如多氯联苯和多环芳烃。这种微生物修复方法难以深入内层的土壤，因为深层土壤中的氧气含量明显下降。因此为了增强微生物土壤修复在内层土壤中的效果，则需要向土壤中额外提供好氧微生物修复使用的氧气。液相溶氧加注将可以便捷地通过铺设滴水排管网络，将氧气输送至所需的土壤修复层，进行缓慢释放。相关参考文献如下：
骆永明.污染土壤修复技术研究现状与趋势[J].化学进展,2009,(Z1):558-565.
火力发电厂给水管道中高温高压超临界水会对管壁产生显著的化学腐蚀，并且高速流动的超临界水还会冲击管壁氧化层，带来腐蚀加速。因此目前国内大部分火电机组采用气态氧气进行给水加氧的处理方式，通过超临界水中的溶氧氧化锅炉管道，得到致密的四氧化三铁氧化膜，从而抑制流动加速腐蚀，延长锅炉的清洗周期，保障电厂的安全运行，节省管道维护资金和人力。目前电厂给水加氧处理采用的氧气气体直接加入给水的方式，存在着反馈滞后、精确调控困难等问题。因为一方面随着氧气的消耗使得气体汇流排的压力发生变化，另一方面电厂发电负荷的不时调整也带来给水背压的变化，由于气体体积的可压缩性质，这两方面压力工况的变化会使得氧气加入量产生大范围的波动，难以及时、精确地反馈调控给水中的溶解氧量，从而使锅炉管道氧化层的生成和损耗速率不断变化，进而导致加氧处理的效果下降。因此若将氧气先溶入水中形成稳定溶氧量的富氧水后，再将“刚性”的富氧水注入给水中，则可以使给水加氧处理增加稳定性和可调控性。相关参考文献如下：
刘春红,施国忠.基建超超临界1000MW机组精确给水加氧处理技术的研究[J].水处理技术,2013,(6):109-111,115.
施国忠,刘春红.1000MW机组精确控制加氧处理技术的应用[J].浙江电力,2014,(11):55-57,65.
氧气或臭氧等气体在水中溶解度与气体压力呈接近正比的关系，因此可以通过增加溶气系统的压力，使水中的溶氧量超过常压饱和溶氧量并成倍增加。此外氧气或臭氧在水中不仅可以以溶解氧的形式存在，未溶解的气体气泡若能均匀分散在水中，在液相加氧注入过程中保持气泡大小(例如纳米气泡)，则能够进一步使富氧水的载氧量增加。相关参考文献如下：
Ming geng,Zhenhao duan.Prediction of oxygen solubility in pure waterand brines up to high temperatures and pressures[J].Geochimica etCosmochimica Acta,2010,74(19):5631-5640.
综上所述，亟待研发一种能满足有机废水高级氧化、微生物土壤修复、电厂机组给水加氧等领域应用需要的液相溶氧加注装置。
实用新型内容
本实用新型的目的是克服现有技术中的不足，提供一种利用液相载氧进行氧气或臭氧加注的方法，通过加压和膜分散技术，分别提高水中溶解氧浓度以及纳米气泡浓度，从而大幅增加富氧水载氧量。
液相溶氧加注装置，包括水箱、计量泵、氧气汇流排、臭氧发生器、气水分散膜和加注管道；水箱的输出端连接计量泵的输入端，计量泵的输出端依次连接减压阀、调节阀和流量计，流量计的输出端连接气水分散膜的输入端；氧气汇流排或臭氧发生器的输出端依次连接减压阀、调节阀、流量计和压力计，压力计的输出端连接气水分散膜的输入端；气水分散膜的输出端依次通过调节阀和压力计连接加注管道；水箱中的除盐水通过计量泵加压至一定压力并定量输出，除盐水与氧气汇流排或臭氧发生器输入的高压氧气或臭氧在气水分散膜中分散混匀，气水分散膜输出的富氧水输入加注管道中。
作为优选：气水分散膜上设有两个输入端和两个输出端；气水分散膜的两个输入端分别输入除盐水和氧气或臭氧；气水分散膜的一个输出端输出富氧水，另一个输出端依次连接压力计和截止阀。
作为优选：氧气由氧气气瓶组通过氧气汇流排提供，臭氧由以氧气或空气为气源的臭氧发生器提供。
作为优选：气水分散膜为中空纤维膜结构，气体由中空纤维的外部向内部扩散，气体部分溶于水形成溶解氧，部分与水混合形成纳米气泡；气水分散膜的气侧采用封端结构，气侧和水侧为同向流动；气水分散膜的水侧与气侧压力差不超过1Bar；中空纤维膜材料采用聚四氟乙烯或高结晶聚偏氟乙烯。
本实用新型的有益效果是：本实用新型公开了一种利用液相载氧进行氧气或臭氧加注的方法和液相溶氧加注装置，通过加压和膜分散技术，分别提高了水中溶解氧浓度以及氧气/臭氧纳米气泡浓度，从而大幅增加富氧水载氧量，实现高效、稳定、快速精准的液相溶氧加注。该方法和装置简便可靠、高效稳定、安全实用。本实用新型满足了有机废水高级氧化、微生物土壤修复、电厂机组给水加氧等领域应用需要，是本技术领域的一项具有针对性和实用性的技术发明。
附图说明
图1是本实用新型的系统流程原理图；
图2是本实用新型中氧气/臭氧在中空纤维膜组件里与水发生气液混合并溶解的原理图；
图3是本实用新型中系统对加氧量精细控制示意图。
附图标记说明：水箱1、计量泵2、氧气汇流排3、臭氧发生器4、气水分散膜5、加注管道6。
具体实施方式
下面结合实施例对本实用新型做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。
所述的液相溶氧加注装置，包括水箱1、计量泵2、氧气汇流排3、臭氧发生器4、气水分散膜5、加注管道6。水箱1的输出端连接计量泵2的输入端，计量泵2的输出端依次连接减压阀、调节阀和流量计，流量计的输出端连接气水分散膜5的输入端。氧气汇流排3或臭氧发生器4的输出端依次连接减压阀、调节阀、流量计和压力计，压力计的输出端连接气水分散膜5的输入端。气水分散膜5的输出端依次通过调节阀和压力计连接加注管道6。
气水分散膜5上设有两个输入端和两个输出端；气水分散膜5的两个输入端分别输入除盐水和氧气或臭氧；气水分散膜5的一个输出端输出富氧水，另一个输出端依次连接压力计和截止阀。
液相溶氧加注装置将水和氧气(臭氧)加压混匀后，进行液相注入的方法。
水箱1中的除盐水经过计量泵2加压至一定压力定量输出，与氧气汇流排3或臭氧发生器4输入的高压氧气/臭氧在气水分散膜5中分散混匀，得到富氧水并输入加注管道6中，向需氧单元进行液相溶氧加注。
水箱1中的除盐水经过计量泵2后的输出压力，可根据加注管道6的背压或实际加注需要，选择合适的减压压力进行调控，经过液体缓冲罐使其输出保持稳定；输出流量可根据实际需氧量信号反馈进行变频调节。
本实用新型可应用于氧气或臭氧的液相溶氧加注，其中氧气可以由氧气气瓶组通过氧气汇流排3提供，臭氧可以由以氧气或空气为气源的臭氧发生器4提供。
通过计量泵2和氧气汇流排3或臭氧发生器4等装置，精确控制富氧水的注入量及其载氧量。对水流量的调控是由计量泵2变频控制实现的，对载氧量的调控是由氧气汇流排3或臭氧发生器4对氧气/臭氧的压力和流量调控实现的。
溶解过程是在气水分散膜5中实现的。在气水分散膜5中，氧气或臭氧在膜水侧的溶解量可由膜气侧气体分压和流量进行反馈调节。气水分散膜5选用中空纤维膜结构，气体由中空纤维的外部向内部扩散。为了防止臭氧对膜的氧化腐蚀，中空纤维膜材料需选用聚四氟乙烯(PTFE)或耐腐蚀的高结晶聚偏氟乙烯(PVDF)。
氧气/臭氧通过气水分散膜5分散，气体部分溶于水形成溶解氧，部分与水混合形成纳米气泡。气水分散膜装置气侧采用封端结构，气侧和水侧为同向流动，以实现气、水温和充分地混合。为保护中空纤维膜丝，也为了得到液相中的纳米气泡，避免更大尺寸气泡引起湍流，膜水侧和气侧的压力差不得超过1Bar。相同压力和流量条件下，氧气/臭氧等气体在水中气泡的大小和溶解分散能力主要受气水分散膜孔径、纤维支数和长度影响。分散后的富氧水进入加注管道6中加注至目标设备单元或需氧区域。
为了保护气水分散膜装置并精准调控加氧量，本专利采用的控制方法包括如下步骤：
1、预设加氧量数值输入后，由加氧量PID控制器根据加氧量设定值与显示值的偏差大小，控制计量泵2和气体调节阀分别调节水的流量和气体流量；
2、当加氧量设定值与显示值的偏差大于10％时，调节计量泵2使加注水量增加或减少，并经过压力PID控制器判断，若气水分散膜5气侧压力值和水侧压力值的压力差大于1Bar，则控制气体减压阀调整气体的压力至膜两侧压力差小于1Bar，起到保护气水分散膜5的作用；
3、当加氧量设定值与显示值的偏差小于10％时，调节气体调节阀使溶解的气体量增加或减少，并经过压力PID控制器判断，若气水分散膜5气侧压力值和水侧压力值的压力差大于1Bar，则控制气体减压阀调整气体的压力至膜两侧压力差小于1Bar，起到保护气水分散膜5的作用。
调节加注管道背压阀，设置为0.2MPa；调节计量泵2的频率，设置出水流量为1180L/h；除盐水通过计量泵2前的液体缓冲罐，使最终得到的富氧水加注压力和加注量稳定为0.2MPa和1180L/h。氧气汇流排3的出口压力和出口流量通过减压阀和调节阀进行控制，通过气体缓冲罐缓冲后，得到稳定流量的氧气气体。
控制气水分散膜5入口氧气压力分别为0.167、0.17、0.188、0.212、0.215、0.22MPa，可以得到流动稳定的富氧水，其气体流量分别为1.312、1.336、1.665、3.135、3.604、3.472NL/min，加注时可以观察到不少纳米气泡，说明富氧水的载氧能力同时包括溶解氧和纳米气泡。
根据富氧水流量1180L/h可以计算出，当注入水压为0.2MPa即约2个大气压条件下，在气水分散膜5与不同压力的氧气混合分散后，得到载氧量分别为95.30、97.05、119.93、227.72、261.79、252.20mg/L稳定的富氧水。在富氧水压力仅提高2倍的条件下，上述最高的载氧结果却可以达到常压饱和溶解氧(10mg/L)的近25倍，这表明本实用新型采用的液相溶氧加注方法可以很好地提升氧气在水中的溶解和负载能力，得到大容量稳定的富氧水。
本实用新型公开了一种利用液相载氧进行氧气或臭氧加注的方法和液相溶氧加注装置。除盐水通过计量泵2加压后，在耐腐蚀的中空纤维膜中与高压氧气/臭氧混合，得到稳定的高浓度富氧水，向目标设备单元和需氧区域进行液相溶氧加注。本实用新型通过加压和膜分散技术，分别提高水中溶解氧浓度以及氧气/臭氧纳米气泡浓度，从而大幅增加富氧水载氧量，实现高效、稳定、快速精准的液相溶氧加注，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例子。该方法和装置可应用于有机废水高级氧化、土壤修复、电厂给水加氧等领域，操作简便、高效稳定、安全实用。
Claims (4)
1.一种液相溶氧加注装置，其特征在于，包括水箱(1)、计量泵(2)、氧气汇流排(3)、臭氧发生器(4)、气水分散膜(5)和加注管道(6)；水箱(1)的输出端连接计量泵(2)的输入端，计量泵(2)的输出端依次连接减压阀、调节阀和流量计，流量计的输出端连接气水分散膜(5)的输入端；氧气汇流排(3)或臭氧发生器(4)的输出端依次连接减压阀、调节阀、流量计和压力计，压力计的输出端连接气水分散膜(5)的输入端；气水分散膜(5)的输出端依次通过调节阀和压力计连接加注管道(6)；水箱(1)中的除盐水通过计量泵(2)加压至一定压力并定量输出，除盐水与氧气汇流排(3)或臭氧发生器(4)输入的高压氧气或臭氧在气水分散膜(5)中分散混匀，气水分散膜(5)输出的富氧水输入加注管道(6)中。
2.根据权利要求1所述的液相溶氧加注装置，其特征在于，气水分散膜(5)上设有两个输入端和两个输出端；气水分散膜(5)的两个输入端分别输入除盐水和氧气或臭氧；气水分散膜(5)的一个输出端输出富氧水，另一个输出端依次连接压力计和截止阀。
3.根据权利要求1所述的液相溶氧加注装置，其特征在于，氧气由氧气气瓶组通过氧气汇流排(3)提供，臭氧由以氧气或空气为气源的臭氧发生器(4)提供。
4.根据权利要求1所述的液相溶氧加注装置，其特征在于，气水分散膜(5)为中空纤维膜结构，气体由中空纤维的外部向内部扩散，气体部分溶于水形成溶解氧，部分与水混合形成纳米气泡；气水分散膜(5)的气侧采用封端结构，气侧和水侧为同向流动；气水分散膜(5)的水侧与气侧压力差不超过1Bar；中空纤维膜材料采用聚四氟乙烯或高结晶聚偏氟乙烯。
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| CN201920663494.XU CN210303209U (zh) | 2019-05-09 | 2019-05-09 | 液相溶氧加注装置 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110170257A (zh) * | 2019-05-09 | 2019-08-27 | 浙江浙能技术研究院有限公司 | 一种液相溶氧加注装置和方法 |
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