气体处理系统及气体处理方法与流程

1.本发明涉及气体处理、吸收及资源化技术领域，具体而言，涉及气体处理系统及气体处理方法。


背景技术：

2.在工业生产活动中，会产生大量含有酸性或碱性气体混和气，比如二氧化碳、硫化氢、氨气等，直接排放会造成环境污染及温室效应。所以需要采用吸收塔和解吸塔对气体吸收和解吸，把排放的气体资源化利用。但传统设备占地大，能耗高。近些年市场上出现了以疏水中空纤维膜为核心的膜吸收和解吸设备，因为其相对于传统设备具有耐腐蚀、运行成本低、易维护等特点而越来越得到广泛关注及应用。但也存在一系列问题有待解决，比如：由于吸收液一般都含有有机吸收剂或催化剂，膜容易被润湿，膜润湿后的在线恢复与干燥难以彻底实现从而增加了膜维护频率或需要更换膜组件。吸收气体后吸收液的解吸是吸热过程，需要加热，中空纤维膜解吸系统中吸收液的加热只能在膜组外进行，所以热效率低，影响解吸效率。
3.有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

4.本发明的一个方面，涉及气体处理系统，包括：若干个依次排列设置的膜功能单元、吸收液储存装置、解吸液储存装置、润湿液储存装置、冷却水储存装置和闪蒸装置；
5.所述膜功能单元包括依次排列设置的第一通道、第二通道、第三通道和第四通道；所述第二通道、所述第三通道和所述第四通道相连通；所述第一通道、所述第二通道、所述第三通道和所述第四通道内设置有网格板；
6.所述吸收液储存装置的出水口与所述第二通道和所述第四通道的进液口相连；所述吸收液储存装置的进水口与所述第二通道和所述第四通道的出液口相连；所述冷却水储存装置的进液口与所述第一通道的出口相连；所述冷却水储存装置的出液口与所述第一通道的进口相连；
7.所述解吸液储存装置的出水口与所述第二通道和所述第四通道的进液口相连；所述解吸液储存装置的进水口与所述第二通道和所述第四通道的出液口相连；所述闪蒸装置的出气口与所述第一通道的进口相连；所述闪蒸装置的进液口与所述第一通道的出口相连。
8.所述的气体处理系统，能够实现在线即时冷却和加热，提高了吸收和解吸效率；全塑料膜块耐腐蚀、维护简单，降低了整套系统的维护成本；可以利用太阳能等新能源和低品余热运行，也可与热泵耦合把吸收液吸收时释放的反应热通过热泵提供给解吸的吸热过程，可降低系统运行成本；膜润湿或污染后，可以彻底在线清洗恢复和干燥，大大降低更换膜组件的成本。
9.本发明的另一个方面，还涉及气体处理方法，适用于所述的气体处理系统，包括以
下步骤：
10.膜吸收气体时，将冷却装置中的冷却水通入第一通道中，将吸收液储存装置中的吸收液通入第二通道和第四通道中，待处理气体通入第三通道中；膜解吸气体时，将闪蒸装置中的蒸汽通入所述第一通道中，将解吸液储存装置中的解吸液通入所述第二通道和所述第四通道中，脱除出来的气体进入所述第三通道中。
11.所述的气体处理方法，方法简单，容易操作，气体吸收和解吸效率高，气体吸收和解吸的成本低。
12.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
13.(1)本发明提供的气体处理系统，能够实现在线即时冷却和加热，提高了吸收和解吸效率；全塑料膜块耐腐蚀、维护简单，降低了整套系统的维护成本；可以利用太阳能等新能源和低品余热运行，也可与热泵耦合把吸收液吸收时释放的反应热通过热泵提供给解吸的吸热过程，可降低系统运行成本；膜润湿或污染后，可以彻底在线清洗恢复和干燥，大大降低更换膜组件的成本。
14.(2)本发明提供的气体处理方法，气体吸收和解吸效率高，气体吸收和解吸的成本低，方法简单，容易操作。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1为膜功能区的结构示意图；
17.图2为气体吸收系统的结构示意图；
18.图3为气体解吸系统的结构示意图；
19.图4为吸收-解吸连续工艺示意图；
20.图5为吸收-解吸-热泵集成示意图；
21.图6为voc脱除处理集成工艺流程示意图。
22.附图标记：
23.1-膜功能单元、2-吸收液储存装置、3-解吸液储存装置、4-润湿液储存装置、5-冷却水储存装置、6-冷凝水储存装置、7-闪蒸装置、8-第一换热装置、9-第一通道、10-第二通道、11-第三通道、12-第四通道、13-网格板、14-第一泵送装置、15-第二泵送装置、16-第三泵送装置、17-第四泵送装置。18-真空装置、19-第一无孔膜、20-第一双疏膜、21-第二双疏膜、22-第二无孔膜、23-第二换热装置、24-第五泵送装置、25-前盖板、26-后盖板、27-膜功能区、28-液体储存装置、29-第六泵送装置、30-冷凝装置、31-voc处理装置、32-气体吸收系统、33-气体解吸系统、34-热泵、35-冷却系统换热器、36-加热系统换热器。
具体实施方式
24.下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的
实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
25.本发明的一个方面，涉及气体处理系统，包括：若干个依次排列设置的膜功能单元1、吸收液储存装置2、解吸液储存装置3、润湿液储存装置4、冷却水储存装置5和闪蒸装置7；
26.所述膜功能单元1包括依次排列设置的第一通道9、第二通道10、第三通道11和第四通道12；所述第二通道10、所述第三通道11和所述第四通道12相连通；所述第一通道9、所述第二通道10、所述第三通道11和所述第四通道12内设置有网格板13；
27.所述吸收液储存装置2的出水口与所述第二通道10和所述第四通道12的进液口相连；所述吸收液储存装置2的进水口与所述第二通道10和所述第四通道12的出液口相连；所述冷却水储存装置5的进液口与所述第一通道9的出口相连；所述冷却水储存装置5的出液口与所述第一通道9的进口相连；
28.所述解吸液储存装置3的出水口与所述第二通道10和所述第四通道12的进液口相连；所述解吸液储存装置3的进水口与所述第二通道10和所述第四通道12的出液口相连；所述闪蒸装置7的出气口与所述第一通道9的进口相连；所述闪蒸装置7的进液口与所述第一通道9的出口相连。
29.所述的气体处理系统，能够实现在线即时冷却和加热，提高了吸收和解吸效率；全塑料膜块耐腐蚀、维护简单，降低了整套系统的维护成本；可以利用太阳能等新能源和低品余热运行，也可与热泵34耦合把吸收液吸收时释放的反应热通过热泵34提供给解吸的吸热过程，可降低系统运行成本；膜润湿或污染后，可以彻底在线清洗恢复和干燥，大大降低更换膜组件的成本。
30.所述第一通道9为冷却或加热通道，用于通过冷却水或蒸汽；所述第二通道10和所述第四通道12为液相通道，用于通过吸收液或解吸液；所述第三通道11为气相通道，用于通过待处理的气体。
31.如图1所示，若干个排列设置的所述膜功能单元1组成膜功能区27，膜功能区27用前盖板25和后盖板26进行固定；盖板材质为具有一定强度的塑料。膜功能区27的长度为20～1000厘米，宽度为20～200厘米，高度为20～200厘米。
32.优选地，所述第一通道9和所述第二通道10由第一无孔膜19分割。
33.优选地，所述第二通道10和所述第三通道11由第一双疏膜20分割。
34.优选地，所述第三通道11和所述第四通道12由第二双疏膜21分割。
35.优选地，所述第四通道12和所述第一通道9由第二无孔膜22分割。
36.优选地，所述第一无孔膜19的厚度为20～1000μm(例如20μm、100μm、300μm、400μm、500μm、600μm、700μm、800μm、900μm或1000μm)。
37.优选地，所述第一双疏膜20的孔径为0.01～1μm(例如0.01μm、0.05μm、0.2μm、0.4μm、0.6μm、0.8μm或1μm)。
38.优选地，所述第一双疏膜20的厚度为20～500μm(例如20μm、40μm、60μm、80μm、120μm、160μm、200μm、240μm、280μm、320μm、360μm、400μm、440μm、480μm或500μm)。
39.优选地，所述第一双疏膜20的孔隙率＞60％。
40.优选地，所述第一双疏膜20的疏油等级＞5。
41.优选地，所述第二双疏膜21的孔径为0.01～1μm(例如0.01μm、0.05μm、0.2μm、0.4μm、0.6μm、0.8μm或1μm)。
42.优选地，所述第二双疏膜21的厚度为20～500μm(例如20μm、40μm、60μm、80μm、120μm、160μm、200μm、240μm、280μm、320μm、360μm、400μm、440μm、480μm或500μm)。
43.优选地，所述第二双疏膜21的孔隙率＞60％。
44.优选地，所述第二双疏膜21的疏油等级＞5。
45.优选地，所述第二无孔膜22的厚度为20～1000μm(例如20μm、100μm、300μm、400μm、500μm、600μm、700μm、800μm、900μm或1000μm)。
46.优选地，所述网格板13的厚度为0.5～10mm(例如0.5mm、1mm、3mm、5mm、7mm、9mm或10mm)；所述网格板13的网孔尺寸为0.1～3cm(例如0.1cm、0.5cm、1cm、1.5cm、2cm、2.5cm或3cm)。
47.本发明无孔膜的材质包括有机材料、无机材料或金属材料中的至少一种；具体的无孔膜的材质可选自pp、pvdf、pe、pvc、ptfe中的至少一种。
48.本发明双疏膜为有支撑体或无支撑体的平板膜，双疏膜既能疏水又能疏油，双疏膜的材质包括有机材料和/或无机材料；具体的双疏膜的有机材质可选自pp、pvdf、ptfe中的至少一种。
49.本发明网格板13的材质包括有机材料、无机材料或金属材料中的至少一种；具体的网格板13的有机材质可选自pp、pvdf或ptfe中的至少一种。
50.优选地，所述润湿液储存装置4的进液口与所述第三通道11的出口相连。
51.优选地，所述润湿液储存装置4的出液口与所述吸收液储存装置2的进液口和所述解吸液储存装置3的进液口相连。
52.优选地，所述吸收液储存装置2的进水口与所述第二通道10和所述第四通道12的出液口之间设置第一泵送装置14。
53.优选地，所述冷却水储存装置5的出液口和所述第一通道9的进口之间设置第一换热装置8。
54.优选地，所述冷却水储存装置5的进液口和所述第一通道9的出口之间设置第二泵送装置15。
55.优选地，所述解吸液储存装置3的出水口与所述第二通道10和所述第四通道12的进液口之间设置第三泵送装置16。
56.优选地，所述闪蒸装置7的进液口与所述第一通道9的出口之间依次设置冷凝水储存装置6和第四泵送装置17。
57.优选地，所述冷凝水储存装置6与真空装置18相连。
58.优选地，所述闪蒸装置7的出液口与第二换热装置23的进口相连；所述闪蒸装置7的进液口与所述第二换热装置23的出口相连。
59.优选地，所述闪蒸装置7的出液口与第二换热装置23的进口之间设置第五泵送装置24。
60.所述冷水储存装置、所述第二泵送装置15和所述第一换热装置8组成循环冷却单元。
61.所述闪蒸装置7、所述第二换热装置23、所述冷凝水储存装置6、第四泵送装置17和第五泵送装置24组成循环加热单元。
62.循环冷却单元进行在线及时冷却吸收液时，能够提高吸附效率；循环加热单元进行在线加热解吸液时，能够提高解吸效率，同时也用于膜清洗后的在线干燥。
63.所述循环加热单元工作时，在真空下产生的负压蒸汽进入所述第一通道9中，热量被解吸液吸收后冷凝，冷凝液从所述第一通道9流出进入冷凝液储存装置，再由第三泵送装置16把冷凝液打入闪蒸装置7中循环使用；外部热源通过第二换热装置23把热量传递给闪蒸装置7内的水。
64.所述循环冷却单元工作时，冷却水被泵送至所述第一通道9中，从另一侧流出被第二泵送装置15打回冷却水储存装置5中。
65.当双疏膜被污染和润湿后，用清水或清洗液代替吸收液和解吸液进入第二通道10和第四通道12循环清洗；清洗后，把液体通道排空，然后把负压蒸汽通入第一通道9中对双疏膜进行烘干。
66.本发明的另一个方面，还涉及气体处理方法，适用于所述的气体处理系统，包括以下步骤：
67.膜吸收气体时，将冷却装置中的冷却水通入第一通道9中，将吸收液储存装置2中的吸收液通入第二通道10和第四通道12中，待处理气体通入第三通道11中；
68.膜解吸气体时，将闪蒸装置7中的蒸汽通入所述第一通道9中，将解吸液储存装置3中的解吸液通入所述第二通道10和所述第四通道12中，脱除出来的气体进入所述第三通道11中。
69.所述的气体处理方法，方法简单，容易操作，气体吸收和解吸效率高，气体吸收和解吸的成本低。
70.优选地，所述冷却水的温度为10～35℃(例如10℃、15℃、20℃、25℃、30℃或35℃)。
71.优选地，所述待处理气体的压力为50～800千帕(例如50千帕、100千帕、150千帕、200千帕、250千帕、300千帕、350千帕、400千帕、450千帕、500千帕、550千帕、600千帕、650千帕、700千帕、750千帕或800千帕)。
72.优选地，所述闪蒸装置7中的蒸汽压力为125～1000毫巴(例如125毫巴、200毫巴、300毫巴、400毫巴、500毫巴、600毫巴、700毫巴、800毫巴、900毫巴或1000毫巴)。
73.优选地，所述闪蒸装置7中的蒸汽温度为50～100℃(例如50℃、60℃、70℃、80℃、90℃或100℃)。
74.吸收液的浓度和流速根据吸收液的使用说明进行设计。解吸液的流速和吸收液的流速一致。
75.下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述。
76.实施例1
77.如图2所示为气体吸收系统32，工作时冷却水进入第一通道9，水温35℃；吸收液进入第二通道10和第四通道12，待处理气体通过管道风机或加压打入第三通道11，维持压力大于50千帕；待吸收气体透过第一双疏膜20和第二双疏膜21被吸收液吸收，而其他气体无法被吸收液吸收，所以从第三通道11出口流出；冷却水给吸收液降温后通过自吸泵打回冷
却水储存装置5；吸收液吸收气体后通过自吸泵打回吸收液储存装置2中；冷却水通过第一换热装置8和外部冷却水换热，外部冷却水温度低于32℃；如果待处理气体为无组织排放的话，可通过第三通道11出口的管道风机把待处理气体从气相入口吸入，负压保持小于-50千帕。有的气体被吸收液吸收后无需解吸的可采用图2工艺即可。
78.实施例2
79.如图3所示为气体解吸系统33，工作时120～1000毫巴的低压蒸汽从第一通道9进入，解吸液被输送泵打入第二和第四通道12，在线被低压蒸汽加热后，被吸收的气体从解吸液中脱除出来透过第一双疏膜20和第二双疏膜21进入第三通道11，解吸的气体由管道风机抽出进入下游回用工艺段或压缩机从第三通道11中吸出压缩成液态储存回用，系统气相侧压力小于-50千帕。低压蒸汽的冷凝水通过冷凝水储存装置6和第四泵送装置17流回闪蒸装置7；闪蒸装置7中的水通过第二换热装置23被外部热源进行进行加热，外部热源温度大于60℃。
80.实施例3
81.如果吸收液需要吸收气体达饱和后才需解吸的(如醇胺类吸收液)，可采用实施例1和实施例2组合工艺，把吸收液储存装置2和解吸液储存装置3组合交替使用即可。
82.处理含有20-25％co2的氮气混合气，混合气进入吸收系统的压力为50-100千帕，10-50％的醇胺类吸收液被自吸泵吸入吸收系统，在膜表面的流速为0.2-2m/s，co2在分压差驱动下透过双疏膜被吸收液吸收；当吸收液达接近饱和后切换到解吸系统进行解吸，解吸系统co2出口压力由风机或压缩机维持-50～-90千帕的压力，闪蒸蒸汽温度为60-80℃，进入解吸系统对饱和吸收液进行加热解吸，流速为0.2-2m/s。此系统的co2脱除率超过99％，回收的co2纯度大于96％；由于此系统单位体积膜面积大，即气液接触面大，所以吸收和解吸效率比传统吸收和解吸塔高40％以上，能耗低50％以上，并且避免了液泛、雾沫夹带等现象发生；此系统采用在线即时冷却和加热，所以和中空纤维疏水膜的吸收和解吸系统比效率高20％，能耗低20％以上。由于采用双疏膜，比中空纤维疏水膜更耐污耐润湿，并且在润湿后，此系统可在线清洗和干燥，恢复双疏膜的性能，所以综合投资成本要低30％以上。
83.实施例4
84.如果吸收液吸收气体后需要立即解吸的话(如离子液体类吸收液)，可将实施例1和实施例2的系统组合，把吸收液储存装置2和解吸液储存装置3合并为一个液体储存装置28，吸收液从吸收系统被第六泵送装置29吸出后立即打入解吸系统，在膜块内解吸后流回液体储存装置28，如图4所示。
85.处理含有10-15％co2的混合气模拟烟气，混合气进入吸收系统的压力为50-200千帕，浓度为30-100％的离子液体型吸收液被自吸泵吸入吸收系统，由于离子液体型吸收液吸收co2的饱和负荷低于醇胺类，所以采用吸收-解吸连续系统，即时解吸co2恢复吸收液的吸收负荷，从而提高整体吸收和解吸效率，解吸温度为60-80℃；由于吸收液循环流量大，在膜表面的流速为0.4-4m/s，所以co2脱除率高于99.5％，回收co2的纯度高于97％，泵的电耗会比实施例3高5-10％。但综合效率比传统吸收和解吸塔以及疏水中空纤维膜吸收系统分别高45％和25％以上，能耗分别低35％和15％以上。
86.实施例5
87.如图5所示为吸收-解吸-热泵集成结构，工作时热泵34把吸收液吸收时释放的反应热通过热泵34提供给解吸加热，并将实施例1提供气体吸收系统32和实施例2提供的气体解吸系统33结合，分别连接冷却系统换热器35和加热系统换热器36。实施例3和4都可以改为与热泵集成的方式。
88.实施例6
89.实施例2的解吸系统通过冷凝装置30与voc处理装置31联用也适用于废水中voc气体的脱除，例如催化燃烧设备、光催化等设备，在加热和气相侧催化燃烧、光催化等设备的管道风机抽气的工况下，voc气体从废水中脱出进入催化燃烧、光催化等设备进行处理，如图6所示。
90.尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。