膜吸收法海水脱硫研究

论文摘要

二氧化硫是导致大气污染的主要酸性气体之一，给生态环境、人类健康、文化古迹等带来重大的危害和损失。各国科研工作者已做了大量关于烟气中二氧化硫的脱除研究工作，湿法烟气脱硫方法是一种脱硫效率较高的、最为成熟的技术，但传统的湿法脱硫技术由于采用塔或柱为吸收器，气液两相直接接触，容易带来液泛、沟流、雾沫夹带等流体力学方面的缺点。因此有必要寻求一种既能有效脱硫又能灵活安装、运行的方法。相比之下，中空纤维膜接触器是一种用中空纤维膜作为气液两相之间接触界面的接触器，通过控制气液两相适当的压力差，使气液两相分别在膜丝的内外两侧流动，不发生直接的相间混合，在膜表面形成稳定的传质界面，从而使气液两相的流动互不干扰，不发生直接的相接触，避免了传统塔式和柱式二氧化硫吸收器的许多缺点。本文首先综述了国内外目前烟气脱硫的技术现状，介绍了膜吸收法脱硫的基本原理及研究动向，运用已有的传质理论作为本课题的研究基础，综合前人的研究经验，采用了疏水性聚丙烯中空纤维微孔膜组件作为膜接触器。实验首先用扫描电镜对聚丙烯中空纤维膜进行了结构表征，根据孔径大小及气体分子特点等确定了气体通过微孔膜的扩散机理为介于努森（Knudsen）扩散和分子扩散之间的过渡型扩散，确立了气体通过微孔膜的扩散模型。对于实际的中空纤维膜组件，由于中空纤维膜装填的不均匀性，壳程和管程的流动和传质情况相对较为复杂。在建立了气体通过微孔膜为过渡型扩散模式后，本文讨论了平行流组件壳程和管程的传质和流动特性，运用传质关联式对气相、膜相、液相的分传质系数进行了定性及定量分析，讨论了传质系数和脱硫效率的影响因素。为证实用海水作为膜吸收法脱除二氧化硫吸收液的可行性，实验中以清水、海水以及与海水相同pH值的NaOH溶液作吸收液，比较了三种不同的吸收液对SO2与空气混合气体的脱硫效果。研究了气液压力差、吸收液流量、进气流量以及进气浓度等因素对传质系数及脱硫效率的影响。结果表明与清水及与海水相同pH值的NaOH溶液相比，海水是一种吸收容量大，成本低，脱硫效率较高的吸收剂。在气液两相压力差保持在穿透压范围内时，以较低流量的海水吸收液处理较高流量的低浓度(SO2体积分数为2000×10-6以下)气体时，脱硫效率可达90％以上，因此用膜吸收法海水脱除烟气中的二氧化硫的工艺方法在沿海地区及船舶等淡水资源紧缺的场合有很广阔的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号说明
• 1 绪论
• 1.1 二氧化硫的性质及危害
• 1.1.1 二氧化硫的性质
• 1.1.2 二氧化硫的来源及危害
• 1.2 国内外烟气脱硫的技术
• 1.2.1 干法烟气脱硫技术及特点
• 1.2.2 半干法烟气脱硫技术及特点
• 1.2.3 湿法烟气脱硫技术及特点
• 1.2.4 其他烟气脱硫新技术及特点
• 1.2.5 膜吸收法烟气脱硫的研究现状及进展
• 1.3 本课题的意义及主要研究内容
• 1.3.1 本课题的意义与创新点
• 1.3.2 本课题的研究目的与内容
• 2 膜吸收法海水脱硫原理
• 2.1 膜分离技术简介
• 2.1.1 膜的定义和分类
• 2.1.2 膜材料
• 2.1.3 膜接触器
• 2.1.4 膜接触器的分类
• 2.2 膜接触器气体分离原理
• 2.3 海水脱硫技术原理及特点
• 2.3.1 海水脱硫技术原理
• 2.3.2 海水脱硫技术特点
• 2.4 膜气体吸收过程
• 2.4.1 传质机理
• 2.4.2 传质模型
• 2.4.3 传质模型关联式
• 3 实验部分
• 3.1 实验药品及设备
• 3.1.1 实验药品
• 3.1.2 实验仪器
• 3.1.3 实验测定参数及方法
• 3.1.4 实验装置及流程
• 3.2 膜组件材料的表征与分析
• 3.2.1 纤维内外表面、截面的形态
• 3.2.2 纤维的几何及性能参数
• 3.2.3 孔隙率
• 3.2.4 膜组件的结构及性能参数
• 3.2.5 膜的透气性能测试
• 3.2.6 膜的平均孔径计算
• 3.3 实验流程及操作
• 3.3.1 实验条件及工艺参数
• 3.3.2 实验操作方法
• 3.4 二氧化硫浓度测定方法及装置
• 3.4.1 二氧化硫浓度测定方法原理及装置
• 3.4.2 二氧化硫浓度测定步骤
• 3.4.3 二氧化硫浓度测定方法准确度分析
• 3.5 液相测定
• 3.5.1 海水总碱度的测定
• 3.5.2 海水成分及性能表
• 4 结果分析与讨论
• 4.1 传质效率分析
• 4.1.1 传质系数计算的基本数据
• 4.1.2 总传质系数的计算及分析
• 4.1.2.1 总传质系数的计算
• 4.1.2.2 气相流量对总传质系数的影响
• 4.1.2.3 液相流量对总传质系数的影响
• 4.1.2.4 气液压力差对总传质系数的影响
• 4.1.2.5 进气浓度对总传质系数的影响
• 4.1.3 气相分传质系数的计算
• 4.1.4 膜相分传质系数的计算
• 4.1.5 液相分传质系数的计算
• 4.2 实验参数变化对脱硫效率的影响
• 4.2.1 吸收液流量对脱硫效率的影响
• 4.2.2 气液压力差对脱硫效率的影响
• 4.2.3 进气浓度对脱硫效率的影响
• 4.2.4 进气流量对脱硫效率的影响
• 4.3 吸收液pH值随时间的变化
• 4.4 HTU值的计算及比较
• 5 总结与建议
• 5.1 总结
• 5.2 建议
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢