一種氣體分離設(shè)備及其使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及環(huán)境工程及生物化工領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明提供了一種包括膜技術(shù) 分離工藝的氣體分離設(shè)備及其使用方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 生物沼氣是生物質(zhì)燃料的一種，是目前化石能源的理想替代品，備受各國(guó)相關(guān)部 門(mén)及研究機(jī)構(gòu)的重視。生物沼氣可來(lái)自于秸桿、人畜糞便、工業(yè)有機(jī)廢水和污泥等的厭氧發(fā) 酵。生物沼氣中的主要成分是甲烷氣體，另外還包含二氧化碳?xì)怏w、硫化氫氣體以及少量或 微量的氮?dú)?、氫氣和氧氣等?br>[0003] 硫化氫是一種高刺激性劇毒氣體，在有氧和濕熱條件下，不僅會(huì)引起設(shè)備和管路 腐蝕，而且還會(huì)對(duì)大氣環(huán)境造成污染，嚴(yán)重威脅人身安全。因此，我國(guó)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格規(guī)定：利 用沼氣能源時(shí)，沼氣氣體中硫化氫的含量不得超過(guò)20mg/m 3。未經(jīng)處理的沼氣中，硫化氫的 濃度一般為l_12g/m3,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于我國(guó)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。另外，硫化氫氣體遇水則具有強(qiáng)腐蝕 性，對(duì)于利用沼氣發(fā)電或加熱的設(shè)備，可造成嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象。因此，硫化氫的脫除成為沼 氣使用過(guò)程中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。
[0004] 分離沼氣中硫化氫氣體的常規(guī)工藝方法是采用氫氧化鈉溶液作為吸收劑，通過(guò)洗 滌塔吸收沼氣中硫化氫。此工藝最大的不足之處是化學(xué)品消耗極大，每處理1千克H 2S至 少需要消耗質(zhì)量濃度為30%的氫氧化鈉溶液7. 84千克，并且隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，此消耗 量會(huì)不斷增加。另外，采用洗滌塔吸收方式則造成設(shè)備施工難度大，維護(hù)不便以及生產(chǎn)安全 要求較高等特點(diǎn)。為了增加洗滌塔內(nèi)的傳質(zhì)效率，采用的填料材質(zhì)需要耐酸堿性，增加了投 資成本及運(yùn)營(yíng)成本。
[0005] 目前本領(lǐng)域中已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了許多使用堿溶液濕法脫除沼氣中的硫化氫的工藝，例 如《化學(xué)工程師》雜志中文章編號(hào)：1002-1124(2008)01-0032-03的沼氣脫硫技術(shù)研究介紹 關(guān)于堿性液體（NaOH溶液）濕式脫硫法的原理和特點(diǎn)。其中指出實(shí)際運(yùn)行中，濕法脫硫堿 液的吸收受到流速、流量、溫度等因素的影響，H 2S的溶解度很可能達(dá)不到100%，致使硫化 氫的脫除率低于其他技術(shù)。另外，此過(guò)程產(chǎn)生的副產(chǎn)物NaHS再生時(shí)，可能產(chǎn)生有害物質(zhì)硫 酸鹽和硫代硫酸鹽，導(dǎo)致原輔材料的浪費(fèi)和二次環(huán)境污染。
[0006] 生物處理方法是另外一種普遍采用的脫硫工藝，在此工藝中，通常首先在洗滌塔 中將吸收劑噴淋在沼氣上，從沼氣中吸收硫化氫，然后將吸收有硫化氫的吸收劑輸送至生 物反應(yīng)器，并在生物反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生生化反應(yīng)。具體來(lái)說(shuō)，在生物反應(yīng)器中，吸收的硫化氫在 自養(yǎng)硫氧化菌T. thioparus (硫氧化菌）以及曝氣的條件下，轉(zhuǎn)化成為生物硫磺及吸收液。 固、液混合物經(jīng)過(guò)沉淀器分離，將固體生物硫磺排出系統(tǒng)，而液相作為吸收液循環(huán)使用，最 終實(shí)現(xiàn)沼氣氣體中分離硫化氫氣體的目的。此工藝降低了堿性化學(xué)品的消耗量，即每處理1 千克H 2S需要最多消耗質(zhì)量濃度為30%的氫氧化鈉溶液1. 88千克，另外，此工藝操作簡(jiǎn)單 且產(chǎn)出副產(chǎn)物生物硫磺。
[0007] 中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)第201010535116. 7號(hào)記載了一種典型的生物脫硫設(shè)備，圖7顯 示了此種設(shè)備的示意圖，該沼氣生物脫硫裝置包括相互隔離的上脫硫塔3和下脫硫塔16， 以及噴淋系統(tǒng)和回流系統(tǒng)，其中從上脫硫塔3底部進(jìn)入的含硫化氫的沼氣在填料24中不斷 向上輸送，與通過(guò)輸送管23打到填料上方再向下噴淋的含堿性營(yíng)養(yǎng)液的液體逆向接觸，硫 化氫溶于堿性溶液中，同時(shí)，填料24中的脫硫細(xì)菌進(jìn)一步利用營(yíng)養(yǎng)液中的剩余溶解氧，促 使硫化氫在填料24中轉(zhuǎn)化成單質(zhì)硫。另外，吸收了硫化氫的吸收液進(jìn)一步輸送到下脫硫塔 中，在硫氧化菌以及曝氣的作用下進(jìn)一步將剩余的硫化氫轉(zhuǎn)化為硫單質(zhì)。
[0008] 此種工藝的不足之處是：由于使用洗滌塔填料24進(jìn)行吸收反應(yīng)時(shí)，液體輸送時(shí)， 需要輸送栗提供較高的輸送揚(yáng)程，一方面滿(mǎn)足吸收液由生物反應(yīng)器輸送至洗滌塔頂部的勢(shì) 能要求，另外一方面則需要克服管道和管件阻力損失。同樣，采用洗滌塔填料吸收工藝除了 上述操作、維護(hù)的不足之外，洗滌塔填料本身存在局限，即操作彈性范圍較小，存在一定的 氣液比要求，容易產(chǎn)生溝流或者死端。另外，當(dāng)部分項(xiàng)目的實(shí)際沼氣產(chǎn)量較少時(shí)，采用洗滌 塔填料吸收的工藝則投資成本相對(duì)較高。
[0009] 因此，人們?nèi)匀恍枰_(kāi)發(fā)一種用于從沼氣中脫除硫化氫的新工藝，此種工藝可以 克服上述一種或多種問(wèn)題，簡(jiǎn)化工藝和設(shè)備結(jié)構(gòu)，同時(shí)還能確保較高的脫硫效果和安全性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明人將膜接觸器技術(shù)運(yùn)用于沼氣中硫化氫脫除的工 藝，并且將生物脫硫反應(yīng)和固-液分離操作分開(kāi)進(jìn)行，降低了輸送揚(yáng)程，克服洗滌塔填料容 易堵死等問(wèn)題，同時(shí)降低投資成本，使其整個(gè)工藝能耗低、操作簡(jiǎn)單以及維護(hù)方便。
[0011] 本發(fā)明提供了一種氣體分離設(shè)備，該設(shè)備用來(lái)從中性的非水溶性氣體中除去酸性 或堿性的水溶性雜質(zhì)氣體，該分離設(shè)備包括：
[0012] (i)分離系統(tǒng)，其包括沉淀器，該沉淀器包括位于底部的固相出口，位于頂部的液 相出口，以及位于中部的沉淀器入口；
[0013] (ii)吸收系統(tǒng)，其包括膜接觸器，該膜接觸器具有氣體進(jìn)口、吸收液入口、氣體出 口和液相出口，所述膜接觸器中包括膜，所述膜將所述膜接觸器內(nèi)的空間分隔成氣相側(cè)和 液相側(cè)；
[0014] a i υ反應(yīng)系統(tǒng)，其包括生物反應(yīng)器，該生物反應(yīng)器具有液相入口、曝氣風(fēng)機(jī)、曝氣 系統(tǒng)、脫氣裝置和反應(yīng)器出口；
[0015] 其中，所述膜接觸器的液相出口與生物反應(yīng)器的液相入口相連，所述生物反應(yīng)器 的反應(yīng)器出口與所述沉淀器入口相連，所述沉淀器的液相出口與膜接觸器的吸收液入口相 連。
[0016] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，所述反應(yīng)系統(tǒng)中的脫氣裝置選為以下結(jié)構(gòu)中的一 種：
[0017] (1)在脫氣裝置之內(nèi)的上部設(shè)置有與豎直方向呈0~90度角的斜板；或
[0018] (2)在脫氣裝置之內(nèi)的上部設(shè)置有與豎直方向呈0~90度角的斜板，同時(shí)在所述 斜板上設(shè)置與水平方向呈〇~90度角的齒狀物。
[0019] 在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中，所述中性的非水溶性氣體選自以下的一種或多種 化合物：沼氣，直鏈、支鏈或環(huán)狀的單烯鍵式或多烯鍵式C 2-C4_，直鏈、支鏈或環(huán)狀的c2-c4 烷烴，直鏈、支鏈或環(huán)狀的單炔基或多炔基C2-C4炔；所述酸性或堿性的水溶性雜質(zhì)氣體選 自以下化合物中的一種或多種：硫化氫、二氧化碳、氨、氯氣、氯化氫、二氧化硫。
[0020] 在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中，所述膜接觸器中的膜是聚四氟乙烯膜、聚偏氟乙 烯膜、全氟烷氧基樹(shù)脂膜、聚全氟乙丙烯膜，其重均分子量為8, 000, 000~10, 000, 000,優(yōu) 選是這些材料的中空纖維膜的形式，該中空纖維膜的外徑為0. 4~4_，膜厚度為0. 1~ 1_，優(yōu)選〇· 2mm~0· 6_，膜孔的平均孔徑為0· 1 μ m~10 μ m，優(yōu)選0· 5 μ m~5 μ m，再優(yōu)選 0· 8~3 μ m，膜的孔隙率為10-60 %，優(yōu)選20-50 %，更優(yōu)選30-40 %。
[0021] 在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中，所述膜接觸器還包括以下應(yīng)急系統(tǒng)和緩沖系統(tǒng)中 的一種或兩種：
[0022] (iv)應(yīng)急系統(tǒng)，該應(yīng)急系統(tǒng)包括旁路管道，該旁路管道中設(shè)置有控制閥，該旁路管 道一端與所述沉淀器的液相出口相連，另一端與所述反應(yīng)系統(tǒng)的液相入口相連；
[0023] (v)緩沖系統(tǒng)，該緩沖系統(tǒng)包括緩沖罐，該緩沖罐具有液體進(jìn)口和液體出口，所述 緩沖罐液體進(jìn)口與沉淀器的液相出口相連，所述緩沖罐液體出口與膜接觸器的吸收液入口 相連，另外所述緩沖罐液體出口還分別經(jīng)由閥門(mén)與所述生物反應(yīng)器的液相入口以及沉淀器 的沉淀器入口相連。
[0024] 在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中，在所述分離系統(tǒng)、吸收系統(tǒng)、反應(yīng)系統(tǒng)、應(yīng)急系統(tǒng) 和緩沖系統(tǒng)之內(nèi)或者之間任選地設(shè)置一個(gè)或多個(gè)選自以下的裝置：測(cè)量?jī)x器、控制閥、栗、 溫度調(diào)節(jié)裝置、壓力調(diào)節(jié)裝置。
[0025] 本發(fā)明的另一個(gè)方面提供了一種用來(lái)從中性的非水溶性氣體中除去酸性或堿性 的水溶性雜質(zhì)氣體的方法，該方法使用本發(fā)明所述的氣體分離設(shè)備，該方法包括以下步 驟：
[0026] (1)經(jīng)由氣體進(jìn)口將含有酸性或堿性的水溶性雜質(zhì)氣體的中性的非水溶性氣體引 入所述膜接觸器內(nèi)的氣相側(cè)，經(jīng)由吸收液入口將吸收液引入所述膜接觸器內(nèi)的液相側(cè)，使 得所述雜質(zhì)氣體透過(guò)所述膜進(jìn)入液相側(cè)，溶解在所述吸收液之內(nèi)，溶解有所述雜質(zhì)氣體的 吸收液從液相出口排出，而中性的非水溶性氣體不透過(guò)所述膜，保留在所述氣相側(cè)，從氣體 出口排出；
[0027] (2)步驟（1)得到的含有雜質(zhì)氣體的吸收液送入所述生物反應(yīng)器中，將至少一部 分雜質(zhì)氣體轉(zhuǎn)化為固體雜質(zhì)，將包含固體雜質(zhì)的經(jīng)過(guò)生物反應(yīng)處理的吸收液從反應(yīng)器出口 引出；和
[0028] (3)經(jīng)由沉淀器入口將步驟⑵得到的包含固體雜質(zhì)的經(jīng)過(guò)生物反應(yīng)處理的吸收 液送入沉淀器，進(jìn)行沉淀分離，得到固體雜質(zhì)和吸收液，吸收液輸送至膜接觸器的吸收液入 □ 〇
[0029] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，所述中性的非水溶性氣體是沼氣，所述酸性或堿性 的水溶性雜質(zhì)氣體是硫化氫氣體，所述固體雜質(zhì)是固態(tài)硫單質(zhì)，所述吸收液是包含C0 32， HC03_，S042，S032 以及 S 2032 的水溶液。
[0030] 在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中，所述膜接觸器還包括以下應(yīng)急系統(tǒng)和緩沖系統(tǒng)中 的一種或兩種：
[0031] (iv)應(yīng)急系統(tǒng)，該應(yīng)急系統(tǒng)包括旁路管道，該旁路管道