CN102151456A - 化学试剂法脱除沼气及类似气源中co2和h2s的方法及装置 - Google Patents

化学试剂法脱除沼气及类似气源中co2和h2s的方法及装置 Download PDF

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许晶
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Abstract

本发明提供了一种用化学试剂法脱除沼气及类似气源中CO2和H2S的方法及装置，属于环境保护及可再生能源领域。本方法根据沼气及类似气源中各成分的化学性质不同，通过控制吸收塔的压力、温度、流量，用化学试剂吸收其中的二氧化碳和硫化氢，以达到提纯沼气及类似气源的目的。另外吸收了二氧化碳和硫化氢的试剂经过再生可以循环利用。本发明所提供的装置特点是在吸收塔及再生塔内设计使用了花型液体再分布器，明显地提高了脱除二氧化碳和硫化氢的效果和废液的再生效率；预热装置的使用提高了化学吸收试剂的再生效果。经过上述装置及方法处理后的沼气中甲烷含量明显提高，最高可达97％-100％，有利于进一步增值利用。

Description

化学试剂法脱除沼气及类似气源中CO<sub>2</sub>和H<sub>2</sub>S的方法及装置
技术领域
本发明属于环境保护和可再生能源领域，具体涉及一种利用化学试剂法脱除沼气及类似气源中CO2和H2S的方法和装置。
背景技术
利用有机垃圾通过厌氧消化生产出的沼气是一种很好的清洁能源，其主要成分是甲烷、二氧化碳和微量的硫化氢，以及一些痕量的物质：氢气、氮气等。目前主要用于农村炊事、供热和发电。由于沼气中含有大量的二氧化碳和硫化氢，严重影响了沼气的热值及其后续利用，其利用价值低、经济效益差、利用范围也非常有限，从而限制了沼气行业向更高水平产业化方向发展。
目前，去除沼气中二氧化碳和硫化氢的方法主要有三种，一种是水洗法，该法是利用二氧化碳和硫化氢在水中的溶解度大于甲烷的原理进行分离或提纯的方法。成本低，但去除效果较差，需较为庞大的设备和复杂的操作条件才能得到预期处理效果。第二种是膜分离法，该法利用不同气体对渗透膜的选择性能，将CH4与CO2等气体分离，但该法是在加压条件下完成二氧化碳和硫化氢脱除的，其经济技术成本较高，投资较大。另外一种方法是变压吸附法(Pressure Swing Adsorption，PSA)，其基本原理是利用气体组分在固体材料上吸附特性的差异以及吸附量随压力变化而变化的特性，通过周期性的压力变换过程实现气体的分离或提纯的方法，该法属于物理作用，其具有无设备腐蚀、无环境污染等优点，但其投资较高、操作复杂。
Mohannad R.M.Abu-Zahra等在CO2 capture from power plants Part I.A parametricstudy of the economical performance based on mono-ethanolamine中研究了在系统压力为210kPa、系统温度110至120℃的条件下，质量浓度为30％至40％的一乙醇胺(MEA)溶液脱除CO2可达到80％至99％。虽然其脱除效果较好，但由于其系统压力较高、吸收液浓度较大，对装置的密闭性、压力要求较高，增加了运行成本。
专利US 6290754B1公开了不同胺类溶液对二氧化碳的吸收效果，在系统压力为40atm，反应温度为50℃时，二氧化碳的去除率可达83.5％。由于其系统压力非常高，因此对吸收装置的要求非常严格，投资较高、危险性大。
发明内容
本发明的目的在于，解决现有技术中系统压力高、温度高、吸收剂浓度高、再生能力差的问题，提供一种常压下利用化学试剂法去除沼气及类似气源中大量二氧化碳和少量硫化氢的方法和装置。
本发明所提供的化学试剂法去除沼气及类似气源中CO2和H2S的装置，主要设备有沼气压缩机、吸收塔、过滤装置、预热装置、再生塔和储液槽；其中，沼气压缩机的出气口与吸收塔的进气口连接，吸收塔顶部的出气口与气体过滤装置连接；吸收塔的底部出液口通过一个液体阀门和液泵与预热装置的进液口连接，预热装置的出液口与再生塔的进液口连接，再生塔的出液口与储液槽的进液口连接，储液槽的出液口通过液泵与吸收塔的进液口连接。
其中，吸收塔和再生塔均为不锈钢填料塔，其中填料为不锈钢θ环，塔内设计有4级花型液体再分布器。填料及再分布器的使用可以避免及减少吸收液壁流、液泛、淹塔情况，同时为气液反应提供更大的接触表面积，保证气液在塔内充分接触、吸收，提高吸收效果。
吸收塔与再生塔内所装填的直径3mm，高2mm的不锈钢θ环；吸收塔与再生塔的花型液体再分布器处装一层稍大一些的不锈钢θ环，其尺寸为直径5mm，高3mm。
再生塔外设有保温层，通过继电控制保证吸收塔内的再生反应温度恒定，再生塔塔底装有电加热装置，用于加热吸收溶液，再生塔塔顶装有冷凝装置，用于冷凝吸收溶液蒸汽。
过滤装置为装有孔径为1μm～5μm的活性炭分子筛的圆柱体。
预热装置为电加热的圆柱形中空容器，用于吸收富液的预加热，使其在进入再生装置时能保持较高的温度，可以提高其在再生塔中的再生效率。
下面结合图1的装置，介绍化学试剂法脱除沼气及类似气源中CO2和H2S的具体操作方法：
A.将气源经沼气压缩机(2)从底部入口通入吸收塔(3)，将储液罐(8)内的吸收贫液用液体泵(5)泵入吸收塔(3)塔顶，控制吸收塔内压力为100-120kPa，温度为30-35℃，使得沼气和吸收贫液在吸收塔内逆向流动；从吸收塔顶出来的气体通过过滤装置(9)去除其中的硅氧烷等杂质和水，得到产品气；
B.从吸收塔底部流出的吸收富液经液体泵(5)流经预热装置(6)，使从预热装置(6)出来的吸收溶液温度达到85-95℃，进入再生塔(7)，在温度为100℃～110℃下进行再生；再生后的液体返回储液槽(8)重复利用。
所述的吸收剂为质量分数为10-20％的一乙醇胺水溶液。所述的气源为沼气或天然气。
经上述装置处理后得到的产品气中甲烷含量为97-100％，硫化氢含量为0-10g/Nm3，含水率为0-0.2g/Nm3。采用该方法，二氧化碳的去除率为93-100％，硫化氢的去除率为99％-100％。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明所采用的装置简单、操作简便、投资少，便于工业化生产。其设计特点在于：
1)吸收塔、再生塔中多级花型液体再分布器的设计使塔内气液分布更为均匀、反应更为完全，提高了吸收效率和再生效率；
2)再生塔保温层的设计降低了反应能耗，节约了运行成本；
3)再生塔塔顶冷凝水的设计有效地促进了再生溶液蒸汽的快速冷凝，提高了再生效率，节约了运行成本；
4)吸收富液通过预热装置预热，并经过再生塔再生，可增强吸收剂的再生能力，提高吸收剂重复利用率；
通过本方法可以把沼气提纯到天然气水平，用以替代汽油、天然气等常规化石能源和原料。
附图说明
图1为化学试剂法脱除沼气中二氧化碳和硫化氢所用装置图
图中，1为气体阀，2为沼气压缩机，3为吸收塔，4为液体阀，5为液泵，6为预热装置，7为再生塔，8为储液槽，9为过滤装置。
图2为吸收塔、再生塔内不锈钢θ环示意图
具体实施方式
下面将结合附图及实施例进一步说明本发明的具体过程，但本发明的范围并不限于以下实施例。
实施例
本实施例所用吸收塔规格为外径44mm、内径38mm，塔高2.9m、塔内填料高1.8m，吸收塔内壁每0.45m处设计有花型液体再分布器，再分布器处填装一层直径为5mm、高度为3mm的填料，塔内其他部分填装直径为3mm、高度为2mm的填料。再生塔规格为外径44mm、内径38mm，塔高2.5m、塔内填料高1.6m。再生塔内壁每0.4m处设计有花型液体再分布器，再分布器处填装一层直径为5mm、高度为3mm的填料，塔内其他部分填装直径为3mm、高度为2mm，塔底装有电加热装置，塔外层装有厚度为40mm的石棉保温层。预热装置规格为直径120mm，高250mm的中空不锈钢圆柱体，装有电加热装置。过滤装置为装有孔径为5μm的活性炭分子筛的有机玻璃圆柱体，其规格为直径90mm、高1m。
1)将组分为甲烷54.8％、二氧化碳44.1％、硫化氢900ppm沼气经压缩机压缩至0.1MPa后，输送至吸收塔底部，调节气体流量为340L/h；经液泵将储液槽内的质量分数为10％的一乙醇胺水溶液泵至吸收塔顶部，调节液体流量为20L/h，使吸收液与沼气逆向流动，去除其中的二氧化碳和硫化氢，保证此反应在30℃至35℃下进行。经吸收塔后的沼气中经北京北分瑞利分析仪器(集团)公司生产的气相色谱仪sp2100检测，未检出二氧化碳和硫化氢。
2)将吸收塔塔顶排出的沼气通入装有过滤装置，去除其中残余的杂质及水；
3)经吸收塔排出的吸收溶液进入预热装置升温至90℃，然后再进入再生塔中，调节冷凝水流量为150L/h，液体流量为20L/h，在温度为110℃的条件下进行反应，使吸收溶液再生，再生后的吸收溶液输送至储液槽，储液槽中的吸收溶液再经液泵输送至吸收塔中，用于下一次吸收塔内的吸收。

Claims (4)

1.一种化学试剂法脱除沼气及类似气源中CO2和H2S的装置，主要设备有沼气压缩机、吸收塔、过滤装置、预热装置、再生塔和储液槽；其中，沼气压缩机的出气口与吸收塔的进气口连接，吸收塔顶部的出气口与气体过滤装置连接；吸收塔的底部出液口通过液体阀门和液泵与预热装置的进液口连接，预热装置的出液口与再生塔的进液口连接，再生塔的出液口与储液槽的进液口连接，储液槽的出液口通过液泵与吸收塔的进液口连接：所述的吸收塔为不锈钢填料塔，塔内设计有4级花型液体再分布器；所述的再生塔为不锈钢填料塔，塔内设计有4级花型液体再分布器；再生塔外设有保温层，通过继电控制保证吸收塔内的温度恒定，再生塔塔底装有电加热装置；再生塔塔顶装有冷凝装置。
2.根据权利要求1所述的化学试剂法脱除沼气及类似气源中CO2和H2S的装置，其特征是吸收塔与再生塔内所装填料为直径3mm，高2mm的不锈钢θ环；吸收塔与再生塔的花型液体再分布器处装有一层稍大一些的不锈钢θ环，其尺寸为直径5mm，高3mm。
3.一种采用权利要求1所述的装置进行化学试剂法脱除沼气及类似气源中CO2和H2S的方法，具体步骤如下：
A.将气源经沼气压缩机(2)通入吸收塔(3)，将储液罐(8)内的吸收贫液用液体泵(5)泵入吸收塔(3)塔顶，控制吸收塔内压力为100-120kPa，温度为30-35℃，使得沼气和吸收贫液在吸收塔内逆向流动；从吸收塔顶出来的气体通过过滤装置(9)去除其中的硅氧烷等杂质和水，得到产品气；
B.从吸收塔底部流出的吸收富液经液体泵(5)流经预热装置(6)，使从预热装置(6)出来的吸收溶液温度达到85-95℃，进入再生塔(7)，在温度为100℃～110℃下进行再生；再生后的液体返回储液槽(8)重复利用。
4.根据权利要求3所述的化学试剂法脱除沼气及类似气源中CO2和H2S的方法，其特征是所述的吸收剂为质量分数为10-20％的一乙醇胺水溶液；所述的气源为沼气或天然气。
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