CN104711058B - 一种垃圾填埋气/沼气深度脱除硅氧烷的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于气体分离领域，特指一种垃圾填埋气/沼气深度脱除硅氧烷的方法及装置。将垃圾填埋气增压后通入气液分离器和装有碳酸钠溶液的吸收罐，脱除填埋气中的游离水、泡沫、固体颗粒和硫化氢。将处理得到的填埋气通入膜分离处理单元对含有D4和D5的填埋气进行膜分离操作；混合气体通过膜分离处理单元的中空纤维膜接触器，D4和D5在膜丝内外压差和浓度差的作用下从渗透侧渗透出来通入正己烷有机溶剂中溶解，回收硅氧烷；将处理得到的含少量D4和D5的填埋气通入装有二甲基过氧化酮溶液的反应罐，进一步脱除填埋气中的D4和D5；将处理得到的填埋气通入干燥塔，脱除水蒸气，得到纯净的甲烷气体，将甲烷通入储气罐，存储甲烷气体。
Description
技术领域
本发明属于气体分离领域，尤其涉及一种垃圾填埋气中八甲基环四硅氧烷（D4）、十甲基环五硅氧烷（D5）的脱除并回收甲烷方法和装置。
背景技术
垃圾填埋气体（沼气）主要成分是甲烷、二氧化碳，其中甲烷约为45%~50%，二氧化碳为40%~60%，还含有少量的有害杂质包括硫化氢和硅氧烷等；进行过加工处理的填埋气，可以直接供给工业及温室用户，其中用于供暖或工业生产这种方式沼气的热效率最高；填埋气经收集后，经压缩机加压输送至内燃机组，经燃烧转化成电能传输到电力升压站，输送到当地电网供用户使用；填埋气除了用于供热供电以外，还可作为运输工具的动力燃料，经脱水净化处理后作为管道气体，应用于二氧化碳工业，用作生产甲醇的燃料等。
硅氧烷产品广泛应用于现代工业领域；化妆品、蜡和磨光剂等产品中含有挥发性硅氧烷气体，化妆品、清洁产品和纺织品中含有非挥发性硅氧烷液体，这些挥发性的和非挥发性的硅氧烷会以工业垃圾或生活垃圾的形式通过垃圾填埋场散发到填埋气中；燃烧含挥发性硅氧烷的生物气会在内燃机内壁表面产生二氧化硅层， 二氧化硅覆盖层将缩短发动机的使用时间， 提高更换气缸盖和火花塞的频率；2008年加拿大科学家发现，化妆品中常见的两个成分八甲基环四硅氧烷和十甲基环五硅氧烷是有毒物质，这两种硅氧烷与持久性有机污染物一样，在动物体内难以降解且具有积聚特性，相关研究发现，这两种化学物质对动物的繁殖能力造成损害，如容易引发子宫肿瘤。
专利CN200910025512.2“低浓度硅氧烷气体的净化方法及装置”介绍了一种采用活性炭吸附法去除沼气中的硅氧烷的方法和装置，这种方法利用活性炭吸附，活性炭的再生温度较高，需要大量的再生热，增加了成本。
专利CN201110338779.4“一种稳定连续脱除可燃气体中硅氧烷的装置”，介绍了一种采用冷凝分离法去除沼气中的硅氧烷的方法和装置，这种方法需要在低温下进行，要进行制冷，能耗高，成本高。
发明内容
本发明的目的是提供一种便于应用、安全且低成本的深度脱除垃圾填埋气中硅氧烷的工艺方法及装置。为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的技术方案之一：一种用于脱除垃圾填埋气、沼气中硅氧烷的方法。
1）将垃圾填埋气增压后通入气液分离器和装有碳酸钠溶液的吸收罐，脱除填埋气中的游离水、泡沫、固体颗粒和硫化氢。
2）将上述步骤1）处理得到的填埋气通入膜分离处理单元对含有D4和D5的填埋气进行膜分离操作；混合气体通过膜分离处理单元的中空纤维膜接触器，D4和D5在膜丝内外压差和浓度差的作用下从渗透侧渗透出来通入正己烷有机溶剂中溶解，回收硅氧烷。
3）将上述步骤2）处理得到的含少量D4和D5的填埋气通入装有二甲基过氧化酮溶液的反应罐，通过氧化反应，进一步脱除填埋气中的D4和D5。
4）将上述步骤3）处理得到的填埋气通入填充了氯化钙的干燥塔，脱除气体携带的水蒸气，得到纯净的甲烷气体，将甲烷通入储气罐，存储甲烷气体。
本发明所述的两段式硅氧烷脱除工艺是指膜分离硅氧烷脱除工艺和二甲基过氧化酮氧化硅氧烷脱除工艺。
本发明所述硅氧烷包括：八甲基环四硅氧烷（D4）、十甲基环五硅氧烷（D5）。
本发明所述垃圾填埋气中硅氧烷的浓度为1~140mg/Nm3。
所述的膜分离处理单元至少包括两个串联的中空纤维膜接触器；所述的中空纤维膜为硅橡胶中空纤维膜（PDMS），其外径130~190 μm，厚度20~50μm，膜数3000~6000，膜面积0.1~0.6 m2；根据需要，经过一级中空纤维膜接触器处理过的尾气可以依次通过第二、三、……N级中空纤维膜接触器再次进行处理。
本发明所述膜分离硅氧烷脱除工艺的操作温度为18~30℃。
本发明所述二甲基过氧化酮氧化硅氧烷脱除工艺的操作温度为-18℃~0℃。
本发明所述的中空纤维膜接触器的渗透侧通过采用真空泵抽真空产生负压，各级膜分离渗透测的真空度保持在0.3~0.7at。
本发明所用二甲基过氧化酮溶液为由丙酮、碳酸氢钠和过一硫酸氢钾复合盐反应生成而来。
本发明的技术方案之二：一种用于脱除垃圾填埋气、沼气中硅氧烷的装置。
一种用于脱除垃圾填埋气、沼气中硅氧烷的装置，其特征在于：所述装置包括前处理单元、第一段硅氧烷脱除单元（膜分离单元）、第二段硅氧烷脱除单元（氧化单元）和甲烷回收单元构成。
前处理单元包含一个带有捕雾器的气液分离器和一个吸收罐；气液分离器上装有入口管线，连接原料气池，入口管线上安装有阀门；气液分离器下部设有排液管，排液管上装有液位控制阀门；气液分离器的底部设有排污孔，用于定期排出累积在底部的固体污垢；分离器的气液界面上设有消泡板；分离器的上部出口设有一个丝网捕雾器，气体经捕雾器后进入出口管线，出口管线上安装有压力控制阀；气液分离器的出口管线连接装有碳酸钠溶液的吸收罐，连接管线上装有压力控制阀；装有碳酸钠溶液的吸收罐的出口管线连接第一段硅氧烷脱除单元。
进一步地，连接原料气池的入口管线通过气体压缩机与原料气池连接。
第一段硅氧烷脱除单元至少包括两个串联的中空纤维膜接触器，即相互串联的第一级中空纤维膜接触器和第二级中空纤维膜接触器，第一级中空纤维膜接触器和第二级空纤维膜接触器之间通过连接管相连，在该连接管上安装有阀门；第一级中空纤维膜接触器的进气管与前处理单元中装有碳酸钠溶液的吸收罐相连，其所述的进气管上安装有进气阀门；第二级中空纤维膜接触器通过出气管与第二段硅氧烷脱除单元的进气管相连，出气管上安装有出气阀门；在第一、二级中空纤维膜接触器的渗透侧均通过管线与真空泵相连，管线上装有阀门；真空泵的出口管线与正己烷储液罐相连。
第二段硅氧烷脱除单元是一个装有二甲基过氧化酮溶液的反应罐，反应罐的入口管线连接第一段硅氧烷脱除单元中第二级中空纤维膜接触器出口，入口管线上装有阀门；反应罐的出口管线连接甲烷回收单元的进气管线。
甲烷回收单元包括一个填充氯化钙的干燥塔和一个甲烷储气罐，干燥塔入口管线连接第二段硅氧烷脱除单元出气管线，入口管线上装有阀门；氯化钙干燥塔的出口管线连接甲烷储气罐，出口管线上装有阀门。
本发明的积极进步效果为：
1.本发明通过采用膜分离工艺，脱除垃圾填埋气中的硅氧烷，得到净化的甲烷气体，硅氧烷的脱除率可达98%以上；
2.本发明与现有的方法相比具有操作条件简单、处理负荷大、硅氧烷脱除率高和安全性高的优点；本发明对垃圾填埋气的资源化综合利用提供了保障，对于改善和优化能源结构、减少大气污染具有重要的经济和环境意义。
附图说明
图1为本发明的工艺流程示意图；
其中：1-气体压缩机；2-气液分离器；3-碳酸钠溶液罐；4，第一控制阀；8，第二控制阀；9，第三控制阀；10，第六控制阀；15，压力控制阀；16，液位控制阀；20, 第二控制阀；21,第五控制阀；22，第四控制阀；5-一级中空纤维膜组件；6-二级中空纤维膜组件；7-干燥塔；11，第一真空泵；12，第二真空泵；13-甲烷储气罐；14-正己烷储液罐；17-捕雾器；18-排污口；19-消泡板；23-二甲基过氧化酮溶液罐。
具体实施方式
将硅氧烷浓度为120mg/Nm3垃圾填埋气温度控制在20℃后，通过气体压缩机1增压后通入气液分离器2，对水、泡沫及固体颗粒进行脱除；液体沉降于气液分离器2的下部，经液位控制阀16排出；固体污垢沉降于分离器的底部，经排污口18排出；分离器中部设置有消泡板19，用于消除气液界面上的气泡，以利于气体从液体中溢出；气体经捕雾器17去除小雾滴之后经压力控制阀15通入碳酸钠溶液储罐3，去除垃圾填埋气中的硫化氢。
将脱除了水、泡沫、固体杂质和硫化氢的垃圾填埋气经第一控制阀4进入一级中空纤维膜组件5，膜丝外径160 μm，厚度35μm，膜面积0.5m2，膜数4500，进入第一级硅氧烷膜分离工艺，脱除垃圾填埋气中的部分硅氧烷，用第一真空泵11对中空纤维膜组件的渗透侧抽真空，脱除的硅氧烷在渗透侧经第二控制阀8进入正己烷储液罐14，回收硅氧烷，第一级中空纤维膜组件对垃圾填埋气中硅氧烷浓度的脱除率达到83%；经第一级中空纤维膜组件初步脱除硅氧烷后的垃圾填埋气经第二控制阀20通入第二级中空纤维膜组件6，脱除垃圾填埋气中的硅氧烷，用第二真空泵12对中空纤维膜组件的渗透侧抽真空，同样，脱除的硅氧烷在渗透侧经第三控制阀9进入正己烷储液罐14，回收硅氧烷，此时，垃圾填埋气中硅氧烷的脱除率达到93%以上。
从第二级中空纤维膜组件6出来的气体经第四控制阀22后通入二甲基过氧化酮溶液罐23，硅氧烷在二甲基过氧化酮溶液罐23中被氧化，进一步脱除，此时，垃圾填埋气中硅氧烷的脱除率达到98%以上。
从二甲基过氧化酮溶液罐23中深度脱除硅氧烷的垃圾填埋气经第五控制阀21通入填充有氯化钙的干燥塔7中，脱除水蒸气，得到干燥甲烷气体，除湿后的甲烷气体经第六控制阀10通入甲烷储罐13，回收存储甲烷气体。
Claims (9)
1.一种垃圾填埋气/沼气深度脱除硅氧烷的方法，其特征在于具体步骤如下：
1)将垃圾填埋气增压后通入气液分离器和装有碳酸钠溶液的吸收罐，脱除填埋气中的游离水、泡沫、固体颗粒和硫化氢；
2)将上述步骤1)处理得到的填埋气通入膜分离处理单元对含有八甲基环四硅氧烷和十甲基环五硅氧烷的填埋气进行膜分离操作；混合气体通过膜分离处理单元的中空纤维膜接触器，八甲基环四硅氧烷和十甲基环五硅氧烷在膜丝内外压差和浓度差的作用下从渗透侧渗透出来通入正己烷有机溶剂中溶解，回收硅氧烷；
3)将上述步骤2)处理得到的含少量八甲基环四硅氧烷和十甲基环五硅氧烷的填埋气通入装有二甲基过氧化酮溶液的反应罐，通过氧化反应，进一步脱除填埋气中的八甲基环四硅氧烷和十甲基环五硅氧烷；
4)将上述步骤3)处理得到的填埋气通入填充了氯化钙的干燥塔，脱除气体携带的水蒸气，得到纯净的甲烷气体，将甲烷通入储气罐，存储甲烷气体。
2.如权利要求1所述的一种垃圾填埋气/沼气深度脱除硅氧烷的方法，其特征在于：所述硅氧烷包括：八甲基环四硅氧烷和十甲基环五硅氧烷。
3.如权利要求1所述的一种垃圾填埋气/沼气深度脱除硅氧烷的方法，其特征在于：所述垃圾填埋气中硅氧烷的浓度为1～140mg/Nm3。
4.如权利要求1所述的一种垃圾填埋气/沼气深度脱除硅氧烷的方法，其特征在于：所述的膜分离处理单元至少包括两个串联的中空纤维膜接触器；所述的中空纤维膜为硅橡胶中空纤维膜，其外径130～190μm，厚度20～50μm，膜数3000～6000，膜面积0.1～0.6m2；根据需要，经过一级中空纤维膜接触器处理过的尾气依次通过第二、三、……N级中空纤维膜接触器再次进行处理。
5.如权利要求1所述的一种垃圾填埋气/沼气深度脱除硅氧烷的方法，其特征在于：所述膜分离硅氧烷脱除工艺的操作温度为18～30℃。
6.如权利要求1所述的一种垃圾填埋气/沼气深度脱除硅氧烷的方法，其特征在于：所述二甲基过氧化酮氧化硅氧烷脱除工艺的操作温度为-18℃～0℃。
7.如权利要求1所述的一种垃圾填埋气/沼气深度脱除硅氧烷的方法，其特征在于：所述的中空纤维膜接触器的渗透侧通过采用真空泵抽真空产生负压，各级膜分离渗透侧的真空度保持在0.3～0.7at。
8.一种垃圾填埋气/沼气深度脱除硅氧烷的装置，其特征在于：所述装置包括前处理单元、第一段硅氧烷脱除单元、第二段硅氧烷脱除单元和甲烷回收单元构成；
前处理单元包含一个带有捕雾器的气液分离器和一个吸收罐；气液分离器上装有入口管线，连接原料气池，入口管线上安装有阀门；气液分离器下部设有排液管，排液管上装有液位控制阀门；气液分离器的底部设有排污孔，用于定期排出累积在底部的固体污垢；分离器的气液界面上设有消泡板；分离器的上部出口设有一个丝网捕雾器，气体经捕雾器后进入出口管线，出口管线上安装有压力控制阀；气液分离器的出口管线连接装有碳酸钠溶液的吸收罐，连接管线上装有压力控制阀；装有碳酸钠溶液的吸收罐的出口管线连接第一段硅氧烷脱除单元；
第一段硅氧烷脱除单元至少包括两个串联的中空纤维膜接触器，即相互串联的第一级中空纤维膜接触器和第二级中空纤维膜接触器，第一级中空纤维膜接触器和第二级中空纤维膜接触器之间通过连接管相连，在该连接管上安装有阀门；第一级中空纤维膜接触器的进气管与前处理单元中装有碳酸钠溶液的吸收罐相连，其所述的进气管上安装有进气阀门；第二级中空纤维膜接触器通过出气管与第二段硅氧烷脱除单元的进气管相连，出气管上安装有出气阀门；在第一、二级中空纤维膜接触器的渗透侧均通过管线与真空泵相连，管线上装有阀门；真空泵的出口管线与正己烷储液罐相连；
第二段硅氧烷脱除单元是一个装有二甲基过氧化酮溶液的反应罐，反应罐的入口管线连接第一段硅氧烷脱除单元中第二级中空纤维膜接触器出口，入口管线上装有阀门；反应罐的出口管线连接甲烷回收单元的进气管线；
甲烷回收单元包括一个填充氯化钙的干燥塔和一个甲烷储气罐，干燥塔入口管线连接第二段硅氧烷脱除单元出气管线，入口管线上装有阀门；氯化钙干燥塔的出口管线连接甲烷储气罐，出口管线上装有阀门。
9.如权利要求8所述的一种垃圾填埋气/沼气深度脱除硅氧烷的装置，其特征在于：进一步地，连接原料气池的入口管线通过气体压缩机与原料气池连接。
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