CN105385479B - 一种集水合物法与膜法于一体的超重力式脱硫脱碳装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于天然气固化分离领域，这里特指一种将水合物法与膜法结合并引入超重力技术对工业烟气及油田开采气等过程中的气体进行脱硫、脱酸的装置，通过将水合物法与膜分离法结合，并在此基础上引入超重力技术对天然气进行深度的脱硫、脱酸，大幅度提高天然气中H2S和CO2等酸性气体的脱除率，其可用于陆上与海上的油气田天然气净化分离，特别是对偏远地区及一些小型气田的天然气处理，该装置能有效脱除天然气中的H2S和CO2等酸性气体，使其达到管输标准。
Description
技术领域
本发明属于天然气固化分离领域，这里特指一种将水合物法与膜法结合并引入超重力技术对工业烟气及油田开采气等过程中的气体进行脱硫、脱酸的装置，该装置可用于陆上与海上的油气田天然气净化分离，特别是对偏远地区及一些小型气田的天然气处理，能高效脱除天然气中的H2S和CO2等酸性气体，使其达到管输标准。
背景技术
油气田所开采的天然气主要由烃和多种杂质气体组成，其主要成分是甲烷，此外还有H2S、有机硫、CO2等，这些酸性物质的存在不仅会腐蚀管道和设备，还会给环境带来严重的污染，因此，国家对商品用天然气中的酸性气体的含量有着严格的指标，近几年来，随着节能减排理念的提出，国家对这方面的要求也越来越严格，对开采的天然气进行高效的脱硫、脱碳成为合理的利用天然气资源的关键；传统的油田天然气脱硫技术主要采用化学吸收法和膜吸收法，化学吸收法是较早被提出用以脱除天然气中的H2S和CO2的方法，文献（彭淑婧，任爱玲.烟气中二氧化碳化学吸收法回收技术的研究[D].河北科技大学，2007）详细描述了各种不同吸收法脱除天然气中H2S的方法，但这些方法存在着能耗高、脱除率低且易引起环境污染等问题，难以得到高纯度的H2S和CO2；专利“从天然气中脱除硫化氢的方法”（201010274051.5公开（公告）号CN 101955828A）曾提出将水合物法用于脱硫的具体方法，但是，随着水合物反应过程中H2S的分压降低，形成越来越困难，脱除率较低，此外，文献（席旺，沈杰.天然气脱硫技术研究进展[J].煤气与热力，2010,30（11）：31-33.）还指出了微生物法和超重力氧化还原法用于脱除天然气中的酸性气体，但这些技术距离实际的工业化应用还有很长一段距离，因此，急需设计出一套过程均匀、稳定性好、回收效率高的脱硫、脱碳装置。
发明内容
本发明的目的是针对现有的脱硫、脱酸的装置的应用存在运行费用高、再生污染能耗、投资成本高且脱除率较低等诸多限制，通过将水合物法与膜分离法结合，并在此基础上引入超重力技术对天然气进行深度的脱硫、脱酸，大幅度提高天然气中H2S和CO2等酸性气体的脱除率，其可用于陆上与海上的油气田天然气净化分离，特别是对偏远地区及一些小型气田的天然气处理，该装置能有效脱除天然气中的H2S和CO2等酸性气体，使其达到管输标准。
一种集水合物法与膜法于一体的超重力式脱硫脱碳装置，包括壳体、搅拌式水合物反应釜、超重力式膜分离单元、拉瓦尔喷阀和喷嘴；超重力式膜分离单元位于壳体内的上半部分；搅拌式水合物反应釜位于壳体内的下半部分，搅拌式水合物反应釜与膜分离单元通过拉瓦尔喷阀和喷嘴连接，将经过搅拌式水合物反应釜处理后的天然气送入超重力式膜分离单元吸收处理；超重力式膜分离单元由超重力式转向机构和上、下转子组成；超重力式转向机构由旋转部件、联轴器、电动机、环形进液管组成，旋转部件一端通过联轴器与位于机壳外的带有变频调速器的电动机连接，另一端与环形进液管底部连接，环形进液管上均匀分布有布液孔，上转子和下转子的内缘连接固定在环形进液管上，环形进液管顶端与位于壳体顶端的进液装置连接，上转子和下转子上设有吸收膜，经过搅拌式水合物反应釜处理后的天然气经过拉瓦尔喷阀加压后，由喷嘴喷入超重力式膜吸收单元时，气体周向喷入，在压差的作用下，气体首先由下转子的下端向上转子的上端运动，同时，吸收液经进液装置流入环形进液管，并由分布在环形进液管周向的布液孔匀速流到上、下转子的内缘，当超重力式转向机构带动上、下转子旋转时，在离心力的作用下，吸收液分别由上、下转子的内缘向外缘以液膜流和液滴流形式运动，最后均匀平铺在上、下转子吸收膜的一侧，天然气中携带的酸性气体被均匀分布在吸收膜一侧的吸收液吸收，从而完成对酸性气体的充分吸收过程。
进一步地，所述进液装置为进液漏斗；进液漏斗与进液装置连接处设有截流阀。
进一步地，所述壳体上端肩部位置开有净气出口，净气出口上设有单向出气阀。
进一步地，所述壳体下半部分一侧上端设有进液口，进液口通过环形进液管与搅拌式水合物反应釜连通。
进一步地，所述壳体下半部分另一侧下端设有输送天然气进入搅拌式水合物反应釜的进气通道。
进一步地，所述搅拌式水合物反应釜中设有磁力搅拌器。
进一步地，所述搅拌式水合物反应釜底部设有锥形底座，将在搅拌式水合物反应釜生成的固体水合物排出，排出口设有截流阀。
进一步地，壳体内的下半部分为双层结构，水冷夹套置于双层壳体所形成的空腔内对搅拌式水合物反应釜制冷。
进一步地，装置的底端设置三脚架，用来增强装置的稳定性。
进一步地，所述吸收膜为中空纤维膜。
经搅拌式水合物反应釜处理后，原料天然气中大部分的H2S和CO2等酸性气体被脱除，并以固体水合物的形式被存储，这大大降低了后续膜分离单元中膜组件的负荷，降低了膜组件的更换频率，水合物反应釜采用外部水冷夹套式制冷，即将水冷夹套置于双层机壳所形成的空腔内进而达到制冷的效果，搅拌式水合反应釜的底座设计成锥形，经过水合反应形成的水合物被磁力搅拌器甩出，沿器壁经锥形底座流出，进入水合物固化储罐。
剩余小部分酸性气体的天然气进入超重力式膜分离单元进一步脱除，气体经过拉瓦尔喷阀加压后，由喷嘴以一定速度进入超重力式膜吸收单元时，气体周向喷入，在压差的作用下，气体首先由下转子的下端向上转子的上端运动，同时， NaOH吸收液经进液漏斗流入环形进液管，并由分布在环形进液管周向的布液孔匀速流到上、下转子的内缘，当超重力式转向机构带动上、下转子旋转时，在离心力的作用下，吸收液分别由上、下转子的内缘向外缘以液膜流和液滴流形式运动，最后均匀平铺在上、下转子中空纤维膜的一侧，气体中携带的少量H2S、CO2等酸性气体被均匀分布在中空纤维膜一侧的NaOH吸收液吸收，从而完成对小部分H2S、CO2等酸性气体的充分吸收过程。
超重力式膜分离单元中上、下转子上的膜均采用中空纤维膜，其可以产生巨大的比表面积，有效提高了酸性气体的吸收率。
上、下转子的高度差控制在30~70 cm之间，一般保持上、下转子的高度差为40 cm为宜；上、下转子固定连接在环形进液管上，并在环形进液管上设置布液孔，旋转部件通过联轴器与位于机壳外的带有变频调速器的电动机连接，电动机通过联轴器及旋转部件实现转向，从而带动上、下转子旋转。
进液漏斗处与装置连接处和锥形底座的水合物导出部位分别安装截流阀，净气出口处安装单向出气阀，阀门与装置连接处均采用密封圈密封，加强装置的气密性。
装置的底端设置三脚架，用来增强装置的稳定性。
吸收液的存储系统采用循环式吸收塔实现了吸收液的循环利用，提高了资源的利用率。
与现有的脱硫、脱碳装置相比，本发明的显著优点体现在以下几个方面：
（1）该装置可将天然气中所携带的H2S、CO2等酸性气体分别经过水合物反应单元和超重力式膜吸收单元脱除，大部分的H2S、CO2等酸性气体以固体水合物的形式被存储，少部分的酸性气体经超重力式膜吸收单元进一步脱除，保证了酸性气体的脱除率。
（2）H2S、CO2等酸性气体以固化的天然气水合物形式存在，大大降低了后续膜组件的负荷，降低了膜组件的更换频率。
（3）吸收液的存储采用循环式吸收塔使得吸收液实现了循环利用，提高了资源的利用率，降低了初始投资成本。水合物生成过程中所需要的条件较容易达到，容易操作，适应性好，安全性高，较易实现自动化控制，装置可撬装化。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图。
图2为设置有中空纤维膜的上、下转子结构示意图。
图3 进液漏斗结构示意图。
图4 喷嘴结构示意图。
图5 拉瓦尔喷阀结构示意图。
图中：1－进气通道；2－搅拌式水合物反应釜；3－磁力搅拌器；4、9－环形进液管；5－进液口；6－水冷夹套；7－锥形底座；8－截流阀；10－拉瓦尔喷阀； 11－布液孔；12、13－上、下转子；14－旋转部件；15－联轴器； 16－带有变频调速器的电动机；17－单向出气阀；18－喷嘴；19－进液漏斗；20－密封圈；21－三脚架，22－壳体。
具体实施方式
如图1所示，本发明由壳体、进气通道；搅拌式水合物反应釜；磁力搅拌器；环形进液管；进液漏斗；水冷夹套；锥形底座；截流阀；单向出气阀；布液孔；上、下转子；旋转部件；联轴器；喷嘴；拉瓦尔喷阀；密封圈；三脚架及带有变频调速器的电动机组成。
其具体的实施方案如下：
在设定压力下，油田放空的天然气以1.0~2.5 m/s的速度经过进气通道1进入搅拌式水合物反应釜2，同时，将含动力学促进剂SDS的溶液经进液口5通过环形进液管4进入搅拌式水合物反应釜2，其中，SDS的浓度控制在300~500 mg/L范围内，其中500 mg/L最佳；搅拌式水合物反应釜采用外部水冷夹套式制冷，即将水冷夹套6置于双层机壳所形成的空腔内进而达到制冷的效果，搅拌式水合物反应釜的温度控制在0.5~4 ℃，搅拌式水合物反应釜2内压力控制在1~4 MPa范围内，经过充分的水合反应，天然气中的H2S和CO2等酸性气体被固化在水合物中，形成的水合物在磁力搅拌器3的作用下被甩出，沿器壁经搅拌式水合物反应釜2的锥形底座7流出，进入水合物固化储罐进行集中处理；而经水合反应系统处理后的原料气，可以脱除大部分的H2S和CO2，这大大降低了后续膜组件的负荷，降低了膜组件的更换频率；其余的气体则经由拉瓦尔喷阀10加压后，通过喷嘴18周向喷入膜吸收法分离单元。在压差的作用下，气体首先由下转子的下端向上转子上端运动，同时， NaOH吸收液经进液漏斗19流入环形进液管9，并由分布在环形进液管周向的布液孔11匀速流到上转子12和下转子13的内缘，当超重力式转向机构（由旋转部件、联轴器、电动机、环形进液管组成，一端由旋转部件14通过联轴器15与位于机壳外的带有变频调速器的电动机16连接，另一端与内部布置有布液孔11的环形进液管9连接）带动上转子12和下转子13旋转时，在离心力的作用下，吸收液分别由上转子12和下转子13的内缘向外缘以液膜流和液滴流形式运动，最后均匀平铺在上、下转子中空纤维膜的一侧，气体中携带的少量H2S、CO2等酸性气体被均匀分布在中空纤维膜一侧的NaOH吸收液吸收，从而完成对小部分酸性气体的充分吸收过程。
布液孔均匀分布在环形进液管9上，环形进液管9与上转子12和下转子13的内缘连接，其底部与旋转部件14连接，NaOH吸收液的浓度控制在35~45wt%左右，其中40wt%最佳。
上转子12和下转子13上的膜均采用中空纤维膜，其可以产生巨大的比表面积，有效提高了酸性气体的吸收率。
在超重力式膜吸收法分离单元中，吸收液的存储采用循环式吸收塔使得吸收液实现了循环利用，提高了资源的利用率，旋转部件14一端与环形进液管9底部连接，另一端通过联轴器15与位于机壳外的带有变频调速器的电动机16连接，从而带动上转子12和下转子13旋转，经超重力式膜吸收法分离单元处理后的天然气通过单向出气阀17进入净气回收罐。
Claims (12)
1.一种集水合物法与膜法于一体的超重力式脱硫脱碳装置，其特征在于：所述装置包括壳体、搅拌式水合物反应釜、超重力式膜分离单元、拉瓦尔喷阀和喷嘴；超重力式膜分离单元位于壳体内的上半部分；搅拌式水合物反应釜位于壳体内的下半部分，搅拌式水合物反应釜与膜分离单元通过拉瓦尔喷阀和喷嘴连接，将经过搅拌式水合物反应釜处理后的天然气送入超重力式膜分离单元吸收处理；超重力式膜分离单元由超重力式转向机构和上、下转子组成；超重力式转向机构由旋转部件、联轴器、电动机、环形进液管组成，旋转部件一端通过联轴器与位于壳体外的带有变频调速器的电动机连接，另一端与环形进液管底部连接，环形进液管上均匀分布有布液孔，上转子和下转子的内缘连接固定在环形进液管上，环形进液管顶端与位于壳体顶端的进液装置连接，上转子和下转子上设有吸收膜，经过搅拌式水合物反应釜处理后的天然气经过拉瓦尔喷阀加压后，由喷嘴喷入超重力式膜吸收单元时，气体周向喷入，在压差的作用下，气体首先由下转子的下端向上转子的上端运动，同时，吸收液经进液装置流入环形进液管，并由分布在环形进液管周向的布液孔匀速流到上、下转子的内缘，当超重力式转向机构带动上、下转子旋转时，在离心力的作用下，吸收液分别由上、下转子的内缘向外缘以液膜流和液滴流形式运动，最后均匀平铺在上、下转子吸收膜的一侧，天然气中携带的酸性气体被均匀分布在吸收膜一侧的吸收液吸收，从而完成对酸性气体的充分吸收过程。
2.如权利要求1所述的一种集水合物法与膜法于一体的超重力式脱硫脱碳装置，其特征在于：所述进液装置为进液漏斗；进液漏斗与进液装置连接处设有截流阀；所述壳体上端肩部位置开有净气出口，净气出口上设有单向出气阀。
3.如权利要求1所述的一种集水合物法与膜法于一体的超重力式脱硫脱碳装置，其特征在于：所述壳体下半部分一侧上端设有进液口，进液口通过环形进液管与搅拌式水合物反应釜连通；所述壳体下半部分另一侧下端设有输送天然气进入搅拌式水合物反应釜的进气通道。
4.如权利要求1所述的一种集水合物法与膜法于一体的超重力式脱硫脱碳装置，其特征在于：所述搅拌式水合物反应釜中设有磁力搅拌器。
5.如权利要求1所述的一种集水合物法与膜法于一体的超重力式脱硫脱碳装置，其特征在于：所述搅拌式水合物反应釜底部设有锥形底座，将在搅拌式水合物反应釜生成的固体水合物排出，排出口设有截流阀。
6.如权利要求1所述的一种集水合物法与膜法于一体的超重力式脱硫脱碳装置，其特征在于：壳体内的下半部分为双层结构，水冷夹套置于双层壳体所形成的空腔内对搅拌式水合物反应釜制冷。
7.如权利要求1所述的一种集水合物法与膜法于一体的超重力式脱硫脱碳装置，其特征在于：装置的底端设置三脚架，用来增强装置的稳定性。
8.如权利要求1所述的一种集水合物法与膜法于一体的超重力式脱硫脱碳装置，其特征在于：所述吸收膜为中空纤维膜。
9.如权利要求1所述的一种集水合物法与膜法于一体的超重力式脱硫脱碳装置，其特征在于：上、下转子的高度差控制在30～70cm之间；旋转部件通过联轴器与位于机壳外的带有变频调速器的电动机连接，电动机通过联轴器及旋转部件实现转向，从而带动上、下转子旋转。
10.如权利要求9所述的一种集水合物法与膜法于一体的超重力式脱硫脱碳装置，其特征在于：上、下转子的高度差控制在40cm之间。
11.使用如权利要求1所述装置进行脱硫脱碳的方法，其特征在于：在设定压力下，油田放空的天然气以1.0～2.5m/s的速度经过进气通道进入搅拌式水合物反应釜，同时，将含动力学促进剂SDS的溶液经进液口通过环形进液管进入搅拌式水合物反应釜，其中，SDS的浓度控制在300～500mg/L范围内；搅拌式水合物反应釜采用外部水冷夹套式制冷，即将水冷夹套置于双层机壳所形成的空腔内进而达到制冷的效果，搅拌式水合物反应釜的温度控制在0.5～4℃，搅拌式水合物反应釜内压力控制在1～4MPa范围内，经过充分的水合反应，天然气中的H2S和CO2酸性气体被固化在水合物中，形成的水合物在磁力搅拌器的作用下被甩出，沿器壁经搅拌式水合物反应釜的锥形底座流出，进入水合物固化储罐进行集中处理；而经水合反应系统处理后的原料气，可以脱除大部分的H2S和CO2，这大大降低了后续膜组件的负荷，降低了膜组件的更换频率；其余的气体则经由拉瓦尔喷阀加压后，通过喷嘴周向喷入膜吸收法分离单元；在压差的作用下，气体首先由下转子的下端向上转子上端运动，同时，NaOH吸收液经进液漏斗流入环形进液管，并由分布在环形进液管周向的布液孔匀速流到上转子和下转子的内缘，当超重力式转向机构带动上转子和下转子旋转时，在离心力的作用下，吸收液分别由上转子和下转子的内缘向外缘以液膜流和液滴流形式运动，最后均匀平铺在上、下转子中空纤维膜的一侧，气体中携带的少量H2S、CO2酸性气体被均匀分布在中空纤维膜一侧的NaOH吸收液吸收，从而完成对小部分酸性气体的充分吸收过程。
12.使用如权利要求11所述装置进行脱硫脱碳的方法，其特征在于：SDS的浓度控制在500mg/L。
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