CN106433831B - 用于净化生物质气并回收甲烷的方法和装置 - Google Patents

用于净化生物质气并回收甲烷的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及可再生能源利用领域，尤其是一种用于净化生物质气并回收甲烷的方法和装置，包括前处理系统、膜吸收生物质气净化系统、膜蒸馏吸收液再生系统和甲烷回收系统；本发明通过采用膜吸收方法脱除生物质气中的硫化氢、二氧化碳和硅氧烷，得到净化的甲烷气体，硅氧烷的脱除率可达95％以上，硫化氢和二氧化碳的脱除率均超过98％；通过采用膜蒸馏方法再生吸收液，吸收液再生温度低于80℃，吸收液的再生过程中硫化氢、二氧化碳和硅氧烷的脱除率达到85％以上。本发明与现有的方法相比具有操作条件简单、处理成本低等优点；本发明对减少大气污染、优化能源结构具有重要意义。

Description

用于净化生物质气并回收甲烷的方法和装置
技术领域
本发明涉及可再生能源利用领域，尤其是一种用于净化生物质气并回收甲烷的方法和装置。
背景技术
填埋场以及污水处理厂污泥厌氧消化产生的生物气除甲烷、二氧化碳等主要组分外，还含有其他组分，如硫化氢和硅氧烷等，硅氧烷的存在严重影响生物气使用，阻碍生物气的使用价值。
近几年来，不少研究机构评估硅氧烷对人类和环境的风险。丹麦环境保护局已发现六甲基二硅氧烷会刺激皮肤，影响肾脏，已将六甲基二硅氧烷归为危险物质。美国环保局(EPA)和康宁公司报道指出：十甲基环五硅氧烷可能是致癌物质。加拿大有报道指出：在市政供水中存在硅氧烷不利于鱼和水生组织的生存，同时八甲基环四硅氧烷、十甲基环五硅氧烷影响荷尔蒙的分泌，从而有可能影响人类繁殖。我国是硅氧烷生产大国，对周围环境造成的危害是不可低估的。
专利CN201210393660.1“一种去除可燃气体中硅氧烷气体的装置及方法”介绍了一种采用硅胶吸附法去除可燃气体中的硅氧烷的方法和装置，这种方法利用硅胶吸附，其效率会受到气体中水分的影响，另外，吸附剂的再生温度较高，需要大量的再生热，增加了成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种便于应用、安全且低成本的生物质气中脱除硫化氢、二氧化碳和硅氧烷并回收甲烷的方法及装置。
本发明所采用的技术方案为：一种用于净化生物质气并回收甲烷的方法，包括以下步骤：
1)将携带有固相和液相杂质的生物质气依此通入网式过滤器和气液两相立式分离器，去除生物质气中的水、泡沫及固体颗粒；
2)将上述步骤1)得到的生物质气加压后通入中空纤维陶瓷膜接触器，对含有硫化氢、二氧化碳和硅氧烷的生物质气进行膜吸收净化处理，利用吸收剂脱除生物质气中的硫化氢、二氧化碳和硅氧烷；
3)将上述步骤2)得到的生物质气通入填充了硅胶的干燥塔，脱除甲烷气体携带的水蒸气后进入储气罐，存储甲烷气体；
4)将上述步骤2)中吸收了硫化氢、二氧化碳和硅氧烷的吸收剂通入另一个中空纤维陶瓷膜接触器，对吸收剂进行膜蒸馏再生处理；经过了膜蒸馏再生的吸收剂可循环利用于步骤2)中生物质气的膜吸收净化处理。
进一步的说，本发明所述的硅氧烷为六甲基二硅氧烷、八甲基三硅氧烷、十甲基四硅氧烷、六甲基环三硅氧烷、八甲基环四硅氧烷、十甲基环五硅氧烷、十二甲基环六硅氧烷中的一种或至少两种的组合。
再进一步的说，本发明所述的吸收剂由聚乙二醇二甲醚、甲基二乙醇胺、对三联苯和2-辛基十二烷基硫酸钠按照一定的比例复配而成。其中聚乙二醇二甲醚的质量分数为23％～50％，甲基二乙醇胺的质量分数为45％～60％，对三联苯的质量分数为5％～13％；所述的2-辛基十二烷基硫酸钠占吸收剂总溶液的浓度为2×10-4～5×10-4mol/L。
本发明所述工艺方法为：膜吸收生物质气净化和膜蒸馏吸收液再生集成工艺方法。
本发明所述的用于膜吸收的中空纤维陶瓷膜接触器所用膜材料为氧化铝中空纤维陶瓷膜；所述的膜吸收净化处理的操作温度为常温。
同时，本发明还提供了一种用于净化生物质气并回收甲烷的装置，：包括前处理系统、膜吸收生物质气净化系统、膜蒸馏吸收液再生系统和甲烷回收系统；
所述的前处理系统包括网式过滤器、气液两相立式分离器和压缩机；所述的网式过滤器通过入口管线连接原料气池，出口管线与气液两相立式分离器相连，入口管线和出口管线上都安装有阀门；气液两相立式分离器下部设有带液位控制阀的排液管，底部设有排污孔，上部出口设有一个迪克松板除雾器；气体经除雾器后进入除雾器出口管线，除雾器出口管线上安装有压力控制阀；气液两相立式分离器的出口管线连接压缩机入口，压缩机的出口管线连接膜吸收生物质气净化系统中第一级中空纤维陶瓷膜接触器的管程入口，连接管线上装有阀门；
所述的膜吸收生物质气净化系统包括吸收液罐、离心泵、一个或多个串联的中空纤维陶瓷膜接触器、连接管线和控制阀门；所述的吸收液罐里的吸收液通过离心泵送至第一级中空纤维陶瓷膜接触器壳程入口；吸收液吸收了生物质气中的硫化氢、二氧化碳和硅氧烷后，从第一级中空纤维陶瓷膜接触器壳程出口流出，回到吸收液罐；生物质气从中空纤维陶瓷膜接触器的管程进口进入，被吸收液除去硫化氢、二氧化碳和硅氧烷后，从管程出口流出，进入甲烷回收系统；
所述的膜蒸馏吸收液再生系统包括电加热器、一个或多个串联的中空纤维陶瓷膜接触器、冷凝管、储液罐、缓冲罐、真空泵以及连接管线和控制阀门；所述的电加热器连接离心泵和另一级中空纤维陶瓷膜接触器管程入口；所述的储液罐、缓冲罐、真空泵依次连接；
所述的甲烷回收系统包括填充硅胶的干燥塔和甲烷储气罐；所述的干燥塔入口与膜吸收生物质气净化系统中最后一级中空纤维陶瓷膜接触器管程出口通过带阀门的管线相连，干燥塔出口与甲烷储气罐相连，出口管线上装有阀门。
进一步的说，本发明所述的多个中空纤维陶瓷膜接触器的串联通过连接管线和控制阀门来实现，即第一级中空纤维陶瓷膜接触器的出口和第二级中空纤维陶瓷膜接触器的入口之间通过带有阀门的管线相连接，第二级中空纤维陶瓷膜接触器的出口和第三级中空纤维陶瓷膜接触器的入口之间通过带有阀门的管线相连接，以此类推。
再进一步的说，为了消除气液界面上的气泡，以利于气体从液体中溢出，本发明所述的气液两相立式分离器的中部设置有消泡板。
本发明的有益效果是：
1 .本发明通过采用膜吸收方法脱除生物质气中的硫化氢、二氧化碳和硅氧烷，得到净化的甲烷气体，硅氧烷的脱除率可达95％以上，硫化氢和二氧化碳的脱除率均超过98％；
2 .本发明通过采用膜蒸馏方法再生吸收液，吸收液再生温度低于80℃，吸收液的再生过程中硫化氢、二氧化碳和硅氧烷的脱除率达到85％以上；
3 .本发明与现有的方法相比具有操作条件简单、处理成本低等优点；本发明对减少大气污染、优化能源结构具有重要意义。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明工艺流程及结构图；
图中：1-网式过滤器；3-气液两相立式分离器；4-除雾器；5-消泡板；6-液位控制阀；7-压力控制阀；8-气体压缩机；10，26-中空纤维陶瓷膜接触器；11，24-中空纤维陶瓷膜接触器管程入口；12，25-中空纤维陶瓷膜接触器管程出口；13-中空纤维陶瓷膜接触器壳程入口；14-中空纤维陶瓷膜接触器壳程出口；16-硅胶干燥塔；18-甲烷储气罐；20-离心泵；23-电加热器；27-冷凝管；28-吸收液罐；29-储液罐；30-缓冲罐；31-真空泵；2，9，15，17，19，21，22，32-控制阀。
具体实施方式
现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，装置包括前处理系统、膜吸收生物质气净化系统、膜蒸馏吸收液再生系统和甲烷回收系统。
前处理系统包含一个网式过滤器1、一个气液两相立式分离器3和一个气体压缩机8。网式过滤器1入口通过管线连接原料气池，出口管线与气液两相立式分离器3相连，入口管线和出口管线上都安装有阀门；气液两相立式分离器下部设有带液位控制阀6的排液管，底部设有排污孔，上部出口设有一个迪克松板除雾器4。气体经除雾器4后进入出口管线，出口管线上安装有压力控制阀7；气液两相立式分离器3的出口管线连接压缩机入口，压缩机出口管线连接膜吸收生物质气净化系统中第一级中空纤维陶瓷膜接触器的管程入口，连接管线上装有阀门。
膜吸收生物质气净化系统包括一个吸收液罐28、一个离心泵20、一个或多个串联的中空纤维陶瓷膜接触器、连接管线和控制阀门。吸收液罐里的吸收液通过离心泵20送至第一级中空纤维陶瓷膜接触器壳程入口，吸收液吸收了生物质气中的硫化氢、二氧化碳和硅氧烷后，从中空纤维陶瓷膜接触器壳程出口流出，回到吸收液罐。生物质气从中空纤维陶瓷膜接触器的管程进口进入，被吸收液除去硫化氢、二氧化碳和硅氧烷后，从管程出口流出，进入甲烷回收系统。多个中空纤维陶瓷膜接触器的串联通过连接管线和控制阀门来实现，即第一级中空纤维陶瓷膜接触器的出口和第二级中空纤维陶瓷膜接触器的入口之间通过带有阀门的管线相连接，第二级中空纤维陶瓷膜接触器的出口和第三级中空纤维陶瓷膜接触器的入口之间通过带有阀门的管线相连接，以此类推。
膜蒸馏吸收液再生系统包括：一个电加热器23、一个或多个串联的中空纤维陶瓷膜接触器、一个冷凝管27、一个储液罐29、一个缓冲罐30、一台真空泵31以及连接管线和控制阀门。吸收了硫化氢、二氧化碳和硅氧烷的吸收液通过离心泵送至电加热器加热后，进入中空纤维陶瓷膜接触器管程入口，在膜接触器内实现膜蒸馏。吸收液中的硫化氢、二氧化碳和硅氧烷从中空纤维陶瓷膜渗透侧进入冷凝管，经冷凝后存储于储液罐中，通过真空泵对储液罐抽真空。而从中空纤维陶瓷膜接触器管程出口出来的再生后的吸收液进入吸收液罐。
甲烷回收系统包括一个填充硅胶的干燥塔16和一个甲烷储气罐18，干燥塔入口与膜吸收生物质气净化系统中最后一级中空纤维陶瓷膜接触器管程出口通过带阀门的管线相连，干燥塔出口与甲烷储气罐相连，出口管线上装有阀门。
工艺流程如下：将含硫化氢浓度80mg/Nm3、硅氧烷浓度为50mg/Nm3、二氧化碳体积百分含量为40％的生物质气通入网式过滤器1，去除其中的固体颗粒。然后将气体通入气液两相立式分离器3，脱除生物质气中的水和泡沫。在分离器内，液体沉降于分离器的下部，经液位控制阀6排出；分离器中部设置有消泡板5，用于消除气液界面上的气泡，以利于气体从液体中溢出；气体经除雾器4去除小雾滴之后经压力控制阀7通入气体压缩机8。经压缩机增压后将生物质气通入中空纤维陶瓷膜接触器10的管程；同时，吸收液罐28中的吸收液通过离心泵20抽送进入中空纤维陶瓷膜接触器10的壳程；生物质气中的硅氧烷、硫化氢和二氧化碳被吸收液吸收后随吸收液返回吸收液罐28中，而脱除了硅氧烷、硫化氢和二氧化碳的生物质气进入硅胶干燥塔16，经干燥塔干燥后存储于甲烷储气罐18中。此时，生物质气中硅氧烷的脱出率达到96.31％，硫化氢脱除率98.75％，二氧化碳脱除率99.04％。
将富含硅氧烷、硫化氢和二氧化碳的吸收液通过离心泵20从吸收液罐28中抽出，通过控制阀22进入电加热器23加热至70℃，然后进入中空纤维陶瓷膜接触器26的管程，吸收液在中空纤维陶瓷膜接触器26中实现膜蒸馏再生；蒸馏出的硅氧烷、硫化氢和二氧化碳从中空纤维陶瓷膜接触器26的渗透侧进入冷凝管27冷凝后保存于储液罐29，而再生后的吸收液回到吸收液罐28。吸收液再生过程循环3次，硫化氢、二氧化碳和硅氧烷的脱除率均达到85％以上。
以上说明书中描述的只是本发明的具体实施方式，各种举例说明不对本发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离本发明的实质和范围。

Claims (6)

1.一种用于净化生物质气并回收甲烷的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将携带有固相和液相杂质的生物质气依次通入网式过滤器和气液两相立式分离器，去除生物质气中的水、泡沫及固体颗粒；
2)将上述步骤1)得到的生物质气加压后通入中空纤维陶瓷膜接触器一，对含有硫化氢、 二氧化碳和硅氧烷的生物质气进行膜吸收净化处理，利用吸收剂脱除生物质气中的硫化 氢、二氧化碳和硅氧烷；
3)将上述步骤2)得到的生物质气通入填充了硅胶的干燥塔，脱除甲烷气体携带的水蒸气后进入储气罐，存储甲烷气体；
4)将上述步骤2)中吸收了硫化氢、二氧化碳和硅氧烷的吸收剂通入中空纤维陶瓷膜接触器二，对吸收剂进行膜蒸馏再生处理；经过了膜蒸馏再生的吸收剂可循环利用于步骤2)中生物质气的膜吸收净化处理；
所述的吸收剂由聚乙二醇二甲醚、甲基二乙醇胺、对三联苯和2-辛基十二烷基硫酸钠按照一定的比例复配而成；其中聚乙二醇二甲醚的质量分数为23％～50％，甲基二乙醇胺的质量分数为 45％～60％，对三联苯的质量分数为5％～13％；所述的2-辛基十二烷基硫酸钠占吸收剂总溶液的浓度为2×10-4～5×10-4mol/L；
所述的用于膜吸收的中空纤维陶瓷膜接触器所用膜材料为氧化铝中空纤维陶瓷膜。
2.如权利要求1所述的用于净化生物质气并回收甲烷的方法，其特征在于：所述的硅氧烷为六甲基二硅氧烷、八甲基三硅氧烷、十甲基四硅氧烷、六甲基环三硅氧烷、八甲基环四硅氧烷、十甲基环五硅氧烷、十二甲基环六硅氧烷中的一种或至少两种的组合。
3.如权利要求1所述的用于净化生物质气并回收甲烷的方法，其特征在于：所述的膜吸收净化处理的操作温度为常温。
4.一种用于权利要求1所述方法的用于净化生物质气并回收甲烷的装置，其特征在于：包括前处理系统、膜吸收生物质气净化系统、膜蒸馏吸收液再生系统和甲烷回收系统；
所述的前处理系统包括网式过滤器、气液两相立式分离器和压缩机；所述的网式过滤器通过入口管线连接原料气池，出口管线与气液两相立式分离器相连，入口管线和出口管线上都安装有阀门；气液两相立式分离器下部设有带液位控制阀的排液管，底部设有排污孔，上部出口设有一个迪克松板除雾器；气体经除雾器后进入除雾器出口管线，除雾器出口管线上安装有压力控制阀；气液两相立式分离器的出口管线连接压缩机入口，压缩机的出口管线连接膜吸收生物质气净化系统中中空纤维陶瓷膜接触器一的管程入口，连接管线上装有阀门；
所述的膜吸收生物质气净化系统包括吸收液罐、离心泵、中空纤维陶瓷膜接触器一、连接管线和控制阀门；所述的吸收液罐里的吸收液通过离心泵送至中空纤维陶瓷膜接触器一壳程入口；吸收液吸收了生物质气中的硫化氢、二氧化碳和硅氧烷后，从中空纤维陶瓷膜接触器一壳程出口流出，回到吸收液罐；生物质气从中空纤维陶瓷膜接触器一的管程进口进入，被吸收液除去硫化氢、二氧化碳和硅氧烷后，从管程出口流出，进入甲烷回收系统；所述中空纤维陶瓷膜接触器一为一个或多个串联的中空纤维陶瓷膜接触器；
所述的膜蒸馏吸收液再生系统包括电加热器、中空纤维陶瓷膜接触器二、冷凝管、储液罐、缓冲罐、真空泵以及连接管线和控制阀门；所述的电加热器连接离心泵和中空纤维陶瓷膜接触器二管程入口；所述的储液罐、缓冲罐、真空泵依次连接；所述中空纤维陶瓷膜接触器二为一个或多个串联的中空纤维陶瓷膜接触器；
所述的甲烷回收系统包括填充硅胶的干燥塔和甲烷储气罐；所述的干燥塔入口与膜吸收生物质气净化系统中中空纤维陶瓷膜接触器一管程出口通过带阀门的管线相连，干燥塔出口与甲烷储气罐相连，出口管线上装有阀门。
5.如权利要求4所述的用于净化生物质气并回收甲烷的装置，其特征在于：所述的多个中空纤维陶瓷膜接触器的串联通过连接管线和控制阀门来实现，即第一级中空纤维陶瓷膜接触器的出口和第二级中空纤维陶瓷膜接触器的入口之间通过带有阀门的管线相连接，第二级中空纤维陶瓷膜接触器的出口和第三级中空纤维陶瓷膜接触器的入口之间通过带有阀门的管线相连接，以此类推。
6.如权利要求5所述的用于净化生物质气并回收甲烷的装置，其特征在于：所述的气液两相立式分离器的中部设置有消泡板。
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