CN107986578A - 一种pta污水处理的沼气制氢循环系统及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种PTA污水处理的沼气制氢循环系统及工艺，包括：PTA装置、沉降罐、厌氧折流板反应器、沉淀池、沼气收集罐、脱硫吸附装置、氮氧脱除装置、裂解反应器、碱洗涤塔Ⅰ、气液分离器、变压吸附装置、蒸汽换热器、碱洗涤塔Ⅱ、脱盐水洗涤塔Ⅰ及脱盐水洗涤塔Ⅱ。本发明改变了传统工艺中污水处理单元，将PTA装置生产过程中的污水经生化处理后产生沼气，提取沼气中的甲烷转化为氢气，该氢气与泄放气转化的氢气，一同经过变压吸附得到高纯度的氢气，用于PTA装置精制反应，无需外购原料及能源，降低PTA装置运行成本，实现PTA装置内部资源的循环再利用，达到节能减排的目的。
Description
技术领域
本发明涉及PTA循环装置领域，具体涉及一种PTA污水处理的沼气制氢循环系统及工艺。
背景技术
对苯二甲酸(PTA)是重要的大宗有机原料之一，世界上90％的PTA用于生产聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，被广泛应用于纤维涤纶、聚酯薄膜、增塑剂、农药和染料等生产领域。在生产和应用PTA的同时，会产生大量的高浓度的PTA污水，而且PTA污水中的污染物多为芳香族化合物，浓度高，属于难生物降解的污水，处理难度大。一般的PTA污水处理设备，将污水生化处理后会产生大量的沼气，这些沼气在目前国内的PTA装置中，主要是用于锅炉、尾气燃烧炉的燃料或燃烧发电。
中国专利申请CN 203269722公开了一种PTA污水处理系统，以克服现有技术处理时间长、占地面积大和运行费用高等缺点，其包括酸化沉淀池、内循环厌氧反应器、第一沉降罐、生物流化床好氧反应器、第二沉降罐和气浮滤池，该申请的优点是提高PTA污水处理效率和减少产泥、减少占地面积等，但缺点是生化处理产生的沼气没有进行有效处理，造成资源浪费及环境污染。
中国专利申请CN103130184A公开了一种PTA装置精制单元泄放气综合利用的方法，本方法的原料气来源于PTA装置精制单元泄放气，原料气通过换热降温后，对其进行降压、洗涤冷却，除去其中的有机酸和液态水，变压吸附后得到高品质氢气，进行回收利用。该申请的优点是改变了传统工艺中加氢精制单元泻放气的处理方法，当原料气通过换热降温后，回收多余的热量，再对其进行降压、洗涤冷却，除去其中的有机酸和水，避免了有机酸对变压吸附时所用的吸附剂的毒效作用，再通过变压吸附得到高品质氢气，从而进行回收利用，降低了氢的消耗，同时也减少了资源的浪费，但缺点是原料气来源单一，PTA精制反应主要是利用氢气进行催化反应，而本发明回收的氢气远远小于精制反应所需的量，还需另设制氢装置。
现有资料介绍，目前在合成氨行业，通常采用天然气制氢，制氢成本约为0.6元/Nm3。PTA污水处理后的沼气与天然气制氢工艺中的原料天然气组分较为接近，成分主要有CH4、CO2、水、水气及H2S(少量)，其中甲烷含量≥65％(体积百分比)，将沼气中的CO2、水、水气及H2S经过杂质分离后，甲烷浓度即可达到90％以上甚至更高，达到天然气的指标，如果可以将这90％以上的甲烷与水蒸汽在高温和催化剂作用下转化成H2及CO，并将氢气提纯至所需浓度的氢气，反复回收利用于PTA生产精制过程，不仅解决了一般的PTA装置本身不能产氢气，需另建制氢装置的问题，还可以简化现有工艺，有效降低生产成本。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种成本低、操作简便的PTA污水处理的沼气制氢循环系统及工艺，该系统将PTA装置生产过程中排放的污水通过生化处理后产生沼气，提取沼气中的甲烷转化为氢气，该氢气与PTA装置泄气口排出的泄放气转化的氢气，经过变压吸附得到高纯度的氢气，用于PTA装置精制反应，实现PTA装置内部资源的循环再利用。
本发明技术方案如下：PTA污水处理的沼气制氢循环系统，包括PTA装置、沉降罐、厌氧折流板反应器、沉淀池、沼气收集罐、脱硫吸附装置、氮氧脱除装置、裂解反应器、碱洗涤塔Ⅰ、气液分离器、变压吸附装置、蒸汽换热器、碱洗涤塔Ⅱ、脱盐水洗涤塔Ⅰ及脱盐水洗涤塔Ⅱ；
PTA装置污水排放口与沉降罐连接；沉降罐与厌氧折流板反应器连接；所述的厌氧折流板反应器的排气口与沼气收集罐连接，排污口与沉淀池连接；所述沼气收集罐与脱硫吸附装置连接，所述脱硫吸附装置与氮氧脱除装置入口连接，所述氮氧脱除装置与裂解反应器连接，所述裂解反应器与碱洗涤塔Ⅰ底部入口连接，所述碱洗涤塔Ⅰ的出口与脱盐水洗涤塔Ⅰ连接，脱盐水洗涤塔Ⅰ出口与气液分离器的入口连接，所述气液分离器的出口与变压吸附装置连接；PTA装置的泄气口与蒸汽换热器连接，所述的蒸汽换热器与碱洗涤塔Ⅱ底部入口连接，所述的碱洗涤塔Ⅱ出口与脱盐水洗涤塔Ⅱ入口连接，所述的脱盐水洗涤塔Ⅱ与气液分离器连接。
优选的，变压吸附装置包括至少两个并联的吸附塔、至少两个并联的缓冲罐、真空泵及程控阀门，吸附塔和缓冲罐串联在管路上，所述的缓冲罐出口与PTA装置连接。
优选的，所述的PTA装置为粗PTA精制装置。
优选的，所述的厌氧折流板反应器为圆柱体，内部对应安装10～20块折流板和10～20块溢流板，内部接种体积分数15～35％的PTA生产污水处理装置厌氧污泥。
优选的，所述的脱硫吸附装置是由两个并联的吸附塔组成，吸附塔内部装有脱硫剂。
优选的，所述的氮氧脱除装置为变压吸附塔。
本发明另一个目的请求保护上述循环系统的循环工艺，将PTA装置产生的污水，泵入沉降罐中进行固液分离，沉淀的对苯二甲酸回收至PTA装置，PTA污水送入厌氧折流板反应器；产生的污泥进入沉淀池，产生的沼气进入沼气收集罐，然后通入脱硫吸附装置，经脱硫后气体通入氮氧脱除装置，然后进入裂解反应器进行催化反应，生成的混合气进入碱洗涤塔Ⅰ底部；含氢气和水蒸气混合气体经过脱盐水洗涤塔Ⅰ，再经过气液分离器将水份分离出来，不凝气体直接进入变压吸附装置；最后，提纯的氢气回收至PTA装置中，参与PTA精制反应；
从PTA装置泄气口排出的泄放气经过蒸汽换热器冷却、减压后进入碱洗涤塔Ⅱ底部，然后进入脱盐水洗涤塔Ⅱ脱盐水处理，冷却后再经过气液分离器，分离后的水份排出界区，而不凝气体送到变压吸附装置予以回收其中的氢气，最后，提纯的氢气回收至PTA装置中，参与PTA精制反应。
本发明的有益效果是：本发明改变了传统工艺中污水处理单元，将PTA装置生产过程中的污水经生化处理后产生沼气，提取沼气中的甲烷转化为氢气，该氢气与泄放气转化的氢气，一同经过变压吸附得到高纯度的氢气，用于PTA装置精制反应，无需外购原料及能源，降低PTA装置运行成本，实现PTA装置内部资源的循环再利用，达到节能减排的目的。
附图说明
图1是本发明系统的结构示意图；
图2是变压吸附装置的结构示意图。
图中：1、PTA装置，2、沉降罐，3、厌氧折流板反应器，4、沉淀池，5、沼气收集罐，6、脱硫吸附装置，7、氮氧脱除装置，8、裂解反应器，9、碱洗涤塔Ⅰ，10、气液分离器，11、变压吸附装置，12、蒸汽换热器，13、碱洗涤塔Ⅱ，14、脱盐水洗涤塔Ⅰ，15、脱盐水洗涤塔Ⅱ，111、吸附塔，112、缓冲罐，113、真空泵，114、程控阀门。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1所示，PTA污水处理的沼气制氢循环系统包括：PTA装置1、沉降罐2、厌氧折流板反应器3、沉淀池4、沼气收集罐5、脱硫吸附装置6、氮氧脱除装置7、裂解反应器8、碱洗涤塔Ⅰ9、气液分离器10、变压吸附装置11、蒸汽换热器12、碱洗涤塔Ⅱ13、脱盐水洗涤塔Ⅰ14及脱盐水洗涤塔Ⅱ15；所述的变压吸附装置11包括吸附塔111、缓冲罐112、真空泵113及程控阀门114；
所述的PTA装置1为粗PTA精制装置，沉降罐2与PTA装置1通过管道连接，沉降罐2出口与厌氧折流板反应器3入口连接，所述的厌氧折流板反应器3为圆柱体，内部对应安装10～20块折流板和10～20块溢流板，内部接种体积分数15～35％的PTA生产污水处理装置厌氧污泥。所述的厌氧折流板反应器3的排气口与沼气收集罐5入口连接，排污口与沉淀池4连接，所述沼气收集罐5出口与脱硫吸附装置6入口连接，所述的脱硫吸附装置6是由两个并联的吸附塔组成，吸附塔内部装有脱硫剂。所述脱硫吸附装置6的出口与氮氧脱除装置7入口连接，所述的氮氧脱除装置7为变压吸附塔，所述氮氧脱除装置7出口与裂解反应器8的入口连接，所述裂解反应器8的出口与碱洗涤塔Ⅰ9底部入口连接，所述碱洗涤塔Ⅰ9的出口与脱盐水洗涤塔Ⅰ14连接，脱盐水洗涤塔Ⅰ14出口与气液分离器10连接，气液分离器10通过管路与吸附塔111连接，吸附塔111为五个并联设在管路上，吸附塔111与缓冲罐112连接，缓冲罐112为两个并联设在管路上，缓冲罐112出口管路上设有程控阀门114，缓冲罐112与PTA装置1连接，在吸附塔111和缓冲罐112之间的管线上还设有真空泵；PTA装置1的泄气口与蒸汽换热器12入口连接，所述的蒸汽换热器12出口与碱洗涤塔Ⅱ13底部入口连接，所述的碱洗涤塔Ⅱ13出口与脱盐水洗涤塔Ⅱ15入口连接，所述的脱盐水洗涤塔Ⅱ15出口与气液分离器10入口连接。
该循环系统包括两个循环过程，分别是沼气制氢循环和泄放气循环，具体循环过程如下：
1.沼气制氢循环
将PTA装置1产生的污水，泵入沉降罐2中进行固液分离，沉淀的对苯二甲酸回收至PTA装置1，PTA污水送入厌氧折流板反应器3，停留9～10小时，PTA污水在反应器内沿折流挡板上下多次折流运动，污水依次通过各级区直至出口，在此过程中污水中的有机物质与厌氧活性污泥充分接触，通过产酸菌产酸分解有机物，厌氧折流板反应器3内可保持较高pH值满足产甲烷菌生长条件，产生较多的沼气。产生的沼气进入沼气收集罐5，然后通入脱硫吸附装置6，脱硫吸附装置6由两个吸附塔并联组成，使得其中一个吸附塔再生或替换脱硫剂时，另一个吸附塔可继续进行工作，吸附层按气体流量加入15％～40％的脱硫剂，脱硫剂为氧化锰脱硫剂，经脱硫后气体通入氮氧脱除装置7，氮氧脱除装置7由两个吸附塔按并联的方式组成，利用变压吸附的方式对混合气体中的甲烷继续进行分离提纯，在吸附塔中填装有活性炭，甲烷在吸附剂的作用下，作为吸附质被吸附，而利用解吸过程使高纯度甲烷从吸附塔底部的解吸气输出端输出，然后进入裂解反应器8进行催化反应，催化反应的反应压力为0～1.2MPa，反应温度为300～1300℃，反应催化剂优选为Fe和Ni，载体优选为活性炭，在高温及催化剂条件下将甲烷转化为氢气和CO，将上述气体进行氢气提纯，碱洗涤塔Ⅰ9内经过压力调节阀减压到12kgf/cm2，减压后的氢气和CO的混合气进入碱洗涤塔Ⅰ9底部，气体在上升过程中，与自上而下的5％NaOH逆流接触，混合气里的酸类物质被碱中和，同时高温的气体被低温的NaOH溶液降温，混合气从塔顶部离开碱洗涤塔Ⅰ9，其温度可以降低到85℃。洗涤后的混合气可以先进入脱盐水洗涤塔Ⅰ14，使用脱盐水对原料气体进行洗涤，可以继续把原料气温度降低到50℃。洗涤后的不凝气体主要是含氢气和水蒸气的混合气体经过前面洗涤、冷却，再经过气液分离器10，将其中的水份分离出来，不凝气体直接进入吸附塔111，在五台吸附塔111中，其中一台吸附塔111始终处于进料吸附状态，其余四台吸附塔111处于再生的不同阶段，其工艺过程由吸附、三次均压降压、逆放、抽真空、三次均压升压和产品最终升压组成其中三次均压通过均压缓冲罐112进行，五台吸附塔111交替进行以上的吸附、再生操作即可实现氢气的连续分离与提纯，最后，提纯的氢气回收至PTA装置1中，参与PTA精制反应。
2.泄放气循环
从PTA装置1泄气口排出的泄放气经过蒸汽换热器12冷却，冷却、减压后进入碱洗涤塔Ⅱ13底部，气体在上升过程中，与自上而下的5％NaOH逆流接触，泄放气里的酸类物质被碱中和，同时高温的气体被低温的NaOH溶液降温，碱洗后的泄放气从塔顶部离开，其温度可以降低到85℃，之后气体进入脱盐水洗涤塔Ⅱ15，此次是使用脱盐水对碱洗后的泄放气进行洗涤，同时继续把气体温度降低到55℃，由于气体中的水份含量随其温度的逐渐降低，其中的水蒸气逐渐冷凝下来，脱盐水处理后的泄放气冷却到常温后再经过气液分离器10，将其中的水份分离出来，分离后的水份通过气液分离器10底部的排液阀排出界区，而冷凝后的不凝气体，主要是含氢气的气体，可满足变压吸附回收其中氢气的要求，直接送到变压吸附装置11予以回收其中的氢气，在五台吸附塔111中，其中一台吸附塔111始终处于进料吸附状态，其余四台吸附塔111处于再生的不同阶段，其工艺过程由吸附、三次均压降压、逆放、抽真空、三次均压升压和产品最终升压组成其中三次均压通过均压缓冲罐112进行，五台吸附塔111交替进行以上的吸附、再生操作即可实现氢气的连续分离与提纯，最后，提纯的氢气回收至PTA装置1中，参与PTA精制反应。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种PTA污水处理的沼气制氢循环系统，其特征在于：PTA装置(1)与沉降罐(2)连接；沉降罐(2)与厌氧折流板反应器(3)连接；所述的厌氧折流板反应器(3)的排气口与沼气收集罐(5)连接，排污口与沉淀池(4)连接；所述沼气收集罐(5)与脱硫吸附装置(6)连接，所述脱硫吸附装置(6)与氮氧脱除装置(7)入口连接，所述氮氧脱除装置(7)与裂解反应器(8)连接，所述裂解反应器(8)与碱洗涤塔Ⅰ(9)底部入口连接，所述碱洗涤塔Ⅰ(9)的出口与脱盐水洗涤塔Ⅰ(14)连接，脱盐水洗涤塔Ⅰ(14)出口与气液分离器(10)的入口连接，所述气液分离器(10)的出口与变压吸附装置(11)连接；PTA装置(1)的泄气口与蒸汽换热器(12)连接，所述的蒸汽换热器(12)与碱洗涤塔Ⅱ(13)底部入口连接，所述的碱洗涤塔Ⅱ(13)出口与脱盐水洗涤塔Ⅱ(15)入口连接，所述的脱盐水洗涤塔Ⅱ(15)与气液分离器(10)连接。
2.根据权利要求1所述的PTA污水处理的沼气制氢循环系统，其特征在于：变压吸附装置(11)包括并联的吸附塔(111)、并联的缓冲罐(112)、真空泵(113)及程控阀门(114)，吸附塔(111)和缓冲罐(112)串联在管路上，所述的缓冲罐(112)出口与PTA装置(1)连接。
3.根据权利要求1所述的PTA污水处理的沼气制氢循环系统，其特征在于：所述的PTA装置(1)为粗PTA精制装置。
4.根据权利要求1所述的PTA污水处理的沼气制氢循环系统，其特征在于：所述的厌氧折流板反应器(3)为圆柱体，内部对应安装10～20块折流板和10～20块溢流板，内部接种体积分数15～35％的PTA生产污水处理装置厌氧污泥。
5.根据权利要求1所述的PTA污水处理的沼气制氢循环系统，其特征在于：所述的脱硫吸附装置(6)是由两个并联的吸附塔组成，吸附塔内部装有脱硫剂。
6.根据权利要求1所述的PTA污水处理的沼气制氢循环系统，其特征在于：所述的氮氧脱除装置(7)为变压吸附塔。
7.一种如权利要求1所述的PTA污水处理的沼气制氢循环系统的循环工艺，其特征在于，将PTA装置(1)产生的污水，泵入沉降罐(2)中进行固液分离，沉淀的对苯二甲酸回收至PTA装置(1)，PTA污水送入厌氧折流板反应器(3)；产生的污泥进入沉淀池(4)，产生的沼气进入沼气收集罐(5)，然后通入脱硫吸附装置(6)，经脱硫后气体通入氮氧脱除装置(7)，然后进入裂解反应器(8)进行催化反应，生成的混合气依次经过碱洗涤塔Ⅰ(9)、脱盐水洗涤塔Ⅰ(14)和气液分离器(10)将水份分离出来，不凝气体直接进入变压吸附装置(11)；提纯的氢气回收至PTA装置(1)中，参与PTA精制反应；
从PTA装置(1)泄气口排出的泄放气经过蒸汽换热器(12)冷却、减压后依次进入碱洗涤塔Ⅱ(13)、脱盐水洗涤塔Ⅱ(15)和气液分离器(10)，分离后的水份排出界区，而不凝气体送到变压吸附装置(11)回收其中的氢气，提纯的氢气回收至PTA装置(1)中，参与PTA精制反应。
8.根据权利要求6所述的工艺，其特征在于，所述的裂解反应器(8)内的催化反应，其反应压力为0～1.2MPa，反应温度为300～1300℃，反应催化剂为Fe、Ni或Co金属催化剂的一种或几种，载体为活性炭或碳纤维。
9.根据权利要求6所述的工艺，其特征在于，混合气进入碱洗涤塔Ⅰ(9)底部时，碱洗涤塔Ⅰ(9)内经过压力调节阀减压到12kgf/cm2，混合气从塔顶部离开碱洗涤塔Ⅰ(9)，其温度降低至85℃。
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