CN109233930A - 一种用于脱除沼气中硫化氢的装置及脱除方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于脱除沼气中硫化氢的装置及脱除方法，装置包括气体分析配气单元和与气体分析配气单元相连的硫化氢去除单元；方法包括：气相色谱仪检测沼气中硫化氢和氧气的体积含量，将检测结果传递给气体流量控制装置；气体流量控制装置接收到检测结果后，向氧气储罐或硫化氢储罐上的流量控制阀发出指令，控制气体比例混合器内氧气和硫化氢的体积比；混合气再进入气体换热器中升温，然后进入催化氧化反应器中，硫化氢和氧气在V2O5‑CeO2催化剂作用下氧化反应生成硫磺；混合气由催化氧化反应器底端的出气口进入下游管线。该方法可有效脱除沼气中的硫化氢，减少硫化氢释放到大气中对人们的伤害，降低对管道和设备的腐蚀，避免出现重大的安全事故。
Description
技术领域
本发明属于沼气净化处理领域，具体涉及一种用于脱除沼气中硫化氢的装置及脱除方法。
背景技术
沼气作为能源利用已有很长的历史。我国的沼气最初主要为农村户使用沼气池，20世纪70年代初，为解决秸秆焚烧和燃料供应不足的问题，我国政府在农村推广沼气事业，沼气池产生的沼气用于农村家庭的炊事来逐渐发展到照明和取暖。如今，沼气作为一种新型高效的可再生绿色能源，已开发沼气发电、沼气制热等资源化利用技术。沼气作为燃料，可减少温室气体、微小颗粒和氮氧化合物的排放，具有更广阔的发展空间和多重的经济环境效益。
沼气主要由50～80％甲烷、20～40％二氧化碳、0～5％氮气、小于1％的氢气、小于0.4％的氧气与0.1～3％的硫化氢等气体组成。硫化氢为剧毒气体，其在大气中的浓度为150ppm时就会刺激人眼和呼吸道，麻痹神经；当浓度达到800ppm时，2min就能致人死亡。另外对硫化氢管道和设备具有强烈的腐蚀作用并形成“氢脆”，从而容易导致重大的安全事故。因此，在资源化利用沼气之前必须先脱除有害气体硫化氢。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于脱除沼气中硫化氢的装置及脱除方法，该装置和方法能够有效脱除沼气中的硫化氢，减少硫化氢释放到大气中对人们的伤害，另外，也能降低对管道和设备的腐蚀，避免出现重大的安全事故。
为实现上述目的，一种用于脱除沼气中硫化氢的装置，包括气体分析配气单元和硫化氢去除单元，气体分析配气单元与硫化氢去除单元相连；所述气体分析配气单元包括气相色谱仪、气体流量控制装置、气体比例混合器、氧气储罐、硫化氢储罐，沼气输送管分别与气相色谱仪和气体比例混合器管路连接且管路上分别设置有控制阀，气相色谱仪与气体流量控制装置之间电连接，氧气储罐和硫化氢储罐的出气口分别设置有流量控制阀，两个流量控制阀分别与气体流量控制装置和气体比例混合器管路连接；
所述硫化氢去除单元包括气体换热器和催化氧化反应器，气体换热器的顶端设有换热器管程入口，底端设有换热器管程出口，换热器管程入口与气体比例混合器管路连接，且管路上设置有控制阀，换热器管程出口与催化氧化反应器顶端设置的进气口管路连接，且管路上设置有控制阀；气体换热器的侧壁上部设有换热器壳程出口，侧壁下部设有换热器壳程入口，换热器壳程入口和换热器壳程出口处均设有控制阀；催化氧化反应器内从上往下依次间隔设有若干块布气板和催化剂颗粒填充段，布气板上均匀设置有多个出气孔，催化剂颗粒填充段内填充有以蛭石颗粒为基体的V2O5-CeO2催化剂，催化氧化反应器底端设有出气口，出气口处设置有控制阀并与下游管线相连。
优选的，所述催化剂颗粒填充段为可拆卸活性再生式。
进一步的，该装置还还包括催化剂活性再生与单质硫回收单元，所述催化剂活性再生与单质硫回收单元为一个带有加热和冷却功能的容器，容器内盛装有二硫化碳溶剂。
一种用于脱除沼气中硫化氢的的方法，包括以下步骤：
a.气相色谱仪在线检测沼气中含硫化氢和氧气的体积含量，将检测结果传递给气体流量控制装置；
b.气体流量控制装置接收到气相色谱仪的检测结果后，向氧气储罐或硫化氢储罐上的流量控制阀发出指令，向气体比例混合器内通入氧气或硫化氢，并控制气体比例混合器内的混合气中氧气和硫化氢的体积比为0.4～0.7；
c.气体比例混合器内的混合气通过换热器管程入口进入气体换热器中，与从换热器壳程入口进来的热源形成逆流换热，并升温至75～88℃；
d.升温后的混合气自催化氧化反应器的进气口进入其中，混合气通过布气板将混合气均匀分布在催化剂颗粒填充段上，硫化氢和氧气在以蛭石颗粒为基体的V2O5-CeO2催化剂作用下进行选择性氧化反应而生成硫磺；
e.经过催化氧化反应后的沼气由催化氧化反应器底端的出气口进入下游管线。
进一步的，该方法还包括将V2O5-CeO2催化剂每次连续使用80～120h后对其进行活性再生；所述活性再生过程为：把催化剂颗粒填充段拆卸后浸泡于盛有25～30℃的二硫化碳的容器中，浸泡30～60min后取出并烘干，V2O5-CeO2催化剂活性得以再生；把浸泡过催化剂颗粒填充段的二硫化碳降温至0～3℃，过滤即可回收单质硫。
优选的，所述步骤d中混合气与V2O5-CeO2催化剂的接触时间至少0.3s。
优选的，所述V2O5-CeO2催化剂中V2O5和CeO2的质量含量比为(1.5～1)：1。
进一步的，所述V2O5-CeO2催化剂的制备过程如下：
A.将蛭石颗粒于550℃条件下煅烧2h，采用浸渍涂敷技术将煅烧后的蛭石颗粒初步浸渍在CeO2-ZrO2涂层悬浊液中3h；
B.将经过步骤A处理后的蛭石颗粒于150℃条件下烘干40min，然后再浸渍在CeO2-ZrO2涂层悬浊液中，直至CeO2-ZrO2涂层使得蛭石颗粒重量增加13～25％；
C.将经过步骤B处理后的蛭石颗粒于550℃条件下煅烧2h；
D.将一定量的偏钒酸铵溶解于蒸馏水中配制成偏钒酸铵溶液，并加热至70～80℃；
E.将经过步骤C处理后的蛭石颗粒浸渍在偏钒酸铵溶液中30min，然后于150℃条件下烘干40min，接着再浸渍在偏钒酸铵溶液中，直至V2O5涂层使得经步骤C处理后的蛭石颗粒的重量增加18～28％；
F.将经过步骤E处理后的蛭石颗粒于550℃条件下煅烧4h，制备得到以蛭石颗粒为基体的V2O5-CeO2催化剂。
与现有技术相比，本发明通过采用V2O5-CeO2催化剂选择性氧化沼气中的硫化氢，对于浓度高于500mg/Nm3的硫化氢去除率可达98％以上，二氧化硫的生成率低于2％，硫化氢脱除率高，硫磺转化率高，二氧化硫的生成率低；另外，本发明通过溶剂溶解的方式，可有效去除催化剂表面附着的硫磺，使催化剂活性再生，同时又可回收硫磺，实现硫磺的资源化利用，操作简单，成本低；该方法能够有效脱除沼气中的硫化氢，减少硫化氢释放到大气中对人们的伤害，另外，也能降低对管道和设备的腐蚀，避免出现重大的安全事故。
附图说明
图1是本发明的装配示意图；
图中：1、气相色谱仪，2、气体流量控制装置，3、气体比例混合器，4、氧气储罐，5、硫化氢储罐，6、流量控制阀，7、气体换热器，8、催化氧化反应器，9、换热器管程入口，10、换热器管程出口，11、换热器壳程出口，12、换热器壳程入口，13、布气板，14、催化剂颗粒填充段。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示的一种用于脱除沼气中硫化氢的装置，包括气体分析配气单元和硫化氢去除单元，气体分析配气单元与硫化氢去除单元相连；所述气体分析配气单元包括气相色谱仪1、气体流量控制装置2、气体比例混合器3、氧气储罐4、硫化氢储罐5，沼气输送管分别与气相色谱仪1和气体比例混合器3管路连接且管路上分别设置有控制阀，气相色谱仪1与气体流量控制装置2之间电连接，氧气储罐4和硫化氢储罐5的出气口分别设置有流量控制阀6，两个流量控制阀6分别与气体流量控制装置2和气体比例混合器3管路连接；
所述硫化氢去除单元包括气体换热器7和催化氧化反应器8，气体换热器7的顶端设有换热器管程入口9，底端设有换热器管程出口10，换热器管程入口9与气体比例混合器3管路连接，且管路上设置有控制阀，换热器管程出口10与催化氧化反应器8顶端设置的进气口管路连接，且管路上设置有控制阀；气体换热器7的侧壁上部设有换热器壳程出口11，侧壁下部设有换热器壳程入口12，换热器壳程入口12和换热器壳程出口11处均设有控制阀；催化氧化反应器8内从上往下依次间隔设有若干块布气板13和催化剂颗粒填充段14，布气板13上均匀设置有多个出气孔，催化剂颗粒填充段14内填充有以蛭石颗粒为基体的V2O5-CeO2催化剂，催化氧化反应器8底端设有出气口，出气口处设置有控制阀并与下游管线相连。
为了便于催化剂活性再生和回收单质硫，所述催化剂颗粒填充段14为可拆卸活性再生式，该装置还包括催化剂活性再生与单质硫回收单元，所述催化剂活性再生与单质硫回收单元为一个带有加热和冷却功能的容器，容器内盛装有二硫化碳溶剂。
一种用于脱除沼气中硫化氢的的方法，包括以下步骤：
a.气相色谱仪1在线检测沼气中含硫化氢和氧气的体积含量，将检测结果传递给气体流量控制装置2；
b.气体流量控制装置2接收到气相色谱仪1的检测结果后，向氧气储罐4或硫化氢储罐5上的流量控制阀6发出指令，向气体比例混合器3内通入氧气或硫化氢，并控制气体比例混合器3内的混合气中氧气和硫化氢的体积比为0.4～0.7；
c.气体比例混合器内3的混合气通过换热器管程入口9进入气体换热器7中，与从换热器壳程入口12进来的热源形成逆流换热，并升温至75～88℃；
d.升温后的混合气自催化氧化反应器8的进气口进入其中，混合气通过布气板13将混合气均匀分布在催化剂颗粒填充段14上，硫化氢和氧气在以蛭石颗粒为基体的V2O5-CeO2催化剂作用下进行选择性氧化反应而生成硫磺；
e.经过催化氧化反应后的沼气由催化氧化反应器8底端的出气口进入下游管线。
为了提高V2O5-CeO2催化剂的使用效率和催化效率，该方法还包括将V2O5-CeO2催化剂每次连续使用80～120h后对其进行活性再生；所述活性再生过程为：把催化剂颗粒填充段14拆卸后浸泡于盛有25～30℃的二硫化碳的容器中，浸泡30～60min后取出并烘干，V2O5-CeO2催化剂活性得以再生。
为了回收单质硫，提高资源利用率，把浸泡过催化剂颗粒填充段14的二硫化碳降温至0～3℃，过滤即可回收单质硫。
为了提高催化效果，所述步骤d中混合气与V2O5-CeO2催化剂的接触时间至少0.3s；所述V2O5-CeO2催化剂中V2O5和CeO2的质量含量比为(1.5～1)：1。所述V2O5-CeO2催化剂的制备过程如下：
A.将蛭石颗粒于550℃条件下煅烧2h，采用浸渍涂敷技术将煅烧后的蛭石颗粒初步浸渍在CeO2-ZrO2涂层悬浊液中3h；
B.将经过步骤A处理后的蛭石颗粒于150℃条件下烘干40min，然后再浸渍在CeO2-ZrO2涂层悬浊液中，直至CeO2-ZrO2涂层使得蛭石颗粒重量增加13～25％；
C.将经过步骤B处理后的蛭石颗粒于550℃条件下煅烧2h；
D.将一定量的偏钒酸铵溶解于蒸馏水中配制成偏钒酸铵溶液，并加热至70～80℃；
E.将经过步骤C处理后的蛭石颗粒浸渍在偏钒酸铵溶液中30min，然后于150℃条件下烘干40min，接着再浸渍在偏钒酸铵溶液中，直至V2O5涂层使得经步骤C处理后的蛭石颗粒的重量增加18～28％；
F.将经过步骤E处理后的蛭石颗粒于550℃条件下煅烧4h，制备得到以蛭石颗粒为基体的V2O5-CeO2催化剂。
通过气体比例混合器3控制沼气中将氧气和硫化氢的体积含量比为0.4，硫化氢浓度为500mg/Nm3的沼气通入本发明所述装置，经气相色谱仪1分析沼气中氧气和硫化氢的体积含量比之后，气相色谱仪1的分析结果传递给气体流量控制装置2，气体流量控制装置2给流量控制阀6发出开阀的指令，氧气储罐4中的氧气进入气体比例混合器3，与沼气在此混合并将沼气中氧气和硫化氢的体积含量比调节为0.4。混合气经控制阀从换热器管程入口9进入气体换热器7，与从换热器壳程入口12进来的热源形成逆流换热，并升温至85℃。升温后的混合气经换热器管程出口10流出，经控制阀进入催化氧化反应器8，混合气中的氧气和硫化氢在催化剂的作用下反应生成硫单质和少量的二氧化硫。脱除了硫化氢的沼气经催化氧化反应器8底部出气口和控制阀通往下游管线。经检测从催化氧化反应器8出来的沼气中硫化氢的浓度为9.8mg/Nm3，脱出率高达98.04％，二氧化硫的浓度为18mg/Nm3。
催化氧化反应器工作100h后，把催化剂颗粒填充段14拆卸后浸泡于盛有30℃的二硫化碳的容器中，浸泡45min后取出并烘干，催化剂恢复活性。把浸泡过催化剂颗粒填充段14的二硫化碳降温至0℃，单质硫从溶剂中析出，过滤即可回收硫单质。
Claims (10)
1.一种用于脱除沼气中硫化氢的装置，其特征在于：包括气体分析配气单元和硫化氢去除单元，气体分析配气单元与硫化氢去除单元相连；
所述气体分析配气单元包括气相色谱仪(1)、气体流量控制装置(2)、气体比例混合器(3)、氧气储罐(4)、硫化氢储罐(5)，沼气输送管分别与气相色谱仪(1)和气体比例混合器(3)管路连接且管路上分别设置有控制阀，气相色谱仪(1)与气体流量控制装置(2)之间电连接，氧气储罐(4)和硫化氢储罐(5)的出气口分别设置有流量控制阀(6)，两个流量控制阀(6)分别与气体流量控制装置(2)和气体比例混合器(3)管路连接；
所述硫化氢去除单元包括气体换热器(7)和催化氧化反应器(8)，气体换热器(7)的顶端设有换热器管程入口(9)，底端设有换热器管程出口(10)，换热器管程入口(9)与气体比例混合器(3)管路连接，且管路上设置有控制阀，换热器管程出口(10)与催化氧化反应器(8)顶端设置的进气口管路连接，且管路上设置有控制阀；气体换热器(7)的侧壁上部设有换热器壳程出口(11)，侧壁下部设有换热器壳程入口(12)，换热器壳程入口(12)和换热器壳程出口(11)处均设有控制阀；催化氧化反应器(8)内从上往下依次间隔设有若干块布气板(13)和催化剂颗粒填充段(14)，布气板(13)上均匀设置有多个出气孔，催化剂颗粒填充段(14)内填充有以蛭石颗粒为基体的V2O5-CeO2催化剂，催化氧化反应器(8)底端设有出气口，出气口处设置有控制阀并与下游管线相连。
2.根据权利要求1所述的一种用于脱除沼气中硫化氢的装置，其特征在于：所述催化剂颗粒填充段(14)为可拆卸活性再生式。
3.根据权利要求2所述的一种用于脱除沼气中硫化氢的装置，其特征在于：还包括催化剂活性再生与单质硫回收单元，所述催化剂活性再生与单质硫回收单元为一个带有加热和冷却功能的容器，容器内盛装有二硫化碳溶剂。
4.一种用于脱除沼气中硫化氢的的方法，其特征在于：包括以下步骤：
a.气相色谱仪(1)在线检测沼气中含硫化氢和氧气的体积含量，将检测结果传递给气体流量控制装置(2)；
b.气体流量控制装置(2)接收到气相色谱仪(1)的检测结果后，向氧气储罐(4)或硫化氢储罐(5)上的流量控制阀(6)发出指令，向气体比例混合器(3)内通入氧气或硫化氢，并控制气体比例混合器(3)内的混合气中氧气和硫化氢的体积比为0.4～0.7；
c.气体比例混合器(3)内的混合气通过换热器管程入口(9)进入气体换热器(7)中，与从换热器壳程入口(12)进来的热源形成逆流换热，并升温至75～88℃；
d.升温后的混合气自催化氧化反应器(8)的进气口进入其中，混合气通过布气板(13)将混合气均匀分布在催化剂颗粒填充段(14)上，硫化氢和氧气在以蛭石颗粒为基体的V2O5-CeO2催化剂作用下进行选择性氧化反应而生成硫磺；
e.经过催化氧化反应后的沼气由催化氧化反应器(8)底端的出气口进入下游管线。
5.根据权利要求4所述的一种用于脱除沼气中硫化氢的的方法，其特征在于：还包括将V2O5-CeO2催化剂每次连续使用80～120h后对其进行活性再生。
6.根据权利要求5所述的一种用于脱除沼气中硫化氢的的方法，其特征在于：所述活性再生过程为：把催化剂颗粒填充段(14)拆卸后浸泡于盛有25～30℃的二硫化碳的容器中，浸泡30～60min后取出并烘干，V2O5-CeO2催化剂活性得以再生。
7.根据权利要求6所述的一种用于脱除沼气中硫化氢的的方法，其特征在于：把浸泡过催化剂颗粒填充段(14)的二硫化碳降温至0～3℃，过滤即可回收单质硫。
8.根据权利要求4或5所述的一种用于脱除沼气中硫化氢的的方法，其特征在于：所述步骤d中混合气与V2O5-CeO2催化剂的接触时间至少0.3s。
9.根据权利要求4或5所述的一种用于脱除沼气中硫化氢的的方法，其特征在于：所述V2O5-CeO2催化剂中V2O5和CeO2的质量含量比为(1.5～1)：1。
10.根据权利要求4或5所述的一种用于脱除沼气中硫化氢的的方法，其特征在于：所述V2O5-CeO2催化剂的制备过程如下：
A.将蛭石颗粒于550℃条件下煅烧2h，采用浸渍涂敷技术将煅烧后的蛭石颗粒初步浸渍在CeO2-ZrO2涂层悬浊液中3h；
B.将经过步骤A处理后的蛭石颗粒于150℃条件下烘干40min，然后再浸渍在CeO2-ZrO2涂层悬浊液中，直至CeO2-ZrO2涂层使得蛭石颗粒重量增加13～25％；
C.将经过步骤B处理后的蛭石颗粒于550℃条件下煅烧2h；
D.将一定量的偏钒酸铵溶解于蒸馏水中配制成偏钒酸铵溶液，并加热至70～80℃；
E.将经过步骤C处理后的蛭石颗粒浸渍在偏钒酸铵溶液中30min，然后于150℃条件下烘干40min，接着再浸渍在偏钒酸铵溶液中，直至V2O5涂层使得经步骤C处理后的蛭石颗粒的重量增加18～28％；
F.将经过步骤E处理后的蛭石颗粒于550℃条件下煅烧4h，制备得到以蛭石颗粒为基体的V2O5-CeO2催化剂。
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