CN109722317A - 基于湿法再生co2吸附材料的天然气脱碳系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于湿法再生CO2吸附材料的天然气脱碳系统及方法，包括脱水处理、分子筛再生处理、脱碳处理以及脱碳膜再生处理；该系统将管道输送来的湿天然气通过脱水膜分离器和分子筛脱水塔脱除水，然后再经脱碳膜分离器脱除CO2和H2S；在脱碳工序中提供了一种基于湿法再生技术的季铵型阴离子交换树脂膜，仅靠调控湿度即可完成CO2的吸附和脱碳膜的再生，实现了高效连续脱除天然气中CO2的目的。
Description
技术领域
本发明涉及天然气脱碳领域，具体涉及基于湿法再生CO2吸附材料的天然气脱碳系统及方法。
背景技术
天然气作为一种清洁能源，越来越受到人们的关注。天然气主要以甲烷等烃类为主，常含有CO2和H2S等酸性气体，酸性气体的存在会给设备的处理和天然气的集输带来严重的影响。首先会导致设备和管道的腐蚀，严重时造成设备和管道腐蚀穿孔、刺漏等。此外，若天然气中CO2的含量过高会造成天然气的热值降低，不利于燃烧。而且，天然气中的CO2也是一种资源，合理的资源化利用也能提高经济效益，因此对天然气进行脱碳处理是必要且具有重要意义的。
目前国内外天然气脱碳方法主要以醇胺吸收法为主，如DEA法、MDEA法等，这些方法成本高，能耗大，而且醇胺溶液腐蚀设备和管道。与醇胺吸收法相比，膜法脱碳具有成本低、空间利用率高等优点，但是传统的膜法脱碳随着生产需要逐渐增加膜组，天然气在进入膜组前需要对其进行增压、脱水、烃露点控制等预处理，能耗大且工艺复杂。
发明内容
本发明的目的是提供基于湿法再生CO2吸附材料的天然气脱碳系统及方法，解决传统脱碳工艺设备管道腐蚀、能耗大及工艺复杂的问题。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于湿法再生CO2吸附材料的天然气脱碳系统，包括用于过滤固体颗粒的过滤器1-1，其进气口与湿原料气1相连通，出气口与用于湿原料气1粗脱水的脱水膜分离器1-2的进气口相连；
脱水膜分离器1-2出气口分为两条支路，一条支路设有脱水冷却器1-3和脱水气液分离器1-4，脱水气液分离器1-4的进气口与脱水冷却器1-3出气口相连，脱水气液分离器1-4的出气口分为两条支路，一条支路用于排出脱水废水2，另一条支路与脱水膜分离器1-2的另一条支路汇合；
第一三通电磁阀1-5的进气口与上述汇合后的气路相连，第一三通电磁阀1-5出气口分为两条支路，分别连接第一分子筛脱水塔1-6和第二分子筛脱水塔1-7的进气口，第一三通电磁阀1-5控制气体选择进入第一分子筛脱水塔1-6或第二分子筛脱水塔1-7；
第一分子筛脱水塔1-6和第二分子筛脱水塔1-7的出气口均分为两条支路，一条支路与第三三通电磁阀1-10的进气口相连，第三三通电磁阀1-10的出气口与再生冷却器1-11的进气口相连，再生冷却器1-11的出气口与再生气液分离器1-12的进气口相连，再生气液分离器1-12的出气口分为两条支路，一条支路用于排出再生废水3，另一条支路排出的含碳湿天然气汇入第一三通电磁阀1-5的进气口；第一分子筛脱水塔1-6和第二分子筛脱水塔1-7的出气口的另一条支路又分为两条支路，一条支路设有再生加热器1-9，再生加热器1-9用于加热再生气进入第一分子筛脱水塔1-6或第二分子筛脱水塔1-7对分子筛进行再生，另一条支路设有第二三通电磁阀1-8，第二三通电磁阀1-8的进气口与第一分子筛脱水塔1-6或第二分子筛脱水塔1-7的出气口相连，出气口与第四三通电磁阀1-13的进气口相连；
第四三通电磁阀1-13的出气口分为两条支路，分别连接第一脱碳膜分离器1-14和第二脱碳膜分离器1-15的顶部进气口，第四三通电磁阀1-13控制气体选择进入第一脱碳膜分离器1-14或第二脱碳膜分离器1-15，第一脱碳膜分离器1-14和第二脱碳膜分离器1-15的出气口分别与第五三通电磁阀1-16和第六三通电磁阀1-17的进气口相连，第五三通电磁阀1-16和第六三通电磁阀1-17的出气口均分为两条支路，一条支路用于排出经过脱碳处理的干天然气5，此支路又分为两条支路，一条支路排出干天然气5进入下一工序，另一条支路与第七三通电磁阀1-18的一个进气口相连，第五三通电磁阀1-16和第六三通电磁阀1-17出气口的另一条支路与第九三通电磁阀1-21的进气口相连，第九三通电磁阀1-21的出气口分为两条支路，一条支路用于排出雾化水汽4携带的第一脱碳膜分离器1-14或第二脱碳膜分离器1-15中膜再生解吸附出来的CO2和H2S形成的CO2、H2S和雾化水汽的混合气6，另一条支路用于排出干燥再生脱碳膜后的不含碳湿天然气汇去再生冷却器1-11的进气口进行脱水处理；
第七三通电磁阀1-18具有两个进气口，其中一进气口与雾化水汽4相连，另一进气口与干天然气5相连，通过控制进气种类进行CO2的解吸附和脱碳膜干燥再生，第七三通电磁阀1-18的出气口与加热器1-19的进气口相连，加热器1-19的出气口与第八三通电磁阀1-20的进气口相连，第八三通电磁阀1-20的出气口分为两条支路，分别与第一脱碳膜分离器1-14和第二脱碳膜分离器1-15的侧面进气口相连。
所述第一三通电磁阀1-5、第二三通电磁阀1-8和第三三通电磁阀1-10控制气路实现在线更换第一分子筛脱水塔1-6或第二分子筛脱水塔1-7进行连续脱水；第四三通电磁阀1-13、第五三通电磁阀1-16、第六三通电磁阀1-17、第七三通电磁阀1-18、第八三通电磁阀1-20和第九三通电磁阀1-21控制气路实现在线更换第一脱碳膜分离器1-14或第二脱碳膜分离器1-15进行连续脱碳。
所述脱水膜分离器1-2中的脱水膜为醋酸纤维膜。
所述第一脱碳膜分离器1-14和第二脱碳膜分离器1-15中的脱碳膜为季铵型阴离子换树脂膜，阴离子采用氯离子、溴离子或氟离子。
所述的基于湿法再生CO2吸附材料的天然气脱碳系统的天然气脱碳方法，步骤如下：
(1)脱水：管道输送来的湿原料气1经过过滤器1-1过滤掉固体颗粒，然后送入脱水膜分离器1-2脱去大部分水，然后水携带少量天然气从膜的渗透侧排出进入脱水冷却器1-3冷却，然后进入脱水气液分离器1-4分离出天然气和脱水废水2，该天然气与脱水膜分离器1-2高压侧的天然气汇合通过第一三通电磁阀1-5控制从第一分子筛脱水塔1-6或第二分子筛脱水塔1-7顶部进入塔内，进行深度脱水；
(2)分子筛再生：从第一分子筛脱水塔1-6或第二分子筛脱水塔1-7排出的含碳干天然气被分成两股，一股作为第二分子筛脱水塔1-7或第一分子筛脱水塔1-6的分子筛的再生气，通过加热器1-9加热对分子筛进行再生；分子筛再生后，湿含碳天然气通过第三三通电磁阀1-10的控制进入再生冷却器1-11和再生气液分离器1-12分离出天然气和再生废水3；
(3)脱碳：另一股含碳干天然气进入第一脱碳膜分离器1-14或第二脱碳膜分离器1-15中，脱除CO2和H2S后的干天然气5同样被分成两股，一股作为第二脱碳膜分离器1-15或第一脱碳膜分离器1-14的湿脱碳膜的干燥再生气对湿脱碳膜进行干燥再生，另一股进入下一工序；
(4)脱碳膜再生：雾化水汽4从第一脱碳膜分离器1-14或第二脱碳膜分离器1-15顶部进入进行CO2和H2S解吸，解吸得到的CO2、H2S和雾化水汽的混合气6从第一脱碳膜分离器1-14或第二脱碳膜分离器1-15底部排出。
步骤(1)中脱水废水2和步骤(2)中的再生废水3经过雾化也补充至雾化水汽4中。
步骤(3)中作为湿脱碳膜干燥再生气的干天然气经过加热器19加热进入第一脱碳膜分离器1-14或第二脱碳膜分离器1-15对湿脱碳膜进行干燥再生，脱碳膜再生后，开始下一循环。
脱水膜分离器脱除的水分经冷却器冷却再经气液分离器分离出天然气和废水，分离出的天然气再与脱水膜分离器高压侧的天然气混合进入分子筛脱水塔。此过程减少了天然气的损失。
为了保证天然气中水与CO2的连续脱除，所述分子筛脱水塔采用两塔并联的方式，分别交替完成脱水和分子筛再生处理；脱碳膜分离器同样也采用两器并联的方式，分别完成脱碳和脱碳膜再生处理。
根据优选方案，本发明可以将CO2含量为10％～25％的原料天然气净化至＜1％，也可以将CO2含量为～1％的商品气进一步升级至＜0.5％。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明湿法再生脱碳膜无需随着生产逐渐增加膜组，也无需增压，工艺简单，操作弹性大。
(2)本发明在系统中设置了三通电磁阀，可以通过控制器精确控制每个电磁阀的开关，很好地实现了在线更换分子筛脱水塔和脱碳膜分离器进行脱水脱碳工作，无需停产。
(3)本发明无需额外添加溶剂，无腐蚀，无毒性，不会产生二次污染。
(4)本发明可以深度脱碳。
附图说明
图1为本发明流程图。
其中附图标记对应的名称为：
1-湿原料气；2-脱水废水；3-再生废水；4-雾化水汽；5-干天然气；6-CO2、H2S和雾化水汽的混合气
1-1-过滤器；1-2-脱水膜分离器；1-3-脱水冷却器；1-4-脱水气液分离器；1-5-第一三通电磁阀；1-6-第一分子筛脱水塔；1-7-第二分子筛脱水塔；1-8-第二三通电磁阀；1-9-再生加热器；1-10-第三三通电磁阀；1-11-再生冷却器；1-12-再生气液分离器；1-13-第四三通电磁阀；1-14-第一脱碳膜分离器；1-15-第二脱碳膜分离器；1-16-第五三通电磁阀；1-17-第六三通电磁阀；1-18-第七三通电磁阀；1-19-加热器；1-20-第八三通电磁阀；1-21-第九三通电磁阀。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步详细说明。
实施例
本实施例一种基于湿法再生CO2吸附材料的天然气脱碳系统及方法，从天然气管道输送来的湿原料气1经过过滤器1-1过滤掉固体颗粒，送入脱水膜分离器1-2脱除大部分水，脱水膜分离器1-2脱除的水分携带少量天然气经脱水冷却器1-3冷却，进入脱水气液分离器1-4分离出脱水废水2和天然气，该天然气与脱水膜分离器1-2高压侧的天然气汇合通过第一三通电磁阀1-5控制从第一分子筛脱水塔1-6的顶部进入塔内，经过分子筛填料层，由第一分子筛脱水塔1-6底部排出，经过脱水的含碳干天然气被分为两股，一股作为第二分子筛脱水塔1-7内的分子筛的再生气，另一股进入下一步脱碳工序；作为第二分子筛脱水塔1-7的分子筛再生气的含碳干天然气经过再生加热器1-9加热后，由第二分子筛脱水塔1-7的底部进入，对分子筛进行再生，再生分子筛后的含碳湿天然气通过第三三通电磁阀1-10的控制进入再生冷却器1-11和再生气液冷凝器1-12分离出再生废水3和天然气，天然气经管线与脱水膜分离器1-2出口天然气管线相连。此外，若脱水膜分离器1-2高压侧的天然气通过第一三通电磁阀1-5控制进入第二分子筛脱水塔1-7，则在第一分子筛脱水塔1-6内进行分子筛再生处理，其流程与上述分子筛脱水、再生流程一致。从第一分子筛脱水塔1-6底部排出的另一股含碳干天然气通过第四三通电磁阀1-13从第一脱碳膜分离器1-14顶部进入，经过膜脱除CO2和H2S，经脱碳后的干天然气5通过第五三通电磁阀1-16排出并被分成两股，一股作为第二脱碳膜分离器1-15的湿脱碳膜的干燥再生气，另一股进入下一工序。同时，雾化水汽4通过第七三通电磁阀1-18和第八三通电磁阀1-20控制进入第二脱水膜分离器1-15中对吸附CO2和H2S饱和的膜进行再生，其中脱水废水2和再生废水3通过雾化可以补充至雾化水汽4中，雾化水汽4携带第二脱碳膜分离器1-15的脱碳膜解吸出的CO2和H2S通过第六三通电磁阀1-17和第九三通电磁阀1-21排出。通过第七三通电磁阀1-18控制上述作为湿脱碳膜再生气的干天然气通过加热器1-19加热进入第二脱碳膜分离器1-15中干燥被打湿的膜，直至水分被完全带走，即完成脱碳膜的干燥再生。干燥再生脱碳膜后的湿天然气通过-第九三通电磁阀1-21排出与从分子筛脱水塔排出的分子筛再生气汇合进入再生冷凝器1-11和再生气液分离器1-12分离出再生废水3和天然气，该天然气和脱水膜分离高压侧的天然气汇合再次进入分子筛脱水塔进行脱水处理。此外，若含碳干天然气通过第四三通电磁阀1-13进入第二碳膜分离器脱碳1-15，则在第一脱碳膜分离器1-14中则进行膜再生处理。
Claims (7)
1.基于湿法再生CO2吸附材料的天然气脱碳系统，其特征在于：
包括用于过滤固体颗粒的过滤器(1-1)，其进气口与湿原料气(1)相连通，出气口与用于湿原料气(1)粗脱水的脱水膜分离器(1-2)的进气口相连；
脱水膜分离器(1-2)出气口分为两条支路，一条支路设有脱水冷却器(1-3)和脱水气液分离器(1-4)，脱水气液分离器(1-4)的进气口与脱水冷却器(1-3)出气口相连，脱水气液分离器(1-4)的出气口分为两条支路，一条支路用于排出脱水废水(2)，另一条支路与脱水膜分离器(1-2)的另一条支路汇合；
第一三通电磁阀(1-5)的进气口与上述汇合后的气路相连，第一三通电磁阀(1-5)出气口分为两条支路，分别连接第一分子筛脱水塔(1-6)和第二分子筛脱水塔(1-7)的进气口，第一三通电磁阀(1-5)控制气体选择进入第一分子筛脱水塔(1-6)或第二分子筛脱水塔(1-7)；
第一分子筛脱水塔(1-6)和第二分子筛脱水塔(1-7)的出气口均分为两条支路，一条支路与第三三通电磁阀(1-10)的进气口相连，第三三通电磁阀(1-10)的出气口与再生冷却器(1-11)的进气口相连，再生冷却器(1-11)的出气口与再生气液分离器(1-12)的进气口相连，再生气液分离器(1-12)的出气口分为两条支路，一条支路用于排出再生废水(3)，另一条支路排出的含碳湿天然气汇入第一三通电磁阀(1-5)的进气口；第一分子筛脱水塔(1-6)和第二分子筛脱水塔(1-7)的出气口的另一条支路又分为两条支路，一条支路设有再生加热器(1-9)，再生加热器(1-9)用于加热再生气进入第一分子筛脱水塔(1-6)或第二分子筛脱水塔(1-7)对分子筛进行再生，另一条支路设有第二三通电磁阀(1-8)，第二三通电磁阀(1-8)的进气口与第一分子筛脱水塔(1-6)或第二分子筛脱水塔(1-7)的出气口相连，出气口与第四三通电磁阀(1-13)的进气口相连；
第四三通电磁阀(1-13)的出气口分为两条支路，分别连接第一脱碳膜分离器(1-14)和第二脱碳膜分离器(1-15)的顶部进气口，第四三通电磁阀(1-13)控制气体选择进入第一脱碳膜分离器(1-14)或第二脱碳膜分离器(1-15)，第一脱碳膜分离器(1-14)和第二脱碳膜分离器(1-15)的出气口分别与第五三通电磁阀(1-16)和第六三通电磁阀(1-17)的进气口相连，第五三通电磁阀(1-16)和第六三通电磁阀(1-17)的出气口均分为两条支路，一条支路用于排出经过脱碳处理的干天然气(5)，此支路又分为两条支路，一条支路排出干天然气(5)进入下一工序，另一条支路与第七三通电磁阀(1-18)的一个进气口相连，第五三通电磁阀(1-16)和第六三通电磁阀(1-17)出气口的另一条支路与第九三通电磁阀(1-21)的进气口相连，第九三通电磁阀(1-21)的出气口分为两条支路，一条支路用于排出雾化水汽(4)携带的第一脱碳膜分离器(1-14)或第二脱碳膜分离器(1-15)中膜再生解吸附出来的CO2和H2S形成的CO2、H2S和雾化水汽的混合气(6)，另一条支路用于排出干燥再生脱碳膜后的不含碳湿天然气汇去再生冷却器(1-11)的进气口进行脱水处理；
第七三通电磁阀(1-18)具有两个进气口，其中一进气口与雾化水汽(4)相连，另一进气口与干天然气(5)相连，通过控制进气种类进行CO2的解吸附和脱碳膜干燥再生，第七三通电磁阀(1-18)的出气口与加热器(1-19)的进气口相连，加热器(1-19)的出气口与第八三通电磁阀(1-20)的进气口相连，第八三通电磁阀(1-20)的出气口分为两条支路，分别与第一脱碳膜分离器(1-14)和第二脱碳膜分离器(1-15)的侧面进气口相连。
2.根据权利要求1所述的基于湿法再生CO2吸附材料的天然气脱碳系统，其特征在于：所述第一三通电磁阀(1-5)、第二三通电磁阀(1-8)和第三三通电磁阀(1-10)控制气路实现在线更换第一分子筛脱水塔(1-6)或第二分子筛脱水塔(1-7)进行连续脱水；第四三通电磁阀(1-13)、第五三通电磁阀(1-16)、第六三通电磁阀(1-17)、第七三通电磁阀(1-18)、第八三通电磁阀(1-20)和第九三通电磁阀(1-21)控制气路实现在线更换第一脱碳膜分离器(1-14)或第二脱碳膜分离器(1-15)进行连续脱碳。
3.根据权利要求1所述的基于湿法再生CO2吸附材料的天然气脱碳系统，其特征在于：所述脱水膜分离器(1-2)中的脱水膜为醋酸纤维膜。
4.根据权利要求1所述的基于湿法再生CO2吸附材料的天然气脱碳系统，其特征在于：所述第一脱碳膜分离器(1-14)和第二脱碳膜分离器(1-15)中的脱碳膜为季铵型阴离子换树脂膜，阴离子采用氯离子、溴离子或氟离子。
5.权利要求1所述的基于湿法再生CO2吸附材料的天然气脱碳系统的天然气脱碳方法，其特征在于：步骤如下：
(1)脱水：管道输送来的湿原料气(1)经过过滤器(1-1)过滤掉固体颗粒，然后送入脱水膜分离器(1-2)脱去大部分水，然后水携带少量天然气从膜的渗透侧排出进入脱水冷却器(1-3)冷却，然后进入脱水气液分离器(1-4)分离出天然气和脱水废水(2)，该天然气与脱水膜分离器(1-2)高压侧的天然气汇合通过第一三通电磁阀(1-5)控制从第一分子筛脱水塔(1-6)或第二分子筛脱水塔(1-7)顶部进入塔内，进行深度脱水；
(2)分子筛再生：从第一分子筛脱水塔(1-6)或第二分子筛脱水塔(1-7)排出的含碳干天然气被分成两股，一股作为第二分子筛脱水塔(1-7)或第一分子筛脱水塔(1-6)的分子筛的再生气，通过加热器(1-9)加热对分子筛进行再生；分子筛再生后，湿含碳天然气通过第三三通电磁阀(1-10)的控制进入再生冷却器(1-11)和再生气液分离器(1-12)分离出天然气和再生废水(3)；
(3)脱碳：另一股含碳干天然气进入第一脱碳膜分离器(1-14)或第二脱碳膜分离器(1-15)中，脱除CO2和H2S后的干天然气(5)同样被分成两股，一股作为第二脱碳膜分离器(1-15)或第一脱碳膜分离器(1-14)的湿脱碳膜的干燥再生气对湿脱碳膜进行干燥再生，另一股进入下一工序；
(4)脱碳膜再生：雾化水汽(4)从第一脱碳膜分离器(1-14)或第二脱碳膜分离器(1-15)顶部进入进行CO2和H2S解吸，解吸得到的CO2、H2S和雾化水汽的混合气(6)从第一脱碳膜分离器(1-14)或第二脱碳膜分离器(1-15)底部排出。
6.根据权利要求5所述的天然气脱碳方法，其特征在于：步骤(1)中脱水废水(2)和步骤(2)中的再生废水(3)经过雾化也补充至雾化水汽(4)中。
7.根据权利要求5所述的天然气脱碳方法，其特征在于：步骤(3)中作为湿脱碳膜干燥再生气的干天然气经过加热器(19)加热进入第一脱碳膜分离器(1-14)或第二脱碳膜分离器(1-15)对湿脱碳膜进行干燥再生，脱碳膜再生后，开始下一循环。
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