CN111500333A - 一种固体废弃物和碱液循环脱硫脱碳系统及其工作方法 - Google Patents

一种固体废弃物和碱液循环脱硫脱碳系统及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种固体废弃物和碱液循环脱硫脱碳系统及其工作方法，属于沼气除杂提纯技术领域。包括碱性氧化物固体废弃物进料装置、搅拌装置、脱硫脱碳反应器、第一固液分离器、碱液再生反应装置和第二固液分离器。采用碱性氧化物固体废弃物和碱液对沼气进行脱硫脱碳，反应后的碱液能够通过碱液再生反应装置再生后循环重复利用。系统的原料来源广泛、节能环保、效率高；由于反应参数要求不高，对系统中的设备要求低，极大的降低了生产和运行成本，使系统容易构建；过程中产生多种副产物，经济效益好，具有良好的应用前景。

Description

一种固体废弃物和碱液循环脱硫脱碳系统及其工作方法
技术领域
本发明属于沼气除杂提纯技术领域，具体涉及一种固体废弃物和碱液循环脱硫脱碳系统及其工作方法。
背景技术
沼气是有机物在厌氧条件下经微生物的发酵作用生产的一种可燃性混合气体，其主要成分是甲烷和二氧化碳，此外还有少量氢、氮气、一氧化碳、硫化氢和氨等，二氧化碳的体积含量在25％-40％。沼气中硫化氢的浓度受发酵原料或发酵工艺的影响，其含量变化很大，一般在0.8-14.5g/m3，这一数值己经超出了国家标准，因此在使用沼气前，必须首先对沼气进行除杂提纯处理。通过沼气除杂提纯净化不仅能实现能量的回收替代传统能源，还能极大地降低碳排放量对温室效应的影响，具有理想的碳减排效益。
脱硫脱碳是除杂提纯的核心工艺。脱硫是为了避免硫化氢腐蚀压缩机、储气罐及管道、发动机，以及避免造成催化剂中毒；脱碳是因为二氧化碳使沼气的热值、能量密度及燃烧速度降低，以及增大了沼气点火温度；脱水是为了避免水在导气管道中积累后会使溶解硫化氢和氨气等气体而腐蚀压缩机、储气罐及管道、发动机，以及防止沼气在加压储存时冷凝或结冰。
脱除沼气中CO2和H2S的方法很多，现有的沼气除杂提纯方法主要是溶剂法脱硫脱碳，采用醇胺类溶剂对天然气中所含的CO2和H2S等多种有害组分进行脱除。工业上常用的醇胺主要有乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)、二异丙醇胺(DIPA)、N-甲基二乙醇胺(MDEA)等。溶剂法脱硫脱碳存在无选择性，溶剂易发泡及降解变质，腐蚀性强，蒸汽压高、蒸发损失量大等问题。
膜分离脱硫脱碳技术具有较多优点，但目前尚未在工业上广泛应用。主要原因是复杂的制膜工艺使得生产成本高昂，以及受目前工业生产水平的限制，膜的性能稳定性较差。目前，膜分离技术无法保证在任何情况下使天然气的净化度达到管输标准，因此还需增加传统处理技术作为最终的净化步骤。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种固体废弃物和碱液循环脱硫脱碳系统及其工作方法，原料来源广泛、节能环保、效率高，过程中产生多种副产物，经济效益好，具有良好的应用前景。
本发明通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种固体废弃物和碱液循环脱硫脱碳系统，包括碱性氧化物固体废弃物进料装置、搅拌装置、脱硫脱碳反应器、第一固液分离器、碱液再生反应装置和第二固液分离器；
碱性氧化物固体废弃物进料装置的出口分别与搅拌装置的固体入口和碱液再生反应装置的固体入口连接；碱液再生反应装置的液体入口连接有碱液进液管，碱液再生反应装置的出口与第二固液分离器的入口连接，第二固液分离器的固体出口连接有第一固体排出管，第二固液分离器的液体出口与搅拌装置的液体入口连接，搅拌装置的出口通过第一浆料输送管与脱硫脱碳反应器的浆料入口连接，脱硫脱碳反应器的气体入口连接有沼气进气管，脱硫脱碳反应器的气体出口连接有净化气出气管，脱硫脱碳反应器的浆料出口与第一固液分离器的入口连接，第一固液分离器的固体出口连接有第二固体排出管，第一固液分离器的液体出口与碱液再生反应装置的液体入口连接。
优选地，脱硫脱碳反应器为喷淋塔反应器，浆料入口设在脱硫脱碳反应器的顶部，沼气进气管设在脱硫脱碳反应器的底部。
优选地，第一浆料输送管上设有浆料定量进料泵。
优选地，碱液再生反应装置为反应釜。
优选地，搅拌装置为搅拌釜。
优选地，第一固体废弃物排出管和第二固体废弃物排出管均分别连接有干燥装置，干燥装置连接有储料仓。
本发明公开的上述固体废弃物和碱液循环脱硫脱碳系统的工作方法，包括：
碱性氧化物固体废弃物进料装置将碱性氧化物固体废弃物输送至搅拌装置，在搅拌装置中碱性氧化物固体废弃物与来自第二固液分离器的再生碱液搅拌混合成为浆料后进入脱硫脱碳反应器，浆料与进入脱硫脱碳反应器的沼气发送脱硫脱碳反应，反应后的净化气由净化气出气管排出，反应后的浆料进入第一固液分离器，分离后的固体由第二固体排出管排出，分离后的待再生碱液进入碱液再生反应装置与碱性氧化物固体废弃物反应进行再生，碱液进液管补充损耗的碱液，反应后的浆料进入第二固液分离器，分离后的固体由第一固体排出管排出，分离后的再生碱液再次进入搅拌装置开始下一次循环。
优选地，碱性氧化物固体废弃物为粉煤灰、电石渣、钢渣和矿渣中的一种或多种。
优选地，碱液为含有氢氧化钠或/和氢氧化钾的废碱液。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的一种固体废弃物和碱液循环脱硫脱碳系统，采用碱液活化作为吸收剂的碱性氧化物固体废弃物原料的孔隙结构，使用含碱液的固体废弃物浆料来降低脱硫脱碳反应所需的温度条件，碱液可以在碱性氧化物固体废弃物原料的表面形成液膜，增强了CO2和H2S分子在吸附剂表面及内部的移动性能，有利于扩散过程，将气固传质转化为气液传质，提高CO2和H2S的吸附速率，进一步增加脱硫脱碳反应的传质推动力，提高了反应速率、降低了反应温度；反应速率快，能够把常规工艺中2～6个小时的反应时间降低到30～60min，极大地缩短了反应时间。由于反应参数要求不高，对系统中的设备要求低，极大的降低了生产和运行成本，使系统容易构建。碱液通过循环再生可多次利用，降低成本的同时节能环保。
系统所需的原料来源广泛，可适用于脱硫脱碳的硅酸镁(钙)矿石(主要为蛇纹石和橄榄石)储量超过30000Gt，比已知的化石能源总量还多；并可使用工业大宗固体废弃物(如电厂废弃物，炼钢厂残渣，水泥厂残渣，采矿厂尾矿)做原料，脱硫脱碳后的固体废弃物还可用于建材行业，实现废物利用和环境保护的双赢；碱性氧化物固体废弃物中的铁在碱性条件下可与硫化氢反应生成硫化铁盐类，碱性氧化物固体废弃物中的钙，镁等在碱性条件下可与二氧化碳反应生成碳酸盐类，永久地对CO2和H2S进行封存，实现无泄漏、无后期监测，对环境友好，与地质封存相比，降低了风险，容易被公众所接受。系统的反应过程中产生多种具有经济价值的产品，能够补贴沼气处理的费用，并有潜力创造更高的经济效益形成产业链，具有良好的应用前景。
进一步地，脱硫脱碳反应器采用喷淋塔反应器，能够提高反应接触时间，强化反应中CO2和H2S与有效组分的接触概率，从而加快脱硫脱碳反应速率。
进一步地，第一浆料输送管上设置浆料定量进料泵，能够灵活控制进料量，提高反应效率和原料利用率。
进一步地，碱液再生反应装置采用反应釜，应用广泛，能够同时进行搅拌和加热，效率高，同时避免原料泄露污染环境。
进一步地，搅拌装置采用搅拌釜，能够避免原料泄露污染环境。
进一步地，第一固体废弃物排出管和第二固体废弃物排出管中的固体废弃物通过干燥装置干燥后通过储料仓进行储存，充分利用了副产物，具有良好的经济效益。
本发明公开的上述固体废弃物和碱液循环脱硫脱碳系统的工作方法，反应条件简单、效率高、安全可靠、节能环保，反应过程能够产生具有经济价值的副产物，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明的固体废弃物和碱液循环脱硫脱碳系统的整体结构示意图。
图中：1-碱性氧化物固体废弃物进料装置，2-第二输送支路，3-第一输送支路，4-搅拌装置，5-第一浆料输送管，6-浆料定量进料泵，7-浆料入口，8-脱硫脱碳反应器，9-沼气进气管，10-净化气出气管，11-第三浆料输送管，12-第一固液分离器，13-第二固体排出管，14-待再生碱液输送管，15-碱液进液管，16-碱液再生反应装置，17-第二浆料输送管，18-第二固液分离器，19-第一固体排出管，20-再生碱液输送管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：
如图1，本发明的固体废弃物和碱液循环脱硫脱碳系统，碱性氧化物固体废弃物进料装置1的出口分别通过第一输送支路3与搅拌装置4的固体入口连接，通过第二输送支路2与碱液再生反应装置16的固体入口连接；碱液再生反应装置16的液体入口连接有碱液进液管15，碱液再生反应装置16的出口通过第二浆料输送管17与第二固液分离器18的入口连接，第二固液分离器18的固体出口连接有第一固体排出管19，第二固液分离器18的液体出口通过再生碱液输送管20与搅拌装置4的液体入口连接，搅拌装置4的出口通过第一浆料输送管5与脱硫脱碳反应器8的浆料入口7连接，第一浆料输送管5上设有浆料定量进料泵6；脱硫脱碳反应器8的气体入口连接有沼气进气管9，脱硫脱碳反应器8优选采用喷淋塔反应器，浆料入口7设在脱硫脱碳反应器8的顶部，沼气进气管9设在脱硫脱碳反应器8的底部；脱硫脱碳反应器8的气体出口连接有净化气出气管10，脱硫脱碳反应器8的浆料出口通过第三浆料输送管11与第一固液分离器12的入口连接，第一固液分离器12的固体出口连接有第二固体排出管13，第一固液分离器12的液体出口通过待再生碱液输送管14与碱液再生反应装置16的液体入口连接。第一固体废弃物排出管19和第二固体废弃物排出管13均分别连接有干燥装置，干燥装置连接有储料仓。
优选地，碱液再生反应装置16采用反应釜；搅拌装置4采用搅拌釜。
碱性氧化物固体废弃物为粉煤灰、电石渣、钢渣和矿渣中的一种或多种。
碱液为含有氢氧化钠或/和氢氧化钾的废碱液。
上述固体废弃物和碱液循环脱硫脱碳系统的工作方法，包括以下步骤：
第一步，反应浆料制备：碱性氧化物固体废弃物进料装置1将一部分用于反应的固体废弃物原料通过第一输送支路3输送至搅拌装置4，在搅拌装置4中，来自再生碱液输送管20中的再生后的碱液与固体废弃物原料进行搅拌混合得到浆料；
第二步，浆料进入脱硫脱碳反应器8：第一浆料输送管5内的浆料通过浆料定量进料泵6进行定量并输送至脱硫脱碳反应器8顶部；
第三步，沼气进入脱硫脱碳反应器8：未脱除CO2和H2S的沼气经沼气进气管9从脱硫脱碳反应器8底部的气体入口进入脱硫脱碳反应器8；
第四步，脱硫脱碳反应：未脱除CO2和H2S的沼气与浆料在脱硫脱碳反应器8内进行脱硫脱碳反应；
第五步，净化气排出：脱除CO2和H2S后的净化气经净化气出气管10排出后收集脱水得到生物质天然气产品；
第六步，固液分离：脱硫脱碳反应后的浆料经第三浆料输送管11进入第一固液分离器12，通过第一固液分离器12进行固液分离；
第七步，固体产品收集：通过第一固液分离器12得到的固体经第二固体排出管13排出后干燥收集作为建材产品；
第八步，碱液循环：通过第一固液分离器12得到的液体通过待再生碱液输送管14进入碱液再生反应装置16，碱性氧化物固体废弃物进料装置1通过第二输送支路2将用于碱液再生的固体废弃物原料输送至碱液再生反应装置16；
第九步，碱液再生反应：在碱液再生反应装置16中脱硫脱碳反应后的碱液进行再生；
第十步，固体产品收集：碱液再生反应装置16中进行再生反应后的固体废弃物经第一固体排出管19排出后干燥收集作为建材产品；
第十一步，再生碱液返料：再生后的碱液经再生碱液输送管20输送至搅拌装置4中制备混合浆料继续进行脱硫脱碳反应。
需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式的一部分，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种固体废弃物和碱液循环脱硫脱碳系统，其特征在于，包括碱性氧化物固体废弃物进料装置(1)、搅拌装置(4)、脱硫脱碳反应器(8)、第一固液分离器(12)、碱液再生反应装置(16)和第二固液分离器(18)；
碱性氧化物固体废弃物进料装置(1)的出口分别与搅拌装置(4)的固体入口和碱液再生反应装置(16)的固体入口连接；碱液再生反应装置(16)的液体入口连接有碱液进液管(15)，碱液再生反应装置(16)的出口与第二固液分离器(18)的入口连接，第二固液分离器(18)的固体出口连接有第一固体排出管(19)，第二固液分离器(18)的液体出口与搅拌装置(4)的液体入口连接，搅拌装置(4)的出口通过第一浆料输送管(5)与脱硫脱碳反应器(8)的浆料入口(7)连接，脱硫脱碳反应器(8)的气体入口连接有沼气进气管(9)，脱硫脱碳反应器(8)的气体出口连接有净化气出气管(10)，脱硫脱碳反应器(8)的浆料出口与第一固液分离器(12)的入口连接，第一固液分离器(12)的固体出口连接有第二固体排出管(13)，第一固液分离器(12)的液体出口与碱液再生反应装置(16)的液体入口连接。
2.根据权利要求1所述的固体废弃物和碱液循环脱硫脱碳系统，其特征在于，脱硫脱碳反应器(8)为喷淋塔反应器，浆料入口(7)设在脱硫脱碳反应器(8)的顶部，沼气进气管(9)设在脱硫脱碳反应器(8)的底部。
3.根据权利要求1所述的固体废弃物和碱液循环脱硫脱碳系统，其特征在于，第一浆料输送管(5)上设有浆料定量进料泵(6)。
4.根据权利要求1所述的固体废弃物和碱液循环脱硫脱碳系统，其特征在于，碱液再生反应装置(16)为反应釜。
5.根据权利要求1所述的固体废弃物和碱液循环脱硫脱碳系统，其特征在于，搅拌装置(4)为搅拌釜。
6.根据权利要求1所述的固体废弃物和碱液循环脱硫脱碳系统，其特征在于，第一固体废弃物排出管(19)和第二固体废弃物排出管(13)均分别连接有干燥装置，干燥装置连接有储料仓。
7.根据权利要求1～6任意一项所述固体废弃物和碱液循环脱硫脱碳系统的工作方法，其特征在于，包括：
碱性氧化物固体废弃物进料装置(1)将碱性氧化物固体废弃物输送至搅拌装置(4)，在搅拌装置(4)中碱性氧化物固体废弃物与来自第二固液分离器(18)的再生碱液搅拌混合成为浆料后进入脱硫脱碳反应器(8)，浆料与进入脱硫脱碳反应器(8)的沼气发送脱硫脱碳反应，反应后的净化气由净化气出气管(10)排出，反应后的浆料进入第一固液分离器(12)，分离后的固体由第二固体排出管(13)排出，分离后的待再生碱液进入碱液再生反应装置(16)与碱性氧化物固体废弃物反应进行再生，碱液进液管(15)补充损耗的碱液，反应后的浆料进入第二固液分离器(18)，分离后的固体由第一固体排出管(19)排出，分离后的再生碱液再次进入搅拌装置(4)开始下一次循环。
8.根据权利要求7所述的固体废弃物和碱液循环脱硫脱碳系统的工作方法，其特征在于，碱性氧化物固体废弃物为粉煤灰、电石渣、钢渣和矿渣中的一种或多种。
9.根据权利要求7所述的固体废弃物和碱液循环脱硫脱碳系统的工作方法，其特征在于，碱液为含有氢氧化钠或/和氢氧化钾的废碱液。
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