CN111575075A - 一种固体废弃物和废碱液联合进行沼气脱硫脱碳的方法 - Google Patents

一种固体废弃物和废碱液联合进行沼气脱硫脱碳的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种固体废弃物和废碱液联合进行沼气脱硫脱碳的方法，属于沼气除杂提纯技术领域。将碱性氧化物固体废弃物与废碱液制成悬浮液，将沼气通入悬浮液中进行脱硫脱碳反应，得到脱硫脱碳后的沼气净化气。利用废碱液中的碱性物质，促使二氧化碳向碳酸盐转化，促进硫化氢向金属硫化物的转化，强化钙、镁碳酸盐沉淀的形成，同时达到二氧化碳和硫化氢的永久固定。该方法采用废弃物作为原料，成本低廉，实现废物利用和环境保护的双赢；反应流程简单，反应迅速，同时脱除沼气中的二氧化碳和硫化氢，是一种效率高，成本低的沼气提纯技术。

Description

一种固体废弃物和废碱液联合进行沼气脱硫脱碳的方法
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废碱液联合进行沼气脱硫脱碳的方法。
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
为了解决上述问题，本发明公开了一种固体废弃物和废碱液联合进行沼气脱硫脱碳的方法，有效提高了废碱液和碱性氧化物固体废弃物的利用率，并且能够同时脱除沼气中的二氧化碳和硫化氢，是一种效率高、成本低的沼气提纯技术。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开的一种固体废弃物和废碱液联合进行沼气脱硫脱碳的方法，将碱性氧化物固体废弃物与废碱液按照50～500g碱性氧化物固体废弃物/L废碱液的料液比制成悬浮液，将沼气通入悬浮液中进行脱硫脱碳反应，得到脱硫脱碳后的沼气净化气。
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，碱性氧化物固体废弃物为经干燥后粒径为100～500微米的不规则颗粒。
优选地，废碱液为含有氢氧化钠或氢氧化钾的废碱液。
进一步优选地，废碱液中氢氧化钠或氢氧化钾的浓度为5～40g/L。
优选地，脱硫脱碳反应的温度为30～90℃。
优选地，脱硫脱碳反应是在喷淋塔中进行的。
进一步优选地，喷淋塔中悬浮液与沼气的液气比为8～25L/m3。
优选地，脱硫脱碳反应后的悬浊液进行固液分离后，对固体进行收集，液体进行碱液再生后再次用于沼气脱硫脱碳反应。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的固体废弃物和废碱液联合进行沼气脱硫脱碳的方法，利用碱性氧化物固体废弃物和废碱液对沼气进行脱硫脱碳处理，碱性氧化物固体废弃物中的铁在碱性条件下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。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，降低了反应温度，提高了反应速率，极大地缩短了反应时间。反应为放热反应，减少了对热量的需求。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，具有良好的应用前景。
进一步地，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，含有大量的铁、镁、钙等，适用于沼气的脱硫脱碳，且能够变废为宝、节约资源。
进一步地，碱性氧化物固体废弃物为经干燥后粒径为100～500微米的不规则颗粒，便于运输的同时有利于提高反应速率。
进一步地，废碱液采用含有氢氧化钠或氢氧化钾的废碱液，来源广泛、成本低廉，反应效率高。
进一步地，废碱液的浓度为5～40g/L，碱液浓度过低脱硫脱碳反应效率低，碱液浓度过高容易结晶，影响设备稳定性，在此浓度范围内能保证脱硫脱碳反应的能够顺利进行。
进一步地，脱硫脱碳反应的温度为30～90℃，温度过低脱硫脱碳反应速率低，温度过高脱硫脱碳反应容易发生逆反应，且工艺能耗较大。
进一步地，脱硫脱碳反应是在喷淋塔中进行的，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。
更进一步地，喷淋塔中悬浮液与沼气的液气比为8～25L/m3，液气比过低，传质推动力不足，反应速率低，液气比过高容易造成碱液浪费。
进一步地，脱硫脱碳反应后的悬浊液进行固液分离后，固体可以收集作为建材再次利用，具有经济效益；废碱液再生后可继续使用，节能环保、节约成本。
具体实施方式
下面结合不同参数下的具体实施例和对比例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
1)将事先干燥好的粉煤灰与氢氧化钠浓度为30g/L的废碱液按照固液比为200g(粉煤灰)/L(废碱液)制成悬浮液浆料备用；
2)采用含有二氧化碳的体积分数40％、硫化氢体积分数3％其余为甲烷的模拟沼气进行实验；
3)在80℃条件下向喷淋塔通入步骤1)中的悬浮液浆料和步骤2)中的模拟沼气，液气比15L/m3条件下进脱硫脱碳反应；
4)脱硫脱碳反应后的悬浊液通过沉降过滤等方式进行固液分离，固体废弃物收集用于生产建材等产品，废碱液排出系统；
5)采用烟气分析仪在线分析脱硫脱碳后沼气中二氧化碳和硫化氢浓度，并计算脱除率，脱除率越高说明反应效果越好。
将步骤1)中的废碱液换成氢氧化钾，其余条件和参数均与上述相同，对结果进行比较如表1，由表1实验结果可知采用氢氧化钠为主要成分的废碱液效果最好，二氧化碳脱除率为88％，硫化氢为89％。
表1不同废碱液主要成分的脱硫脱碳反应脱除率
废碱液主要成分 氢氧化钠 氢氧化钾
二氧化碳脱除率(％) 88 83
硫化氢脱除率(％) 89 87
实施例2
采用氢氧化钠为主要成分的废碱液，采用粉煤灰、钢渣、尾矿渣中的一种作为固体原料，其他条件和参数同实施例1，由表2实验结果可知采用粉煤灰效果最好，这是由于粉煤灰碱性氧化物含量较高，有利于脱硫脱碳反应进行。
表2不同固体废弃物原料的脱硫脱碳反应脱除率
固体废弃物原料 粉煤灰 电石渣 钢渣 尾矿渣
二氧化碳脱除率(％) 88 86 82 84
硫化氢脱除率(％) 89 82 87 90
实施例3
采用氢氧化钠为主要成分的废碱液和粉煤灰做原料，固液比为50g(固体废弃物)/L(废碱液)、100g(固体废弃物)/L(废碱液)、200g(固体废弃物)/L(废碱液)、300g/L(废碱液)、400g(固体废弃物)/L(废碱液)、500g(固体废弃物)/L(废碱液)，其他条件和参数同实施例1，由表3可知固液比为200g(固体废弃物)/L(废碱液)反应效果最好。在本体系中，固体废弃物主要发挥脱除二氧化碳的作用，碱液主要发挥脱硫化氢的作用，在此较为适中的固液比条件下脱硫脱碳反应均能达到较高效率。
表3不同固液比的脱硫脱碳反应脱除率
Figure BDA0002500788510000051
实施例4
采用氢氧化钠为主要成分的废碱液和粉煤灰做原料，废碱液浓度为5g/L、10g/L、20g/L、30g/L、40g/L，其余条件和参数同实施例1，由表4可知，采用废碱液浓度为30g/L时效果最好。碱液浓度过低脱硫脱碳反应传质效率低，碱液浓度过高容易结晶，影响设备稳定性，在此30g/L浓度下保证脱硫脱碳反应的能够顺利高效进行。
表4采用不同废碱液浓度的脱硫脱碳反应脱除率
废碱液浓度(g/L) 5 10 20 30 40
二氧化碳脱除率(％) 83 83 86 88 88
硫化氢脱除率(％) 81 87 89 89 83
实施例5
采用氢氧化钠为主要成分的废碱液和粉煤灰做原料，液气比为8L/m3、12L/m3、15L/m3、20L/m3、25L/m3，其他条件和参数同实施例1，由表5结果可知液气比15L/m3反应效果较好，继续提高液气比对反应影响不大。液气比过低，传质推动力不足，反应速率低，液气比过高容易造成碱液浪费，且设备能耗大，因此选择液气比15L/m3为最佳条件。
表5不同液气比的脱硫脱碳反应脱除率
液气比(L/m<sup>3)</sup> 8 12 15 20 25
二氧化碳脱除率(％) 88 83 88 88 88
硫化氢脱除率(％) 85 88 89 88 88
实施例6
采用氢氧化钠为主要成分的废碱液和粉煤灰做原料，反应温度为30℃、40℃、60℃、80℃、90℃；其他条件和参数同实施例1，由表6实验结果可知采用脱硫脱碳反应温度为40℃效果最好。温度过低脱硫脱碳反应速率低，温度过高脱硫脱碳反应容易发生逆反应，且工艺能耗较大。
表6不同反应温度反应后出口气体的浓度
反应温度(℃) 30 40 60 80 90
出口二氧化碳浓度(％) 81 82 88 88 83
硫化氢脱除率(％) 84 89 89 87 85
需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式较优的例子，根据本发明所述所做的等效变化，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废碱液联合进行沼气脱硫脱碳的方法，其特征在于，将碱性氧化物固体废弃物与废碱液按照50～500g碱性氧化物固体废弃物/L废碱液的料液比制成悬浮液，将沼气通入悬浮液中进行脱硫脱碳反应，得到脱硫脱碳后的沼气净化气。
2.如权利要求1所述的固体废弃物和废碱液联合进行沼气脱硫脱碳的方法，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。
3.如权利要求1所述的固体废弃物和废碱液联合进行沼气脱硫脱碳的方法，其特征在于，碱性氧化物固体废弃物为经干燥后粒径为100～500微米的不规则颗粒。
4.如权利要求1所述的固体废弃物和废碱液联合进行沼气脱硫脱碳的方法，其特征在于，废碱液为含有氢氧化钠或氢氧化钾的废碱液。
5.如权利要求4所述的固体废弃物和废碱液联合进行沼气脱硫脱碳的方法，其特征在于，废碱液中氢氧化钠或氢氧化钾的浓度为5～40g/L。
6.如权利要求1所述的固体废弃物和废碱液联合进行沼气脱硫脱碳的方法，其特征在于，脱硫脱碳反应的温度为30～90℃。
7.如权利要求1所述的固体废弃物和废碱液联合进行沼气脱硫脱碳的方法，其特征在于，脱硫脱碳反应是在喷淋塔中进行的。
8.如权利要求7所述的固体废弃物和废碱液联合进行沼气脱硫脱碳的方法，其特征在于，喷淋塔中悬浮液与沼气的液气比为8～25L/m3。
9.如权利要求1所述的固体废弃物和废碱液联合进行沼气脱硫脱碳的方法，其特征在于，脱硫脱碳反应后的悬浊液进行固液分离后，对固体进行收集，液体进行碱液再生后再次用于沼气脱硫脱碳反应。
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