CN204265720U

CN204265720U - 用于高含硫及含二氧化碳气体的预处理系统及膜分离系统

Info

Publication number: CN204265720U
Application number: CN201420702970.1U
Authority: CN
Inventors: 浦鹏; 江皓; 周红军; 张松林
Original assignee: Beijing Zhong Shi Great New Forms Of Energy Research Institute Co Ltd; China University of Petroleum Beijing
Current assignee: Beijing Zhong Shi Great New Forms Of Energy Research Institute Co Ltd; China University of Petroleum Beijing
Priority date: 2014-11-20
Filing date: 2014-11-20
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2024-11-20

Abstract

本实用新型提供用于高含硫及含二氧化碳气体的预处理系统及膜分离系统。该预处理系统包括串联连接的湿法脱硫反应器、干法脱硫反应器、换热器和颗粒过滤器。该膜分离系统包括所述预处理系统和与所述预处理系统连接的至少一个膜组件。在对经本实用新型的预处理系统净化的原料气实施膜分离时，能够较好地维持膜分离过程中膜的分离性能和分离效果，并延长膜的使用寿命。

Description

用于高含硫及含二氧化碳气体的预处理系统及膜分离系统

技术领域

本实用新型涉及一种膜分离系统，特别涉及一种气体膜分离系统，尤其涉及用于高含硫及含二氧化碳气体的预处理系统及膜分离系统。

背景技术

天然气的主要成分为烷烃，其中以甲烷为主，此外还含有硫化氢、二氧化碳、氮气、水蒸气和少量的一氧化碳，通常需要对天然气进行净化以去除原料气中的硫化氢、二氧化碳和水蒸气，从而使其满足天然气产品标准。例如作为民用燃料的天然气，要求其总硫含量≤200mg/m³，硫化氢含量≤20mg/m³，二氧化碳含量≤3％，水露点在交接点压力下比输送条件下最低环境温度低5℃。天然气资源相对集中，并且处理规模大的情况下，普遍是采用胺法脱硫脱碳及甘醇脱水工艺来净化原料气。

除天然气外，还有许多其它的气体燃料资源，例如页岩气、沼气、水煤气、焦炉气等。这些气体燃料中虽含有氢气、一氧化碳等可燃气体，但也常常含有氮气、二氧化碳等不可燃气体。除此之外，这些气体燃料还含有大量的含硫物，例如硫化氢、羟基硫、硫醚、二硫化物、噻吩等，特别是一些以畜禽粪便为原料生产的沼气中硫化氢的含量可高达5000ppm以上。由于这些气体燃料具有资源相对分散、产气量少、质量不稳定和/或稳产时间短等特点，因此，直接利用针对天然气的常规净化处理工艺对这些气体燃料进行净化存在很多问题，尤其体现在投资大、设备操作稳定性差、经济效益低等缺陷。目前，尚无可借鉴的成熟技术和经验对这些气体燃料进行规模性地开发利用，从而造成极大的资源浪费。

气体膜分离技术是近年来得到快速发展的一种气体分离技术，是在压力的驱动下，借助气体中各组分在高分子膜表面上的吸附能力及膜内溶解-扩散上的差异(即渗透速率差异)来对气体中的组分进行分离的过程。气体在膜两侧的压力差作用下，渗透速率相对较快的气体如水蒸气、氢气、氦气、硫化氢、二氧化碳等透过膜而在膜的渗透侧得到富集(渗透气)，而渗透速率相对较慢的气体，如甲烷、氮气、一氧化碳、氩气等则在膜的滞留侧被富集(渗余气)，从而达到对气体进行纯化和实现组分富集的目的。目前，用于气体膜分离的高分子膜主要有聚烯烃、纤维素类、聚砜、聚酰亚胺、有机硅材料及聚硅酸酯等，其中聚酰亚胺中空纤维膜因具有操作压力高、通量大、分离系数高等优势而备受青睐。

然而，大多数原料气中均含有一定的杂质，这些杂质在进行膜分离时会对膜的稳定性产生影响，从而使膜组件在运行一段时间后存在压降明显增大、通量显著减小、分离效率明显降低等问题，并且长期使用状态下的膜基本无法达到预期的使用寿命。因此，需要一种气体膜分离前的预处理系统来对原料气进行净化处理。

实用新型内容

本实用新型提供用于高含硫及含二氧化碳气体的预处理系统及膜分离系统，用于解决现有技术中对原料气进行膜分离时产生压降明显增大、通量显著减小、分离效率明显降低等问题；本实用新型的预处理系统运行成本低，并且显著提高膜的使用寿命。

本实用新型提供的用于高含硫及含二氧化碳气体的预处理系统，包括串联连接的湿法脱硫反应器、干法脱硫反应器、换热器和颗粒过滤器。

在本实用新型中，所述湿法脱硫反应器和干法脱硫反应器实施对所述原料气的脱硫处理，并使所述原料气中的总硫含量低于10ppm，其中所述湿法脱硫反应器实施对所述原料气的湿法脱硫处理，所述干法脱硫反应器实施对所述原料气的干法脱硫处理；所述换热器至少实施使所述原料气的露点温度低于所述膜分离的操作温度至少20℃的换热处理；所述颗粒过滤器实施对所述原料气的脱尘处理，并使所述原料气中颗粒粒径小于0.01μm。各器件的设置顺序可为任意。

进一步地，湿法脱硫反应器、干法脱硫反应器、换热器和颗粒过滤器可以是本领域常规的结构或其组合。例如，所述换热器可以为冷干机，也可以为依次串联设置的冷干机和加热器；所述湿法脱硫反应器可以是填装液体脱硫剂的脱硫塔，所述液体脱硫剂可以为栲胶溶液；所述干法脱硫反应器可以是填装固体脱硫剂的脱硫塔，所述固体脱硫剂可以为负载活性组分的固体催化剂；所述颗粒过滤器具有硅硼纤维滤芯，其相对于金属或陶瓷材质的滤芯价格相对便宜，操作可靠性高。

本实用新型所提供的预处理系统对待分离的原料气的来源和组成不作严格限制，其对能够采用气体膜分离技术进行分离的原料气均适用。本实用新型所提供的预处理系统特别适用于含硫量高的原料气，原料气总硫含量可高达30000ppm；本实用新型所提供的预处理系统尤其适用于有机硫含量高的原料气，原料气中的有机硫含量可高达500ppm。具体地，所述原料气为页岩气、沼气、水煤气、焦炉气等。

进一步地，在所述湿法脱硫反应器、所述干法脱硫反应器、所述换热器和所述颗粒过滤器上均设有原料气进口和原料气出口；

所述湿法脱硫反应器的原料气出口与所述干法脱硫反应器的原料气进口连接；

所述干法脱硫反应器的原料气出口与所述换热器的原料气进口连接；

所述换热器的原料气进口与所述颗粒过滤器的原料气出口连接。

根据本实用新型提供的预处理系统，所述换热器可以为冷干机。所述冷干机用于使所述原料气的露点温度低于所述膜分离的操作温度至少20℃，并分离出所形成的液态水。

根据本实用新型提供的预处理系统，所述换热器为依次串联连接的冷干机和加热器。所述加热器用于将原料气加热至膜分离所需的温度。

本实用新型的预处理系统还包括再生装置，在所述湿法脱硫反应器上设有液体进口和液体出口，在所述再生装置上设有液体进口和液体出口，所述再生装置的液体进口与所述湿法脱硫反应器的液体出口连接，所述再生装置的液体出口与所述湿法脱硫反应器的液体进口连接。

进一步地，在所述再生装置的液体进口与所述湿法脱硫反应器的液体出口之间设置有第一泵。

进一步地，在所述再生装置的液体出口与所述湿法脱硫反应器的液体进口之间设置有第二泵。

本实用新型还提供用于高含硫及含二氧化碳气体的膜分离系统，包括上述任一所述的预处理系统和与所述预处理系统连接的至少一个膜组件。

进一步地，所述膜组件具有中空纤维膜。所述中空纤维膜可以为聚酰亚胺中空纤维膜、乙酸纤维素中空纤维膜、聚二甲基硅氧烷中空纤维膜、聚砜中空纤维膜等。

进一步地，本实用新型的膜分离系统包括多个所述膜组件，多个所述膜组件之间串联或并联设置。

本实用新型提供的用于高含硫及含二氧化碳气体的预处理系统及膜分离系统，通过对待分离的原料气中的总硫含量和颗粒粒径进行严格限制，并且实施特定的换热处理，可以使净化处理后的原料气在进行膜分离时能较好地维持膜的分离性能和分离效果，并延长膜的使用寿命。

附图说明

图1为本实用新型的用于高含硫及含二氧化碳气体的预处理系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型的附图和实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

本实用新型的用于高含硫及含二氧化碳气体的预处理系统，包括串联连接的湿法脱硫反应器、干法脱硫反应器、换热器和颗粒过滤器。该预处理系统中，湿法脱硫反应器和干法脱硫反应器实施对原料气的脱硫处理，并使所述原料气中的总硫含量低于10ppm，其中湿法脱硫反应器实施对原料气的湿法脱硫处理，干法脱硫反应器实施对原料气的干法脱硫处理；换热器实施使原料气的露点温度低于膜分离的操作温度至少20℃的换热处理；颗粒过滤器实施对原料气的脱尘处理，并使原料气中颗粒粒径小于0.01μm。

如图1所示，本实用新型一实施方式的预处理系统包括湿法脱硫反应器1、干法脱硫反应器2、换热器3和颗粒过滤器4，在湿法脱硫反应器1、干法脱硫反应器2、换热器3和颗粒过滤器4上均设有原料气进口和原料气出口；湿法脱硫反应器1的原料气出口与干法脱硫反应器2的原料气进口连接；干法脱硫反应器2的原料气出口与换热器3的原料气进口连接；换热器3的原料气进口与颗粒过滤器4的原料气出口连接。

进一步地，该预处理系统还可以包括再生装置6，在湿法脱硫反应器1上设有液体进口和液体出口，在再生装置6上设有液体进口和液体出口，再生装置6的液体进口与湿法脱硫反应器1的液体出口连接，再生装置6的液体出口与湿法脱硫反应器1的液体进口连接。在再生装置6的液体进口与湿法脱硫反应器1的液体出口之间可以设置第一泵5，在再生装置6的液体出口与湿法脱硫反应器1的液体进口之间可以设置第二泵7。

具体地，湿法脱硫反应器1为填装栲胶溶液的脱硫塔；干法脱硫反应器2为填装负载型固体催化剂的脱硫塔；换热器3为依次串联设置的冷干机和加热器，其中冷干机用于使原料气的露点温度低于膜分离的操作温度至少20℃，并分离出所形成的液态水，加热器用于将原料气加热至膜分离所需的温度；颗粒过滤器4具有硅硼纤维滤芯。

实施例2

本实用新型的用于高含硫及含二氧化碳气体的膜分离系统包括实施例1的预处理系统和与该预处理系统连接的至少一个膜组件。

可以理解的是，所述膜组件具有聚酰亚胺中空纤维膜。并且，该膜分离系统可以视需要包括多个膜组件，多个膜组件之间可以串联或并联设置。

利用该膜分离系统对焦化厂水煤气(原料气)进行膜分离，其中原料气的主要组成为(体积含量)：H₂58.32％，CO 34.56％，CO₂4.98％，CH₄1.4％，N₂0.69％，O₂0.05％，H₂S 5116ppm，总硫5531ppm；该原料气的流量为15万m³/d；膜分离的操作温度预设为30℃。

对该原料气进行膜分离的步骤具体包括：

1、湿法脱硫处理

原料气首先被送入湿法脱硫反应器1进行湿法脱硫处理，脱硫反应器1中填装组成为栲胶8g/L，NaVO₃7g/L，NaCO₃5g/L，双核酞菁钴磺酸盐20ppm的栲胶溶液，其中控制栲胶溶液的温度为50℃，原料气的线速度为0.7m/s；经气液分离后，气体从湿法脱硫反应器1的气体出口流出，气体中H₂S的含量为16.5ppm，总硫含量为410.5ppm；液体从湿法脱硫反应器1的液体出口流出，并经第一泵5泵入再生装置6中进行再生，再生后的液体经第二泵7从湿法脱硫反应器1的液体进口泵入回用。

2、干法脱硫处理

从湿法脱硫反应器1流出的气体进入干法脱硫反应器2中进行干法脱硫处理，干法脱硫反应器2中填装由氧化钼负载于ZSM-5分子筛载体上形成的负载型催化剂(经活化)，其中氧化钼在负载型催化剂中的质量含量以钼计为9％，控制干法脱硫处理的操作压力为2MPa，操作温度为300℃，原料气的空速为2000h^-1，脱硫处理后原料气从干法脱硫反应器2流出，出气中总硫含量降至9.8ppm。

3、换热处理

从干法脱硫反应器2流出的原料气进入换热器3中进行换热处理，换热器3的冻干机对该原料气进行降温处理并分离出所形成的液态水，原料气的温度降至5℃，降温处理后的原料气的露点温度为5℃，此时原料气的露点温度低于膜分离的操作温度20℃；随后，换热器3的加热器对原料气进行升温处理，使原料气的温度升至25℃(原料气进行膜分离的预设操作温度)后，从换热器3流出。

4、脱尘处理

从换热器3流出的原料气进入颗粒过滤器4中进行脱尘处理，经脱尘处理后原料气中的颗粒粒径小于0.01μm，随后从颗粒过滤器4流出。

5、膜分离

从颗粒过滤器4流出的原料气进入膜组件中进行膜分离。

该膜分离系统在连续实施膜分离24个月后，膜分离效率仍达到膜初始状态下的分离效率的95％以上，膜通量仍达到初始状态下的膜通量的95％以上，说明经本实用新型的预处理系统净化后的原料气在进行后续膜分离过程中对膜的影响较小，在长期使用后仍然能够较好地保证膜的分离性能和分离效率，膜的使用寿命可长达10年。

对照例1

本对照例的膜分离系统包括依次设置的除雾器、凝结式过滤器、加热器和至少一级膜组件，至少一级膜组件具体为实施例2的膜组件。其中，除雾器用于对原料气进行初脱固和气液分离，使天然气不含有大于1μm的粒子；凝结式过滤器用于进一步除去原料气中可能夹带的大于0.01μm的细微液体和有害杂质；加热器用于对原料气进行升温(例如将原料气升温至60℃)，使原料气远离露点温度并恒定至少一级膜组件的操作温度进行膜分离。

采用上述系统对实施例2的天然气连续实施膜分离12个月后，膜通量降至初始状态的80％左右，膜的使用寿命显著缩短，仅为6～7年。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims

1.用于高含硫及含二氧化碳气体的预处理系统，其特征在于，包括串联连接的湿法脱硫反应器、干法脱硫反应器、换热器和颗粒过滤器。

2.根据权利要求1所述的预处理系统，其特征在于，在所述湿法脱硫反应器、所述干法脱硫反应器、所述换热器和所述颗粒过滤器上均设有原料气进口和原料气出口；

3.根据权利要求1所述的预处理系统，其特征在于，所述换热器为冷干机。

4.根据权利要求1所述的预处理系统，其特征在于，所述换热器为依次串联连接的冷干机和加热器。

5.根据权利要求1所述的预处理系统，其特征在于，还包括再生装置，在所述湿法脱硫反应器上设有液体进口和液体出口，在所述再生装置上设有液体进口和液体出口，所述再生装置的液体进口与所述湿法脱硫反应器的液体出口连接，所述再生装置的液体出口与所述湿法脱硫反应器的液体进口连接。

6.根据权利要求5所述的预处理系统，其特征在于，在所述再生装置的液体进口与所述湿法脱硫反应器的液体出口之间设置有第一泵。

7.根据权利要求5所述的预处理系统，其特征在于，在所述再生装置的液体出口与所述湿法脱硫反应器的液体进口之间设置有第二泵。

8.用于高含硫及含二氧化碳气体的膜分离系统，其特征在于，包括权利要求1至7任一所述的预处理系统和与所述预处理系统连接的至少一个膜组件。

9.根据权利要求8所述的膜分离系统，其特征在于，所述膜组件具有中空纤维膜。

10.根据权利要求8所述的膜分离系统，其特征在于，包括多个所述膜组件，多个所述膜组件之间串联或并联设置。