一种气体分离设备及其使用方法技术

本发明专利技术提供了一种气体分离设备，该设备用来从中性的非水溶性气体中除去酸性或碱性的水溶性杂质气体，该分离设备包括：(i)分离系统，其包括沉淀器；(ii)吸收系统，其包括膜接触器，所述膜接触器中包括膜丝，所述膜丝将所述膜接触器内的空间分隔成气相侧和液相侧；(iii)反应系统，其包括生物反应器；其中，所述膜接触器与生物反应器相连，所述生物反应器与所述沉淀器相连，所述沉淀器与膜接触器相连。本发明专利技术还提供了使用所述气体分离设备从中性的非水溶性气体中除去酸性或碱性的水溶性杂质气体的方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及环境工程及生物化工领域，具体来说，本专利技术提供了一种包括膜技术分离工艺的气体分离设备及其使用方法。
技术介绍
生物沼气是生物质燃料的一种，是目前化石能源的理想替代品，备受各国相关部门及研究机构的重视。生物沼气可来自于秸秆、人畜粪便、工业有机废水和污泥等的厌氧发酵。生物沼气中的主要成分是甲烷气体，另外还包含二氧化碳气体、硫化氢气体以及少量或微量的氮气、氢气和氧气等。硫化氢是一种高刺激性剧毒气体，在有氧和湿热条件下，不仅会引起设备和管路腐蚀，而且还会对大气环境造成污染，严重威胁人身安全。因此，我国环保标准严格规定：利用沼气能源时，沼气气体中硫化氢的含量不得超过20mg/m3。未经处理的沼气中，硫化氢的浓度一般为1-12g/m3，远远高于我国环保标准的规定。另外，硫化氢气体遇水则具有强腐蚀性，对于利用沼气发电或加热的设备，可造成严重的腐蚀现象。因此，硫化氢的脱除成为沼气使用过程中必不可少的一个环节。分离沼气中硫化氢气体的常规工艺方法是采用氢氧化钠溶液作为吸收剂，通过洗涤塔吸收沼气中硫化氢。此工艺最大的不足之处是化学品消耗极大，每处理1千克H2S至少需要消耗质量浓度为30％的氢氧化钠溶液7.84千克，并且随着运行时间的增加，此消耗量会不断增加。另外，采用洗涤塔吸收方式则造成设备施工难度大，维护不便以及生产安全要求较高等特点。为了增加洗涤塔内的传质效率，采用的填料材质需要耐酸碱性，增加了投资成本及运营成本。目前本领域中已经开发出了许多使用碱溶液湿法脱除沼气中的硫化氢的工艺，例如《化学工程师》杂志中文章编号：1002-1124(2008)01-0032-03的沼气脱硫技术研究介绍关于碱性液体(NaOH溶液)湿式脱硫法的原理和特点。其中指出实际运行中，湿法脱硫碱液的吸收受到流速、流量、温度等因素的影响，H2S的溶解度很可能达不到100％，致使硫化氢的脱除率低于其他技术。另外，此过程产生的副产物NaHS再生时，可能产生有害物质硫酸盐和硫代硫酸盐，导致原辅材料的浪费和二次环境污染。生物处理方法是另外一种普遍采用的脱硫工艺，在此工艺中，通常首先在洗涤塔中将吸收剂喷淋在沼气上，从沼气中吸收硫化氢，然后将吸收有硫化氢的吸收剂输送至生物反应器，并在生物反应器内发生生化反应。具体来说，在生物反应器中，吸收的硫化氢在自养硫氧化菌T.thioparus(硫氧化菌)以及曝气的条件下，转化成为生物硫磺及吸收液。固、液混合物经过沉淀器分离，将固体生物硫磺排出系统，而液相作为吸收液循环使用，最终实现沼气气体中分离硫化氢气体的目的。此工艺降低了碱性化学品的消耗量，即每处理1千克H2S需要最多消耗质量浓度为30％的氢氧化钠溶液1.88千克，另外，此工艺操作简单且产出副产物生物硫磺。中国专利技术专利申请第201010535116.7号记载了一种典型的生物脱硫设备，图7显示了此种设备的示意图，该沼气生物脱硫装置包括相互隔离的上脱硫塔3和下脱硫塔16，以及喷淋系统和回流系统，其中从上脱硫塔3底部进入的含硫化氢的沼气在填料24中不断向上输送，与通过输送管23打到填料上方再向下喷淋的含碱性营养液的液体逆向接触，硫化氢溶于碱性溶液中，同时，填料24中的脱硫细菌进一步利用营养液中的剩余溶解氧，促使硫化氢在填料24中转化成单质硫。另外，吸收了硫化氢的吸收液进一步输送到下脱硫塔中，在硫氧化菌以及曝气的作用下进一步将剩余的硫化氢转化为硫单质。此种工艺的不足之处是：由于使用洗涤塔填料24进行吸收反应时，液体输送时，需要输送泵提供较高的输送扬程，一方面满足吸收液由生物反应器输送至洗涤塔顶部的势能要求，另外一方面则需要克服管道和管件阻力损失。同样，采用洗涤塔填料吸收工艺除了上述操作、维护的不足之外，洗涤塔填料本身存在局限，即操作弹性范围较小，存在一定的气液比要求，容易产生沟流或者死端。另外，当部分项目的实际沼气产量较少时，采用洗涤塔填料吸收的工艺则投资成本相对较高。因此，人们仍然需要开发一种用于从沼气中脱除硫化氢的新工艺，此种工艺可以克服上述一种或多种问题，简化工艺和设备结构，同时还能确保较高的脱硫效果和安全性。
技术实现思路
为了实现上述技术目的，本专利技术人将膜接触器技术运用于沼气中硫化氢脱除的工艺，并且将生物脱硫反应和固-液分离操作分开进行，降低了输送扬程，克服洗涤塔填料容易堵死等问题，同时降低投资成本，使其整个工艺能耗低、操作简单以及维护方便。本专利技术提供了一种气体分离设备，该设备用来从中性的非水溶性气体中除去酸性或碱性的水溶性杂质气体，该分离设备包括：(i)分离系统，其包括沉淀器，该沉淀器包括位于底部的固相出口，位于顶部的液相出口，以及位于中部的沉淀器入口；(ii)吸收系统，其包括膜接触器，该膜接触器具有气体进口、吸收液入口、气体出口和液相出口，所述膜接触器中包括膜，所述膜将所述膜接触器内的空间分隔成气相侧和液相侧；(iii)反应系统，其包括生物反应器，该生物反应器具有液相入口、曝气风机、曝气系统、脱气装置和反应器出口；其中，所述膜接触器的液相出口与生物反应器的液相入口相连，所述生物反应器的反应器出口与所述沉淀器入口相连，所述沉淀器的液相出口与膜接触器的吸收液入口相连。在本专利技术的一个实施方式中，所述反应系统中的脱气装置选为以下结构中的一种：(1)在脱气装置之内的上部设置有与竖直方向呈0～90度角的斜板；或(2)在脱气装置之内的上部设置有与竖直方向呈0～90度角的斜板，同时在所述斜板上设置与水平方向呈0～90度角的齿状物。在本专利技术的另一个实施方式中，所述中性的非水溶性气体选自以下的一种或多种化合物：沼气，直链、支链或环状的单烯键式或多烯键式C2-C4烯，直链、支链或环状的C2-C4烷烃，直链、支链或环状的单炔基或多炔基C2-C4炔；所述酸性或碱性的水溶性杂质气体选自以下化合物中的一种或多种：硫化氢、二氧化碳、氨、氯气、氯化氢、二氧化硫。在本专利技术的另一个实施方式中，所述膜接触器中的膜是聚四氟乙烯膜、聚偏氟乙烯膜、全氟烷氧基树脂膜、聚全氟乙丙烯膜，其重均分子量为8,000,000～10,000,000，优选是这些材料的中空纤维膜的形式，该中空纤维膜的外径为0.4～4mm，膜厚度为0.1～1mm，优选0.2mm～0.6mm，膜孔的平均孔径为0.1μm～10μm，优选0.5μm～5μm，再优选0.8～3μm，膜的孔隙率为10-60％，优选20-50％本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气体分离设备，该设备用来从中性的非水溶性气体中除去酸性或碱性的水溶性杂质气体，该分离设备包括：(i)分离系统，其包括沉淀器，该沉淀器包括位于底部的固相出口，位于顶部的液相出口，以及位于中部的沉淀器入口；(ii)吸收系统，其包括膜接触器，该膜接触器具有气体进口、吸收液入口、气体出口和液相出口，所述膜接触器中包括膜，所述膜将所述膜接触器内的空间分隔成气相侧和液相侧；(iii)反应系统，其包括生物反应器，该生物反应器具有液相入口、曝气风机、曝气系统、脱气装置和反应器出口；其中，所述膜接触器的液相出口与生物反应器的液相入口相连，所述生物反应器的反应器出口与所述沉淀器入口相连，所述沉淀器的液相出口与膜接触器的吸收液入口相连。

【技术特征摘要】
1.一种气体分离设备，该设备用来从中性的非水溶性气体中除去酸性或
碱性的水溶性杂质气体，该分离设备包括：
(i)分离系统，其包括沉淀器，该沉淀器包括位于底部的固相出口，位于
顶部的液相出口，以及位于中部的沉淀器入口；
(ii)吸收系统，其包括膜接触器，该膜接触器具有气体进口、吸收液入口、
气体出口和液相出口，所述膜接触器中包括膜，所述膜将所述膜接触器内的空
间分隔成气相侧和液相侧；
(iii)反应系统，其包括生物反应器，该生物反应器具有液相入口、曝气风
机、曝气系统、脱气装置和反应器出口；
其中，所述膜接触器的液相出口与生物反应器的液相入口相连，所述生物
反应器的反应器出口与所述沉淀器入口相连，所述沉淀器的液相出口与膜接触
器的吸收液入口相连。
2.如权利要求1所述的气体分离设备，其特征在于，所述反应系统中的
脱气装置选为以下结构中的一种：
(1)在脱气装置之内的上部设置有与竖直方向呈0～90度角的斜板；或
(2)在脱气装置之内的上部设置有与竖直方向呈0～90度角的斜板，同时
在所述斜板上设置与水平方向呈0～90度角的齿状物。
3.如权利要求1所述的气体分离设备，其特征在于，所述中性的非水溶
性气体选自以下的一种或多种化合物：沼气，直链、支链或环状的单烯键式或
多烯键式C2-C4烯，直链、支链或环状的C2-C4烷烃，直链、支链或环状的单
炔基或多炔基C2-C4炔；所述酸性或碱性的水溶性杂质气体选自以下化合物中
的一种或多种：硫化氢、二氧化碳、氨、氯气、氯化氢、二氧化硫。
4.如权利要求1所述的气体分离设备，其特征在于，所述膜接触器中的
膜是聚四氟乙烯膜、聚偏氟乙烯膜、全氟烷氧基树脂膜、聚全氟乙丙烯膜，其
重均分子量为8,000,000～10,000,000，优选是这些材料的中空纤维膜的形式，该
中空纤维膜的外径为0.4～4mm，膜厚度为0.1～1mm，优选0.2mm～0.6mm，膜
孔的平均孔径为0.1μm～10μm，优选0.5μm～5μm，再优选0.8～3μm，膜的孔

\t隙率为10-60％，优选20-50％，更优选30-40％。
5.如权利要求1或2所述的气体分离设备，其特征在于，所述膜接触器
还包括以下应急系统和缓冲系统中的一种或两种：
(iv)应急系统，该应急系统包括旁路管道，该旁路管道中设置有控制阀，
该旁路管道一端与所述沉淀器的液相出口相连，另一端与所述反应系统的液相
入口相连；
(v)缓冲系统，该缓冲系统包括缓冲罐，该缓冲罐具有液体进口和液体出
口，所述缓冲罐液体进口与沉淀器的液相出口相连，所述缓冲罐液体出口与膜
接触器的吸收液入口相连，另外所述缓冲罐液体出口还分别经由阀门与所述生
物反应器的液相入口以及沉淀器的沉淀器入口相连。
6.如权利要求1所述的气体分离设备，其特征在于，在所述分离系统、
吸收系统、...

【专利技术属性】
技术研发人员：龙宝玉，康国栋，吴鸣，曹义鸣，杜炼，李萌，华从贵，周美青，
申请(专利权)人：上海碧科清洁能源技术有限公司，中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31