專利名稱:用于高含硫及含二氧化碳氣體的預處理系統(tǒng)及膜分離系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供用于高含硫及含二氧化碳氣體的預處理系統(tǒng)及膜分離系統(tǒng)。該預處理系統(tǒng)包括串聯連接的濕法脫硫反應器、干法脫硫反應器、換熱器和顆粒過濾器。該膜分離系統(tǒng)包括所述預處理系統(tǒng)和與所述預處理系統(tǒng)連接的至少一個膜組件。在對經本實用新型的預處理系統(tǒng)凈化的原料氣實施膜分離時，能夠較好地維持膜分離過程中膜的分離性能和分離效果，并延長膜的使用壽命。
【專利說明】用于高含硫及含二氧化碳氣體的預處理系統(tǒng)及膜分離系統(tǒng)

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種膜分離系統(tǒng)，特別涉及一種氣體膜分離系統(tǒng)，尤其涉及用于高含硫及含二氧化碳氣體的預處理系統(tǒng)及膜分離系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002]天然氣的主要成分為烷烴，其中以甲烷為主，此外還含有硫化氫、二氧化碳、氮氣、水蒸氣和少量的一氧化碳，通常需要對天然氣進行凈化以去除原料氣中的硫化氫、二氧化碳和水蒸氣，從而使其滿足天然氣產品標準。例如作為民用燃料的天然氣，要求其總硫含量(200mg/m3，硫化氫含量彡20mg/m3，二氧化碳含量彡3%，水露點在交接點壓力下比輸送條件下最低環(huán)境溫度低5°C。天然氣資源相對集中，并且處理規(guī)模大的情況下，普遍是采用胺法脫硫脫碳及甘醇脫水工藝來凈化原料氣。
[0003]除天然氣外，還有許多其它的氣體燃料資源，例如頁巖氣、沼氣、水煤氣、焦爐氣等。這些氣體燃料中雖含有氫氣、一氧化碳等可燃氣體，但也常常含有氮氣、二氧化碳等不可燃氣體。除此之外，這些氣體燃料還含有大量的含硫物，例如硫化氫、羥基硫、硫醚、二硫化物、噻吩等，特別是一些以畜禽糞便為原料生產的沼氣中硫化氫的含量可高達5000ppm以上。由于這些氣體燃料具有資源相對分散、產氣量少、質量不穩(wěn)定和/或穩(wěn)產時間短等特點，因此，直接利用針對天然氣的常規(guī)凈化處理工藝對這些氣體燃料進行凈化存在很多問題，尤其體現在投資大、設備操作穩(wěn)定性差、經濟效益低等缺陷。目前，尚無可借鑒的成熟技術和經驗對這些氣體燃料進行規(guī)模性地開發(fā)利用，從而造成極大的資源浪費。
[0004]氣體膜分離技術是近年來得到快速發(fā)展的一種氣體分離技術，是在壓力的驅動下，借助氣體中各組分在高分子膜表面上的吸附能力及膜內溶解-擴散上的差異(即滲透速率差異)來對氣體中的組分進行分離的過程。氣體在膜兩側的壓力差作用下，滲透速率相對較快的氣體如水蒸氣、氫氣、氦氣、硫化氫、二氧化碳等透過膜而在膜的滲透側得到富集(滲透氣)，而滲透速率相對較慢的氣體，如甲烷、氮氣、一氧化碳、氬氣等則在膜的滯留側被富集(滲余氣)，從而達到對氣體進行純化和實現組分富集的目的。目前，用于氣體膜分離的高分子膜主要有聚烯烴、纖維素類、聚砜、聚酰亞胺、有機硅材料及聚硅酸酯等，其中聚酰亞胺中空纖維膜因具有操作壓力高、通量大、分離系數高等優(yōu)勢而備受青睞。
[0005]然而，大多數原料氣中均含有一定的雜質，這些雜質在進行膜分離時會對膜的穩(wěn)定性產生影響，從而使膜組件在運行一段時間后存在壓降明顯增大、通量顯著減小、分離效率明顯降低等問題，并且長期使用狀態(tài)下的膜基本無法達到預期的使用壽命。因此，需要一種氣體膜分離前的預處理系統(tǒng)來對原料氣進行凈化處理。
實用新型內容
[0006]本實用新型提供用于高含硫及含二氧化碳氣體的預處理系統(tǒng)及膜分離系統(tǒng)，用于解決現有技術中對原料氣進行膜分離時產生壓降明顯增大、通量顯著減小、分離效率明顯降低等問題；本實用新型的預處理系統(tǒng)運行成本低，并且顯著提高膜的使用壽命。
[0007]本實用新型提供的用于高含硫及含二氧化碳氣體的預處理系統(tǒng)，包括串聯連接的濕法脫硫反應器、干法脫硫反應器、換熱器和顆粒過濾器。
[0008]在本實用新型中，所述濕法脫硫反應器和干法脫硫反應器實施對所述原料氣的脫硫處理，并使所述原料氣中的總硫含量低于lOppm，其中所述濕法脫硫反應器實施對所述原料氣的濕法脫硫處理，所述干法脫硫反應器實施對所述原料氣的干法脫硫處理；所述換熱器至少實施使所述原料氣的露點溫度低于所述膜分離的操作溫度至少20°C的換熱處理；所述顆粒過濾器實施對所述原料氣的脫塵處理，并使所述原料氣中顆粒粒徑小于0.0lym0各器件的設置順序可為任意。
[0009]進一步地，濕法脫硫反應器、干法脫硫反應器、換熱器和顆粒過濾器可以是本領域常規(guī)的結構或其組合。例如，所述換熱器可以為冷干機，也可以為依次串聯設置的冷干機和加熱器；所述濕法脫硫反應器可以是填裝液體脫硫劑的脫硫塔，所述液體脫硫劑可以為栲膠溶液；所述干法脫硫反應器可以是填裝固體脫硫劑的脫硫塔，所述固體脫硫劑可以為負載活性組分的固體催化劑；所述顆粒過濾器具有硅硼纖維濾芯，其相對于金屬或陶瓷材質的濾芯價格相對便宜，操作可靠性高。
[0010]本實用新型所提供的預處理系統(tǒng)對待分離的原料氣的來源和組成不作嚴格限制，其對能夠采用氣體膜分離技術進行分離的原料氣均適用。本實用新型所提供的預處理系統(tǒng)特別適用于含硫量高的原料氣，原料氣總硫含量可高達30000ppm ;本實用新型所提供的預處理系統(tǒng)尤其適用于有機硫含量高的原料氣，原料氣中的有機硫含量可高達500ppm。具體地，所述原料氣為頁巖氣、沼氣、水煤氣、焦爐氣等。
[0011]進一步地，在所述濕法脫硫反應器、所述干法脫硫反應器、所述換熱器和所述顆粒過濾器上均設有原料氣進口和原料氣出口；
[0012]所述濕法脫硫反應器的原料氣出口與所述干法脫硫反應器的原料氣進口連接；
[0013]所述干法脫硫反應器的原料氣出口與所述換熱器的原料氣進口連接；
[0014]所述換熱器的原料氣進口與所述顆粒過濾器的原料氣出口連接。
[0015]根據本實用新型提供的預處理系統(tǒng)，所述換熱器可以為冷干機。所述冷干機用于使所述原料氣的露點溫度低于所述膜分離的操作溫度至少20°C，并分離出所形成的液態(tài)水。
[0016]根據本實用新型提供的預處理系統(tǒng)，所述換熱器為依次串聯連接的冷干機和加熱器。所述加熱器用于將原料氣加熱至膜分離所需的溫度。
[0017]本實用新型的預處理系統(tǒng)還包括再生裝置，在所述濕法脫硫反應器上設有液體進口和液體出口，在所述再生裝置上設有液體進口和液體出口，所述再生裝置的液體進口與所述濕法脫硫反應器的液體出口連接，所述再生裝置的液體出口與所述濕法脫硫反應器的液體進口連接。
[0018]進一步地，在所述再生裝置的液體進口與所述濕法脫硫反應器的液體出口之間設置有第一泵。
[0019]進一步地，在所述再生裝置的液體出口與所述濕法脫硫反應器的液體進口之間設置有第二泵。
[0020]本實用新型還提供用于高含硫及含二氧化碳氣體的膜分離系統(tǒng)，包括上述任一所述的預處理系統(tǒng)和與所述預處理系統(tǒng)連接的至少一個膜組件。
[0021]進一步地，所述膜組件具有中空纖維膜。所述中空纖維膜可以為聚酰亞胺中空纖維膜、乙酸纖維素中空纖維膜、聚二甲基硅氧烷中空纖維膜、聚砜中空纖維膜等。
[0022]進一步地，本實用新型的膜分離系統(tǒng)包括多個所述膜組件，多個所述膜組件之間串聯或并聯設置。
[0023]本實用新型提供的用于高含硫及含二氧化碳氣體的預處理系統(tǒng)及膜分離系統(tǒng)，通過對待分離的原料氣中的總硫含量和顆粒粒徑進行嚴格限制，并且實施特定的換熱處理，可以使凈化處理后的原料氣在進行膜分離時能較好地維持膜的分離性能和分離效果，并延長膜的使用壽命。

【附圖說明】

[0024]圖1為本實用新型的用于高含硫及含二氧化碳氣體的預處理系統(tǒng)的結構示意圖。

【具體實施方式】
[0025]為使本實用新型的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合本實用新型的附圖和實施例，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├?，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0026]實施例1
[0027]本實用新型的用于高含硫及含二氧化碳氣體的預處理系統(tǒng)，包括串聯連接的濕法脫硫反應器、干法脫硫反應器、換熱器和顆粒過濾器。該預處理系統(tǒng)中，濕法脫硫反應器和干法脫硫反應器實施對原料氣的脫硫處理，并使所述原料氣中的總硫含量低于lOppm，其中濕法脫硫反應器實施對原料氣的濕法脫硫處理，干法脫硫反應器實施對原料氣的干法脫硫處理；換熱器實施使原料氣的露點溫度低于膜分離的操作溫度至少20°C的換熱處理；顆粒過濾器實施對原料氣的脫塵處理，并使原料氣中顆粒粒徑小于0.0lym0
[0028]如圖1所示，本實用新型一實施方式的預處理系統(tǒng)包括濕法脫硫反應器1、干法脫硫反應器2、換熱器3和顆粒過濾器4，在濕法脫硫反應器1、干法脫硫反應器2、換熱器3和顆粒過濾器4上均設有原料氣進口和原料氣出口 ；濕法脫硫反應器I的原料氣出口與干法脫硫反應器2的原料氣進口連接；干法脫硫反應器2的原料氣出口與換熱器3的原料氣進口連接；換熱器3的原料氣進口與顆粒過濾器4的原料氣出口連接。
[0029]進一步地，該預處理系統(tǒng)還可以包括再生裝置6，在濕法脫硫反應器I上設有液體進口和液體出口，在再生裝置6上設有液體進口和液體出口，再生裝置6的液體進口與濕法脫硫反應器I的液體出口連接，再生裝置6的液體出口與濕法脫硫反應器I的液體進口連接。在再生裝置6的液體進口與濕法脫硫反應器I的液體出口之間可以設置第一泵5，在再生裝置6的液體出口與濕法脫硫反應器I的液體進口之間可以設置第二泵7。
[0030]具體地，濕法脫硫反應器I為填裝栲膠溶液的脫硫塔；干法脫硫反應器2為填裝負載型固體催化劑的脫硫塔；換熱器3為依次串聯設置的冷干機和加熱器，其中冷干機用于使原料氣的露點溫度低于膜分離的操作溫度至少20°C，并分離出所形成的液態(tài)水，加熱器用于將原料氣加熱至膜分離所需的溫度；顆粒過濾器4具有硅硼纖維濾芯。
[0031]實施例2
[0032]本實用新型的用于高含硫及含二氧化碳氣體的膜分離系統(tǒng)包括實施例1的預處理系統(tǒng)和與該預處理系統(tǒng)連接的至少一個膜組件。
[0033]可以理解的是，所述膜組件具有聚酰亞胺中空纖維膜。并且，該膜分離系統(tǒng)可以視需要包括多個膜組件，多個膜組件之間可以串聯或并聯設置。
[0034]利用該膜分離系統(tǒng)對焦化廠水煤氣(原料氣)進行膜分離，其中原料氣的主要組成為(體積含量):H258.32%, CO 34.56%, C024.98%, CH4L 4%, N20.69%, O20.05%, H2S5116ppm，總硫5531ppm ;該原料氣的流量為15萬m3/d ;膜分離的操作溫度預設為30°C。
[0035]對該原料氣進行膜分離的步驟具體包括:
[0036]1、濕法脫硫處理
[0037]原料氣首先被送入濕法脫硫反應器I進行濕法脫硫處理，脫硫反應器I中填裝組成為栲膠8g/L，NaV037g/L，NaC035g/L，雙核酞菁鈷磺酸鹽20ppm的栲膠溶液，其中控制栲膠溶液的溫度為50°C，原料氣的線速度為0.7m/s ;經氣液分離后，氣體從濕法脫硫反應器I的氣體出口流出，氣體中H2S的含量為16.5ppm，總硫含量為410.5ppm ;液體從濕法脫硫反應器I的液體出口流出，并經第一泵5泵入再生裝置6中進行再生，再生后的液體經第二泵7從濕法脫硫反應器I的液體進口泵入回用。
[0038]2、干法脫硫處理
[0039]從濕法脫硫反應器I流出的氣體進入干法脫硫反應器2中進行干法脫硫處理，干法脫硫反應器2中填裝由氧化鉬負載于ZSM-5分子篩載體上形成的負載型催化劑(經活化)，其中氧化鉬在負載型催化劑中的質量含量以鉬計為9%，控制干法脫硫處理的操作壓力為2MPa，操作溫度為300°C，原料氣的空速為20001^,脫硫處理后原料氣從干法脫硫反應器2流出，出氣中總硫含量降至9.8ppm。
[0040]3、換熱處理
[0041]從干法脫硫反應器2流出的原料氣進入換熱器3中進行換熱處理，換熱器3的凍干機對該原料氣進行降溫處理并分離出所形成的液態(tài)水，原料氣的溫度降至5°C，降溫處理后的原料氣的露點溫度為5°C，此時原料氣的露點溫度低于膜分離的操作溫度20°C ;隨后，換熱器3的加熱器對原料氣進行升溫處理，使原料氣的溫度升至25°C (原料氣進行膜分離的預設操作溫度)后，從換熱器3流出。
[0042]4、脫塵處理
[0043]從換熱器3流出的原料氣進入顆粒過濾器4中進行脫塵處理，經脫塵處理后原料氣中的顆粒粒徑小于0.0lym,隨后從顆粒過濾器4流出。
[0044]5、膜分離
[0045]從顆粒過濾器4流出的原料氣進入膜組件中進行膜分離。
[0046]該膜分離系統(tǒng)在連續(xù)實施膜分離24個月后，膜分離效率仍達到膜初始狀態(tài)下的分離效率的95%以上，膜通量仍達到初始狀態(tài)下的膜通量的95%以上，說明經本實用新型的預處理系統(tǒng)凈化后的原料氣在進行后續(xù)膜分離過程中對膜的影響較小，在長期使用后仍然能夠較好地保證膜的分離性能和分離效率，膜的使用壽命可長達10年。
[0047]對照例I
[0048]本對照例的膜分離系統(tǒng)包括依次設置的除霧器、凝結式過濾器、加熱器和至少一級膜組件，至少一級膜組件具體為實施例2的膜組件。其中，除霧器用于對原料氣進行初脫固和氣液分離，使天然氣不含有大于I μπι的粒子；凝結式過濾器用于進一步除去原料氣中可能夾帶的大于0.0l μ m的細微液體和有害雜質；加熱器用于對原料氣進行升溫(例如將原料氣升溫至60°C )，使原料氣遠離露點溫度并恒定至少一級膜組件的操作溫度進行膜分離。
[0049]采用上述系統(tǒng)對實施例2的天然氣連續(xù)實施膜分離12個月后，膜通量降至初始狀態(tài)的80%左右，膜的使用壽命顯著縮短，僅為6?7年。
[0050]最后應說明的是:以上各實施例僅用以說明本實用新型的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本實用新型各實施例技術方案的范圍。
【權利要求】
1.用于高含硫及含二氧化碳氣體的預處理系統(tǒng)，其特征在于，包括串聯連接的濕法脫硫反應器、干法脫硫反應器、換熱器和顆粒過濾器。2.根據權利要求1所述的預處理系統(tǒng)，其特征在于，在所述濕法脫硫反應器、所述干法脫硫反應器、所述換熱器和所述顆粒過濾器上均設有原料氣進口和原料氣出口 ； 所述濕法脫硫反應器的原料氣出口與所述干法脫硫反應器的原料氣進口連接； 所述干法脫硫反應器的原料氣出口與所述換熱器的原料氣進口連接； 所述換熱器的原料氣進口與所述顆粒過濾器的原料氣出口連接。3.根據權利要求1所述的預處理系統(tǒng)，其特征在于，所述換熱器為冷干機。4.根據權利要求1所述的預處理系統(tǒng)，其特征在于，所述換熱器為依次串聯連接的冷干機和加熱器。5.根據權利要求1所述的預處理系統(tǒng)，其特征在于，還包括再生裝置，在所述濕法脫硫反應器上設有液體進口和液體出口，在所述再生裝置上設有液體進口和液體出口，所述再生裝置的液體進口與所述濕法脫硫反應器的液體出口連接，所述再生裝置的液體出口與所述濕法脫硫反應器的液體進口連接。6.根據權利要求5所述的預處理系統(tǒng)，其特征在于，在所述再生裝置的液體進口與所述濕法脫硫反應器的液體出口之間設置有第一泵。7.根據權利要求5所述的預處理系統(tǒng)，其特征在于，在所述再生裝置的液體出口與所述濕法脫硫反應器的液體進口之間設置有第二泵。8.用于高含硫及含二氧化碳氣體的膜分離系統(tǒng)，其特征在于，包括權利要求1至7任一所述的預處理系統(tǒng)和與所述預處理系統(tǒng)連接的至少一個膜組件。9.根據權利要求8所述的膜分離系統(tǒng)，其特征在于，所述膜組件具有中空纖維膜。10.根據權利要求8所述的膜分離系統(tǒng)，其特征在于，包括多個所述膜組件，多個所述膜組件之間串聯或并聯設置。
【文檔編號】C10L3-10GK204265720SQ201420702970
【發(fā)明者】浦鵬, 江皓, 周紅軍, 張松林 [申請人]中國石油大學(北京), 北京中石大新能源研究院有限公司