一種氣體分離設備及其使用方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及環境工程及生物化工領域，具體來說，本發明提供了一種包括膜技術 分離工藝的氣體分離設備及其使用方法。
【背景技術】
[0002] 生物沼氣是生物質燃料的一種，是目前化石能源的理想替代品，備受各國相關部 門及研究機構的重視。生物沼氣可來自于秸桿、人畜糞便、工業有機廢水和污泥等的厭氧發 酵。生物沼氣中的主要成分是甲烷氣體，另外還包含二氧化碳氣體、硫化氫氣體以及少量或 微量的氮氣、氫氣和氧氣等。
[0003] 硫化氫是一種高刺激性劇毒氣體，在有氧和濕熱條件下，不僅會引起設備和管路 腐蝕，而且還會對大氣環境造成污染，嚴重威脅人身安全。因此，我國環保標準嚴格規定：利 用沼氣能源時，沼氣氣體中硫化氫的含量不得超過20mg/m 3。未經處理的沼氣中，硫化氫的 濃度一般為l_12g/m3,遠遠高于我國環保標準的規定。另外，硫化氫氣體遇水則具有強腐蝕 性，對于利用沼氣發電或加熱的設備，可造成嚴重的腐蝕現象。因此，硫化氫的脫除成為沼 氣使用過程中必不可少的一個環節。
[0004] 分離沼氣中硫化氫氣體的常規工藝方法是采用氫氧化鈉溶液作為吸收劑，通過洗 滌塔吸收沼氣中硫化氫。此工藝最大的不足之處是化學品消耗極大，每處理1千克H 2S至 少需要消耗質量濃度為30%的氫氧化鈉溶液7. 84千克，并且隨著運行時間的增加，此消耗 量會不斷增加。另外，采用洗滌塔吸收方式則造成設備施工難度大，維護不便以及生產安全 要求較高等特點。為了增加洗滌塔內的傳質效率，采用的填料材質需要耐酸堿性，增加了投 資成本及運營成本。
[0005] 目前本領域中已經開發出了許多使用堿溶液濕法脫除沼氣中的硫化氫的工藝，例 如《化學工程師》雜志中文章編號：1002-1124(2008)01-0032-03的沼氣脫硫技術研究介紹 關于堿性液體（NaOH溶液）濕式脫硫法的原理和特點。其中指出實際運行中，濕法脫硫堿 液的吸收受到流速、流量、溫度等因素的影響，H 2S的溶解度很可能達不到100%，致使硫化 氫的脫除率低于其他技術。另外，此過程產生的副產物NaHS再生時，可能產生有害物質硫 酸鹽和硫代硫酸鹽，導致原輔材料的浪費和二次環境污染。
[0006] 生物處理方法是另外一種普遍采用的脫硫工藝，在此工藝中，通常首先在洗滌塔 中將吸收劑噴淋在沼氣上，從沼氣中吸收硫化氫，然后將吸收有硫化氫的吸收劑輸送至生 物反應器，并在生物反應器內發生生化反應。具體來說，在生物反應器中，吸收的硫化氫在 自養硫氧化菌T. thioparus (硫氧化菌）以及曝氣的條件下，轉化成為生物硫磺及吸收液。 固、液混合物經過沉淀器分離，將固體生物硫磺排出系統，而液相作為吸收液循環使用，最 終實現沼氣氣體中分離硫化氫氣體的目的。此工藝降低了堿性化學品的消耗量，即每處理1 千克H 2S需要最多消耗質量濃度為30%的氫氧化鈉溶液1. 88千克，另外，此工藝操作簡單 且產出副產物生物硫磺。
[0007] 中國發明專利申請第201010535116. 7號記載了一種典型的生物脫硫設備，圖7顯 示了此種設備的示意圖，該沼氣生物脫硫裝置包括相互隔離的上脫硫塔3和下脫硫塔16， 以及噴淋系統和回流系統，其中從上脫硫塔3底部進入的含硫化氫的沼氣在填料24中不斷 向上輸送，與通過輸送管23打到填料上方再向下噴淋的含堿性營養液的液體逆向接觸，硫 化氫溶于堿性溶液中，同時，填料24中的脫硫細菌進一步利用營養液中的剩余溶解氧，促 使硫化氫在填料24中轉化成單質硫。另外，吸收了硫化氫的吸收液進一步輸送到下脫硫塔 中，在硫氧化菌以及曝氣的作用下進一步將剩余的硫化氫轉化為硫單質。
[0008] 此種工藝的不足之處是：由于使用洗滌塔填料24進行吸收反應時，液體輸送時， 需要輸送栗提供較高的輸送揚程，一方面滿足吸收液由生物反應器輸送至洗滌塔頂部的勢 能要求，另外一方面則需要克服管道和管件阻力損失。同樣，采用洗滌塔填料吸收工藝除了 上述操作、維護的不足之外，洗滌塔填料本身存在局限，即操作彈性范圍較小，存在一定的 氣液比要求，容易產生溝流或者死端。另外，當部分項目的實際沼氣產量較少時，采用洗滌 塔填料吸收的工藝則投資成本相對較高。
[0009] 因此，人們仍然需要開發一種用于從沼氣中脫除硫化氫的新工藝，此種工藝可以 克服上述一種或多種問題，簡化工藝和設備結構，同時還能確保較高的脫硫效果和安全性。
【發明內容】
[0010] 為了實現上述技術目的，本發明人將膜接觸器技術運用于沼氣中硫化氫脫除的工 藝，并且將生物脫硫反應和固-液分離操作分開進行，降低了輸送揚程，克服洗滌塔填料容 易堵死等問題，同時降低投資成本，使其整個工藝能耗低、操作簡單以及維護方便。
[0011] 本發明提供了一種氣體分離設備，該設備用來從中性的非水溶性氣體中除去酸性 或堿性的水溶性雜質氣體，該分離設備包括：
[0012] (i)分離系統，其包括沉淀器，該沉淀器包括位于底部的固相出口，位于頂部的液 相出口，以及位于中部的沉淀器入口；
[0013] (ii)吸收系統，其包括膜接觸器，該膜接觸器具有氣體進口、吸收液入口、氣體出 口和液相出口，所述膜接觸器中包括膜，所述膜將所述膜接觸器內的空間分隔成氣相側和 液相側；
[0014] a i υ反應系統，其包括生物反應器，該生物反應器具有液相入口、曝氣風機、曝氣 系統、脫氣裝置和反應器出口；
[0015] 其中，所述膜接觸器的液相出口與生物反應器的液相入口相連，所述生物反應器 的反應器出口與所述沉淀器入口相連，所述沉淀器的液相出口與膜接觸器的吸收液入口相 連。
[0016] 在本發明的一個實施方式中，所述反應系統中的脫氣裝置選為以下結構中的一 種：
[0017] (1)在脫氣裝置之內的上部設置有與豎直方向呈0~90度角的斜板；或
[0018] (2)在脫氣裝置之內的上部設置有與豎直方向呈0~90度角的斜板，同時在所述 斜板上設置與水平方向呈〇~90度角的齒狀物。
[0019] 在本發明的另一個實施方式中，所述中性的非水溶性氣體選自以下的一種或多種 化合物：沼氣，直鏈、支鏈或環狀的單烯鍵式或多烯鍵式C 2-C4_，直鏈、支鏈或環狀的c2-c4 烷烴，直鏈、支鏈或環狀的單炔基或多炔基C2-C4炔；所述酸性或堿性的水溶性雜質氣體選 自以下化合物中的一種或多種：硫化氫、二氧化碳、氨、氯氣、氯化氫、二氧化硫。
[0020] 在本發明的另一個實施方式中，所述膜接觸器中的膜是聚四氟乙烯膜、聚偏氟乙 烯膜、全氟烷氧基樹脂膜、聚全氟乙丙烯膜，其重均分子量為8, 000, 000~10, 000, 000,優 選是這些材料的中空纖維膜的形式，該中空纖維膜的外徑為0. 4~4_，膜厚度為0. 1~ 1_，優選〇· 2mm~0· 6_，膜孔的平均孔徑為0· 1 μ m~10 μ m，優選0· 5 μ m~5 μ m，再優選 0· 8~3 μ m，膜的孔隙率為10-60 %，優選20-50 %，更優選30-40 %。
[0021] 在本發明的另一個實施方式中，所述膜接觸器還包括以下應急系統和緩沖系統中 的一種或兩種：
[0022] (iv)應急系統，該應急系統包括旁路管道，該旁路管道中設置有控制閥，該旁路管 道一端與所述沉淀器的液相出口相連，另一端與所述反應系統的液相入口相連；
[0023] (v)緩沖系統，該緩沖系統包括緩沖罐，該緩沖罐具有液體進口和液體出口，所述 緩沖罐液體進口與沉淀器的液相出口相連，所述緩沖罐液體出口與膜接觸器的吸收液入口 相連，另外所述緩沖罐液體出口還分別經由閥門與所述生物反應器的液相入口以及沉淀器 的沉淀器入口相連。
[0024] 在本發明的另一個實施方式中，在所述分離系統、吸收系統、反應系統、應急系統 和緩沖系統之內或者之間任選地設置一個或多個選自以下的裝置：測量儀器、控制閥、栗、 溫度調節裝置、壓力調節裝置。
[0025] 本發明的另一個方面提供了一種用來從中性的非水溶性氣體中除去酸性或堿性 的水溶性雜質氣體的方法，該方法使用本發明所述的氣體分離設備，該方法包括以下步 驟：
[0026] (1)經由氣體進口將含有酸性或堿性的水溶性雜質氣體的中性的非水溶性氣體引 入所述膜接觸器內的氣相側，經由吸收液入口將吸收液引入所述膜接觸器內的液相側，使 得所述雜質氣體透過所述膜進入液相側，溶解在所述吸收液之內，溶解有所述雜質氣體的 吸收液從液相出口排出，而中性的非水溶性氣體不透過所述膜，保留在所述氣相側，從氣體 出口排出；
[0027] (2)步驟（1)得到的含有雜質氣體的吸收液送入所述生物反應器中，將至少一部 分雜質氣體轉化為固體雜質，將包含固體雜質的經過生物反應處理的吸收液從反應器出口 引出；和
[0028] (3)經由沉淀器入口將步驟⑵得到的包含固體雜質的經過生物反應處理的吸收 液送入沉淀器，進行沉淀分離，得到固體雜質和吸收液，吸收液輸送至膜接觸器的吸收液入 □ 〇
[0029] 在本發明的一個實施方式中，所述中性的非水溶性氣體是沼氣，所述酸性或堿性 的水溶性雜質氣體是硫化氫氣體，所述固體雜質是固態硫單質，所述吸收液是包含C0 32， HC03_，S042，S032 以及 S 2032 的水溶液。
[0030] 在本發明的另一個實施方式中，所述膜接觸器還包括以下應急系統和緩沖系統中 的一種或兩種：
[0031] (iv)應急系統，該應急系統包括旁路管道，該旁路管道