CN117126691A - 一种生物与干法串联的沼气精脱硫装置及脱硫工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于沼气处理技术领域，公开了生物与干法串联的沼气精脱硫装置及脱硫工艺。本发明中原料沼气依次经过缓冲罐的缓冲、除尘器去除杂质、风压机升压、冷却塔降温后，进入生物滴滤塔，在生物滴滤塔内原料沼气与从塔顶进入的碱性水溶液在滴滤塔填料表面逆流接触过程中，脱除大部分硫化氢等杂质后，进入干法脱硫塔进一步脱除硫化氢，使之降到10mg/Nm3以下，再经PSA变压吸附脱出CO2并储存在双膜储气柜中，含有硫化氢的富液在碱液再生反应器内通过再生循环使用，硫单质在营养液沉淀器内通过自然沉降收集利用。本发明用于脱除沼气中的硫化氢和CO2，工艺流程简单，操作安全，成本低，脱硫效率高。
Description
技术领域
本发明属于沼气处理技术领域，尤其是一种生物与干法串联的沼气精脱硫装置及脱硫工艺。
背景技术
沼气是一种混合气体，一般含有60％～70％CH4，30％～40％CO2，0.5％～1.5％H2S，以及NH3、SO、H2、N2和CO等微量气体，其中H2S含量虽然不高，但对沼气的利用影响较大。不同的沼气利用途径，H2S含量的要求也各不相同，相应国家及行业标准规定：若利用沼气发电，则H2S的浓度需小于等于200～300mg/m3；若将沼气并入燃气管网或作为车用燃料，则H2S的浓度需小于等于15mg/m3。而原始沼气中H2S的质量浓度一般为1～12g/m3，远远超过各标准中的规定，若在沼气利用前不进行预处理，其中的H2S就会对金属管道和仪器仪表产生腐蚀，影响总体的使用效果。而且在沼气利用中，H2S会转变为SO2等有害气体污染环境。因此，在沼气的综合利用前必须脱除H2S。
干法脱硫是一种简易、高效、相对低成本的脱硫方式，一般适合用于沼气量小，硫化氢浓度低的沼气脱硫。干法脱除沼气气体中硫化氢(H2S)的设备基本原理是以O2使H2S氧化成硫或硫氧化物的一种方法，也可称为干式氧化法。干法设备的构成是，在一个容器内放入填料，填料层有活性炭、氧化铁等。气体以低流速从一端经过容器内填料层，硫化氢(H2S)氧化成硫或硫氧化物后，余留在填料层中，净化后气体从容器另一端排出。
湿法脱硫可以归纳分为物理吸收法、化学吸收法和氧化法三种。物理和化学方法存在硫化氢再处理问题，氧化法是以碱性溶液为吸收剂，并加入载氧体为催化剂，吸收H2S，并将其氧化成单质硫，湿法氧化法是把脱硫剂溶解在水中，液体进入设备，与沼气混合，沼气中的硫化氢(H2S)与液体产生氧化反应，生成单质硫吸收硫化氢的液体有氢氧化钠、氢氧化钙、碳酸钠、硫酸亚铁等。成熟的氧化脱硫法，脱硫效率可达99.5％以上。
生物脱硫技术包括生物过滤法、生物吸附法和生物滴滤法，三种系统均属开放系统，其微生物种群随环境改变而变化。在生物脱硫过程中，氧化态的含硫污染物必须先经生物还原作用生成硫化物或H2S然后再经生物氧化过程生成单质硫，才能去除。在大多数生物反应器中，微生物种类以细菌为主，真菌为次，极少有酵母菌。常用的细菌是硫杆菌属的氧化亚铁硫杆菌，脱氮硫杆菌及排硫杆菌。最成功的代表是氧化亚铁硫杆菌，其生长的最佳pH值为2.0～2.2。此外新型的沼气脱硫工艺还有膜分离脱硫、电化学脱硫和原位法脱硫等方法，但操作和维护成本高，难度大，尚未在工业上普遍广泛应用。而在大型沼气工业化应用中还没有一种大能力、精度高、成本低并可最大限度回收硫资源的应用工艺。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术中之不足，提供一种生物与干法串联的沼气精脱硫装置及脱硫工艺，解决了高H2S浓度下沼气脱硫率和脱硫效率低，脱硫成本高的问题
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种生物与干法串联的沼气精脱硫装置，包括第一缓冲罐、冷却塔、生物滴滤塔、脱水塔和干法脱硫塔，所述第一缓冲罐通过管路依次串联有除尘器和冷却塔；所述干法脱硫塔通过管路依次串联有PSA变压吸附装置、第二缓冲罐和双膜储气柜；
所述冷却塔顶端设有沼气出口，沼气出口通过沼气管路连接至生物滴滤塔侧壁下部的气体进口，沼气管路上设置有脱水塔；生物滴滤塔侧壁上部的气体出口通过管路连接至干法脱硫塔侧壁下部的气体进口；生物滴滤塔侧壁下部的液体出口通过管路连接有碱液再生反应器；
所述碱液再生反应器设有液体管路，液体管路连接至生物滴滤塔顶端的液体进口，液体管路上设置有换热器和循环泵，循环泵靠近碱液再生反应器设置；所述碱液再生反应器侧壁上部设有硫泡沫管路，硫泡沫管路连接有培养液沉淀器；
所述PSA变压吸附装置顶部通过管路连接有储气柜。
双膜储气柜由外膜、内膜、底膜和混凝土基础组成，内膜与底膜围成的内腔用于贮存沼气，外膜和内膜之间气密。
进一步地，所述生物滴滤塔内腔底端设置有管式曝气器，管式曝气器的气体进口处设置有压缩空气进气管。
进一步地，所述除尘器和冷却塔之间设有风压机。
进一步地，所述干法脱硫塔和PSA变压吸附装置之间设有螺杆压缩机。
进一步地，所述碱液再生反应器分别通过管路连接有碱液加碱罐和营养液添加罐。
一种生物与干法串联的沼气精脱硫工艺，所述生物与干法串联的沼气精脱硫工艺使用上述沼气精脱硫装置，该沼气精脱硫工艺具体包括如下步骤：
步骤S1、第一缓冲罐内装有原料沼气，原料沼气经过除尘器去除杂质后，由风压机升压至15～25KPa·G，进入冷却塔降温；
步骤S2、经过冷却塔降温的原料沼气进入生物滴滤塔，生物滴滤塔内置有填料层，碱液再生反应器流出的含有微生物的碱性水溶液从生物滴滤塔顶部的液体进口进入；原料沼气自下往上，碱性水溶液自上往下，两者在填料层表面逆流接触，碱性水溶液完成对H2S气体的吸附，微生物对硫离子完成降解，原料沼气经过粗脱硫形成粗沼气；粗沼气经生物滴滤塔顶部的气体出口进入下一个工序，富液从生物滴滤塔侧壁下部的液体出口通入碱液再生反应器；粗沼气中H2S的浓度降至100mg/Nm3左右；
步骤S3、生物滴滤塔出来的粗沼气进入干法脱硫塔，同时将空气通入干法脱硫塔中，干法脱硫塔采用氧化铁干式脱硫催化剂，对粗沼气精脱硫得到精脱硫沼气；精脱硫沼气中H2S的浓度降至10mg/Nm3以下；
步骤S4、得到的精脱硫沼气通过螺杆压缩机压缩至0.4～0.5MPa·G后通入PSA变压吸附装置，在PSA变压吸附装置内对精脱硫沼气脱除掉杂质气体，杂质气体存储在储气柜中，经过PSA变压吸附装置净化后的沼气则通入第二缓冲罐，净化后的沼气在第二缓冲罐稳压后进入双膜储气柜中存储利用。杂质气体为CO2、H2O等。
步骤S2中生物滴滤塔的填料层为活性炭纤维布，装填时加入了大孔聚乙烯塑料网为填料支架以提高填料的强度。
步骤S2中压缩空气通入管式曝气器，使得富液饱含氧分子。
步骤S3中氧化铁干式脱硫催化剂的脱硫反应为：
Fe2O3·H2O+3H2S→Fe2S3·H2O+3H2O；
步骤S3中氧化铁干式脱硫催化剂可实现再生，沼气中含有的饱和水可完全满足脱硫剂还原对水分的需要，具体反应为：
2Fe2S3·H2O+3O2→2Fe2O3·H2O+6S。
采用氧化铁干式脱硫催化剂可以在脱硫的同时实现连续还原再生，大大提高了氧化铁催化剂的使用寿命，延长了催化剂的更换时间，并且采用“生物法+干法”双级脱硫技术，通过对碱液和干式脱硫催化剂的优选、工艺参数的优化，解决了高H2S浓度下沼气脱硫率和脱硫效率低、脱硫成本高的问题。
碱性水溶液从碱液再生反应器流出后，在换热器和循环泵的作用下，在生物滴滤塔内腔对原料沼气进行粗脱硫，富液从生物滴滤塔侧壁下部的液体出口通入碱液再生反应器。碱液加碱罐调节碱液再生反应器中碱性水溶液的pH值，营养液添加罐对碱性水溶液补充营养物质，压缩空气通入管式曝气器，使得降解后的富液饱含氧分子，营养物质使饱含氧分子的富液再生，重新得到可以对沼气降解的碱性水溶液，碱性水溶液循环利用。
进一步地，所述步骤S1中冷却塔的温度为28～30℃。在不同的温度下待处理的沼气会产生不同的好氧嗜硫菌群，一般认为，在28℃至30℃的温度环境下，好氧嗜硫菌群的生长与活动是最快的，因而在此温度下脱硫效果最高。
进一步地，所述步骤S2中碱液再生反应器收集降解后的富液，降解后的富液中含有单质硫，单质硫以硫泡沫的形式从碱液再生反应器分离出去，经过硫泡沫管路进入培养液沉淀器，通过自然沉降回收单质硫。
进一步地，所述步骤S2中生物滴滤塔中H2S的浓度小于等于15000mg/Nm3，碱性水溶液为Na2CO3溶液，微生物为脱氮硫杆菌、氧化亚铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌和排硫硫杆菌中的一种或几种；
微生物的脱硫反应为：
2H2S+O2→2S+2H2O
2H2S+3O2→2H2SO3。
进一步地，所述步骤S2中碱液再生反应器分别通过管路连接有碱液加碱罐和营养液添加罐，碱液加碱罐调节碱性水溶液的pH值，营养液添加罐对碱性水溶液补充营养物质，营养物质主要包含碳源、氮源、磷源，和一些微量元素，如铁、锰、钼等多种营养物质，它们能够促进微生物的繁殖和代谢活动，提高脱硫效率。
正常运行时，营养液添加罐的营养液为中性，并不需要加碱调节。当营养液中的pH值偏低，脱硫效果下降时，可适量加入液碱以调节营养液的pH值，以保证沼气脱硫的效果。
本发明的工作原理为：在沼气发酵罐中进行厌氧发酵，得到的原料沼气依次经过缓冲罐的缓冲、除尘器去除机械杂质、风压机升压、冷却塔降温后，进入生物滴滤塔，在生物滴滤塔内粗沼气与从塔顶进入的碱性水溶液在脱硫塔填料表面逆流接触过程中，脱除大部分硫化氢等杂质，再经过脱水塔分离掉水分后，进入干法脱硫塔进一步脱除硫化氢，使之降到10mg/Nm3以下，再经PSA变压吸附脱出CO2并储存在双膜干式储气柜中，含有硫化氢的富液在碱液再生反应器内通过再生循环使用，硫单质在培养液沉淀器内通过自然沉降收集利用。
本发明的有益效果为：本发明设计合理，制备方法简单，碱再生生物脱硫+同步再生干法脱硫综合了生物脱硫处理量大、去除率高、运行成本低、可回收单质硫、无二次污染及干法脱硫反应速度快、出气绝对含硫量低的优势，是大型市政污泥消化项目沼气产量大、H2S含量较高条件下脱硫工艺的一个理想选择。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明中生物与干法串联的沼气精脱硫装置的结构示意图。
图中：1.第一缓冲罐，2.除尘器，3.风压机，4.冷却塔，5.生物滴滤塔，6.干法脱硫塔，7.螺杆压缩机，8.PSA变压吸附装置，9.第二缓冲罐，10.双膜储气柜，11.碱液再生反应器，12.培养液沉淀器，13.碱液加碱罐，14.营养液添加罐，15.换热器，16.循环泵，17.储气柜，18.管式曝气器。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
下面将结合实施例对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种生物与干法串联的沼气精脱硫工艺，具体操作如下：
步骤S1、在沼气发酵罐中经过间接湿法中温(30～40℃)厌氧发酵产生原料沼气，原料沼气(H2S含量约2580～3950mg/Nm3)进入第一缓冲罐1(压力小于5kpa.G)，经除尘器2去除杂质后，由风压机3升压至20kpa.G后，冷却塔4内原料沼气温度降至28～30℃；
步骤S2、降温后的原料沼气进入生物滴滤塔5，原料沼气与含有不同化能自养型微生物的碱性水溶液在生物滴滤塔5填料表面逆流接触，在接触过程中，硫化氢被碱性水溶液吸收，同时微生物对硫离子完成降解，将HS-离子转化为单质硫，使硫化氢含量降至100mg/Nm3左右，碱性水溶液采用NaCO3溶液，原料沼气经过粗脱硫成为粗沼气；
步骤S3、粗沼气进入干法脱硫塔6，干法脱硫塔6采用氧化铁干式脱硫催化剂，对粗沼气进行精脱硫，使H2S含量降至10mg/Nm3以下，在H2S脱除的同时，对脱硫剂进行连续再生，以充分利用脱硫剂的硫容；
步骤S4、精脱硫沼气经螺杆压缩机7升压至0.45MPa.G后进入PSA变压吸附装置8，脱除CO2并将CO2储存，净化后的沼气经第二缓冲罐9进入双膜储气柜10。
步骤S2中富含硫单质的富液进入碱液再生反应器11，单质硫以硫泡沫的形式从碱液再生反应器分离出去，进入培养液沉淀器12，通过自然沉降回收单质硫。同时向碱液再生反应器11内投入空气和营养液，并通过换热器15和循环泵16，使碱性水溶液完成再生循环利用。通过碱液加碱罐13调节碱液再生反应器11的pH值，同时营养液添加罐14对碱液再生反应器11补充营养物质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种生物与干法串联的沼气精脱硫装置，其特征在于：包括第一缓冲罐(1)、冷却塔(4)、生物滴滤塔(5)和干法脱硫塔(6)，所述第一缓冲罐(1)通过管路依次串联有除尘器(2)和冷却塔(4)；所述干法脱硫塔(6)通过管路依次串联有PSA变压吸附装置(8)、第二缓冲罐(9)和双膜储气柜(10)；
所述冷却塔(4)顶端设有沼气出口，沼气出口通过沼气管路连接至生物滴滤塔(5)侧壁下部的气体进口；生物滴滤塔(5)侧壁上部的气体出口通过管路连接至干法脱硫塔(6)侧壁下部的气体进口；生物滴滤塔(5)侧壁下部的液体出口通过管路连接有碱液再生反应器(11)；
所述碱液再生反应器(11)设有液体管路，液体管路连接至生物滴滤塔(5)顶端的液体进口，液体管路上设置有换热器(15)和循环泵(16)，循环泵(16)靠近碱液再生反应器(11)设置；所述碱液再生反应器(11)侧壁上部设有硫泡沫管路，硫泡沫管路连接有培养液沉淀器(12)；
所述PSA变压吸附装置(8)顶部通过管路连接有储气柜(17)。
2.根据权利要求1所述的一种生物与干法串联的沼气精脱硫装置，其特征在于：所述生物滴滤塔(5)内腔底端设置有管式曝气器(18)，管式曝气器(18)的气体进口处设置有压缩空气进气管。
3.根据权利要求1所述的一种生物与干法串联的沼气精脱硫装置，其特征在于：所述除尘器(2)和冷却塔(4)之间设有风压机(3)。
4.根据权利要求1所述的一种生物与干法串联的沼气精脱硫装置，其特征在于：所述干法脱硫塔(6)和PSA变压吸附装置(8)之间设有螺杆压缩机(7)。
5.根据权利要求1所述的一种生物与干法串联的沼气精脱硫装置，其特征在于：所述碱液再生反应器(11)分别通过管路连接有碱液加碱罐(13)和营养液添加罐(14)。
6.一种生物与干法串联的沼气精脱硫工艺，其特征在于：所述生物与干法串联的沼气精脱硫工艺使用上述如权利要求1～5任一项所述的生物与干法串联的沼气精脱硫装置，该沼气精脱硫工艺具体包括如下步骤：
步骤S1、第一缓冲罐(1)内装有原料沼气，原料沼气经过除尘器(2)去除杂质后，由风压机(3)升压至15～25KPa·G，进入冷却塔(4)降温；
步骤S2、经过冷却塔(4)降温的原料沼气进入生物滴滤塔(5)，生物滴滤塔(5)内置有填料层，碱液再生反应器(11)流出的含有微生物的碱性水溶液从生物滴滤塔(5)顶部的液体进口进入；原料沼气自下往上，碱性水溶液自上往下，两者在填料层表面逆流接触，碱性水溶液完成对H2S气体的吸附，微生物对硫离子完成降解，原料沼气经过粗脱硫形成粗沼气；粗沼气经生物滴滤塔(5)顶部的气体出口进入下一个工序，富液从生物滴滤塔(5)侧壁下部的液体出口通入碱液再生反应器(11)；
步骤S3、生物滴滤塔(5)出来的粗沼气进入干法脱硫塔(6)，同时将空气通入干法脱硫塔(6)中，对粗沼气精脱硫得到精脱硫沼气；
步骤S4、得到的精脱硫沼气通过螺杆压缩机(7)压缩至0.4～0.5MPa·G后通入PSA变压吸附装置(8)，在PSA变压吸附装置(8)内对精脱硫沼气脱除掉杂质气体，杂质气体存储在储气柜(17)中，经过PSA变压吸附装置(8)净化后的沼气则通入第二缓冲罐(9)，净化后的沼气在第二缓冲罐(9)稳压后进入双膜储气柜(10)中存储利用。
7.根据权利要求6所述的一种生物与干法串联的沼气精脱硫工艺，其特征在于：所述步骤S1中冷却塔(4)的温度为28～30℃。
8.根据权利要求6所述的一种生物与干法串联的沼气精脱硫工艺，其特征在于：所述步骤S2中碱液再生反应器(11)收集降解后的富液，降解后的富液中含有单质硫，单质硫以硫泡沫的形式从碱液再生反应器(11)分离出去，经过硫泡沫管路进入培养液沉淀器(12)，通过自然沉降回收单质硫。
9.根据权利要求6所述的一种生物与干法串联的沼气精脱硫工艺，其特征在于：所述步骤S2中生物滴滤塔(5)中H2S的浓度小于等于15000mg/Nm3；碱性水溶液为Na2CO3溶液，微生物为脱氮硫杆菌、氧化亚铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌和排硫硫杆菌中的一种或几种。
10.根据权利要求6所述的一种生物与干法串联的沼气精脱硫工艺，其特征在于：所述步骤S2中碱液再生反应器(11)分别通过管路连接有碱液加碱罐(13)和营养液添加罐(14)，碱液加碱罐(13)调节碱性水溶液的pH值，营养液添加罐(14)对碱性水溶液补充营养物质，营养物质包含碳源、氮源、磷源、以及微量元素。
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|---|---|---|---|---|
| CN118048220A (zh) * | 2024-02-06 | 2024-05-17 | 江苏金茂源生物化工有限责任公司 | 以木薯为原料废水脱氮与沼气脱硫耦联制备乙醇的装置与方法 |
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2023
- 2023-10-07 CN CN202311286436.7A patent/CN117126691A/zh active Pending
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