煤層氣脫硫新方法研究

摘 要

摘要：利用煤層氣之前必須預(yù)先脫除其中的劇毒腐蝕性氣體——硫化氫，但傳統(tǒng)干法、濕法脫硫存在能耗大、脫硫劑難再生等缺點(diǎn)。為此，研究了將傳統(tǒng)干式吸附與濕式吸收相結(jié)
摘要：利用煤層氣之前必須預(yù)先脫除其中的劇毒腐蝕性氣體——硫化氫，但傳統(tǒng)干法、濕法脫硫存在能耗大、脫硫劑難再生等缺點(diǎn)。為此，研究了將傳統(tǒng)干式吸附與濕式吸收相結(jié)合的新脫硫方法，制備了新脫硫劑，并考察了其脫硫效果和再生性能。結(jié)果表明，涂漬一定濃度吸收劑的新脫硫劑較之吸附劑載體，比表面積和孔容都減小，微孔消失，但脫硫性能卻大大提高，可實(shí)現(xiàn)對(duì)硫化氫的完全脫除，并且吸收劑濃度越高，穿透時(shí)間越長(zhǎng)；新脫硫劑再生性能良好，常溫下甲烷氣體吹掃即可在短時(shí)間內(nèi)把硫化氫濃度吹至很低。該脫硫新方法脫硫性能好、再生容易，可進(jìn)一步應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)煤層氣的常溫、低壓、低能耗脫硫操作。
關(guān)鍵詞：煤層氣；甲烷；硫化氫；脫硫劑；吸附；吸收
0 引言
    煤層氣中一般含有微量硫化氫雜質(zhì)。硫化氫腐蝕性強(qiáng)，對(duì)鐵和鋼等金屬會(huì)產(chǎn)生深孔腐蝕和脆化作用，催化毒性強(qiáng)[1～2]，有劇毒性，對(duì)人體神經(jīng)系統(tǒng)的危害特別大，大量吸入會(huì)導(dǎo)致死亡[3～4]，因此，在利用煤層氣前需要先將其中的硫化氫氣體脫除[5～6]。
    脫硫方法主要可分為干法和濕法。干法脫硫是以固定氧化劑、吸收劑或吸附劑來(lái)氧化、吸收或吸附硫化氫，適于氣體的精脫硫。干法脫硫中最常用的氧化鐵法[7]脫硫條件苛刻，脫硫劑再生困難，用后一般廢棄，造成對(duì)環(huán)境的二次污染，并且需更換脫硫劑而不能連續(xù)操作；氧化鋅法[8]脫硫成本高，脫硫劑也難于再生；吸附法[9]吸附劑需要加熱再生，能耗大；各新方法如膜分離、生物分解、電子束照射分解法以及光催化反應(yīng)等[10～11]，在實(shí)驗(yàn)室研究較多，近期內(nèi)難以廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)中。
    針對(duì)上述問(wèn)題，采用結(jié)合傳統(tǒng)干式吸附與濕式吸收的新方法進(jìn)行脫硫，即在吸附劑載體上涂漬適當(dāng)吸收劑涂漬液制成脫硫劑，同時(shí)利用吸附劑大的比表面積和吸收劑易再生的特點(diǎn)，使各溶質(zhì)在氣相和涂漬液相之間分配分離，而通過(guò)降壓吹掃使脫硫劑再生。該法能解決傳統(tǒng)脫硫劑的常溫再生問(wèn)題，又可應(yīng)用成熟的變壓吸附裝置進(jìn)行操作，有望應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。
    以硅膠為載體、N-甲基-2-吡咯烷酮(即NMP)為涂漬液，系統(tǒng)研究了脫硫劑孔結(jié)構(gòu)，吸收劑涂漬濃度、再生次數(shù)等對(duì)脫硫劑脫硫性能的影響，結(jié)果證明該脫硫劑的脫硫、再生和穩(wěn)定性都很好，該方法是一種操作條件溫和的脫硫新方法。
1 脫硫新方法實(shí)驗(yàn)
1.1 脫硫劑的制備
    采用粗孔微球硅膠(青島海洋化工廠出產(chǎn)，40～60目，堆密度0.42g/mL，比表面積388m2/g，孔容1.001mL/g，平均孔徑10nm)和NMP(上海群利化工廠出產(chǎn))制備脫硫劑。將吸附劑用電熱鼓風(fēng)干燥箱和真空干燥箱在120℃下各干燥3h。稱取一定質(zhì)量(固定為8.7g)并量出體積，根據(jù)所需涂漬比取一定量吸收劑。用丙酮稀釋后將吸附劑加入，用濾紙封口后水浴慢慢升溫，保持水浴60℃，直至載體無(wú)丙酮?dú)馕稌r(shí)取出稱重，然后繼續(xù)加熱5min后稱重。重復(fù)以上該操作，至3次連續(xù)稱重時(shí)讀數(shù)恒定結(jié)束。求出吸收劑涂漬比(LR)及體積涂漬比(LRv)：
   LR=(吸收劑質(zhì)量/吸附劑質(zhì)量)×100%
   LRv=(吸收劑體積/吸附劑孔體積)×100%
1.2 脫硫劑的孔結(jié)構(gòu)特征
利用如圖1所示的N2吸附裝置，測(cè)定77K下N2在各脫硫劑上的吸附等溫線，用BET法計(jì)算比表面積，用相對(duì)壓力0.99時(shí)的吸附量計(jì)算孔容，用BJH法計(jì)算了脫硫劑的孔徑分布特征[12～13]。
 

1.3 脫硫和再生實(shí)驗(yàn)
 
    用如圖2所示的實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行脫硫和再生。采用甲烷硫化氫混合進(jìn)氣初步模擬煤層氣，其中H2S含量222.3mg/m3，總流量為280mL/min。脫硫床為內(nèi)徑10mm、長(zhǎng)250mm的不銹鋼管。床層溫度維持298K，再生時(shí)將床層放至常壓并用25%流量的甲烷正向吹掃。
2 結(jié)果與討論
2.1 脫硫劑孔結(jié)構(gòu)
77K下N2在各脫硫劑上的吸附等溫線見(jiàn)圖3，孔徑分布見(jiàn)圖4，計(jì)算出的比表面積和孔容見(jiàn)表1。
 
    由表1看出，新脫硫劑的比表面積、孔容和孔徑都隨吸收劑涂漬比的增加而減小，同時(shí)由圖4可以看出，隨吸收劑涂漬比增加微孔大量減少，LR為32.5%的脫硫劑，微孔已經(jīng)基本消失。

    以上結(jié)果說(shuō)明，涂漬液除在脫硫劑的中孔表面形成液膜，引起中孔孔徑減少外，還會(huì)堵塞微孔。
2.2 脫硫性能研究
硅膠和不同LR脫硫劑的硫化氫穿透曲線見(jiàn)圖5。對(duì)硅膠、LR為26%和LR為32.5%的新型脫硫劑的再生性能進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖6。
 

    我國(guó)GB 17820一1999《天然氣》規(guī)定，城市管道天然氣中硫化氫含量標(biāo)準(zhǔn)為：一類天然氣中硫化氫含量不大于6mg/m3，二類天然氣中硫化氫含量不大于20mg/m3，三類天然氣中硫化氫含量小于460mg/m3。而GB 18047—2000《車(chē)用壓縮天然氣》規(guī)定，車(chē)用壓縮天然氣中硫化氫含量不大于15mg/m3。由圖5可以看出，LR＞14.3%的脫硫劑，硫化氫穿透時(shí)間長(zhǎng)于300s，即300s內(nèi)產(chǎn)品氣中不含硫化氫，符合一類城市管道天然氣和車(chē)用天然氣用氣要求。
    不同LR的脫硫劑，脫硫性能不同。LR越大，穿透時(shí)間越長(zhǎng)。原因可能是脫硫劑吸收與吸附的同時(shí)進(jìn)行，存在增濃效應(yīng)，即NMP對(duì)硫化氫的富集促進(jìn)了硅膠的吸附性能，而硅膠的表面的吸附也促進(jìn)了液膜的吸收。因此，將吸附和吸收相結(jié)合，是改善脫硫劑性能的有效方法。
    由圖6可以看出，新脫硫劑再生時(shí)有較寬的高濃度區(qū)，硫化氫脫除效率高，而硅膠則基本不存在高濃度區(qū)，而且硅膠脫硫劑再生曲線拖尾長(zhǎng)，1400s左右時(shí)再生氣硫化氫含量仍達(dá)17.6mg/m3，而LR為26%的新脫硫劑在550s左右時(shí)，硫化氫含量就降到11.7mg/m3?？梢?jiàn)，涂漬適當(dāng)濃度的涂漬液也可以明顯改變脫硫劑的再生性能。
    再生后的氣體可再次脫硫處理。通過(guò)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)淖儔好摿蚬に?，并?duì)各工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，即可實(shí)現(xiàn)硫化氫的連續(xù)脫除處理。下一步的工作目標(biāo)，就是對(duì)吸附劑和吸收劑進(jìn)行進(jìn)一步篩選、優(yōu)化各工藝條件，并實(shí)現(xiàn)變壓脫硫連續(xù)操作。
    綜上，該新型脫硫劑脫硫容量大，再生性能良好，比傳統(tǒng)吸附劑脫硫性能有很大改善。
3 結(jié)論
    制備了脫除煤層氣中硫化氫的新脫硫劑，并對(duì)其進(jìn)行了脫硫效果及再生性能研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)常規(guī)吸附劑上涂漬吸收劑液膜制得的新脫硫劑，微孔基本被堵塞，但其脫硫容量大于吸附與吸收的容量和。該脫硫劑再生性能良好，常溫下甲烷氣體吹掃可以在很短時(shí)間內(nèi)把硫化氫濃度吹至很低。該脫硫方法可以應(yīng)用于變壓過(guò)程進(jìn)行氣體的脫硫操作，是一種操作條件溫和的脫硫新方法。
    特別感謝：本文是在天津大學(xué)化工研究所周理教授的大力支持下完成的，在此表示衷心感謝！
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(本文作者：鐘立梅 青島科技大學(xué))