УСТАНОВКА ДЛЯ ОЧИСТКИ ГАЗА ОТ СЕРОВОДОРОДА
EQUIPMENT FOR GAS CLEANING OUT OF HYDROGEN SULFIDE

Предложение относится к области очистки газов, в частности к устройствам для удаления сероводорода из газов, и может быть использовано в системах нейтрализации сероводорода в резервуарных, свалочных, шахтных газах и на установках для производства биогаза в условиях, когда очищаемый газ находится при давлении, близком к атмосферному.
Известна установка очистки газа от сероводорода (Патент US 4482524, МПК B01D 53/36. Опубл. 13.11.1984 г.), включающая емкость с абсорбентом, перегородку, делящую емкость на две зоны, и распределители газа и воздуха, расположенные каждый в своей зоне. Процесс очистки газа основан на жидкофазном окислении сероводорода в элементарную серу. Очистка газа от сероводорода осуществляется путем барботирования газа через слой абсорбента в зоне абсорбции с образованием твердых частиц элементарной серы, которая затем удаляется из аппарата. В качестве абсорбента используется водный раствор комплексов металлов с переменной валентностью - преимущественно хелатов железа. При окислении сероводорода ион металла в хелатном комплексе переходит в состояние с меньшей степенью окисления и абсорбент теряет свои сорбционные свойства в отношении сероводорода. Для восстановления сорбционных свойств осуществляется регенерация абсорбента - возврат ионов металла в исходное состояние путем окисления их кислородом воздуха. Это достигается продувкой абсорбента воздухом в зоне регенерации. За счет разности плотностей газожидкостных смесей вследствие различной газонасыщенности по разные стороны от перегородки осуществляется автоциркуляция абсорбента, позволяющая подавать в зону абсорбции отрегенерированный абсорбент.
Достоинством установки является то, что полнота извлечения сероводорода, достигаемая при жидкофазном каталитическом процессе с использованием комплексов металлов, составляет 99,9% и выше, чему способствует, в числе прочих, организация автоциркуляции раствора. Это позволяет реализовать высокоэффективные системы очистки газов.
Недостатком этой установки в случае очистки горючих газов является смешивание очищенного от сероводорода газа с содержащими кислород остатками воздуха, подаваемого на регенерацию, так как это приводит к опасности образования взрывоопасных смесей и, как минимум, к разбавлению газа балластом, снижающим его энергетическую ценность. Недостатком является также необходимость создания избыточного давления газа для преодоления гидростатического давления слоя абсорбента.
Известна также установка очистки газа от сероводорода на основе жидкофазного процесса с использованием водного раствора комплекса железа с этилендиаминтетрауксусной кислотой (Патент RU 2016633, МПК B01D 53/18. Опубл. 30.07.1994 г.). Установка реализует процесс в двух раздельных устройствах - абсорбере для промывки газа и регенераторе для восстановления свойств абсорбента, служащих, по сути, емкостями для абсорбента. Имеются также распределители газа, подаваемого на очистку, и воздуха, подаваемого на регенерацию. Данная установка также без использования насоса обеспечивает автоциркуляцию абсорбента за счет разности плотностей насыщенной газом и свободной от газа жидкостей.
Достоинствами установки являются высокая степень очистки газа от сероводорода, характерная для всех жидкофазных процессов очистки с использованием хелатов железа, и обеспечение безнасосной циркуляции раствора, при том что зоны абсорбции и регенерации разделены, и это позволяет получить чистый газ без смешения с остаточным воздухом.
Недостатком этой установки является необходимость создания избыточного давления газа для преодоления гидростатического давления слоя абсорбента. При очистке газов, находящихся при атмосферном давлении, например биогаза, резервуарного или свалочного газа, использование оборудования для повышения давления газа связано со значительными затратами. Недостатком установки можно назвать также конструктивно раздельное расположение абсорбера и регенератора, что является критичным при повышенных требованиях к рабочей площади, занимаемой установкой.
Известна установка для очистки газа от сероводорода с помощью абсорбента на основе водного раствора хелатного комплекса железа, где очистка осуществляется при минимальном избыточном давлении газа («Удаление сероводорода из синтез-газа», Нефтегазовые технологии, №5, 2008 г., с.86). Установка содержит скруббер Вентури, насадочный абсорбер и аппарат для регенерации абсорбента. Очистка газа от сероводорода осуществляется в две ступени: в скруббере Вентури при контакте газа и струй абсорбента и далее в абсорбере при контакте частично очищенного газа с абсорбентом на смоченной поверхности насадки. Регенерация абсорбента осуществляется в отдельном аппарате. Недостатком этой установки является необходимость поддержания некоторого, хотя и небольшого, избыточного давления газа, подаваемого на очистку от сероводорода, вследствие гидравлических потерь давления на абсорбере, а также использование дополнительного аппарата для регенерации абсорбента.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является «Метод и установка для удаления сероводорода из газов» (Патент DE 3444252, МПК В01D 53/14. Опубл. 20.06.85 г.), включающий как минимум одно устройство промывки газа абсорбентом на основе хелатного комплекса металла, особенно хелата железа, представляющее собой жидкоструйный насос-инжектор, устройство регенерации абсорбента, распределитель воздуха, воздушный компрессор, подводящие и отводящие трубопроводы для газа и абсорбента, насосы для циркуляции абсорбента, емкость с абсорбентом, устройство выделения серы, устройство управления. С целью повышения эффективности регенерации абсорбента устройство регенерации выполнено в виде как минимум одной колонны, нижняя часть которой соединена с емкостью с абсорбентом и с насосом пульсирующего («гейзерного») действия, обеспечивающего интенсивное перемешивание абсорбента и нагнетаемого воздуха в колонне регенерации.
Недостатками данной установки являются, во-первых, ее значительные габариты, связанные с раздельным конструктивным расположением устройства промывки газа и устройства регенерации абсорбента, во-вторых, наличие застойных зон внутри емкости с абсорбентом, что приводит к повышенному отложению серных осадков и, как следствие, к нарушению нормального режима удаления серы и уменьшению межремонтного периода системы очистки, в-третьих, при изменяющейся концентрации сероводорода в газе на входе установки отсутствует возможность управления процессами абсорбции и регенерации, что не позволяет оптимизировать затраты электроэнергии и расход химреагентов.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности очистки газа, находящегося при давлении, близком к атмосферному, за счет оптимизации процесса очистки газа от сероводорода путем контроля концентрации сероводорода в очищенном газе и регулирования расхода абсорбента при изменяющейся концентрации сероводорода в очищаемом газе, контроля редокс-потенциала абсорбента и регулирования расхода воздуха на регенерацию абсорбента, исключения застойных зон внутри емкости с абсорбентом, снижение габаритов установки, стоимости ее изготовления и монтажа, снижение текущих затрат на электроэнергию и обслуживание установки.
Техническая задача решается предлагаемой установкой для очистки газа от сероводорода, содержащей устройство промывки газа абсорбентом на основе водного раствора комплекса металла, преимущественно хелата железа, представляющее собой как минимум один жидкоструйный насос-инжектор, включающей емкость с абсорбентом, устройство регенерации абсорбента, распределитель воздуха, воздушный компрессор, насосы для циркуляции абсорбента, устройство выделения серы, устройство управления, подводящие и отводящие трубопроводы для газа и абсорбента.
Новым является то, что устройство промывки газа абсорбентом дополнительно снабжено как минимум одной колонной промывки газа абсорбентом, нижняя часть колонны промывки газа размещена внутри емкости с абсорбентом, причем концевая часть колонны промывки выполнена изогнутой вертикально вверх и подведена под распределитель воздуха, при этом жидкоструйный насос-инжектор соединен с колонной и место соединения находится снаружи и выше корпуса емкости с абсорбентом, при этом устройство регенерации абсорбента находится в емкости с абсорбентом и образовано распределителем воздуха, и двумя перегородками, при этом одна из перегородок жестко соединена с верхней частью корпуса емкости с абсорбентом, а вторая выполнена с зазором относительно верхней части корпуса емкости.
Также новым является то, что в как минимум одной колонне промывки расположены рядами по высоте колонны под углом 90° друг к другу 4N (где N=1, 2, 3…) форсунки-распылители абсорбента, при этом форсунки-распылители, находящиеся на одной высоте под углом 180° (встречно) друг к другу, соединены попарно трубопроводами, при этом трубопровод каждой пары снабжен отдельным клапаном, соединенным с устройством управления.
Также новым является то, что отводящие трубопроводы колонн промывки снабжены датчиками измерения концентрации сероводорода, соединенными через устройство управления с клапанами трубопроводов форсунок-распылителей и с насосом циркуляции абсорбента.
Также новым является то, что емкость с абсорбентом снабжена датчиком измерения редокс-потенциала, при этом датчик соединен через устройство управления с воздушным компрессором.
На фиг.1 приведена принципиальная схема предлагаемой установки для очистки газа от сероводорода с двумя жидкоструйными насосами-инжекторами и двумя колоннами промывки газа абсорбентом. На фиг.2 показано сечение колонны промывки газа абсорбентом в зоне расположения форсунок-распылителей. На фиг.3 для наглядности представлен разрез емкости с абсорбентом.
Установка (фиг.1) содержит емкость 1 с абсорбентом, ограниченную герметичным корпусом с патрубком выхода отработанного воздуха 2 и включающую в себя устройство регенерации абсорбента 3, образованное распределителем воздуха 3' и перегородками 4 и 5, устройство промывки газа абсорбентом, включающее два жидкоструйных насоса-инжектора 6, две колонны промывки газа абсорбентом 7, оснащенные форсунками-распылителями 8, насосы для циркуляции абсорбента 9 и 10, воздушный компрессор 11, устройство выделения серы 12, подводящие и отводящие трубопроводы 13 для газа и абсорбента, в частности выходной патрубок абсорбента 13', и устройство управления 14. Имеются также датчики концентрации сероводорода в газе 15 и 16, датчик 17 редокс-потенциала абсорбента, а также каплеотбойники 18. Для увеличения пути следования потока абсорбента и лучшего, вследствие этого, отстаивания и отделения серы может быть установлен приемный лоток 19. Имеются также регулирующие клапаны 20 и 21 (фиг.2).
Установка работает следующим образом. Абсорбент из емкости 1 (фиг.1) через выходной патрубок 13' насосами для циркуляции абсорбента 9 и 10 подается под давлением соответственно в жидкоструйные насосы-инжекторы 6 и форсунки-распылители 8. Загрязненный сероводородом газ захватывается жидкоструйными насосами-инжекторами 6 и подается в колонны промывки газа 7. Жидкоструйные насосы-инжекторы соединены с колоннами и место соединения находится снаружи и выше корпуса емкости с абсорбентом. Количество колонн промывок газа и насосов-инжекторов зависит от требуемой степени очистки газа от сероводорода. Основная доля сероводорода поглощается абсорбентом при контакте газовой и жидкой фаз в насосах-инжекторах 6. Поглощение сероводорода абсорбентом сопровождается образованием элементарной серы в виде суспензии в абсорбенте. Доочистка газа происходит в колоннах промывки газа 7 при контакте газа с мелкораздробленными с помощью форсунок-распылителей 8 каплями абсорбента. Для улавливания уносимых потоком газа капель абсорбента под патрубком выхода очищенного газа колонн промывки 7 установлены каплеотбойники 18. После контакта с загрязненным газом отработанный абсорбент поступает в нижнюю часть колонн промывки 7.
На выходе газа из колонн промывки 7 установлены датчики концентрации сероводорода 15 и 16. По показаниям датчиков устройство управления 14 формирует сигналы управления приводами насосов 9 и 10. При низкой концентрации сероводорода первоначально отключается работа насоса 10, а затем снижается нагрузка на насос 9. Но прежде чем привести в действие управление насосами, устройство управления 14 формирует сигналы управления клапанами 20 и 21 (фиг.2), отвечающими за подачу абсорбента на форсунки-распылители 8. Форсунки-распылители абсорбента расположены рядами по высоте колонны под углом 90° друг к другу в количестве 4N (где N=1, 2, 3…). Противоположно расположенные на одной высоте форсунки-распылители под углом 180° (встречно) друг к другу а-с и b-d попарно соединены трубопроводами и подключены (каждая пара) соответственно к своим клапанам 21 и 20. При достаточно низкой концентрации сероводорода в газе происходит последовательное отключение клапанов на форсунках-распылителях.
Отработанный абсорбент из концевых частей колонн промывки газа 7 (фиг.1), выполненных изогнутыми вертикально вверх и подведенных под распределитель воздуха, поступает в устройство регенерации абсорбента. Это позволяет качественно осуществить регенерацию отработанного абсорбента. Устройство регенерации образовано распределителем воздуха и двумя вертикальными перегородками 4 и 5 и находится в емкости с абсорбентом. Регенерация абсорбента осуществляется путем подачи компрессором 11 воздуха под слой абсорбента через распределитель воздуха 3'. При этом в абсорбенте за счет окисления кислородом воздуха металл, входящий в состав комплекса, переходит в более высокую степень окисления, в частности железо переходит из двухвалентной формы в трехвалентную. Одна из перегородок жестко соединена с верхней частью корпуса емкости, а вторая выполнена с зазором относительно верхней части корпуса емкости 1, достаточным для осуществления направленной циркуляции абсорбента. При этом к выходному патрубку абсорбента 13' благодаря организации потока за счет конструкции перегородок 4 и 5 (фиг.3) поступает отрегенерированный и достаточно отделенный от взвеси серы абсорбент.
Отработанный воздух из верхней части емкости 1 выходит через патрубок 2 в атмосферу. При низких концентрациях сероводорода в газе может осуществляться регулируемое снижение подачи воздуха на регенерацию. Для этого устройство управления 14 формирует сигналы управления работой компрессора 11 (на фиг.1 не показано) по показаниям датчика редокс-потенциала абсорбента 17, установленного в зоне регенерированного абсорбента (в емкости с абсорбентом).
Накапливающаяся внизу емкости 1 сгущенная суспензия серы периодически сбрасывается на устройство выделения серы 12. Сера отправляется на утилизацию.
Нижняя часть колонны промывки газа размещена внутри емкости с абсорбентом. Благодаря этому газ в колоннах промывки 7 заперт снизу слоем абсорбента и не может попасть в зону регенерации абсорбента и смешаться там с воздухом. Аналогично воздух не может попасть в зону абсорбции сероводорода и смешаться там с горючим газом. Поэтому по газовой фазе зоны абсорбции и регенерации изолированы друг от друга.
Предлагаемая установка позволяет осуществлять эффективную очистку газа, находящегося при давлении, близком к атмосферному, что в первую очередь актуально для очистки газов, поступающих из оборудования типа резервуаров, предельное избыточное давление в которых ограничено значением, составляющим примерно 2000 Па. Конструкция установки позволяет повысить эффективность очистки газа от сероводорода. Организация потока абсорбента позволяет исключить нежелательные застойные зоны в аппарате. Компоновка устройств для промывки газа и регенерации абсорбента в одном агрегате позволяет снизить габариты установки, материалоемкость, а следовательно, стоимость ее изготовления и монтажа. Контроль концентрации сероводорода в очищенном газе и автоматическое регулирование расхода абсорбента при изменяющейся концентрации сероводорода в очищаемом газе, а также регулирование расхода воздуха по изменению редокс-потенциала абсорбента позволяют повысить качество и долговечность работы установки за счет оптимизации работы насосно-компрессорного оборудования и снижения затрат на электроэнергию и обслуживание установки.
3
3
3
3
3
На пилотной установке, построенной по предлагаемой схеме с использованием одного жидкоструйного насоса-инжектора и одной колонны промывки газа, была осуществлена очистка углеводородного газа от сероводорода с использованием в качестве абсорбента водного раствора хелата железа. Концентрация железа в абсорбенте в составе хелатного комплекса с ЭДТА (этилендиаминтетрауксусной кислотой) соответствовала 5 г/дм раствора. Расходы абсорбента и газа, подаваемого на очистку, составляли соответственно 0,3 м/ч и 1,5 м/ч. При исходной объемной доле сероводорода в углеводородном газе, составляющей 0,29% (или 4100 мг/м), была осуществлена очистка газа до концентрации сероводорода 16 мг/м, что соответствует степени очистки газа от сероводорода 99,6%. Прирост давления газа, осуществляемый насосом-инжектором, составил 450 Па при давлении очищаемого газа на входе в установку на уровне атмосферного. Полученные на пилотной установке результаты подтверждают высокую эффективность очистки газа от сероводорода на предлагаемой установке. При этом не требуется повышенного давления очищаемого газа.