[发明专利]气体进行膜分离前的净化方法和净化系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种膜分离技术，特别涉及一种气体膜分离技术，尤其涉及气体进行膜分离前的净化方法和净化系统。

背景技术

天然气的主要成分为烷烃，其中以甲烷为主，此外还含有硫化氢、二氧化碳、氮气、水蒸气和少量的一氧化碳，通常需要对天然气进行净化以去除原料气中的硫化氢、二氧化碳和水蒸气，从而使其满足天然气产品标准。例如作为民用燃料的天然气，要求其总硫含量≤200mg/m³，硫化氢含量≤20mg/m³，二氧化碳含量≤3％，水露点在交接点压力下比输送条件下最低环境温度低5℃。常规天然气资源相对集中，并且处理规模大，目前普遍采用胺法脱硫脱碳及甘醇脱水工艺。

除常规天然气外，我国还包括许多非常规的能源资源，例如页岩气、沼气等，其组成虽与天然气相似，但二氧化碳含量相对较高，并且具有资源分散、产气量少、质量不稳定、稳产时间短等特点，因此，利用常规天然气净化处理工艺对这些非常规能源资源进行净化存在投资大、设备操作稳定性差、经济效益低等缺陷。目前，尚无可借鉴的成熟技术和经验对这些非常规的能源资源进行规模性地开发利用，从而造成极大的资源浪费。

气体膜分离技术是在压力的驱动下，借助气体中各组分在高分子膜表面上的吸附能力及膜内溶解-扩散上的差异(即渗透速率差异)来对气体中的组分进行分离的过程。气体在膜两侧的压力差作用下，渗透速率相对较快的气体如水蒸气、氢气、氦气、硫化氢、二氧化碳等透过膜而在膜的渗透侧得到富集(渗透气)，而渗透速率相对较慢的气体，如甲烷、氮气、一氧化碳、氩气等则在膜的滞留侧被富集(渗余气)，从而达到分离目的。目前，用于气体膜分离的高分子膜主要有聚烯烃、纤维素类、聚砜、聚酰亚胺、有机硅材料及聚硅酸酯等，其中聚酰亚胺中空纤维膜因具有操作压力高、通量大、分离系数高等优势而备受青睐。

利用气体膜分离技术对原料气进行膜分离前，通常需要对原料气进行净化处理(即预处理)，从而去除原料气中影响膜稳定性的颗粒、液态水、油类等杂质，此外在原料气含硫量较高时通常还需对原料气进行粗脱硫。除了常规的脱水外，例如公开号为CN101760270A采用在原料气进行膜分离之前将其加热至远离露点温度的方式来避免原料气中的水对膜分离的影响。

然而，试验表明，采用上述方式净化处理后的原料气进行膜分离时，膜组件在运行一段时间后仍然存在压降明显增大、通量显著减小、分离效率明显降低等问题，并且长期使用状态下的膜基本无法达到预期的使用寿命。

发明内容

本发明提供气体进行膜分离前的净化方法和净化系统，用于解决现有技术中经传统预处理方法净化的原料气在膜分离时产生压降明显增大、通量显著减小、分离效率明显降低等问题；本发明的净化方法和净化系统运行成本低，并且显著提高膜的使用寿命。

本发明提供的气体进行膜分离前的净化方法，包括对待分离的原料气进行脱硫处理、换热处理和脱细微颗粒物处理，且所述各处理的顺序不限；其中，所述换热处理包括使所述原料气的露点温度低于所述膜分离的操作温度20℃以上；所述脱硫处理利用固体脱硫剂进行，并使所述原料气中总硫含量低于10ppm；所述脱细微颗粒物处理是使所述原料气中颗粒粒径小于0.01μm。

本发明的净化方法对待分离的原料气的来源和组成不作严格限制，其对能够采用气体膜分离技术进行分离的原料气均适用；特别是，该净化方法尤其适用于含有甲烷和二氧化碳的原料气，例如页岩气、沼气等，经该净化方法处理后的原料气中的甲烷和二氧化碳通过气体膜分离技术得到分离。

本发明人发现，在气体进行膜分离的过程中，原料气中的微量含硫物质(＞10ppm，包括无机硫和有机硫)仍然可能会与膜分离所使用的膜发生反应而改变膜的分离性能并缩短膜的使用寿命，从而导致传统预处理方法在后续进行的气体膜分离过程中存在膜的分离效率明显降低以及无法达到膜的预期使用寿命等问题。经研究表明，必须将待分离的原料气中的总硫含量降低至一定范围(低于10ppm)内才能够较好地保证膜的分离性能和分离效率。在该范围内进一步降低总硫含量对于膜的分离效率及使用寿命的影响微乎其微，因此无需因追求更低的总硫含量而造成成本增加。