煤气中二氧化碳回收和硫化物脱除的装置的制作方法

本实用新型涉及煤气资源利用技术领域，具体而言，涉及一种煤气中二氧化碳回收和硫化物脱除的装置。

背景技术：

炼铁过程产生大量的煤气，其主要成分为co、h2、co2和n2，以及微量有机硫化物和硫化氢。其中的co、h2具有较高热值，也可以作为炼铁过程的还原剂。通过将煤气中的co2分离后并加以脱硫、净化，一方面可以间接提高煤气中co和h2的浓度，从而提升煤气的还原效率和燃烧热值；另一方面，可以回收煤气中的二氧化碳，在获得经济效益的同时，实现钢铁行业温室气体的减排。

分离炼铁煤气中的co2的提高煤气中co和h2的浓度方法目前主要为变压吸附法和化学吸收法，变压吸附法通过不同压力条件下，二氧化碳在固体吸附剂表面的吸附能力的变化实现二氧化碳的分离，具有选择性差的缺点，难以实现煤气中的二氧化碳的高脱除率和获得高纯浓度的二氧化碳；此外，炼铁过程产生的煤气量巨大，且其中的co2含量较高，需要大量的吸附剂，使得吸附系统占地面积大，成本高，限制了其实际应用。目前的化学吸收法工艺主要依靠常压条件下化学吸收剂在低温下吸收，高温下解吸的原理实现二氧化碳的分离。同样由于煤气量巨大以及煤气中的co2浓度较高，相应的装置体积大、吸收剂用量较大以及解吸能耗较高。另一方面，不同于一般的燃烧后烟气，炼铁煤气中含有微量的和二氧化碳的物理化学性质类似的有机硫化物和硫化氢等杂质，导致吸收和解吸的co2富集合气混有有机硫化物和硫化氢等杂质，难以被回收利用。

基于以上原因，有必要提供一种更有效地回收煤气中二氧化碳并去除其中硫化物的工艺。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于提供一种煤气中二氧化碳回收和硫化物脱除的装置，以解决现有技术中煤气中二氧化碳的脱除率低、分离成本高，且产品气中硫化物等杂质含量高的问题。

为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种煤气中二氧化碳回收和硫化物脱除的装置，其包括：二氧化碳吸收单元，具有煤气进口、脱除二氧化碳后的煤气出口、二氧化碳吸收产物出口；二氧化碳解吸单元，具有二氧化碳吸收产物进口、二氧化碳富集气出口，二氧化碳吸收产物出口与二氧化碳吸收产物进口相连；硫化氢脱除单元，具有二氧化碳富集气进口、脱硫化氢气体出口，二氧化碳富集气进口与二氧化碳富集气出口相连；以及二氧化碳精馏液化单元，具有脱硫化氢气体进口、二氧化碳精馏液化产物出口，脱硫化氢气体进口与脱硫化氢气体出口相连。

进一步地，装置还包括：煤气压缩单元，与煤气进口相连，煤气压缩单元用于对煤气进行压缩。

进一步地，装置还包括：二氧化碳富集气压缩单元，设置在二氧化碳富集气出口与二氧化碳富集气进口相连的管路上。

进一步地，装置还包括：有机硫化物水解单元，设置在二氧化碳富集气压缩单元与二氧化碳富集气进口相连的管路上，有机硫化物水解单元用于对二氧化碳富集气中的有机硫化物进行水解。

进一步地，二氧化碳吸收单元为物理吸附单元或化学吸收单元。

进一步地，二氧化碳吸收单元为化学吸收单元，其包括：吸收塔，具有煤气进口、脱除二氧化碳后的煤气出口、二氧化碳吸收产物出口，吸收塔内部装有碱性吸收液。

进一步地，二氧化碳解吸单元包括：解析塔，具有二氧化碳吸收产物进口、解析气出口、解析贫液出口；气液分离器，具有解析气进口、二氧化碳富集气出口、分离液出口，解析气进口与解析气出口相连；加热单元，用于对解析塔进行加热；降压单元，用于对解析塔内部进行降压。

进一步地，吸收塔还具有解析贫液回流口，解析贫液回流口与解析贫液出口相连；二氧化碳吸收单元还包括：第一冷却单元，用于对吸收塔进行冷却。

进一步地，煤气进口设置在吸收塔的底部；解析贫液回流口包括：第一回流口，设置在吸收塔的中部；第二回流口，设置在吸收塔的上部；解析贫液出口通过第一管路与第一回流口相连，解析贫液出口通过第二管路与第二回流口相连，且第二管路上还顺次设置有换热单元和第二冷却单元，换热单元用于将通入第二管路的解析贫液进行加热以进一步解析其中的二氧化碳，第二冷却单元用于冷却换热单元排出的解析贫液。

进一步地，解析塔顶部还设置有分离液回流口，分离液回流口与分离液出口相连。

进一步地，二氧化碳精馏液化单元包括：二氧化碳液化器，其具有脱硫化氢气体进口、制冷介质入口、二氧化碳液化产物出口及制冷介质出口；提馏塔，具有二氧化碳液化产物入口、二氧化碳精馏液化产物出口及不凝气出口，且二氧化碳液化产物入口与二氧化碳液化产物出口相连；制冷压缩机，具有制冷剂入口和制冷剂出口；冷凝器，具有冷凝器进口和冷凝器出口，且冷凝器进口与制冷剂出口相连，冷凝器出口与二氧化碳液化器的制冷介质入口相连。

进一步地，有机硫化物水解单元和二氧化碳富集气进口相连的管路上还设置有脱水单元。

进一步地，脱硫化氢气体进口与脱硫化氢气体出口之间的管路上还设置有干燥单元。

不同于传统的单一吸附法和化学吸收法，本实用新型采用了二氧化碳吸收法、硫化氢吸附法和二氧化碳低温深冷精馏液化法相结合的装置用以处理炼铁过程产生的煤气。在实际运行过程中，煤气先进行二氧化碳吸收单元进行二氧化碳吸收，可以将大部分二氧化碳富集起来，与煤气中的其他组分(co、h2和n2等)分离。得到的二氧化碳吸收产物进入二氧化碳解吸单元进行解析后，形成了二氧化碳富集气。通过硫化氢脱除单元能够去除二氧化碳富集气中的硫化氢气体，得到的脱除气进一步进入二氧化碳精馏液化单元，通过低温深冷精馏液化，能够将脱除气中的二氧化碳液化形成液态二氧化碳产品，此期间不容易液化的少量气体组分如co、h2、n2等残留不凝气体进一步排出。

总之，利用本实用新型上述装置有效解决了现有技术中煤气中二氧化碳的脱除率低、分离成本高，且产品气中硫化物等杂质含量高的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本实用新型的一种实施例的煤气中二氧化碳回收和硫化物脱除装置的示意图；

图2示出了根据本实用新型的另一种实施例的煤气中二氧化碳回收和硫化物脱除装置的示意图；

图3示出了根据本实用新型的又一种实施例的煤气中二氧化碳回收和硫化物脱除装置的示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、二氧化碳吸收单元；20、二氧化碳解吸单元；30、硫化氢脱除单元；40、二氧化碳精馏液化单元；50、煤气压缩单元；60、二氧化碳富集气压缩单元；70、有机硫化物水解单元。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

正如背景技术部分所描述的，解决现有技术中采用单一的吸附法或者吸收法，使得煤气中二氧化碳的脱除率低、分离成本高，且二氧化碳产品气中硫化物等杂质含量高的问题。

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种煤气中二氧化碳回收和硫化物脱除的装置，如图1所示，该装置包括：二氧化碳吸收单元10、二氧化碳解吸单元20、硫化氢脱除单元30和二氧化碳精馏液化单元40；二氧化碳吸收单元10具有煤气进口、脱除二氧化碳后的煤气出口、二氧化碳吸收产物出口；二氧化碳解吸单元20具有二氧化碳吸收产物进口、二氧化碳富集气出口，二氧化碳吸收产物出口与二氧化碳吸收产物进口相连；硫化氢脱除单元30具有二氧化碳富集气进口、脱硫化氢气体出口，二氧化碳富集气进口与二氧化碳富集气出口相连；二氧化碳精馏液化单元40具有脱硫化氢气体进口、二氧化碳精馏液化产物出口，脱硫化氢气体进口与脱硫化氢气体出口相连。

不同于传统的单一吸附法和化学吸收法，本实用新型采用了二氧化碳吸收法、硫化氢吸附法和二氧化碳低温深冷精馏液化法相结合的装置用以处理炼铁过程产生的煤气。在实际运行过程中，煤气a先进行二氧化碳吸收单元10进行二氧化碳吸收，可以将大部分二氧化碳富集起来，与煤气中的其他组分(co、h2和n2等)分离。得到的二氧化碳吸收产物进入二氧化碳解吸单元20进行解析后，形成了二氧化碳富集气。通过硫化氢脱除单元30能够去除二氧化碳富集气中的硫化氢气体，得到的脱除气进一步进入二氧化碳精馏液化单元40，通过低温深冷精馏液化，能够将脱除气中的二氧化碳液化形成液态二氧化碳产品b，此期间不容易液化的少量气体组分如co、h2、n2等残留不凝气体进一步排出。

总之，利用本实用新型上述装置有效解决了现有技术中煤气中二氧化碳的脱除率低、分离成本高，且产品气中硫化物等杂质含量高的问题。基于以上原因，利用上述装置处理煤气，不仅能够更有效地脱除煤气中的二氧化碳，提升煤气中co和h2的浓度，而且可以获得高纯度的二氧化碳液体产品。

炼铁煤气本身带有一定的压力，利用二氧化碳吸收单元10的常压吸附即可分离其中大部分二氧化碳。在一种优选的实施例中，如图1所示，上述装置还包括煤气压缩单元50，其与煤气进口相连，煤气压缩单元50用于对煤气进行压缩。利用煤气压缩单元50能够为二氧化碳吸收单元10和二氧化碳解吸单元20进一步提供压力条件，高压有利于co2的吸收，低压有利于co2的解吸，通过增大吸收和解吸时的压力的变化可以进一步提升二氧化碳脱除效率。与此同时，利用煤气压缩单元50还能够显著减小气体体积从而减小设备体积，降低投资成本。此外，脱除二氧化碳后的煤气带有高压，无需再次增压，便可满足后续煤气循环使用或是输送的压力需求。

在一种优选的实施方式中，如图1、图2和图3所示，上述装置还包括二氧化碳富集气压缩单元60，其设置在二氧化碳富集气出口与二氧化碳富集气进口相连的管路上。利用二氧化碳富集气压缩单元60可以对二氧化碳富集气出口排出的二氧化碳富集气进行进一步压缩，以为后续的硫化氢脱除以及低温深冷精馏液化提供更好的压力条件，同时也因为气量的减小，降低硫化氢脱除单元30的设备大小。此外，压缩后的温度升高有利于有机硫的水解。

在一种优选的实施方式中，如图1、图2、图3所示，上述装置还包括有机硫化物水解单元70，其设置在二氧化碳富集气压缩单元60与二氧化碳富集气进口相连的管路上，有机硫化物水解单元70用于对二氧化碳富集气中的有机硫化物进行水解。利用有机硫化物水解单元70可以在脱除硫化氢之前先将二氧化碳富集气中的羰基硫和cs2等有机硫化物进行水解转化为硫化氢等产物，水解生成的硫化氢和co2富集气中原有的硫化氢一起被后续的硫化氢脱除单元30脱除。具体的有机硫化物水解单元70可以为水解塔或水解罐，其内部盛装有水解催化剂。更优选地，有机硫化物水解单元70和二氧化碳富集气进口相连的管路上还设置有脱水单元。利用脱水单元能够降低气体中的水分含量，从而有利于降低硫化氢和co2酸性气体对于设备的腐蚀性，并利于后续硫化氢的吸附脱除。具体的脱水单元可以包括串联设置的冷凝器和气液分离器，也可以包括串联设置的冷却设备和除雾设备。

优选地，二氧化碳吸收单元10为物理吸附单元或化学吸收单元。更优选地，二氧化碳吸收单元10为化学吸收单元，其包括吸收塔，吸收塔具有煤气进口、脱除二氧化碳后的煤气出口、二氧化碳吸收产物出口，吸收塔内部装有碱性吸收液。利用碱性吸收液，通过酸碱化学反应以及物理溶解过程吸收二氧化碳，具有更好的吸收效率和分离效果。同时也有利于进一步减少co、h2和n2等难溶和非酸性气体的吸收。具体采用的碱性吸收剂优选为醇胺溶液、热钾碱溶液或氨水等。尤其是配合煤气压缩单元50，使煤气在高压状态下进行吸收，则具有更好的二氧化碳吸收效果和分离效果。在实际运行过程中，优选吸收塔为一个或并联设置的多个，这样能够根据煤气的处理量调节设备运行个数，并保证设备的连续运行状态，提高处理能力。

在一种优选的实施方式中，二氧化碳解吸单元20包括解析塔、气液分离器、加热单元和降压单元；解析塔具有二氧化碳吸收产物进口、解析气出口、解析贫液出口；气液分离器具有解析气进口、二氧化碳富集气出口、分离液出口，解析气进口与解析气出口相连；加热单元用于对解析塔进行加热；降压单元用于对解析塔内部进行降压以控制解析单元出气口的压力。这样，从二氧化碳吸收单元10出来的二氧化碳吸收产物进入解析塔中，在高温和低压的状态下完成二氧化碳的解析。解析过程中得到的解析气中除了二氧化碳气体以外，还携带了少量的未解析液态或解析后的吸收剂，将解析气在气液分离器中完成气液分离后即可得到二氧化碳富集气。

为了有效利用资源，在一种优选的实施方式中，吸收塔还具有解析贫液回流口，解析贫液回流口与解析贫液出口相连；二氧化碳吸收单元10还包括第一冷却单元，其用于对吸收塔进行冷却。这样，可以将解析过程中得到的解析贫液再次返回至吸收塔中在低温下进行二氧化碳吸收。

在一种优选的实施方式中，煤气进口设置在吸收塔的底部；解析贫液回流口包括：第一回流口，设置在吸收塔的中部；第二回流口，设置在吸收塔的上部；解析贫液出口通过第一管路与第一回流口相连，解析贫液出口通过第二管路与第二回流口相连，且第二管路上还顺次设置有换热单元和第二冷却单元，换热单元用于将通入第二管路的解析贫液进行加热以进一步解析其中的二氧化碳，第二冷却单元用于冷却换热单元排出的解析贫液。这样，从解析贫液出口出来的解析贫液分成两路，一路直接通过第一管路从吸收塔中部的第一回流口进入，一路则进入第二管路，先通过换热单元加热并进一步解析其中携带的少量二氧化碳，形成吸收能力更强的解析贫液，然后经过第二冷却单元进一步冷却后，从吸收塔上部的第二回流口进入并直接充当新鲜的吸收剂。实际操作过程中，煤气从吸收塔底部进入后，可以先在吸收塔中部和下段用未完全再生的解析贫液洗涤吸收煤气中的大部分的co2和硫化物等酸性气体，然后在吸收塔上段用再生后的冷的解析贫液洗涤吸收，从而可以进一步提升煤气中co2的脱除率。

在一种优选的实施方式中，解析塔顶部还设置有分离液回流口，分离液回流口与分离液出口相连。这样可以将气液分离得到的分离液返回至解析塔中进一步处理。优选地，上述解析气出口和解析气进口的管路上还设置有冷凝器，用于对解析气进行降温以使其中携带的未解析的二氧化碳吸收产物以及解析后的吸收剂冷凝出来，并与二氧化碳气体分离。在实际操作过程中，可以将解析气冷却至100℃以下，以完成冷凝处理。冷却后的二氧化碳富集气进行后段工序。此外，在实际运行过程中，解析塔允许高于常压，出来的气体带有较高的压力，为后续的脱硫提供压力条件。通过控制解吸的压力可以为co2富集气保留一定的压力和温度，减少后续的co2富集气的脱硫和高压液化的能耗。建议二氧化碳富集气的温度为40～100℃，解析过程中的绝对压力为0.1～0.25mpa(a)，这样可以为二氧化碳富集气保留一定的压力和温度，减少后续的脱硫和精馏液化的能耗。

优选地，二氧化碳吸收产物进口设置在解析塔的顶部或上部，这样方便二氧化碳吸收产物从解析塔顶部或上部进入。释放掉co2的吸收液从解吸塔的解析贫液出口出来。

在一种优选的实施方式中，二氧化碳精馏液化单元40包括：二氧化碳液化器，其具有所述脱硫化氢气体进口、制冷介质入口、二氧化碳液化产物出口及制冷介质出口；提馏塔，具有二氧化碳液化产物入口、二氧化碳精馏液化产物出口及不凝气出口，且二氧化碳液化产物入口与二氧化碳液化产物出口相连；制冷压缩机，具有制冷剂入口和制冷剂出口；冷凝器，具有冷凝器进口和冷凝器出口，且冷凝器进口与所述制冷剂出口相连，冷凝器出口与所述二氧化碳液化器的制冷介质入口相连。

利用二氧化碳液化器，能够在制冷介质提供的冷量的作用下，将气态二氧化碳转化成液态二氧化碳，然后输送到提馏塔中，分离不凝的气体组分，可以将二氧化碳选择性地冷凝液化出来。二氧化碳液化器优选采用满液式蒸发器，二氧化碳走管程，制冷介质走壳程。制冷介质的冷量来自于制冷压缩机对制冷剂的压缩和冷凝器对压缩后的制冷剂的冷凝液化，满足二氧化碳液化器的冷量需求。冷凝器优选采用水冷管壳式冷凝器或者蒸发式冷凝器。

在实际操作过程中，利用二氧化碳液化器和制冷压缩机、冷凝器，将硫化氢脱除后的高压气体，深冷降温至-10℃以下，进入提馏塔，容易液化的co2成为液体，不容易液化的其他气体组分如co、h2、n2等不凝气体从高压提馏塔不凝气出口排出。经过深冷精馏后，co2气体得到提纯的同时，转变成液体状态，便于储存和运输。少量的不凝气中可以回流到钢铁厂的煤气系统参与燃烧使用。

在一种优选的实施方式中，上述装置还包括脱水单元，脱水单元设置在有机硫化物水解单元70和二氧化碳富集气进口相连的管路上。具体可以采用冷却脱水单元，利用冷却脱水单元不仅能够降低气体温度有利于硫化氢的吸附脱除，而且可以降低气体中的水分含量，从而有利于降低硫化氢和co2酸性气体对于设备的腐蚀性。优选地，冷却脱水单元包括顺次相连的冷凝器和气液分离器，或者，脱水单元包括顺次相连的冷却器和除雾器。更为优选地，冷却方式为水冷或空冷等降温方法。

在一种优选的实施方式中，脱硫化氢气体进口与脱硫化氢气体出口之间的管路上还设置有干燥单元。利用干燥单元可以对脱硫化氢气体进行进一步的深度脱水，以减少后续深冷液化后的液体水分对于设备的腐蚀性，并减少对二氧化碳液态产品纯度的影响。优选地，该干燥单元采用分子筛、硅胶或活性炭等固体吸附剂以保证脱水效果。

在一种优选的实施方式中，硫化氢脱除单元30包括脱硫塔或脱硫罐，其上设置有二氧化碳富集气进口、脱硫化氢气体出口，且其中盛装有硫化氢吸附剂，二氧化碳富集气或者水解有机硫化物后的二氧化碳富集气进入后，携带的硫化氢在吸附剂的作用下被吸附脱除。优选地，硫化氢吸附剂的主要成分为氧化铁，这有利于吸附后的含铁废硫化氢吸附剂送入炼铁过程废物处理。

优选地，上述煤气压缩单元50和煤气进口相连的管路上还顺次设置有第三冷却单元和脱水单元，以为后续的二氧化碳吸收提供低温和少水的条件。

在实际运行过程中，优选上述装置中煤气压缩单元50、二氧化碳富集气压缩单元60及二氧化碳精馏液化单元40所产生的冷量部分回用到解吸塔顶部出来的解析气的冷却，以进一步降低冷却所需要的能耗，降低整个系统的能耗。

以下通过实施例进一步说明本实用新型上述装置的有益效果：

实施例1

来自于某一炼铁厂产生的煤气中，co2、n2、co、h2和水分的含量分别大约33.80、10.30、41.50、9.80和3.80％，除此以外还有硫化氢大约50mg/nm³。温度大约45℃，压力大约0.20mpa。

采用图1所示装置对炼铁产生的煤气进行处理，工艺条件如下：绝对压力为0.20mpa(a)，温度为45摄氏度的煤气a经过压缩单元压缩到0.90mpa(a)后，经过吸收单元的脱碳后的煤气气体c出口压力为0.85mpa，温度为40℃。吸收后的富液进入解析单元，其富液入单元温度85℃，压力0.1mpa，解吸单元获得co2气温度75℃，压力0.17mpa(a)。经过二级螺杆式压缩机压缩后，温度40℃，压力2.5mpa(a)。压缩气体经过硫化氢脱附和干燥后，进入低温深冷精馏单元，在零下20℃，压力2.40mpa的高压提馏塔中进一步分离不凝气体成分，获得工业级液体co2产品。

实施例2

来自于某一炼铁厂产生的煤气中，co2、n2、co、h2和水分的含量分别大约33.80、10.30、41.50、9.80和3.80％，除此以外还有硫化氢大约50mg/nm³，羰基硫大约100mg/nm³。温度大约45℃，压力大约0.20mpa。

采用图2所示装置对炼铁产生的煤气进行处理，工艺条件如下：绝对压力为0.20mpa(a)，温度为45摄氏度的煤气，经过吸收单元的脱碳后的煤气气体c出口压力为0.15mpa，温度为40℃。吸收后的富液进入解析单元，其富液入单元温度65℃，压力0.12mpa，解吸单元获得co2气温度75℃，压力0.12mpa(a)。经过二级螺杆式压缩机压缩后，温度85℃，压力2.5mpa(a)。压缩气体进入有机硫化物水解单元的水解塔水解后，经过水冷冷却降温到40℃并脱水，压力为2.40mpa；经过硫化氢脱附和干燥后，进入低温深冷精馏单元，在零下20℃，压力2.40mpa的高压提馏塔中进一步分离不凝气体成分，获得工业级液体co2产品。

实施例3

来自于某一炼铁厂产生的煤气中，co2、n2、co、h2和水分的含量分别大约33.80、10.30、41.50、9.80和3.80％，除此以外还有硫化氢大约50mg/nm³，羰基硫大约100mg/nm³。温度大约45℃，压力大约0.20mpa。

采用图3所示装置对炼铁产生的煤气进行处理，工艺条件如下：绝对压力为0.20mpa(a)，温度为45摄氏度的煤气a经过压缩单元压缩到0.90mpa(a)后，经过吸收单元的脱碳后的煤气气体c出口压力为0.85mpa，温度为40℃。吸收后的富液进入解析单元，其富液入单元温度85℃，压力0.1mpa，解吸单元获得co2气温度75℃，压力0.17mpa(a)。经过二级螺杆式压缩机压缩后，温度85℃，压力2.5mpa(a)。压缩气体进入有机硫化物水解单元的水解塔水解后，经过水冷冷却降温到40℃并脱水，压力为2.40mpa；经过硫化氢脱附和干燥后，进入低温深冷精馏单元，在零下20℃，压力2.40mpa的高压提馏塔中进一步分离不凝气体成分，获得工业级液体co2产品。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。