CN105199797A - 垃圾填埋气催化脱氧装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种垃圾填埋气催化脱氧装置和方法。垃圾填埋气催化脱氧装置包括原料气主管路、气气换热器、加热器、催化脱氧反应器、风冷器和气液分离器；原料气主管路、气气换热器、加热器和催化脱氧反应器依次串联；加热器用于在系统启动阶段将来自原料气主管路的第一原料气加热至起活温度后提供给催化脱氧反应器脱氧，待催化脱氧反应器的温度升高至270℃后关闭加热器；气气换热器用于在正常工作阶段中利用来自催化脱氧反应器的脱氧气使第一原料气升温以得到第二原料气；催化脱氧反应器的脱氧气经过气气换热器后依次经过风冷器和气液分离器处理后制得最终的脱氧气。本发明仅需一级或一层催化反应器，也无需循环机，处理效率较高，降低了能耗。
Description
技术领域
本发明涉及填埋气开发领域，特别涉及一种垃圾填埋气催化脱氧装置和方法。
背景技术
填埋气开发利用日益受到国内外的关注。填埋气中通常含有少量的氧气，而氧气的存在会给可燃气体在运输、分离和利用过程中造成较大的安全隐患。为了安全利用以上非常规天然气，脱氧是必要环节。目前脱氧方法主要有催化燃烧脱氧、非催化燃烧脱氧和光催化燃烧脱氧。
目前，非催化燃烧脱氧(公开专利CN102719290B)和光催化燃烧脱氧(公开专利CN102627988B)还处于研究阶段。催化燃烧脱氧研究应用较多，主要采用化学催化反应来消耗气体中的氧，例如甲烷催化燃烧除氧(公开专利CN101664679B)、焦炭催化燃烧除氧(授权专利ZL02113627.0)、一氧化碳催化燃烧除氧(公开专利CN100579653C)、氢气催化燃烧除氧(公开专利CN100579653C)、甲醇催化燃烧除氧(公开专利CN103599775A)。由于化学催化脱氧是一个放热反应，必然在高温高压条件下运行，对设备要求以及运行安全都是极大的挑战。
与一氧化碳、氢气、甲醇催化燃烧相比，甲烷催化燃烧由于不需要引入外源物质，直接利用填埋气中的甲烷进行催化燃烧，减少配套工程，因此，甲烷催化燃烧备受青睐。但是，甲烷催化燃烧的起活温度比一氧化碳、氢气、甲醇催化燃烧的起活温度较高，而催化燃烧本身是一个绝热升温的放热过程，较高的温度导致催化反应较快，而较快的反应又会进一步加剧温度的升高，会超过催化反应器、换热器、管道、阀门等工艺设备的耐受温度。这势必给安全生产带来极大隐患，尤其对于原料其中氧气浓度较高的时候，甲烷催化燃烧脱氧工艺风险较大。
针对以上问题，目前主要采取多级或多层催化反应器，并将脱氧后气体与原料气混合后进入第一级或第一层的方法，来降低进入脱氧反应器的气体中氧气含量，以及将上一级或上一层催化反应器的高温出气与冷原料气混合后进入下一级或下一层催化反应器，从而降低进入主催化反应器的气体温度。例如，公开专利CN101423783B、CN101508924B、CN103013606A均采用该方法来控制催化脱氧反应器的飞温。
然而，以上方法需要采用多级或多层反应器，投资较大，而且对多级或多层反应器中各级或各层的比例要求较高，设计较为复杂；另外，以上方法需要将脱氧后的气体与原料气混合后再次进入脱氧反应器，造成反应器处理效率低下、且需要的催化剂较多；而且，这种方法，脱氧后的气体需要循环，循环压缩机能耗和投资也比较大。综述以上，有必要开发一种更为安全、高效、节省的富含甲烷气体的脱氧工艺。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单、安全、高效、能耗低、投资少的垃圾填埋气催化脱氧装置和方法。
本发明提供了一种垃圾填埋气催化脱氧装置，包括：原料气主管路、气气换热器、加热器、催化脱氧反应器、风冷器和气液分离器；原料气主管路、气气换热器、加热器和催化脱氧反应器依次串联；加热器用于在系统启动阶段将来自原料气主管路的第一原料气加热至起活温度后提供给催化脱氧反应器脱氧，待催化脱氧反应器的温度升高至270℃后关闭加热器；气气换热器用于在正常工作阶段中利用来自催化脱氧反应器的脱氧气使第一原料气升温以得到第二原料气；催化脱氧反应器的脱氧气经过气气换热器后依次经过风冷器和气液分离器处理后制得最终的脱氧气；垃圾填埋气催化脱氧装置还包括第一原料气支路和混合器，加热器通过混合器与催化脱氧反应器连接，第一原料气支路的一端与原料气主管路连接，另一端与混合器的进口连接；第一原料气支路用于在催化脱氧反应器的温度过高并达到第一预定温度时，将来自第一原料气支路的第一原料气与第二原料气在混合器中混合至270-400℃；优选地，第一原料气支路上依次设置有第一调节阀、第一闸阀和第一止回阀；垃圾填埋气催化脱氧装置还包括氮气降温支管，与催化脱氧反应器的进气口连接，用于在催化脱氧反应器的温度高于耐受值时，将氮气直接通入催化脱氧反应器中以控制催化脱氧反应器内的温度；优选地，氮气降温支管上依次设置有第二止回阀、第二调节阀和第二闸阀；垃圾填埋气催化脱氧装置还包括第二原料气支路，原料气主管路通过第二原料气支路直接与气液分离器的进口连接，以在原料气主管路中的第一原料气的氧含量低于后续的脱氧工艺要求时，直接通过第二原料气支路进入气液分离器；优选地，第二原料气支路上设置有第三闸阀。
优选地，催化脱氧反应器至气气换热器之间的用于输送第二原料气和脱氧气的管路上不设置任何阀门。
优选地，原料气主管路与气气换热器的连接管路上设置有第三调节阀。
本发明还提供了一种垃圾填埋气催化脱氧方法，包括：启始阶段：将常温的第一原料气加热至起活温度后进行脱氧；在脱氧温度升高至270℃后停止加热；将脱氧得到的脱氧气与常温下的第一原料气进行热交换，从而将第一原料气升温以得到第二原料气；正常工作阶段：将第二原料气进行脱氧，并将第一原料气继续与脱氧气进行热交换；对经过热交换后的脱氧气进行降温和气液分离处理，以得到最终的脱氧气；在脱氧温度过高并达到第一预定温度时，将第一原料气的一部分与第二原料气混合至270-400℃后进行脱氧；在脱氧温度高于进行脱氧的催化脱氧反应器的耐受值时，将氮气直接通入催化脱氧反应器中以控制催化脱氧反应器内的温度；在第一原料气的氧含量低于后续的脱氧工艺要求时，直接将第一原料气进行气液分离处理，以得到最终的脱氧气。
本发明无需多级或多层催化反应器，减少了催化反应器级数或层数，仅需一级或一层催化反应器，相应地也减少催化剂的用量，进一步地，也无需循环机，降低了投资；且处理效率较高，降低了能耗。
附图说明
图1是本发明中的垃圾填埋气催化脱氧装置的结构示意图；
图2是本发明中的垃圾填埋气催化脱氧方法的流程图。
图中附图标记：1、原料气主管路；2、气气换热器；3、加热器；4、第一原料气支路；5、混合器；6、催化脱氧反应器；7、风冷器；8、气液分离器；9、第一调节阀；10、第一闸阀；11、第一止回阀；12、氮气降温支管；13、第二止回阀；14、第二调节阀；15、第二闸阀；16、第二原料气支路；17、第三调节阀；18、第三闸阀。
具体实施方式
请参考图1，本发明提供了一种垃圾填埋气催化脱氧装置，特别地，它是一种富含甲烷气体的催化脱氧装置。
该装置包括：原料气主管路1、气气换热器2、加热器3、催化脱氧反应器6、风冷器7和气液分离器8；原料气主管路1、气气换热器2、加热器3和催化脱氧反应器6依次串联；加热器3用于在系统启动阶段将来自原料气主管路1的第一原料气加热至起活温度后提供给催化脱氧反应器6脱氧，待催化脱氧反应器6的温度升高至270℃后关闭加热器3；气气换热器2用于在正常工作阶段中利用来自催化脱氧反应器6的脱氧气使第一原料气升温以得到第二原料气；催化脱氧反应器6的脱氧气经过气气换热器2后依次经过风冷器7和气液分离器8处理后制得最终的脱氧气。其中，风冷器7用于对经过热交换后的脱氧气进行再次降温，降温后的脱氧气经气液分离器分离出水后得到脱氧气。气液分离器8处理后的脱氧气由A出口输出，而污水则由B出口排出。
由于采用了上述技术方案，本发明仅在启动时需要使用加热器3，当催化脱氧反应器6的温度升高至270℃后，即可关闭加热器3，此时，利用脱氧气的热量对第一原料气进行加热，使其温度升高成为第二原料气，从而可以直接参与催化脱氧反应器6的脱氧。因此，不但节省了能量，而且脱氧后的气体不需要循环，避免了循环压缩机的投资及运行能耗；另外，本发明中仅有一个催化脱氧反应器6，即采用了单级反应器，因而投资较小、工艺简单，且脱氧后的气体不再进入脱氧反应器，提高了处理效率。
可见，本发明无需多级或多层催化反应器，减少了催化反应器级数或层数，仅需一级或一层催化反应器，相应地也减少催化剂的用量，进一步地，也无需循环机，降低了投资；且处理效率较高，降低了能耗。
特别地，本发明并不针对特定的催化剂，只要求催化剂能催化甲烷与氧生成水与二氧化碳的化学反应，有一定的活性，起始反应温度150-450℃。
优选地，垃圾填埋气催化脱氧装置还包括第一原料气支路4和混合器5，加热器3通过混合器5与催化脱氧反应器6连接，第一原料气支路4的一端与原料气主管路1连接，另一端与混合器5的进口连接；第一原料气支路4用于在催化脱氧反应器6的温度过高并达到第一预定温度时，将来自第一原料气支路4的第一原料气与第二原料气在混合器5中混合至270-400℃。这样，当运行过程中，由于原料气中氧的含量较高而引起催化脱氧反应器的温度过高时，可将一部分常温的第一原料气用于与高温的脱氧气进行热交换，以得到第二原料气；同时，将另外一部分常温的第一原料气通过第一原料气支路4与该第二原料气汇合后一起通入混合器5中进行混合，然后再送入催化脱氧反应器进行脱氧，这样可以降低送入催化脱氧反应器的原料气温度。
优选地，第一原料气支路4上依次设置有第一调节阀9、第一闸阀10和第一止回阀11。这样，可以控制第一原料气支路4的通断。例如，在启始阶段，将其关闭，到正常工作阶段且催化脱氧反应器6的温度过高并达到第一预定温度时，再将第一原料气支路4打开，以使第一原料气与第二原料气在混合器中混合，同时还可以通过阀门开度的控制，使混合后的温度更加准确地达到270-400℃。
优选地，垃圾填埋气催化脱氧装置还包括氮气降温支管12，与催化脱氧反应器6的进气口连接，用于在催化脱氧反应器6的温度高于耐受值时，将氮气直接通入催化脱氧反应器6中以控制催化脱氧反应器6内的温度；优选地，氮气降温支管12上依次设置有第二止回阀13、第二调节阀14和第二闸阀15。在本实施例中，当运行过程中，由于原料气中氧的含量极高而造成催化脱氧反应器的温度高于耐受值时，停止原料气进入催化脱氧反应器，并通过设置的氮气降温支管12，将氮气直接通入催化脱氧反应器，这样，一方面可通过氮气置换催化脱氧反应器中的原料气使燃烧停止，以避免进一步升温，另一方面还可直接冷却降低催化脱氧反应器的温度。可见，设置氮气降温支管12，保证了在极端情况下的生产安全。
优选地，垃圾填埋气催化脱氧装置还包括第二原料气支路16，原料气主管路1通过第二原料气支路16直接与气液分离器8的进口连接，以在原料气主管路1中的第一原料气的氧含量低于后续的脱氧工艺要求时，直接通过第二原料气支路16进入气液分离器8。优选地，原料气主管路1与气气换热器2的连接管路上设置有第三调节阀17。
优选地，催化脱氧反应器6至气气换热器2之间的用于输送脱氧气第二原料气和的管路上不设置任何阀门。因而，可避免长期高温对阀门的损坏而引起的潜在危险。
优选地，第二原料气支路16上设置有第三闸阀18。
本发明还提供了一种垃圾填埋气催化脱氧方法，包括：
启始阶段：将常温的第一原料气加热至起活温度后进行脱氧；在脱氧温度升高至270℃后停止加热；将脱氧得到的脱氧气与常温下的第一原料气进行热交换，从而将第一原料气升温以得到第二原料气；
正常工作阶段：将第二原料气进行脱氧，并将第一原料气继续与脱氧气进行热交换；对经过热交换后的脱氧气进行降温和气液分离处理，以得到最终的脱氧气。
当启始阶段，可采用加热器将填埋气(即常温的第一原料气)加热至起活温度270-400℃后通入催化脱氧反应器中进行脱氧。在催化脱氧反应器中，原料气中的甲烷与原料气中的氧在脱氧催化剂的作用下，催化甲烷与氧生成水与二氧化碳从而实现脱氧，当催化脱氧反应器的温度升高至270℃后关闭加热器，进入正常运行阶段。
在正常工作阶段，将来自于主管道的常温的原料气经调节阀调节流量后，与高温的脱氧气通过气气换热器进行换热，以使其升温(优选地，升温至270-400℃)变成第二原料气后进入催化脱氧反应器进行脱氧。然后，对经过热交换后的脱氧气进行降温和气液分离处理，以得到最终的脱氧气。
可见，本发明无需多级或多层催化反应器，减少了催化反应器级数或层数，仅需一级或一层催化反应器，相应地也减少催化剂的用量，进一步地，也无需循环机，降低了投资；且处理效率较高，降低了能耗。
优选地，在脱氧温度过高并达到第一预定温度时，将第一原料气的一部分与第二原料气混合至270-400℃后进行脱氧。这样，当运行过程中，由于原料气中氧的含量较高而引起催化脱氧反应器的温度过高时，可将一部分常温的第一原料气用于与高温的脱氧气进行热交换，以得到第二原料气；同时，将另外一部分常温的第一原料气与该第二原料气汇合后一起混合，然后再送入催化脱氧反应器进行脱氧。
优选地，在脱氧温度高于进行脱氧的催化脱氧反应器6的耐受值时，将氮气直接通入催化脱氧反应器6中以控制催化脱氧反应器6内的温度。在本实施例中，当运行过程中，由于原料气中氧的含量极高而造成催化脱氧反应器的温度高于耐受值时，停止原料气进入催化脱氧反应器，并将氮气直接通入催化脱氧反应器，这样，一方面可通过氮气置换催化脱氧反应器中的原料气使燃烧停止，以避免进一步升温，另一方面还可直接冷却降低催化脱氧反应器的温度。
优选地，在第一原料气的氧含量低于后续的脱氧工艺要求时，直接将第一原料气进行气液分离处理，以得到最终的脱氧气。
下面，以几个具体的实施例，对本发明的实施过程进行更加具体的说明。
实施例1
收集某垃圾填埋场的填埋气，除尘、脱硫等预处理后填埋气流量为6000m3/h，填埋气中氧的含量为1.5％，填埋气温度为40℃，催化脱氧反应器设计最高温度为550℃；启动初期采用加热器将填埋气加热到270℃通入催化脱氧反应器，在催化脱氧反应器中，原料气中的甲烷与原料气中的氧在脱氧催化剂的作用下，催化甲烷与氧生成水与二氧化碳从而实现脱氧，由于催化燃烧，脱氧气的温度升高到400℃，此时关闭加热器，进入正常运行阶段；
在正常运行过程中，原料气通过与脱氧气换热进行升温，而无需采用加热器进行升温，脱氧后的脱氧气(高温)与原料气(常温)经气气换热器换热后，脱氧气温度降至130℃，原料气温度升至335℃，335℃的原料气通入脱氧反应器进行催化脱氧，脱氧气通入风冷换热器换热降温至50℃以下，随后经气液分离器分离出水后得到脱氧气，其中氧气浓度为0.15％。
实施例2
在实施例1的正常运行过程中，填埋气的气量和温度不变，但是氧含量升高至2.0％，由于氧含量的升高导致催化脱氧反应器及脱氧气的温度急剧升高至480℃，脱氧后的脱氧气(高温)与原料气(常温)经气气换热器换热后，脱氧气温度降至160℃，原料气温度升至400℃，400℃的原料气通入脱氧反应器进行催化脱氧，离催化脱氧反应器最高设计温度550℃，仅差70℃，由于催化燃烧是一个绝热升温过程，如果不采取措施，催化脱氧反应器温度和进催化脱氧反应器的原料气温度均还会继续上升，有可能分别超过设计值550℃和400℃；为了保证进催化脱氧反应器的原料气温度为270-400℃，且保证催化脱氧反应器温度低于最高设计温度550℃，此时调整工艺操作，通过第一原料气支路4将原料气分为两部分，一部分进行气气换热器换热，另一部分不换热，未经换热的原料气(常温)与经过气气换热器换热升温后的原料气(高温)一起通入混合器，将常温气体与高温气体在混合器内混合调温，使混合后的气体温度控制在270-400℃，随后将该混合气体通入催化脱氧反应器，此后，按照调整的工艺操作正常运行。
实施例3
在实施例2的正常运行过程中，填埋气的气量和温度不变，但是由于抽气管道某位置发生破裂，在抽气过程中引入空气，导致填埋气中氧含量升高至4％，由于氧含量的升高导致催化脱氧反应器及脱氧气的温度急剧升高至600℃，脱氧后的脱氧气(高温)与原料气(常温)经气气换热器换热后，脱氧气温度降至250℃，原料气温度升至450℃，450℃的原料气通入脱氧反应器进行催化脱氧，此时，催化脱氧反应器温度和进催化脱氧反应器的原料气温度均超过设计值550℃和400℃。为了安全生产，避免催化脱氧反应器温度失控过高而造成事故，此时停止原料气进入催化脱氧反应器，并通过氮气降温支管12将氮气直接通入催化脱氧反应器，一方面通过氮气置换催化脱氧反应器中的原料气使燃烧停止，避免进一步升温，另一方面直接冷却降低催化脱氧反应器的温度。
实施例4
在实施例1的正常运行过程中，填埋气的气量和温度不变，但是氧含量降低至0.2％以下，此时原料气中的氧含量低于后续工艺要求，通过第二原料气支路16直接通入气液分离器，无需进行催化脱氧。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (4)
1.一种垃圾填埋气催化脱氧装置，其特征在于，包括：原料气主管路(1)、气气换热器(2)、加热器(3)、催化脱氧反应器(6)、风冷器(7)和气液分离器(8)；
所述原料气主管路(1)、所述气气换热器(2)、所述加热器(3)和所述催化脱氧反应器(6)依次串联；
所述加热器(3)用于在系统启动阶段将来自所述原料气主管路(1)的第一原料气加热至起活温度后提供给所述催化脱氧反应器(6)脱氧，待所述催化脱氧反应器(6)的温度升高至270℃后关闭所述加热器(3)；
所述气气换热器(2)用于在正常工作阶段中利用来自所述催化脱氧反应器(6)的脱氧气使所述第一原料气升温以得到第二原料气；
所述催化脱氧反应器(6)的脱氧气经过所述气气换热器(2)后依次经过所述风冷器(7)和所述气液分离器(8)处理后制得最终的脱氧气；
所述垃圾填埋气催化脱氧装置还包括第一原料气支路(4)和混合器(5)，所述加热器(3)通过所述混合器(5)与所述催化脱氧反应器(6)连接，所述第一原料气支路(4)的一端与所述原料气主管路(1)连接，另一端与所述混合器(5)的进口连接；所述第一原料气支路(4)用于在所述催化脱氧反应器(6)的温度过高并达到第一预定温度时，将来自所述第一原料气支路(4)的第一原料气与所述第二原料气在所述混合器(5)中混合至270-400℃；优选地，所述第一原料气支路(4)上依次设置有第一调节阀(9)、第一闸阀(10)和第一止回阀(11)；
所述垃圾填埋气催化脱氧装置还包括氮气降温支管(12)，与所述催化脱氧反应器(6)的进气口连接，用于在所述催化脱氧反应器(6)的温度高于耐受值时，将氮气直接通入所述催化脱氧反应器(6)中以控制所述催化脱氧反应器(6)内的温度；优选地，所述氮气降温支管(12)上依次设置有第二止回阀(13)、第二调节阀(14)和第二闸阀(15)；
所述垃圾填埋气催化脱氧装置还包括第二原料气支路(16)，所述原料气主管路(1)通过所述第二原料气支路(16)直接与所述气液分离器(8)的进口连接，以在所述原料气主管路(1)中的第一原料气的氧含量低于后续的脱氧工艺要求时，直接通过所述第二原料气支路(16)进入所述气液分离器(8)；优选地，所述第二原料气支路(16)上设置有第三闸阀(18)。
2.根据权利要求1所述的垃圾填埋气催化脱氧装置，其特征在于，所述催化脱氧反应器(6)至所述气气换热器(2)之间的用于输送所述第二原料气和脱氧气的管路上不设置任何阀门。
3.根据权利要求1至2所述的垃圾填埋气催化脱氧装置，其特征在于，所述原料气主管路(1)与所述气气换热器(2)的连接管路上设置有第三调节阀(17)。
4.一种垃圾填埋气催化脱氧方法，其特征在于，包括：
启始阶段：将常温的第一原料气加热至起活温度后进行脱氧；在脱氧温度升高至270℃后停止加热；将脱氧得到的脱氧气与常温下的所述第一原料气进行热交换，从而将所述第一原料气升温以得到第二原料气；
正常工作阶段：将所述第二原料气进行脱氧，并将所述第一原料气继续与脱氧气进行热交换；对经过热交换后的所述脱氧气进行降温和气液分离处理，以得到最终的脱氧气；
在脱氧温度过高并达到第一预定温度时，将所述第一原料气的一部分与所述第二原料气混合至270-400℃后进行脱氧；
在所述脱氧温度高于进行所述脱氧的催化脱氧反应器(6)的耐受值时，将氮气直接通入所述催化脱氧反应器(6)中以控制所述催化脱氧反应器(6)内的温度；
在所述第一原料气的氧含量低于后续的脱氧工艺要求时，直接将所述第一原料气进行气液分离处理，以得到最终的脱氧气。
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