CN105570910A - 一种沼气脱碳尾气催化燃烧利用余热的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种沼气脱碳尾气催化燃烧利用余热的方法，属于环保与资源回收利用技术领域。沼气脱碳尾气与空气或氧气混合，催化燃烧产生高温烟气，经换热产生的高温蒸汽或热水应用于中温或高温厌氧发酵系统的加热和伴热，同时烟气经过预热装置加热混合气体，使沼气脱碳尾气处理持续进行且无需提供额外热能。沼气脱碳尾气催化燃烧利用余热的方法向厌氧发酵系统供应热源，保证厌氧发酵的产能效益，废弃资源得到回收利用。同时，经过催化燃烧后的沼气脱碳尾气，产生烟气中不含甲烷，很大程度上减少了温室效应气体的排放。
Description
技术领域
本发明涉及一种沼气脱碳尾气催化燃烧利用余热的方法，属于环保与资源回收利用技术领域。
背景技术
厌氧发酵沼气中所含有的甲烷具有很高的热值，是利用价值极高的清洁燃料。因此，厌氧发酵沼气利用是十分必要地。目前，厌氧发酵沼气的利用方式主要有发电和纯化得到车用压缩天然气等。由于制成车用压缩天然气的经济效益与环境效益都比发电高，因此，厌氧发酵沼气纯化制压缩天然气越来越受欢迎。
但是，厌氧发酵沼气中大量存在的CO2不仅会降低气体热值，增加气体压缩和运输过程中的能耗，而且，CO2溶入水后还会对钢铁有极强的腐蚀性。厌氧发酵沼气的高值化利用需要脱除其中的CO2，当前脱碳工艺方法主要有PSA、物理吸收、化学吸收、膜分离和矿化脱碳等方法。但是无论哪种脱碳工艺，均会产生脱碳尾气，而脱碳尾气中均含有一定量的甲烷。联合国政府间气候变化专业委员会(IPCC)最新的科学评估报告给定甲烷的增温潜力值(GWP)是二氧化碳的25倍。目前，脱碳尾气大多直接排放到空气中，不但造成了极大的能源浪费，而且还加剧了温室效应。
厌氧发酵过程受到众多因素影响，温度是影响厌氧发酵产甲烷的重要因素之一。一般厌氧发酵微生物在一定的温度范围(8～65℃)才能生长繁殖，温度能够影响生物酶活性，进而对微生物的生长代谢速率产生影响，同时温度还会影响有机物在生化反应中的流向和某些中间产物的形成以及各种物质在水中的溶解度。根据厌氧发酵微生物适应的温度范围，厌氧发酵可以分为常温发酵、中温发酵和高温发酵3类。通常在一定的温度范围内，温度越高，发酵微生物生化反应速度越快，产甲烷速率也越快，因此为了获得最大的产气速率和产气量，需要厌氧发酵系统温度在达到系统产气速率最大时基本恒定。因此，厌氧发酵过程中需要对厌氧发酵罐及管道采取相应的保温和加热措施，来保证厌氧发酵的产能效益。实际发酵工艺中用于供应热源的方法主要有两种：一是通过锅炉产生热水或是热的水蒸汽；二是燃烧沼气产热。而用沼气直接燃烧产热提供热源的方法需要消耗10％以内的厌氧发酵沼气。
目前，利用沼气脱碳尾气催化燃烧向厌氧发酵系统供应热源，保证厌氧发酵的产能效益的方法还未见报道。
发明内容
本发明就是针对现有技术的不足，提供一种沼气脱碳尾气催化燃烧利用余热的方法，利用沼气脱碳尾气中含有的甲烷通过催化燃烧产生的热量满足厌氧发酵罐及管道保温伴热的需要。这种方法不仅能够充分利用资源，在很大程度上还能够减少温室效应气体的排放，具有显著的能源、经济和生态效益。
本发明提供的一种沼气脱碳尾气催化燃烧利用余热的方法包括以下步骤：
1、气体混合：空气或氧气与2～10wt％甲烷含量的沼气脱碳尾气混合，其中，氧气与甲烷的摩尔比为2.5～2:1，混合气体以一定流速进入预热装置；
2、预热：混合气体在预热装置中进行预热，使气体的温度达到催化剂的起活温度；
3、催化燃烧：预热气体进入装有催化剂的催化反应装置中，沼气脱碳尾气与氧气催化燃烧产生烟气，放出大量热，催化反应温度控制在1300℃以下。
催化燃烧的原理是：△H＝-890.5KJ/mol；
4、烟气换热：沼气脱碳尾气催化燃烧产生的烟气经换热装置产生热水或高温蒸汽；
5、余热利用：将换热产生的高温蒸汽或热水用于中温或高温厌氧发酵系统的加热和伴热，通过换热量的控制满足发酵系统所需温度。
利用沼气脱碳尾气催化燃烧向厌氧发酵系统供应热源，保证厌氧发酵的产能效益，废弃资源得到回收利用。同时，经过催化燃烧后的沼气脱碳尾气，产生烟气中不含甲烷，很大程度上减少了温室效应气体的排放。
进一步地，所述催化剂为贵金属催化剂，其组成包括活性组分和载体，所述活性组分为一种或多种任意比例的贵金属与一种或多种任意比例的稀土元素，以载体质量为基础，催化剂中各组分及含量为：贵金属质量为载体质量的0.1～0.2wt％，稀土元素质量为载体质量的1～5wt％。
进一步地，所述催化剂为非贵金属型催化剂，其活性组分为一种或多种任意比例的稀土元素，稀土元素质量为载体质量的10～25wt％。
上述载体为氧化铝球体、二氧化硅球体或者分子筛球体等。
上述活性组分的贵金属可溶性盐中，贵金属(Pt/Pd/Rh/Ru)为Pt/Pd/Rh/Ru的硫酸盐、硝酸盐、氯化物盐等的一种或几种任意比例的混合物，稀土金属(Cu/Mn/Zr/Nb/Ce/Ca)为Cu/Mn/Zr/Nb/Ce/Ca的可溶性硝酸盐、硫酸盐、氯化物盐的一种或几种任意比例的混合物。
上述催化剂具有极好的低温起活能力，比国内已有的催化剂T90的起活温度低60℃左右(280～300℃)，更好的降低了预热阶段能源消耗，具有较好的节能环保效益。与贵金属催化剂相比，非贵金属催化剂的使用能够降低工艺的运行成本。
进一步地，本发明所述的沼气脱碳尾气催化燃烧利用余热的方法步骤3中沼气脱碳尾气催化燃烧产生的烟气温度≤800℃的，烟气先对预热装置中的混合气体进行预热后再经换热装置换热，优先满足混合气体温度达到催化剂的起活温度。
进一步地，本发明所述的沼气脱碳尾气催化燃烧利用余热的方法步骤3中沼气脱碳尾气催化燃烧产生的烟气温度高于800℃的，烟气先经过换热装置产生热水或高温蒸汽后，再对预热装置中的混合气体进行预热。
烟气经过预热装置加热其中的混合气体，混合气体高于起活温度，使沼气脱碳尾气处理持续进行且无需提供额外热能。
附图说明
图1为沼气脱碳尾气催化燃烧产生的烟气温度小于或等于800℃的余热利用工艺流程图。
图2为沼气脱碳尾气催化燃烧产生的烟气温度高于800℃的余热利用工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
实施例1
如图1所示，一种沼气脱碳尾气催化燃烧利用余热的方法，主要包括：
1、气体混合：空气与甲烷含量2wt％，400Nm3/hr的沼气脱碳尾气混合，空气中的氧气与沼气脱碳尾气中甲烷的摩尔比为2:1。混合气体进入预热装置；
2、预热：混合气体在预热装置中进行预热，使气体的温度达到催化剂的起活温度(280℃)；
3、催化燃烧：预热气体进入装有贵金属Pd(0.1wt％)-Zr(2wt％)/氧化铝球体催化剂的催化反应装置中，沼气脱碳尾气与氧气催化燃烧。
催化燃烧的原理是：ΔH＝-890.5KJ/mol；
4、烟气换热：沼气脱碳尾气催化燃烧产生烟气，烟气温度低于800℃，先将烟气对预热装置中的混合气体进行预热后再经换热装置换热，以满足混合气体温度达到催化剂的起活温度，经换热装置产生热水(90℃)2500kg/hr。
5、余热利用：将换热产生的热水用于中温或高温厌氧发酵系统的加热和伴热，通过换热量的控制满足发酵系统所需温度，实现最大厌氧发酵产能效益。
实施例2
如图2所示，一种沼气脱碳尾气催化燃烧利用余热的方法，主要包括：
1、气体混合：氧气与甲烷含量4wt％，600Nm3/hr的沼气脱碳尾气混合，氧气与沼气脱碳尾气中甲烷的摩尔比为2.5:1。混合气体进入预热装置；
2、预热：混合气体在预热装置中进行预热，使气体的温度达到催化剂的起活温度(290℃)；
3、催化燃烧：预热气体进入装有贵金属Pd(0.1wt％)-(Zr+Cu)(5wt％)/分子筛球体催化剂的催化反应装置中，沼气脱碳尾气与氧气催化燃烧。
4、烟气换热：沼气脱碳尾气催化燃烧产生烟气，烟气温度为800～1000℃，烟气先经过换热装置产生高温热水(95℃)7000kg/hr，再对预热装置中的混合气体进行预热。
5、余热利用：将换热产生的热水用于中温或高温厌氧发酵系统的加热和伴热，通过换热量的控制满足发酵系统所需温度。
实施例3
如图2所示，一种沼气脱碳尾气催化燃烧利用余热的方法，主要包括：
1、气体混合：空气与甲烷含量6wt％，800Nm3/hr的沼气脱碳尾气混合，空气中氧气与沼气脱碳尾气中甲烷的摩尔比为2.2:1。混合气体进入预热装置；
2、预热：混合气体在预热装置中进行预热，使气体的温度达到催化剂的起活温度(300℃)；
3、催化燃烧：预热气体进入装有贵金属(Pd+Rh+Ru)(0.1wt％)-Nb(2wt％)/氧化铝球体催化剂的催化反应装置中，沼气脱碳尾气与氧气催化燃烧。
4、烟气换热：沼气脱碳尾气催化燃烧产生烟气，烟气温度为1000～1200℃，烟气先经过换热装置产生175℃，0.8Mpa，700kg/hr的水蒸汽，再对预热装置中的混合气体进行预热。
5、余热利用：将换热产生的水蒸气用于中温或高温厌氧发酵系统的加热和伴热，通过换热量的控制满足发酵系统所需温度。
实施例4
如图2所示，一种沼气脱碳尾气催化燃烧利用余热的方法，主要包括：
1、气体混合：空气与甲烷含量8wt％，1000Nm3/hr的沼气脱碳尾气混合，空气中氧气与沼气脱碳尾气中甲烷的摩尔比为2.5:1。混合气体进入预热装置；
2、预热：混合气体在预热装置中进行预热，使气体的温度达到催化剂的起活温度(300℃)；
3、催化燃烧：预热气体进入装有稀土金属Mn(10wt％)/分子筛球体催化剂的催化反应装置中，沼气脱碳尾气与氧气催化燃烧。
4、烟气换热：沼气脱碳尾气催化燃烧产生烟气，烟气温度为1200～1300℃，烟气先经过换热装置产生175℃，0.8Mpa，1000kg/hr的水蒸汽和90℃，5000kg/hr的热水，再对预热装置中的混合气体进行预热。
5、余热利用：将换热产生的水蒸气用于沼气发酵罐的物料加热，热水用于沼气发酵罐的伴热保温，通过换热量的控制满足发酵系统所需温度。
实施例5
如图2所示，一种沼气脱碳尾气催化燃烧利用余热的方法，主要包括：
1、气体混合：氧气与甲烷含量10wt％，1000Nm3/hr的沼气脱碳尾气混合，氧气与沼气脱碳尾气中甲烷的摩尔比为2:1。混合气体进入预热装置；
2、预热：混合气体在预热装置中进行预热，使气体的温度达到催化剂的起活温度(280℃)；
3、催化燃烧：预热气体进入装有稀土金属Cu+Mn+Ce(25wt％)/氧化铝球体催化剂的催化反应装置中，沼气脱碳尾气与氧气催化燃烧。
4、烟气换热：沼气脱碳尾气催化燃烧产生烟气，烟气温度为1200～1300℃，烟气先经过换热装置产生175℃，0.8Mpa，1200kg/hr的水蒸汽和95℃，5000kg/hr的热水，再对预热装置中的混合气体进行预热。
5、余热利用：将换热产生的水蒸气用于沼气发酵罐的物料加热，热水用于沼气发酵罐的伴热保温，通过换热量的控制满足发酵系统所需温度。
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 (5)
1.一种沼气脱碳尾气催化燃烧利用余热的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)气体混合：空气或氧气与2～10wt％甲烷含量的沼气脱碳尾气混合，氧气与甲烷的摩尔比为2.5～2:1；
(2)预热：混合气体在预热装置中进行预热，使气体的温度达到催化剂的起活温度；
(3)催化燃烧：预热气体进入装有催化剂的催化反应装置中，沼气脱碳尾气与氧气催化燃烧产生烟气，放出大量热；
(4)烟气换热：沼气脱碳尾气催化燃烧产生的烟气经换热装置产生热水或高温蒸汽；
(5)余热利用：将换热产生的高温蒸汽或热水用于中温或高温厌氧发酵系统的加热和伴热。
2.如权利要求1所述的沼气脱碳尾气催化燃烧利用余热的方法，其特征在于：所述催化剂包括活性组分和载体，其活性组分为一种或多种任意比例的贵金属与一种或多种任意比例的稀土元素，贵金属质量为载体质量的0.1～0.2wt％，稀土元素质量为载体质量的1～5wt％。
3.如权利要求1所述的沼气脱碳尾气催化燃烧利用余热的方法，其特征在于：所述催化剂包括活性组分和载体，其活性组分为一种或多种任意比例的稀土元素，稀土元素质量为催化剂中载体质量的10～25wt％。
4.如权利要求1所述的沼气脱碳尾气催化燃烧利用余热的方法，其特征在于：步骤(3)中燃烧产生烟气温度≤800℃，烟气先经预热装置对混合气体进行预热后再经换热装置换热产生热水。
5.如权利要求1所述的沼气脱碳尾气催化燃烧利用余热的方法，其特征在于：步骤(3)中燃烧产生烟气温度高于800℃，烟气先经换热装置产生热水或高温蒸汽后，再对预热装置中的混合气体进行预热。
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