CN106310937B - 一种低工作温度催化脱氧反应装置及方法 - Google Patents

一种低工作温度催化脱氧反应装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低工作温度催化脱氧反应装置及利用该装置进行催化脱氧方法，其中，低工作温度催化脱氧反应装置包括氧化催化床、原料气管道和并联设置的两个支路，每个支路分别包括依次通过管道串接的第一加热器、吸附床、换热器、第二加热器、热解催化床，两个支路中第一加热器前的管道与原料气管道连接，两个支路中热解催化床的出口与氧化催化床并联，氧化催化床的出口处连接有两个分别通入到两个支路的换热器中的再加热管道，两个再加热管道上分别设有阀门，两个换热器的出口处连接有净化气管道。本发明使得整个催化脱氧反应装置的工作在150～200℃温度下即可正常进行，所以就能大大降低输入热量，减少运行成本。

Description

一种低工作温度催化脱氧反应装置及方法
技术领域
本发明涉及一种低工作温度催化脱氧反应装置及利用该装置进行催化脱氧方法，属于废气净化处理技术领域。
背景技术
在垃圾填埋气净化处理过程中，需要将填埋气中少量的氧气脱除掉，即脱氧处理。在脱氧处理中一种有效的处理方法是催化脱氧，即利用垃圾填埋气中含有的甲烷组分，通过采用催化剂，使氧气与甲烷发生氧化反应，生成水和二氧化碳，从而将氧气含量降低到要求限值以下，而对水和二氧化碳产物，在后续的脱碳和脱水处理环节中予以分离。这种方法的优点是处理系统流程简单，便于工业化应用。
目前工业上采用的脱氧催化剂主要是以活性氧化铝为载体的贵金属（Pd、Pt、Rh等）型催化剂，该类型催化剂由于含有贵金属，导致催化剂成本高。由于该类型催化剂工作温度在300-350℃的范围，所以需要使催化床的温度达到300-350℃范围，因此现有技术采用电加热方式向催化床提供辅助热源，这样会造成电耗较高，从而使催化脱氧装置的运行成本提高。因此，降低催化脱氧装置的工作温度，减少输入热量，是催化脱氧技术的一个重要发展方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低工作温度催化脱氧反应装置及利用该装置进行催化脱氧方法，工作温度在150～200℃下，以解决现有技术的催化脱氧耗电高导致运行成本高的技术问题。
本发明采用如下技术方案：一种低工作温度催化脱氧反应装置，其包括氧化催化床、原料气管道和并联设置的两个支路，每个支路分别包括依次通过管道串接的第一加热器、吸附床、换热器、第二加热器、热解催化床，两个支路中第一加热器前的管道与原料气管道连接，两个支路中热解催化床的出口与氧化催化床并联，氧化催化床的出口处连接有两个分别通入到两个支路的换热器中的再加热管道，两个再加热管道上分别设有阀门，两个换热器的出口处连接有净化气管道。
所述第一加热器和第二加热器上均设有温度控制器，所述第一加热器和第二加热器均为电加热器，电加热器为电加热管式气体加热装置。
所述两个支路中第一加热器前的管道上分别设有流量传感器和流量调节阀，调节阀采用电动或气动式气体流量调节阀。
所述换热器采用管壳式或板式结构的气-气换热器。
所述吸附床中的吸附材料采用活性炭颗粒或活性炭纤维或分子筛，吸附材料在吸附床中以颗粒或规整型结构填充形成固定床。
所述氧化催化床中采用贵金属类催化剂或钙钛矿型催化剂，贵金属类催化剂采用Pd、Pt、Rh中的一种及以上的氧化物或单质，催化剂的载体采用活性氧化铝或分子筛或天然矿物或碳基材料，催化剂在氧化催化床中以颗粒或规整型结构填充形成固定床。
所述热解催化床中采用碱金属类催化剂或碱土金属类催化剂或过渡金属类催化剂，催化剂的载体采用活性氧化铝或分子筛或天然矿物或碳基材料，催化剂在热解催化床中以颗粒或规整型结构填充形成固定床。
利用低工作温度催化脱氧反应装置进行催化脱氧方法，包括以下步骤：（1）将原料气分别通入两个支路，使流经每个支路的气体流量达到设定值；（2）控制其中一个支路中的第一加热器不工作、第二加热器工作，原料气中的气态醇类、酸、烃类等含氧和不含氧的挥发性有机物被吸附床吸附，此时该支路处于“吸附”状态；同时，控制另一个支路中的第一加热器工作、第二加热器工作，通过第一加热器加热后的热气体加热吸附床，解析出被吸附的气态醇类、酸、烃类等含氧和不含氧的挥发性有机物，解析出的挥发性有机物在热解催化床中发生催化热解反应生成CO和H2，此时该支路处于“热解”状态；（3）流经两个支路的气体合并流入氧化催化床装置，“吸附”状态支路与“热解”状态支路的具有一定温度的气体混合后，形成具有O2、CO、H2组分的混合气体，并且温度达到催化氧化反应温度，在氧化催化床中进行催化氧化反应，将混合气体中的O2通过氧化反应脱除；（4）关闭“吸附”支路上连接的再加热管道上的阀门，使氧化催化床的出气不流过“吸附”支路上的换热器，同时打开“热解”支路上连接的再加热管道上的阀门，使氧化催化床的出气流过“热解”支路上的换热器，最终反应后的气体从“热解”支路上的换热器中流出。
上述步骤（2）中，使每个支路交替处于“吸附”和“热解”的状态。
每个支路“吸附”或“热解”的工作周期在30min～300min之间。
本发明的有益效果是：本发明利用垃圾填埋气中含有的气态醇类、酸、烃类等含氧和不含氧的挥发性有机物，采用吸附床进行富集浓缩，然后通过催化热解使这些挥发性有机物转化为CO和H2，然后由CO和H2与氧气反应生成二氧化碳和水蒸气。由于垃圾填埋气中挥发性有机物的催化热解温度不高（在150～200℃范围即可充分反应），以及CO和H2与氧气在催化剂作用下的氧化反应温度也不高（在120～160℃范围即可充分反应），这样就使得整个催化脱氧反应装置的工作在150～200℃温度下即可正常进行，所以就能大大降低输入热量，减少运行成本。
附图说明
图1是本发明低工作温度催化脱氧反应装置一种实施例的系统图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明低工作温度催化脱氧反应装置一种实施例的系统图如图1所示，本实施例的低工作温度催化脱氧反应装置包括氧化催化床、原料气管道和并联设置的两个支路，每个支路分别包括依次通过管道串接的第一加热器、吸附床、换热器、第二加热器、热解催化床，两个支路中第一加热器前的管道与原料气管道连接，两个支路中热解催化床的出口与氧化催化床并联，氧化催化床的出口处连接有两个分别通入到两个支路的换热器中的再加热管道，两个再加热管道上分别设有阀门，两个换热器的出口处连接有净化气管道。所述第一加热器和第二加热器上均设有温度控制器，所述第一加热器和第二加热器均为电加热器，电加热器为电加热管式气体加热装置。所述两个支路中第一加热器前的管道上分别设有流量传感器和流量调节阀，调节阀采用电动或气动式气体流量调节阀。所述换热器采用管壳式或板式结构的气-气换热器。
所述吸附床中的吸附材料采用活性炭颗粒或活性炭纤维或分子筛，吸附材料在吸附床中以颗粒或规整型结构填充形成固定床。
所述氧化催化床中采用贵金属类催化剂或钙钛矿型催化剂，贵金属类催化剂采用Pd、Pt、Rh中的一种及以上的氧化物或单质，催化剂的载体采用活性氧化铝或分子筛或天然矿物或碳基材料，催化剂在氧化催化床中以颗粒或规整型结构填充形成固定床。
所述热解催化床中采用碱金属类催化剂或碱土金属类催化剂（CaO、Na2O、K2O等）或过渡金属类催化剂（Fe、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Mo等过渡金属元素的氧化物或氯化物），催化剂的载体采用活性氧化铝或分子筛或天然矿物或碳基材料，催化剂在热解催化床中以颗粒或规整型结构填充形成固定床。
利用低工作温度催化脱氧反应装置进行催化脱氧方法的实施例如下，包括以下步骤：
（1）将原料气分别通入两个支路，利用流量调节阀使流经每个支路的气体流量达到设定值；
（2）控制其中一个支路中的第一加热器不工作、第二加热器工作，第二加热器的加热温度由温度传感器反馈控制，使该支路出气的温度达到控制要求，原料气中的气态醇类、酸、烃类等含氧和不含氧的挥发性有机物被吸附床吸附，此时该支路处于“吸附”状态；同时，控制另一个支路中的第一加热器工作、第二加热器工作，第一加热器由温度传感器反馈控制，第二加热器加热温度由温度传感器反馈控制，通过第一加热器加热后的热气体加热吸附床，解析出被吸附的气态醇类、酸、烃类等含氧和不含氧的挥发性有机物，解析出的挥发性有机物在热解催化床中发生催化热解反应生成CO和H2，此时该支路处于“热解”状态；
（3）流经两个支路的气体合并流入氧化催化床装置，“吸附”状态支路与“热解”状态支路的具有一定温度的气体混合后，形成具有O2、CO、H2组分的混合气体，并且温度达到催化氧化反应温度，在氧化催化床中进行催化氧化反应，将混合气体中的O2通过氧化反应脱除；
（4）关闭“吸附”支路上连接的再加热管道上的阀门，使氧化催化床的出气不流过“吸附”支路上的换热器，同时打开“热解”支路上连接的再加热管道上的阀门，使氧化催化床的出气流过“热解”支路上的换热器，最终反应后的气体从“热解”支路上的换热器中流出。
上述步骤（2）中，使每个支路交替处于“吸附”和“热解”的状态，每个支路“吸附”或“热解”的工作周期在30min～300min之间。
本发明利用垃圾填埋气中含有的气态醇类、酸、烃类等含氧和不含氧的挥发性有机物，采用吸附床进行富集浓缩，然后通过催化热解使这些挥发性有机物转化为CO和H2，然后由CO和H2与氧气反应生成二氧化碳和水蒸气。由于垃圾填埋气中挥发性有机物的催化热解温度不高（在150～200℃范围即可充分反应），以及CO和H2与氧气在催化剂作用下的氧化反应温度也不高（在120～160℃范围即可充分反应），这样就使得整个催化脱氧反应装置的工作在150～200℃温度下即可正常进行，所以就能大大降低输入热量，减少运行成本。本发明不仅用于垃圾填埋气的脱氧处理，也可用于沼气、煤层气、热解气、合成气等气体的脱氧处理中。

Claims (10)

1.一种低工作温度催化脱氧反应装置，其包括氧化催化床，其特征在于：所述低工作温度催化脱氧反应装置还包括原料气管道和并联设置的两个支路，每个支路分别包括依次通过管道串接的第一加热器、吸附床、换热器、第二加热器、热解催化床，两个支路中第一加热器前的管道与原料气管道连接，两个支路中热解催化床的出口与氧化催化床并联，氧化催化床的出口处连接有两个分别通入到两个支路的换热器中的再加热管道，两个再加热管道上分别设有阀门，两个换热器的出口处连接有净化气管道。
2.根据权利要求1所述的低工作温度催化脱氧反应装置，其特征在于：所述第一加热器和第二加热器上均设有温度控制器，所述第一加热器和第二加热器均为电加热器，电加热器为电加热管式气体加热装置。
3.根据权利要求1所述的低工作温度催化脱氧反应装置，其特征在于：所述两个支路中第一加热器前的管道上分别设有流量传感器和流量调节阀，调节阀采用电动或气动式气体流量调节阀。
4.根据权利要求1所述的低工作温度催化脱氧反应装置，其特征在于：所述换热器采用管壳式或板式结构的气-气换热器。
5.根据权利要求1所述的低工作温度催化脱氧反应装置，其特征在于：所述吸附床中的吸附材料采用活性炭颗粒或活性炭纤维或分子筛，吸附材料在吸附床中以颗粒或规整型结构填充形成固定床。
6.根据权利要求1所述的低工作温度催化脱氧反应装置，其特征在于：所述氧化催化床中采用贵金属类催化剂或钙钛矿型催化剂，贵金属类催化剂采用Pd、Pt、Rh中的一种及以上的氧化物或单质，催化剂的载体采用活性氧化铝或分子筛或天然矿物或碳基材料，催化剂在氧化催化床中以颗粒或规整型结构填充形成固定床。
7.根据权利要求1所述的低工作温度催化脱氧反应装置，其特征在于：所述热解催化床中采用碱金属类催化剂或碱土金属类催化剂或过渡金属类催化剂，催化剂的载体采用活性氧化铝或分子筛或天然矿物或碳基材料，催化剂在热解催化床中以颗粒或规整型结构填充形成固定床。
8.一种利用权利要求1中的低工作温度催化脱氧反应装置进行催化脱氧方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将原料气分别通入两个支路，使流经每个支路的气体流量达到设定值；（2）控制其中一个支路中的第一加热器不工作、第二加热器工作，原料气中的气态醇类、酸、烃类等含氧和不含氧的挥发性有机物被吸附床吸附，此时该支路处于“吸附”状态；同时，控制另一个支路中的第一加热器工作、第二加热器工作，通过第一加热器加热后的热气体加热吸附床，解析出被吸附的气态醇类、酸、烃类等含氧和不含氧的挥发性有机物，解析出的挥发性有机物在热解催化床中发生催化热解反应生成CO和H2，此时该支路处于“热解”状态；（3）流经两个支路的气体合并流入氧化催化床装置，“吸附”状态支路与“热解”状态支路的具有一定温度的气体混合后，形成具有O2、CO、H2组分的混合气体，并且温度达到催化氧化反应温度，在氧化催化床中进行催化氧化反应，将混合气体中的O2通过氧化反应脱除；（4）关闭“吸附”支路上连接的再加热管道上的阀门，使氧化催化床的出气不流过“吸附”支路上的换热器，同时打开“热解”支路上连接的再加热管道上的阀门，使氧化催化床的出气流过“热解”支路上的换热器，最终反应后的气体从“热解”支路上的换热器中流出。
9.根据权利要求8所述的催化脱氧方法，其特征在于：上述步骤（2）中，使每个支路交替处于“吸附”和“热解”的状态。
10.根据权利要求8所述的催化脱氧方法，其特征在于：每个支路“吸附”或“热解”的工作周期在30min～300min之间。
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