CN107816730B - 一种催化燃烧脱除voc的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种催化燃烧脱除VOC的装置及方法，按照物料流动方向，所述装置包括水合反应单元(R2)和燃烧反应单元(R3)，其中，所述水合反应单元(R2)包括丙烯水合反应器；所述燃烧反应单元(R3)包括固定床反应器，所述固定床反应器的下段为起燃段(R3A)，上段为飞温段(R3B)。采用所述装置的方法包括：1)在丙烯水合反应器中，使VOC物料中的部分丙烯与水进行水合反应；2)将步骤1)水合反应得到的VOC气体送入固定床反应器，使VOC气体进行催化燃烧反应。本发明提供的装置及方法特别适用于丙烯含量高的VOC尾气治理，能够使物流出口VOC含量小于120mg/m3，有利于环境保护。

Description

一种催化燃烧脱除VOC的装置及方法
技术领域
本发明属于VOC废气处理技术领域，具体涉及一种催化燃烧脱除VOC的装置及方法。
背景技术
在炼油厂和聚烯烃等装置上产生的废气包括不饱和烯烃和烃类衍生物等，由于其经济价值较高往往会进行综合回收利用，甚至转化为其它价值更高的产品。石油化工小试和中试的试验装置所产生的VOC(挥发性有机化合物)总量相对小且分散，缺乏经济效益，且回收综合利用比较困难，以往这类废气的排放处理并未引起足够的重视。但是，随着近年来国内雾霾现象的不断加剧，各科研机构特别是在市区的化工试验产生的三废的治理也提上了日程，VOC的治理也越来越受重视。
一般来说，石油化工小试和中试的试验装置产生的废气组分主要为H2、CO、CH4、C1～C5饱和烷烃和不饱和烃类。这些组分大多易燃易爆，如果将这些组分直接燃烧，存在着很大的安全隐患，采用无焰催化燃烧脱除VOC是一种安全有效的方法。但是，如果废气中丙烯的含量过高时，只通过一步催化燃烧往往不能有效除净丙烯，这样处理后的尾气将达不到国家排放标准，而一些烯烃聚合等生产工艺的尾气中丙烯的含量又很高。
因此，亟需开发一种催化燃烧脱除VOC的系统，能处理丙烯含量较高的VOC，使处理后的气体满足废气处理排放标准，以维护生态环境。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种催化燃烧脱除VOC的装置及方法。本发明的催化燃烧脱除VOC的装置具有丙烯水合反应单元，采用所述装置催化燃烧脱除VOC的方法特别适用于丙烯含量高的VOC尾气治理，避免丙烯因燃烧困难导致的污染环境。
根据本发明的第一方面，本发明提供了一种催化燃烧脱除VOC的装置，按照物料流动方向，所述装置包括水合反应单元和燃烧反应单元，其中，所述水合反应单元包括丙烯水合反应器；所述燃烧反应单元包括固定床反应器，所述固定床反应器的下段为起燃段，上段为飞温段。
根据本发明的第二方面，本发明提供了一种采用所述装置催化燃烧脱除VOC的方法，该方法包括：
1)在丙烯水合反应器中，在酸性树脂催化剂存在下，使VOC物料中的部分丙烯与水进行水合反应；
2)将步骤1)水合反应得到的VOC气体送入固定床反应器，在VOC净化催化剂的存在下，使VOC气体与空气在起燃段进行催化燃烧反应，反应产物经飞温段排出。
本发明的催化燃烧脱除VOC气体的装置，通过加入丙烯水合反应单元，将VOC气体中的丙烯部分水合反应，一方面避免高含量丙烯在燃烧反应单元中的燃烧不充分，另一方面将丙烯烃转化为异丙醇后，提高了VOC气体的燃烧性能；本发明的装置更适用于但并不限于丙烯含量较高的VOC气体。另外，采用本发明的催化燃烧脱除VOC气体的方法，能够将丙烯含量较高的VOC气体(丙烯的体积含量高于60％)脱除至物流出口的VOC含量小于120mg/m3，符合国家排放标准。
附图说明
图1：根据本发明的一种实施方式的催化燃烧脱除VOC气体的装置。
图2：对比例1所采用的催化燃烧脱除VOC气体的装置。
附图标记说明
R2：水合反应单元；R3：燃烧反应单元；R3A：起燃段；R3B：飞温段；S1：VOC物料；S2：VOC气体；S3：冷却水；S4：排出气体；S5：空气。
具体实施方式
为使本发明更加容易理解，下面将结合实施例来详细说明本发明，这些实施例仅起说明性作用，并不用于限制本发明。
根据本发明的第一方面，本发明提供了一种催化燃烧脱除VOC的装置，如图1所示：按照物料流动方向，所述装置包括水合反应单元R2和燃烧反应单元R3，其中，所述水合反应单元R2包括丙烯水合反应器；所述燃烧反应单元R3包括固定床反应器，所述固定床反应器的下段为起燃段R3A，上段为飞温段R3B。
其中，所述水合反应单元R2中，所述丙烯水合反应器配制有加热装置，为水合反应提供热量。
所述燃烧反应单元R3中，所述飞温段R3B配制有冷却水管道，可以通过冷却水控制燃烧反应后气体的温度。
所述起燃段R3A和飞温段R3B的体积比可以为0.5-1︰1，优选为1︰1。
所述起燃段R3A的下部设置有VOC气体入口，底部设置有空气入口。
本发明中，所述水合反应单元R2和燃烧反应单元R3之间还设置有气液分离器，水合反应后的物流通过气液分离器分离出其中的液相，气相进入后续的燃烧反应单元。
本发明中，所述催化燃烧脱除VOC的装置的排出气体出口处可以设置有VOC报警仪和温度报警仪，分别用于检测排出气体中VOC的含量是否达标，对排出气体温度的控制情况。
根据本发明的第二方面，本发明提供了一种采用所述装置催化燃烧脱除VOC的方法，该方法包括：
1)在丙烯水合反应器中，在酸性树脂催化剂存在下，使VOC物料中的部分丙烯与水进行水合反应；
2)将步骤1)水合反应得到的VOC气体送入固定床反应器，在VOC净化催化剂的存在下，使VOC气体与空气在起燃段R3A进行催化燃烧反应，反应产物经飞温段R3B排出。
其中，步骤1)中，所述酸性树脂催化剂可以为强酸性阳离子交换树脂催化剂。强酸性阳离子交换树脂可以为苯乙烯-二乙烯苯共聚基体上带有磺酸基的离子交换树脂，如国产732型。
所述水合反应的条件可以包括：以丙烯计，催化剂的体积空速为2-3h-1，温度为120-160℃，压力为6-8MPa，水烯摩尔比为12.5-15。
步骤2)中，所述VOC净化催化剂可以为贵金属催化剂、过渡金属氢化物催化剂或复合氧化物催化剂。
具体地，所述贵金属催化剂中的金属活性中心可以选自Pt、Pd、Ru和Rh中的至少一种，例如Pt-Al2O3催化剂。
优选地，所述VOC净化催化剂为负载型Pd-Pt系催化剂。
所述负载型Pd-Pt系催化剂的载体可以为具有Al2O3涂层的蜂窝型堇青石。
优选地，以负载型Pd-Pt系催化剂的总重量为基准，其中，Pd的含量为0.01-1wt％，Pt的含量为0.01-1wt％。
所述催化燃烧反应的条件包括：以VOC气体计，催化剂的体积空速为100-3000h-1，VOC气体与空气的体积流量比为1︰5-200，加热温度为120-140℃，排出气体的温度为500-850℃。
根据一种具体的实施例方式，所述负载型Pd-Pt系催化剂通过以下方法制备：
1)采用浸渍法将拟薄水铝石粉体涂覆在蜂窝型堇青石上，经干燥、焙烧得到所述具有Al2O3涂层的蜂窝型堇青石载体；
2)将步骤1)制得的载体浸渍于活性中心的金属盐溶液中，经干燥、焙烧制得所述负载型Pd-Pt系催化剂。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
在以下实施例和对比例中：
拟薄水铝石粉体：淄博泰光化工有限公司GL-1牌号。
球磨机：南京莱步科技实业有限公司QM型号。
蜂窝型堇青石陶瓷：江西兴丰化工填料公司方孔型载体。
强酸性阳离子交换树脂催化剂：北京索莱宝科技有限公司732型。
固定床反应器中起燃段R3A和飞温段R3B的体积比为1︰1。
制备例1
本制备例用于说明负载型Pd-Pt系催化剂的制备方法。
(a)将100g的拟薄水铝石粉体和400g水在球磨机中以50rpm转速球磨2h，得到悬浮状的浆体，将该浆体采用浸渍的方式涂覆在1000g蜂窝型堇青石陶瓷上，并在120℃下干燥24h，再在700℃下焙烧6h，得到具有γ-Al2O3涂层的蜂窝型堇青石载体。
(b)将步骤(a)所得的载体在含有1wt％的氯铂酸和1wt％的氯化钯的水溶液中浸渍12h，然后于120℃下干燥4h，再于500℃下焙烧4h，从而制得Pd-Pt/Al2O3催化剂C1，以该催化剂的总量为基准，Pd元素的含量为0.5wt％，Pt元素的含量为0.5wt％，γ-Al2O3的含量为9wt％。
实施例1
所采用的催化燃烧脱除VOC的装置如图1所示，处理的VOC物料组分如表1所示。
采用本发明的装置催化燃烧脱除VOC的方法，具体步骤如下：
VOC物料先进入丙烯水合反应器，在强酸型阳离子交换树脂催化剂的作用下，其中的丙烯进行水合反应，反应产物进入气液分离器进行气液分离，得到的VOC气体从固定床反应器的起燃段R3A的VOC气体入口进入，与起燃段底部空气入口进入的空气在起燃段R3A起燃，燃烧后的气体通过飞温段R3B之后从飞温段R3B的顶部出口排出，其中：
水合反应单元R2：丙烯水合反应器中采用的催化剂为强酸型阳离子交换树脂催化剂，催化剂的装填量为20L，占丙烯水合反应器体积的80％，催化剂的体积空速为2.5h-1(以丙烯计)，VOC物料以0.06m3/h的体积流量通入到丙烯水合反应器中，水合反应的温度为130℃，压力为7MPa，水烯摩尔比为13︰1。
燃烧反应单元R3：固定床反应器中装填实施例1制备的催化剂C1，催化剂装填量为0.2L(燃烧段R3A和飞温段R3B各一半)，催化剂的总体积占固定床反应器体积的80％，催化剂的体积空速为2500h-1；
起燃段R3A中，水合反应后的VOC气体以0.5m3/h的体积流量通入到起燃段R3A，空气以7m3/h的体积流量通入到气燃段R3A；加热温度为130℃；
飞温段R3B中，控制排出的燃烧后的气体的温度为500-800℃。
催化燃烧反应脱除VOC的装置排出气体的VOC含量为92mg/m3。排出气体中VOC的浓度见表2。
对比例1
采用如图2所示催化燃烧脱除VOC的装置，处理的VOC物料组分与实施例1相同见表1。
根据实施例1所述的方法进行催化燃烧脱除VOC，燃烧反应后排出气体的VOC含量为651mg/m3，排出气体中VOC的浓度见表2。
表1
组分 体积含量(％) 组分 体积含量(％)
CO 0.04 正丁烷 0.12
CO<sub>2</sub> 0 正丁烯 0.35
CH<sub>4</sub> 0.96 异丁烯 0.65
乙烷 6.17 反-2-丁烯 0.11
乙炔 0.02 顺-2-丁烯 0.08
丙烷 3.5 1,3-丁二烯 1.28
丙烯 84.99 C5以上烃类* 1.19
丙二烯和丙炔 0.4 苯 0.05
异丁烷 0.06 甲苯 0.03
*C5以上烃类中不包括甲苯和苯的含量。
表2
通过表1-2的数据对比可以看出，采用本发明的催化燃烧脱除VOC的装置，首先将VOC气体进行水合反应，然后再进行燃烧反应，通过这种方法能够得到更好地VOC气体脱除效果，燃烧脱除后的气体中的烃类含量得到非常明显地降低。
以上已经描述了本发明的实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的实施例。在不偏离所说明实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (11)

1.一种催化燃烧脱除VOC的装置，其特征在于，按照物料流动方向，所述装置包括水合反应单元(R2)和燃烧反应单元(R3)，其中，
所述水合反应单元(R2)包括丙烯水合反应器；
所述燃烧反应单元(R3)包括固定床反应器，所述固定床反应器的下段为起燃段(R3A)，上段为飞温段(R3B)。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述飞温段(R3B)配置有冷却水管道。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述起燃段(R3A)和飞温段(R3B)的体积比为0.5-1︰1。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述起燃段(R3A)的下部设置有VOC气体入口，底部设置有空气入口。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述水合反应单元(R2)和燃烧反应单元(R3)之间还设置有气液分离器。
6.一种采用权利要求1～5中任意一项所述装置催化燃烧脱除VOC的方法，其特征在于，该方法包括：
1)在丙烯水合反应器中，在酸性树脂催化剂存在下，使VOC物料中的部分丙烯与水进行水合反应；
2)将步骤1)水合反应得到的VOC气体送入固定床反应器，在VOC净化催化剂的存在下，使VOC气体与空气在起燃段(R3A)进行催化燃烧反应，反应产物经飞温段(R3B)排出。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述酸性树脂催化剂为强酸性阳离子交换树脂催化剂。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述水合反应的条件包括：以丙烯计，催化剂的体积空速为2-3h-1，温度为120-160℃，压力为6-8MPa，水烯摩尔比为12.5-15︰1。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，所述VOC净化催化剂为负载型Pd-Pt系催化剂，所述负载型Pd-Pt系催化剂的载体为具有Al2O3涂层的蜂窝型堇青石。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，以负载型Pd-Pt系催化剂的总重量为基准，Pd的含量为0.01-1wt％，Pt的含量为0.01-1wt％。
11.根据权利要求6所述的方法，其中，所述催化燃烧反应的条件包括：以VOC气体计，催化剂的体积空速为100-3000h-1，VOC气体与空气的体积流量比为1︰5-200，加热温度为120-140℃，排出气体的温度为500-850℃。
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