CN107830538A - 一种优化的间接式催化焚烧烟气多级换热系统及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种优化的间接式催化焚烧烟气多级换热系统及工艺，其系统包括催化床、天然气燃烧器、换热器、吸附转轮、吸附风机、排烟风机和脱附风机，所述换热器按照高低温位匹配原则设置了四级换热单元，所述吸附转轮包括吸附区、吹扫区和脱附区，所述催化床外设另外一路天然气进口和燃烧器，将燃烧产生的天然气烟气管路与催化焚烧废气管路连通，作为热侧介质管道，天然气烟气和催化焚烧烟气混合后进入换热器，通过内部四级换热单元分别加热浓缩废气和脱附气，热量回收完毕后排入烟囱。本发明利用内部传热单元的精细化设计来优化换热器内部流体换热过程，实现了换热面积最小化，同时可延长催化剂寿命，提升系统净化效率。

Description

一种优化的间接式催化焚烧烟气多级换热系统及工艺

技术领域

本发明涉及一种优化的间接式催化焚烧烟气多级换热系统及工艺，特别适用于低浓度有机废气催化焚烧处理过程。

背景技术

随着人类工业经济的的不断发展进步，工业生产过程中产生的各种废气引发的环境问题日益增多，因此如何治理工业废气成为了现代工业生产中必须予以重视的问题。工业有机废气常用的处理方式包括热力焚烧，蓄热式热力焚烧以及催化焚烧。其中，催化焚烧因为其起燃温度低，处理效率高，耗能少等优点得到广泛应用。

在催化焚烧系统流程中重要的一步是将有机废气预热到起燃温度点以上，从而使有机成分在焚烧炉内在催化剂作用下充分分解，达到无污染排放的目的。传统的催化焚烧工艺是采用电加热或者天然气燃烧预热有机废气，因其能耗以及成本高昂的缺点而难以推广。为充分利用余热，目前主要采用的废气预热方式是用焚烧后的高温烟气与有机废气之间进行间接换热，公开号为CN 105091000A的发明专利提供了一种用于彩涂线废气处理的工艺方法，将催化焚烧烟气依次通入串联的废气换热器和新风换热器，将彩涂线固化炉产生的废气和新风分别预热；公开号为CN 102188878A的发明专利提供了一种带有板式换热器的高效吸附、脱附组合系统，利用板式换热器和混流换热器预热脱附气和废气。此类工艺回收了烟气大部分余热回收，明显节约能源，但这种简单的两台或两级换热器串联换热的方式，没有从换热设计优化的角度考虑，冷热物流匹配不合理，导致总换热面积和占地面积过大；同时，系统最终排烟温度较高，需要增加额外的热水换热器来回收烟气低温段热能，保证足够的换热效率，而热水用做其他用途，无法推广到其他生产线。

在大多数工况下，低浓度废气虽然经吸附床或者吸附转轮浓缩，但其热值依然无法保证系统自身热平衡需要，所以在实际应用中经常需要用天然气燃烧的方式补充热量。申请号为CN201320888267的实用新型专利提供了一种丙烯酸废气催化焚烧炉，在焚烧炉体底部安装有天然气进口，用天然气烟气直接加入废气中以保证系统热平衡。

但天然气烟气直接兑入废气这种方式（特别是高含硫天然气），对催化焚烧的影响不容忽视。首先，高含硫工业天然气燃烧产生的含有的二氧化硫会与催化剂中金属离子反应，导致催化剂产生一定程度的中毒现象，降低催化剂寿命；其次，有研究表明天然气烟气中含有的水蒸气会与甲苯等有机成分产生竞争吸附作用，影响催化剂活性；另外，额外兑入的天然气烟气增加了系统处理气量，加大了系统负荷。

发明内容

为解决现有流程中存在的问题，本发明提供了一种优化的间接式催化焚烧烟气多级换热系统及工艺。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案之一是：

一种优化的间接式催化焚烧烟气多级换热系统，其特征在于该系统包括催化床、天然气燃烧器、换热器、吸附转轮、吸附风机、排烟风机和脱附风机，所述换热器包含四级换热单元，分别为第一级换热单元、第二级换热单元、第三级换热单元和第四级换热单元，所述第一级换热单元和第三级换热单元相互连通，第一级换热单元的冷侧出口作为浓缩废气出口，第三级换热单元的冷侧入口作为浓缩废气入口，所述第二级换热单元和第四级换热单元相互连通，第二级换热单元的冷侧出口作为脱附气出口，第四级换热单元的冷侧入口作为脱附气入口；所述吸附转轮包括轮转吸附区、轮转吹扫区和轮转脱附区，所述轮转吸附区出口通过所述吸附风机与排烟风机连接烟囱，所述轮转吹扫区出口与所述第四级换热单元冷侧入口相连通，所述轮转脱附区入口与所述第二级换热单元冷侧出口相连通，轮转脱附区出口通过所述脱附风机与所述第三级换热单元冷侧入口相连通，所述第一级换热单元的冷侧出口连接所述催化床的入口，催化床的出口连接所述天然气燃烧器的出口与换热器的热侧入口，换热器的热侧出口通过所述排烟风机连接至烟囱。

优选的，所述第一级换热单元的冷侧出口设有用于监测废气预热温度的温控装置T01，所述催化床内部设有用于监测废气燃烧温度的温控装置T02，所述催化床的出口处设有用于监测燃烧后气体温度的温控装置T03，所述脱附区入口与第二级换热单元冷侧出口之间的管道上设有用于监测脱附气温度的T04，所述温控装置T01，温控装置T02，温控装置T03，温控装置T04均与温度控制系统连接，并与天然气燃烧器之间实现连锁控制，利用各温控装置监测的温度信号，即通过废气预热温度和脱附气温度控制天然气燃烧量。

优选的，所述换热器为多级一体式板式换热器。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案之二是：

一种优化的间接式催化焚烧烟气多级换热工艺，该工艺采用上述系统进行废气处理，具体的处理步骤包括吸附-脱附-冷却过程和烟气能量多级利用过程，其中：

吸附-脱附-冷却过程的处理步骤为：低浓度的工业废气经转轮的吸附区，吸附完成后排空；随后转轮的脱附区引入经换热器第二，四级换热单元预热后的高温脱附气，用于脱附转轮上吸附的有机成分，脱附完成后生成浓缩废气，该浓缩废气作为冷侧介质进入换热器第一，三级换热单元，预热至起燃温度后进催化床焚烧进行氧化分解；最后用脱附风机将新风引入转轮吹扫吸附转轮中脱附后的区域，转轮冷却后继续循环此过程；

所述烟气能量多级利用过程的处理步骤为：在催化焚烧炉外设另外一路天然气进口和燃烧器，将燃烧产生的天然气烟气和催化床内焚烧烟气混合后进入多级一体式换热器，通过换热器内部四级换热单元，分别加热浓缩废气和脱附气至起燃温度和脱附温度，热量回收完毕后排入烟囱。

优选的，所述换热器包含内部集成的四级换热单元，将混合烟气作为热侧介质，按照高温段热介质匹配换热高温段冷介质，低温段热介质匹配换热低温段冷介质的温位匹配原则，分别与浓缩废气高温段，脱附气高温段，浓缩废气低温段，脱附气低温段进行四级换热，将浓缩废气和脱附气分别加热到起燃温度和脱附温度，实现了能量分级利用。

优选的，所述换热器在现有工艺温度参数基础上，以总换热面积最小化为优化目标，增加为四级换热单元，利用换热网络分析软件来优化整个换热过程的热负荷分布状态，通过减少低对数平均温差换热段的热负荷，增加高对数平均温差换热段的热负荷，从而增大整个换热过程的平均传热推动力，在总热负荷不变情况下实现了总换热面积最小化。

优选的，所述催化床排出的废气烟气温度在330-370℃，温度过低无法满足自身热平衡，随后通过催化焚烧炉外的天然气燃烧器，将产生的天然气烟气兑入废气烟气中，此时废气烟气温度温度提升至450-470℃，在满足系统自身热量需求的情况下，采用间接换热的方式与浓缩废气和脱附气进行换热，避免了含硫以及其他杂质的天然气烟气直接接触浓缩废气。

本发明的有益效果如下：

1、通过间接换热的方式，天然气烟气中的水蒸气和二氧化硫等有害成分不会与有机废气混合，减少了催化剂活性降低或者中毒的可能性，有助于延长催化剂使用寿命；

2、同时，间接换热的方式也不会使额外的天然气烟气增加系统处理气量，加大了系统负荷；

3、本发明利用催化焚烧烟气多级换热的思路，对现有工艺中两级换热方式进行了优化，增加为四级换热单元，按照温位匹配原则，优化设计了换热过程中各换热段对数平均温差，从而增大平均传热推动力，实现了总换热面积最小化，降低投资费用；

4、通过换热网络分析软件的优化设计，将各级换热单元（特别是最后一级换热器）换热面积参数优化至最合理的状态，在相同的换热面积下可以更多的回收催化焚烧烟气中低温段烟气的余热，排烟温度低至50度左右，热回收效率约为90%左右，实现了烟气能量的最优利用；

5、相对于现有工艺中设置两台换热器依次加热脱附气和浓缩烟气的方式，四级一体式换热器集成化程度较高，在节省占地面积，降低投资费用方面更有优势。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1 为本发明催化焚烧系统流程示意图；

其中：1-转轮吸附区，2-转轮吹扫区，3-转轮脱附区，4-吸附风机，5-换热器，6-脱附风机，7-催化床，8-天然气燃烧器，9-排烟风机，10-烟囱。

图2 为多级一体式换热器结构功能示意图；

其中：501-第一级换热单元，502-第二级换热单元，503-第三级换热单元，504-第四级换热单元。

图3为对比现有工艺中两台换热器串联的换热参数。

图4为多级一体式换热器在具体实施方式中各换热单元冷热侧物流温度计算结果。

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。

如图1所示，一种优化的间接式催化焚烧烟气多级换热系统，该系统主要包括催化床7、天然气燃烧器8、换热器5、吸附转轮、吸附风机4、排烟风机9和脱附风机6。所述换热器5包含四级换热单元，分别为第一级换热单元501、第二级换热单元502、第三级换热单元503和第四级换热单元504，所述第一级换热单元501和第三级换热单元503相互连通，第一级换热单元501的冷侧出口作为浓缩废气出口，第三级换热单元503的冷侧入口作为浓缩废气入口，所述第二级换热单元502和第四级换热单元504相互连通，第二级换热单元502的冷侧出口作为脱附气出口，第四级换热单元504的冷侧入口作为脱附气入口；所述吸附转轮包括轮转吸附区1、轮转吹扫区2和轮转脱附区3。

废气排放管道通过吸附风机4与转轮吸附区1的入口相连接，转轮吸附区1出口通过管道进入烟囱13。转轮吹扫区2入口通过阀门与大气连通，出口通过管道与换热器5第四级换热单元504冷侧入口连接，第二级换热单元502的冷侧出口通过管道与转轮脱附区2的入口相连。转轮脱附区3的出口通过管道、阀门以及脱附风机6连接换热器5第三级换热单元503的冷侧入口。

催化床7的入口管道连接换热器5第一级换热单元501的冷侧出口，催化床7的出口管道与换热器5的热侧入口相连；同时，在催化焚烧炉外设另外一路天然气管道连接燃烧器8，并通过T03（废气预热温度）和T04（脱附风温度）的控制天然气燃烧量，燃烧器出口汇入催化床7的出口管道进入换热器5的热侧入口，换热器5的热侧出口与排烟风机9 的入口相连，排烟风机9 的出口与烟囱10 相连。

本系统的的工作原理及过程为：低浓度废气首先经过吸附风机以及管道进入转轮吸附区1，在转轮中活性炭以及沸石分子筛的吸附作用下，废气中的污染物成分被吸附净化达标后经转轮吸附区出口，通过管道进入烟囱10后排出；随后环境干空气在脱附风机6作用下经入口管道进入转轮吹扫区，对经过高温脱附气脱附后的转轮部分进行吹扫冷却，将转轮冷却至60℃以下，冷却后的低温气体（温度大约在40℃左右）进入换热器第四级换热单元504冷侧入口，与催化焚烧烟气进行换热，经过两级换热后气体温度升至200℃，从第二级换热单元502冷侧出口，经过管道进入转轮脱附区3，作为高温脱附气将吸附在转轮上的污染物成分脱附下来，从而形成浓缩废气。此时浓缩废气温度较之前的脱附气大幅下降，降至90℃左右。低温浓缩废气经过管道、脱附风机再次回到换热器第三级换热单元503冷侧进口进行加热，经过两级换热后浓缩废气达到起燃温度330℃，从第一级换热单元501冷侧出口进入催化床进行催化焚烧分解，将浓缩废气中有害成分分解为水和二氧化碳等无污染小分子，以高温烟气形式排出。

因废气浓度低，系统自身热量天然不足，需补充少量天然气进入系统中以保证系统热平衡，故在催化焚烧炉外设另外一路天然气管道连接燃烧器4，并通过温控装置T03和T04监测废气预热温度以及脱附风温度，再通过温度控制系统控制天然气燃烧量，将天然气烟气通过管道兑入烟气后其温度升至460℃进入换热器第一级换热单元热侧进口，通过内部集成的四级换热单元，按照高低温介质匹配换热原则，分别与浓缩废气高温段，脱附气高温段，浓缩废气低温段，脱附气低温段进行四级换热（换热器内部换热过程入图2所示），将浓缩废气和脱附气分别加热到起燃温度330℃和脱附温度200℃，而烟气最终出口温度仅为50℃，换热效率高达90%，最大限度的利用了烟气能量，降低了系统运行能耗。

相对于现有工艺中（图3）通过两台串联的换热器依次加热浓缩废气和脱附气的方式，四级一体式换热器通过增加换热单元数目，利用Aspen Energy Analyzer软件来优化整个换热过程的热负荷分布状态，将低对数平均温差换热段（ΔT_m≤10℃）的热负荷减少至1/3(由299kw减少至112kW)，增加高对数平均温差换热段(ΔT_m≥50℃)的热负荷(由451kw减少至573kW)，各换热单元冷热侧物流温度计算结果如附图4所示。利用上述内部传热单元的精细化设计来优化换热器内部流体换热过程，增大整个换热过程的对数平均温差和平均传热推动力，在总热负荷不变情况下实现了总换热面积最小化。

相对于现有工艺中两台换热器串联换热，本发明在完成换热面积最小化的优化目标基础上虽然增加了更多的换热单元，但四级一体式换热器集成化程度较高，总换热面积更小，并且在换热器制作过程中尽量匹配各换热单元模块大小，在节省占地面积，降低投资费用方面更有优势。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种优化的间接式催化焚烧烟气多级换热系统，其特征在于该系统包括催化床、天然气燃烧器、换热器、吸附转轮、吸附风机、排烟风机和脱附风机，所述换热器包含四级换热单元，分别为第一级换热单元、第二级换热单元、第三级换热单元和第四级换热单元，所述第一级换热单元和第三级换热单元相互连通，第一级换热单元的冷侧出口作为浓缩废气出口，第三级换热单元的冷侧入口作为浓缩废气入口，所述第二级换热单元和第四级换热单元相互连通，第二级换热单元的冷侧出口作为脱附气出口，第四级换热单元的冷侧入口作为脱附气入口；所述吸附转轮包括轮转吸附区、轮转吹扫区和轮转脱附区，所述轮转吸附区出口通过所述吸附风机与排烟风机连接烟囱，所述轮转吹扫区出口与所述第四级换热单元冷侧入口相连通，所述轮转脱附区入口与所述第二级换热单元冷侧出口相连通，轮转脱附区出口通过所述脱附风机与所述第三级换热单元冷侧入口相连通，所述第一级换热单元的冷侧出口连接所述催化床的入口，催化床的出口连接所述天然气燃烧器的出口与换热器的热侧入口，换热器的热侧出口通过所述排烟风机连接至烟囱。

2.根据权利要求1所述的一种优化的间接式催化焚烧烟气多级换热系统，其特征在于所述第一级换热单元的冷侧出口设有用于监测废气预热温度的温控装置T01，所述催化床内部设有用于监测废气燃烧温度的温控装置T02，所述催化床的出口处设有用于监测燃烧后气体温度的温控装置T03，所述脱附区入口与第二级换热单元冷侧出口之间的管道上设有用于监测脱附气温度的T04，所述温控装置T01，温控装置T02，温控装置T03，温控装置T04均与温度控制系统连接，利用各温控装置监测的温度信号控制天然气燃烧量。

3.根据权利要求1所述的一种优化的间接式催化焚烧烟气多级换热系统，其特征在于所述换热器为多级一体式板式换热器。

4.一种优化的间接式催化焚烧烟气多级换热工艺，其特征在于该工艺采用上述权1至权3中任一项所述的系统进行废气处理，具体的处理步骤包括吸附-脱附-冷却过程和烟气能量多级利用过程，其中：

吸附-脱附-冷却过程的处理步骤为：低浓度的工业废气经转轮的吸附区，吸附完成后排空；随后转轮的脱附区引入经换热器第二，四级换热单元预热后的高温脱附气，用于脱附转轮上吸附的有机成分，脱附完成后生成浓缩废气，该浓缩废气作为冷侧介质进入换热器第一，三级换热单元，预热至起燃温度后进催化床焚烧进行氧化分解；最后用脱附风机将新风引入转轮，吹扫转轮中脱附后的区域，转轮冷却后继续循环此过程；

所述烟气能量多级利用过程的处理步骤为：在催化焚烧炉外设另外一路天然气进口和燃烧器，将燃烧产生的天然气烟气和催化床内焚烧烟气混合后进入多级一体式换热器，通过换热器内部四级换热单元，分别加热浓缩废气和脱附气至起燃温度和脱附温度，热量回收完毕后排入烟囱。

5.根据权利要求4所述的一种优化的间接式催化焚烧烟气多级换热工艺，其特征在于所述换热器包含内部集成的四级换热单元，将混合烟气作为热侧介质，按照高温段热介质匹配换热高温段冷介质，低温段热介质匹配换热低温段冷介质的温位匹配原则，分别与浓缩废气高温段，脱附气高温段，浓缩废气低温段，脱附气低温段进行四级换热，将浓缩废气和脱附气分别加热到起燃温度和脱附温度，达到能量分级利用。

6.根据权利要求4所述的一种优化的间接式催化焚烧烟气多级换热工艺，其特征在于四级一体式换热器利用换热网络分析软件来优化整个换热过程的热负荷分布状态，通过减少低对数平均温差换热段的热负荷，增加高对数平均温差换热段的热负荷，利用内部传热单元的精细化设计来优化换热器内部流体换热过程，增大整个换热过程的平均传热推动力，在总热负荷不变情况下实现了总换热面积最小化。

7.根据权利要求4所述的一种优化的间接式催化焚烧烟气多级换热工艺，其特征在于所述催化床排出的废气烟气温度在330-370℃，温度过低无法满足自身热平衡，随后通过催化焚烧炉外的天然气燃烧器，将产生的天然气烟气兑入废气烟气中，此时废气烟气温度温度提升至450-470℃，在满足系统自身热量需求的情况下，采用间接换热的方式与浓缩废气和脱附气进行换热，避免了含硫以及其他杂质的天然气烟气直接接触浓缩废气。