CN108343978A - 一种低热值燃料的催化氧化系统与方法 - Google Patents

一种低热值燃料的催化氧化系统与方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种低热值燃料的催化氧化系统和方法，所述系统包括：低热值燃料输送管道、催化剂预热单元与催化氧化反应器；所述催化氧化反应器包括催化燃烧单元、余热回收单元和低热值燃料预热单元；所述余热回收单元包括锅炉给水预热段和蒸汽发生段。本发明还提供了一种采用所述低热值燃料的催化氧化系统利用低热值燃料的方法。本发明利用所述的催化氧化反应器不仅能平稳高效地氧化低热值燃料，还能有效利用低热值燃料氧化释放出的热量，即把低热值燃料作为燃料利用变废为宝，既保护了环境，又有较好的经济效益，取得良好的节能减排效果。

Description

一种低热值燃料的催化氧化系统与方法
技术领域
本发明涉及低热值燃料利用和废气处理技术领域，尤其涉及一种低热值燃料的催化氧化系统与方法。
背景技术
工业生产中会产生大量的低热值气体，例如含有大量一氧化碳的液氮洗尾气、甲烷含量较低的煤矿低浓度瓦斯、挥发性有机化合物(VOCs)等。一方面，这些气体的热值低，不能直接燃烧，另一方面，向大气中排放这些气体会污染环境。如何处理这些低热值气体是业内亟需解决的问题。
以VOCs为例，VOCs是通过有组织和无组织排放到大气中的有机挥发物总称。通过光化学反应生成有机气溶胶(雾霾的重要组分之一)，影响空气质量并形成光化学毒雾。目前，国内加大VOCs治理力度，而大风量低浓度VOCs治理在技术上有一定难度。
目前，多种大风量低浓度VOCs治理技术在工程实践中得到应用，但也存在较多问题。
吸附+冷凝技术在石化企业得到了大量应用。由于冷凝过程需要消耗大量的电，运行费用高，而回收的烃类价格较低，每年将给企业带来较大的经济负担。蓄热式热氧化(RTO)不需要消耗太多的电，但在VOCs浓度较低时，需要燃烧柴油或燃气来维持800-900℃操作温度。不仅运行费用高，也会因燃料燃烧火焰温度高，排放NOx，造成二次污染。而对浓度较高的VOCs，由于RTO采用蓄热结构，难以及时控制内部温度，造成蓄热体损坏，带来额外的维护成本，影响长期稳定运行。
对于浓度大于800mg/m3的有机废气，催化燃烧反应器(CO)，不仅能够在较低温度下(～350℃)将所有烃类完全氧化，还可以避免RTO阀门切换带来的压力波动，避免阀门频繁动作，而造成疲劳损坏。以往实现催化燃烧与余热利用的技术方案如图1所示；此方案主要存在的技术问题在于：
1)B-101、E-102、E-103三个换热设备都以烟气为热源，分开布置增加了装置的占地面积；
2)上述三个换热设备分开布置后，三个设备间需要管线连接，设置多个阀门，增加了制造成本；
3)上述三个换热设备分开布置后，三个设备间需要管线连接，设置多个阀门，增加了需要多个设备基础，加大土建和安装工程的施工量和施工时间；
4)上述三个换热设备分开布置会造成额外的热损失(占总热量的20％左右)，降低余热利用效率。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种低热值燃料的催化氧化系统和方法，其既能实现低热值燃料的催化氧化，又能最大限度的利用低热值燃料氧化所释放出的热量，不仅保护环境，还能产生经济效益。
有鉴于此，本发明提供了一种低热值燃料催化氧化的系统，包括：低热值燃料输送管道、催化剂预热单元与催化氧化反应器；所述催化氧化反应器包括催化燃烧单元、低热值燃料预热单元与余热回收单元；
所述催化剂预热单元用于预热所述催化燃烧单元中的催化剂床层；
所述低热值燃料预热单元的入口与低热值燃料输送管道的出口相连；
所述催化燃烧单元的入口与所述低热值燃料预热单元的出口相连；
以预热气体或低热值燃料的流向计，所述催化燃烧单元包括依次设置的封头、气体分布器与催化剂床层；
所述催化燃烧单元产生的高温烟气进入所述余热回收单元，以高温气体的降温方向计，所述余热回收单元包括依次设置的蒸汽发生段与锅炉给水预热段，所述锅炉给水预热段与锅炉给水管道相连，锅炉给水在所述锅炉给水预热段进行预热后进入所述蒸汽发生段，产生的蒸汽进入蒸汽管网。
所述催化剂预热单元包括开车风机与电加热器，所述电加热器的入口与所述开车风机的出口相连；所述催化燃烧单元的入口与所述电加热器的出口相连。
优选的，如果需要产生过热蒸汽，所述余热回收单元还包括蒸汽过热段，所述蒸汽发生段产生的蒸汽进入所述蒸汽过热段，产生的过热蒸汽进入蒸汽管网。
优选的，所述系统还包括引风机与空气输送管道，所述空气输送管道的出口与所述引风机入口相连，所述引风机出口与所述低热值燃料输送管道的入口相连。
优选的，所述催化氧化反应器为若干个并联设置的催化氧化反应器。
优选的，所述低热值燃料预热单元为换热管束或板式换热器。
优选的，根据产生蒸汽的需要，所述蒸汽发生段设置有多组换热盘管。
优选的，为满足所产生的蒸汽进入蒸汽管网要求，所述余热回收单元还包括分离蒸汽与液体的汽包，锅炉给水在所述锅炉给水预热段进行预热后经所述汽包进入所述蒸汽发生段，产生的蒸汽和水的混合物返回所述汽包进行分离，分离出的蒸汽进入蒸汽管网。
本发明还提供了利用所述的低热值燃料的催化氧化系统处理低热值燃料气体的方法，包括以下步骤：
在预热阶段，利用催化剂预热单元将催化剂床层预热，然后关闭催化剂预热单元，进入正常操作阶段；
在正常操作阶段，利用低热值燃料预热单元将低热值燃料预热，将预热后的低热值燃料依次经过封头、气体分布器分配至催化剂床层，使预热后的低热值燃料在催化剂的作用下反应，得到高温烟气；
所述高温烟气依次经过蒸汽发生段与锅炉给水预热段进行余热回收，再经过低热值燃料预热单元回收热量后，排放达标烟气。
优选的，所述方法还包括在蒸汽过热段产生过热蒸汽。
优选的，所述方法还包括：如果低热值燃料中氧气较少，在所述低热值燃料预热前，将所述低热值燃料与空气混合，优选地，所述低热值燃料为液氮洗尾气、煤矿低浓度瓦斯或具有一定浓度的挥发性有机化合物。
优选的，所述催化剂床层的预热温度为350～450℃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的催化氧化反应器同时包括催化燃烧单元、余热回收单元、低热值燃料预热单元，因此催化氧化反应器既可以高效燃烧低热值燃料，也能有效利用低热值燃料中可燃组分氧化释放出的热量，这些热量能够产生蒸汽，也能预热进入反应器的低热值燃料预热单元，最大限度的利用了低热值燃料氧化所释放出的热量，即本发明提供的低热值燃料催化氧化反应器实现了催化氧化和余热利用两大功能，同时降低了设备的制造成本，减小了设备占地面积，也减小了与余热利用相关的土建和安装的工作量，缩短了项目施工工期。
附图说明
图1为现有技术中VOCs催化氧化的系统的结构示意图；
图2为本发明提供的低热值燃料催化氧化系统的结构示意图；
图3为本发明提供的低热值燃料催化氧化系统的余热回收单元的结构示意图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
针对现有技术中低热值燃料催化氧化系统的催化燃烧与余热利用不能兼顾或余热利用率低、成本高的问题，本发明公开了一种低热值燃料的催化氧化系统，
具体的，本发明所述低热值燃料的催化氧化系统包括：低热值燃料输送管道、催化剂预热单元与催化氧化反应器；所述催化剂预热单元包括开车风机与电加热器，所述催化氧化反应器包括催化燃烧单元、低热值燃料预热单元与余热回收单元；
所述电加热器的入口与所述开车风机的出口相连；
所述催化燃烧单元的入口与所述电加热器的出口相连；
所述低热值燃料预热单元的入口与低热值燃料输送管道的出口相连；
所述催化燃烧单元的入口与所述低热值燃料预热单元的出口相连；
以预热气体与低热值燃料的流向计，所述催化燃烧单元包括依次设置的封头、气体分布器与催化剂床层；
所述催化燃烧单元产生的高温烟气进入所述余热回收单元，以高温气体的降温方向计，所述余热回收单元包括依次设置的蒸汽过热段、蒸汽发生段与锅炉给水预热段。
这里的低热值燃料可以为液氮洗尾气、煤矿低浓度瓦斯、具有一定浓度的挥发性有机化合物等。
本发明提供的低热值燃料催化氧化系统中设置的催化氧化反应器集成了低热值燃料催化燃烧、余热利用以及低热值燃料进入反应器前的预热功能，不仅节省了设备的占地面积，降低了制造和安装成本，也提高了热量利用效率，实现了烟气热量梯级利用，余热利用效率高。
在本发明中，所述催化剂预热单元主要包括开车风机和电加热器，其用于向催化燃烧单元中的催化剂床层输送热空气，以预热催化剂床层。
所述催化氧化反应器中的低热值燃料预热单元设置于所述催化氧化反应器的最上部，通过回收烟气的热量，来加热低热值燃料，提高其进入反应器的温度；装置要开车时，不预热低热值燃料，而是先预热催化剂床层，依靠催化剂床层的蓄积的热量加热低热值燃料，使其达到能够氧化的温度。所述低热值燃料预热单元的结构形式可以为换热管束，也可以为板式换热器，对此本发明没有特别的限制。
以预热空气或低热值燃料的流向计，所述催化氧化反应器中的催化燃烧单元包括依次设置的封头、气体分布器与催化剂床层，所述催化燃烧单元中设置的封头和气体分布器将从外部接管进入反应器内的气体均匀地分布到催化剂床层，使催化剂床层温度均匀，保证低热值燃料在催化剂床层上均匀反应，并保证低热值燃料转化效率。催化剂床层在合适的操作温度下使低热值燃料中的可燃组分与氧气发生反应，生成CO2和水，使低热值燃料充分燃烧。所述催化燃烧单元中还设置有热电偶等仪表以及用于固定催化剂床层的支撑件，支撑件既要有一定的耐热性，又要承受温度变化引起的热胀冷缩变形。
催化氧化系统中的余热回收单元设置于所述低热值燃料预热单元下部。在一实施例中，自高温气体的降温方向计，所述余热回收单元包括依次设置的高压蒸汽过热段、蒸汽发生段与锅炉给水预热段，用于吸收烟气反应释放的热量，并产生蒸汽。所述余热回收单元还可以包括分离蒸汽与液体的汽包，以高温气体的降温方向计，所述余热回收单元包括依次设置的汽包、高压蒸汽过热段、蒸汽发生段与高压锅炉给水预热段，所述汽包的作用在于分离蒸汽与液体，以得到干蒸汽，而液体则送回换热盘管，以继续产生蒸汽；具体的，高压锅炉给水预热段吸收热量后将产生的蒸汽依次经过蒸汽发生段、高压蒸汽过热段，经汽包分离出干蒸汽，输送至高压蒸汽管网，液体循环回盘管继续加热，以产生蒸汽。根据具体情况设置汽包的高度，以维持气液循环。所述余热回收单元的截面形状要便于管束排布，以提高换热效率，截面形状和面积可以与催化燃烧反应器不同。根据产生不同压力等级蒸汽的需要，在蒸汽发生段设置多组换热盘管。
具体的，所述低热值燃料催化氧化系统的结构示意图如图2所示，包括开车风机1、电加热器2、催化氧化反应器3、引风机4、汽包5、空气过滤器6、燃料过滤器7、开工过滤器8和阻火器9。
图3为本发明余热回收单元的结构示意图，图中10为高压蒸汽过热段，11、12为蒸汽发生段，13为锅炉给水预热段，14为过渡段，5为汽包。
若低热值燃料中氧含量较少，为使其中的有机物、CO与H2等可燃组分完全燃烧，所述低热值燃料催化氧化系统还设置有引风机与空气输送管道，以向低热值燃料中掺混足够的空气，所述空气输送管道的出口与所述引风机的入口相连，所述引风机出口与所述低热值燃料输送管道的入口相连。
本发明所述低热值燃料催化氧化系统中的催化氧化反应器可采用多个并联的方式，实现更大风量的低热值燃料的利用。
本发明还提供了一种利用上述低热值燃料催化氧化系统利用低热值燃料的方法，包括以下步骤：
在预热阶段，利用催化剂预热单元将催化剂床层预热，关闭催化剂预热单元，进入正常操作阶段；
在正常操作阶段，利用低热值燃料预热单元将低热值燃料预热，预热后的低热值燃料依次经过封头、气体分布器分配至催化剂床层，使预热后的低热值燃料在催化剂的作用下反应，得到高温烟气；
所述高温烟气依次经过蒸汽过热段、蒸汽发生段与锅炉给水预热段进行余热回收，再经过低热值燃料预热单元回收热量后，排放达标烟气。
具体的，本发明利用低热值燃料的方法具体为：
将催化氧化反应器的催化剂床层预热到指定温度：自开车风机1的空气经电加热器2加热后，从反应器3底部进入气体分布器，经气体分布器后热风均匀地预热催化剂床层，催化剂床层预热到设定温度后，关闭开车风机1和电加热器2，关闭阀门将上述预热部分从管线上切出，完成催化剂床层预热，进入正常操作；
根据低热值燃料的组分和含氧浓度，确定是否需要向低热值燃料中混合空气；低热值燃料经低热值燃料预热单元进入反应器3底部，再经气体分布器均匀分布到催化剂床层，在催化剂床层发生催化氧化，释放出的热量形成高温烟气；高温烟气依次经过蒸汽过热段、蒸汽发生段、锅炉给水预热段，把热量传递给管内介质，将锅炉给水制成蒸汽，同时，烟气温度逐渐下降，最后，经低热值燃料原料预热单元进一步回收烟气中的热量后，烟气从烟囱排放到大气。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的低热值燃料催化氧化的系统与方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
组分如表1的VOCs风量为56000Nm3/h，温度为10～15℃。由于VOCs中氧含量低，需要用C-102风机向VOCs中混合空气，为保证VOCs中可燃组分完全燃烧，需要63000Nm3/h空气。
反应器正常操作前，需要用催化剂预热单元将催化剂床层预热到400℃；预热后，关闭预热系统与反应器间的阀门，将预热单元切出；混有空气的VOCs从反应器底部进入，经气体分布器均匀分配在催化剂床层进行VOCs的催化氧化，VOCs催化氧化后在催化剂床层放热，形成高温烟气，余热回收单元吸收烟气的热量将锅炉给水制成蒸汽，输入蒸汽管网；烟气热量被VOCs预热段进一步回收后达标排放，总烃浓度小于100mg/m3。表2为不同工况下VOCs烟气排出催化氧化反应器的结果数据表。
表1不同工况下的VOCs组分数据表
表2各种工况计算结果数据表
序号 工况 负荷 反应器出口温度/℃ 排烟温度℃ 蒸汽产量t/h
1 工况1 100％ 616.0 120.4 22.0×3
2 工况2 100％ 578.6 139.7 14.5×3
3 工况2 70％ 606.0 132.7 9.5×3
4 工况2 110％ 597.2 133.6 16.2×3
5 工况3 100％ 585.0 116.3 14.0×3
6 工况4 100％ 608.7 121.5 13.5×3
7 工况5 100％ 599.1 118.3 14.0×3
实施例2
组分及操作条件如表3所示的液氮洗尾气流量为6541.6kg/h，温度为30℃，压力为320kPa。由于尾气中没有氧气，需要用C-102风机向尾气中混合空气。
反应器正常操作前，需要用催化剂预热单元将催化剂床层预热到350℃；预热后，关闭预热系统与反应器间的阀门，将预热系统切出；混有空气的尾气从反应器底部进入，经气体分布器均匀分配在催化剂床层进行催化氧化，尾气中的CO和H2氧化成CO2和H2O，催化氧化后在催化剂床层放热，形成600℃的高温烟气，可直接用于干燥、加热等场合，也可以利用余热锅炉产生5.6t/h 3.9MPa，420℃的蒸汽。烟气经充分余热回收后，以130℃排放到大气中。
表3组分数据表
组分 摩尔分率
H2 0.026308
N2 0.744682
CO 0.217368
AR 0.008828
CH4 0.002813
实施例3
含有8v％甲烷的瓦斯，流量为10400Nm3/h。由于瓦斯的浓度较高，处于爆炸极限内，需要用C-102风机向尾气中混合空气，将其浓度控制在4％左右。
反应器正常操作前，需要用催化剂预热单元将催化剂床层预热到400℃；预热后，关闭预热系统与反应器间的阀门，将预热系统切出；稀释后的瓦斯从反应器底部进入，经气体分布器均匀分配在催化剂床层进行催化氧化，瓦斯中的甲烷氧化成CO2和H2O，催化氧化后在催化剂床层放热，形成600℃的高温烟气，利用余热锅炉产生11t/h 4.3MPa，380℃的蒸汽，这些蒸汽能够带动汽轮机-发电机系统产生2MW的电，发出的电可以上网，或供煤矿生产使用。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种低热值燃料的催化氧化系统，包括：低热值燃料输送管道、催化剂预热单元与催化氧化反应器；所述催化氧化反应器包括催化燃烧单元、低热值燃料预热单元与余热回收单元；
所述催化剂预热单元用于预热所述催化燃烧单元中的催化剂床层；
所述低热值燃料预热单元的入口与低热值燃料输送管道的出口相连；
所述催化燃烧单元的入口与所述低热值燃料预热单元的出口相连；
以预热气体或低热值燃料的流向计，所述催化燃烧单元包括依次设置的封头、气体分布器与催化剂床层；
所述催化燃烧单元产生的高温烟气进入所述余热回收单元，以高温气体的降温方向计，所述余热回收单元包括依次设置的蒸汽发生段与锅炉给水预热段，所述锅炉给水预热段与锅炉给水管道相连，锅炉给水在所述锅炉给水预热段进行预热后进入所述蒸汽发生段，产生的蒸汽进入蒸汽管网。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述催化剂预热单元包括开车风机与电加热器，所述电加热器的入口与所述开车风机的出口相连；所述催化燃烧单元的入口与所述电加热器的出口相连。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，如果需要产生过热蒸汽，所述余热回收单元还包括蒸汽过热段，所述蒸汽发生段产生的蒸汽进入所述蒸汽过热段，产生的过热蒸汽进入蒸汽管网。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括引风机与空气输送管道，所述空气输送管道的出口与所述引风机入口相连，所述引风机出口与所述低热值燃料输送管道的入口相连。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述催化氧化反应器为若干个并联设置的催化氧化反应器。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述低热值燃料预热单元为换热管束或板式换热器，优选地，根据产生蒸汽的需要，所述蒸汽发生段设置有多组换热盘管。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，为满足所产生的蒸汽进入蒸汽管网要求，所述余热回收单元还包括分离蒸汽与液体的汽包，锅炉给水在所述锅炉给水预热段进行预热后经所述汽包进入所述蒸汽发生段，产生的蒸汽和水的混合物返回所述汽包进行分离，分离出的蒸汽进入蒸汽管网。
8.一种利用权利要求1-7任一项所述的催化氧化系统处理低热值燃料的方法，包括以下步骤：
在预热阶段，利用催化剂预热单元将催化剂床层预热，然后关闭催化剂预热单元，进入正常操作阶段；
在正常操作阶段，利用低热值燃料预热单元将低热值燃料预热，将预热后的低热值燃料依次经过封头、气体分布器分配至催化剂床层，使预热后的低热值燃料在催化剂的作用下反应，得到高温烟气；
所述高温烟气依次经过蒸汽发生段与锅炉给水预热段进行余热回收，再经过低热值燃料预热单元回收热量后，排放达标烟气，优选的，所述方法还包括在蒸汽过热段产生过热蒸汽。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：如果低热值燃料中氧气较少，在所述低热值燃料预热前，将所述低热值燃料与空气混合，优选地，所述低热值燃料为液氮洗尾气、煤矿低浓度瓦斯或具有一定浓度的挥发性有机化合物。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述催化剂床层的预热温度为350～450℃。
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