CN108413421B - 一种不含氧可燃性废气的脱除设备 - Google Patents

一种不含氧可燃性废气的脱除设备 Download PDF

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Abstract

本发明属于低浓度可燃性废气处理及余热利用相关技术领域，其公开了一种不含氧可燃性废气的脱除设备，该脱除设备包括化学链燃烧系统及尾气处理系统；该化学链燃烧系统包括燃料反应器及空气反应器，该尾气处理系统包括冷凝器；该燃料反应器和该空气反应器的出口通过阀连接于该冷凝器的入口；该燃料反应器和该空气反应器通过阀进行反应器间的切换；该燃料反应器内存有氧化态的氧载体颗粒，该氧化态的氧载体颗粒用于采用自身携带的晶格氧将进入该燃料反应器的不含氧可燃性废气进行氧化；该冷凝器用于去除该燃料反应器产生的燃烧产物中的水蒸气。该脱除设备更加高效，降低了成本，绿色环保，最大程度地降低了对环境的不利影响。

Description

一种不含氧可燃性废气的脱除设备
技术领域
本发明属于低浓度可燃性废气处理及余热利用相关技术领域，更具体地，涉及一种不含氧可燃性废气的脱除设备。
背景技术
现阶段，在某些新型材料制备生产领域，如低含氧硅晶体制备、氧化还原法制备石墨烯、化学气相沉积(Chemical vapor deposition,CVD)法制备无机材料等过程中往往需要通入还原性气体(如CO、H2、CH4等)作为反应气。为了保证材料的纯度，反应气体往往是稍微过量的，因此制备过程产生的尾气中不可避免的含有低浓度可燃性气体(可能还含有H2O、CO2，但不含O2)，这就需要进一步进行处理。
目前，对上述尾气的处理方法主要包括直接排空法、燃烧法和冷凝回收法，但是上述这些方法都不同程度地存在问题，直接排空法不仅造成能源的浪费，还带来大气污染和潜在的爆炸危险；对于直接燃烧法，无论是通纯O2燃烧还是通空气燃烧，由于可燃性气体浓度很低，燃烧都不会很充分；冷凝回收法的设备投资成本高，不利于控制生产成本。相应地，本领域存在着发展一种高效、低成本的不含氧可燃性废气的脱除设备的技术需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种不含氧可燃烧废气的脱除设备，其基于现有低浓度不含氧可燃性废气的处理特点，研究及设计了一种高效及低成本的不含氧可燃性废气的脱除设备。所述脱除设备采用化学链燃烧法对低浓度不含氧可燃性废气，实现高效转化的过程中，还可实现对燃烧产物二氧化碳的内在分离，经压缩纯化后的二氧化碳产品可以为企业带来间接性盈利。此外，所述燃料反应器和所述空气反应器通过采用铜基氧载体作为固体填料，理论上可以实现整个装置的热自持，并且气体的切换通过电磁阀控制，能够很大程度地提高自动化程度，降低了运行成本和生产事故的发生率。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种不含氧可燃烧废气的脱除设备，所述脱除设备包括化学链燃烧系统及尾气后处理系统，所述化学链燃烧系统包括空气反应器和燃料反应器，所述尾气后处理系统包括冷凝器；所述空气反应器内有还原态的氧载体颗粒，所述还原态的氧载体颗粒通过吸取空气中的氧而实现其载氧能力的再生；所述燃料反应器和所述空气反应器的出口通过阀连接于所述冷凝器的入口；所述燃料反应器和所述空气反应器通过阀进行反应器间的切换；
所述燃料反应器内存有氧化态的氧载体颗粒，所述氧化态的氧载体颗粒用于自身携带的晶格氧将进入所述燃料反应器的不含氧可燃性废气进行氧化以生成H2O或/及CO2；所述燃料反应器的燃烧产物进入所述冷凝器，所述冷凝器用于去除所述燃烧产物中的水蒸气。
进一步地，所述氧载体颗粒为铜基氧载体。
进一步地，所述化学链燃烧系统还包括第一三通阀、第二三通阀、第一四通阀及第二四通阀，所述第一四通阀的两个出口分别连接于所述空气反应器的入口及所述燃料反应器的入口，其两个入口分别连接于所述第二三通阀的出口及所述第一三通阀的出口；所述冷凝器的出口分别连接于所述第一三通阀的入口及所述第二三通阀的入口；所述第二四通阀的两个入口分别连接所述空气反应器的出口及所述燃料反应器的出口，其两个出口中的一个连接于所述冷凝器的入口，另一个与大气相连通。
进一步地，所述第一三通阀、所述第二三通阀、所述第一四通阀及所述第二四通阀均为电磁控制阀。
进一步地，经由所述冷凝器流出的二氧化碳气流分别用于对所述空气反应器及所述燃料反应器进行吹扫。
进一步地，所述脱除设备中还原反应的时间等于氧化反应的时间与吹扫时间之和，通过控制所述第一三通阀、所述第二三通阀、所述第一四通阀及所述第二四通阀来实现所述脱除设备对不含氧可燃性废气的连续处理。
进一步地，所述燃料反应器中的温度为300℃～900℃。
进一步地，所述燃料反应器中的温度为700℃～900℃。
进一步地，所述化学链燃烧系统为并联固定床或者鼓泡床反应器结构，或者为串行流化床反应器结构。
进一步地，所述脱除设备为并联固定床或者鼓泡床反应器结构，或者为串行流化床反应器结构。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的不含氧可燃烧废气的脱除设备主要具有以下有益效果：
1.所述脱除设备采用化学链燃烧法对低浓度不含氧可燃性废气，实现高效转化的过程中，还可实现对燃烧产物二氧化碳的内在分离，经压缩纯化后的二氧化碳产品可以为企业带来间接性盈利。
2.所述燃料反应器和所述空气反应器通过采用铜基氧载体作为固体填料，理论上可以实现整个装置的热自持，并且气体的切换通过电磁阀控制，能够很大程度地提高自动化程度，降低了运行成本和生产事故的发生率。
3.所述脱除设备的结构简单、紧凑，操作安全易行，能够以更小的资本投入和运行成本实现对低浓度不含氧可燃性废气的安全有效脱除，可促进企业的绿色、节能型发展。
4.所述脱除设备能够更加高效、节能、绿色地实现对低浓度不含氧可燃性气体的无害化处理，并可进行余热回收，最大程度地降低对环境的不利影响。
附图说明
图1是本发明较佳实施方式提供的不含氧可燃烧废气的脱除设备的结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：R1-空气反应器，R2-燃料反应器，V1-第一三通阀，V2-第二三通阀，V3-第一四通阀，V4-第二四通阀，C-冷凝器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1，本发明较佳实施方式提供的不含氧可燃性废气的脱除设备，所述脱除设备结合了化学链燃烧技术来脱除微量不含氧可燃性废气，且为高效、经济、环保、安全、可靠地实现了低浓度不含氧可燃性废气的脱除。其中，化学链燃烧是一种新型的燃烧技术，该技术借助于氧载体在两个反应器的氧化与还原，燃料与空气在不接触的条件下，由氧载体将氧传递到燃料中进行燃烧，且燃料转化率高。
所述脱除设备能够高效燃烧微量不含氧可燃性气体的同时，还能够实现对燃烧产物CO2的内在分离和富集，最大限度地减少了对环境的不利影响。具体地，所述脱除设备包括化学链燃烧系统及尾气后处理系统，所述化学链燃烧系统包括空气反应器R1、燃料反应器R2、第一三通阀V1、第二三通阀V2、第一四通阀V3、第二四通阀V4；所述尾气后处理系统包括冷凝器C，所述第二四通阀V4的一个入口连接于所述空气反应器R1的出口，另一个入口连接于所述燃料反应器R2的出口，且所述第二四通阀V4的一个出口连接于所述冷凝器C的入口，另一个出口与大气相连通。所述第一四通阀V3的两个出口分别连接于所述空气反应器R1的入口及所述燃料反应器R2的入口，其两个入口分别连接于所述第二三通阀V2的出口及所述第一三通阀V1的出口。所述冷凝器C的出口分别连接于所述第一三通阀V1的两个入口中的一个及所述第二三通阀V2的两个入口中的一个。
所述燃料反应器R2中存有氧化态的氧载体颗粒，所述氧载体可以为铜基氧载体。本实施方式中，所述燃料反应器R2中的温度为300℃～900℃，优选为700℃～900℃。经由所述第一三通阀V1及所述第一四通阀V3的控制而将待处理的低浓度不含氧可燃性废气F1通入所述燃料反应器R2中，所述燃料反应器R2中的氧载体利用其自身所携带的晶格氧将所述不含氧可燃性废气F1中所含有的低浓度可燃性气体氧化并生成H2O或CO2气体F4(如果废气中只含有H2，只生成H2O；如果废气中只含有CO，只生成CO2；如果废气中含有H2和CO或CH4，则生成H2O和CO2的混合物)；燃烧产物F4经由所述第二四通阀V4进入所述冷凝器C中。
所述冷凝器C用于去除所述燃烧产物F4中的水蒸气，以得到高纯度的CO2气流F5。所述CO2气流F5分为两股气流，其中一股CO2气流F5'进入所述第一三通阀V1的入口，另一股CO2气流F5”通入所述第二三通阀V2的入口，所述CO2气流F5'和所述CO2气流F5”分别作为所述燃料反应器R2及所述空气反应器R1的吹扫气体。
所述空气反应器R1中存有处于还原态的氧载体颗粒，经由所述第二三通阀V2及所述第一四通阀V3的控制通入所述空气反应器R1内的空气气流F2，处于还原态的氧载体颗粒通过氧化反应恢复其载氧能力。同时，所述空气反应器R1通过所述第二四通阀V4向外输出欠氧空气气流F3。
本实施方式中，所述燃料反应器中的氧化态的氧载体被还原的过程为放热反应，所述空气反应器R1中的还原态的氧载体被空气中的氧气氧化的过程也为放热反应，通过两者产生的热来实现所述脱除设备的热自持；当然，在其他实施方式中，还可以利用上述两个反应所产生的多余热量来实现其他用途；所述脱除设备可以为两个并联的固定床或者鼓泡床反应器形式，或者为串行流化床反应器形式。
本实施方式中，所述第一三通阀V1、所述第二三通阀V2、所述第一四通阀V3及所述第二四通阀V4均为电磁控制阀；此外，根据待处理的不含氧可燃性废气的体量、所述空气反应器R1及所述燃料反应器中氧载体的装载量、运行温度等来选择氧化过程、还原过程及吹扫过程所需的最佳时间，其中相同过程在两个反应器中的时间一样，且由于氧化过程较还原过程快很多，为实现系统的连续运行，可使得还原过程时间等于氧化过程和吹扫过程的时间之和，通过所述第一三通阀V1、所述第二三通阀V2、所述第一四通阀V3及所述第二四通阀V4的开合来实现所述脱除设备对不含氧可燃性废气的连续处理。
所述脱除设备连续运行过程中，需要在每次还原步骤之前和之后对反应器进行吹扫，以防止空气与低浓度可燃性尾气的直接接触而影响CO2气流F5的纯度和爆炸危险。具体的，当所述空气反应器R1中氧载体的氧化过程完成时，所述燃料反应器R2中仍在进行还原过程，此时所述第二三通阀V2切换至CO2气流F5”，引入CO2气流F5”进入所述空气反应器R1进行吹扫过程，当所述空气反应器R1中的吹扫过程结束后，所述燃料反应器R2中的还原过程也完成，此时同时切换所述第一四通阀V3和所述第二四通阀V4，所述空气反应器R1中进行还原过程，所述燃料反应器R2中通过引入CO2气流F5'进行吹扫过程；当所述燃料反应器R2中的吹扫过程结束后，所述空气反应器R1中仍在进行还原过程，此时切换第二三通阀V2至空气气流F2，引入空气气流F2进入所述燃料反应器R2中进行氧化过程；当所述燃料反应器R2中氧化过程完成时，空气反应器R1中的还原过程亦同时结束，此时所述第一三通阀V1切换至F5'，所述第二三通阀V2切换至F5”，所述空气反应器R1及所述燃料反应器R2都进行CO2吹扫过程。吹扫过程结束后，同时切换所述第一四通阀V3和所述第二四通阀V4，并将所述第一三通阀V1连接至待处理的低浓度不含氧可燃性尾气F1，将所述第二三通阀V2连接至空气气流F2，此时所述空气反应器R1及所述燃料反应器R2又分别开始氧化过程和还原过程，实现连续不间断运行。
本发明提供的不含氧可燃性废气的脱除设备采用化学链燃烧法对低浓度不含氧可燃性废气，实现高效转化的过程中，还可实现对燃烧产物二氧化碳的内在分离，经压缩纯化后的二氧化碳产品可以为企业带来间接性盈利。此外，所述燃料反应器和所述空气反应器通过采用铜基氧载体作为固体填料，理论上可以实现整个装置的热自持，并且气体的切换通过电磁阀控制，能够很大程度地提高自动化程度，降低了运行成本和生产事故的发生率。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种不含氧可燃性废气的脱除设备，其特征在于：
所述脱除设备包括化学链燃烧系统及尾气后处理系统，所述化学链燃烧系统包括空气反应器和燃料反应器，所述尾气后处理系统包括冷凝器；所述空气反应器内存有还原态的氧载体颗粒，所述还原态的氧载体颗粒通过氧化反应实现其载氧能力的再生；所述燃料反应器和所述空气反应器的出口通过阀连接于所述冷凝器的入口；所述燃料反应器和所述空气反应器通过阀进行反应器间的切换；
所述燃料反应器内存有氧化态的氧载体颗粒，所述氧化态的氧载体颗粒用于采用自身携带的晶格氧将进入所述燃料反应器的不含氧可燃性废气进行氧化以生成H2O或/及CO2；所述燃料反应器的燃烧产物进入所述冷凝器，所述冷凝器用于去除所述燃烧产物中的水蒸气；
所述化学链燃烧系统还包括第一三通阀、第二三通阀、第一四通阀及第二四通阀，所述第一四通阀的两个出口分别连接于所述空气反应器的入口及所述燃料反应器的入口，其两个入口分别连接于所述第二三通阀的出口及所述第一三通阀的出口；所述冷凝器的出口分别连接于所述第一三通阀的入口及所述第二三通阀的入口；所述第二四通阀的两个入口分别连接所述空气反应器的出口及所述燃料反应器的出口，其两个出口中的一个连接于所述冷凝器的入口，另一个与大气相连通；所述第一三通阀、所述第二三通阀、所述第一四通阀及所述第二四通阀均为电磁控制阀；经由所述冷凝器流出的二氧化碳气流分别用于对所述空气反应器及所述燃料反应器进行吹扫；所述脱除设备中还原反应的时间等于氧化反应的时间与吹扫时间之和，通过控制所述第一三通阀、所述第二三通阀、所述第一四通阀及所述第二四通阀来实现所述脱除设备对不含氧可燃性废气的连续处理。
2.如权利要求1所述的不含氧可燃性废气的脱除设备，其特征在于：所述氧载体颗粒为铜基氧载体。
3.如权利要求1-2任一项所述的不含氧可燃性废气的脱除设备，其特征在于：所述燃料反应器中的温度为300℃~900℃。
4.如权利要求3所述的不含氧可燃性废气的脱除设备，其特征在于：所述燃料反应器中的温度为700℃~900℃。
5.如权利要求1-2任一项所述的不含氧可燃性废气的脱除设备，其特征在于：所述化学链燃烧系统为并联固定床或者鼓泡床反应器结构，或者为串行流化床反应器结构。
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