CN110180354A - 甲烷净化载体、装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及气态污染物治理技术领域，提供了一种甲烷净化载体、装置及方法，甲烷净化载体，包括脱硝催化剂载体和氧化剂载体，所述脱硝催化剂载体为γ‑氧化铝载体，其表面涂覆有氧化铜、三氧化钼、二氧化铈、二氧化锆和氧化铟，所述氧化剂载体为二氧化钛载体，其表面涂覆铂、钯、钌、锑和二氧化铈；甲烷净化装置包括烟气净化管道和甲烷净化载体，所述脱硝催化剂载体和所述氧化剂载体沿烟气流动方向依次设置在所述烟气净化管道内，所述烟气净化管道内设有与所述脱硝催化剂载体适配的第一加热元件和与所述氧化剂载体适配的第二加热元件；甲烷净化方法包括脱硝反应、氧化反应、完成净化，最终实现烟气洁净节能排放，提高甲烷的利用率，保护环境。

Description

甲烷净化载体、装置及方法
技术领域
本发明涉及气态污染物治理技术领域，特别是涉及一种甲烷净化载体、装置及方法。
背景技术
随着我国经济发展和能源结构的调整，天然气在能源应用中的比例大幅增加。然而，天然气作为改善大气环境质量的清洁燃料，同时也是温室气体的一种，其温室效应是二氧化碳的21倍。因此，天然气在使用过程中面临的挑战之一就是如何确保天然气能够带来预期的环境效益，使天然气真正成为清洁燃料。
目前，焦化、烧结、油气行业在生产作业过程中会排放不同含量的甲烷，燃气锅炉在运行阶段也会不同程度的逃逸一部分甲烷。据国际能源署估计，甲烷的回收利用价值可抵消防止泄漏的成本，约50％的甲烷排放可实现零成本减排。因此，如何将排放、泄漏的甲烷变污为宝、二次利用，是现阶段研究所面临的首要问题。
发明内容
本发明实施例提供一种甲烷净化载体、装置及方法，以解决现有烟气中含有的甲烷的排放、泄漏造成大气污染的问题。
本发明实施例提供一种甲烷净化载体，包括脱硝催化剂载体和氧化剂载体，所述脱硝催化剂载体为γ-氧化铝载体，其表面涂覆有氧化铜、三氧化钼、二氧化铈、二氧化锆和氧化铟，所述氧化剂载体为二氧化钛载体，其表面涂覆铂、钯、钌、锑和二氧化铈。
其中，所述脱硝催化剂载体包括以下含量的组分：0.1～20.0wt％氧化铜、0.1～20.0wt％三氧化钼、0.1～10.0wt％二氧化铈、0.1～5.0wt％二氧化锆、0.1～12.0wt％氧化铟、60.0～90.0wt％γ-氧化铝。
其中，所述脱硝催化剂载体中氧化铜、三氧化钼、二氧化铈、二氧化锆、氧化铟的质量含量比为0.1～20：0.1～20：0.1～10：0.1～5：0.1～12。
其中，所述氧化剂载体包括以下含量的组分：0.1～0.5wt％铂、0.1～0.5wt％钯、0.5～1.0wt％钌、0.5～2.0wt％锑、3.0～15.0wt％二氧化铈、81.0～95.0wt％二氧化钛。
其中，所述氧化剂载体中铂、钯、钌、锑、二氧化铈的质量含量比为0.1～0.5：0.1～0.5：0.5～1.0：0.5～2.0：3～15。
本发明实施例还提供一种甲烷净化装置，包括烟气净化管道和如以上所述的甲烷净化载体，所述脱硝催化剂载体和所述氧化剂载体沿烟气流动方向依次设置在所述烟气净化管道内，所述烟气净化管道内设有与所述脱硝催化剂载体适配的第一加热元件和与所述氧化剂载体适配的第二加热元件。
其中，所述脱硝催化剂载体为蜂窝挤出式或蜂窝涂覆式结构，所述脱硝催化剂载体的尺寸与所述烟气净化管道的内侧尺寸嵌套适配。
其中，所述氧化剂载体为球状式、片状式、蜂窝挤出式或蜂窝涂覆式结构，所述氧化剂载体的尺寸与所述烟气净化管道的内侧尺寸嵌套适配。
其中，所述烟气净化管道的进气口与锅窑炉的排烟口连接，所述烟气净化管道的出气口设有余热回收件。
本发明实施例还提供基于以上所述的甲烷净化装置的甲烷净化方法，包括如下步骤：
步骤一，烟气由烟气净化管道流动至脱硝催化剂载体处，第一加热元件加热温度至500～600℃，发生脱硝反应；
步骤二，经步骤一中脱硝反应后的烟气流动至氧化剂载体处，第二加热元件加热温度至450～550℃，发生氧化反应；
步骤三，经步骤二中氧化反应后的烟气完成净化，排出烟气净化管道。
本发明实施例提供的一种甲烷净化载体、装置及方法，实现了对烟气中的甲烷和氮氧化物的净化，甲烷的转化率达到80％以上、氮氧化物的转化率达到70～90％，且转化成无害化的二氧化碳和氮气等气体后排出，实现烟气洁净节能排放，提高甲烷的利用率，保护环境。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例甲烷净化装置的结构示意图。
图中，1：锅窑炉；2：烟气净化管道；3：脱硝净化管道；4：氧化净化管道；5：过渡管道；6：脱硝催化剂载体；7：氧化剂载体；8：第一加热元件；9：第二加热元件；10：温控仪；11：余热回收件；12：动力泵。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。
本发明实施例提供一种甲烷净化载体，包括脱硝催化剂载体和氧化剂载体，脱硝催化剂载体为γ-氧化铝载体，其表面涂覆有氧化铜、三氧化钼、二氧化铈、二氧化锆和氧化铟，氧化剂载体为二氧化钛载体，其表面涂覆铂、钯、钌、锑和二氧化铈。
其中，脱硝催化剂载体包括以下含量的组分：0.1～20.0wt％氧化铜、0.1～20.0wt％三氧化钼、0.1～10.0wt％二氧化铈、0.1～5.0wt％二氧化锆、0.1～12.0wt％氧化铟、60.0～90.0wt％γ-氧化铝，氧化铜、三氧化钼、二氧化铈、二氧化锆、氧化铟的质量含量比为0.1～20：0.1～20：0.1～10：0.1～5：0.1～12，氧化铜、三氧化钼、二氧化铈、二氧化锆、氧化铟的质量含量比优选的为9：5：8：3：6。
其中，氧化剂载体包括以下含量的组分：0.1～0.5wt％铂、0.1～0.5wt％钯、0.5～1.0wt％钌、0.5～2.0wt％锑、3.0～15.0wt％二氧化铈、81.0～95.0wt％二氧化钛，铂、钯、钌、锑、二氧化铈的质量含量比为0.1～0.5：0.1～0.5：0.5～1.0：0.5～2.0：3～15，铂、钯、钌、锑、二氧化铈的质量含量比优选的为0.4：0.4：1：1.5：10。
如图1所示，本发明实施例还提供一种甲烷净化装置，包括烟气净化管道2和如以上所述的甲烷净化载体，脱硝催化剂载体6和氧化剂载体7沿烟气流动方向依次设置在烟气净化管道2内，烟气净化管道2内设有与脱硝催化剂载体6适配的第一加热元件8和与氧化剂载体7适配的第二加热元件9。
进一步的，烟气净化管道2包括脱硝净化管道3和氧化净化管道4，脱硝净化管道3的进气口与锅窑炉1的排烟口连接，脱硝净化管道3的出气口与氧化净化管道4的进气口连接。具体的，锅窑炉1的排烟管道内设有分流板，用以使烟气分流。排烟管道的出气口与脱硝净化管道3的进气口连通，脱硝净化管道3内设有分流板，用以将烟气分流，实现对烟气的充分净化。脱硝净化管道3的出气口通过过渡管道5与氧化净化管道4的进气口连接，实现经脱硝净化管道3内反应后的烟气排入氧化净化管道4内。
其中，脱硝净化管道3的截面尺寸大于氧化净化管道4的截面尺寸，过渡管道5的截面尺寸沿烟气的流动方向逐渐减小，提高烟气的流速。脱硝净化管道3内设有脱硝催化剂载体6，脱硝催化剂载体6的尺寸与脱硝净化管道3的内侧尺寸嵌套适配，保证所有烟气均通过脱硝催化剂载体6的脱硝作用，提高烟气的脱硝净化率。
其中，氧化净化管道4内设有氧化剂载体7，氧化剂载体7的尺寸与氧化净化管道4的内侧尺寸嵌套适配，保证脱硝后的烟气全部通过氧化剂载体7，完成氧化净化，提高烟气的氧化净化率。
进一步的，脱硝催化剂载体6为蜂窝挤出式或蜂窝涂覆式结构，保证烟气与脱硝催化剂载体6的接触面积实现最大化，提高对氮氧化物的脱硝催化反应率；氧化剂载体7为球状式、片状式、蜂窝挤出式或蜂窝涂覆式结构，保证烟气与氧化剂载体7的接触面积实现最大化，提高对甲烷的氧化反应率；提高对烟气的净化效果。
其中，第一加热件8和第二加热元件9均与温控仪10连接，通过温控仪10分别调节第一加热件8和第二加热元件9的温度，以分别提供脱硝反应和氧化反应所需的温度。
进一步的，烟气净化管道2的出气口设有余热回收件11，具体的，余热回收件11设置在氧化净化管道4的出气口处，用以回收烟气净化后的热量，提高能量的利用率。
其中，烟气净化管道2与动力泵12连接，用以为烟气提供流动动力。具体的，经过余热回收件11处理后的烟气，经动力泵12的抽取排出。
本发明实施例提供的甲烷净化装置可应用于焦化、烧结、玻璃、化工、燃气等行业的烟气治理，尤其适用于燃天然气或煤气的相关行业锅窑炉的烟气治理，该种燃天然气或煤气的相关行业锅窑炉以天然气或煤气为能源，具有热值高、洁净、燃烧后无废渣产生等优点，然而传统燃天然气或煤气锅炉存在燃烧不充分的情况，其排出的烟气尾气中会存在一定量未参与燃烧的甲烷，以及燃烧反应所产生的影响空气质量的有害气体，例如氮氧化物。
本发明实施例还提供一种基于以上所述的甲烷净化装置的甲烷净化方法，包括如下步骤：
步骤一，烟气由烟气净化管道流动至脱硝催化剂载体处，第一加热元件加热温度至500～600℃，发生脱硝反应；
步骤二，经步骤一中脱硝反应后的烟气流动至氧化剂载体处，第二加热元件加热温度至450～550℃，发生氧化反应；
步骤三，经步骤二中氧化反应后的烟气完成净化，排出烟气净化管道。
本发明实施例甲烷净化方法即是对传统锅窑炉中产生的烟气进行二次催化反应，将未充分燃烧的甲烷以及燃烧反应产生的有害气体进行充分催化，有效减少烟气中甲烷和氮氧化物的排放量，甲烷的转化率达到80％、氮氧化物的转化率达到70～90％，且转化成无害化的二氧化碳和氮气等气体后排出烟道外，实现烟气洁净节能排放。
基于本发明的一种甲烷净化方法，提供以下实施例，其中，T1为第一加热元件的加热温度，T2为第二加热元件的加热温度，转化率计算公式计算CH4和NO的转化率：
CH4转化率＝([CH4]入口-[CH4]出口)/[CH4]入口×100％
NO转化率＝([NO]入口-[NO]出口)/[NO]入口×100％
实施例1
控制温度T1为500℃、温度T2为450℃，脱硝催化剂载体由以下含量的组分组成：3.0wt％氧化铜、5.0wt％三氧化钼、2.0wt％二氧化铈、1.0wt％二氧化锆、2.0wt％氧化铟、87.0wt％γ-氧化铝。
氧化剂载体由以下含量的组分组成：0.1wt％铂、0.1wt％钯、0.5wt％钌、0.5wt％锑、4.0wt％二氧化铈、94.8wt％二氧化钛。
烟气气体组成为：NO体积分数0.02％，CH4体积分数0.05％，O2体积分数2.5％，H2O体积分数5.0％，N2为平衡气。
本实施例通过转化率计算，得到CH4转化率为80％，NO转化率为70％。
实施例2
控制温度T1为525℃、温度T2为475℃，脱硝催化剂载体由以下含量的组分组成：8.0wt％氧化铜、4.0wt％三氧化钼、9.0wt％二氧化铈、3.0wt％二氧化锆、5.0wt％氧化铟、71.0wt％γ-氧化铝。
氧化剂载体由以下含量的组分组成：0.2wt％铂、0.2wt％钯、0.7wt％钌、1.0wt％锑、5.0wt％二氧化铈、92.9wt％二氧化钛。
烟气气体组成为：NO体积分数0.04％，CH4体积分数0.1％，O2体积分数5.0％，H2O体积分数7.5％，N2为平衡气。
本实施例通过转化率计算，得到CH4转化率为90％，NO转化率为80％。
实施例3
控制温度T1为550℃、温度T2为500℃，脱硝催化剂载体由以下含量的组分组成：12.0wt％氧化铜、6.0wt％三氧化钼、5.0wt％二氧化铈、4.0wt％二氧化锆、10.0wt％氧化铟、63.0wt％γ-氧化铝。
氧化剂载体由以下含量的组分组成：0.3wt％铂、0.3wt％钯、0.8wt％钌、1.2wt％锑、8.0wt％二氧化铈、89.4wt％二氧化钛。
烟气气体组成为：NO体积分数0.06％，CH4体积分数0.25％，O2体积分数10.0％，H2O体积分数10.0％，N2为平衡气。
本实施例通过转化率计算，CH4转化率为92％，NO转化率为84％。
实施例4
控制温度T1为575℃、温度T2为525℃，脱硝催化剂载体由以下含量的组分组成：7.0wt％氧化铜、5.0wt％三氧化钼、8.0wt％二氧化铈、3.0wt％二氧化锆、7.0wt％氧化铟、70.0wt％γ-氧化铝。
氧化剂载体由以下含量的组分组成：0.4wt％铂、0.4wt％钯、0.9wt％钌、1.5wt％锑、12.0wt％二氧化铈、84.8wt％二氧化钛。
烟气气体组成为：NO体积分数0.08％，CH4体积分数0.35％，O2体积分数12.5％，H2O体积分数15.0％，N2为平衡气。
本实施例通过转化率计算，CH4转化率为95％，NO转化率为87％。
实施例5
控制温度T1为600℃、温度T2为550℃，脱硝催化剂载体由以下含量的组分组成：14.0wt％氧化铜、7.0wt％三氧化钼、3.0wt％二氧化铈、2.0wt％二氧化锆、8.0wt％氧化铟、66.0wt％γ-氧化铝。
氧化剂载体由以下含量的组分组成：0.5wt％铂、0.5wt％钯、1.0wt％钌、2.0wt％锑、15.0wt％二氧化铈、81.0wt％二氧化钛。
烟气气体组成为：NO体积分数0.1％，CH4体积分数0.5％，O2体积分数15.0％，H2O体积分数20.0％，N2为平衡气。
本实施例通过转化率计算，CH4转化率为97％，NO转化率为90％。
以上实施例1-5中CH4、NO的转化率结果见表1。
表1
由表1可知：通过本发明的甲烷净化方法处理后，相关行业锅窑炉内产生的烟气中CH4的转化率达到80％、NO的转化率达到70～90％，极大地提高了烟气中CH4、NOx的转化率，有效减少烟气中CH4、NOx的排放量，且转化成无害化的CO2和N2等气体后排出，实现烟气洁净节能排放。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种甲烷净化载体，其特征在于，包括脱硝催化剂载体和氧化剂载体，所述脱硝催化剂载体为γ-氧化铝载体，其表面涂覆有氧化铜、三氧化钼、二氧化铈、二氧化锆和氧化铟，所述氧化剂载体为二氧化钛载体，其表面涂覆铂、钯、钌、锑和二氧化铈。
2.根据权利要求1所述的甲烷净化载体，其特征在于，所述脱硝催化剂载体包括以下含量的组分：0.1～20.0wt％氧化铜、0.1～20.0wt％三氧化钼、0.1～10.0wt％二氧化铈、0.1～5.0wt％二氧化锆、0.1～12.0wt％氧化铟、60.0～90.0wt％γ-氧化铝。
3.根据权利要求2所述的甲烷净化载体，其特征在于，所述脱硝催化剂载体中氧化铜、三氧化钼、二氧化铈、二氧化锆、氧化铟的质量含量比为0.1～20：0.1～20：0.1～10：0.1～5：0.1～12。
4.根据权利要求1所述的甲烷净化载体，其特征在于，所述氧化剂载体包括以下含量的组分：0.1～0.5wt％铂、0.1～0.5wt％钯、0.5～1.0wt％钌、0.5～2.0wt％锑、3.0～15.0wt％二氧化铈、81.0～95.0wt％二氧化钛。
5.根据权利要求4所述的甲烷净化载体，其特征在于，所述氧化剂载体中铂、钯、钌、锑、二氧化铈的质量含量比为0.1～0.5：0.1～0.5：0.5～1.0：0.5～2.0：3～15。
6.一种甲烷净化装置，其特征在于，包括烟气净化管道和如权利要求1-5任一项所述的甲烷净化载体，所述脱硝催化剂载体和所述氧化剂载体沿烟气流动方向依次设置在所述烟气净化管道内，所述烟气净化管道内设有与所述脱硝催化剂载体适配的第一加热元件和与所述氧化剂载体适配的第二加热元件。
7.根据权利要求6所述的甲烷净化装置，其特征在于，所述脱硝催化剂载体为蜂窝挤出式或蜂窝涂覆式结构，所述脱硝催化剂载体的尺寸与所述烟气净化管道的内侧尺寸嵌套适配。
8.根据权利要求6所述的甲烷净化装置，其特征在于，所述氧化剂载体为球状式、片状式、蜂窝挤出式或蜂窝涂覆式结构，所述氧化剂载体的尺寸与所述烟气净化管道的内侧尺寸嵌套适配。
9.根据权利要求6所述的甲烷净化装置，其特征在于，所述烟气净化管道的进气口与锅窑炉的排烟口连接，所述烟气净化管道的出气口设有余热回收件。
10.一种基于权利要求6-9任一项所述的甲烷净化装置的甲烷净化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，烟气由烟气净化管道流动至脱硝催化剂载体处，第一加热元件加热温度至500～600℃，发生脱硝反应；
步骤二，经步骤一中脱硝反应后的烟气流动至氧化剂载体处，第二加热元件加热温度至450～550℃，发生氧化反应；
步骤三，经步骤二中氧化反应后的烟气完成净化，排出烟气净化管道。
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