CN114159969B - 一种用于高浓度笑气循环催化分解的系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于高浓度笑气循环催化分解的系统及其方法，所述系统利用循环流化床对笑气催化分解，通过反应器出口的催化剂颗粒的自身热量和常温尾气发生能量交换，有效控制了反应器的入口温度，同时搭配具有低起活温度的催化剂的使用，大幅度降低反应器出口温度，突破了现有技术固定床催化工艺中通过增大反应设备体积来减少催化反应温升的的技术瓶颈，实现了高浓度笑气的循环催化。

Description

一种用于高浓度笑气循环催化分解的系统及其方法
技术领域
本发明涉及工业笑气催化减排的技术领域，具体涉及一种用于高浓度笑气循环催化分解的系统及其方法。
背景技术
N2O是第三大温室气体，其温室效应潜值是CO2的310倍、CH4的21倍。同时，N2O还是平流层中氮氧化物的来源，会导致臭氧层空洞，因而危害环境，成为严重污染环境的气体之一。在己内酰胺和己二酸生产中都会产生含高浓度笑气的尾气，针对这类尾气中笑气的控制与减排已经迫在眉睫。
目前应用于工业笑气分解的固定床工艺中，催化剂主要包括氧化物催化剂和分子筛性催化剂。由于工业应用的催化剂大多起活温度达到400℃以上，所以反应器入口温度通常设置在400℃以上，出口温度则高达600℃以上。由于笑气分解过程是强放热反应，催化剂床层温度会随着料流流线方向不断上升，催化剂会出现烧结现象，活性下降明显，严重影响脱除效率。催化剂活性下降后，需要提高反应器的入口温度，这样会造成反应器出口温度进一步升高。因为笑气分解过程强放热，为了降低温升，目前工业装置采用补充空气稀释的方法降低笑气浓度，一般将混合气中35％浓度的笑气稀释到8-10％，因此会使入口气体增大3-4倍，再将稀释后的笑气尾气通入固定床反应器中进行催化分解。但这样操作导致了反应器体积也随之增大，催化床层压降升高，设备投资和操作成本提升。因此，开发有效降低稀释空气量的高浓度笑气分解技术是具有市场前景的。
专利CN207163276U公开了一种己二酸尾气中N 2O处理及余热回收装置，此装置包括依次串联的气体分液缓冲罐(1)、气体混合器(2)、低温换热器(3)、高温换热器(4)、电加热器(5)、分解反应器(6)，其中分解反应器(6)的出口与高温换热器(4)连接，此装置还包括余热回收装置(7)，余热回收装置(7)的入口与高温换热器(4)连接，出口与低温换热器(3)连接。其具体的催化工艺生产中，来自己二酸厂尾气中N2O的含量为30～55v％，温度为常温，压力0.16～0.2MPa，通过分离去除尾气中的液态水。由空压机引入压缩空气，经变压后与压缩空气混合，通过调节压缩空气混合量，控制N2O浓度在10～14v％之间。混合气体经过预热升温后达到420～500℃，进入N2O催化分解固定床反应器。在催化剂作用下，N2O分别为N2和O2，反应温度升高到650～780℃。高温尾气与原料气进行换热，温度降低至300～480℃后回收余热。
现有的固定床工艺处理N2O已经无法满足工业上要求控制设备投资成本、节能减排的要求。因此，开发一种用于高浓度笑气循环催化分解的系统及其方法，从而降低催化剂耐高温要求，实现最大能量利用，是亟需解决的问题。
发明内容
针对以上问题，本发明提供一种用于高浓度笑气循环催化分解的系统，所述系统利用循环流化床对笑气催化分解，通过反应器出口的催化剂颗粒的自身热量和常温尾气发生能量交换，有效控制了反应器的入口温度，同时搭配具有低起活温度的催化剂(简称为低温催化剂)的使用，大幅度降低反应器出口温度，突破了现有技术固定床催化工艺中通过增大反应设备体积来减少催化反应温升的的技术瓶颈，实现了高浓度笑气的循环催化。
本发明的技术方案如下：
本发明提供一种用于高浓度笑气循环催化分解的系统，按照混合气的流动方向，所述系统依次包括气体混合器、气体压缩机、电加热器、气力输送器、反应器、分离器和余热锅炉，
其中，所述分离器的出口和所述气力输送器的入口相连接，用于将经过所述分离器气固分离后的催化剂颗粒循环输送至所述气力输送器中，和常温尾气混合进行热交换；以及
所述反应器为循环流化床。
进一步地，所述气体混合器用于将笑气和空气按定量配比，控制混合尾气的N2O浓度。
进一步地，所述电加热器用于在开车过程中为催化反应提供初始热量，以达到催化剂起活温度。
进一步地，所述催化剂的起活温度为300℃。
进一步地，所述气力输送器用于将混合气和催化剂颗粒混合送入所述反应器中进行催化分解。
本发明还提供一种利用前述系统用于高浓度笑气循环催化分解的方法，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：将常温己二酸尾气和空气混合，得到的混合气中笑气浓度为15-20％，经压缩后与新鲜的低温催化剂一起混合送入反应器中进行首次催化分解反应；
步骤S2：所述首次催化分解反应结束后，携带催化剂颗粒的高温气体进入分离器中进行气固分离，净化后的高温气体送入余热锅炉进行热量回收；
步骤S3：从分离器分离出的催化剂颗粒进入气力输送器，和常温的新鲜混合气预先发生第一阶段催化分解反应，然后将剩余的混合气和催化剂颗粒一起输送至所述反应器(5)中进行第二阶段催化分解反应；
然后继续重复S2和S3步骤操作，循环往复进行笑气处理，使得由余热锅炉(7)排出的笑气浓度降低至浓度为0.1％以下。
进一步地，步骤S1中，所述常温己二酸尾气中，笑气浓度为35-40％。
进一步地，步骤S1中，压缩后的所述混合气经过电加热器加热，和新鲜的低温催化剂通过气力输送器一起混合送入反应器中。
需要说明的是，正常工况中电加热器不需要参与工作，只是在开车时，即步骤S1时，用作启动热源，平稳运行后电加热器逐步降低功率至完全关闭。
进一步地，步骤S1中，所述新鲜的低温催化剂的入口温度为室温。
进一步地，步骤S1中，所述电加热器只在系统开车时为反应提供初始热量，以达到所述低温催化剂的起活温度，待系统稳定后关闭所述电加热器。
进一步地，步骤S1中，所述混合气：所述低温催化剂的用量比为5000Nm3：1m3。
进一步地，步骤S1中，所述混合气的通入量为150000-250000Nm3/h。
进一步地，步骤S1中，所述催化分解反应中，所述反应器的出口温度达到560℃-600℃。
由于步骤S1中，采用催化剂循环流化床散热，同时搭配低温催化剂的使用，使得反应产生的热量不在反应器(5)内累积，降低首次出口温度的目的。
进一步地，步骤S2中，携带催化剂颗粒的高温气体进入分离器(6)中进行气固分离，其中所述高温气体的温度为560℃-600℃，分离后的所述高温气体送入余热锅炉(7)进行热量回收。
进一步地，所述高温气体包含初始混合气中的空气成分，以及催化反应后产生的氮气和氧气。
进一步地，步骤S2中，还包括对所述高温气体经过余热锅炉(7)生产蒸汽后发电并网使用，亦可根据其他工艺生产需求为其提供外加热源，尾气最终从烟囱直接排入大气，其中所述尾气的温度为80℃。
进一步地，步骤S3中，从所述分离器(6)分离出的所述催化剂颗粒的温度为540-580℃左右。
进一步地，步骤S3中，所述第一阶段催化分解反应中，约10％浓度的笑气预先被分解。
进一步地，步骤S3中，所述第二阶段催化分解反应的入口温度为320-340℃左右。
进一步地，步骤S3中，所述第二阶段催化分解反应的出口温度为560℃。
进一步地，所述催化剂为钴系改性分子筛基催化剂，也可以为MnCr基钙钛矿等金属氧化物催化剂、金属负载型催化剂。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明是采用循环流化床的工艺对高浓度笑气催化分解，解决了现有技术中固定床工艺对低浓度笑气净化所带来的催化剂活性降低、设备投资成本增加等问题。通过将发生催化反应产生的、携带催化剂颗粒的高温气体经过分离器气固分离，再将分离出的催化剂颗粒循环输送至气力输送器中，和常温尾气混合进行热交换。利用温度高达550-580℃的催化剂颗粒加热常温尾气达到催化剂的起活反应温度300℃。由于不需要对己二酸尾气进行预热，有效控制了反应器入口温度和出口温度，可处理笑气的浓度得到大幅提升，由目前的7～9％提高到～20％，大幅降低反应器体积。
(2)本发明工艺由于不用加热入口的己二酸尾气温度，因此可以有效控制反应出口温度低于600℃，既能保护催化剂，延长催化剂寿命，又降低了反应器材料要求，大幅节约投资成本。
附图说明
图1为本发明实施例中的循环流化床催化分解工艺流程图。
附图标记：
1--气体混合器
2--气体压缩机
3--电加热器
4--气力输送器
5--反应器
6--分离器
7--余热锅炉
实施例
实施例1
如图1所示，本发明提供一种用于高浓度笑气循环催化分解的系统，按照混合气的流动方向，系统依次包括气体混合器(1)、气体压缩机(2)、电加热器(3)、气力输送器(4)、反应器(5)、分离器(6)和余热锅炉(7)，
其中，分离器(6)的出口和气力输送器(4)的入口相连接，用于将经过分离器(6)气固分离后的催化剂颗粒循环输送至气力输送器(4)中，和常温尾气混合进行热交换；以及
反应器(5)为循环流化床。
进一步地，气体混合器(1)用于将笑气和空气按定量配比，控制混合尾气的N2O浓度。
进一步地，电加热器(3)用于在开车过程中为催化反应提供初始热量，以达到催化剂起活温度。
进一步地，催化剂的起活温度为300℃。
进一步地，气力输送器(4)用于将混合气和催化剂颗粒混合送入反应器(5)中进行催化分解。
利用实施例1的系统用于高浓度笑气循环催化分解的方法，该方法包括如下步骤：
步骤S1：将常温己二酸尾气和空气混合，得到的混合气中笑气浓度为19％，经压缩后与新鲜的低温催化剂一起混合送入反应器(5)中进行首次催化分解反应；
步骤S2：首次催化分解反应结束后，携带催化剂颗粒的高温气体进入分离器(6)中进行气固分离，净化后的高温气体送入余热锅炉(7)进行热量回收；
步骤S3：从分离器(6)分离出的催化剂颗粒进入气力输送器(4)，和常温的新鲜混合气预先发生第一阶段催化分解反应，然后将剩余的混合气和催化剂颗粒一起输送至反应器(5)中进行第二阶段催化分解反应；
然后继续重复S2步骤操作，循环往复进行笑气处理，使得由余热锅炉(7)排出的笑气浓度降低至浓度为0.1％以下。
进一步地，步骤S1中，常温己二酸尾气中，笑气浓度为35％。
进一步地，步骤S1中，压缩后的混合气经过电加热器(3)加热，和新鲜的低温催化剂通过气力输送器(4)一起混合送入反应器(5)中。
进一步地，步骤S1中，新鲜的低温催化剂的入口温度为室温。
进一步地，步骤S1中，电加热器(3)只在系统开车时为反应提供初始热量，以达到低温催化剂的起活温度，待系统稳定后关闭电加热器(3)。
进一步地，步骤S1中，混合气：低温催化剂的用量比为5000Nm3：1m3。
进一步地，步骤S1中，混合气的通入量为180000Nm3/h。
进一步地，步骤S1中，催化分解反应中，反应器(5)的出口温度达到565℃。
由于步骤S1中，采用催化剂循环流化床散热，同时搭配低温催化剂的使用，使得反应产生的热量不在反应器(5)内累积，降低首次出口温度的目的。
进一步地，步骤S2中，携带催化剂颗粒的高温气体进入分离器(6)中进行气固分离，其中高温气体的温度为560℃，分离后的高温气体送入余热锅炉(7)进行热量回收。
进一步地，高温气体包含初始混合气中的空气成分，以及催化反应后产生的氮气和氧气。
进一步地，步骤S2中，还包括对高温气体经过余热锅炉(7)生产蒸汽后发电并网使用，亦可根据其他工艺生产需求为其提供外加热源，尾气最终从烟囱直接排入大气，其中尾气的温度为80℃。
进一步地，步骤S3中，从分离器(6)分离出的催化剂颗粒的温度为545℃左右。
进一步地，步骤S3中，第一阶段催化分解反应中，约10％浓度的笑气预先被分解。
进一步地，步骤S3中，第二阶段催化分解反应的入口温度为329℃左右。
进一步地，步骤S3中，第二阶段催化分解反应的出口温度为565℃。
进一步地，低温催化剂可以为钴系改性分子筛基催化剂，也可以为MnCr基钙钛矿等复合氧化催化剂、金属负载型催化剂。
实施例2
如图1所示，本发明提供一种用于高浓度笑气循环催化分解的系统，按照混合气的流动方向，系统依次包括气体混合器(1)、气体压缩机(2)、电加热器(3)、气力输送器(4)、反应器(5)、分离器(6)和余热锅炉(7)，
其中，分离器(6)的出口和气力输送器(4)的入口相连接，用于将经过分离器(6)气固分离后的催化剂颗粒循环输送至气力输送器(4)中，和常温尾气混合进行热交换；以及
反应器(5)为循环流化床。
进一步地，气体混合器(1)用于将笑气和空气按定量配比，控制混合尾气的N2O浓度。
进一步地，电加热器(3)用于在开车过程中为催化反应提供初始热量，以达到催化剂起活温度。
进一步地，催化剂的起活温度为300℃。
进一步地，气力输送器(4)用于将混合气和催化剂颗粒混合送入反应器(5)中进行催化分解。
利用实施例2的系统用于高浓度笑气循环催化分解的方法，该方法包括如下步骤：
步骤S1：将常温己二酸尾气和空气混合，得到的混合气中笑气浓度为17％，经压缩后与新鲜的低温催化剂一起混合送入反应器(5)中进行首次催化分解反应；
步骤S2：首次催化分解反应结束后，携带催化剂颗粒的高温气体进入分离器(6)中进行气固分离，净化后的高温气体送入余热锅炉(7)进行热量回收；
步骤S3：从分离器(6)分离出的催化剂颗粒进入气力输送器(4)，和常温的新鲜混合气预先发生第一阶段催化分解反应，然后将剩余的混合气和催化剂颗粒一起输送至反应器(5)中进行第二阶段催化分解反应；
然后继续重复S2步骤操作，循环往复进行笑气处理，使得由余热锅炉(7)排出的笑气浓度降低至浓度为0.1％以下。
进一步地，步骤S1中，常温己二酸尾气中，笑气浓度为37％。
进一步地，步骤S1中，压缩后的混合气经过电加热器(3)加热，和新鲜的低温催化剂通过气力输送器(4)一起混合送入反应器(5)中。
进一步地，步骤S1中，新鲜的低温催化剂的入口温度为室温。
进一步地，步骤S1中，电加热器(3)只在系统开车时为反应提供初始热量，以达到低温催化剂的起活温度，待系统稳定后关闭电加热器(3)。
进一步地，步骤S1中，混合气：低温催化剂的用量比为5000Nm3：1m3。
进一步地，步骤S1中，混合气的通入量为180000Nm3/h。
进一步地，步骤S1中，催化分解反应中，反应器(5)的出口温度达到570℃。
由于步骤S1中，采用催化剂循环流化床散热，同时搭配低温催化剂的使用，使得反应产生的热量不在反应器(5)内累积，降低首次出口温度的目的。
进一步地，步骤S2中，携带催化剂颗粒的高温气体进入分离器(6)中进行气固分离，其中高温气体的温度为564℃，分离后的高温气体送入余热锅炉(7)进行热量回收。
进一步地，高温气体包含初始混合气中的空气成分，以及催化反应后产生的氮气和氧气。
进一步地，步骤S2中，还包括对高温气体经过余热锅炉(7)生产蒸汽后发电并网使用，亦可根据其他工艺生产需求为其提供外加热源，尾气最终从烟囱直接排入大气，其中尾气的温度为80℃。
进一步地，步骤S3中，从分离器(6)分离出的催化剂颗粒的温度为558℃左右。
进一步地，步骤S3中，第一阶段催化分解反应中，约10％浓度的笑气预先被分解。
进一步地，步骤S3中，第二阶段催化分解反应的入口温度为342℃左右。
进一步地，步骤S3中，第二阶段催化分解反应的出口温度为570℃。
进一步地，低温催化剂可为MnCr基钙钛矿氧化物催化剂。
以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (3)

1.一种高浓度笑气循环催化分解的方法，其特征在于，利用高浓度笑气循环催化分解系统进行分解反应，所述系统按照混合气的流动方向，依次包括气体混合器（1）、气体压缩机（2）、电加热器（3）、气力输送器（4）、反应器（5）、分离器（6）和余热锅炉（7），其中，所述分离器（6）的出口和所述气力输送器（4）的入口相连接，以及所述反应器（5）为循环流化床；
所述方法包括如下步骤：
步骤S1：将常温己二酸尾气和空气混合，得到的混合气中笑气浓度为15-20%，经压缩后与新鲜的低温催化剂一起混合送入反应器（5）中进行首次催化分解反应；
步骤S2：所述首次催化分解反应结束后，携带催化剂颗粒的高温气体进入分离器（6）中进行气固分离，净化后的高温气体送入余热锅炉（7）进行热量回收；
步骤S3：从分离器（6）分离出的催化剂颗粒进入气力输送器（4），和常温的新鲜混合气预先发生第一阶段催化分解反应，然后将剩余的混合气和催化剂颗粒一起输送至所述反应器（5）中进行第二阶段催化分解反应；
然后继续重复S2和S3步骤操作，循环往复进行笑气处理，使得由余热锅炉（7）排出的笑气浓度降低至浓度为0.1%以下；
步骤S1中，所述混合气：所述低温催化剂的用量比为5000Nm3：1m3；
步骤S1中，所述催化分解反应中，所述反应器（5）的出口温度达到560℃-600℃；
步骤S1中，所述电加热器只在系统开车时为反应提供初始热量，以达到所述低温催化剂的起活温度，待系统稳定后关闭所述电加热器；
步骤S2中，携带催化剂颗粒的高温气体进入分离器（6）中进行气固分离，其中所述高温气体的温度为560℃-600℃，分离后的所述高温气体送入余热锅炉（7）进行热量回收；
所述低温催化剂为分子筛基催化剂、钙钛矿、晶红石中的任意一种；
所述低温催化剂的起活温度为300℃。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，所述第二阶段催化分解反应的入口温度为320-340℃。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，所述第二阶段催化分解反应的出口温度为560℃。
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