CN115013827A - 一种催化燃烧装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种催化燃烧装置，属于甲醇制氢残液、含氢废气净化技术领域。该催化燃烧装置包括一级催化燃烧反应段、二级催化燃烧反应段和气体循环驱动段。催化燃烧装置用于甲醇制氢残液、含氢废气净化处理及导热油供热系统，空气、含氢废气、甲醇制氢残液及甲醇经过前置处理后分别进入催化燃烧装置，经过充分反应后的烟气，从出气口排出；催化燃烧装置反应热通过一级催化燃烧反应段换热管间导热油换热带出，二级催化燃烧反应段为绝热固定床结构，其能够对一级催化燃烧反应排出的烟气进行深度净化处理。

Description

一种催化燃烧装置
技术领域
本发明涉及甲醇制氢残液、含氢废气净化技术领域，特别是涉及一种催化燃烧装置。
背景技术
甲醇与水蒸气在一定的温度、压力条件下通过催化剂，在催化剂的作用下，发生甲醇裂解反应和一氧化碳的变换反应，生成氢和二氧化碳，这是一个多组分、多反应的气固催化反应系统。反应方程如下：
CH3OH→CO+2H2
H2O+CO→CO2+H2
CH3OH+H2O→CO2+3H2
重整反应生成的H2和CO2，再经过变压吸附法(PSA)将H2和CO2分离，得到高纯氢气。剩余的尾气(主要含有氢气、二氧化碳、微量甲醇及少量一氧化碳)需排放，同时后续的用氢工艺装备也会或多或少排出多余的含有大量VOCs物质的氢气。
随着国家对大气污染治理的重视，国内大部分地区已无法接受以上气体直接对大气排放，需要将有机物、一氧化碳净化处理后才能排放，通常方法的处理过程繁琐复杂，还会产生二次污染的废液及固废。
现有甲醇蒸汽重整制氢技术，由于原料水是过量的，在分离出转化气的过程中会产生大量的含水残液，同时，甲醇蒸汽转化反应不可避免地会发生某些副反应，加上甲醇原料中也会有杂质。这些杂质存在于上述残液中，如果全部返回作为进料，会在系统内的积累，进而使甲醇蒸汽转化催化剂中毒，缩短使用寿命，因此，反应体系中杂质浓度不能很高，残液必须定量排放到反应器之外，如果直接排放会造成环境污染。
现有应用催化燃烧作为热源的技术，通常使用一级催化燃烧技术，采用大量的烟气稀释以降低反应器内的氧气及可燃气体含量，使它能够安全运行，这样设备体积庞大、运行效率低，难于达到符合环保排放标准要求的净化效果。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种催化燃烧装置，用于甲醇制氢残液、含氢废气净化处理及导热油供热系统，处理甲醇制氢残液、含氢废气能够符合安全环保监管要求，同时为甲醇制氢提供热源，便于独立建设，从而更加适于实用。
为了达到上述目的，本发明提供的催化燃烧装置技术方案如下：
本发明提供的催化燃烧装置包括一级催化燃烧反应段(2)、二级催化燃烧反应段(1)和气体循环驱动段(3)。
本发明提供的催化燃烧装置还可采用以下技术措施进一步实现。
作为优选，所述一级催化燃烧反应段(2)由上管板(2-1)、下管板(2-2)、中心管(2-3)、外圆筒(2-4)及设置催化剂填充机构(2-8)的换热管(2-7)构成的封闭空间灌装导热油，外圆筒(2-4)设置导热油出口(2-5)和导热油入口(2-6)，混合气体自下而上通过换热管(2-7)内催化剂床层完成催化燃烧反应；
所述换热管(2-7)内催化剂填充机构(2-8)为支撑弹簧及其上安装的多只市售有机废气净化用的铂钯为活性组分的蜂窝陶瓷催化剂，蜂窝陶瓷催化剂之间用惰材料隔开。
作为优选，所述二级催化燃烧反应段(1)包括引入燃料的第一开口(1-5)、引入空气的第二开口(1-3)、排出烟气的第三开口(1-4)、催化剂填充机构和导气机构；
所述第一开口(1-5)的入口端设置引入甲醇制氢残液及甲醇的开口(1-1)、引入含氢废气的开口(1-2)；
所述催化剂填充机构，包括第一开口(1-5)伸入容器内的导管、上封头(1-6)、外圆筒(1-7)、支撑网孔板(1-11)和填充的市售有机废气净化用的铂钯为活性组分的颗粒催化剂床层(1-12)。
作为优选，所述导气机构，由圆环隔板(1-9)与中心管(1-10)、外圆筒(1-7)及法兰(1-8)连接，接收来自一级催化燃烧反应排出的烟气，通过中心管(1-10)及中心管(2-3)之间的环隙向上导出到二级催化燃烧反应段(1)顶部，中心管(1-10)设置开口与第二开口(1-3)连接，引入空气与一级催化燃烧反应排出的烟气混合，然后分成两股气流，一股气流通过中心管(1-10)与第一开口(1-5)伸入容器内的导管之间的环隙向下，然后折返向上通过催化剂床层(1-12)，完成二级催化燃烧反应后的烟气经过第三开口(1-4)排出；另一股气流通过中心管(2-3)折返向下，与开口(1-1)引入甲醇制氢残液及甲醇、开口(1-2)引入的含氢废气混合，返回一级催化燃烧反应段(2)；
所述中心管(2-3)在与引入空气的第二开口(1-3)对应部位的管壁上设置开口，直接从第二开口(1-3)吸入空气，增加用于一级催化燃烧反应入口气体的氧气含量。
作为优选，所述气体循环驱动段(3)为由法兰(3-1)、外圆筒(3-2)和下封头(3-3)构成的上端敞口容器，下封头(3-3)设置开口(3-4)用于安装循环风机(3-5)，法兰(3-1)与下管板(2-2)连接。
作为优选，所述循环风机(3-5)为直联风机，由叶轮和电机组成。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
1、催化燃烧装置采用串联的两级催化燃烧反应结构，在催化燃烧反应热能回收与供出的同时，高效率地处理甲醇制氢残液和含氢废气，使烟气排放达到VOCs在线检测要求。
2、催化燃烧装置采用串联的两级催化燃烧反应结构，可以按照不同的反应类型要求优选催化剂。
3、通过导气机构使得串联的两级催化燃烧反应结构一体化，二级催化燃烧反应入口，直接连到一级催化燃烧反应出口，不需要额外的温控部件，装置的结构更简单。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
附图1为本发明实施例提供的一种催化燃烧装置结构示意图。
具体实施方式
有鉴于此，本发明提供了一种催化燃烧装置，用于甲醇制氢残液、含氢废气净化处理及导热油供热系统，处理甲醇制氢残液及含氢废气，能够符合安全环保监管要求，同时为甲醇制氢提供热源，便于独立建设，从而更加适于实用。
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种催化燃烧装置，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，具体的理解为：可以同时包含有A与B，可以单独存在A，也可以单独存在B，能够具备上述三种任一种情况。
参见附图1，在本发明实施例提供的一种催化燃烧装置，各附图标记分别表示：
二级催化燃烧反应段(1)为绝热固定床结构，其作用为脱除残余可燃物质，使二级催化燃烧反应排出的气体符合VOCs在线检测要求。由上封头(1-6)、外圆筒(1-7)和法兰(1-8)构成的下端敞口的容器，包括引入燃料的第一开口(1-5)、引入空气的第二开口(1-3)、排出烟气的第三开口(1-4)、催化剂填充机构和导气机构；
第一开口(1-5)的入口端设置引入甲醇制氢残液及甲醇的开口(1-1)、引入含氢废气的开口(1-2)；
催化剂填充机构，由第一开口(1-5)伸入容器内的导管、上封头(1-6)、外圆筒(1-7)、支撑网孔板(1-11)和填充的市售有机废气净化用的铂钯为活性组分的颗粒催化剂床层(1-12)构成。
导气机构，由圆环隔板(1-9)与中心管(1-10)、外圆筒(1-7)及法兰(1-8)连接，接收来自一级催化燃烧反应排出的烟气，通过中心管(1-10)及中心管(2-3)之间的环隙向上导出到二级催化燃烧反应段(1)顶部，中心管(1-10)设置开口与第二开口(1-3)连接，引入空气与一级催化燃烧反应排出的烟气混合，然后分成两股气流，一股气流通过中心管(1-10)与第一开口(1-5)伸入容器内的导管之间的环隙向下，然后折返向上通过催化剂床层(1-12)，完成二级催化燃烧反应后的烟气经过第三开口(1-4)排出；另一股气流通过中心管(2-3)折返向下，与开口(1-1)引入甲醇制氢残液及甲醇、开口(1-2)引入的含氢废气混合，返回一级催化燃烧反应段(2)；
中心管(2-3)在与引入空气的第二开口(1-3)对应部位的管壁上设置开口，直接从第二开口(1-3)吸入空气，增加用于一级催化燃烧反应入口气体的氧气含量。
一级催化燃烧反应段(1)为恒温固定床结构，其作用为使可燃物质充分反应，同时放出大量的热能，通过管间导热油换热带出。由上管板(2-1)、下管板(2-2)、中心管(2-3)、外圆筒(2-4)及设置催化剂填充机构(2-8)的换热管(2-7)构成的封闭空间灌装导热油，外圆筒(2-4)设置导热油出口(2-5)和导热油入口(2-6)；
换热管(2-7)内催化剂填充机构(2-8)为支撑弹簧及其上安装的多只市售有机废气净化用的铂钯为活性组分的蜂窝陶瓷催化剂，蜂窝陶瓷催化剂之间用惰材料隔开如拉西环以强化混合散热，避免连续安装形成高温烧坏催化剂，混合气体自下而上通过换热管(2-7)内催化剂床层完成催化燃烧反应，反应物浓度高放热量大位于催化燃烧反应催化剂床层下部，与液相导热油换热，有助于散热。
气体循环驱动段(3)作用为通过中心管(2-3)吸入液体或汽化后的甲醇制氢残液及甲醇、含氢废气和配入空气的一级催化燃烧反应段(2)排出的烟气，增压使其自下而上通过设置催化剂填充机构(2-8)的换热管(2-7)。由法兰(3-1)、外圆筒(3-2)和下封头(3-3)构成的上端敞口容器，下封头(3-3)设置开口(3-4)用于安装循环风机(3-5)，法兰(3-1)与下管板(2-2)连接，循环风机(3-5)为直联风机，由叶轮和电机组成。
过程说明
甲醇制氢残液及甲醇经计量泵定量增压后，在氮气流保护下与催化燃烧装置从第三开口(1-4)排出的烟气换热升温汽化，从开口(1-1)自流进入催化燃烧装置；
含氢废气经收集、缓冲、计量后与催化燃烧装置从第三开口(1-4)排出的烟气换热升温，从开口(1-2)被均匀地导入催化燃烧装置；
空气经罗茨风机定量增压与催化燃烧装置从第三开口(1-4)排出的烟气换热升温后，从第二开口(1-3)进入催化燃烧装置；
上述三股物流进入催化燃烧装置，经过充分反应后的烟气，从第三开口(1-4)排出，然后与进料物流换热回收热量。
催化燃烧装置一级催化燃烧反应段(2)为恒温固定床结构，通过导热油冷却带出反应热而保持恒温，二级催化燃烧反应段(1)为绝热固定床结构，通过反应介质温升带出反应热，进入冷的介质，排出热的介质。
方案要解决的技术问题之一，实现热能回收与供出。
为了实现上述目的，使用催化燃烧装置，催化燃烧装置设有甲醇制氢残液及甲醇入口、含氢废气入口、空气入口、反应后烟气出口以及导热油入口和导热油出口。
采用两级催化燃烧反应工艺技术，其中一级催化燃烧反应用于热能回收与供出，二级催化燃烧反应用于一级催化燃烧反应排出的烟气的再处理。催化燃烧装置一级催化燃烧反应段(2)，为列管式结构，管间灌装导热油，列管内安装多只市售蜂窝陶瓷催化剂，蜂窝陶瓷催化剂之间用惰材料隔开如拉西环以增加散热面积，避免连续安装形成高温烧坏蜂窝陶瓷催化剂，混合气体从下向上流动通过蜂窝陶瓷催化剂床层，这样反应物浓度高放热量大，发生在蜂窝陶瓷催化剂床层下部，这里靠近导热油入口，导热油温度低，有助于散热。在一级催化燃烧反应段(2)使可燃物质充分反应，同时放出大量的热能，通过管间导热油换热带出，混合气体中氧气含量控制在8％以下，反应温度150～450℃。
方案要解决的技术问题之二，处理甲醇制氢残液、含氢废气，最终排出的气体符合VOCs在线检测要求。
采用两级催化燃烧反应工艺技术，其中一级催化燃烧反应用于热能回收与供出，二级催化燃烧反应用于一级催化燃烧反应排出的烟气再处理。催化燃烧装置二级催化燃烧反应段(1)为绝热固定床结构，经过一级催化燃烧反应段(2)反应后的烟气所含可燃气体浓度已经很低，其含量通过二级催化燃烧反应段(1)出入口温升判断，要求出入口温升在150℃以下。一级催化燃烧反应段(2)充分反应后的烟气通过管道与空气实现安全混合，混合后其中一部分配入被循环风机送到一级催化燃烧反应段(2)；另一部分气体则从下向上通过二级催化燃烧反应段(1)，脱除残余可燃物质，使二级催化燃烧反应排出的气体符合VOCs在线检测要求，混合气体中氧气含量控制在3％以上，反应温度300～600℃。
进一步，催化燃烧装置采用串联的两级催化燃烧反应结构，可以按照不同的反应类型要求优选催化剂，一级催化燃烧反应段(2)使用贵金属含量0.03％的催化剂，二级催化燃烧反应段(1)使用贵金属含量0.05％的催化剂。如一级催化燃烧反应段(2)使用贵金属含量高的催化剂，会使反应区域集中在很小的面积区间，热量难以快速地传递给管间导热油，容易形成局部高温、影响催化剂寿命，严重时会烧毁设备。二级催化燃烧反应段(1)由于反应热是通过反应介质带出，而不必担心局部过热，可以使用贵金属含量高的催化剂。
方案要解决的技术问题之三，一体化的装置结构。
催化燃烧装置通过导气机构使得串联的两级催化燃烧反应段有机的联系在一起，一级催化燃烧反应段(2)排出的烟气与的空气混合以满足二级催化燃烧反应段(1)配氧要求后，分成两股气流，其中一股气流通过二级催化燃烧反应段(1)进行催化氧化反应，在较高的温度及含氧量条件下充分反应以脱除残余的可燃物质，使排出的烟气获得净化。另一股气流气被循环风机通过中心管(2-3)吸入，与液体或汽化后的甲醇制氢残液及甲醇、含氢废气混合；然后经过空气入口旁路，进一步吸入的空气以使混合气体氧气含量符合一级催化燃烧反应段(2)配氧要求，经循环风机增压后自下而上通过一级催化燃烧反应段(2)催化剂床层进行催化氧化反应，充分反应后通过导气机构实现循环工作。
进一步，使用贵金属含量低的催化剂由于起活温度较高，装置启动时需要将催化剂床层温度预热到150℃。通常的方法是使用电加热方法来实现，催化燃烧装置采用气体循环驱动段(3)循环风机内循环操作实现，此时关闭装置所有入口，保持装置出口畅通，启动循环风机可使催化剂床层温度升到80～120℃，然后按正常进料量的0.5～2％投入甲醇，可加快催化剂床层温度达到150℃的时间，在催化剂床层温度达到150℃后，逐步提高燃料及空气的投入量，进入稳定的工作状态。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种催化燃烧装置，其特征在于，包括一级催化燃烧反应段(2)、二级催化燃烧反应段(1)和气体循环驱动段(3)。
2.根据权利要求1所述的催化燃烧装置，其特征在于，所述一级催化燃烧反应段(2)由上管板(2-1)、下管板(2-2)、中心管(2-3)、外圆筒(2-4)及设置催化剂填充机构(2-8)的换热管(2-7)构成的封闭空间灌装导热油，外圆筒(2-4)设置导热油出口(2-5)和导热油入口(2-6)，混合气体自下而上通过换热管(2-7)内催化剂床层完成催化燃烧反应；
所述换热管(2-7)内催化剂填充机构(2-8)为支撑弹簧及其上安装的多只市售有机废气净化用的铂钯为活性组分的蜂窝陶瓷催化剂，蜂窝陶瓷催化剂之间用惰材料隔开。
3.根据权利要求1所述的催化燃烧装置，其特征在于，所述二级催化燃烧反应段(1)包括引入燃料的第一开口(1-5)、引入空气的第二开口(1-3)、排出烟气的第三开口(1-4)、催化剂填充机构和导气机构；
所述第一开口(1-5)的入口端设置引入甲醇制氢残液及甲醇的开口(1-1)、引入含氢废气的开口(1-2)；
所述催化剂填充机构，包括第一开口(1-5)伸入容器内的导管、上封头(1-6)、外圆筒(1-7)、支撑网孔板(1-11)和填充的市售有机废气净化用的铂钯为活性组分的颗粒催化剂床层(1-12)。
4.根据权利要求3所述的催化燃烧装置，其特征在于，所述导气机构，由圆环隔板(1-9)与中心管(1-10)、外圆筒(1-7)及法兰(1-8)连接，接收来自一级催化燃烧反应排出的烟气，通过中心管(1-10)及中心管(2-3)之间的环隙向上导出到二级催化燃烧反应段(1)顶部，中心管(1-10)设置开口与第二开口(1-3)连接，引入空气与一级催化燃烧反应排出的烟气混合，然后分成两股气流，一股气流通过中心管(1-10)与第一开口(1-5)伸入容器内的导管之间的环隙向下，然后折返向上通过催化剂床层(1-12)，完成二级催化燃烧反应后的烟气经过第三开口(1-4)排出；另一股气流通过中心管(2-3)折返向下，与开口(1-1)引入甲醇制氢残液及甲醇、开口(1-2)引入的含氢废气混合，返回一级催化燃烧反应段(2)；
所述中心管(2-3)在与引入空气的第二开口(1-3)对应部位的管壁上设置开口，直接从第二开口(1-3)吸入空气，增加用于一级催化燃烧反应入口气体的氧气含量。
5.根据权利要求1所述的催化燃烧装置，其特征在于，所述气体循环驱动段(3)为由法兰(3-1)、外圆筒(3-2)和下封头(3-3)构成的上端敞口容器，下封头(3-3)设置开口(3-4)用于安装循环风机(3-5)，法兰(3-1)与下管板(2-2)连接。
6.根据权利要求5所述的催化燃烧装置，其特征在于，所述循环风机(3-5)为直联风机，由叶轮和电机组成。
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