CN116672884B - 一种用于煤化工行业VOCs高效转化去除的催化氧化系统及其催化氧化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于煤化工行业VOCs高效转化去除的催化氧化系统，涉及废气处理技术领域。包括反应器和第一控温系统；所述反应器上设置有废气入口和废气出口，沿废气流动的方向依次设置有预热区、反应区和热量回收区，所述反应区内填充有催化剂；所述第一控温系统包括埋设在催化剂内的第一蛇形管组以及设置于反应器外的第一汽包，所述第一汽包与第一蛇形管组经管道连接形成循环管路，通过控制所述第一汽包的压力来调节反应区内的温度在150~350℃之间。本发明通过埋设在催化剂内的第一蛇形管组实现对催化剂床层的精准控温，避免催化剂因飞温导致的失效问题。
Description
技术领域
本发明涉及废气处理技术领域，尤其涉及一种用于煤化工行业VOCs高效转化去除的催化氧化系统及其催化氧化方法。
背景技术
挥发性有机物（VOCs）是影响环境和人体的重要污染物，也是大气中臭氧、PM2.5和二次有机气溶胶等的重要前驱体。煤化工行业是大气污染的重要源头之一，环保要求十分严厉。2022 年 7 月 21 日，生态环境部通报了上半年全国生态环境质量状况，全国环境空气质量总体改善，六项主要污染物“五降一升”，臭氧浓度有所反弹，主要是因为前驱体 NOx和 VOCs 排放量仍处于高位。热处置是目前煤化工行业VOCs排放治理的主流技术，主要分为直接燃烧法和催化氧化法等。由于煤化工行业的大多数VOCs废气具高热值、高浓度的特征，因此直接燃烧法是目前煤化工等行业VOCs的主流技术，但其运行温度较高（800~1200℃），一般还需要通过在燃烧装置下游设置余热锅炉来回收烟气热量，系统复杂且投资运行费用较高。而催化氧化技术运行温度较低（150~600 ℃），具有辅助燃料消耗少、安全性高、NOx排放低等优势，是煤化工行业VOCs治理方案的发展方向。
现有的催化氧化技术主要适用于处理浓度较低（如）或催化氧化温度较低（如甲苯、三氯乙烷等）的VOCs废气，但对于浓度较高或催化氧化温度较高（如乙烷、乙烯、丙烷等短链烃）的VOCs废气，与之匹配的催化氧化技术较少，同时缺少在煤化工行业VOCs治理方向的系统研究和验证。以煤制天然气低温甲醇洗尾气为例，含有浓度较高的乙烷、乙烯、丙烷等短链烃，VOCs浓度一般高达6000~50000ppm，催化氧化过程放热量大，容易造成催化剂床层温度的大幅波动，甚至产生催化剂局部飞温问题，过高的温度会破坏催化剂的结构，导致催化剂效率降低甚至失活。
为了解决上述问题，工程技术人员提出通过催化剂分层分级的办法来控制催化氧化反应热量，每一级出口用换热器带走反应产生的多余热量，以此降低催化剂飞温的风险。例如，一种高浓度有机废气分段催化燃烧工艺（申请公布号：CN 112709998 A）、多级催化燃烧炉（授权公告号：CN 212057325 U）、一种高浓度有机废气的净化处理方法（申请公布号：CN 105650651 A）、一种高浓度有机废气的净化方法（申请公布号：CN 102913919 A）。
但现有技术还存在以下缺陷：
1）由于没有直接从催化剂中提取热量，催化床无法精准控温，催化床依然存在局部飞温的风险，适应性较差；
2）采用电加热器预热VOCs废气，能耗高，且存在废气爆燃的风险；
3）排气热量的回收方式普遍采用空冷型换热器，换热效率低，排气温度高，不但占地规模大且未能有效利用热能。
发明内容
为了解决背景技术中提到的至少一个技术问题，本发明的目的在于提供一种用于煤化工行业VOCs高效转化去除的催化氧化系统及其催化氧化方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于煤化工行业VOCs高效转化去除的催化氧化系统，包括反应器和第一控温系统；
所述反应器上设置有废气入口和废气出口，沿废气流动的方向依次设置有预热区、反应区和热量回收区，所述反应区内填充有催化剂；
所述第一控温系统包括埋设在催化剂内的第一蛇形管组以及设置于反应器外的第一汽包，所述第一汽包与第一蛇形管组经管道连接形成循环管路，通过控制所述第一汽包的压力来调节反应区内的温度在150~350℃之间。
所述第一控温系统的自然循环原理是第一蛇形管组内的液态水被废气催化氧化产生的反应热量继续加热，水由液相变为汽液两相，因密度梯度产生浮力，由重力差驱动自然循环流动。
在本发明的某些实施例中，还包括第二控温系统；
所述第二控温系统包括设置在预热区内的第二蛇形管组、设置在热量回收区内的第三蛇形管组以及设置于反应器外的第二汽包，所述第二汽包与第二蛇形管组的进口端连接，第二蛇形管组的出口端，第三蛇形管组的进口端，第三蛇形管组的出口端连接至第二汽包；所述第二蛇形管组、第三蛇形管组和第二汽包经管道连接形成非能动自然循环管路，通过控制所述第二汽包的压力来调节预热区出口的废气温度在140~340℃之间。
非能动自然循环的原理是液态水在热量回收区被加热，水由液相变为汽液两相，密度减小，而在预热区被冷却，密度增大，冷热段产生重力差，驱动主管路中形成自然循环，热量由热量回收区传递至预热区。非能动自然循环管路可以没有任何能动部件，降低了操作和运行成本，也消除了由于泵失效以及泵引起的流量分配不均的问题。
在本发明的某些实施例中，还包括排气管线，所述排气管线的一端连接至第一汽包，另一端连接至第二汽包，第一汽包上还设置有第一压力控制阀；当第一汽包的压力超过设定阈值时，第一压力控制阀打开，第一汽包内的蒸汽通过所述排气管线排放至第二汽包；当第一汽包的压力回到设定阈值以下时，第一压力控制阀关闭。
在本发明的某些实施例中，所述第二汽包上设置有第二压力控制阀和外排管线；当第二汽包的压力超过设定阈值时，第二压力控制阀打开，将第二汽包内的蒸汽向厂区蒸汽管网输送蒸汽。
在本发明的某些实施例中，所述设定阈值为0.47~16.5MPa。汽包内上部为饱和蒸汽，下部为沸腾水，沸腾水的液位控制在汽包容积的60-70%。
在本发明的某些实施例中，所述第三蛇形管组包括沿废气流动的方向依次设置的过热段、蒸发段和低温段。
在本发明的某些实施例中，所述第二蛇形管组和第三蛇形管组之间设置有补水稳压罐，通过控制所述补水稳压罐的液位来进一步稳定第二控温系统管路压力在0.47~16.5MPa之间。
在本发明的某些实施例中，所述第一蛇形管组采用高温合金光管，第二蛇形管组和第三蛇形管组采用高温合金翅片管。
在本发明的某些实施例中，所述第二蛇形管组的进口端连接有蒸汽喷射管，在催化氧化系统首次启动时，蒸汽喷射管将厂区蒸汽管网中的蒸汽送入所述第二蛇形管组内。
一种用于煤化工行业VOCs高效转化去除的催化氧化系统的催化氧化方法，包括以下步骤：
S1，向反应器内送入废气；
S2，废气输送至预热区进行预热，控制废气的温度为140~340℃；
S3，废气输送至反应区，第一控温系统控制反应区的温度为150~350℃，在催化剂的催化作用下进行氧化反应。
在本发明的某些实施例中，所述S3之后还包括：
S4， 废气输送至热量回收区，依次与过热段、蒸发段和低温段进行热交换，废气温度下降至60~90℃，通过烟囱排出。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明通过埋设在催化剂内的第一蛇形管组实现对催化剂床层的精准控温，避免催化剂因飞温导致的失效问题；
2、本发明用蒸汽取代电加热器预热废气，避免可燃气体爆燃产生的安全隐患；
3、本发明通过设置多个热量回收区的方式充分回收废气氧化放出的反应热量，产生的热量部分用于预热废气，剩余的热量通过蒸汽送入到蒸汽管网，实现节能的目的；与传统直接燃烧工艺相比，反应器温度更低，且不需要在反应器下游额外设置余热锅炉来回收热量；
4、本发明采用了自然循环原理，降低了操作和运行成本，工艺简单，操作方便，安全可靠。
附图说明
图1为本发明的整体系统示意图。
图中：
1、鼓风机；
2、反应器；21、废气入口；22、壳体；23、废气出口；24、预热区；241、第二进口联箱；242、第二蛇形管组；243、第二出口联箱；25、反应区；251、第一进口联箱；252、第一蛇形管组；253、第一出口联箱；26、热量回收区；261、过热段；262、蒸发段；263、低温段；
3、烟囱；
4、第二汽包；41、第二下降管；42、第二上升管；43、第二压力控制阀；
5、第一汽包；51、第一下降管；52、第一上升管；53、第一压力控制阀；54、排气管线；55、第一补水阀；
6、蒸汽喷射管；
7、补水稳压罐；71、第二补水阀。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
实施例一：
请参阅图1，本实施例提供一种用于煤化工行业VOCs高效转化去除的催化氧化系统，包括反应器2和第一控温系统。
所述反应器2整体由呈U型结构的壳体22围设而成，反应器2上设置有废气入口21和废气出口23。反应器2内沿废气流动的方向依次设置有预热区24、反应区25和热量回收区26，具体的，所述预热区24、反应区25分布于U型结构的左侧，热量回收区26分布于U型结构的右侧。
废气入口21连接有鼓风机1，所述鼓风机1为无火花型风机，采用变频控制，可以根据废气处理量灵活调出力，有利于节电节能，用于将外界的VOCs废气（下称废气）输送到预热区24内。
所述预热区24用于对废气进行预热，控制废气的温度在140~340℃之间。具体的，预热的温度由第二控温系统实现。
所述第二控温系统包括设置在预热区24内的水平或倾斜往复曲折的第二蛇形管组242以及设置于反应器2外的第二汽包4，所述第二汽包4与第二蛇形管组242的进口端连接，第二蛇形管组242的出口端连接至热量回收区26，具体请参照热量回收区26的说明，通过控制所述第二汽包4的压力来调节预热区24出口的废气温度在140~340℃之间。
值得一提的是，所述第二汽包4经第二下降管41与第二蛇形管组242的进口端连接，为了实现第二下降管41与第二蛇形管组242的连接，在第二蛇形管组242的进口端设置第二进口联箱241。同理，在为了实现第二蛇形管组242与热量回收区26的连接，第二蛇形管组242的出口端亦设置对应的第二出口联箱243。相比于第二进口联箱241，第二出口联箱243设置在较低位置。
所述反应区25内填充有催化剂254，用于进行废气的催化氧化反应。
所述催化剂254为颗粒型、泡沫型、纤维网格型催化剂中的任意一种或几种的组合。
为了实现催化剂254的安装，在反应区25内设置多孔托板255，催化剂设置在多孔托板255上侧。在催化氧化反应过程中，控制反应区的温度在150~350℃之间。具体的，反应区的温度由第一控温系统实现。
所述第一控温系统包括埋设在催化剂254内的第一蛇形管组252以及设置于反应器2外的第一汽包5，所述第一汽包5与第一蛇形管组252经管道连接形成自然循环管路，通过控制所述第一汽包5的压力来调节反应区内的温度在150~350℃之间。
所述第一控温系统的自然循环原理是第一蛇形管组内的液态水被废气催化氧化产生的反应热量继续加热，水由液相变为汽液两相，因密度梯度产生浮力，由重力差驱动自然循环流动。
值得一提的是，所述第一汽包5经第一下降管51与第一蛇形管组252的进口端连接，为了实现第一下降管51与第一蛇形管组252的连接，在第一蛇形管组252的进口端设置第一进口联箱251。
同理，所述第一汽包5经第一上升管52与第一蛇形管组252的出口端连接，为了实现第一上升管52与第一蛇形管组252的连接，在第一蛇形管组252的出口端设置第一出口联箱253。相比于第一进口联箱251，第一出口联箱253设置在较高位置。
所述第二控温系统还包括设置于热量回收区26内的第三蛇形管组，所述第三蛇形管组包括沿废气流动的方向依次设置的过热段261、蒸发段262和低温段263，废气依次与过热段261、蒸发段262和低温段263进行换热后，由150~350℃下降至60~90℃，经废气出口23输送至烟囱3排出。
为了实现非能动自然循环，所述低温段263的进口端连接至第二蛇形管组242的出口端，过热段261的出口端经第二上升管42连接至第二汽包4，将换热后生成的热蒸汽输送至第二汽包4中。
非能动自然循环的原理是液态水在热量回收区被加热，水由液相变为汽液两相，密度减小，而在预热区被冷却，密度增大，冷热段产生重力差，驱动主管路中形成自然循环，热量由热量回收区传递至预热区。非能动自然循环管路可以没有任何能动部件，降低了操作和运行成本，也消除了由于泵失效以及泵引起的流量分配不均的问题。
在本方案中，还进行第一汽包5和第二汽包4之间的蒸汽排气。具体的，还包括排气管线54，所述排气管线54的一端连接至第一汽包5，另一端连接至第二汽包4，第一汽包5上还设置有第一压力控制阀53。当第一汽包5的压力超过设定阈值（0.47~16.5MPa）时，第一压力控制阀53打开，第一汽包5内的蒸汽通过所述排气管线54排放至第二汽包4。当第一汽包5的压力回到设定阈值以下时，第一压力控制阀53自动关闭，停止排气。从而可以将反应区25处多余的热量通过第一汽包5以蒸汽的形式传递给第二汽包4，最终再以沸腾水的形式通过第二下降管41反馈给预热区24。
第一汽包5上还设置有自动控制液位的第一补水阀55。
在本方案中，低温段263的进口端至第二蛇形管组242的出口端之间的连接管道上设置有补水稳压罐6，补水稳压罐6上还设置有自动控制液位的第二补水阀61，可以通过控制所述补水稳压罐的液位实现补水和稳压。
另一方面，所述第二汽包4上设置有第二压力控制阀43和外排管线；当第二汽包4的压力超过设定阈值时，第二压力控制阀43打开，将第二汽包4内的蒸汽向厂区蒸汽管网输送蒸汽。第二汽包4可以通过控制所述汽包内的压力来调节预热区进口联箱241的沸腾水温度在150~350℃之间，从而实现预热后的废气温度达到140~340℃之间。
值得一提的是，所述第一蛇形管组252采用高温合金光管，内径10~50mm；第二蛇形管组242和第三蛇形管组采用高温合金翅片管，内径10~50mm。
所述第二蛇形管组242的进口端连接有蒸汽喷射管6，在催化氧化系统首次启动时，蒸汽喷射管6将厂区蒸汽管网中的蒸汽送入所述第二蛇形管组242内。
为了进一步稳定第二控温系统管路中的压力，在所述第二蛇形管组和第三蛇形管组之间的管路上设置有补水稳压罐7，所述补水稳压罐7上设置有第二补水阀71。通过控制所述补水稳压罐7的液位来进一步稳定第二控温系统管路压力在0.47~16.5MPa之间。
实施例二：
本实施例提供一种基于实施例一的用于煤化工行业VOCs高效转化去除的催化氧化系统的催化氧化方法，包括以下步骤：
S0，首次启动系统时，通过蒸汽喷射管6将厂区蒸汽管网中的高温高压蒸汽送入预热区24中的第二蛇形管组242。
S1，向反应器内送入废气；
S2，废气输送至预热区进行预热，控制废气的温度为140~340℃；
S3，废气输送至反应区，第一控温系统控制反应区的温度为150~350℃，在催化剂的催化作用下进行氧化反应，VOCs废气氧化生产二氧化碳和气态水，同时释放出的反应热量。
第一蛇形管组252与废气换热后生成汽液两相流，第一蛇形管组252与第一上升管52、第一汽包5及第一下降管51构成汽水自然循环回路，所述第一汽包5上设置有第一压力控制阀53，当压力超过设定值（0.47~16.5MPa）时，第一汽包5内的饱和蒸汽通过第一压力控制阀53排放至第二汽包4，当第一汽包5内的压力回到设定值以下时，压力控制阀53自动关闭。
S4， 废气输送至热量回收区，依次与过热段、蒸发段和低温段进行热交换生成蒸汽，废气温度下降至60~90℃，通过烟囱排出。
生成的蒸汽经第二上升管42进入第二汽包4；
所述第二汽包4中沸腾水经第二下降管41进入预热区24中的第二蛇形管组242，与废气换热生成较低温度的水，最后经连接管道62进入热量回收区26中的低温段263；
所述第而汽包4上设置有第二压力控制阀43，当压力超过设定值（0.47~16.5MPa）时，第二汽包4内的饱和蒸汽通过第二压力控制阀43排放至厂区蒸汽管网，当第二汽包4内的压力回到设定值以下时，第二压力控制阀43自动关闭。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
Claims (7)
1.一种用于煤化工行业VOCs高效转化去除的催化氧化系统，其特征在于，包括反应器和第一控温系统；
所述反应器上设置有废气入口和废气出口，沿废气流动的方向依次设置有预热区、反应区和热量回收区，所述反应区内填充有催化剂；
所述第一控温系统包括埋设在催化剂内的第一蛇形管组以及设置于反应器外的第一汽包，所述第一汽包与第一蛇形管组经管道连接形成循环管路，通过控制所述第一汽包的压力来调节反应区内的温度在150~350℃之间；
还包括第二控温系统；
所述第二控温系统包括设置在预热区内的第二蛇形管组、设置在热量回收区内的第三蛇形管组以及设置于反应器外的第二汽包，所述第二汽包与第二蛇形管组的进口端连接，第二蛇形管组的出口端连接至第三蛇形管组的进口端，第三蛇形管组的出口端连接至第二汽包；通过控制所述第二汽包的压力来调节预热区出口的废气温度在140~340℃之间；
还包括排气管线，所述排气管线的一端连接至第一汽包，另一端连接至第二汽包，第一汽包上还设置有第一压力控制阀；当第一汽包的压力超过设定阈值时，第一压力控制阀打开，第一汽包内的蒸汽通过所述排气管线排放至第二汽包；当第一汽包的压力回到设定阈值以下时，第一压力控制阀关闭；
所述第三蛇形管组包括沿废气流动的方向依次设置的过热段、蒸发段和低温段；
所述低温段的进口端连接至第二蛇形管组的出口端，过热段的出口端经第二上升管连接至第二汽包，将换热后生成的热蒸汽输送至第二汽包中。
2.根据权利要求1所述的一种用于煤化工行业VOCs高效转化去除的催化氧化系统，其特征在于，所述第二汽包上设置有第二压力控制阀和外排管线；当第二汽包的压力超过设定阈值时，第二压力控制阀打开，将第二汽包内的蒸汽向厂区蒸汽管网输送蒸汽。
3.根据权利要求1所述的一种用于煤化工行业VOCs高效转化去除的催化氧化系统，其特征在于，所述设定阈值为0.47~16.5MPa。
4.根据权利要求1所述的一种用于煤化工行业VOCs高效转化去除的催化氧化系统，其特征在于，所述第二蛇形管组和第三蛇形管组之间设置有补水稳压罐，通过控制所述补水稳压罐的液位稳定第二控温系统管路压力在0.47~16.5MPa之间。
5.根据权利要求1所述的一种用于煤化工行业VOCs高效转化去除的催化氧化系统，其特征在于，所述第二蛇形管组的进口端连接有蒸汽喷射管，在催化氧化系统首次启动时，蒸汽喷射管将厂区蒸汽管网中的蒸汽送入所述第二蛇形管组内。
6.一种基于权利要求1至5任一项所述的用于煤化工行业VOCs高效转化去除的催化氧化系统的催化氧化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，向反应器内送入废气；
S2，废气输送至预热区进行预热，控制废气的温度为140~340℃；
S3，废气输送至反应区，第一控温系统控制反应区的温度为150~350℃，在催化剂的催化作用下进行氧化反应。
7.根据权利要求6所述的一种用于煤化工行业VOCs高效转化去除的催化氧化系统的催化氧化方法，其特征在于，所述S3之后还包括：
S4， 废气输送至热量回收区，依次与过热段、蒸发段和低温段进行热交换，废气温度下降至60~90℃，通过烟囱排出。
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