含尘含硫低浓度甲烷的高效催化燃烧装置及燃烧方法

摘要

本发明公开了一种含尘含硫低浓度甲烷的高效催化燃烧装置，包括燃烧筒和烟气循环预热单元，燃烧筒的外壁上设置保温层，燃烧筒内由下向上依次设置除尘板、预热腔、脱硫吸附层和催化燃烧层，燃烧筒的下方设置进气腔，燃烧筒的上方设置反向气体吹扫单元，进气腔的侧壁上设置低浓度甲烷进气管和吹扫气体排出管，燃烧筒与预热腔对应的侧壁上设置预热腔进气管和预热腔排气管；烟气循环预热单元包括烟气排气管、电磁阀Ⅳ和换热器。本发明还公开了一种高效催化燃烧方法。该燃烧装置和方法采用正向催化燃烧、反向吹扫还原的立式布局，操作简单；正向催化燃烧经除尘，预热，脱硫等工序可保持低浓度甲烷高效催化燃烧。

说明书

技术领域

本发明涉及含尘含硫低热值气体的净化与催化燃烧领域，具体涉及一种脱除粉尘、硫化物、高效燃烧和反向吹扫恢复催化活性的燃烧装置及燃烧方法。

背景技术

在矿井煤层气和化工废气中存在着大量的低热值气体，这些气体中均含有低浓度甲烷气，且储量丰富，但由于甲烷含量低，直接利用较为困难，而催化燃烧以其高效转化率和低污染排放受到学术和工程上的广泛关注。在实际过程中，从矿井抽采出来的煤层气等低热值气体，通常含有不同形态的粉尘颗粒、硫化物、水汽等，这些杂质气体虽然含量较低，但却对甲烷的催化燃烧有重要的影响。

在实际工业运行中，原料气所含的大量粉尘颗粒会对设备的管道、线路产生阻塞作用，影响气流的流动特性；同时，粉尘微粒在催化腔内吸附在催化剂颗粒表面，阻塞催化颗粒表面孔隙，影响反应气的吸附与扩散，可导致催化活性下降。除粉尘外，我国的煤层中硫含量较高，煤层气中的硫化物有多种形态，在催化过程中硫化物对催化剂活性位有很强的吸附作用并生成多种形态的硫化物，这些硫化物的外层电子极易占据催化活性金属的d轨道而难以脱附，导致催化活性位被占据，阻碍甲烷、氧气与活性位的吸附。

另外，现有的研究表明在甲烷燃烧过程中，原料或燃烧产物中的水蒸气对催化剂的活性能够产生一定的抑制作用，特别是对于贵金属催化剂的抑制作用尤为强烈。水蒸气吸附在催化剂表面，并且在高温和催化剂的作用下生成表面羟基，表面羟基和大量的水分子吸附在催化剂表面，占据催化活性位，阻碍甲烷、氧气与催化活性位的接触。另一方面，由于催化剂长时间暴露在富氧环境中，金属表面一直覆盖有吸附性氧，这对催化燃烧是不利的。

在低热值气体的催化燃烧领域中，通过在反应室内添加多孔介质、催化剂颗粒或进行流化态以提高反应器性能，至今已有多数文献和专利进行了报道。专利201010246096.1提出了一种催化多孔介质燃烧器，通过填充多孔介质（耐高温的金属纤维毡和陶瓷泡沫）以提高催化燃烧效率，降低污染物排放。专利200510047518.1提出了一种轻质烃类氧化脱硫醇尾气的处理方法，通过适度压缩、冷凝回收烃类，不凝气体催化燃烧的方法净化气体。专利201180042760.3报道了一种沼气中除去水、硅氧烷、硫、氯和挥发性有机化合物的清洁系统，通过加氢和吸附来除去原料气中的杂质。但上述研究报道了吸附脱硫或甲烷的高效催化燃烧方式，且对甲烷中杂质气体的脱除工序较复杂，不能实现在同一装置中对杂质性气体的脱除和催化燃烧，更没有考虑在燃烧装置中实现对催化剂的活性再生、粉尘的吹扫等功能，因此，在同一燃烧装置内实现原料气粉尘、硫化物等杂质气体的脱除、高效催化燃烧、催化剂的活性再生以及粉尘吹扫等功能有待进一步研发。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供了一种保持高活性运行,削弱原料气中的干扰物或产物对催化活性抑制的含尘含硫低浓度甲烷的高效催化燃烧装置。

同时，本发明还提供了一种含尘含硫低浓度甲烷的高效催化燃烧方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

含尘含硫低浓度甲烷的高效催化燃烧装置，包括燃烧筒和烟气循环预热单元，所述燃烧筒的外壁上设置保温层，所述燃烧筒内由下向上依次设置除尘板、预热腔、脱硫吸附层和催化燃烧层，所述燃烧筒的下方设置进气腔，所述燃烧筒的上方设置反向气体吹扫单元；

所述进气腔的侧壁上设置低浓度甲烷进气管和吹扫气体排出管，所述低浓度甲烷进气管上安装电磁阀Ⅰ，所述吹扫气体排出管上安装电磁阀Ⅱ，所述进气腔的顶部敞口并与除尘板对应；

所述预热腔包括横向设置在燃烧筒内的上隔板和下隔板以及竖向设置在燃烧筒内的导气管，所述导气管的底端伸出下隔板并与除尘板对应，所述导气管的顶端伸出上隔板并与脱硫吸附层对应；所述燃烧筒与预热腔对应的侧壁上设置预热腔进气管和预热腔排气管；

所述反向气体吹扫单元包括吹扫气体进气管以及安装在吹扫气体进气管上的电磁阀Ⅲ和换向阀，所述换向阀的一进气口与还原性气体进气管连接，所述换向阀的另一进气口与氮气进气管连接，所述吹扫气体进气管的一端与燃烧筒内的顶部连通，吹扫气体进气管的另一端与换向阀的出气口连接，所述电磁阀Ⅲ靠近燃烧筒的顶部；

所述烟气循环预热单元包括烟气排气管、电磁阀Ⅳ和换热器，所述烟气排气管的一端与燃烧筒内的顶部连通，烟气排气管的另一端与预热腔进气管连通，所述电磁阀Ⅳ和换热器安装在烟气排气管上，电磁阀Ⅳ靠近燃烧筒的顶部。

作为本发明的一种优选方案，所述除尘板为水平布置；所述进气腔由一挡板和三个竖直设置的侧板组成，所述挡板倾斜设置在除尘板的下方，挡板的顶端通过轴承与除尘板转动相连，挡板的底端通过密封销与对应的侧板相连，挡板与除尘板之间形成的夹角为45度。

作为本发明的另一种优选方案，所述脱硫吸附层可拆卸的安装在燃烧筒内，脱硫吸附层内为石灰石颗粒。

作为本发明的又一种优选方案，所述催化燃烧层可拆卸的安装在燃烧筒内，催化燃烧层内为负载型Pd或者Pt催化颗粒。

相应地，含尘含硫低浓度甲烷的高效催化燃烧方法，在该方法中采用了上述的含尘含硫低浓度甲烷的高效催化燃烧装置；该方法包括如下步骤：

1）正向催化燃烧：关闭吹扫气体进气管上的电磁阀Ⅲ和吹扫气体排出管上的电磁阀Ⅱ，同时开启低浓度甲烷进气管上的电磁阀Ⅰ和烟气排气管上的电磁阀Ⅳ，低浓度甲烷依次经过低浓度甲烷进气管、进气腔、除尘板、预热腔、脱硫吸附层进行除尘、预热和脱硫，并经过催化燃烧层进行高效催化燃烧，产生的烟气经烟气循环预热单元和预热腔进行热量交换后从预热腔排气管排出；

2）反向气体吹扫：正向催化燃烧运行一段时间后，催化燃烧层上的催化剂反应活性下降，此时，运行反向气体吹扫单元，开启吹扫气体进气管上的电磁阀Ⅲ和吹扫气体排出管上的电磁阀Ⅱ，同时关闭低浓度甲烷进气管上的电磁阀Ⅰ和烟气排气管上的电磁阀Ⅳ，反向吹扫气体依次经过催化燃烧层、脱硫吸附层、预热腔、除尘板和进气腔并从吹扫气体排出管排出。

作为本发明的一种优选方案，低浓度甲烷的正向催化燃烧与反向气体吹扫为交替运行，当催化燃烧所用催化剂的反应活性降低至60%时，停止含尘含硫低浓度甲烷进气，开启反向气体吹扫单元，吹扫15分钟后，关闭反向气体吹扫单元，开启低浓度甲烷进气管上的电磁阀Ⅰ，进行低浓度甲烷的催化燃烧，反复交替运行。

作为本发明的另一种优选方案，反向气体吹扫单元开启运行时，首先通入氮气，吹扫掉覆盖在催化燃烧层内的水蒸气或表面羟基，同时，反向氮气吹扫除掉除尘板下方附着的表面粉尘颗粒并落于挡板上；氮气吹扫结束后通入还原性气体，还原催化燃烧层内的吸附性氧以提高催化活性，并还原脱硫吸附层内的部分含硫物质，还原性吹扫尾气经吹扫气体排出管排出；最后再次通入氮气，排出燃烧筒内残留的还原性气体。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、该燃烧装置采用正向催化燃烧、反向吹扫还原的立式布局，使燃烧反应保持高活性运行,削弱原料气中的干扰物或产物对催化活性的抑制，操作简单；正向催化燃烧经除尘，预热，脱硫等工序可保持低浓度甲烷高效催化燃烧。

2、反向气体吹扫单元通过换向阀控制氮气和还原性气体通入，分别对催化剂表面的水汽，部分硫化物，吸附性氧进行吹扫，使催化剂颗粒表面洁净，催化活性位充分暴露，还原性吹扫气体可回收。

3、燃烧尾气经烟气循环预热单元回收热量，预热原料气，实现能量充分利用。

附图说明

图1为含尘含硫低浓度甲烷的高效催化燃烧装置的结构示意图。

附图中： 1—燃烧筒； 2—烟气循环预热单元； 3—保温层； 4—除尘板； 5—预热腔； 6—脱硫吸附层； 7—催化燃烧层； 8—进气腔； 9—反向气体吹扫单元； 10—低浓度甲烷进气管； 11—吹扫气体排出管； 12—电磁阀Ⅰ； 13—电磁阀Ⅱ； 14—导气管； 15—预热腔进气管； 16—预热腔排气管； 17—吹扫气体进气管； 18—电磁阀Ⅲ； 19—换向阀； 20—还原性气体进气管； 21—氮气进气管； 22—烟气排气管； 23—电磁阀Ⅳ； 24—换热器； 25—挡板； 26—轴承； 27—密封销； 28—横向隔板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如图1所示，含尘含硫低浓度甲烷的高效催化燃烧装置，包括燃烧筒1和烟气循环预热单元2。燃烧筒1的外壁上设置保温层3，燃烧筒1内由下向上依次设置除尘板4、预热腔5、脱硫吸附层6和催化燃烧层7。燃烧筒1的下方设置进气腔8，燃烧筒1的上方设置反向气体吹扫单元9。

其中，进气腔8的侧壁上设置低浓度甲烷进气管10和吹扫气体排出管11，低浓度甲烷进气管10上安装电磁阀Ⅰ12，吹扫气体排出管11上安装电磁阀Ⅱ13，进气腔8的顶部敞口并与除尘板4对应，除尘板4为水平布置，除尘板4主要是过滤粉尘的。

预热腔5包括横向设置在燃烧筒1内的上隔板和下隔板以及竖向设置在燃烧筒1内的导气管14。导气管14的底端伸出下隔板并与除尘板4对应，导气管14的顶端伸出上隔板并与脱硫吸附层6对应。燃烧筒1与预热腔5对应的侧壁上设置预热腔进气管15和预热腔排气管16。在燃烧筒1内且在上隔板和下隔板之间设置相互交错布置的横向隔板28，产生的烟气经烟气循环预热单元2和预热腔进气管15进入预热腔5内，在预热腔5内沿着S型通道绕流，最后从预热腔排气管16排出，如需要可增加预热气体流动回路（即增加横向隔板28）和导气管14的数量，以增加预热。

反向气体吹扫单元9包括吹扫气体进气管17以及安装在吹扫气体进气管17上的电磁阀Ⅲ18和换向阀19。换向阀19的一进气口与还原性气体进气管20连接，换向阀19的另一进气口与氮气进气管21连接，吹扫气体进气管17的一端与燃烧筒1内的顶部连通，吹扫气体进气管17的另一端与换向阀19的出气口连接，电磁阀Ⅲ18靠近燃烧筒1的顶部，换向阀19保证吹扫气体的及时切换。

烟气循环预热单元2包括烟气排气管22、电磁阀Ⅳ23和换热器24，烟气排气管22的一端与燃烧筒1内的顶部连通，烟气排气管22的另一端与预热腔进气管15连通，电磁阀Ⅳ23和换热器24安装在烟气排气管22上，电磁阀Ⅳ23靠近燃烧筒1的顶部。催化燃烧产生的烟气经烟气排出管22进入换热器24并与外界工质进行热量交换，然后经预热腔进气管15进入预热腔5与低浓度甲烷进行热量交换，最后经预热腔排气管16排出装置。在预热腔5内，低浓度甲烷在导气管14内向上流动，高温烟气在横向隔板28的作用下，多次横掠过导气管14，可实现良好的换热效果。

进气腔8由一挡板25和三个竖直设置的侧板组成，挡板25倾斜设置在除尘板4的下方，挡板25的顶端通过轴承26与除尘板4转动相连，挡板25的底端通过密封销27与对应的侧板相连，挡板25与除尘板4之间形成的夹角为45度，该挡板25可为低浓度甲烷的进气和吹扫气体的排气起到导流作用。可燃气体内的粉尘颗粒在重力和除尘板4的作用下分离并下落至挡板25，挡板25可拆卸以便回收粉尘颗粒，打开密封销27可实现挡板25向下开启，便可除去掉落在挡板25上的粉尘。

脱硫吸附层6可拆卸的安装在燃烧筒1内，脱硫吸附层6内可以含石灰石或其他颗粒状脱硫吸附剂， 脱硫吸附层6内含有脱硫剂颗粒，捕获进气中的硫化物。催化燃烧层7可拆卸的安装在燃烧筒1内，催化燃烧层7内为负载型Pd或者Pt等催化颗粒。催化吸附层7内含负载型催化剂，可以高孔隙高表面积的惰性颗粒作载体，稀有金属钯、铂为催化剂，进行催化燃烧，燃烧尾气经烟气循环预热单元2导入预热腔5。催化燃烧层7和脱硫吸附层6采用“单元式”布局，脱硫吸附层6内捕获有稳定结合的硫化物，难以吹扫，可拆卸以更换，当装置运行一定时间后，催化剂或脱硫吸附剂活性不能满足运行要求时，可分别对催化燃烧层7或脱硫吸附层6进行更换。

含尘含硫低浓度甲烷的高效催化燃烧方法，在该方法中采用了含尘含硫低浓度甲烷的高效催化燃烧装置；该方法包括如下步骤：

1）正向催化燃烧：关闭吹扫气体进气管17上的电磁阀Ⅲ18和吹扫气体排出管11上的电磁阀Ⅱ13，同时开启低浓度甲烷进气管10上的电磁阀Ⅰ12和烟气排气管22上的电磁阀Ⅳ23，含尘含硫的低浓度甲烷原料气通过低浓度甲烷进气管10进入进气腔8，然后经过除尘板4脱除原料气中含有的粉尘，接下来进入预热腔5与烟气换热，提高进气温度，预热后进入脱硫吸附层6，脱除SO₂、H₂S等气体，最后进入催化燃烧层7，进行低浓度甲烷的高效催化燃烧，产生的烟气经烟气循环预热单元2和预热腔5进行热量交换后从预热腔排气管16排出。

2）反向气体吹扫：正向催化燃烧运行一段时间后，催化燃烧层7上的催化剂反应活性下降，此时，运行反向气体吹扫单元9，开启吹扫气体进气管17上的电磁阀Ⅲ18和吹扫气体排出管11上的电磁阀Ⅱ13，同时关闭低浓度甲烷进气管10上的电磁阀Ⅰ12和烟气排气管22上的电磁阀Ⅳ23，反向吹扫气体依次经过催化燃烧层7、脱硫吸附层6、预热腔5、除尘板4和进气腔8并从吹扫气体排出管11排出。

低浓度甲烷的正向催化燃烧与反向气体吹扫为交替运行，当催化燃烧所用催化剂的反应活性降低至60%时，停止含尘含硫低浓度甲烷进气，开启反向气体吹扫单元9，吹扫15分钟后，关闭反向气体吹扫单元9，开启低浓度甲烷进气管10上的电磁阀Ⅰ12，进行低浓度甲烷的催化燃烧，反复交替运行。

反向气体吹扫单元9开启运行时，首先通入氮气，吹扫掉覆盖在催化燃烧层7内的水蒸气或表面羟基，使表面催化活性位暴露出来以提高催化剂的活性，同时，反向氮气吹扫可除掉除尘板4下方附着的表面粉尘颗粒并落于挡板25上以便收集；氮气吹扫结束后通入还原性气体，如H₂等，还原催化燃烧层7内的吸附性氧以提高催化活性，并还原脱硫吸附层6内的部分含硫物质，还原性吹扫尾气经吹扫气体排出管11排出后可收集；最后再次通入氮气，排出燃烧筒1内残留的还原性气体，以保证安全。

该高效催化燃烧装置和燃烧方法不仅可以脱除低浓度甲烷中含有的粉尘和硫化物，使低浓度甲烷高效催化燃烧，同时，通过反向吹扫实现了催化剂和脱硫剂的重复、高效利用，可用于矿井煤层气、化工废气或沼气的催化利用与燃烧。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。