[发明专利]含尘含硫低浓度甲烷的高效催化燃烧装置及燃烧方法

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。