专利名称：一种沼气脱氧工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及混合气体脱氧技术，特别涉及一种沼气催化脱氧工艺及反应热的综合利用。
背景技术：
沼气是多种气体的混合物，一般含甲烷50 70%，其余为20% 40%的二氧化碳、0% 5%的氮气、小于1%的氢气、小于O. 4%的氧气和O. 1% 3%硫化氢等，其特性与天然气相似。常温常压下甲烷在空气中的爆炸极限在5 15%之间，空气中如含有8. 6 20. 8%(按体积计)的沼气时，就会形成爆炸性的混合气体。在抽排过程中因混入了空气，沼气在管输或者分离浓缩生产过程中均存在极大的安全隐患，所以对沼气进行脱氧处理是进一步利用的如提和基础。
目前可采用的沼气脱氧方法主要是在催化剂作用下烷和氧的燃烧反应。甲烷非常稳定，只有在催化剂作用下才能在较低温度发生催化燃烧反应，甲烷和氧的燃烧反应是一个热量极大的放热反应，并且反应速度随温度升高急剧上升，由于反应速度随温度变化太大，反应速度不能准确预测，一般的中间冷激的多层式绝热反应器也不能有效控制反应温度，反应器内部的热量不能用传热面引出，只能采用绝热反应器。甲烷和氧必需先预热到一定温度才能开始反应，而反应终温是由进入时的温度和气体中的氧含量确定的。若氧含量过高，则会使出口温度过高，造成甲烷裂解和催化剂烧结。另一方面，沼气脱氧工艺的处理成本主要来自于原料增压机和循环气压缩机的电耗，电耗占整个脱氧工序处理成本50%左右。而沼气脱氧过程中甲烷与氧气发生催化燃烧反应，放出大量热致使脱氧后的气体温度升高，这些热量如不得到合理利用，甚至还需花费能源和设备对其进行冷却，将造成大量的热能浪费。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的上述不足，提供一种沼气脱氧工艺，将经过脱氧处理之后的原料气返回脱氧系统，多级进料，从而大大降低了循环气量，同时，充分利用沼气脱氧过程中放出的热量，从节约投资、降低处理成本和反应器合理设置的角度采取措施，达到低处理成本和低耗生产的目的。为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案
一种沼气脱氧工艺，原料沼气在催化剂作用下，其中的甲烷与氧气发生催化燃烧反应而脱氧，反应过程伴随大量反应热的放出，对反应后的高温气体进行热量回收，其特征在于将经过脱氧处理之后的原料气返回脱氧反应系统，成为循环气，循环气与未经处理的原料气混合，采用多级进料降低循环气量，催化反应器选用单个多层或多个串联的绝热反应器；对反应后的高温脱氧气进行热量回收，生产过热蒸汽返回脱氧系统为系统提供动力或者加热锅炉。将经过脱氧处理之后的原料气与未经处理的原料气混合，以降低进入催化反应器中的混合气体中的氧含量。当原料氧含量较高时，气体的循环比高(循环比是指循环气量与原料气量的比值)，循环压缩机能耗和投资也比较大。利用多级进料从而大大降低了循环气量，降低了压缩机能耗。采用多段反应器需在段间开设人孔或手孔，以便于催化剂的装卸和反应器维修，而反应器内温度通常高于650°C，在高温下反应器段间过多的人孔或手孔会降低反应器的强度，所以选用单个多层或多个串联的绝热反应器。反应后的沼气温度通常在600°C以上，利用该高温气体可副产不同品质的蒸汽。所述的原料混合气体中氧的含量为O. 4 12%,通过循环气与原料气混合来控制进入反应器气体的氧含量不高于3%。使用单个多层绝热反应器，进入反应器的气体经过换热器预热到起始反应温度；在多个串连反应器中，进入第一个反应器的气体经过换热器预热到起始反应温度；进入其它各反应器的气体不经过预热，与前一反应器出来的高温气体混合后达到起始反应温度。起始反应温度为180 360°C。优选地，所述的起始反应温度为300°C。起始反应温度是指使用催化剂的情况下，在此温度下已有缓慢的化学反应。可适应的温度区间不小于300°C，催化剂容许的最高温度为在此温度下，不希望的副反应不超过工艺容许的程度，并且催化剂的寿命不低于经济可行范围。对于第一个绝热反应器，通过控制进入反应器气体的氧含量来达到；对于非第一个反应器是通过控制高温气体混合后的气体的氧含量来达到。在单个或多个串连绝热反应器中，进入各反应器催化剂层的气体温度必须不低于所用催化剂的起始反应温度。为此，进入单个反应器的气体是经过换热器预热到起始反应温度的。在多个串连反应器中，进入第一个反应器的气体是经过换热器预热到起始反应温度的，而进入其它各反应器的气体不经过预热，但与前一反应器出来的高温气体混合后达到起始反应温度。由于进入后反应器的气体流量比进入前反应器的流量大，这就使得进入多个串连绝热反应器的各个反应器的原料混合气体和催化剂用量依次递增。进入第一个反应器的气体经过了预热，温度较高，温升范围小，要求进入气体氧含量较低；进入非第一个反应器的气体未经过预热，升温范围大，可以容许较高的氧含量。绝热反应器中的温度为350 600°C，压力为0.6 1. 2MPa，空速为4000 δΟΟΟΙΓ1。在沼气处理中，一般而言绝热反应器中的温度不应高于600°C，超过此温度混合气中的硫会影响催化剂，超过700°C会导致甲烷裂解，催化剂结碳，甚至烧结等，同时对反应器的材质要求也更高，增加投资成本。为了控制反应器中温度不超过600°C，进入反应器气体的氧含量不高于3%，即不能提供太大的温升范围。本发明所述工艺，能将沼气中的氧气浓度降低到O. 2%以下。 与现有技术相比，本发明的有益效果是 本发明可有效安全地脱除氧浓度在O. 4% 12%的沼气中的氧气，其中的甲烷与氧气发生催化燃烧反应而达到脱氧的目的，反应过程伴随大量反应热的放出，通过对反应热的回收达到了热量充分合理利用并有效地降低了脱氧工艺的过程能耗，可处理不同规模的沼气，使用范围广，是一种清洁、低耗的沼气脱氧工艺。
具体实施例方式下面结合具体实施方式
对本发明的上述发明内容作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内。实施例1
原料混合气体中氧的含量为O. 4%，原料沼气在催化剂作用下，其中的甲烷与氧气发生催化燃烧反应而脱氧，反应过程伴随大量反应热的放出，对反应后的高温气体进行热量回收，具体为催化反应器选用单个4层绝热反应器，原料混合气预热到起始反应温度180°C，绝热反应器中的温度为350 390°C，压力为O. 6MPa，空速为40001^,将经过脱氧处理之后的原料气返回脱氧反应系统，成为循环气，循环气与未经处理的原料气混合；反应后的脱氧 气温度在450 550°C，对反应后的高温脱氧气进行热量回收，用于加热锅炉。实施例2
原料混合气体中氧的含量为3%，原料沼气在催化剂作用下，其中的甲烷与氧气发生催化燃烧反应而脱氧，反应过程伴随大量反应热的放出，对反应后的高温气体进行热量回收，具体为催化反应器选用3个串联的绝热反应器，原料混合气预热到起始反应温度300°C，进入其它各反应器的气体不经过预热，与前一反应器出来的高温气体混合后达到起始反应温度。首个绝热反应器中的温度为400 440°C，压力为1. OMPa,空速为δΟΟΟΙΓ1 ;第2、3个绝热反应器中的温度为440 490°C，压力为l.OMPa，空速为400( '将经过脱氧处理之后的原料气返回脱氧反应系统，成为循环气，循环气与未经处理的原料气混合；反应后的脱氧气温度在480 500°C，对反应后的高温脱氧气进行热量回收，用于生产压力O. 4 O. 6MPa，温度260 300°C的过热蒸汽返回脱氧系统为系统提供动力。实施例3
原料混合气体中氧的含量为6%，原料沼气在催化剂作用下，其中的甲烷与氧气发生催化燃烧反应而脱氧，反应过程伴随大量反应热的放出，对反应后的高温气体进行热量回收，具体为催化反应器选用4个串联的绝热反应器，循环气与原料气混合来控制进入反应器气体的氧含量在2%左右，原料混合气预热到起始反应温度200°C，进入其它各反应器的气体不经过预热，与前一反应器出来的高温气体混合后达到起始反应温度。首个绝热反应器中的温度为350 400°C，压力为O. 8MPa，空速为40001^ ;其他绝热反应器中的温度依次升高，为400 600°C，压力为1. O 1. 2MPa，空速为400( '将经过脱氧处理之后的原料气返回脱氧反应系统，成为循环气，循环气与未经处理的原料气混合；反应后的脱氧气温度在580 600°C，对反应后的高温脱氧气进行热量回收，用于生产压力4. O 4. 5MPa，温度250 300°C的过热蒸汽返回脱氧系统为系统提供动力。实施例4
原料混合气体中氧的含量为O. 8%，原料沼气在催化剂作用下，其中的甲烷与氧气发生催化燃烧反应而脱氧，反应过程伴随大量反应热的放出，对反应后的高温气体进行热量回收，具体为催化反应器选用单个5层绝热反应器，原料混合气预热到起始反应温度300°C，绝热反应器中的温度为460 490°C，压力为O. 6MPa，空速为δΟΟΟΙΓ1，将经过脱氧处理之后的原料气返回脱氧反应系统，成为循环气，循环气与未经处理的原料气混合；反应后的脱氧气温度在480 500°C，对反应后的高温脱氧气进行热量回收，用于生产压力O. 8 1. 6MPa，温度200 240°C的过热蒸汽返回脱氧系统为系统提供动力。实施例5
原料混合气体中氧的含量为12%，原料沼气在催化剂作用下，其中的甲烷与氧气发生催化燃烧反应而脱氧，反应过程伴随大量反应热的放出，对反应后的高温气体进行热量回收，具体为催化反应器选用5个串联的绝热反应器，循环气与原料气混合来控制进入反应器气体的氧含量在2%左右，原料混合气预热到起始反应温度200°C，进入其它各反应器的气体不经过预热，与前一反应器出来的高温气体混合后达到起始反应温度。首个绝热反应器中的温度为350 400°C，压力为O. 6MPa，空速为βΟΟΟΙΓ1 ;其他绝热反应器中的温度依次升高，为400 600°C，压力为O. 8 1. 2MPa，空速为4000 δΟΟΟΙΓ1。将经过脱氧处理之后的原料气返回脱氧反应系统，成为循环气，循环气与未经处理的原料气混合；反应后的脱氧气温度在580 600°C，对反应后的高温脱氧气进行热量回收，用于生产压力4. 2 4. 5MPa， 温度350 380°C的过热蒸汽返回脱氧系统为系统提供动力。实施例6
原料混合气体中氧的含量为2. 5%，原料沼气在催化剂作用下，其中的甲烷与氧气发生催化燃烧反应而脱氧，反应过程伴随大量反应热的放出，对反应后的高温气体进行热量回收，具体为催化反应器选用单个5层绝热反应器，原料混合气预热到起始反应温度360°C，绝热反应器中的温度为400 500°C，压力为0. 9MPa，空速为40001^,将经过脱氧处理之后的原料气返回脱氧反应系统，成为循环气，循环气与未经处理的原料气混合；反应后的脱氧气温度在500 520°C，对反应后的高温脱氧气进行热量回收，用于生产压力0. 6
0.8MPa，温度250 280°C的过热蒸汽返回脱氧系统为系统提供动力。实施例7
原料混合气体中氧的含量为7%，原料沼气在催化剂作用下，其中的甲烷与氧气发生催化燃烧反应而脱氧，反应过程伴随大量反应热的放出，对反应后的高温气体进行热量回收，具体为催化反应器选用单个6层绝热反应器，循环气与原料气混合来控制进入反应器气体的氧含量在2%左右，原料混合气预热到起始反应温度320°C，绝热反应器中的温度为390 420°C，压力为1. 2MPa，空速为δΟΟΟΙΓ1，将经过脱氧处理之后的原料气返回脱氧反应系统，成为循环气，循环气与未经处理的原料气混合；反应后的脱氧气温度在580 600°C,对反应后的高温脱氧气进行热量回收，用于生产压力1. 6 2. 2MPa，温度400 450°C的过热蒸汽返回脱氧系统为系统提供动力。实施例8
原料混合气体中氧的含量为10%，原料沼气在催化剂作用下，其中的甲烷与氧气发生催化燃烧反应而脱氧，反应过程伴随大量反应热的放出，对反应后的高温气体进行热量回收，具体为催化反应器选用5个串联的绝热反应器，循环气与原料气混合来控制进入反应器气体的氧含量在2%左右，原料混合气预热到起始反应温度280°C，进入其它各反应器的气体不经过预热，与前一反应器出来的高温气体混合后达到起始反应温度。首个绝热反应器中的温度为300 330°C，压力为0. 8MPa，空速为βΟΟΟΙΓ1 ;其他绝热反应器中的温度依次升高，为330 500°C，压力为0. 8 1. OMPa,空速为4000 δΟΟΟΙΓ1。将经过脱氧处理之后的原料气返回脱氧反应系统，成为循环气，循环气与未经处理的原料气混合；反应后的脱氧气温度在550 580°C，对反应后的高温脱氧气进行热量回收，用于生产压力O. 8 1. OMPa,温度280 300°C的过热蒸汽返回脱氧系统为系统提供动力。综上所述，表明本发明所述沼气脱氧工艺，达到了热量充分合理利用并有效地降低了脱氧工艺的过程能耗，可处理不同规模的沼气，使用范围广，是一种清洁、低耗的沼气脱氧工艺。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种沼气脱氧工艺，原料沼气在催化剂作用下，其中的甲烷与氧气发生催化燃烧反应而脱氧，反应过程伴随大量反应热的放出，对反应后的高温气体进行热量回收，其特征在于将经过脱氧处理之后的原料气返回脱氧反应系统，成为循环气，循环气与未经处理的原料气混合，采用多级进料降低循环气量，催化反应器选用单个多层或多个串联的绝热反应器；对反应后的高温脱氧气进行热量回收，生产过热蒸汽返回脱氧系统为系统提供动力或者加热锅炉。
2.根据权利要求1所述的沼气脱氧工艺，其特征在于所述的原料混合气体中氧的含量为O. 4 12%,通过循环气与原料气混合来控制进入反应器气体的氧含量不高于3%。
3.根据权利要求1所述的沼气脱氧工艺，其特征在于使用单个多层绝热反应器，进入反应器的气体经过换热器预热到起始反应温度；在多个串连反应器中，进入第一个反应器的气体经过换热器预热到起始反应温度；进入其它各反应器的气体不经过预热，与前一反应器出来的高温气体混合后达到起始反应温度。
4.根据权利要求3所述的沼气脱氧工艺，其特征在于起始反应温度为180 360°C。
5.根据权利要求4所述的沼气脱氧工艺，其特征在于所述的起始反应温度为300°C。
6.根据权利要求1所述的沼气脱氧工艺，其特征在于温度的控制对于第一个绝热反应器，通过控制进入反应器气体的氧含量来达到；对于非第一个反应器是通过控制高温气体混合后的气体的氧含量来达到。
7.根据权利要求1所述的沼气脱氧工艺，其特征在于绝热反应器中的温度为350 600°C，压力为 O. 6 1. 2MPa，空速为 4000 50001Γ1。
全文摘要
本发明公开了一种沼气脱氧工艺，原料沼气在催化剂作用下，其中的甲烷与氧气发生催化燃烧反应而脱氧，反应过程伴随大量反应热的放出，对反应后的高温气体进行热量回收，将经过脱氧处理之后的原料气返回脱氧反应系统，成为循环气，循环气与未经处理的原料气混合，采用多级进料降低循环气量，催化反应器选用单个多层或多个串联的绝热反应器；对反应后的高温脱氧气进行热量回收，生产过热蒸汽返回脱氧系统为系统提供动力或者加热锅炉。本发明可有效安全地脱除氧浓度在0.4%～12%的沼气中的氧气，通过对反应热的回收达到了热量充分合理利用并有效地降低了脱氧工艺的过程能耗，是一种清洁、低耗的沼气脱氧工艺。
文档编号C10L3/10GK103013606SQ201210579668
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月28日 优先权日2012年12月28日
发明者张仕霖 申请人:张仕霖