含高浓度笑气的废气净化系统及方法

本发明涉及大气环保及碳中和领域，尤其涉及一种含高浓度笑气的废气净化系统及方法。

背景技术：

笑气(化学式n2o)是第三大温室气体，其温室效应潜值是co2的310倍，ch4的21倍，同时，n2o还是平流层中氮氧化物的来源，会导致臭氧层空洞，成为严重污染环境的气体之一。

随着我国电子化学品生产，尤其是芯片、集成电路相关领域技术的崛起，含笑气的废气成为污染大气的一项重要指标。脱除尾气中n2o的方法主要有高温分解法、选择性催化还原法和催化分解消除法。

高温分解法是令n2o和燃料气在高温(1200～1500℃)下反应分解，这种技术工艺简单，不需要催化剂，但是操作费用较高，需要大量消耗燃料气，且高温反应设备的维护难度较大。因此利用高温分解方法脱除化工尾气中n2o组分在实际应用中会受到一定限制。日本asahi公司和著名化工公司dupont已将此方法用于己二酸工厂中。

选择性催化还原法通常选用氨或天然气为还原剂，加入负载型贵金属催化剂，根据还原剂和催化剂的不同调节适宜的反应温度(通常在200～600℃)，从而实现n2o的脱除。以pd/fealpo-5为催化剂，研究了在不同活性组分含量以及温度等条件下ch4还原n2o的效果。研究指出，以pdalpo-5为催化剂，373℃时，n2o转化率可以达到90％。

催化裂解消除法是指在催化剂的作用下使n2o直接分解为o2和n2。由于这种方法不需要引入其他参与脱除反应的物质，成本较低且不会引起二次污染，因此引起研究者广泛关注。n2o分解过程所需的活化能较高(250kj/mol)，在没有催化剂参与的条件下很难进行，因此研究的焦点主要集中在新型低温高活性裂解催化剂的研发。

cn109353999a公开了一种回收和提纯工业尾气中电子级笑气的装置与方法。包括依次设置的水洗塔、反应塔、胺液吸收塔、再生脱碳塔、碱洗水洗塔、吸附塔、压缩机及串联的两级精馏塔，所述胺液吸收塔塔釜液体出口与再生脱碳塔液体入口通过换热器相连，再生脱碳塔塔釜液体出口与胺液吸收塔液体入口通过换热器相连。本发明利用吸收、反应、吸附、精馏等方式将工业废气中的氧化亚氮进行回收并提纯，进而得到99.999％的笑气产品。然而，该专利中的处理工艺复杂，给生产企业带来更多的成本压力和安全隐患，不利于大规模推广和实施。

现有技术中的含笑气废气的处理过程中，主要采用氧化物催化剂和分子筛催化剂对工业笑气进行分解，由于笑气的分解反应是一个强效的放热过程，会导致催化剂床层温度随着流线方向不断上升，金属催化剂易出现烧结现象，活性下降、严重影响笑气的胶除效率；而负载型分子筛催化剂虽然具有更好的抗热烧结现象，但由于目前主要采用填充床的工艺，由于床层压降大，属于床层填充不够均匀，沟流现象严重，同样影响脱除效率。

因此，有针对性的提供一种简单、高效的处理含笑气废气的系统及方法，成为亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

为解决前述缺陷，本发明提供一种含高浓度笑气的废气净化系统及方法。本发明的一种含高浓度笑气的废气处理方法，包括：将待处理废气在催化作用下进行笑气的催化脱除反应，由于笑气的催化反应产生热量使得废气的温度上升形成热废气，再经过换热处理使废气降温，反复重复笑气的催化脱除和热废气的换热降温，直到待处理废气中笑气的含量达到正常的排放标准；

所述方法无需对废气进行稀释处理，直接完成对废气中笑气的脱除。

进一步地，控制反应条件，使每次经过催化脱除反应时，待处理废气中笑气的浓度下降7-15％，同时，由于催化反应产生热量使得废气的温度上升150-250℃，再经过换热处理使废气降温至280-370℃，再继续进行后续的工序；

必要时，反复重复笑气的催化脱除和热废气的换热降温操作，直到待处理废气中笑气的含量达到的排放标准。

为实现前述方法，笑气的催化脱除反应、热废气的换热降温、预热步骤等反应装置，可以基于前述方法以及实际工况的需要进行合理的布置和安装，例如，催化脱除反应采用现有的催化脱除反应器、热废气的换热降温采用现有的换热降温反应器、预热步骤采用现有的预热装置等，这些装置可以单独按前述方法进行串联，也可以基于实际场地的需求进行各种的组合、并联和安装，只要能够满足本发明前述方法的操作过程，均在本发明的保护范围之内。

本发明还提供一种含高浓度笑气的废气净化系统，包括至少一个两段式脱除反应塔，所述反应塔自上而下依次包括气体进口、第一反应段、第一换热器、第二反应段；含有高浓度笑气的尾气通过第一预热器升温后，从所述气体进口进入所述两段式脱除反应塔，在所述第一反应段进行第一次催化脱除反应，然后从所述第一反应段进行反应后的气体经过所述第一换热器换热降温后再到所述第二反应段进行第二次催化脱除反应，在所述第二次催化脱除反应后得到的净化尾气用于后续工序。

进一步地，所述第一预热器使用来自所述第二反应段的气体进行热交换。

进一步地，当所述系统包括第一两段式脱除反应塔和第二两段式脱除反应塔时，从所述第二反应段排出的气体经过第二换热器降温后，继续从所述第二两段式脱除反应塔的顶部进入，在所述第三反应段进行第三次催化脱除反应，然后再经过第三换热器降温后再到所述第四反应段进行第四次催化脱除反应，得到的净化尾气用于后续工序。优选地，所述第一预热器和/或第二预热器使用第四反应段排出的净化尾气进行热交换。

进一步地，所述系统可以基于工作情况的需要，依次配备足够数量的两段式脱除反应塔、换热器和预热器，所述系统按废气处理的流动方向依次顺序进入每个两段式脱除反应塔、换热器和预热器，最终实现依靠笑气脱除反应热来进行整体脱除系统的能量供给，无需再额外给所述系统配备外加热源。

本发明进一步还提供采用前述系统进行高浓度笑气分解的方法，包括：

1)、将来自工业生气的含高浓度笑气的尾气，通过预热器进行升温达到催化反应活性温度后，使尾气温度升高；

2)、将所述尾气从所述第一两段式脱除反应塔的所述第一反应段进行所述第一次催化脱除反应，由于反应热使得尾气温度进一步升高；

3)、所述第一催化脱除反应后的气体经过第一换热器进行换热降温，然后再将降温后的气体进入所述第二反应段进行第二次催化脱除反应，由于反应热使得气体温度再次升高；

4)、经过所述第二次催化脱除反应后的气体，从所述第一两段式反应塔排出经过净化的尾气。

进一步地，所述经过净化的尾气通入所述预热器用于初始尾气的预热。

进一步地，当所述系统包括第一两段式脱除反应塔和第二两段式脱除反应塔时，从所述第二反应段排出的气体经过第二换热器降温后，继续从所述第二两段式脱除反应塔的顶部进入，在所述第三反应段进行第三次脱除反应，反应使得气体升温，然后再经过第三换热器降温后再到第四反应段进行第四次催化脱除反应，得到的净化尾气用于所述预热器的热源供给。

进一步地，所述分解的方法，包括：

1)、将来自工业生气的含高浓度笑气的尾气，通过预热器进行升温达到330-420℃，其中，尾气中笑气的浓度为17-40％；

2)、将所述尾气从所述第一两段式脱除反应塔的所述第一反应段进行所述第一次催化脱除反应，使得所述尾气中笑气的浓度降低到13-26％，由于反应热使得尾气温度进一步升高到500-550℃；

3)、所述第一催化脱除反应后的气体经过第一换热器进行换热降温到350-420℃，然后再将降温后的气体进入所述第二反应段进行第二次催化脱除反应，使得所述尾气中笑气的浓度降低到9-17％，由于反应热使得气体温度再次升高到500-550℃；

4)、经过所述第二次催化脱除反应后的气体，从所述第一两段式反应塔排出，输送到第二换热器使温度降低到350℃，继续从所述第二两段式脱除反应塔的顶部进入，在所述第三反应段进行第三次催化脱除反应，使得所述尾气中笑气的浓度降低到5-9％，由于反应热使得气体温度再次升高到500-550℃；

所述尾气继续经过第三换热器降温到330-420℃，再到所述第四反应段进行第四次催化脱除反应，所述尾气中笑气的浓度实现彻底净化，尾气出口温度再次升温达到500-550℃。

优选地，出口的尾气用于给预热器进行热量供给。更优选地，经过净化后的尾气实现给预热器的热量供给后，温度降到100℃(优选为80℃)以下后，能够直接从烟囱排出。

优选地，基于本发明的系统和方法使用场景的实际需求，可以增加更多层级的两段式脱除反应塔、预热器和换热器。

进一步地，所述尾气的来源包括己二酸生产的尾气、己内酰胺生产尾气。

本发明的有益效果在于：

1、本发明颠覆性的改进了含笑气尾气的脱除处理工艺，基于本发明脱除工艺无需对尾气进行稀释，使得整体处理工艺的反应器的加工、维护成本极大的降低。现有技术中由于需要采用空气对尾气进行稀释，稀释比例为1份尾气对应3份空气，使得处理设备的体积过大、加工成本高、安全性差及维修维护成本也较高。而本发明的工艺能够实现对含笑气尾气的直接处理，反应器体积大大缩小，催化剂杘层的压降显著减小，设备加和维修维护的成本极大降低，有利于大规模推广使用，投资和操作的成本能够显著降低；

2、本发明由于采用分段撤热的方式，将分解反应产生的热量撤出，不但能够降低反应出口的温度、保护催化剂床层始终处于活性有效的温度区间，不会出现由于催化剂床层温度极升导致的高温烧结和失活现象，延长催化剂的使用寿命、也保证了催化剂的催化性能更稳定的发挥，又能够得以高品位热；

3、本发明采用多段式反应，能够有利利用催化剂，可以基于实际工况的需求，改变和调整反应段入口的温度、调整催化剂的工作温度，同时充分利用催化剂的活性性能，延长催化剂的使用寿命；

4、本发明的分解工艺具有广泛的适应性，可以根据具体使用场景增加多个分段式反应器和相应的换热器和预热器，整体系统和分解工艺更加灵活，可以适用于不同场景、不同浓度、甚至不同尾气的处理工艺。

附图说明

图1本发明所述系统一种实施方式的示意图；

图2本发明所述系统另一种实施方式的示意图。

1-第一两段式脱除反应塔；2-第一换热器；c1-第一反应段；c2-第二反应段；3-预热器；4-第二两段式脱除反应塔；5-第三换热器；6-第二换热器；c3-第三反应段；c4-第四反应段。

具体实施方式

在本发明的一个实施方式中，如图1所示，本发明所述系统包括一个第一两段式脱除反应塔1，所述第一两段式脱除反应塔1内部自上而下设置有气体物料进口、第一反应段c1、第一换热器2、第二反应段c2，所述第二反应段c2排出的净化气体进入预热器3为待处理的含高浓度n2o的尾气进行预热后，降温后的净化气体进行排放。

进一步地，所述尾气优选为己二酸生产的尾气和/或己内酰胺生产的尾气，其中，n2o的含量在17-40％，优选地，n2o的含量大于35％。其中，所述尾气经过预热器进行预热后达到催化反应活性的温度，330-420℃；优选达到330℃。

进一步地，所述尾气从所述第一两段式脱除反应塔1的进口进入，然后在所述第一反应段c1进行第一次催化脱除反应，使得所述尾气中n2o的浓度降低到13-26％，优选地，浓度降低到16％。

经过第一次催化脱除反应后的气体升温到500-550℃，将升温后的气体经过第一换热器2进行换热降温到350-420℃；优选地，降温到350℃。

然后再将降温后的气体进入所述第二反应段c2进行第二次催化脱除反应，使得所述尾气中笑气的浓度降低到9-17％，优选地，降低到9％。

经过第二次催化脱除反应后的气体再次升温到500-550℃，升温后的经过净化的尾气在预热器3与待处理的尾气进行热交换进一步降温到100℃以下，进行排放或后续工序；而待处理的尾气升温到催化反应温度继续进入所述第一两段式脱除反应塔1继续进行笑气的脱除反应。优选地，经过净化的尾气在预热器3中进行热交换以后降温到80℃以下。

在另一个实施方式中，如图2所示，所述系统包括第一两段式脱除反应塔1和第二两段式脱除反应塔4，待处理尾气通过所述预热器3升温后从所述第一两段式脱除反应塔1的进口进入，然后在所述第一催化反应段c1进行第一次催化脱除反应，反应使得气体升温，升温后的气体在所述第一换热器2进行热交换降温后，继续在所述第二催化反应段c2进行第二次催化脱除反应，反应使唤得气体再次升温，升温后的气体通过管线排出所述第一两段式脱除反应塔，然后进入所述第二换热器再次降温后，从所述第二两段式脱除反应塔的进口进入，在所述第三催化反应段c3进行第三次催化脱除反应，反应使得气体再次升温，升温后的气体在所述第三换热器5进行热交换降温后，继续在所述第四催化反应段进行第四次催化脱除反应，经过净化的气体进入到所述预热器与待处理的尾气进行换交换用来对待处理尾气进行预热。

进一步地，处理方法为：以己二酸生产的尾气为例，所述尾气中笑气浓度为大于35％，所述尾气首先经过预热器3进行预热升温到330℃；升温后的所述尾气进入所述第一催化反应段c1进行第一次催化脱除反应，使所述尾气中笑气的浓度降到26％，由于反应热使得所述尾气温度上升到550℃；

升温后的所述尾气经过所述第一换热器将温度降到330℃后再进入所述第二催化脱除反应段c2进行第二次催化脱除反应,使所述尾气中笑气的浓度由26％降低到17％，由于反应热使得所述尾气温度再次升到550℃；

升温后的所述尾气进入所述第二换热器6再将降温到350℃，之后进入第三催化脱除反应段c3进行第三次催化脱除反应，使所述尾气中笑气的浓度由17％降低到9％，由于反应热使得所述尾气温度再次升到550℃；

升温后的所述尾气经过第三换热器5后降温到330℃，继续进入到所述第四催化脱除反应段c4进行第四次催化脱除反应，所述尾气中的笑气被完全净化，由于反应热使唤所述尾气的出口温度达到550℃；

使第二两段式催化脱除反应塔出口的所述尾气输送到所述预热器3来预热进口处低温的待处理尾气，出口的所述尾气由于热交接后降温到80℃后经烟囱排出。

更进一步地，基于待处理的尾气中笑气含量的不同，可以在所述第二两段式脱除反应塔后，继续增加若干个两段式脱除反应塔，配合气体处理过程中笑气浓度减少的指标以及反应热导致的所述这尾气温度升高的指标控制，来实现无需外加热源、也无需对待处理尾气进行稀释等步骤而直接地、简单、方便地对待处理尾气进行净化的操作。反应过程中，由于反应热产生的热量，也可以回收循环利用到其他任何需要热量供给的单元或者工序。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

技术特征：

1.一种含高浓度笑气的废气处理方法，其特征在于，所述方法包括：将待处理废气在催化作用下进行笑气的催化脱除反应，由于笑气的催化反应产生热量使得废气的温度上升形成热废气，再经过换热处理使废气降温，反复重复笑气的催化脱除和热废气的换热降温，直到待处理废气中笑气的含量达到正常的排放标准；

所述方法无需对废气进行稀释处理，直接完成对废气中笑气的脱除。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，控制反应条件，使每次经过催化脱除反应时，待处理废气中笑气的浓度下降7-15％，同时，由于催化反应产生热量使得废气的温度上升150-250℃，再经过换热处理使废气降温至280-370℃，再继续进行后续的工序；

必要时，反复重复笑气的催化脱除和热废气的换热降温操作，直到待处理废气中笑气的含量达到的排放标准。

3.一种含高浓度笑气的废气净化系统，其特征在于，包括至少一个两段式脱除反应塔，所述反应塔自上而下依次包括气体进口、第一反应段、第一换热器、第二反应段；含有高浓度笑气的尾气通过第一预热器升温后，从所述气体进口进入所述两段式脱除反应塔，在所述第一反应段进行第一次催化脱除反应，然后从所述第一反应段进行反应后的气体经过所述第一换热器换热降温后再到所述第二反应段进行第二次催化脱除反应，在所述第二次催化脱除反应后得到的净化尾气用于后续工序。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一预热器使用来自所述第二反应段的气体进行热交换。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，当所述系统包括第一两段式脱除反应塔和第二两段式脱除反应塔时，从所述第二反应段排出的气体经过第二换热器降温后，继续从所述第二两段式脱除反应塔的顶部进入，在所述第三反应段进行第三次催化脱除反应，然后再经过第三换热器降温后再到所述第四反应段进行第四次催化脱除反应，得到的净化尾气用于后续工序；优选地，所述第一预热器和/或第二预热器使用第四反应段排出的净化尾气进行热交换。

6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述系统可以基于工作情况的需要，依次配备足够数量的两段式脱除反应塔、换热器和预热器，所述系统按废气处理的流动方向依次顺序进入每个两段式脱除反应塔、换热器和预热器，最终实现依靠笑气脱除反应热来进行整体脱除系统的能量供给，无需再额外给所述系统配备外加热源。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统还依次包括若干个两段式脱除反应塔、若干个换热器用于配合不同工况下的尾气处理过程。

8.一种采用权利要求3或4所述系统进行高浓度笑气分解的方法，其特征在于，包括：

1)、将来自工业生气的含高浓度笑气的尾气，通过预热器进行升温达到催化反应活性温度后，使尾气温度升高；

2)、将所述尾气从所述第一两段式脱除反应塔的所述第一反应段进行所述第一次催化脱除反应，由于反应热使得尾气温度进一步升高；

3)、所述第一催化脱除反应后的气体经过第一换热器进行换热降温，然后再将降温后的气体进入所述第二反应段进行第二次催化脱除反应，由于反应热使得气体温度再次升高；

4)、经过所述第二次催化脱除反应后的气体，从所述第一两段式反应塔排出经过净化的尾气。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述经过净化的尾气通入所述预热器用于初始尾气的预热。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，当所述系统包括第一两段式脱除反应塔和第二两段式脱除反应塔时，从所述第二反应段排出的气体经过第二换热器降温后，继续从所述第二两段式脱除反应塔的顶部进入，在所述第三反应段进行第三次脱除反应，反应使得气体升温，然后再经过第三换热器降温后再到第四反应段进行第四次催化脱除反应，得到的净化尾气用于所述预热器的热源供给。

11.一种采用权利要求4或6所述系统进行高浓度笑气分解的方法，其特征在于，所述方法，包括：

1)、将来自工业生气的含高浓度笑气的尾气，通过预热器进行升温达到330-420℃，其中，尾气中笑气的浓度为17-40％；

2)、将所述尾气从所述第一两段式脱除反应塔的所述第一反应段进行所述第一次催化脱除反应，使得所述尾气中笑气的浓度降低到13-26％，由于反应热使得尾气温度进一步升高到500-550℃；

3)、所述第一催化脱除反应后的气体经过第一换热器进行换热降温到350-420℃，然后再将降温后的气体进入所述第二反应段进行第二次催化脱除反应，使得所述尾气中笑气的浓度降低到9-17％，由于反应热使得气体温度再次升高到500-550℃；

4)、经过所述第二次催化脱除反应后的气体，从所述第一两段式反应塔排出，输送到第二换热器使温度降低到350℃，继续从所述第二两段式脱除反应塔的顶部进入，在所述第三反应段进行第三次催化脱除反应，使得所述尾气中笑气的浓度降低到5-9％，由于反应热使得气体温度再次升高到500-550℃；

所述尾气继续经过第三换热器降温到330-420℃，再到所述第四反应段进行第四次催化脱除反应，所述尾气中笑气的浓度实现彻底净化，尾气出口温度再次升温达到500-550℃。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，出口的尾气用于给预热器进行热量供给；更优选地，经过净化后的尾气实现给预热器的热量供给后，温度降到100℃以下后，能够直接从烟囱排出。

技术总结

本发明涉及一种含高浓度笑气的废气净化系统及方法，包括至少一个两段式脱除反应塔，所述反应塔自上而下依次包括气体进口、第一反应段、第一换热器、第二反应段。本发明颠覆性的改进了含笑气尾气的脱除处理工艺，基于本发明脱除工艺无需对尾气进行稀释，使得整体处理工艺的反应器的加工、维护成本极大的降低。现有技术中由于需要采用空气对尾气进行稀释，稀释比例为1份尾气对应3份空气，使得处理设备的体积过大、加工成本高、安全性差及维修维护成本也较高。

技术研发人员：陈标华;郭重阳;徐瑞年

受保护的技术使用者：北京工业大学

技术研发日：2021.05.12

技术公布日：2021.07.23