專利名稱：一種處理高濃度有機廢水生產甲烷氣體的裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及ー種熱化學法處理高濃度有機廢水的裝置，屬于環保技術領域，更準確地說，涉及到一種催化處理含高濃度有機物廢水，同時生產甲烷氣體的裝置。
背景技術：
在中國，2009年廢水的排放量已經達到600億噸，COD接近1300萬噸；同時，社會
的發展對環保的要求日益提高。廢水尤其是高濃度有機廢水的高效處理成為目前社會關注的焦點。高濃度有機物廢水的處理方法主要有物化法、化學法、生物法等幾種。物化法主要指電解法；化學法主要指化學氧化法；生物法包括好氧生物法與厭氧生物法。雖然，物化法與化學法對廢水處理比較徹底，但是這兩類方法處理廢水的基本原理是對有機物質進行分解、礦化，因此，廢水中的有機物質得不到利用；生物法是目前應用比較多的廢水處理方法，此種方法在經濟上具有一定的優勢，不過存在菌體中毒的問題，尤其對于エ業廢水，這種現象比較普遍，而且，當對エ業廢水進行處理時，還需要額外添加營養物質以維持微生物的生長，處理過程還容易受水質波動的影響，污泥的后續處理也是個問題。
實用新型內容為了克服生物法處理有機廢水的缺點，本實用新型提供了一種處理高濃度有機廢水并生產甲烷氣體的裝置，該裝置在高效凈化廢水中的有機物質的同時，生產甲烷氣體，最終實現廢水處理的資源化，降低廢水處理的總體成本；該裝置具有高效、清潔的特點，運行穩定且不存在污泥的后續處理問題；裝置安裝占地面積小，自動化控制程度高。本實用新型的技術方案是一種處理高濃度有機廢水生產甲烷氣體的裝置，包括催化反應塔，所述催化反應塔內從下至上依次分成四個區間下部空塔區、負載層區、催化劑層區、上部空塔區；所述下部空塔區的頂部安裝金屬網狀支撐架，所述負載層區為填充在金屬網狀支撐架上的催化劑載體；所述催化劑層區為負載層區上部填充的催化劑；所述催化劑層上部安裝金屬網，金屬網的孔徑小于催化劑顆粒的粒徑。優選的是，所述上、下部空塔區的高度等于催化反應塔的塔徑；所述負載層區與催化劑層區的高度比例為1/1(Γ /3。優選的是，還包括和催化反應塔連接的ニ氧化碳吸收塔，所述吸收塔內分成三個區間下部空塔區、中部填料區、上部空塔區；所述下部空塔區頂部安裝金屬網狀支撐架，所述中部填料區為設置在金屬網狀支撐架上的填料。優選的是，所述催化反應塔、ニ氧化碳吸收塔的材質為不銹鋼，塔內與有機廢水接觸的表面、金屬網外表面加襯有鈦材。優選的是，還包括用于上料的進料泵，所述進料泵為耐酸堿腐蝕的正位移泵；在催化反應塔之前還設有加熱器，在ニ氧化碳吸收塔之后還依次設有冷凝器和氣液分離器，所述加熱器、冷凝器、氣液分離器的材質為不銹鋼，其內部與有機廢水接觸的表面加襯有鈦材。該裝置在高效凈化廢水中有機類物質的同時，生產甲烷氣體，實現了廢水的資源化利用，有助于降低廢水處理的總體成本。該裝置具有高效、清潔的特點，運行穩定且不存在污泥的后續處理問題；裝置安裝占地面積小，自動化控制程度高，便于在エ廠內安裝運行。
圖I示出了本實用新型的エ藝流程圖。圖2示出了本實用新型催化反應塔內的結構示意圖。圖3示出了本實用新型ニ氧化碳吸收塔的結構示意圖。
圖4示出了本實用新型操作溫度對催化反應影響的測試結果圖。圖5示出了本實用新型操作壓カ對催化反應影響的測試結果圖。圖中標號1沉降池，2進料泵，3加熱器，4催化反應塔，5 ニ氧化碳吸收塔，6冷凝器，7氣液分離器，8堿液儲罐，9金屬網，10金屬網狀支架，11催化劑層區，12負載層區，13中部填料層區。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的具體實施方式
做進ー步說明。本實用新型首先提供ー種催化處理有機廢水生產甲烷氣體的方法，該方法的原理是，在催化劑的作用下，同時提供一定的溫度、壓カ條件，廢水中的有機物進行催化甲烷化反應，廢水得以凈化的同時，收獲甲烷等燃料氣體。下面以部分エ業廢水中存在的幾種醇類有機物質催化甲烷化反應為例來說明該方法凈化廢水的原理CH3OH — 3/4CH4+l/4C02+l/2H20C2H5OH — 3/2CH4+1/2C02C3H7OH+1/2H20 — 9/4CH4+3/4C02C4H90H+H20 — 3CH4+C02可以看出，通過上述反應醇類物質完全轉變為甲烷與ニ氧化碳，從而能夠實現廢水的凈化處理。同時，在催化反應塔中，大分子的有機物的長鏈被打斷，在重新組合的過程中，CO、C02、H2等氣體，還有另外的基團在催化劑的作用下發生甲烷化反應，生成甲烷。參考圖1，該方法的基本エ藝流程如下所述。首先，高濃度有機廢水經匯集后進入沉降池1，廢水中的固體顆粒物進行沉降；上清液經進料泵2送入加熱器3，隨后進入催化反應塔4，在一定的壓力、溫度條件下進行催化反應，廢水中的有機物質反應生成甲烷與ニ氧化碳氣體；反應后的流體進入到ニ氧化碳氣體吸收塔5，將反應生成的ニ氧化碳脫除；而后，進入到冷凝器6，流體溫度冷凝到常溫；最后，進入到氣液分離器7，氣液發生分離，分離后富含甲烷的氣體進行收集儲存，出水外排后進入到后續的處理工序。本方法所用催化劑為復合型催化劑，活性成分為，釕、鈀、銠、鉬、銥、鎳、鈷、錳、鈰中的至少ー種，或者至少ー種上述金屬物質形成的不溶于水或難溶于水的化合物；載體為氧化鋯、ニ氧化鈦、氧化鋁、硅石等，或者為復合金屬氧化物，比如，ニ氧化鈦-鋯石、氧化鋁-硅石、氧化鋁-硅石-鋯石等。催化劑活性成分的量占載體重量的O. Ol 10%，最好為O. I 3%。本實用新型對于催化劑的形狀不做特別限定，可以是球狀、弾丸狀、圓柱狀、粉末狀、蜂巣狀等形狀。催化劑的等體積粒徑通常采用3 50mm，最好采用5 25mm ;若采用蜂巢狀構造的催化劑，構造體開ロ部分可以為四角形、六角形、圓形等任意形狀；催化劑填充的單位體積面積、孔隙率不做特別限定，通常単位體積面積為200 800m2/m3，孔隙率為40 80%。載體和活性成分之間的配合方式采用靜置涂覆的方法，屬于現有的技術，在此不再具體說明。參考圖4、圖5，通過實驗研究確定了本實用新型最佳催化反應溫度為27(T300°C， 最佳催化反應壓カ為9(Tl00kg/Cm2，根據廢水水質的不同，催化反應時間在f60min之間不
坐寸ο催化反應后的廢水進入到ニ氧化碳吸收塔5，與進入到塔內的堿液混合，混合過程中ニ氧化碳氣體被吸收；用于吸收ニ氧化碳的溶液可以為碳酸鉀、碳酸鈉、氫氧化鈉、氫氧化鉀等堿液中的ー種或多種的混合溶液。本エ藝流程中所用的進料泵2為耐酸堿腐蝕的正位移泵，其出ロ壓カ不應低于90kg/cm2，功率可以根據實際廢水的處理量確定。參考圖2，本エ藝流程中所用催化反應器為塔式結構，材質為不銹鋼，內層與廢水接觸的部分加襯有鈦材料。整個催化反應塔4內部被分成四個不同區間下部空塔區，負載層區12、催化劑層區11、上部空塔區。其中上、下部空塔區的高度近似等于塔徑；下部空塔區頂部安裝金屬網狀支撐架10，其上填充的載體，顆粒的粒徑l(Tl5mm，構成負載層區12，金屬網狀支撐架10的孔徑小于載體粒徑；負載層區12上部填充催化劑，構成催化劑層區11 ;催化劑層上部安裝有金屬網9，金屬網9的孔徑小于催化劑顆粒粒徑；負載層區12與催化劑層區11的高度比例為1/1(Γ /3。催化反應塔4的外部最好包裹有保溫層；整個催化反應塔4的高度要根據廢水處理量以及廢水的停留時間進行確定。參考圖3，本エ藝流程所用的ニ氧化碳氣體吸收塔為塔式結構，材質為不銹鋼，內層與廢水接觸的部分加襯有鈦材料。整個吸收塔內部分成三個不同區間下部空塔區、中部填料區13、上部空塔區；其中上、下部空塔區的高度近似等于塔徑；下部空塔區頂部安裝金屬網狀支撐架10，其上為填料，構成中部填料區13，填料的形狀可以為環狀、球狀等任意形狀，材質為陶瓷以及各種耐酸堿腐蝕、耐高溫的材料，顆粒的最大外形尺寸l(T50mm，金屬網狀支撐架10的孔徑小于填料粒徑；填料層上部安裝金屬網9，起固定填料層的作用，金屬網9的孔徑小于填料粒徑。整個吸收塔外部最好也包裹有保溫層。加設ー個堿液儲罐8和進料泵2往吸收塔內供料。本エ藝所用的加熱器3可以選用電加熱爐，亦可以用常規的換熱器進行加熱，熱介質為油或者高溫高壓蒸汽；換熱器材質為不銹鋼，內部需加襯鈦材料；本エ藝所用冷凝器6為常規換熱器，換熱冷凝介質為冷凝水，材質為不銹鋼，內部加襯有鈦材料；本エ藝所用氣液分離器7材質為不銹鋼，內部加襯有鈦材。關于本エ藝有幾點說明。首先，有機廢水在進入到催化反應塔4前，最好進行沉降或者過濾預處理，除去固體顆粒物，防止后面的催化劑層發生堵塞；其次，若是廢水中有機物含量過高，所需反應停留時間過大，可以利用多個催化反應塔4串聯操作，因此本エ藝專利不受裝置個數與體積的限制；最后，由于需要脫除ニ氧化碳，系統中引入了一定量的堿液，因此出水中含有一定量的碳酸鈉、碳酸氫鈉、碳酸鉀、碳酸氫鉀等堿性溶液，需要后續的回收處理。與現有有機廢水的處理工藝相比，本實用新型具有如下優勢該方法在高效凈化廢水中的有機類物質的同時，生產甲烷氣體，實現了廢水的資源化，有助于降低廢水處理的總體成本。該方法具有高效、清潔的特點，運行穩定且不存在污泥的后續處理問題；裝置安裝占地面積小，自動化控制程度高，便于在エ廠內安裝運行。實施例I :エ藝流程如圖I所示，本實用新型采用的催化反應塔4內徑為110mm，高度為1200mm，材質為不銹鋼，內部加村有鈦材；負載層區12載體的裝填體積為1L，催化劑層區11 的催化劑裝填體積為6. 5L ;載體為球形TiO2顆粒，粒徑為l(Tl5mm，催化劑為表面涂覆有貴重金屬Ru的球形TiO2顆粒，顆粒的粒徑5 7mm，Ru的涂覆濃度為5%。ニ氧化碳吸收塔5的規格、材質同催化反應塔4，內部填有8L的陶瓷填料，整體呈球形，粒徑為10mm。進料泵2為往復式活塞泵(無錫市林杰高壓泵廠、W3020)，功率為20kw ;加熱器3為電加熱爐(蘇意暖通設備有限公司)，總功率為15kw;冷凝器6為套管式冷凝器，冷凝水走外管，廢水走內管，換熱面積為3m2 ;氣液分離器7材質為不銹鋼，內部村有鈦材，體積為4し配制質量濃度為10%的甲醇溶液，模擬高濃度的含甲醇的有機エ業廢水，經測定，溶液的初始TOC濃度為39800mg/L。向裝置內連續通入此廢水，控制進水流量為9L/h ;堿液儲槽8內為配制的碳酸鈉溶液，質量濃度為50%，控制進入吸收塔內堿液的流量為2L/h ;控制催化反應的操作溫度為280°C，操作壓カ為90kg/cm2 ;實驗過程中收集氣液分離器7出ロ處的出水與氣體樣品進行分析。分析表明，出水TOC濃度僅為120mg/L，氣液分離器上部氣體出ロ處的氣體流量在600NL/h附近波動，其中CH4濃度為85%，CO2濃度約為10%，H2濃度約為2%，C2H6約為1%。可見，經過催化反應，模擬廢水中的大部分甲醇都轉化為甲烷氣體，獲得了很好的處理效果。實施例2利用實施例I中的裝置處理某油田甲醇廠排放的含甲醇有機エ業廢水。該廢水含甲醇4% 5% (質量分數)，CODra約1000mg/L, pH值在6. 7 7. 2之間。向裝置內連續通入該廢水，控制進水流量20L/h ;堿液流量為2L/h ;控制操作溫度280°C，操作壓カ90kg/cm2，實驗過程中收集氣液分離器出ロ處的出水與氣體樣品進行分析。結果表明，出水TOC濃度約為80mg/L，CODcr濃度約為200mg/L。分離器氣體出ロ處的氣體流量在550NL/h附近波動，其中CH4濃度約為82%，CO2濃度約為8%，H2濃度約為2%，C2H6約為5%。實施例3 處理某煉油廠的堿渣廢水，廢水初始CODcr濃度為20000mg/l。在上述エ藝流程中串聯兩個規格一致的催化反應塔4，控制進水流量為20L/h，堿液流量為2L/h ;操作溫度280°C，操作壓カ90kg/cm2。分析結果表明，出水CODcr濃度僅為670mg/L，氣液分離器7上部氣體出ロ處的氣體流量在9000NL/h附近波動，其中CH4濃度為88%，CO2濃度約為8%，H2濃度約為2%，C2H6約為2%。可見，經過催化反應，模擬廢水中的大部分有機物轉化為甲烷氣體，獲得了很好的處理效果。[0046]本實用新型已通過優選的實施方式進行了詳盡的說明。然而，通過對前文的研讀，對各實施方式的變化和增加也是本領域的一般技術人員所顯而易見的。申請人的意圖是所有這些變化和增加落在了本實用新型權利要求的保護范圍中。相似的編號通篇指代相似的元件。為清晰起見，在附圖中可能有將某些線、層、元件、部件或特征放大的情況。本文中使用的術語僅為對具體的實施例加以說明，其并非意在對本實用新型進行限制。除非另有定義，本文中使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)均與本實用新型所屬領域的一般技術人員的理解相同。還須明確的是，除在本文中有明確的定義外，諸如字典中通常定義的術語應該解釋為在本說明書以及相關技術的語境中可具有一致的意思，而 不應解釋的理想化或過分形式化。公知的功能或結構處于簡要和清楚地考慮或不再贅述。
權利要求1.一種處理高濃度有機廢水生產甲烷氣體的裝置，其特征在于包括催化反應塔，所述催化反應塔內從下至上依次分成四個區間下部空塔區、負載層區、催化劑層區、上部空塔區；所述下部空塔區的頂部安裝金屬網狀支撐架，所述負載層區為填充在金屬網狀支撐架上的催化劑載體；所述催化劑層區為負載層區上部填充的催化劑；所述催化劑層上部安裝金屬網，金屬網的孔徑小于催化劑顆粒的粒徑。
2.根據權利要求I所述的裝置，其特征在于所述上、下部空塔區的高度等于催化反應塔的塔徑；所述負載層區與催化劑層區的高度比例為1/1(Γ /3。
3.根據權利要求I所述的裝置，其特征在于還包括和催化反應塔連接的二氧化碳吸收塔，所述吸收塔內分成三個區間下部空塔區、中部填料區、上部空塔區；所述下部空塔區頂部安裝金屬網狀支撐架，所述中部填料區為設置在金屬網狀支撐架上的填料。
4.根據權利要求3所述的裝置，其特征在于所述催化反應塔、二氧化碳吸收塔的材質為不銹鋼，塔內與有機廢水接觸的表面、金屬網外表面加襯有鈦材。
5.根據權利要求3所述的裝置，其特征在于還包括用于上料的進料泵，所述進料泵為耐酸堿腐蝕的正位移泵；在催化反應塔之前還設有加熱器，在二氧化碳吸收塔之后還依次設有冷凝器和氣液分離器，所述加熱器、冷凝器、氣液分離器的材質為不銹鋼，其內部與有機廢水接觸的表面加襯有鈦材。
專利摘要本實用新型公開了一種處理高濃度有機廢水生產甲烷氣體的裝置，包括催化反應塔，所述催化反應塔內從下至上依次分成四個區間下部空塔區、負載層區、催化劑層區、上部空塔區；所述下部空塔區的頂部安裝金屬網狀支撐架，所述負載層區為填充在金屬網狀支撐架上的催化劑載體；所述催化劑層區為負載層區上部填充的催化劑；所述催化劑層上部安裝金屬網，金屬網的孔徑小于催化劑顆粒的粒徑。該裝置在高效凈化廢水中有機類物質的同時，生產甲烷氣體，實現了廢水的資源化利用，有助于降低廢水處理的總體成本。
文檔編號C07C1/20GK202609964SQ201220058558
公開日2012年12月19日 申請日期2012年2月21日 優先權日2012年2月21日
發明者李國文, 蘇貞峰, 郭春生, 張學輝, 胡彥龍 申請人:北京緯綸華業環保科技股份有限公司