一種co進行流向變換催化燃燒的裝置的制造方法
【專利摘要】一種CO進行流向變換催化燃燒的裝置，屬于一氧化碳處理處理技術領域。包括主體反應管、管外保溫層、裝填在主體反應管兩端的蓄熱體、裝填在主體反應管中部的催化劑、加熱系統(tǒng)組成、電磁閥。本裝置可以在較低溫度段處理包含低濃度CO(2％以下)的氣體，去除率可達90％。
【專利說明】
一種CO進行流向變換催化燃燒的裝置
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種可用于低濃度一氧化碳處理的催化氧化裝置，屬于一氧化碳處理處理技術領域。
【背景技術】
[0002]凡是含碳的物質(zhì)在不完全燃燒的時候都可產(chǎn)生一定濃度的⑶氣體，目前，在工業(yè)上有可能產(chǎn)生大量CO以致對人體產(chǎn)生危害的作業(yè)不下70余種，如冶金工業(yè)中的煉焦、煉鐵、鍛冶、鑄造和熱處理的生產(chǎn);化學工業(yè)中合成氨、丙酮、光氣、甲醇的生產(chǎn);礦井放炮、煤礦瓦斯爆炸事故等。如果能夠?qū)⑦@些較低濃度的CO收集起來并加以利用，不僅能夠減少其在作業(yè)現(xiàn)場對人體的危害，也能夠作為一種可供利用的清潔能源。因此，如何將這種低品位的資源轉(zhuǎn)化成一種可利用的能源，具有很高的研究意義和應用價值。
[0003]一氧化碳燃燒熱為280.04kJ/mol，其高熱值的特點說明其具有較大的利用價值。但在工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的一氧化碳大多數(shù)具有濃度低、流量大、體積分數(shù)范圍廣等特點，決定了其絕熱溫升小，反應放出的熱量不足以維持反應持續(xù)進行，因此需要一種集成度高的反應器來將這些濃度較低的CO氣體收集再加以處理。流向變化催化燃燒反應器是一種集氣體預熱、催化燃燒及熱量回收三位一體的裝置，與傳統(tǒng)的定態(tài)操作反應器不同，它能夠高效實現(xiàn)催化燃燒和熱量回收過程，并且由于此反應器中氣固兩相體積熱容量的巨大差異，使得這一過程的抗干擾能力極強，因此該反應器比起定態(tài)操作有更大的操作彈性。作為一種新型的固定床非定態(tài)操作反應器，流向變換技術的概念最早于1938年由Cottrel提出。近年來，流向變換技術在國外已經(jīng)得到實際工業(yè)化應用。1989年，Kemerovo公司對在樹脂生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的甲醇、苯酚以及甲醛等VOC氣體處理時，在進氣量為650M3/h時利用流向變換技術可達到99%的效率。通過利用流向變換技術，本反應裝置將可將催化反應和蓄熱熱交換結合起來，因此便極大程度的提高了熱能利用率，基于其集成度高的特點，在處理較低濃度的氣體過程中也能夠?qū)崿F(xiàn)自熱催化燃燒反應。同時，通過減小其反應器床層尺寸節(jié)省其投資費用，降低其反應中的熱損失。
【實用新型內(nèi)容】
[0004]本實用新型旨在設計一種可用于CO(尤其低濃度)進行流向變換催化燃燒處理的裝置。在保證熱量散失較少的情況下維持其反應器的自熱性能，保證能夠高效利用反應放熱以使得反應器的出口氣體溫度降至50°C以下，且保證設備的操作簡單可靠。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取以下技術手段。
[0006]—種CO進行流向變換催化燃燒的裝置，包括催化氧化系統(tǒng)、保溫系統(tǒng)、自控系統(tǒng)，其特征是，包括主體反應管、管外保溫層、裝填在主體反應管兩端的蓄熱體、裝填在主體反應管中部的催化劑以及加熱系統(tǒng);加熱系統(tǒng)主要由催化段的加熱電阻絲、熱電偶組成，加熱電阻絲分布在催化劑部位，進一步分布在蓄熱體和催化劑之間，多個熱電偶分布在蓄熱體和催化劑中；含CO的氣體和空氣混合后的進氣管路分為兩個分進氣管路，兩個分進氣管路上分別安裝一個電磁閥，一個分進氣管與主體反應管的一端連通，另一個分進氣管與主體反應管的另一端連通;主體反應管的每一端分別與一個分出氣管連接，主體反應管兩端的兩個分出氣管上分別安裝有一個電磁閥，兩個分出氣管匯聚成一總出氣管;主體反應管同一端的分進氣管和分出氣管上的兩個電磁閥之間采用時間繼電器連接控制。
[0007]出氣總管路上還設有CO檢測器。
[0008]反應器兩端不斷變換作為進氣口和出氣口，并分別與兩個電磁閥(自動控制閥)相連，通過時間繼電器控制和調(diào)節(jié)電磁閥的開閉狀態(tài)以達到改變氣體流向的目的。
[0009]主體反應管為單層不銹鋼材質(zhì)，全封閉狀態(tài)，外層包裹保溫棉(如厚度為5cm)以保證反應器的隔熱性能。
[0010]蓄熱體為高熱容蜂窩狀整體式陶瓷蓄熱體。高熱容蜂窩狀整體式陶瓷蓄熱體所用材質(zhì)為堇青石或莫來石材質(zhì)。所用催化劑為貴金屬整體式催化劑。
[0011]自動控制系統(tǒng)的四個電磁閥，分別設置在反應器兩端的進氣管和出氣管。
[0012]CO進行流向變換催化燃燒的裝置的使用方法，是主體反應管一端的分進氣管上的電磁閥開和分出氣管上電磁閥關，另一端的分進氣管上的電磁閥關和分出氣管上電磁閥開，兩端不斷變化，從而實現(xiàn)氣體流向變換。
[0013]本實用新型具有下列優(yōu)點:
[0014]1、蜂窩狀陶瓷蓄熱體和整體式催化劑所用陶瓷形狀、尺寸、孔徑均相同，因此整個流向變化系統(tǒng)的壓力損失較小。
[0015]2、加熱方式屬于內(nèi)部加熱，加熱系統(tǒng)位于反應管內(nèi)蓄熱體和催化劑之間，直接接觸催化劑，因此加熱啟動快，能夠迅速的將熱量傳遞到催化劑上將其加熱至預想溫度。
[0016]3、測溫方式為沿反應器軸方向布置溫度測點，如其中催化段8個點，蓄熱段4個點，此分布特點決定了該裝置能夠直觀地研究流向變化系統(tǒng)溫度床層特別是催化段高溫區(qū)的分布現(xiàn)象。
[0017]4、反應器為單層不銹鋼材質(zhì)，主體為全封閉狀態(tài)，管外包裹厚層保溫棉做保溫方式，此方式保證了反應器的隔熱性能，有利于維持反應器的自熱進行。
[0018]5、通過整個反應器的優(yōu)化使得出口氣體溫度低至50°C以下，能夠滿足實際工程應用。
[0019]6、本裝置可以在較低溫度段處理包含低濃度⑶(2%以下)的氣體，去除率可達90%。
【附圖說明】
[0020]圖1為此裝置的示意流程圖
[0021]附圖1中:I為空氣栗，2為CO鋼瓶，3為減壓閥，4為質(zhì)量流量計，5和5’為電磁閥，6為時間繼電器，7?11為熱電偶，12為蜂窩狀陶瓷蓄熱體，13為整體式催化劑，14為加熱電阻絲，15為⑶檢測器；
[0022]圖2為反應管主體連同管外保溫層剖面圖
[0023]圖3為流向變換工藝工作流程圖
[0024]圖4為系統(tǒng)內(nèi)熱電偶分布位置圖
[0025]圖5為系統(tǒng)運行穩(wěn)定后CO轉(zhuǎn)化效率圖
[0026]圖6為反應器出口溫度變化圖
[0027]圖7為系統(tǒng)橫軸向溫度分布示意圖
[0028]圖8為不同預熱溫度下CO轉(zhuǎn)化效率圖
[0029]圖9為不同預熱溫度下系統(tǒng)橫軸向溫度分布圖
[0030]其中(a)、(b)、(c)、(d)分別對應140°C、160。。、180。。、200。。。
【具體實施方式】
[0031]下面結合實施例對本實用新型做進一步說明，但本實用新型并不限于以下實施例。
[0032]參見附圖1，此流向變換催化燃燒裝置主體是主體反應管、管外保溫層、裝填在反應管兩端的蓄熱體12、中部催化劑13以及分布在蓄熱體和催化劑中間的加熱系統(tǒng)14組成；加熱系統(tǒng)由催化段的加熱電阻絲14、熱電偶7?11和外部溫度控制系統(tǒng)組成，通過熱電偶所測溫度反饋至外部溫度控制儀，來調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的加熱狀態(tài);反應器兩端分別連接進氣口和出氣口，并分別與兩個電磁閥5相連，通過時間繼電器6控制和調(diào)節(jié)自動控制閥5的開閉狀態(tài)以達到改變氣體流向的目的。
[0033]低濃度CO氣體按照設定換向周期從一端進入反應器主體。當電磁閥5打開，5’關閉時，CO氣體從上端進入反應器，首先經(jīng)蓄熱體，被儲存于其中的熱量預熱，其次經(jīng)催化劑催化燃燒，其中釋放熱量被氣體傳給下半段蓄熱體存儲，之后氣體排出系統(tǒng);半個周期后電磁閥5關閉，5’打開，CO進氣經(jīng)下端口進入反應器，途經(jīng)蓄熱體被加熱，在催化劑中催化燃燒，將熱量傳給上半段的蓄熱體存儲后排出系統(tǒng)。通過整個流程，催化反應所釋放熱量大部分都被蓄積在床層之中，用來保證流向變換系統(tǒng)的自熱進行。沿反應器橫軸向在蓄熱體和催化段上均布置一定數(shù)量的熱電偶以檢測床層溫度。
[0034]實施例1
[0035]應用本實用新型所述設計并搭建了一套小型流向變換催化燃燒裝置。該裝置實物圖如附圖1所示，自上半周期始，打開電磁閥5’，關閉電磁閥5，氣體自反應器下端入口進入管內(nèi)，首先經(jīng)過高熱容蜂窩狀陶瓷蓄熱體進入床層，由于電阻絲加熱效應，此時催化劑已經(jīng)被加熱到所預想的起活溫度200°C，因此經(jīng)流催化劑床層的CO氣流在此被催化燃燒，發(fā)生反應并釋放大量的熱量。氣體溫度得以升高，繼續(xù)流經(jīng)上半段蓄熱體時將熱量存儲在該段，氣體溫度得以降低，之后經(jīng)過上端出口并經(jīng)打開的電磁閥5 ’排出系統(tǒng)。
[0036]當上半周期結束，電磁閥5’閉合的同時電磁閥5打開，氣體流向發(fā)生改變，由反應器上端入口進入管內(nèi)，流經(jīng)蓄熱體時，被上半個周期所蓄熱量加熱，在接近中部催化劑段時溫度被預熱至所需起活溫度200°C，在催化段，CO得以催化燃燒并釋放出大量的熱量，此處氣體溫度升高，在流經(jīng)下半段蓄熱體時將熱量存儲在該段，氣體溫度降低，之后流經(jīng)下端電磁閥5排出系統(tǒng)。
[0037]到達設定換向周期，流向又再次發(fā)生改變，經(jīng)此過程循環(huán)往復，反應器兩端蜂窩狀陶瓷蓄熱體便維持一端起預熱進氣、另一端蓄積熱量的作用，并在流向發(fā)生改變后，兩端蓄熱體功能發(fā)生轉(zhuǎn)換，如此循環(huán)往復使得系統(tǒng)能夠自持進行。
[0038]本裝置中所采用蜂窩狀陶瓷蓄熱體材質(zhì)為莫來石，孔密度為200/in2，熱容為840J/kg.°C ;催化劑以堇青石蜂窩狀陶瓷蓄熱體為支撐體，改性γ -Al2O3為載體，主要活性組分為貴金屬Pd，并摻雜Ce、La等過渡金屬元素進行修飾。氣體流量為3.6m3/h，其中CO濃度為0.1 %，換向周期為1min，催化劑預熱溫度為200 V，經(jīng)試驗，系統(tǒng)穩(wěn)定后，CO轉(zhuǎn)化率能夠穩(wěn)定在90% (附圖5)。反應器床層溫度分布(附圖7)、出口溫度(附圖6)隨流向變換成周期性變化規(guī)律，并將催化劑預熱至140 °C、160 °C、180 °C、200 °C，測試其效率變化(附圖8 )，觀察床層溫度分布變化(附圖9)。
【主權項】
1.一種CO進行流向變換催化燃燒的裝置，其特征在于，主要包括主體反應管、管外保溫層、裝填在主體反應管兩端的蓄熱體、裝填在主體反應管中部的催化劑以及加熱系統(tǒng);加熱系統(tǒng)主要由催化段的加熱電阻絲、熱電偶組成，加熱電阻絲分布在催化劑部位，多個熱電偶分布在蓄熱體和催化劑中；含(30的氣體和空氣混合后的進氣管路分為兩個分進氣管路，兩個分進氣管路上分別安裝一個電磁閥，一個分進氣管與主體反應管的一端連通，另一個分進氣管與主體反應管的另一端連通;主體反應管的每一端分別與一個分出氣管連接，主體反應管兩端的兩個分出氣管上分別安裝有一個電磁閥，兩個分出氣管匯聚成一總出氣管；主體反應管同一端的分進氣管和分出氣管上的兩個電磁閥之間采用時間繼電器連接控制。2.按照權利要求1所述的一種CO進行流向變換催化燃燒的裝置，其特征在于，出氣總管路上還設有CO檢測器。3.按照權利要求1所述的一種CO進行流向變換催化燃燒的裝置，其特征在于，主體反應管為單層不銹鋼材質(zhì)，全封閉狀態(tài)，外層包裹保溫棉以保證反應器的隔熱性能。4.按照權利要求1所述的一種CO進行流向變換催化燃燒的裝置，其特征在于，蓄熱體為高熱容蜂窩狀整體式陶瓷蓄熱體。5.按照權利要求4所述的一種CO進行流向變換催化燃燒的裝置，其特征在于，高熱容蜂窩狀整體式陶瓷蓄熱體所用材質(zhì)為堇青石或莫來石材質(zhì)。6.按照權利要求1所述的一種CO進行流向變換催化燃燒的裝置，其特征在于，所用催化劑為貴金屬整體式催化劑。7.按照權利要求1所述的一種CO進行流向變換催化燃燒的裝置，其特征在于，主體反應管一端的分進氣管上的電磁閥開和分出氣管上電磁閥關，另一端的分進氣管上的電磁閥關和分出氣管上電磁閥開，兩端不斷變化，從而實現(xiàn)氣體流向變換，通過時間繼電器控制和調(diào)節(jié)電磁閥的開閉狀態(tài)以達到改變氣體流向的目的。
【文檔編號】F23G7/07GK205606599SQ201620208178
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年3月18日
【發(fā)明人】梁文俊, 李玉澤, 李堅, 石秀娟, 何洪
【申請人】北京工業(yè)大學