一種co進(jìn)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(jìn)行流向變換催化燃燒的裝置，屬于一氧化碳處理處理技術(shù)領(lǐng)域。包括主體反應(yīng)管、管外保溫層、裝填在主體反應(yīng)管兩端的蓄熱體、裝填在主體反應(yīng)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(dá)90％。
【專利說(shuō)明】
一種CO進(jìn)行流向變換催化燃燒的裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)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(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]凡是含碳的物質(zhì)在不完全燃燒的時(shí)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(duì)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(xué)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(lái)并加以利用，不僅能夠減少其在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)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(yīng)用價(jià)值。
[0003]一氧化碳燃燒熱為280.04kJ/mol，其高熱值的特點(diǎn)說(shuō)明其具有較大的利用價(jià)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?jǐn)?shù)范圍廣等特點(diǎn)，決定了其絕熱溫升小，反應(yīng)放出的熱量不足以維持反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，因此需要一種集成度高的反應(yīng)器來(lái)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(yīng)器是一種集氣體預(yù)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(yīng)器不同，它能夠高效實(shí)現(xiàn)催化燃燒和熱量回收過(guò)程，并且由于此反應(yīng)器中氣固兩相體積熱容量的巨大差異，使得這一過(guò)程的抗干擾能力極強(qiáng)，因此該反應(yīng)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(yīng)器，流向變換技術(shù)的概念最早于1938年由Cottrel提出。近年來(lái)，流向變換技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)得到實(shí)際工業(yè)化應(yīng)用。1989年，Kemerovo公司對(duì)在樹(shù)脂生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的甲醇、苯酚以及甲醛等VOC氣體處理時(shí)，在進(jìn)氣量為650M3/h時(shí)利用流向變換技術(shù)可達(dá)到99%的效率。通過(guò)利用流向變換技術(shù)，本反應(yīng)裝置將可將催化反應(yīng)和蓄熱熱交換結(jié)合起來(lái)，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(diǎn)，在處理較低濃度的氣體過(guò)程中也能夠?qū)崿F(xiàn)自熱催化燃燒反應(yīng)。同時(shí)，通過(guò)減小其反應(yīng)器床層尺寸節(jié)省其投資費(fèi)用，降低其反應(yīng)中的熱損失。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]本實(shí)用新型旨在設(shè)計(jì)一種可用于CO(尤其低濃度)進(jìn)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(yīng)器的自熱性能，保證能夠高效利用反應(yīng)放熱以使得反應(yīng)器的出口氣體溫度降至50°C以下，且保證設(shè)備的操作簡(jiǎn)單可靠。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取以下技術(shù)手段。
[0006]—種CO進(jìn)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(yīng)管、管外保溫層、裝填在主體反應(yīng)管兩端的蓄熱體、裝填在主體反應(yīng)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(jìn)一步分布在蓄熱體和催化劑之間，多個(gè)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(jìn)氣管路分為兩個(gè)分進(jìn)氣管路，兩個(gè)分進(jìn)氣管路上分別安裝一個(gè)電磁閥，一個(gè)分進(jìn)氣管與主體反應(yīng)管的一端連通，另一個(gè)分進(jìn)氣管與主體反應(yīng)管的另一端連通;主體反應(yīng)管的每一端分別與一個(gè)分出氣管連接，主體反應(yīng)管兩端的兩個(gè)分出氣管上分別安裝有一個(gè)電磁閥，兩個(gè)分出氣管匯聚成一總出氣管;主體反應(yīng)管同一端的分進(jìn)氣管和分出氣管上的兩個(gè)電磁閥之間采用時(shí)間繼電器連接控制。
[0007]出氣總管路上還設(shè)有CO檢測(cè)器。
[0008]反應(yīng)器兩端不斷變換作為進(jìn)氣口和出氣口，并分別與兩個(gè)電磁閥(自動(dòng)控制閥)相連，通過(guò)時(shí)間繼電器控制和調(diào)節(jié)電磁閥的開(kāi)閉狀態(tài)以達(dá)到改變氣體流向的目的。
[0009]主體反應(yīng)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(yīng)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(lái)石材質(zhì)。所用催化劑為貴金屬整體式催化劑。
[0011]自動(dòng)控制系統(tǒng)的四個(gè)電磁閥，分別設(shè)置在反應(yīng)器兩端的進(jìn)氣管和出氣管。
[0012]CO進(jìn)行流向變換催化燃燒的裝置的使用方法，是主體反應(yīng)管一端的分進(jìn)氣管上的電磁閥開(kāi)和分出氣管上電磁閥關(guān)，另一端的分進(jìn)氣管上的電磁閥關(guān)和分出氣管上電磁閥開(kāi)，兩端不斷變化，從而實(shí)現(xiàn)氣體流向變換。
[0013]本實(shí)用新型具有下列優(yōu)點(diǎn):
[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(gè)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(yīng)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(dòng)快，能夠迅速的將熱量傳遞到催化劑上將其加熱至預(yù)想溫度。
[0016]3、測(cè)溫方式為沿反應(yīng)器軸方向布置溫度測(cè)點(diǎn)，如其中催化段8個(gè)點(diǎn)，蓄熱段4個(gè)點(diǎn)，此分布特點(diǎn)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(yīng)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(yīng)器的隔熱性能，有利于維持反應(yīng)器的自熱進(jìn)行。
[0018]5、通過(guò)整個(gè)反應(yīng)器的優(yōu)化使得出口氣體溫度低至50°C以下，能夠滿足實(shí)際工程應(yīng)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(dá)90%。
【附圖說(shuō)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(jì)，5和5’為電磁閥，6為時(shí)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(cè)器；
[0022]圖2為反應(yīng)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(yùn)行穩(wěn)定后CO轉(zhuǎn)化效率圖
[0026]圖6為反應(yīng)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(yù)熱溫度下CO轉(zhuǎn)化效率圖
[0029]圖9為不同預(yù)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(duì)應(yīng)140°C、160。。、180。。、200。。。
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說(shuō)明，但本實(shí)用新型并不限于以下實(shí)施例。
[0032]參見(jiàn)附圖1，此流向變換催化燃燒裝置主體是主體反應(yīng)管、管外保溫層、裝填在反應(yīng)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(guò)熱電偶所測(cè)溫度反饋至外部溫度控制儀，來(lái)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的加熱狀態(tài);反應(yīng)器兩端分別連接進(jìn)氣口和出氣口，并分別與兩個(gè)電磁閥5相連，通過(guò)時(shí)間繼電器6控制和調(diào)節(jié)自動(dòng)控制閥5的開(kāi)閉狀態(tài)以達(dá)到改變氣體流向的目的。
[0033]低濃度CO氣體按照設(shè)定換向周期從一端進(jìn)入反應(yīng)器主體。當(dāng)電磁閥5打開(kāi)，5’關(guān)閉時(shí)，CO氣體從上端進(jìn)入反應(yīng)器，首先經(jīng)蓄熱體，被儲(chǔ)存于其中的熱量預(yù)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(chǔ)，之后氣體排出系統(tǒng);半個(gè)周期后電磁閥5關(guān)閉，5’打開(kāi)，CO進(jìn)氣經(jīng)下端口進(jìn)入反應(yīng)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(chǔ)后排出系統(tǒng)。通過(guò)整個(gè)流程，催化反應(yīng)所釋放熱量大部分都被蓄積在床層之中，用來(lái)保證流向變換系統(tǒng)的自熱進(jìn)行。沿反應(yīng)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(cè)床層溫度。
[0034]實(shí)施例1
[0035]應(yīng)用本實(shí)用新型所述設(shè)計(jì)并搭建了一套小型流向變換催化燃燒裝置。該裝置實(shí)物圖如附圖1所示，自上半周期始，打開(kāi)電磁閥5’，關(guān)閉電磁閥5，氣體自反應(yīng)器下端入口進(jìn)入管內(nèi)，首先經(jīng)過(guò)高熱容蜂窩狀陶瓷蓄熱體進(jìn)入床層，由于電阻絲加熱效應(yīng)，此時(shí)催化劑已經(jīng)被加熱到所預(yù)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(yīng)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(shí)將熱量存儲(chǔ)在該段，氣體溫度得以降低，之后經(jīng)過(guò)上端出口并經(jīng)打開(kāi)的電磁閥5 ’排出系統(tǒng)。
[0036]當(dāng)上半周期結(jié)束，電磁閥5’閉合的同時(shí)電磁閥5打開(kāi)，氣體流向發(fā)生改變，由反應(yīng)器上端入口進(jìn)入管內(nèi)，流經(jīng)蓄熱體時(shí)，被上半個(gè)周期所蓄熱量加熱，在接近中部催化劑段時(shí)溫度被預(yù)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(shí)將熱量存儲(chǔ)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(dá)設(shè)定換向周期，流向又再次發(fā)生改變，經(jīng)此過(guò)程循環(huán)往復(fù)，反應(yīng)器兩端蜂窩狀陶瓷蓄熱體便維持一端起預(yù)熱進(jìn)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(fù)使得系統(tǒng)能夠自持進(jìn)行。
[0038]本裝置中所采用蜂窩狀陶瓷蓄熱體材質(zhì)為莫來(lái)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(guò)渡金屬元素進(jìn)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(yù)熱溫度為200 V，經(jīng)試驗(yàn)，系統(tǒng)穩(wěn)定后，CO轉(zhuǎn)化率能夠穩(wěn)定在90% (附圖5)。反應(yīng)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(yù)熱至140 °C、160 °C、180 °C、200 °C，測(cè)試其效率變化(附圖8 )，觀察床層溫度分布變化(附圖9)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種CO進(jìn)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(yīng)管、管外保溫層、裝填在主體反應(yīng)管兩端的蓄熱體、裝填在主體反應(yīng)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(gè)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(jìn)氣管路分為兩個(gè)分進(jìn)氣管路，兩個(gè)分進(jìn)氣管路上分別安裝一個(gè)電磁閥，一個(gè)分進(jìn)氣管與主體反應(yīng)管的一端連通，另一個(gè)分進(jìn)氣管與主體反應(yīng)管的另一端連通;主體反應(yīng)管的每一端分別與一個(gè)分出氣管連接，主體反應(yīng)管兩端的兩個(gè)分出氣管上分別安裝有一個(gè)電磁閥，兩個(gè)分出氣管匯聚成一總出氣管；主體反應(yīng)管同一端的分進(jìn)氣管和分出氣管上的兩個(gè)電磁閥之間采用時(shí)間繼電器連接控制。2.按照權(quán)利要求1所述的一種CO進(jìn)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(shè)有CO檢測(cè)器。3.按照權(quán)利要求1所述的一種CO進(jìn)行流向變換催化燃燒的裝置，其特征在于，主體反應(yīng)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(yīng)器的隔熱性能。4.按照權(quán)利要求1所述的一種CO進(jìn)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(quán)利要求4所述的一種CO進(jìn)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(lái)石材質(zhì)。6.按照權(quán)利要求1所述的一種CO進(jìn)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(quán)利要求1所述的一種CO進(jìn)行流向變換催化燃燒的裝置，其特征在于，主體反應(yīng)管一端的分進(jìn)氣管上的電磁閥開(kāi)和分出氣管上電磁閥關(guān)，另一端的分進(jìn)氣管上的電磁閥關(guān)和分出氣管上電磁閥開(kāi)，兩端不斷變化，從而實(shí)現(xiàn)氣體流向變換，通過(guò)時(shí)間繼電器控制和調(diào)節(jié)電磁閥的開(kāi)閉狀態(tài)以達(dá)到改變氣體流向的目的。
【文檔編號(hào)】F23G7/07GK205606599SQ201620208178
【公開(kāi)日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年3月18日
【發(fā)明人】梁文俊, 李玉澤, 李堅(jiān), 石秀娟, 何洪
【申請(qǐng)人】北京工業(yè)大學(xué)