一种处理低浓度甲烷流向变换催化燃烧装置制造方法
【专利摘要】一种处理低浓度甲烷流向变换催化燃烧装置，属于环保领域。该装置处于系统气体出口处，利用流向变换催化燃烧的方式对其进行处理。该装置包括绝热催化反应器、自动控制阀、时间继电器以及加热系统。催化反应器两端装填蜂窝状堇青石或莫来石蓄热体，中央装填催化剂。本实用新型可以处理甲烷浓度低至0.2％的气体，其去除效率达到90％。
【专利说明】一种处理低浓度甲烷流向变换催化燃烧装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种处理极低浓度甲烷的装置，属于环保领域。
【背景技术】
[0002] 甲烷在煤矿工业中被称作为瓦斯，在富含甲烷的矿井中甲烷的体积分数为 0. 1 %?1. 0 %，在煤矿开采过程中甲烷的体积分数达到5 %?15 %就会造成瓦斯爆炸。如 果能够将煤矿中的甲烷抽取出来利用，不但可以减少矿难事故的发生，而且能够提供更多 可利用的清洁能源。因此，如何将此低品位的资源转化为可利用的能源，具有重要的研究和 应用价值。
[0003] 由于甲烷浓度极低，常规方式无法对其进行有效处理，甲烷浓度低于4. 5%就不能 被点燃，除非环境温度达到l〇〇〇°C。因此需要设计一种高度集成的反应器来高效处理利用 低浓度甲烷。流向变换催化燃烧技术将预热、反应和热量回收三个部分集成在一个设备里， 与传统的固定床催化燃烧相比，实现催化燃烧和热回收的高效集成，而且由于气固两相的 体积热容量相差很大，使这一过程的抗干扰能力较强，使反应器比定态操作拥有更大的弹 性。作为一种新型的固定床反应器非定态操作技术，流向变换催化燃烧的概念早在1938年 就由Cottrel提出。近年来国外已有一些工业化装置，利用该技术对V0C进行处理。1984 年，Novosibirsk公司首先利用流向变换技术对在增塑剂生产过程中产生的C 4?C8醇进行 净化，进气流量为800m3/h下净化率达到99. 6%。1989年Kemerovo公司对在树脂生产中 产生的甲醇、苯酚、甲醛等V0C气体处理，进气流量为650m3/h时净化率高达99%。通过利 用该技术，本反应装置可以将化学反应和蓄热热交换结合起来，大大提高热能的利用率， 并且，即使在处理极低浓度有机可燃气体时也能实现自热催化燃烧。同时，床层尺寸的变小 除使投资费用减少外还使热损失降低。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种极低浓度甲烷流向变换催化燃烧装置，在保证热量损 失较少情况下维持反应器自持运行，并高效利用反应放热使出口气体温度降低至60°C以 下，且设备简单可靠。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用如下技术手段：
[0006] -种处理低浓度甲烷流向变换催化燃烧装置，包括反应器主体、自动控制阀以及 控制系统，其特征是：反应器主体由双层外壳筒体、装填在筒体内部两端的高热容蓄热体、 中部的催化剂以及在催化剂与蓄热体之间的加热系统组成；双层外壳筒体的两端均设置有 进气口和出气口，在中部的催化剂装填段安装有热电偶，并且设有控制加热系统电源启、闭 的控制系统；自动控制阀分别与进气管和出气管相连，阀门的启动和反应物的流向变换通 过时间继电器控制和调节。
[0007] 反应器主体双层外壳为全封闭状态，其双层壳体之间为真空状态以保证反应器绝 热性能。
[0008] 蓄热体为整体式蜂窝状陶瓷蓄热体。
[0009] 所述的催化剂为整体式催化剂。
[0010] 催化剂为贵金属催化剂或者是金属氧化物催化剂。
[0011]自动控制阀是四个电动阀，分别设在进气口和出气口。
[0012] 高热容蓄热体材料为堇青石或莫来石陶瓷材料。
[0013] 本发明具如下有益效果：
[0014] 1、蜂窝陶瓷蓄热体和催化剂载体的外形尺寸、孔径相同，使系统压力损失很小。
[0015] 2、采用加热系统在蓄热体和催化剂之间，系统加热启动快，热量能较快速的传递 到催化剂上。
[0016] 3、反应器主体双层外壳为全封闭状态，且双层壳体之间是真空状态，降低了反应 系统的热损失，有利于实现反应器自维持。
[0017] 4、通过整个反应器的优化使得出口气体温度降低至60°C，满足实际工程需要。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 附图1为装置的流程示意图；
[0019] 附图2为反应器主体双层外壳剖视图；
[0020] 附图3为气流从右向左流向工艺图；
[0021] 附图4为气流从左向右流向工艺图；
[0022] 附图5为系统内热电偶布置位置；
[0023] 附图6为甲烷转化率；
[0024] 附图7出口温度变化；
[0025] 附图8催化段温度变化；
[0026] 附图9蓄热段温度分布。
[0027] 图中：1为甲烷气体、2为空压机、3为稳压阀、4为质量流量计、5、6、7、8为自动控 制阀、9为时间继电器、10为高热容蓄热体、11为双层外壳筒体、12为加热系统。
【具体实施方式】
[0028] 参见附图1，低浓度甲烷流向变换催化燃烧装置主体是由双层外壳筒体11、装填 在筒体内部两端的高热容蓄热体10、中部的催化剂13以及在催化剂与蓄热体之间的加热 系统12组成；在催化剂及蓄热体部分都装有热电偶，根据热电偶测得的温度反馈控制加热 系统；自动控制阀15,自动控制阀116,自动控制阀1117,自动控制阀IV8分别与进气管和 出气管相连，阀门的启动和反应物的流向变换通过时间继电器9控制和调节。
[0029] 低浓度甲烷气体按照设定的换向周期交替进入反应器。当自动控制阀15、自动控 制阀IV8开启，自动控制阀116,自动控制阀III7关闭，甲烷气体自上而下通过蓄热体，逐渐 被加热，经过催化床层燃烧放热后，将热量传给下半段的蓄热体后排出系统；半个周期后， 自动控制阀116,自动控制阀III7开启，自动控制阀15、自动控制阀IV8关闭，通风瓦斯反 向自下而上通过蓄热体，逐渐被加热，在催化床层燃烧放热后，将热量传给上半段的蓄热体 后排出系统。这样放热反应产生的热量大部分蓄积在反应床层内，保证反应器自维持运行。 在催化剂和蓄热体上都布置了热电偶来检测温度。
[0030] 实施例1
[0031] 应用本发明所述建立了一套处理能力为4m3/h低浓度甲烷流向变换催化燃烧装 置。如图1所示，气体从开启的自动控制阀15从上端进入反应器，首先经绝热催化反应器 底端的蜂窝状陶瓷蓄热体进入催化床层，此时催化床层已被经由电加热的电阻丝预热达到 400°C，气体中的甲烷被催化燃烧，在催化床层发生反应而释放出大量的热。气体温度升高， 加热下方的蓄热体，通过蓄热体将热量存储下来使气体温度降低，当气体流出蓄热体后经 自动控制阀IV8进入排气管，排出系统。
[0032] 当达到设定的半周期后，流向变换，气体由反应器下端的自动控制阀III7进入反 应器，经过上半周期已存储过热量的下端蓄热体时开始预热，在接近顶部催化剂时达到催 化剂的活性温度400°C，气体中的甲烷被催化燃烧，在催化床层发生反应而释放出大量的 热。气体温度升高，加热上方的蓄热体，即蓄热体将热量存储下来使气体温度降低，当气体 流出蓄热体后经自动控制阀116进入排气管，排出系统。
[0033] 到了设定的换向周期时间，流向又开始改变，经过往复式的循环，蜂窝陶瓷蓄热体 的热量被取走后，经过换向又得以蓄热，蓄热后经过预热气体又释放热量，如此往复使得系 统能够自持进行。
[0034] 本装置中的蜂窝状蓄热体材料为堇青石材质，孔密度为400/in2 ;催化剂是以堇青 石蓄热体为载体，以掺杂过CeO的γ -A1203为第二载体，Pd为主要活性成分。气体流量为 4m3/h，甲烷浓度0. 2 %，换向周期lOmin，催化剂预热温度至400°C，甲烷转化率除了因为换 向而导致的瞬时效率降低外，稳定状况下可以达到90% (见图5)，催化剂、蓄热体及出口温 度随流向的变换呈现周期性变化规律（见图6)。
[0035] 实施例2
[0036] 反应装置如实施例1，将催化剂预热至450°C，气体流量为4m3/h，甲烷浓度0. 2%， 换向周期lOmin，甲烷转化率可以达到90%以上，出口温度达到60°C。
【权利要求】
1. 一种处理低浓度甲烷流向变换催化燃烧装置，包括反应器主体、自动控制阀以及控 制系统，其特征是：反应器主体由双层外壳筒体、装填在筒体内部两端的高热容蓄热体、中 部的催化剂以及在催化剂与蓄热体之间的加热系统组成；双层外壳筒体的两端均设置有进 气口和出气口，在中部的催化剂装填段安装有热电偶，并且设有控制加热系统电源启、闭的 控制系统；自动控制阀分别与进气管和出气管相连，阀门的启动和反应物的流向变换通过 时间继电器控制和调节。
2. 根据权利要求1所述的一种处理低浓度甲烷流向变换催化燃烧装置，其特征在于： 反应器主体双层外壳为全封闭状态，其双层壳体之间为真空状态以保证反应器绝热性能。
3. 根据权利要求1所述的一种处理低浓度甲烷流向变换催化燃烧装置，其特征在于： 蓄热体为整体式蜂窝状陶瓷蓄热体。
4. 根据权利要求1所述的一种处理低浓度甲烷流向变换催化燃烧装置，其特征在于： 所述的催化剂为整体式催化剂。
5. 根据权利要求1或4所述的一种处理低浓度甲烷流向变换催化燃烧装置，其特征在 于：催化剂为贵金属催化剂或者是金属氧化物催化剂。
6. 根据权利要求1所述的一种处理低浓度甲烷流向变换催化燃烧装置，其特征在于： 自动控制阀是四个电动阀，分别设在进气口和出气口。
7. 根据权利要求1所述的一种处理低浓度甲烷流向变换催化燃烧装置，其特征在于： 高热容蓄热体材料为堇青石或莫来石陶瓷材料。
【文档编号】F23G7/07GK203907631SQ201420064014
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年2月13日 优先权日:2014年2月13日
【发明者】梁文俊, 刘欢, 李坚, 李玉泽, 何洪 申请人:北京工业大学