CN103968394A - 一种集成式可燃气体净化器及脱除可燃气体的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种集成式可燃气体净化器及脱除可燃气体的工艺，主体部分为多层套筒式或板翅式结构。该气体净化器的主要技术特征为原料气和反应尾气在层间交替逆流流动换热、催化剂可以填充或壁载在多层通道内，实现原料气预热、催化燃烧和尾气热量回收等多个吸放热过程耦合。该可燃气体净化器可以高效脱除H₂、CO、CH₄、HCHO等微量可燃气体，避免密闭空间（水下以及太空作业）内可燃气体富集与降低室内甲醛等挥发性污染物危害，同时也可以用作核反应过程中的氢氧复合反应器，尤其适用于大风量、低浓度有机废气的治理。

Description

一种集成式可燃气体净化器及脱除可燃气体的工艺

技术领域

本发明属于催化燃烧领域，具体涉及一种集成式可燃气体净化器及脱除可燃气体的工艺。

技术背景

随着经济的发展和人民生活水平的提高，但人类赖以生存的大气质量却在下降，尤其是室内空气污染在日益加剧。室内空气污染主要来源于装修过程中所使用的各种装饰材料和装饰用品。而这些污染物主要包括甲醛、苯及苯系物、挥发性有机物等，这些污染物会导致各种疾病，如白血病、癌症等。另外，在某些密闭或者半密闭空间，如太空舱、大型机房、潜艇、人防工事、地铁、地下工事等等中，与外界的通风受到严格限制或根本不可能通风。此时，人员的正常生理活动（由于人体每日正常可排出0.5升至2升气体，主要气体包括氢气、甲烷、氮、二氧化碳、氧及硫化氢。）、建筑与装饰材料以及设备运转过程中产生的大量有害气体就会在密闭环境中积聚，如果这些气态污染物不能够得到及时的消除，势必会带来极大的安全隐患和影响工作人员的身体健康。再者，在一些污染物排放超标的中小型化工企业，为了改善工作人员的工作环境，也亟待解决这一问题。尽管，可以从污染物源头上来进行预防，通过在装修设计和选材上，尽量选用环保型材料，并力求简洁与实用；但同时，还需要加强室内污染物治理，特别是在通风条件受限时，采用切实有效的污染物治理方法来改善空间环境，保障人民生命安全。

目前，常用的室内污染物治理方法包括化学试剂处理法、光催化技术处理法、室内外空气交换法、植物吸附降解法和空气净化仪器处理法；化学试剂处理法处理的污染物组分单一；而且部分采用掩盖的方法，不能彻底实现污染物的无毒化；植物吸附降解法适用于室内环境污染程度较轻和组分单一的污染物；室内外空气交换法是通过与室外新鲜空气进行交换，短时间内，便能很大程度上稀释其浓度；但是，污染物的释放是一个持续过程，释放周期较长；而且该方法无法应用于通风条件受限的场合；光催化技术处理法是近几年发明的，利用在光催化剂上进行光催化反应，在温和的温度下，处理各种气态污染物和微生物。但是，光催化效率较低，难以处理风量比较大的污染物，而且费用比较高；空气净化仪器处理法，按照其基于的原理又可以分为活性碳吸附法、臭氧氧化法、负氧离子净化法、催化转化法。活性碳吸附法是目前广泛应用的室内空气净化方法，活性炭类吸附剂具有广谱、高效、吸附容量大的特点。吸附法只是有效的将气体污染物降低到一定标准，并没有真正清除气态污染物。另外，吸附饱和后即失效，需要定期更换吸附材料。臭氧氧化法必须严格限制臭氧的浓度，当臭氧浓度达到0.15PPM后会致癌，苛刻的实践条件和可能产生的副作用限制了该方法的普及使用；负氧离子净化法是利用负离子的还原作用和吸附作用来消除污染物；但是，单纯依靠负离子来净化空气是片面的，因为富氧离子极易和空气中的尘埃结合，不能清除空气污染物或将其排出室外；此外，当室内负离子浓度过高时还会对人体产生不良影响，如引起头晕、心慌、恶心等。催化转化法能够将甲烷、乙烯、一氧化碳和氢气以及其它VOCs等污染物进行彻底消除净化，转化为CO₂和水；而且非常适合于处理气量相对比较大的密闭空间和化工车间，因此，具有较好的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种集成式可燃气体净化器及脱除可燃气体的工艺，主要解决其他空气净化原理存在的技术问题，提供一种结构紧凑、操作简单、能够彻底消除可燃气体污染物的空气净化器。

本发明提供了一种集成式可燃气体净化器，该净化器包括多层换热腔、一层或多层反应腔、加热启动腔；原料气依次通过三个腔，腔与腔之间通过设置在腔体上的环隙、方隙或连接管道相连。所述的多层换热和反应腔是环形或方形结构，换热腔内为管翅或板翅结构或是无翅片直通结构。所述反应腔的内部装填颗粒、整体结构催化剂或壁载催化剂。

本发明提供的集成式可燃气体净化器，所述的颗粒、整体或壁载催化剂中，活性组分为Pd、Pt、Rh中的一种或几种，载体为Al₂O₃、CeO₂、ZrO₂、SiO₂、TiO₂、SnO₂金属氧化物中的一种或几种。

本发明提供的集成式可燃气体净化器，所述的净化器通过设置在线检测器来实时监测可燃气体浓度，并设置人机交互界面来手动调整设置参数。

本发明还提供了一种所述净化器脱除可燃气体的工艺，含微量可燃气的原料气被吸入净化器的换热腔，原料气在多层换热腔内被预热；经过预热的原料气进入装填或壁载催化剂的反应腔，在反应腔内原料气中的微量可燃气体和原料气中的过量氧气发生催化燃烧反应；反应产品气进入和原料气交替的换热腔；经过多次冷却后，尾气排出系统；系统启动时，通过放置在加热启动腔内的电加热器来预热反应气体到催化剂起燃温度；进入反应或换热腔的原料气，通过反应或换热腔入口的气体分布器实现气体在腔内的均匀分布；当原料气中，可燃气体含量较高时，通过增加液体蒸发腔或其他吸热过程来实现热量的回收利用。

本发明提供的所述利用净化器脱除可燃气体的工艺，所述的过量氧气来自于原料气或通过外界供入空气来补充。

本发明提供的所述利用净化器脱除可燃气体的工艺，所述电加热器采用管式、管翅或平板式结构；为了降低反应床层阻力降，集成式可燃气体净化器采用径向反应器结构，电加热器采用梯形截面结构。

本发明提供的所述利用净化器脱除可燃气体的工艺，所述净化器启动通过内置或外置可燃气体分析仪检测可燃气体浓度达到设定值，自动启动或停止气体净化器。

本发明提供的所述利用净化器脱除可燃气体的工艺，气体通入方式是通过设置在反应器入口或出口的风机、气泵或带压工艺气体直接进入气体净化器。

本发明提供了所述集成式可燃气体净化器的应用，该净化器适用于水下潜水设备或太空舱中的H₂、CH₄以及居室、车内的甲醛室内有机污染物的脱除；也适用于核反应堆中的氢氧复合或工艺气中的H₂、CO气体的脱除。

本发明的技术方案为：采用催化燃烧原理，燃烧催化剂具有高的可燃气体起燃活性，能够高效脱除空气中的污染物；通过有效设计气体流通通道，实现净化器的快速启动和低电耗运行；净化器设置进风口和出风口、可视化的控制界面，可以实时监测空间内的污染物浓度，手动或自动启动运行空气净化器。

本发明提供的可燃气体净化器包括原料气过滤、预热、可燃气体净化、尾气冷却、控制系统以及启动系统，可以高效脱除密闭空间或室内可燃气体，避免可燃气体富集导致的安全隐患或对人身心健康的影响。具体步骤如下：可燃气体分析探头（传感器）首先检测环境中的可燃气体浓度，当气体浓度达到设定值时，启动气体风机马达将气体鼓入净化器内，同时启动系统预热装置，将被鼓入的污染气体预热到催化剂的起燃温度；当净化器起燃后，通过将需净化气体和被净化后的气体在流通通道之间的换热，将被净化气体冷却，从出风口排出；

所述的空气净化器根据空间要求，外观结构可以设计成长方体或圆柱体；优选长方体结构；

所述的进风口和出风口设置孔板和防尘罩；

所述的可燃气体分析探头，可以用来检测ppm级烷类、醇、酮、醛、苯、汽油、煤气、挥发性液体、氢气等可燃气体；

所述的启动系统，通过内置管翅或板翅电加热器来实现净化器启动或超低污染物脱除；

所述的空气净化器气体通入方式根据净化器处理气量以及净化器的结构采用贯流风机、轴流风机或离心风机；

所述的控制系统通过人机交互界面，根据可燃气体传感器检测的气体浓度执行自动或手动启动空气净化器，或显示可燃气体浓度；

所述的气体流通通道设计是指通过交替设置冷热流体通道来实现污染空气预热或净化后空气冷却；

所述的控制系统、启动系统电源采用12V直流电源或220V交流电源；与现有的技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明采用催化燃烧空气净化原理，可以彻底消除可燃气体污染物；不会产生其他二次污染物；燃烧催化剂使用寿命长、可燃气体脱除率高、经济安全可靠；

2.集可燃气体检测和脱除为一体，通过人机交互的控制界面可以采用手动和自动控制模式，操作简单；

3.冷热流体流通通道的交替设计，能够合理利用回收热量，节能、环保；

4.在净化器结构和净化催化剂组成上进行适当调整，能够满足不同污染源和空间要求，具有较强的适应性；

5.结构紧凑、便携；

附图说明

图1所示为本发明的结构示意图；

图2所示为本发明的套筒式净化器结构示意图；

图3所示为本发明的板（翅）式净化器结构示意图；

图4所示为本发明套筒式气体净化器的气体输入装置示意图；

图5所示为本发明板式气体净化器的气体输入装置示意图；

图例说明：

1：可视化操作界面

2：门把手

3:控制按钮

4:轴流风机

5:电加热器

6:原料气二次预热

7:气体吸入口防尘罩

8:净化后的气体冷却

9:净化催化剂

10：原料气一次预热

11：气体在线检测器

12：合页。

具体实施方式

除非另外指出，在本发明说明书和权利要求书中出现的所有数字，例如净化气体的进、出口温度范围，表示气体组分构成的体积百分比等数值均不应该被理解为绝对精确值，该数值是在本领域内的普通技术人员所理解的、公知技术所允许的误差范围内。在本发明说明书和权利要求书中出现的精确的数值应该被理解为构成本发明的部分实施例。尽管在本发明给出的实例中努力做到保证数值的精确性，但由于各种测量技术的标准偏差，任何测量得到的数值都不可避免地存在一定误差。

由于受应用环境中可燃气体的浓度限制，要求可燃气体净化器能够在较低的温度和较小的输入功率下实现可燃气体的高效脱除。因此，高活性的可燃气体燃烧催化剂开发和合理的反应器结构设计是本发明技术方案得以实施的前提。以Al₂O₃、CeO₂、ZrO₂、SiO₂、TiO₂等金属氧化物中的一种或几种为载体，通过担载Pd、Pt、Rh等一种或多种贵金属组分，能够显著提高催化剂对可燃气体的燃烧活性；而通过冷热流体交替设计的套筒或板式结构净化器能够显著提高净化器的能量效率，降低输入功率。

以下结合附图对本发明进行进一步详细说明：

开启可燃气体净化器控制面板上的操作按钮3，传感器11自动检测环境中的可燃气体组成，并实时在线显示在可视化操作界面上。当可燃气体浓度超过设定值时，自动开启电加热5，当温度达到设定值时，启动风机4；气体从吸入口防尘罩7中，进入气体净化反应器的预热通道10；被一次预热的气体进入二次预热通道6被进一步加热后，然后，进入放置电加热器5的通道；被加热后的气体进入到装填催化剂的反应通道，在催化剂上发生燃烧反应；反应尾气经过和未净化的原料气多次换热，从而被冷却；排出气体净化器；

本发明附图只是本发明简单的示意图，只公开了本发明最基本特征，图中只显示了套筒和板式结构的净化器以及填充式催化剂装填方式，本发明意图涵盖其他结构形式的可燃气体净化器。使用的催化剂的类型和在反应器内的填充或壁载形式将当然地取决于具体的应用场合。另外，附图其中省略了许多细节，例如电加热器、电磁阀门、净化气过滤系统等。熟悉本领域工作的技术人员完全可以根据附图披露的净化器基本特点设计出更为详细的设计图纸。

在本发明所述的集成式可燃气体净化器的实施方案中，净化器反应腔内填充的是颗粒甲烷燃烧催化剂或甲醛燃烧催化剂，是指以Al₂O₃、SiO₂、TiO₂、SnO₂、Co₃O₄、CeO₂和ZrO₂等为载体，负载Pd、Pt或Rh的催化剂。例如一个较佳的甲烷燃烧催化剂实例是以Pd为主要催化活性组分，以Al₂O₃为载体；一个较佳的甲醛燃烧催化剂实例是以Pt为活性组分，以TiO₂为载体。然而，在本发明所述的可燃气体净化器中，催化剂可以但不限于采用上面的较佳实例，任何在具有较高的活性和稳定性的可燃气体燃烧催化剂均可在本发明专利所述的集成式可燃气体净化器中应用。

以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，所属技术领域的技术人员可通过本说明书所揭示的内容理解本发明的其他特征与优点。本发明也可通过其它不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的精神下进行各种修改与变化。总之应该明白，具体实施例中提供的操作参数、净化器结构只是对代表本发明应用的许多可能的具体实施的举例说明。

实施例1：

在特定的应用场合，要求甲烷的浓度能够控制在2000ppm以下；启动净化器，在控制面板上设定开启电加热器和风机的甲烷浓度联锁启动值为2000ppm，当甲烷浓度低于100ppm时，自动停止电加热和风机，这样通过间歇启动气体净化器将室内甲烷浓度控制在100-2000ppm之内。如果要求处理气量为60L/min，集成式可燃气体净化器配置的电加热器功率为200w，装配一台3.6Nm³/h风机；净化器内装填Pd/Al₂O₃甲烷燃烧催化剂，在350°C便可以将室内2000ppm的甲烷完全脱除；由于甲烷和其他可燃气体相比，更易于氧化。因此，当甲烷完全脱除时，其他气体能够完全脱除。

实施例2：

由于甲醛对人体具有严重危害，会导致各种恶性病变。为此，我国要求公共场所甲醛的最大浓度不能超过0.12mg/m³。对于居室内，如果要求处理气量为60L/min，配置一台集成式可燃气体净化器，具体参数如下：

电加热器功率为：160w

风机气量：3.6Nm³/h

催化剂：Pt/TiO₂

反应温度：100°C

含有甲醛的气体，通过气体进化器后，能够被完全脱除。

Claims (11)

1.一种集成式可燃气体净化器，其特征在于：该净化器包括多层换热腔、加热启动腔、一层或多层反应腔；

原料气依次通过三个腔，腔与腔之间通过设置在腔体上的环隙、方隙或连接管道相连。

2.按照权利要求1所述的集成式可燃气体净化器，其特征在于：所述的多层换热腔和反应腔是环形或方形结构，换热腔内为管翅或板翅结构或是无翅片直通结构。

3.按照权利要求1所述的集成式可燃气体净化器，其特征在于：所述反应腔的内部装填颗粒、整体结构催化剂或壁载催化剂。

4.按照权利要求3所述的集成式可燃气体净化器，其特征在于：所述的颗粒、整体或壁载催化剂中，活性组分为Pd、Pt、Rh中的一种或几种，载体为Al₂O₃、CeO₂、ZrO₂、SiO₂、TiO₂、SnO₂金属氧化物中的一种或几种。

5.按照权利要求1所述的集成式可燃气体净化器，其特征在于：所述的净化器通过设置在线检测器来实时监测可燃气体浓度，并设置人机交互界面来手动调整设置参数。

6.一种利用权利要求1所述净化器脱除可燃气体的工艺，其特征在于：含微量可燃气的原料气被供入净化器的换热腔，原料气在多层换热腔内被预热；经过预热的原料气进入装填或壁载催化剂的反应腔，在反应腔内原料气中的微量可燃气体和原料气中的过量氧气发生催化燃烧反应；反应产品气进入和原料气交替的换热腔；经过多次冷却后，尾气排出系统；系统启动时，通过放置在加热启动腔内的电加热器来预热反应气体到催化剂起燃温度；进入反应或换热腔的原料气，通过反应或换热腔入口的气体分布器实现气体在腔内的均匀分布；当原料气中，可燃气体含量较高时，通过增加液体蒸发腔或其他吸热过程来实现热量的回收利用。

7.按照权利要求6所述利用净化器脱除可燃气体的工艺，其特征在于：所述的过量氧气来自于原料气或通过外界供入空气来补充。

8.按照权利要求6所述利用净化器脱除可燃气体的工艺，其特征在于：所述电加热器采用管式、管翅或平板式结构；为了降低反应床层阻力降，集成式可燃气体净化器采用径向反应器结构，电加热器采用梯形截面结构。

9.按照权利要求6所述利用净化器脱除可燃气体的工艺，其特征在于：所述净化器启动通过内置或外置可燃气体分析仪检测可燃气体浓度达到设定值，自动启动或停止气体净化器。

10.按照权利要求6所述利用净化器脱除可燃气体的工艺，其特征在于：气体通入方式是通过设置在反应器入口或出口的风机、气泵或带压工艺气体直接进入气体净化器。

11.权利要求1-5任意一项所述集成式可燃气体净化器的应用，其特征在于：该净化器适用于水下潜水设备或太空舱中的H₂、CH₄以及居室、车内的甲醛室内有机污染物的脱除；也适用于核反应堆中的氢氧复合或工艺气中的H₂、CO气体的脱除。