CN105536518A - 一种穿透式可装载催化剂模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种穿透式可装载催化剂模块，所述催化剂模块由多组笼式骨架结构体叠合而成，所述的笼式骨架结构体间通过底部、顶部的挡板和/或催化剂反应器侧壁围成多组上端开口和下端开口的中空腔体，所述上端开口和下端开口的中空腔体间彼此相邻。本发明利用穿透式可装载催化剂模块进行气体在催化剂床层中的催化反应，气体在催化剂通道中的强制穿透流动将增强气体与催化剂的接触，提高催化剂的反应效率，同时，由于气体多数流程发生在气体通道内，可有效减少催化剂模块的整体阻力，有利于该催化剂模块的大规模应用。结构简单、操作方便、实用性强。

Description

一种穿透式可装载催化剂模块

技术领域

本发明涉及烟气净化领域，特别涉及一种穿透式可装载催化剂模块。

背景技术

氮氧化物(NOx)是主要大气污染物之一，可以形成酸雨或酸雾，与碳氢化合物结合形成光化学烟雾，破坏臭氧层等。目前，60％以上的氮氧化物来自于煤燃烧产生的烟气。目前降低NOx排放的技术主要有低NOx燃烧技术、选择性非催化还原技术、选择性催化还原技术、NOx吸附脱除技术，而世界上应用最多、最为成熟且最有成效的一种烟气脱硝技术是选择性催化还原脱硝技术(SCR)。

SCR技术的核心是催化剂，目前国内外电厂使用最广泛的V₂O₅-WO₃/Ti-O₂催化剂，早期电厂使用的催化剂以粉末状、颗粒状为主。而粉末或者颗粒状催化剂烟道压降大、容易灰堵、抗硫抗中毒性能较差。九十年代以来，各催化剂公司、科研院校以及电厂再改良催化剂的同时将目光移向催化剂成型技术，目前应用比较多的催化剂形态以蜂窝状、平板状和波纹板状为主，基于生成产工艺，脱硝效率等原因，目前60～70％电厂的SCR催化剂为蜂窝状布置。传统的蜂窝式催化剂是将载体与其他活性组分以及陶瓷原料以均相方式结合，按一定配比混合、搓揉均匀后形成模压原料，采用模压工艺挤压成型为蜂窝状单元，最后组装成标准规格的催化剂模块。板式催化剂可以分为平板式催化剂和波纹板式催剂，平板式催化剂的生产工艺是在钢板、陶瓷板、玻璃纤维板以及钢丝网等机械强度较大的板体上负载具有催化活性的组分。

蜂窝状或板式催化剂在使用时，烟气在催化剂壁面间的通道内流动，气体和催化剂的接触面积较小。且此类催化剂活性组分在负载后均不可更换，催化剂失活后，需将对整个催化剂模块进行再生。若催化剂结构破损严重，则不可继续使用，需更换新的催化剂模块。

发明内容

基于上述缺点，本发明提出一种穿透式可装载催化剂模块，烟气可在催化剂壁面间穿透流动，增加气体与固体催化剂的接触，同时活性催化剂组分颗粒可装载，便于催化剂的更换和再生，同时可以反复使用。所述的穿透式可装载催化剂模块，由竖直布置的网状骨架组成，网状骨架之间间隔装载催化剂颗粒，将催化剂模块内分为催化剂通道和气体通道两类通道。由于催化剂通道由网状骨架和装载的颗粒状催化剂组成，故该催化剂通道可供气体穿透。比邻气体通道的入口间隔设置开式和闭式，气体通道的出口也间隔设置为开式和闭式，但设置方式与入口气体通道相反。气体从催化剂模块的开式气体入口进入模块，在气体通道内流动，同时由于该气体通道的出口为闭式，气体将穿透催化剂通道，从相邻气体通道开式出口流出。气体在催化剂通道中的强制穿透流动将增强气体与催化剂的接触，提高催化剂的反应效率，同时，由于气体多数流程发生在气体通道内，催化剂模块的整体阻力不大。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种穿透式可装载催化剂模块，所述催化剂模块由多组笼式骨架结构体叠合而成，所述的笼式骨架结构体间通过底部、顶部的挡板，或底部、顶部的挡板以及催化剂反应器侧壁围成至少一组上端开口和下端开口的中空腔体，所述上端开口和下端开口的中空腔体间彼此相邻；催化剂填充于所述笼式骨架结构体中。

优选的，所述催化剂模块安装于催化剂反应器内。

本发明中将进气通道的底端设置为闭合式，在气体流量不变的情况下，大幅提高了气体横向分压，且气体与催化剂为横向接触方式，接触面积更大(实际相当于提高了催化剂的比表面积)，行程更短，不易堵灰，气流和催化剂的利用率都明显提升。

优选的，所述笼式骨架结构体为圆柱形、三角形、梯形或异形体。

使用中，本发明的笼式骨架结构体可为任意形状，根据实际的反应器形状进行设计和叠合，保证形成至少一个上端开口的中空腔体和一个下端开口的中空腔体，上述的腔体彼此相邻，气体可从一个腔体穿透到另一个腔体。

优选的，所述笼式骨架结构体为矩形，其中，相邻的三组矩形笼式骨架结构体间，最左端的笼式骨架结构体与中间的笼式骨架结构体通过顶部挡板相连，中间的笼式骨架结构体与最右端的笼式骨架结构体通过底部挡板相连；或最左端的笼式骨架结构体与中间的笼式骨架结构体通过底部挡板相连，中间的笼式骨架结构体与最右端的笼式骨架结构体通过顶部挡板相连。

优选的，所述笼式骨架结构体为矩形，通过交替设置在笼式骨架结构体顶部和底部的挡板形成波浪形连接。

优选的，所述上端开口的中空腔体开口端的横截面积大于底端的横截面积。底部横截面积的减少，可以进一步提高气体横向压力，同时，由于对应侧下端开口的中空腔体的底端横截面积的相应增大，穿透后的气体排出速度加快，保证了该侧的气体分压基本保持不变，从而进一步提高了气体催化效率。

优选的，所述催化剂的粒径根据反应及催化剂特性进行选取，本发明中优选的催化剂的粒径为200微米～5毫米。理论上，催化剂粒径越小，比表面积越大，但实际中，考虑到成本和工艺的要求，对催化剂的粒径进行了优选，发现：当催化剂的粒径为200微米～5毫米时，即可满足一般的SCR法烟气脱硝要求。

优选的，所述笼式骨架结构体采用铁丝网或网孔板制成，网孔的尺寸低于催化剂平均粒径的三分之一。保证使用过程中催化剂颗粒不会溢出，且尽量降低加工难度。

优选的，所述上端开口的中空腔体为气体通道，所述气体通道的宽度为笼式骨架结构体宽度的0.5～2倍。二者比例过小，气体横向流速过大，单位体积催化剂处理的气体量过大，部份氮氧化物无法有效脱除；二者比例过大，气体横向分压不足，部分外侧催化剂利用率较低，且增加了能耗和设备体积。

优选的，所述催化剂通道(笼式骨架结构)的截面厚度具体值由催化剂颗粒的平均粒径确定。本发明中，根据现有气体的流速和气体通道与催化剂通道的径向长度和比例，优选的催化剂通道(笼式骨架结构)的截面厚度为催化剂平均粒径的5～40倍。

更优选的，所述催化剂通道(笼式骨架结构)的截面厚度选取范围为5毫米～40毫米。

优选的，挡板采用铁片或铝片等金属片，厚度选取为0.2～1毫米。

优选的，所述催化剂模块内的气体流通速度为0.5～2m/s。与现有的蜂巢式或平板式催化剂要求8m/s的流速不同(现有研究表明：现有的催化剂反应器中，气体在催化剂通道内穿过，在速度低于3m/s的区域，飞灰就有可能附着在催化剂上，阻止催化剂与烟气接触)本发明的结构设计大幅减少了系统阻力，避免了因未催化剂间隙过小导致的堵灰的问题。

矩形笼式骨架结构体的长边的长度一定的情况下，厚度越长，则理论上处理效果越好，在试验过程中发现，当厚度达到一定长度的时候，则气体脱除量的增长就非常不明显，主要因为随着厚度增加，在矩形笼式骨架结构体末端的分压也越来越低，随着分压降低到一定程度，则会导致催化效果不明显，相反还增加了材料的成本，同时，处理过程中，如果气体通道两侧壁的夹角过大或过小，也容易造成处理效果的恶化，因为随着角度的增加，气体横向分压减小，造成相邻笼式骨架结构体之间边界过于狭小，恶化气体流通，气体通道两侧间距过小影响了催化剂处理效率的均一性，因此气体通道两侧矩形笼式骨架结构体的厚度、长边长、夹角之间满足一个最优化的尺寸关系。为此，本发明通过多个不同尺寸的催化剂模块的上千次试验数据总结出了最佳的笼式骨架结构体的尺寸优化关系。

优选的，所述气体通道两侧的笼式骨架结构体间的夹角为α，二者结构相同，笼式骨架结构体的长边长度为L，厚度为D，上述三者的关系满足如下公式：

$L=sin\left(\frac{\mathrm{\α}}{2}\right)\·({\mathrm{aD}}^2-bD+c)$

其中，a的范围为0.92-1.10，b的范围为1.87-2.31，c的范围为6-7。

本发明还提供了一种催化剂反应器，包括上述任一项所述的催化剂模块。

本发明的有益效果：

1.本发明利用穿透式可装载催化剂模块进行气体在催化剂床层中的催化反应，气体在催化剂通道中的强制穿透流动将增强气体与催化剂的接触，提高催化剂的反应效率，同时，由于气体多数流程发生在气体通道内，可有效减少催化剂模块的整体阻力，有利于该催化剂模块的大规模应用。

2.催化剂模块中的催化剂颗粒可装载，方便催化剂的更新与切换，提高催化剂床层的可操作性。失活的催化剂颗粒可取出进行再生，有利于再生过程的高效进行，为催化剂的再生和重新填装提供便利，同时催化剂模块可重复利用，可节约催化剂成型成本。

3.结构简单、操作方便、实用性强。

附图说明

图1催化剂模块示意图

图2催化剂模块顶端局部细节示意图。1.挡板，2.催化剂区间，3.烟气进口

图3催化剂模块内部气体流动示意图。1.顶端挡板，2.气体入口，3.催化剂区壁面，4.催化剂，5.底端挡板，6.气体出口。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

一种穿透式可装载催化剂模块，所述催化剂模块由多组笼式骨架结构体叠合而成，所述的笼式骨架结构体间通过底部、顶部的挡板和/或催化剂反应器侧壁围成至少一组上端开口和下端开口的中空腔体，所述上端开口和下端开口的中空腔体间彼此相邻；催化剂填充于所述笼式骨架结构体中。

本发明中将进气通道的底端设置为闭合式，在气体流量不变的情况下，大幅提高了气体横向分压，且气体与催化剂为横向接触方式，接触面积更大(实际相当于提高了催化剂的比表面积)，行程更短，不易堵灰，气流和催化剂的利用率都明显提升。

使用中，本发明的笼式骨架结构体可为任意形状，根据实际的反应器形状进行设计和叠合，保证形成至少一个上端开口的中空腔体和一个下端开口的中空腔体，上述的腔体彼此相邻，气体可从一个腔体穿透到另一个腔体。

实施例2

与实施例1的不同之处在于，所述笼式骨架结构体为矩形，其中，相邻的三组矩形笼式骨架结构体间，最左端的笼式骨架结构体与中间的笼式骨架结构体通过顶部挡板相连，中间的笼式骨架结构体与最右端的笼式骨架结构体通过底部挡板相连；或最左端的笼式骨架结构体与中间的笼式骨架结构体通过底部挡板相连，中间的笼式骨架结构体与最右端的笼式骨架结构体通过顶部挡板相连。

实施例3

与实施例1的不同之处在于，所述上端开口的中空腔体开口端的横截面积大于底端的横截面积。优选的，所述上端开口的中空腔体开口端的横截面积大于底端的横截面积。底部横截面积的减少，可以进一步提高气体横向压力，同时，对应侧下端开口的中空腔体的底端横截面积也必然相应增大，便于穿透后的气体快速排出，保证了该侧的气体分压基本保持不变，从而进一步提高了气体催化效率。

实施例4

与实施例1的不同之处在于，所述催化剂的粒径根据反应及催化剂特性进行选取，本发明中优选的催化剂的粒径为200微米～5毫米。

所述催化剂的粒径根据反应及催化剂特性进行选取，本发明中优选的催化剂的粒径为200微米～5毫米。理论上，催化剂粒径越小，比表面积越大，但实际中，考虑到成本和工艺的要求，对催化剂的粒径进行了优选，发现：当催化剂的粒径为200微米～5毫米时，即可满足一般的SCR法烟气脱硝要求。

实施例5

与实施例1的不同之处在于，所述笼式骨架结构体采用铁丝网或网孔板制成，网孔的尺寸低于催化剂平均粒径的三分之一。保证使用过程中催化剂颗粒不会溢出，且尽量降低加工难度。

实施例6

与实施例1的不同之处在于，所述上端开口的中空腔体为气体通道，所述气体通道的宽度为笼式骨架结构体宽度的0.5～2倍。所述上端开口的中空腔体为气体通道，所述气体通道的宽度为笼式骨架结构体宽度的0.5～2倍。二者比例过小，气体横向流速过大，单位体积催化剂处理的气体量过大，部份氮化气体无法有效脱除，二者比例过大，气体横向分压不足，部分外侧催化剂利用率较低，且增加了能耗和设备体积。

实施例7

与实施例1的不同之处在于，所述催化剂通道的截面厚度选取范围为5毫米～40毫米，具体值由催化剂颗粒的平均粒径确定，一般选取为催化剂平均粒径的5～40倍。

所述催化剂通道(笼式骨架结构)的截面厚度具体值由催化剂颗粒的平均粒径确定。本发明中，根据现有气体的流速和气体通道与催化剂通道的径向长度和比例，本发明中优选的催化剂通道(笼式骨架结构)的截面厚度为催化剂平均粒径的5～40倍。

实施例8

与实施例1的不同之处在于，所述催化剂通道(笼式骨架结构)的截面厚度选取范围为5毫米～40毫米。

实施例9

与实施例1的不同之处在于，挡板可采用铁片或铝片等金属片，厚度选取为0.2～1毫米。

实施例10

与实施例1的不同之处在于，所述催化剂模块内的气体流通速度为0.5～2m/s。与现有的蜂巢式或平板式催化剂要求8m/s的流速不同(现有研究表明：现有的催化剂反应器中，气体在催化剂通道内穿过，在速度低于3m/s的区域，飞灰就有可能附着在催化剂上，阻止催化剂与烟气接触)本发明的结构设计大幅减少了系统阻力，避免了因未催化剂间隙过小导致的堵灰的问题。

实施例11

与实施例1的不同之处在于，所述气体通道两侧的笼式骨架结构体间的夹角为α，二者结构相同，笼式骨架结构体的长边长度为L，厚度为D，上述三者的关系满足如下公式：

$L=sin\left(\frac{\mathrm{\α}}{2}\right)\·({\mathrm{aD}}^2-bD+c)$

其中，a的范围为0.92-1.10，b的范围为1.87-2.31，c的范围为6-7。

矩形笼式骨架结构体的长边的长度一定的情况下，厚度越长，则理论上处理效果越好，在试验过程中发现，当厚度达到一定长度的时候，则气体脱除量的增长就非常不明显，主要因为随着厚度增加，在矩形笼式骨架结构体末端的分压也越来越低，随着分压降低到一定程度，则会导致催化效果不明显，相反还增加了材料的成本，同时，处理过程中，如果气体通道两侧壁的夹角过大或过小，也容易造成处理效果的恶化，因为随着角度的增加，气体横向分压减小，造成相邻笼式骨架结构体之间边界过于狭小，恶化气体流通，气体通道两侧间距过小影响了催化剂处理效率的均一性，因此气体通道两侧矩形笼式骨架结构体的厚度、长边长、夹角之间满足一个最优化的尺寸关系。为此，本发明通过多个不同尺寸的催化剂模块的上千次试验数据总结出了最佳的笼式骨架结构体的尺寸优化关系。

实施例12

与实施例1的不同之处在于，所述笼式骨架结构体为圆柱形、三角形、梯形或异形体。

实施例13

本发明还提供了一种催化剂反应器，包括上述任一项实施例所述的催化剂模块。

实施例14

一种穿透式可装载催化剂模块，由竖直布置的网状骨架组成，网状骨架之间间隔装载催化剂颗粒，将催化剂模块内分为催化剂通道和气体通道两类通道。由于催化剂通道由网状骨架和装载的颗粒状催化剂组成，故该催化剂通道可供气体穿透。比邻气体通道的入口间隔设置开式和闭式，气体通道的出口也间隔设置为开式和闭式，但设置方式与入口气体通道相反。气体从催化剂模块的开式气体入口进入模块，在气体通道内流动，同时由于该气体通道的出口为闭式，气体将穿透催化剂通道，从相邻气体通道开式出口流出。气体在催化剂通道中的强制穿透流动将增强气体与催化剂的接触，提高催化剂的反应效率，同时，由于气体多数流程发生在气体通道内，催化剂模块的整体阻力不大。

实施例15

与实施例14的不同之处在于，所述催化剂的粒径根据反应及催化剂特性进行选取，一般平均粒径范围为200微米～5毫米。

实施例16

与实施例14的不同之处在于，所述网状骨架可采用铁丝网或网孔板，网孔的尺寸低于催化剂平均粒径的三分之一。

实施例17

与实施例14的不同之处在于，所述催化剂通道的截面厚度选取范围为5毫米～40毫米，具体值由催化剂颗粒的平均粒径确定，一般选取为催化剂平均粒径的5～40倍。

实施例18

与实施例14的不同之处在于，所述气体通道的宽度选取为催化剂通道宽度的0.5～2倍。

实施例19

与实施例14的不同之处在于，所述气体通道入口或出口设置为开式时，该入口或出口留空；气体通道入口或出口设置为闭式时，该入口或出口用挡板封住，挡板可采用铁片或铝片等金属片，厚度选取为0.2～1毫米。

实施例20

与实施例14的不同之处在于，所述催化剂模块内的气体流通速度应控制在0.5～2m/s。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种穿透式可装载催化剂模块，其特征在于，所述催化剂模块由多组笼式骨架结构体叠合而成，所述的笼式骨架结构体间通过底部、顶部的挡板围成至少一组上端开口和下端开口的中空腔体，所述上端开口和下端开口的中空腔体间彼此相邻；催化剂填充于所述笼式骨架结构体中。

2.如权利要求1所述的催化剂模块，其特征在于，所述笼式骨架结构体为矩形，通过交替设置在笼式骨架结构体顶部和底部的挡板形成波浪形连接。

3.如权利要求1所述的催化剂模块，其特征在于，所述上端开口的中空腔体开口端的横截面积大于底端的横截面积。

4.如权利要求1所述的催化剂模块，其特征在于，所述催化剂的粒径为200微米～5毫米。

5.如权利要求1所述的催化剂模块，其特征在于，所述笼式骨架结构体采用铁丝网或网孔板制成，网孔的尺寸低于催化剂平均粒径的三分之一。

6.如权利要求1所述的催化剂模块，其特征在于，所述上端开口的中空腔体为气体通道，所述气体通道的宽度为笼式骨架结构体宽度的0.5～2倍。

7.如权利要求1所述的催化剂模块，其特征在于，所述催化剂模块内的气体流通速度为0.5～2m/s。

8.如权利要求2所述的催化剂模块，其特征在于，所述上端开口的中空腔体为气体通道，所述气体通道两侧的笼式骨架结构体间的夹角为α，二者结构相同，笼式骨架结构体的长边长度为L，厚度为D，上述三者的关系满足如下公式：

$L=\sin \left(\frac{\mathrm{\α}}{2}\right)\·({\mathrm{aD}}^2-bD+c)$

其中，a的范围为0.92-1.10，b的范围为1.87-2.31，c的范围为6-7。

9.如权利要求1所述的催化剂模块，其特征在于，所述笼式骨架结构体为圆柱形、三角形、梯形或异形体。

10.一种催化剂反应器，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的催化剂模块。