CN109012505A - 反应炉 - Google Patents

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CN109012505A
CN109012505A CN201810834880.0A CN201810834880A CN109012505A CN 109012505 A CN109012505 A CN 109012505A CN 201810834880 A CN201810834880 A CN 201810834880A CN 109012505 A CN109012505 A CN 109012505A
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邓帮林
陈阳阳
李庆
徐政欣
马正伟
王发东
冯仁华
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Shenzhen University
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Abstract

本申请涉及一种高温处理气体包括有害气体的反应炉,反应炉包括密封的腔体及进气口和出气口。所述腔体内含隔离层，所述隔离层包括电炉丝和微孔板。所述微孔板上设多个贯穿所述微孔板的通孔。所述电炉丝在所述微孔板上的投影至少部分覆盖所述通孔。气体在从所述进气口进入所述腔体后，在所述微孔板的作用下具备了一定的初始压力，再经过快速升温的电炉丝达到反应温度，最后完成反应，从所述微孔板流向所述出气口排出。本申请所述反应炉来料方便，制作简单，可以快速达到气体发生反应的特定温度和压力条件，进而提高所述反应炉的催化效率，对气体实现有效处理。

Description

反应炉
技术领域
本申请涉及环境技术与能源领域，尤其涉及一种高温催化处理气体的反应炉。
背景技术
反应炉是指提供特定条件(温度、压力等)让化学反应按既定方向进行继而得到设定目的(如产生所需成分，或消除某些成分等)的场所，广泛应用于有害气体处理及化工生产领域，如发电厂废气处理、车辆内燃机式发电机的尾气处理等有害气体处理，以及化工领域对化学原料的转化等应用。
现有技术中反应炉的有效工作窗口较窄，要提高反应炉对气体的处理效率，需要短时间内使得反应炉达到并保持特定的温度和压力等条件，避免冷启动时间过长等不利因素。同时，还需要采取一定措施，对长时间使用后反应炉的性能衰退问题加以控制。
发明内容
本申请提出一种可快速启动的反应炉，利用电加热和密闭空间升压等方式提高反应炉的催化效率。本申请反应炉包括如下技术方案：
一种反应炉，包括密封的腔体，以及沿第一方向分列所述腔体两端的进气口和出气口，所述腔体内含隔离层，所述隔离层沿所述第一方向将所述腔体分隔为第一内腔和第二内腔，所述进气口与所述第一内腔连通，所述隔离层包括电炉丝和微孔板，所述微孔板位于所述电炉丝远离所述进气口一侧，所述微孔板上设多个沿所述第一方向延伸的通孔，所述电炉丝沿所述第一方向在所述微孔板上的投影至少部分覆盖所述通孔，所述电炉丝用于加热所述第一内腔中的气体。
其中，所述电炉丝呈螺旋状，所述电炉丝的螺旋轴线设置在垂直于所述第一方向的第一截面上。
其中，所述螺旋轴线在所述第一截面上的排列方式，与多个所述通孔在所述微孔板上的排列方式相同，以使得所述电炉丝对多个所述通孔的覆盖面积更大。
其中，所述微孔板具有朝向所述电炉丝的第一平面，所述第一平面朝向所述电炉丝延伸出支撑段，所述支撑段用于固定所述电炉丝与所述微孔板的相对位置。
其中，所述微孔板具有朝向所述电炉丝的第一平面，所述第一平面具有远离所述电炉丝方向的第一凹槽，所述第一凹槽的形状与所述通孔的排列形状相同，以使得多个所述通孔均位于所述第一凹槽的底壁，所述第一凹槽用于收容并固定所述电炉丝。
其中，所述电炉丝上设有催化剂，所述催化剂用于提升所述反应炉的反应效率。
其中，所述隔离层沿所述第一方向间隔排布多个所述电炉丝。
其中，所述腔体包括内壁，所述进气口与所述第一方向呈夹角设置，以使得所述进气口朝向所述内壁进气。
其中，所述反应炉还包括与所述电炉丝电连接的控制器，所述腔体内设温度传感器，所述温度传感器将所述内腔的温度数据传输给所述控制器，所述控制器用于控制所述电炉丝的加热温度。
其中，所述微孔板包括沿所述第一方向层叠的第一板和第二板，所述第一板上包括多个第一微孔，所述第二板上包括多个第二微孔，所述第一微孔与所述第二微孔沿所述第一方向贯通以形成所述通孔，所述第一板和所述第二板活动连接，所述控制器控制所述第一板和所述第二板的相对位置以控制所述通孔的大小。
本申请所述反应炉，通过沿所述第一方向依次排列的所述进气口、所述腔体和所述出气口，形成了气体流通的路径。通过设置于所述腔体内的所述隔离层对气体进行高温催化。具体的，所述隔离层将所述腔体分隔为第一内腔和第二内腔，所述进气口与所述第一内腔连通。所述隔离层包括所述电炉丝和所述微孔板，所述电炉丝可在短时间内实现升温，所述微孔板可提供所述第一内腔一定的气压，进而使得所述第一内腔中的气体达到预设的温度和气压条件，可迅速完成化学反应，达到高效处理气体的目的。
附图说明
图1是本申请所述反应炉的剖面示意图；
图2是本申请所述微孔板的示意图；
图3是本申请所述微孔板与所述电炉丝配合的示意图；
图4是本申请所述微孔板另一实施例的示意图；
图5是本申请所述反应炉另一实施例的示意图；
图6是本申请所述微孔板再一实施例的示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
请参阅图1所示的反应炉100，包括密封的腔体10，以及沿第一方向001分列所述腔体10两端的进气口20和出气口30。可以理解的，需要进行化学反应的气体在所述腔体10内沿所述第一方向从所述进气口20一端流向所述出气口30一端。所述腔体10内设有隔离层40，所述隔离层40沿所述第一方向001将所述腔体10分隔为第一内腔101和第二内腔102，其中所述进气口10与所述第一内腔101连通。所述隔离层40包括电炉丝41和微孔板42，所述微孔板42相对于所述电炉丝41位于远离所述进气口10的一侧。即气体沿所述第一方向001流通时，需要先经过所述电炉丝41再流至所述微孔板42。所述微孔板42上设多个沿所述第一方向001延伸的通孔421。可以理解的，所述通孔421沿所述第一方向001贯穿所述微孔板42，使得气体能够通过所述通孔421从所述第一内腔101流至所述第二内腔102。所述微孔板42具有朝向所述所述电炉丝41一侧的第一表面422，所述电炉丝41沿所述第一方向001在所述第一表面422上的投影至少部分覆盖所述通孔421，气体在进入所述通孔421之前，需要先经过所述电炉丝41。
所述电炉丝41采用电控加热，具备升温速度快的优点。因此在本申请所述反应炉100启动后，所述电炉丝41可以快速达到气体发生反应的有效温度，从而促进气体的化学反应。另一方面，本申请所述反应炉100的腔体10为密封状态，气体可以通过所述进气口20较为顺畅的进入所述第一内腔101，但所述微孔板42因为隔断了所述腔体10，气体只能通过所述通孔421才能流向所述第二内腔102。此时，由所述进气口10进入所述第一内腔101的气体，加上所述第一内腔101内原有的气体，会因为所述进气口10和所述通孔421之间的流速差而在所述第一内腔101内形成一定的压力。
普遍来说，尾气中的有害气体内含有氧气，对有害气体的处理大多采用氧化，如下的反应式：
2CxHy+(2x+y/2)O2＝2xCO2+yH2O
汽车排放主要的有害物之一是碳氢化合物(CxHy)，式中x和y分别是碳原子数和氢原子数。例如常见的汽油车三元催化器，在催化作用下有害气体温度达到200℃以上即会开始反应。而对于非催化的环境，想要处理碳氢化合物，则需要很高的温度。在普通排气条件下难以达到反应所需的温度，因而本申请所述反应炉100设置加热环节，进而保障所述第一内腔101中反应的条件更充分。相对于能源/化工生产，气体在高温环境下，会因为化学键断裂而产生新的物质，习称为气体的裂解。比如能源化工领域常见的异辛烷裂解：
C8H18→8C+9H2
因为没有加入其它成分，异辛烷的裂解也称为干重整。另外还有加水的蒸汽重整形式，如甲醇：
CH3OH+H2O→3H2+CO2
上述反应都是能源化工领域常见的制氢手段，属于吸热反应，需要大量的热量，至少600℃以上才能达到比较高(90％及以上)的转化效率。每一种气体(包括有害气体)的气源对温度反应有差别，但对于高温环境的需求都类似。因此，本申请所述反应炉100通过所述电炉丝41来提供高温，使得所述腔体10内的气体温度能够尽快达到气体裂解的有效温度，可以较大的提高气体的裂解效率。同时，增大所述第一内腔101中的气压，进一步提高了气体的裂解效率，本申请反应炉100对气体的处理效率得以提高。
需要提出的是，异辛烷的裂解方程式以及甲醇的蒸汽重整方程式，实际过程非常复杂，反应步骤很多，此处只是一个反应方向的表述。
另一方面，氧化反应是放热反应，所以在催化条件下，对温度的需求相对较低。当然这也是相对的，HC和氧的浓度比值会使得不同的组分对温度要求不一样，比如长碳链的C8H18，在无催化条件下，需要600多℃才能获得较高的转换率。由于气体的裂解温度普遍较高，对于本申请所述反应炉100的材质，提出了相应的耐高温要求。本申请所述反应炉100可以采用陶瓷、不锈钢等材料来制备密封的所述腔体10，其中不锈钢材料的回火温度至少需要高于600℃，以免造成不锈钢的金相组织改变，影响使用寿命。
一种实施例见图4，为加大所述电炉丝41的发热效率，将所述电炉丝设置为螺旋状，且所述电炉丝41的螺旋轴线411设置在垂直于所述第一方向001的第一截面010上。螺旋状的所述电炉丝41因为所述轴线411均设置于所述第一截面010的位置，使得在所述第一方向001上所述电炉丝41相互之间距离最小，减小了热量的损失，可以进一步提高加热速度。
参见图2，对于多个所述通孔421在所述微孔板42上的排列，图2的实施例中为多个同心圆组成的圆环状排列方式。可以理解的，参看图3，所述电炉丝41对所述通孔421的覆盖面积越大，有害气体在进入所述通孔421前与所述电炉丝41的接触越充分。因此为了使得所述电炉丝41在所述第一截面010上的排列更贴合所述通孔421的排布，设置所述螺旋轴线411在所述第一截面010上的排列方式与多个所述通孔421在所述微孔板42上的排列方式相同，以使得所述电炉丝41对多个所述通孔421的覆盖面积更大。
在其余一些实施例中，多个所述通孔421在所述微孔板42上还可以呈阵列状、蜂窝状或螺旋状排列，都不影响本申请所述反应炉100的方案实施。且规则排列的所述通孔421有利于所述电炉丝41的布置，如螺旋状排列的所述通孔421，不需截断所述电炉丝41，直接通过整根所述电炉丝41缠绕即可完成布置。进一步的，所述通孔421的直径d宜设置尽量小(d≤3mm)，单位面积上的密度尽量高，在限流的同时分散气体在流经过程中的分布。
另一方面，在本申请的实施例中，所述反应炉100的所述内腔10在垂直于所述第一方向001的截面上为圆形，在其余一些实施例中，所述内腔10的截面形状可以为长方形、多边形或椭圆形等任意形状，都不影响本申请技术方案的实施。
关于所述电炉丝41在所述隔离层40中的固定，可以通过所述内腔10的腔壁11来固定，也可以通过所述微孔板42来固定。一种实施例见图1，所述微孔板42具有朝向所述电炉丝41的第一平面422。所述第一平面422朝向所述电炉丝41延伸出支撑段423，所述支撑段423用于固定所述电炉丝41与所述微孔板42的相对位置。这样可以使得所述隔离层40为一体安装之后，再装入所述腔体10中，避免了所述腔体10内部空间狭窄，先后安装所述微孔板42和所述电炉丝41会增加装配难度，也不利于拆卸等缺陷。
另一种实施例见图4，所述微孔板42在所述第一平面422远离所述电炉丝41的方向上设有的第一凹槽424。所述第一凹槽424的形状与所述通孔421的排列形状相同，以使得多个所述通孔421全部位于所述第一凹槽424的底壁上。进一步的，所述第一凹槽424用于收容并固定所述电炉丝41。
为了进一步催化气体的化学反应，在一些实施例中，还可以引入催化剂：含有Pt，Pd，Cu，Rh等元素的化合物。如汽车尾气处理中常见的三元催化器，采用的催化剂是Pt/Al2O3。催化剂可以设置于所述电炉丝41的外表面上，也可以进一步的设置于所述内壁11、所述第一平面422甚至所述通孔421的孔壁内。有害气体在与催化剂的接触过程中，其反应效率得到提升，或气体在催化剂的作用下可以降低反应所需的温度，在进一步提高所述反应炉100的反应效率同时节约能源。
需要提出的是，不同材料的催化剂对于不同分成的气体催化效率存在差异，将催化剂设置于所述电炉丝41的外表面，还利于本申请所述反应炉100根据不同的使用场景，通过更换设有不同成分催化剂的所述电炉丝41来更换相应的催化剂材料，针对性的设置催化剂材料可以获得更好的反应效率。
可以理解的，本申请所述反应炉100，其外壳可以拆卸，用于更换和清洗内部结构。当所述反应炉100使用较长时间后，所述通孔421可能因为沉积物而堵塞，所述腔体10的所述内壁11也可能集有残渣，对各个组件的清洗有利于提升所述反应炉100长时间使用后的反应效率，增长本申请反应炉100的使用寿命。
另一种实施例，见图5，所述隔离层40还可以沿所述第一方向001间隔排布多个所述电炉丝41，每个所述电炉丝41外表面上设置的催化剂成分不同，可以针对不同的气体选取适用的一个或多个所述电炉丝41采用通电加热，进而提升所述反应炉100的适用范围，达到一个反应炉兼容多种工作环境的效果。
一种实施例参见图1，所述进气口20与所述第一方向001呈直角设置，以使得所述进气口20朝向所述内壁11进气。这样的设置避免了气体从所述进气口20进入所述腔体10后，气流随惯性直接喷射到所述电炉丝41所对应的面积上，造成气体没有与整个所述电炉丝41充分接触，直接在惯性力的作用下从所述电炉丝41的对应面积以及所述微孔板42的对应面积内的所述通孔421流入了所述第二内腔102中。而气体先喷射至所述内壁11上，通过反弹再与所述电炉丝41接触，可以使得气体与所述电炉丝41的接触更充分，反应效率也更高。
可以理解的，所述进气口20与所述第一方向001的夹角不必完全垂直，只要所述进气口20是朝向所述内壁11进气，都能达到本实施例所描述的有益效果。
一种实施例见图5，所述反应炉100还包括与所述电炉丝41电连接的控制器50，所述腔体10内设有与所述控制器50电连接的温度传感器51。所述温度传感器51将所述内腔10的温度数据传输给所述控制器50，所述控制器50通过接受到的温度数据来控制所述电炉丝41的加热温度，使得所述内腔10内的温度始终处于较佳的数值范围之内，保证所述反应炉100处于较佳的工作状态。进一步的，所述腔体10内还可以设置压力传感器52，所述压力传感器52也与所述控制器50电连接，所述控制器50可以检测所述腔体10内的压力，进而调整所述电炉丝41的加热温度，达到与所述温度传感器51类似的效果。
实施例见图6，所述微孔板42包括沿所述第一方向001层叠的第一板425和第二板426。所述第一板425上包括多个第一微孔4211，所述第二板426上包括多个第二微孔4212。所述第一微孔4211与所述第二微孔4212的位置一一对应，所述第一微孔4211与所述第二微孔4212沿所述第一方向001贯通以形成所述通孔421。在图6的示意图中，所述第一板425和所述第二板426为爆炸图示意，在实际实施中需要所述第一板425与所述第二板426贴合以形成所述微孔板42，才能达到更好的实施效果。进一步的，所述第一板425和所述第二板426活动连接，所述控制器50控制所述第一板425和所述第二板426的相对位置以控制所述通孔421的大小。具体的，所述控制器50可以电连接传动系统，所述第一板425和所述第二板426之间的活动连接，可以通过所述传动系统来调整二者的相对位置。当所述第一板425与所述第二板426发生相对运动后，所述第一微孔4211与所述第二微孔4212形成错位，所述通孔421的通过面积变小。配合所述控制器50检测的所述内腔10的温度和气压数据，所述控制器控制所述通孔421的通过面积，可以进一步控制所述内腔10内的气压，进而控制所述反应炉100内部与气体反应相关的环境参数，使得所述反应炉100始终处于较佳的工作状态。
所述第一板425与所述第二板426的活动连接，当所述内腔10的截面形状为圆形时，所述第一板425与所述第二板426可以为转动连接，所述第一板425相对于所述内腔10固定，所述控制器50控制所述传动系统，使得所述第二板426相对于所述第一板425旋转以偏移角度；当所述内腔10的截面形状为方形时，所述第一板425与所述第二板426可以为滑动连接，所述第一板425同样固定于所述腔体10内部，所述第二板426在所述传动系统的带动下相对于所述第一板425滑动而产生偏移距离。类似的连接方式较多，均可获得相似的有益效果，本申请在此不做进一步限定。
以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种反应炉，其特征在于，包括密封的腔体，以及沿第一方向分列所述腔体两端的进气口和出气口，所述腔体内含隔离层，所述隔离层沿所述第一方向将所述腔体分隔为第一内腔和第二内腔，所述进气口与所述第一内腔连通，所述隔离层包括电炉丝和微孔板，所述微孔板位于所述电炉丝远离所述进气口一侧，所述微孔板上设多个沿所述第一方向延伸的通孔，所述电炉丝沿所述第一方向在所述微孔板上的投影至少部分覆盖所述通孔，所述电炉丝用于加热所述第一内腔中的气体。
2.如权利要求1所述反应炉，其特征在于，所述电炉丝呈螺旋状，所述电炉丝的螺旋轴线设置在垂直于所述第一方向的第一截面上。
3.如权利要求2所述反应炉，其特征在于，所述螺旋轴线在所述第一截面上的排列方式，与多个所述通孔在所述微孔板上的排列方式相同，以使得所述电炉丝对多个所述通孔的覆盖面积更大。
4.如权利要求3所述反应炉，其特征在于，所述微孔板具有朝向所述电炉丝的第一平面，所述第一平面朝向所述电炉丝延伸出支撑段，所述支撑段用于固定所述电炉丝与所述微孔板的相对位置。
5.如权利要求3所述反应炉，其特征在于，所述微孔板具有朝向所述电炉丝的第一平面，所述第一平面具有远离所述电炉丝方向的第一凹槽，所述第一凹槽的形状与所述通孔的排列形状相同，以使得多个所述通孔均位于所述第一凹槽的底壁，所述第一凹槽用于收容并固定所述电炉丝。
6.如权利要求1～5任一项所述反应炉，其特征在于，所述电炉丝上设有催化剂，所述催化剂用于提升所述反应炉的反应效率。
7.如权利要求6所述反应炉，其特征在于，所述隔离层沿所述第一方向间隔排布多个所述电炉丝。
8.如权利要求1～5任一项所述反应炉，其特征在于，所述腔体包括内壁，所述进气口与所述第一方向呈夹角设置，以使得所述进气口朝向所述内壁进气。
9.如权利要求1～5任一项所述反应炉，其特征在于，所述反应炉还包括与所述电炉丝电连接的控制器，所述腔体内设温度传感器，所述温度传感器将所述内腔的温度数据传输给所述控制器，所述控制器用于控制所述电炉丝的加热温度。
10.如权利要求9所述反应炉，其特征在于，所述微孔板包括沿所述第一方向层叠的第一板和第二板，所述第一板上包括多个第一微孔，所述第二板上包括多个第二微孔，所述第一微孔与所述第二微孔沿所述第一方向贯通以形成所述通孔，所述第一板和所述第二板活动连接，所述控制器控制所述第一板和所述第二板的相对位置以控制所述通孔的大小。
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