CN109200803A - 静电场协同耦合催化剂整体式反应器 - Google Patents
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Abstract
一种静电场协同耦合催化剂整体式反应器,包括:迴转式管式电加热炉以及设置于其中的高压直流电发生装置,该高压直流电发生装置包括:设置于迴转式管式电加热炉内的金属极板以及与之相连的位于迴转式管式电加热炉外的高压直流电源。本发明将甲烷催化氧化催化剂辅以静电场的作用,利用静电场和甲烷催化氧化催化剂之间的协同效应,将静电场和催化剂同时作用于甲烷的催化氧化,从而提高甲烷催化氧化催化剂在低温段的催化效率。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种环境保护领域的技术,具体是一种在低温温度区间去除所有的 VOCs类及其他的一些污染气体的静电场协同耦合催化剂整体式反应器。
背景技术
沸点在室温至260℃之间的挥发性有机化合物(VOC)是空气污染的重要污染源,目前各国对于VOC类气体的排放限制越来越严格。考虑到安全、成本以及实际的转化环境等因素,在低温下实现低浓度的VOC类气体的完全催化氧化具有重要的意义。而甲烷则为VOC类气体中最难催化氧化的气体之一。
天然气主要的化学成分为甲烷,有着很高的氢碳比,产生的温室气体CO2量也相对较少,因此天然气是一种比较理想的燃料。随着世界能源需求的飞速增长以及对环境保护的严格要求,天然气在世界能源供应中的支撑和替代作用越来越明显和重要,被认为是最有发展前景的清洁能源。天然气汽车相比于相同排量的传统柴油车和汽油车,排放的HC量降低了62%、CO量降低了99%、NOx量降低了39%、CO2量降低了24%、SO2量降低了90%,噪声降低40%。但天然气汽车尾气中排放的甲烷量是汽油车的十倍左右,浓度大约为几千ppm,属于低浓度甲烷,去除比较困难。另外,煤层气(俗称瓦斯)是一种非常规天然气,其成分与天然气相差无几,在实际应用中可以作为与常规天然气一样的能源使用。在煤矿的通风中,含有低浓度的甲烷 (0.3%~0.5%左右),但煤矿通风气排量巨大,因此甲烷总排放量很大。
甲烷是一种很强的温室气体,其温室效应要比CO2强21倍,在大气中一般可以停留10 年之久。控制煤矿、天然气发动机等的低浓度甲烷排放是全球面临的重要难题。低浓度甲烷因达不到可燃条件,很难直接用燃烧方法去除。催化氧化被认为是去除低浓度甲烷的有效办法。一般来说,催化剂在低温阶段由于反应活化能较高,较难起活。而在静电场的作用下,低温阶段催化剂催化氧化甲烷的效率能得到显著的提升。因此,一套完备的用于低温温度区间去除甲烷气体的静电场协同耦合催化剂整体式反应器的设计就具有重大的现实意义。
发明内容
本发明针对现有技术单纯依靠催化氧化甲烷催化剂的作用,天然气发动机尾气和煤矿通风系统中的低浓度甲烷只有在温度在300℃以上才能起活,而在低温工况下催化剂几乎没有催化活性的缺陷,提出一种静电场协同耦合催化剂整体式反应器,将甲烷催化氧化催化剂辅以静电场的作用,利用静电场和甲烷催化氧化催化剂之间的协同效应,将静电场和催化剂同时作用于甲烷的催化氧化,从而提高甲烷催化氧化催化剂在低温段的催化效率。
本发明是通过以下技术方案实现的:
本发明包括:迴转式管式电加热炉以及设置于其中的高压直流电发生装置,该高压直流电发生装置包括:设置于迴转式管式电加热炉内的金属极板以及与之相连的位于迴转式管式电加热炉外的高压直流电源。
所述的金属极板包括:对称设置于迴转式管式电加热炉内的两个高压电极以及与之相连的用于产生静电场的泡沫金属板,其中:高压电极的一端与泡沫金属板为一体化结构,另一端通过鳄鱼夹与高压直流电源相连,泡沫金属板之间装填有甲烷催化氧化催化剂的同轴式高压直流电整体式催化反应器,高压直流电源通过鳄鱼夹、高压电极、泡沫金属板在甲烷催化氧化催化剂中则形成静电场;并在静电场的作用下,甲烷催化氧化催化剂中的晶格氧转化为表面活性氧,从而提升催化剂催化氧化甲烷的能力。
所述的高压直流电源为一个恒流输出电流,电流可调节范围为0mA-100mA,其电压的大小取决于甲烷催化氧化催化剂的电阻大小,一般范围为0kV-1kV。
所述的高压电极上设有用于测量温度的热电偶,该热电偶将温度信号输出至外部的热电偶数字温度表。
所述的热电偶为K型热电偶,该K型热电偶的一端与泡沫金属板相接触以实时测量催化剂床层的温度,K型热电偶的另一端连接上热电偶数字温度表,实时显示温度示数;该K型热电偶的直径为1mm,长度为450mm;整体式反应器出气端的轴心处是另一根不锈钢芯棒高压电极穿过。
所述的高压电极为不锈钢制成,等效直径为4mm,长度为400mm。
所述的高压电极的中间段加工成螺旋状从而固定设置于置于迴转式管式电加热炉的轴心处,通过螺纹旋入深度来调节高压电极进入迴转式管式电加热炉中的深度。
所述的迴转式管式电加热炉采用程序升温迴转式管式电加热炉,包括:石英管反应器以及设置于其中的温度传感器。
所述的石英管反应器的内径为8mm,外径为12mm,长度为600mm;
所述的石英管反应器的两端分别设有进气端和出气端以及对应的导管,所述的高压电极分别通过进气端和出气端将金属极板固定设置于石英管反应器内的确定位置。
所述的进气端与进气导气管连接,出气端与出气导气管连接。
技术效果
与现有技术相比,本发明利用静电场与固体催化剂之间的协同功效:相对于单纯的静电场法,可以依靠催化作用吸附气体实现较长的停留时间和化学反应定向控制,提高甲烷去除效率;另一方面,可以利用静电场激活催化反应,降低反应温度。静电场可通过如下途径激活催化反应:第一,静电场中的电子使反应物分子获得能量,有利于其在催化剂活性中心上进行化学吸附,延长停留时间;第二,各种活性粒子直接作用于催化剂的活性中心,参与催化反应;第三,在静电场中的高能电子的作用下,有利于反应产物从催化剂表面脱附。
本发明的技术效果进一步包括:
1、本发明充分发挥了静电场和甲烷催化氧化催化剂之间的协同效应,通过将静电场与甲烷催化氧化催化剂两者有机的耦合,即将甲烷催化氧化催化剂置于恒流输出的静电场中,甲烷及通电反应过程中的中间物种在催化剂表面的吸附使其在反应区有更长停留时间和更高的去除效率,通电后,催化剂中的晶格氧更容易转化为表面活性氧,催化剂氧化甲烷的能力得到了显著地提升,从而实现了催化剂在低温阶段就有很好的甲烷去除效率。
2、静电场协同耦合催化剂整体式反应器效率高且安全可靠,仅消耗1-2W左右的功率即可实现低温阶段甲烷去除效率20%-40%的提升,经济性好。
3、静电场协同耦合甲烷催化氧化催化剂整体式反应器在常温常压下工作,无噪音,且理论上可以实现无限次通电,该装置恒流输出的电流范围是可调的。
4、静电场协同耦合甲烷催化氧化催化剂整体式反应器可以适用于绝大多数可以导电的甲烷催化氧化催化剂,适用性好,并且此催化剂可方便拆卸,便于灵活更换催化剂。
5、该整体式反应器装置构造简单,制造方便,重量和体积较小,操作方便,使用寿命长。
6、静电场协同耦合甲烷催化氧化催化剂整体式反应器不仅仅只限于用于甲烷的催化氧化,可以推广应用到所有的VOCs类及其他的一些污染气体的催化氧化中,仅需更换使用对应可导电的催化剂即可。
附图说明
图1为本发明结构示意图;
图中:1高压直流电源、2电源控制开关、3程序升温迴转式管式电加热炉温度传感器、 4鳄鱼夹、5程序升温迴转式管式电加热炉、6K型热电偶、7热电偶数字温度表、8高压电极、 9进气端、10石英管反应器、11泡沫金属板、12甲烷催化氧化催化剂、13出气端、14出气导气管、15进气导气管。
具体实施方式
如图1所示,本实施例中涉及一种用于低温温度区间去除VOCs气体的静电场协同耦合催化剂整体式反应器,包括:高压直流电发生装置、程序升温迴转式管式电加热炉5、
高压直流电源1、电源控制开关2、鳄鱼夹4、高压电极8、泡沫金属板11,其中:高压直流电发生装置采用装填有甲烷催化氧化催化剂12的同轴式高压直流电整体式催化反应器。
即高压直流电源1通过鳄鱼夹4、高压电极8、泡沫金属板11及中间的甲烷催化氧化催化剂12形成一个闭合的通电回路,在甲烷催化氧化催化剂12存在下,同时施加一个静电场,结构简单,电流稳定、均匀、散漫;
程序升温迴转式管式电加热炉温度传感器3,甲烷催化氧化催化剂12,石英管反应器 10,进气端9,出气端13;
石英管反应器10采用石英玻璃材质,其内径为8mm,外径为12mm,长度为600mm;
中间段加工成螺旋状的不锈钢芯棒高压电极8置于石英管反应器10轴心处,通过螺纹旋入深度来调节不锈钢芯棒高压电极8进入石英管反应器10中的长度;
不锈钢芯棒高压电极8的等效直径为4mm,长度为400mm;
整体式反应器进气端9的一端与进气导气管15连接,轴心处有不锈钢芯棒高压电极8 穿过;
整体式反应器出气端13的一端与出气导气管14连接,另一端有K型热电偶6穿过,K型热电偶6的一端接触泡沫金属板11,实时测量催化剂床层的温度,K型热电偶6的另一端连接上热电偶数字温度表7,实时显示温度示数;
K型热电偶6的直径为1mm,长度为450mm;整体式反应器出气端13的轴心处是另一根不锈钢芯棒高压电极穿过。
高压直流电源1为一个恒流输出电流,电流可调节范围为0mA-100mA,其电压的大小取决于甲烷催化氧化催化剂12的电阻大小,一般范围为0kV-1kV。
所述的甲烷催化氧化催化剂12装填于两片泡沫金属板11间隙中,鳄鱼夹4、高压电极 8、进气端9、泡沫金属板11、甲烷催化氧化催化剂12、出气端13、出气导气管14、进气导气管15、K型热电偶6和热电偶数字温度表7都是可拆卸的,便于灵活更换催化剂。
所述的甲烷催化氧化催化剂12为:导电的陶瓷蜂窝载体催化剂或粒状催化剂,其中陶瓷蜂窝载体催化剂通孔的轴线与整体式反应器的轴线同向,该甲烷催化氧化催化剂12在温度为100℃~550℃对于催化氧化甲烷有一定的效果。
本装置的工作过程为:
在静电场协同耦合催化剂整体式反应器开始工作之前,首先在石英管反应器10中装填好甲烷催化氧化催化剂12,然后在两端装上泡沫金属板11,按照图1所示的装置图装好装置。紧接着,在经过实验预处理后,从进气导气管15通入实验反应气体,打开电源控制开关2,在甲烷催化氧化催化剂12上施加一个恒流输出的电场,通过调节高压直流电源1的电流开关来控制恒流输出的电流大小,通过程序升温迴转式管式电加热炉5来控制实验的反应温度,同时通过热电偶数字温度表7来读取催化剂床层的实时反应温度。
用图1所示的静电场协同耦合催化剂整体式反应器,来测试1%PdCeZr系列催化剂催化氧化甲烷的催化性能。评价实验中,含有甲烷的气体空速为30000h-1,其中甲烷所占体积浓度为0.2%(2000ppm),氧气所占体积浓度为1%,其余为配气氮气,反应温度为200~500℃。 CH4、CO和CO2均用傅里叶变换红外光谱仪及其气体池附件测定。测试时,分别在不通电情况下和通以3mA恒流直流电流情况下测试不同反应温度下(100~550℃)催化剂催化氧化甲烷的效率。实验结果见表1。
表1不同反应温度下(200~500℃)催化剂催化氧化甲烷活性评价结果
注:其中的催化剂A:1%PdCe0.25Zr0.75B:1%PdCe0.5Zr0.5C:1%PdCe0.75Zr0.25
带*角标的表示通电情况下的甲烷去除效率
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整,本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限,在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (10)
1.一种静电场协同耦合催化剂整体式反应器,其特征在于,包括:迴转式管式电加热炉以及设置于其中的高压直流电发生装置,该高压直流电发生装置包括:设置于迴转式管式电加热炉内的金属极板以及与之相连的位于迴转式管式电加热炉外的高压直流电源;
所述的金属极板包括:对称设置于迴转式管式电加热炉内的两个高压电极以及与之相连的用于产生静电场的泡沫金属板,其中:高压电极的一端与泡沫金属板为一体化结构,另一端通过鳄鱼夹与高压直流电源相连,泡沫金属板之间装填有甲烷催化氧化催化剂的同轴式高压直流电整体式催化反应器,高压直流电源通过鳄鱼夹、高压电极、泡沫金属板在甲烷催化氧化催化剂中则形成静电场;并在静电场的作用下,甲烷催化氧化催化剂中的晶格氧转化为表面活性氧,从而提升催化剂催化氧化甲烷的能力。
2.根据权利要求1所述的静电场协同耦合催化剂整体式反应器,其特征是,所述的高压直流电源为一个恒流输出电流,电流可调节范围为0mA-100mA,其电压的大小取决于甲烷催化氧化催化剂的电阻大小,一般范围为0kV-1kV。
3.根据权利要求1所述的静电场协同耦合催化剂整体式反应器,其特征是,所述的高压电极上设有用于测量温度的热电偶,该热电偶将温度信号输出至外部的热电偶数字温度表。
4.根据权利要求1所述的静电场协同耦合催化剂整体式反应器,其特征是,所述的热电偶为K型热电偶,该K型热电偶的一端与泡沫金属板相接触以实时测量催化剂床层的温度,K型热电偶的另一端连接上热电偶数字温度表,实时显示温度示数;该K型热电偶的直径为1mm,长度为450mm;整体式反应器出气端的轴心处是另一根不锈钢芯棒高压电极穿过。
5.根据权利要求1所述的静电场协同耦合催化剂整体式反应器,其特征是,所述的高压电极为不锈钢制成,等效直径为4mm,长度为400mm。
6.根据权利要求1所述的静电场协同耦合催化剂整体式反应器,其特征是,所述的高压电极的中间段加工成螺旋状从而固定设置于置于迴转式管式电加热炉的轴心处,通过螺纹旋入深度来调节高压电极进入迴转式管式电加热炉中的深度。
7.根据权利要求1所述的静电场协同耦合催化剂整体式反应器,其特征是,所述的迴转式管式电加热炉采用程序升温迴转式管式电加热炉,包括:石英管反应器以及设置于其中的温度传感器。
8.根据权利要求1所述的静电场协同耦合催化剂整体式反应器,其特征是,所述的石英管反应器的内径为8mm,外径为12mm,长度为600mm。
9.根据权利要求1所述的静电场协同耦合催化剂整体式反应器,其特征是,所述的石英管反应器的两端分别设有进气端和出气端以及对应的导管,所述的高压电极分别通过进气端和出气端将金属极板固定设置于石英管反应器内的确定位置。
10.根据权利要求1所述的静电场协同耦合催化剂整体式反应器,其特征是,所述的进气端与进气导气管连接,出气端与出气导气管连接。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190115 |
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