CN110550603B - 一种烷烃类尾气的处理装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种烷烃类尾气的处理装置和方法，包括混气设备，裂解反应装置、氢气输出管道，所述混气设备包括尾气输入管道、稀释气体输入管道、混气安全瓶、混气输入管道，流出尾气输入管道的尾气与流出稀释气体输入管道的稀释气体混合后进入混气安全瓶，混气输入管道一端连接混气安全瓶，一端插入裂解反应装置；所述裂解反应装置包括反应容器和其容纳的催化溶液，所述催化溶液为液相熔融金属，所述混气输入管道一端插入所述液相熔融金属，所述液相熔融金属中设置肋环网，所述肋环网底面设有刺状结构。本发明是一种处理效率高，安全性能好，生态环境友好度高的一种烷烃类尾气的处理装置和方法。

Description

一种烷烃类尾气的处理装置和方法
技术领域
本发明涉及工业尾气处理装置和方法，尤其涉及一种烷烃类尾气的处理装置和方法。
背景技术
人们对环境保护越来越重视，提倡绿色能源的呼声也越来越高，如何将工业生产中的废气物回收利用，变废为宝成为整个工业体系中至关重要的一环，环保领域正受到越来越多的关注。本发明主要针对碳/碳复合材料的市场需求，重点考虑碳/碳复合材料生产过程中烷烃类尾气的高效利用。碳/碳复合材料具有耐高温、高比强度、高比模量等优异的性能，在光伏单晶硅生产、飞机刹车盘、汽车刹车盘、高铁导电弓和高铁刹车盘等领域有广泛的应用前景。目前，碳/碳复合材料作为理想的石墨材料替代品推动了产业的迅猛发展。但碳/碳材料制备过程中源气体的利用率较低，仅为10％左右。且尾气直接燃烧掉或者用水蒸气处理，往往产生大量的温室气体。本发明利用熔融金属高效催化回收碳/碳复合材料制备过程中残余的烷烃类尾气，变废为宝，将其完全转化为清洁的氢气能源和用途广泛的纳米碳材料。
中国专利《化学气相沉积法生产石墨烯过程中的尾气综合处理设备》(CN205419785 U)公开了一种化学气相沉积法下产生的尾气的处理装置，将产生的尾气通入燃气涡轮发动机，发动机带动发电机发电。尽管此方法可以处理掉尾气中含碳气体，但产生了大量的温室气体，且在CVD管式炉中烃类气体热裂解产生的石墨烯很容易沉积到催化剂表面结壳，造成催化剂失活，即使通氢气做还原剂仍会导致催化剂活性降低，从而使得石墨烯产量受到影响。另外，部分石墨烯会随尾气抽进真空泵，将产生额外的洗气工序。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中的问题，提供一种处理效率高，安全性能好，生态环境友好度高的一种烷烃类尾气的处理装置和方法。
本发明的技术方案是一种烷烃类尾气的处理装置，包括混气设备，裂解反应装置、氢气输出管道，其特征在于，所述混气设备包括尾气输入管道、稀释气体输入管道、混气安全瓶、混气输入管道，所述尾气输入管道上设置气体流量计和流量调节阀，所述稀释气体输入管道上设置气体流量计和流量调节阀，流出尾气输入管道的尾气与流出稀释气体输入管道的稀释气体混合后进入混气安全瓶，混气输入管道一端连接混气安全瓶，一端插入裂解反应装置；所述裂解反应装置包括反应容器和其容纳的催化溶液，所述催化溶液为液相熔融金属，所述混气输入管道一端插入所述液相熔融金属，所述液相熔融金属中设置肋环网，所述肋环网底面设有刺状结构；所述氢气输出管道一端与所述反应容器顶部相连，一端通往外界；所述液相熔融金属为二元体，其中二元金属可在以下组合中选择：Fe-Bi、Ni-Bi、Pd-Bi、Pt-Bi；其中Fe、Ni、Pd和Pt为催化剂，Bi为载体金属，载体金属Bi也可换做Sn和Pb。
优选地，所述裂解反应装置与混气设备之间还设有循环补气装置，循环补气装置一端与所述反应容器顶部相连，一端与稀释气体输入管道相连，所述循环补气装置设有增压模块、气体流量计，单向阀。
优选地，所述混气输入管道设有多根进气管通入液相熔融金属。
优选地，所述液相熔融金属为三元体系，其中三元金属可在以下组合中选择：Fe-Ni-Bi、Fe-Pt-Bi、Fe-Pd-Bi、Ni-Pd-Bi，其中Fe、Ni、Pd和Pt为催化剂，Bi为载体金属，载体金属Bi也可换做Sn和Pb。
优选地，所述催化剂与载体金属的摩尔比1:5～1:4。
优选地，所述稀释气体为氢气，通入的尾气和稀释气体的体积比为1:8～1:4。
优选地，所述稀释气体为氢氮气或氩气。
一种烷烃类尾气的处理方法，包括如下步骤：
混气步骤：流出尾气输入管道的待处理尾气与流出稀释气体输入管道的稀释气体
混合后进入混气安全瓶，通入的尾气和稀释气体的体积比为1:8～1:4；
裂解步骤：混合气体通过插入液相熔融金属的混气输入管道进入反应容器，裂解后产生的氢气上升到反应容器顶部；
循环补气步骤：反应容器顶部的氢气一部分通过循环补气装置进入稀释气体输入管道；
排气步骤：反应容器顶部的氢气大部分通过氢气输出管道输出到外界。
优选地，所述裂解步骤中的热裂解的温度为：1000℃-1100℃，压强为：10kPa-30kPa。
本发明的优点是：1，采用液相熔融金属催化剂，避免了催化剂表面沉碳结壳导致催化效率降低的问题，也避免了额外添加洗气装置的问题。2，操作过程红不产生额外的温室气体，环境友好度高。3，提供了稳定的反应环境，反应器内各个位置的温度更为均匀，反应温度更容易控制。催化装置性能稳定，安全可靠，操作简便，易于放大。4，造氢气纯度高，并获得高纯度的纳米材料。
为了使本发明实现的技术手段、技术特征、发明目的与技术效果易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
附图说明
图1为本发明一种实施例中的装置示意图；
图2为本发明一种实施例中的肋环网装置的正视图；
图3为本发明一种实施例中的肋环网装置的侧视图；
图4为本发明一种实施例中的装置示意图；
图5为本发明一种实施例中的肋环网装置的正视图；
图6为本发明一种实施例中的肋环网装置的侧视图；
具体实施方式
一、目的与原理
本发明的目的之一在于提供一种熔融金属催化裂解烷烃类尾气制备氢气和纳米碳材料的方法和装置，既避免了催化剂表面沉碳结壳导致催化效率降低的问题，也避免了额外添加洗气装置的问题，对于减少温室气体排放大有裨益。本装置提供了稳定的反应环境，反应器内各个位置的温度更为均匀，反应温度更容易控制。催化装置性能稳定，安全可靠，操作简便，易于放大。
本发明的目的之一是利用烷烃类尾气生产具有高附加值的纳米碳材料并将产生的氢气用于氢燃料电池发电，既解决了尾气直接排放引起的污染环境问题，同时提高了能源的二次利用率。该方法包括如下步骤：将烷烃类(碳原子数小于3)尾气和稀释气体(氢气)的混合气经由石英管通至反应器底部，在反应器内盛装有一定高度的熔融金属催化剂，混合气体经高温熔融金属催化裂解发生如下反应：
Figure GDA0003666842420000031
同时生成固体纳米碳材料和氢气。低密度的纳米碳材料会上浮到熔融金属表面沉积堆叠，可在反应结束后将浮在熔融金属表面的碳材料剥离。裂解产生的氢气将从熔融金属表面溢出，大部分到达反应器的顶部，通过管路直接输送到氢氧燃料电池用于发电，小部分作为稀释气体被引入循环系统使用。此处的烃类尾气全部分解沉碳并产生高纯氢。
在此系统中，平均气含率、流动状态、气泡停留时间等流体动力学特性参数影响着反应是否充分发生，并在熔融金属反应器设计过程中有着重要的作用。同时，工装系统参数，如管径、肋环网型、浸没深度等均对流体动力学特性产生影响。具体说明如下：
平均气含率作为整个反应器中气体所占的体积百分比，是表征反应器内流动特性的重要参数。在反应充分情况下，平均气含率越大，说明液相的利用率越高，催化效率也就越高。
不同流动状态下气泡聚合或破碎直接影响气泡的比表面积、平均气含率、横/纵向扩散范围等，最终决定反应是否充分进行。不同的横/纵向扩散范围对进气管布置和反应器直径和高度设计均有重要影响。流动状态可分为层流、紊流和射流。在层流状态下，气泡有规律的生成，前后产生的气泡相距较远，前一个脱离气泡所产生的尾流效应对后一个脱离气泡影响很小。气泡偶尔发生破碎，破碎出的小气泡相对于主气泡要小的多；若流动状态为紊流形态，气泡产生频率明显增大，气泡间发生聚合和破碎的情况明显增多，气泡的形变、尾流效应增大，气泡之间的相互作用增强；若流动状态为射流形态，气泡在管口附近发生连续性聚合、破碎，气泡串从管口喷出，气泡迅速变为小气泡离散到液相中。
为了提高尾气的催化转化率。可采取的措施如下：
1.增大石英进气管直径。进气管管径越大，脱离管口的气泡越大，气泡越容易发生破碎聚并，大气泡破碎成小气泡，气泡变小上升速度变慢，使得平均气含率升高。由于反应发生在气液两相的相界面上，气泡在熔融金属中的停留时间变长，使得反应充分进行。
2.在反应器中增加石英进气管的数目。对于大直径的熔融金属反应器而言，采用单根进气管进气，气泡的横向扩散距离有限，很大一部分的液相没有气泡流过，使得液相的利用率变低。对于大直径的熔融金属反应器，应该采用多根进气管同时进气。
3.在反应器中增加带有针刺结构的不锈钢(310S)肋环网数目。高温裂解催化反应发生在气泡表面，当气泡接触到肋环网的针刺结构时，气泡分裂为更多小气泡，烷烃气泡比面积增大，有利于充分反应。
4.增大石英进气管的浸没深度。在熔融金属反应器足够高时，增加进气管的浸没深度，气泡在液相中的停留时间增加，即反应时间增加，利于反应充分进行。
综上所述，较优的解决方案如下：在较高的反应器中，增大进气管的浸没深度，增加肋环网的数目，所产生的气泡呈紊流状态；当反应器直径大于一定值时，相应增大进气管数目。
二、实施例一
如图1～3所示，为本发明的一种实施例，
(一)设备：
一种烷烃类尾气的处理装置，包括混气设备1，裂解反应装置2、氢气输出管道3，其特征在于，所述混气设备1包括尾气输入管道11、稀释气体输入管道12、混气安全瓶13、混气输入管道14，所述尾气输入管道11上设置气体流量计111和流量调节阀112，所述稀释气体输入管道12上设置气体流量计121和流量调节阀122，流出尾气输入管道11的尾气与流出稀释气体输入管道12的稀释气体混合后进入混气安全瓶13，混气输入管道14一端连接混气安全瓶13，一端插入裂解反应装置2；所述裂解反应装置2包括反应容器21和其容纳的催化溶液，所述催化溶液为液相熔融金属22，所述混气输入管道14述液相熔融金属22中设置第一肋环网23和第二肋环网24，所述第一肋环网23底面设有刺状结构231、穿孔232，所述第一肋环网24底面设有刺状结构241、穿孔242；混气输入管道14通过第一肋环网23上的穿孔232第二肋环网24上的穿孔242插入所述液相熔融金属22，所述氢气输出管道3一端与所述反应容器21顶部相连，一端通往外界；所述氢气输出管道上设有流量调节阀31。
裂解反应装置2与混气设备1之间还设有循环补气装置4，循环补气装置4一端与所述反应容器21顶部相连，一端与稀释气体输入管道12相连，所述循环补气装置4设有增压模块41、气体流量计42，单向阀43。
(二)方法
1)检查系统气密性，保证实验安全。
2)升温。在稀释气体保护下，将液相熔融金属22升至1000℃呈熔融态，保温。
3)从尾气输入管道11通入烷烃类尾气，关闭稀释气体流量调节阀122，打开单向阀43和增压模块41，分别经流量调节阀112、122控制使烃类气体和稀释气体氢气的体积比满足1:4，混合气通过混气安全瓶13进入反应容器21。所述的烷烃类尾气为含碳烃类，对于碳原子数小于等于3的烃类气体最有效，此处的稀释气体也可以换做氮气和氩气，主要作用在于降低尾气中烷烃类气体的浓度，有利于烷烃类气体的充分催化裂解，同时减少产物中的杂质。但若将稀释气换作氮气和氩气则需在后续处理中加装气体分离装置，使得最终得到高纯度的氢气和纳米碳材料。催化剂为促进烃类气体热裂解脱氢沉碳的催化剂。对大于3的烃类气体有一定效果。
4)混合气体通过混气输入管道14到达反应容器21的底部，大量的气泡从管口脱离进入液相熔融金属22，气泡在上升过程中发生聚合、破碎，气泡内的烃类气体与液相催化剂在气泡表面发生反应得到纳米碳材料和氢气。采用鼓泡法对烷烃类尾气进行催化裂解沉碳制氢，热裂解的温度为：1000℃-1100℃，压强为：10kPa-30kPa。一般认为，烷烃类气泡与熔融金属的接触面发生有效催化反应。
5)气泡遇到带有针刺结构的不锈钢(310S)第一肋环网23及第二肋环网24分裂为众多小气泡，气泡在熔融金属中的比表面积增大、停留时间变长，烷烃气体充分反应。反应容器21材质为石英，在反应容器21内放置牌号为316s的多层具有针刺结构的不锈钢肋环网，目的是利用针刺结构刺破上升的气泡，使得大气泡变为小气泡，增大烷烃类尾气与熔融金属催化剂的接触面积，延长气泡在熔融金属溶液中的停留时间，有利于流动至气泡表面的气体被充分热裂解，同时基于纳米碳和不锈钢肋环网之间较差的浸润性，可以减少纳米碳在不锈钢肋环网表面的沉积，较好的避免了封孔的风险。
6)纳米碳材料密度低于液相金属的密度，上升到熔融金属表面25，氢气从熔融金属表面25溢出，大部分氢气输出管道3流出进入氢氧燃料电池中用于发电；少部分进入循环补气装置4。经增压系统41、单向阀43与烃类气体重新混合。
三、实施例二
如图4～6所示，为本发明的另一种实施例，
(一)设备：
一种烷烃类尾气的处理装置，包括混气设备1，裂解反应装置2、氢气输出管道3，其特征在于，所述混气设备1包括尾气输入管道11、稀释气体输入管道12、混气安全瓶13、混气输入管道14，所述尾气输入管道11上设置气体流量计111和流量调节阀112，所述稀释气体输入管道12上设置气体流量计121和流量调节阀122，流出尾气输入管道11的尾气与流出稀释气体输入管道12的稀释气体混合后进入混气安全瓶13，混气输入管道14一端连接混气安全瓶13，一端插入裂解反应装置2；所述裂解反应装置2包括反应容器21和其容纳的催化溶液，所述催化溶液为液相熔融金属22，所述混气输入管道14包括第一分叉出气管141和第二分叉出气管142，所述液相熔融金属22中设置第一肋环网23和第二肋环网24，所述第一肋环网23底面设有刺状结构231、穿孔232和穿孔233，所述第一肋环网24底面设有刺状结构241、穿孔242和穿孔243；第一分叉出气管141和第二分叉出气管142分别通过第一肋环网23上的穿孔232和233及第二肋环网24上的穿孔242和243插入所述液相熔融金属22，所述氢气输出管道3一端与所述反应容器21顶部相连，一端通往外界；所述氢气输出管道上设有流量调节阀31。
裂解反应装置2与混气设备1之间还设有循环补气装置4，循环补气装置4一端与所述反应容器21顶部相连，一端与稀释气体输入管道12相连，所述循环补气装置4设有增压模块41、气体流量计42，单向阀43。
(二)方法
1)检查系统气密性，保证实验安全。
2)升温。在稀释气体保护下，将液相熔融金属22升至1000℃呈熔融态，保温。
3)从尾气输入管道11通入烷烃类尾气，关闭稀释气体流量调节阀122，打开单向阀43和增压模块41，分别经流量调节阀112、122控制使烃类气体和稀释气体氢气的体积比满足1:4，混合气通过混气安全瓶13进入反应容器21。所述的烷烃类尾气为含碳烃类，对于碳原子数小于等于3的烃类气体最有效，此处的稀释气体也可以换做氮气和氩气，主要作用在于降低尾气中烷烃类气体的浓度，有利于烷烃类气体的充分催化裂解，同时减少产物中的杂质。但若将稀释气换作氮气和氩气则需在后续处理中加装气体分离装置，使得最终得到高纯度的氢气和纳米碳材料。催化剂为促进烃类气体热裂解脱氢沉碳的催化剂。对大于3的烃类气体有一定效果。
4)混合气体通过混气输入管道14到达反应容器21的底部，大量的气泡从管口脱离进入液相熔融金属22，气泡在上升过程中发生聚合、破碎，气泡内的烃类气体与液相催化剂在气泡表面发生反应得到纳米碳材料和氢气。采用鼓泡法对烷烃类尾气进行催化裂解沉碳制氢，热裂解的温度为：1000℃-1100℃，压强为：10kPa-30kPa。一般认为，烷烃类气泡与熔融金属的接触面发生有效催化反应。
5)气泡遇到带有针刺结构的不锈钢(310S)第一肋环网23及第二肋环网24分裂为众多小气泡，气泡在熔融金属中的比表面积增大、停留时间变长，烷烃气体充分反应。反应容器21材质为石英，在反应容器21内放置牌号为316s的多层具有针刺结构的不锈钢肋环网，目的是利用针刺结构刺破上升的气泡，使得大气泡变为小气泡，增大烷烃类尾气与熔融金属催化剂的接触面积，延长气泡在熔融金属溶液中的停留时间，有利于流动至气泡表面的气体被充分热裂解，同时基于纳米碳和不锈钢肋环网之间较差的浸润性，可以减少纳米碳在不锈钢肋环网表面的沉积，较好的避免了封孔的风险。
6)纳米碳材料密度低于液相金属的密度，上升到熔融金属表面25，氢气从熔融金属表面25溢出，大部分氢气输出管道3流出进入氢氧燃料电池中用于发电；少部分进入循环补气装置4。经增压系统41、单向阀43与烃类气体重新混合。
综上所述仅为本发明较佳的实施例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化及修饰，皆应属于本发明的技术范畴。

Claims (9)

1.一种烷烃类尾气的处理装置，包括混气设备，裂解反应装置、氢气输出管道，其特征在于，所述混气设备包括尾气输入管道、稀释气体输入管道、混气安全瓶、混气输入管道，所述尾气输入管道上设置气体流量计和流量调节阀，所述稀释气体输入管道上设置气体流量计和流量调节阀，流出尾气输入管道的尾气与流出稀释气体输入管道的稀释气体混合后进入混气安全瓶，混气输入管道一端连接混气安全瓶，一端插入裂解反应装置；所述裂解反应装置包括反应容器和其容纳的催化溶液，所述催化溶液为液相熔融金属，所述混气输入管道一端插入所述液相熔融金属，所述液相熔融金属中设置肋环网，所述肋环网底面设有刺状结构；所述氢气输出管道一端与所述反应容器顶部相连，一端通往外界；所述液相熔融金属为二元体，其中二元金属可在以下组合中选择：Fe-Bi、Ni-Bi、Pd-Bi、Pt-Bi；其中Fe、Ni、Pd和Pt为催化剂，Bi为载体金属，载体金属Bi也可换做Sn和Pb。
2.根据权利要求1所述的烷烃类尾气的处理装置，其特征在于所述裂解反应装置与混气设备之间还设有循环补气装置，循环补气装置一端与所述反应容器顶部相连，一端与稀释气体输入管道相连，所述循环补气装置设有增压模块、气体流量计，单向阀。
3.根据权利要求1所述的烷烃类尾气的处理装置，其特征在于，所述混气输入管道设有多根进气管通入液相熔融金属。
4.根据权利要求1所述的烷烃类尾气的处理装置，其特征在于，所述液相熔融金属为三元体系，其中三元金属可在以下组合中选择：Fe-Ni-Bi、Fe-Pt–Bi、Fe-Pd–Bi、Ni-Pd–Bi，其中Fe、Ni、Pd和Pt为催化剂，Bi为载体金属，载体金属Bi也可换做Sn和Pb。
5.根据权利要求1所述的烷烃类尾气的处理装置，其特征在于，所述催化剂与载体金属的摩尔比1:5～1:4。
6.根据权利要求1所述的烷烃类尾气的处理装置，其特征在于，所述稀释气体为氢气，通入的尾气和稀释气体的体积比为1:8～1:4。
7.根据权利要求1所述的烷烃类尾气的处理装置，其特征在于，所述稀释气体为氢氮气或氩气。
8.根据以上权利要求1-7中任一项所述的一种烷烃类尾气的处理装置实现的处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
混气步骤：流出尾气输入管道的待处理尾气与流出稀释气体输入管道的稀释气体混合后进入混气安全瓶，通入的尾气和稀释气体的体积比为1:8～1:4；
裂解步骤：混合气体通过插入液相熔融金属的混气输入管道进入反应容器，裂解后产生的氢气上升到反应容器顶部；
循环补气步骤：反应容器顶部的氢气一部分通过循环补气装置进入稀释气体输入管道；排气步骤：反应容器顶部的氢气大部分通过氢气输出管道输出到外界。
9.根据权利要求8所述的处理方法，其特征在于，所述裂解步骤中的热裂解的温度为：1000℃-1100℃，压强为：10kPa-30kPa。
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