CN114471151A - 催化炉 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种催化炉，涉及有害气体处理技术领域，包括：密封且依次连通的进气段、反应段和出气段，反应段沿气流路径并排设置有多个反应通道，每一个反应通道均同时连通进气段和出气段，反应通道内壁均设有催化颗粒层，每一个反应通道均分别具有靠近进气段一端的第一开口和靠近出气段一端的第二开口，反应通道的内壁从第一开口逐渐收敛至第二开口；还包括温控系统，温控系统包括加热管、导热管和保温层，加热管包围反应段的外壁，导热管位于反应段和加热管之间，保温层包围加热管的外壁，加热管、导热管和保温层均沿气流路径至少覆盖反应段。本发明通过提高气体与催化颗粒层的接触效率，并且设置温控系统，可以有效的提高有害气体的催化效率。
Description
本申请是母案名称为“催化炉”的发明专利的分案申请；母案申请的申请号为：
CN201810788049.6；母案申请的申请日为：2018-07-18。
技术领域
本发明涉及有害气体处理技术领域，特别是涉及一种气-固接触式处理有害气体的催化炉。
背景技术
在化工、能源或汽车领域中，对于有害气体的处理多采用气-固相催化反应的方式。有害气体以流体状流经固体的催化剂床层而实现反应。催化反应原理如图1所示。一般采用贵金属或过渡态元素作为催化剂。衡量气-固催化反应效率的一个重要参数为表面积比，即有害气体在经过催化剂时与催化剂的接触表面积。为此，催化剂通常被制作成颗粒状，以尽可能增大表面积。颗粒状的催化剂直径在几个至几十个纳米之间。
颗粒状的催化剂在气体路径上会形成“沟壑”。气体流经“沟壑”时，位于“背风”处的催化剂难于与气体发生接触。特别是在催化剂使用过一段时间后，催化剂床层会因为结晶、积碳、烧结等原因，使得“沟壑”逐渐加深，进而影响气-固催化反应的效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种催化炉，用于解决上述现有技术中存在的技术问题，利用流场引导的方式来提高背风处的催化剂与气体的接触面积，并且设有温控系统，可以有效的提高催化效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明公开了一种催化炉，包括：密封且依次连通的进气段、反应段和出气段，所述反应段沿气流路径并排设置有多个反应通道，各个所述反应通道之间密封隔离，每一个所述反应通道均同时连通所述进气段和所述出气段，每一个所述反应通道内壁均设有催化颗粒层，每一个所述反应通道均分别具有靠近所述进气段一端的第一开口和靠近所述出气段一端的第二开口，所述第一开口的面积大于所述第二开口的面积，且所述反应通道的内壁从所述第一开口逐渐收敛至所述第二开口；
还包括温控系统，所述温控系统包括加热管、导热管和保温层，所述加热管包围所述反应段的外壁，所述导热管位于所述反应段和所述加热管之间，所述保温层包围所述加热管的外壁，所述加热管、所述导热管和所述保温层均沿所述气流路径至少覆盖所述反应段。
优选的，所述反应段沿直线延伸，所述反应段内的所述气流路径也为直线路径，所述第二开口沿所述气流路径在所述第一开口上的投影收容于所述第一开口之内。
优选的，任意一个所述反应通道均为轴对称形状，且每一个所述反应通道的对称轴线均沿平行于所述气流路径的方向延伸。
优选的，在所述反应段垂直于所述气流路径的任意截面上，多个所述反应通道呈蜂窝状排列。
优选的，所述温控系统还包括水冷组件，所述水冷组件包括密封且连通的进水口、水冷层和出水口，所述水冷层设置于所述保温层内，所述水冷层包围所述加热管，所述水冷层沿所述气流路径至少覆盖所述反应段。
优选的，所述温控系统还包括温度传感器和控制单元，所述温度传感器用于感应所述催化炉的内部温度，所述控制单元用于控制所述加热管的加热温度或所述水冷组件的水流速度。
优选的，所述催化炉还设有混合器，所述混合器位于所述进气段远离所述反应段一侧，所述混合器连通所述进气段，所述混合器用于对进入所述反应段发生反应的气体进行预混合。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明中的所述催化炉，通过密封且依次连通的进气段、反应段和出气段，形成了气体流经的通路。通过所述反应段内沿所述气流路径并排隔离设置的多个反应通道，增大了气体从所述进气段流至所述出气段时与所述反应段的接触面积。通过每一个所述反应通道内壁上设至的催化颗粒层，实现了所述催化炉与气体的接触反应。在气体从所述第一开口流至所述第二开口的过程中，气体在逐渐收敛的所述内壁中产生更多横向气流，进而增加了气体与背风处催化剂的接触几率，避免了因为颗粒状的催化剂形成的“沟壑”而造成的背风处催化剂难于与气体充分接触的缺陷，并且设有温控系统，温控系统中设有加热管，可以进一步的提高了本发明中所述催化炉的催化效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是一种催化反应的原理示意图；
图2是本申请所述催化炉的示意图；
图3是本申请所述反应段的截面示意图；
图4是本申请所述催化炉的细节示意图；
图5是本申请所述催化炉另一实施例的示意图。
图中：001-气流路径；10-进气段；20-反应段；21-反应通道；210-催化颗粒层；211-内壁；212-第一开口；213-第二开口；30-出气段；41-加热管；42-导热管；43-保温层；431-端盖；44-水冷组件；441-进水口；442-水冷层；443-出水口；45-温度传感器；46-控制单元；50-混合器；51-流量控制器；100-催化炉。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种催化炉，用于解决上述现有技术中存在的技术问题，利用流场引导的方式来提高背风处的催化剂与气体的接触面积，并且设有温控系统，可以有效的提高催化效率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
请参阅图2所示的催化炉100，包括依次连通的进气段10、反应段20和出气段30。所述进气段10、所述反应段20和所述出气段30之间均密封连接，以形成容许气体流通的气流路径001。参看图3，所述反应段20的截面上，沿所述气流路径001并排设置有多个反应通道21。每一个所述反应通道21之间均密封且隔离设置，每一个所述反应通道21均同时连通所述进气段10和所述出气段30，即进气段10和出气段30位于反应通道21的前后两端。由此，气体在从所述进气段10向所述出气段30流动时，是通过所述反应段20内的多个所述反应通道21来实现的。这样的设置可以增大气体与所述反应段20的接触面积。进一步的，每一个所述反应通道21的内壁211内均设有催化颗粒层210。具体的，催化剂(如Pt/Al2O3、TiO2等)通过浸渍法、沉淀法、共凝胶法、喷涂法、溶蚀法等负载于载体上，形成催化颗粒层210。每一个所述反应通道21均分别具有靠近所述进气段10一端的第一开口212和靠近所述出气段30一端的第二开口213。所述第一开口212的面积大于所述第二开口213的面积，且所述反应通道21的内壁211从所述第一开口212逐渐收敛至所述第二开口213，即所述反应通道21从所述进气段10向所述出气段30延伸的过程中，其截面面积单向递减。
催化剂对有害气体的净化原理大致为：当高温的有害气体经过本发明中所述催化炉100时，所述催化炉中的催化剂将增强诸如CO、HC和NOx等有害气体的活性，促使其进行一定的氧化-还原化学反应。其中CO在高温下氧化成为无色、无毒的二氧化碳气体；HC化合物在高温下氧化成水(H20)和二氧化碳；NOx还原成氮气和氧气。在使得各种有害气体变成无害气体后，净化工作完成。经过净化后的气体通常直接排向外界，或通入至气体收集装置内，等待后续处理。参看图4的细节图，本申请所述催化炉100在通过所述反应通道21增加了气体与所述催化颗粒层210的接触面积后，进一步通过所述内壁211的单向递减收敛结构，在有害气体沿所述气流路径001流动的过程中，增加了对气体的反射作用，使得部分气体产生横向流动，进而增大了气体与颗粒“沟壑”处的接触几率，使得处于背风处的颗粒表面也得以被利用，由此提高了本发明中所述催化炉100的气-固接触效率，避免了因为颗粒状的催化剂形成的“沟壑”而造成了背风处催化剂难于与气体充分接触的缺陷，使得整体催化效率得以提高。
一种实施例，所述反应段20沿直线延伸，也即所述反应段20内的所述气流路径001也为直线路径。进一步的，所述第二开口213沿所述气流路径001在所述第一开口212上的投影收容于所述第一开口212之内，优选的为第一开口212与第二开口213同轴设置。请继续参看图4，在所述内壁211在平行于所述气流路径001的任意截面上，所述第一开口212沿所述气流路径001的延长线与所述内壁211的边缘形成夹角α，这样的设置可以保证任意夹角α均形成于所述第一开口212的延长线之内。由此所述催化颗粒层210在所述内壁211内形成的背风面积更小，在气流产生横向扰动时，气流与背风处的催化剂颗粒接触面积更大。
进一步的，任意一个所述反应通道21均为轴对称形状，且每一个所述反应通道21的对称轴线均沿平行于所述气流路径001的方向延伸。这样的设置一方面易于制造实现，另一方面也避免了各个所述反应通道21之间的个体差异，易于控制所述反应段20内整体的催化效率并进行优化。
请看回图3，一种实施例，所述反应段20在垂直于所述气流路径001的任意截面上，多个所述反应通道21呈蜂窝状排列。可以理解的，蜂窝状排列可以最大限度的提升所述反应通道21在所述反应段20内的数量，由此增加气体与所述催化颗粒层接触的面积。当然，可以设置每一个所述反应通道21的所述第一开口212和所述第二开口213的形状相同，以使得所述反应通道21易于制造。进一步的，设置每一个所述反应通道21的截面形状也相同，以进一步避免各个所述反应通道21之间的个体差异。所述第一开口212可以是多边形、圆形或椭圆形的任意形状。而所述反应通道21在所述反应段20内的排布方式，除蜂窝状以外，还可以呈阵列状、环状或其余任意形状排列，这些设置方式都不影响本发明中所述催化炉100的方案实施。
另一种实施例见图5，催化剂对有害气体的净化，往往需要在一定的温度下才能达到更好的效果。为此，本发明中所述催化炉100还包括温控系统。所述温控系统包括加热管41，所述加热管41用于为所述反应段20加热。具体的，所述加热管41包围所述反应段20的外壁上，所述加热管41沿所述气流路径001至少完全覆盖所述反应段20。即所述加热管41还可以部分覆盖所述进气段10或所述出气段30。所述加热管41的加热媒本发明不做具体限制，如电阻丝、热水、热气等各种现有加热方案均可以运用于本发明的加热方案中来。一种实施例中，所述加热管41为多晶硅酸铝材料，此种材料可以较快的将温度提升至理想值，并具备较强的保温性能。
一种实施例，为避免所述加热管41直接贴敷于所述反应段20时存在加热不均的现象，造成所述反应段20内个别位置存在温差，影响催化效果，所述温控系统还包括了导热管42。所述导热管42设置于所述反应段20和所述加热管41之间，所述导热管42贴敷于所述反应段20外壁上，所述导热管42沿所述气流路径001至少覆盖所述反应段20。所述加热管41将温度提升后，由所述导热管42将温度均匀的传递至所述反应段20，减小温差。
本申请所述催化炉100对气体的催化作用时间段可能较长，为了节约能源，提高所述温控系统的温控效率，所述温控系统还可以设置保温层43。所述保温层43包围所述加热管41的外壁，所述保温层43沿所述气流路径001至少覆盖所述反应段20。所述保温层43由保温材料制成，所述加热管41在被所述保温层43覆盖后，所述加热管41、所述导热管42和所述反应段20内部的温度得以更长时间的保持，避免了热能不必要的损失。进一步的，所述保温层43还可以包括端盖431，所述端盖431沿所述气流路径001设置于所述加热管41的两端处，所述端盖431密封所述加热管41和所述导热管42，可以进一步加强保温的效果。
在所述温控系统较长时间的加热作用后，根据后端数据监测等信息，或者根据气体成分的改变，本发明中的所述催化炉100还可能存在将温度调低，提高催化效率的需求。对于所述反应段20和所述导热管42而言，由于其内部有气体流通，可以带走部分的热量，实现一定的降温调节效果。而对于所述保温层43而言，则较难实现自然降温。为此，所述温控系统还可以包括水冷组件44。所述水冷组件44包括密封且连通的进水口441、水冷层442和出水口443。所述水冷层442设置于所述保温层43内，主要对所述保温层43实施降温。如图5所示，为了实现较好的降温效果，所述水冷层442需要埋设于所述保温层43内部，形成所述保温层43内部的一层夹层。相应的，所述水冷层442随所述保温层43一同包围所述加热管41，所述水冷层442随所述保温层43沿所述气流路径001至少覆盖所述反应段20。所述进水口441与所述出水口443宜沿所述气流路径001设置于所述反应段20的两端，以保证所述水冷层442内的冷却液在从所述进水口441流向所述出水口443的过程中与所述保温层43实现更充分的接触。当然，在所述水冷组件44内部设置合理的水流路径，也可以实现相同的效果。
一种实施例，所述水冷层442为紫铜材料制成，具备较高的热传导率，可以提高水冷效率。
进一步，所述温控系统还包括温度传感器45和控制单元46。所述温度传感器45设置于所述反应段20内，所述温度传感器46用于感应所述催化炉100的内部温度，并将温度信息反馈给所述控制单元46。所述控制单元46根据传回的温度信息控制所述加热管41的加热温度或所述水冷组件44的水流速度，以保证所述反应段20处于较佳的温度范围内。
一种实施例，所述催化炉100还设有混合器50。所述混合器50串连于所述进气段10上，所述混合器50位于所述进气段10远离所述反应段20的一侧。所述混合器50与所述进气段20连通，气体在进入所述反应段20内之前，先在所述混合器50内进行较为充分的预混合，进而在气体进入所述反应段20后达到更好的催化效果。
另一方面，所述混合器50还可以包括流量控制器51，所述流量控制器51用于控制气体在所述反应段20内的流经流量和速度。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种催化炉，其特征在于，包括：密封且依次连通的进气段、反应段和出气段，所述反应段沿气流路径并排设置有多个反应通道，各个所述反应通道之间密封隔离，每一个所述反应通道均同时连通所述进气段和所述出气段，每一个所述反应通道内壁均设有催化颗粒层，每一个所述反应通道均分别具有靠近所述进气段一端的第一开口和靠近所述出气段一端的第二开口，所述第一开口的面积大于所述第二开口的面积，且所述反应通道的内壁从所述第一开口逐渐收敛至所述第二开口；
还包括温控系统，所述温控系统包括加热管、导热管和保温层，所述加热管包围所述反应段的外壁，所述导热管位于所述反应段和所述加热管之间，所述保温层包围所述加热管的外壁，所述加热管、所述导热管和所述保温层均沿所述气流路径至少覆盖所述反应段。
2.如权利要求1所述催化炉，其特征在于：所述反应段沿直线延伸，所述反应段内的所述气流路径也为直线路径，所述第二开口沿所述气流路径在所述第一开口上的投影收容于所述第一开口之内。
3.如权利要求2所述催化炉，其特征在于：任意一个所述反应通道均为轴对称形状，且每一个所述反应通道的对称轴线均沿平行于所述气流路径的方向延伸。
4.如权利要求1～3任一项所述催化炉，其特征在于：在所述反应段垂直于所述气流路径的任意截面上，多个所述反应通道呈蜂窝状排列。
5.如权利要求1所述催化炉，其特征在于：所述温控系统还包括水冷组件，所述水冷组件包括密封且连通的进水口、水冷层和出水口，所述水冷层设置于所述保温层内，所述水冷层包围所述加热管，所述水冷层沿所述气流路径至少覆盖所述反应段。
6.如权利要求5所述催化炉，其特征在于：所述温控系统还包括温度传感器和控制单元，所述温度传感器用于感应所述催化炉的内部温度，所述控制单元用于控制所述加热管的加热温度或所述水冷组件的水流速度。
7.如权利要求1～3任一项所述催化炉，其特征在于：所述催化炉还设有混合器，所述混合器位于所述进气段远离所述反应段一侧，所述混合器连通所述进气段，所述混合器用于对进入所述反应段发生反应的气体进行预混合。
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