CN114719274B - 一种逆流整体式催化燃烧与吸热反应耦合的反应系统 - Google Patents

一种逆流整体式催化燃烧与吸热反应耦合的反应系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种逆流整体式催化燃烧与吸热反应耦合的反应系统，所使用的整体式催化燃烧‑吸热反应耦合反应器呈竖向的柱形体，其底端处设有可燃气体入口，顶部设有原料气入口，柱形体内整体式催化燃烧固定反应床与吸热反应床均呈环形柱状，两者的环层以交替套叠方式形成套层耦合结构；可燃气体经第二换热器预热至催化燃烧反应温度后，进入整体式催化燃烧固定反应床环层燃烧并加热吸热反应床环层，其燃烧尾气返回第二换热器作为热源冷却后排出；所述原料气经第一换热器预热后进入吸热反应床环层进行反应，其气态反应产物经吸热反应床的产物出口返回第一换热器作为热源冷却后输入收集装置储存；本发明能够将低浓度可燃气体治理与吸热反应相互结合。

Description

一种逆流整体式催化燃烧与吸热反应耦合的反应系统
技术领域
本发明涉及催化反应设备技术领域，尤其是一种逆流整体式催化燃烧与吸热反应耦合的反应系统。
背景技术
随着社会与工业技术的高速发展，全人类都面临两大问题，日益严重的环境污染和能源短缺的问题。在化石能源开采、化工生产过程以及燃料电池应用等场景中有大量的低浓度可燃气体产生，例如，煤矿开采过程中会产生大量的煤矿乏风（体积分数 0.1~1.0%的 CH4）；油田开采中油田伴生尾气中含有大量的低浓度甲烷以及一定量的非甲烷烃（NMHC）和挥发性有机物（VOCs），含量在0.5%~6%；燃料电池（例如氢氧燃料电池、氨燃料电池等）在排放尾气含有的少量燃料气；化工生产（氮肥生产）过程中排放的含有甲烷、不饱和烃类的尾气等。
上述气体中直接排放进入大气，会对大气层造成严重的破环，例如，甲烷是具有很强温室效应的气体，而非甲烷烃的排放可产生光化学烟雾，其中还含有芳烃等可致癌物，这些气体的直接排放对人类生存环境构成严重威胁，是大气的重要污染物。同时这部分的气体由于浓度低，难以通过传统的火焰燃烧去除（例如，低浓度甲烷火焰去除温度达到1300K），通过火焰燃烧去除不仅需要耗费大量的能量，同时由于其较高的反应温度，可能对大气造成二次污染（燃烧过程中产生NOx等气体）。虽然这部分排放气体中燃气浓度较低，但是由于其产量巨大，对其进行有效利用不仅降低了对大气环境的污染，还能缓解能源短缺的问题。在催化剂的作用下，较低温度条件下这部分气体也能进行燃烧反应，可以有效解决低浓度可燃气体直接排入大气，造成环境污染的问题。
通过催化燃烧对低浓度可燃气体进行治理时，会放出大量的热量，使床层温度急剧升高。而过高的温度会导致催化剂的寿命减短，不利于维持反应器的长时间运转，若可以在催化燃烧反应中可以将产生的部分热量移除，控制反应床层的温度，将有助于反应器的长时间高效运转。同时催化燃烧后产生的热能通常用于加热水，这种余热利用途径固然便捷，但是限制了能量的使用场景，因此寻找新型的余热利用方式也是当前的研究重点。
针对上述问题，将催化燃烧的强放热性与吸热反应相结合，同时增加吸热反应床层与催化燃烧床层间的换热面积，可以更加高效的将热量向吸热反应床层输送，不仅可以降低催化燃烧过程产生热点的可能，更是提高了能量的利用率，还可以通过吸热反应（氨分解、甲烷重整、甲醇重整等）将催化燃烧过程中产生的热量以化学能的形式进行储存，大大增加了这部分能量的使用途径。
基于上述分析，可以将氨分解、甲烷重整、甲醇重整等吸热制氢反应与低浓度可燃气的治理相互结合，设计出符合需求的吸热-放热耦合反应器，达到低浓度可燃气治理以及能量储存的目的。
在工业上对低浓度可燃气进行处理时，常用到的反应器类型是整体式蜂窝催化燃烧反应器，该反应器由多个平行的通道构成，相比于传统催化燃烧反应器，该反应器具有床层阻力小、压降低和反应器中传质效率高等优点。采用金属基蜂窝载体时，还具有高传热速率的特点。
发明内容
本发明提出一种逆流整体式催化燃烧与吸热反应耦合的反应系统，能够将低浓度可燃气体治理与吸热反应相互结合。
本发明采用以下技术方案。
一种逆流整体式催化燃烧与吸热反应耦合的反应系统，所述反应系统所使用的整体式催化燃烧-吸热反应耦合反应器呈竖向的柱形体，其底端处设有可燃气体入口，顶部设有原料气入口，柱形体内的可燃气体气路包括整体式催化燃烧固定反应床，原料气气路包括吸热反应床；所述整体式催化燃烧固定反应床与吸热反应床均呈环形柱状，两者的环层以交替套叠方式形成套层耦合结构；所述可燃气体经第二换热器预热至催化燃烧反应温度后，进入整体式催化燃烧固定反应床环层燃烧并加热吸热反应床环层，其燃烧尾气返回第二换热器作为热源冷却后排出；所述原料气经第一换热器预热后进入吸热反应床环层进行反应，其气态反应产物经吸热反应床的产物出口返回第一换热器作为热源冷却后输入收集装置储存。
所述整体式催化燃烧-吸热反应耦合反应器内，可燃气体气路、原料气气路的气体输送方向相反；所述可燃气体为低浓度的可燃气体。
所述反应系统以整体式多套层逆流的形式，将催化燃烧反应与吸热反应进行套层耦合；所述整体式催化燃烧-吸热反应耦合反应器由催化燃烧整体式反应床与吸热反应床的环套交替耦合构成，其工作时，催化燃烧反应在线高效向吸热反应床层供热，以多套层的运行模式提高能量利用率，其催化燃烧采用整体式反应床，吸热反应采用填充式反应床。
所述整体式催化燃烧固定反应床为多层环型金属蜂窝整体固定式反应床，反应床由整体式FeCrAl合金等金属载体构成，具有直径为1.0-2.0 mm的蜂窝状平行孔道，孔道壁面涂敷催化燃烧催化剂活性涂层；
多层环型金属蜂窝整体固定式反应床具备高导热特性，可燃气体在燃烧时使可燃气体气路末端成为高温区，多层环型金属蜂窝整体固定式反应床把可燃气体气路末端的热传递至原料气气路的入口处对进料气体加热；
多层环型金属蜂窝整体固定式反应床的反应空速为1000 ~ 100000 h-1，使用最高温度为850 ℃。
所述吸热反应床环层由填充于整体式催化燃烧固定反应床环层的固定床环间的吸热反应催化剂构成；所述吸热反应催化剂以柱状、条状或颗粒状填充，所述吸热反应床环层下端设有格栅结构的催化剂支撑板。
所述反应系统按催化燃烧要求、吸热反应实际气体处理量和具体反应条件的要求来调整整体式催化燃烧-吸热反应耦合反应器的构造，其可调整的构造包括反应器长度、反应器直径、整体式催化燃烧固定反应床层数量、吸热反应床层数量或反应床厚度；
在反应器的径向方向上，整体式催化燃烧固定反应床层、吸热反应床层按交替排列的方式耦合构造。
当反应系统用于低浓度且处理量大的可燃性尾气处理时，所述可燃性气体为甲烷、不饱和烃、燃料电池尾气或化工生成过程中产生的可燃废气。
所述可燃性气体在整体式催化燃烧固定反应床环层经催化燃烧反应产生的热量用于三个部分，一部分用于维持耦合反应器的温度，使催化燃烧反应可以持续进行，一部分热量向吸热反应床层供热，最后一部分热量由尾气带出反应器对原料气进行预热，使热量得以综合利用。
所述整体式催化燃烧固定反应床层、吸热反应床层按交替排列的方式耦合构造为四层套层结构、六层套层结构或八层套层结构。
所述整体式催化燃烧固定反应床的套层以高导热金基蜂窝催化剂填充，催化剂与套层通过焊接方式连为一体；
当向整体式催化燃烧-吸热反应耦合反应器投放吸热反应催化剂时，由反应器上部对应入口倒入，吸热反应床层下部设置格栅挡板对吸热反应催化剂颗粒进行支撑，吸热反应所需原料气通过反应器顶部相应入口进入。
所述整体式催化燃烧-吸热反应耦合反应器的外壁以保温材料制造，所述整体式催化燃烧固定反应床层为金属基整体式反应器，其顶部的可燃气体尾气出口的管道壁面与原料气入口的入口段管道相接形成换热结构；所述反应系统的工艺包括催化燃烧部分和吸热反应部分；
所述催化燃烧部分的工艺包括以下步骤；
步骤A1、低浓度可燃气体经过第二换热器预热至所需温度后，输入至整体式催化燃烧-吸热反应耦合反应器；
步骤A2、低浓度可燃气体在金属基整体式反应器中发生催化燃烧反应，催化燃烧产生的热量直接通过热传导的形式向吸热反应床层传递；
步骤A3、从可燃气体尾气出口排出的烟气温度范围为800-900K，该部分烟气输入至第二换热器对后续的新鲜低浓度可燃气体进行预热；
所述吸热反应部分的工艺包括以下步骤；
步骤B1、吸热反应所需的原料气经过第一换热器初步预热，从原料气入口进入催化燃烧-吸热反应耦合反应器；
步骤B2、原料气入口的入口段管道与催化燃烧反应产生的高温烟气通过管道壁面进行换热，使输入的原料气温度再次升高后进入吸热反应床；
步骤B3、原料气在吸热反应床发生催化反应，反应产物从吸热反应床的产物出口排出反应器，进入第一换热器放热并对第一换热器中的原料气进行预热，冷却后的反应产物进入收集装置储存。
本发明将金属基整体式催化剂应用于吸热-放热耦合反应器，将催化燃烧反应与吸热反应进行耦合，通过催化燃烧整体式反应床与吸热反应床套层耦合，实现催化燃烧反应在线高效向吸热反应床层供热。催化燃烧段采用金属蜂窝整体固定式反应床，吸热反应段催化剂以柱状、条状或颗粒状填充，该反应器通过多套层模式极大提高了能量利用率。多套层结构提高催化燃烧床层与吸热反应床层的换热面积有效避免了催化燃烧床层内部温度过高导致催化剂使用寿命减小的情况出现。金属基整体式催化燃烧反应床，除具备压降小、反应空速大、效率高的特点之外，还具有高导热特性，更加有利于对低浓度处理量较大的可燃性尾气的治理。金属基整体式催化剂的高导热性增加床层间的传热效率，同时避免催化燃烧床层中温度过高导致催化剂使用寿命降低的情况发生。
该反应系统为低浓度可燃气治理过程中产生的热量提供了一种新的利用途径，通过化学能的形式将这部分能量储存起来，使其应用场景更加多样化。催化燃烧段排出的烟气通过换热器2对新鲜低浓度可燃气体进行预热，降低预热器的热负荷，吸热反应床层产物通向换热器1，与吸热反应原料进行换热使其发生气化的同时达到冷却的目的，便于储存。通过上述一系列工艺流程，低浓度可燃气催化燃烧过程中产生的能量得到了更高效的利用。
本发明由环型整体式催化燃烧固定式反应床与吸热反应床进行套层耦合，利用多套层结构提高催化燃烧床层与吸热反应床层的换热面积，提升床层间的热传递速率，该反应器可以将煤矿乏风、油田伴生尾气、燃料电池尾气、化工生产过程中产生的低浓度可燃气体治理过程中产生的热量向吸热反应供热，将反应产生的热能通过化学能的形式储存起来，使其使用场景多样化。
本发明中，多层环型金属蜂窝整体固定式反应床使用的整体式蜂窝催化剂载体采用导热系数较高的金属材料组成，金属良好的导热性能会将反应器后段高温区的能量传递到前端的低温区，对入口处燃料气进行预热，促进反应的进行，同时由于其高导热性可以使反应器内部温度场趋向于均匀分布，可以有效壁面反应器中产生热点导致催化剂因高温失活的情况发生。并且通过金属的高导热性可以将反应中产生的热量更加有效的传递到吸热反应床层。
本发明中，整体式蜂窝催化剂中通道尺寸大小介于1-2mm之间，可以根据所处理的低浓度甲烷气体的浓度以及气体处理量选择合适通道尺寸的蜂窝反应器，随着通道尺寸的减小所处理的燃料气能实现更高的转化率，直至达到100% 。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明的流程示意图；
附图2是本发明的整体式催化燃烧-吸热反应耦合反应器（四层套叠）的示意图；
附图3是本发明的整体式催化燃烧-吸热反应耦合反应器（四层套叠）的剖面示意图；
附图4是本发明的整体式催化燃烧-吸热反应耦合反应器（四层套叠）的另一剖面示意图；
附图5是本发明的整体式催化燃烧-吸热反应耦合反应器（六层套叠）的剖面示意图；
附图6是本发明的整体式催化燃烧-吸热反应耦合反应器（六层套叠）的反应床层的整体剖面示意图；
图中：1-第一换热器；2-第二换热器；3-换热结构；4-催化剂支撑板；11-可燃气体入口；12-产物出口；13-可燃气体尾气出口；14-原料气入口；22-整体式催化燃烧固定反应床环层；32-吸热反应床环层。
具体实施方式
如图所示，一种逆流整体式催化燃烧与吸热反应耦合的反应系统，所述反应系统所使用的整体式催化燃烧-吸热反应耦合反应器呈竖向的柱形体，其底端处设有可燃气体入口11，顶部设有原料气入口13，柱形体内的可燃气体气路包括整体式催化燃烧固定反应床，原料气气路包括吸热反应床；所述整体式催化燃烧固定反应床与吸热反应床均呈环形柱状，两者的环层以交替套叠方式形成套层耦合结构；所述可燃气体经第二换热器2预热至催化燃烧反应温度后，进入整体式催化燃烧固定反应床环层22燃烧并加热吸热反应床环层32，其燃烧尾气返回第二换热器作为热源冷却后排出；所述原料气经第一换热器1预热后进入吸热反应床环层进行反应，其气态反应产物经吸热反应床的产物出口12返回第一换热器作为热源冷却后输入收集装置储存。
所述整体式催化燃烧-吸热反应耦合反应器内，可燃气体气路、原料气气路的气体输送方向相反；所述可燃气体为低浓度的可燃气体。
所述反应系统以整体式多套层逆流的形式，将催化燃烧反应与吸热反应进行套层耦合；所述整体式催化燃烧-吸热反应耦合反应器由催化燃烧整体式反应床与吸热反应床的环套交替耦合构成，其工作时，催化燃烧反应在线高效向吸热反应床层供热，以多套层的运行模式提高能量利用率，其催化燃烧采用整体式反应床，吸热反应采用填充式反应床。
所述整体式催化燃烧固定反应床为多层环型金属蜂窝整体固定式反应床，反应床由整体式FeCrAl合金等金属载体构成，具有直径为1.0-2.0 mm的蜂窝状平行孔道，孔道壁面涂敷催化燃烧催化剂活性涂层；
多层环型金属蜂窝整体固定式反应床具备高导热特性，可燃气体在燃烧时使可燃气体气路末端成为高温区，多层环型金属蜂窝整体固定式反应床把可燃气体气路末端的热传递至原料气气路的入口处对进料气体加热；
多层环型金属蜂窝整体固定式反应床的反应空速为1000 ~ 100000 h-1，使用最高温度为850 ℃。
所述吸热反应床环层由填充于整体式催化燃烧固定反应床环层的固定床环间的吸热反应催化剂构成；所述吸热反应催化剂以柱状、条状或颗粒状填充，所述吸热反应床环层下端设有格栅结构的催化剂支撑板。
所述反应系统按催化燃烧要求、吸热反应实际气体处理量和具体反应条件的要求来调整整体式催化燃烧-吸热反应耦合反应器的构造，其可调整的构造包括反应器长度、反应器直径、整体式催化燃烧固定反应床层数量、吸热反应床层数量或反应床厚度；
在反应器的径向方向上，整体式催化燃烧固定反应床层、吸热反应床层按交替排列的方式耦合构造。
当反应系统用于低浓度且处理量大的可燃性尾气处理时，所述可燃性气体为甲烷、不饱和烃、燃料电池尾气或化工生成过程中产生的可燃废气。
所述可燃性气体在整体式催化燃烧固定反应床环层经催化燃烧反应产生的热量用于三个部分，一部分用于维持耦合反应器的温度，使催化燃烧反应可以持续进行，一部分热量向吸热反应床层供热，最后一部分热量由尾气带出反应器对原料气进行预热，使热量得以综合利用。
所述整体式催化燃烧固定反应床层、吸热反应床层按交替排列的方式耦合构造为四层套层结构、六层套层结构或八层套层结构。
所述整体式催化燃烧固定反应床的套层以高导热金基蜂窝催化剂填充，催化剂与套层通过焊接方式连为一体；
当向整体式催化燃烧-吸热反应耦合反应器投放吸热反应催化剂时，由反应器上部对应入口倒入，吸热反应床层下部设置格栅挡板对吸热反应催化剂颗粒进行支撑，吸热反应所需原料气通过反应器顶部相应入口进入。
所述整体式催化燃烧-吸热反应耦合反应器的外壁以保温材料制造，所述整体式催化燃烧固定反应床层为金属基整体式反应器，其顶部的可燃气体尾气出口的管道壁面与原料气入口的入口段管道相接形成换热结构3；所述反应系统的工艺包括催化燃烧部分和吸热反应部分；
所述催化燃烧部分的工艺包括以下步骤；
步骤A1、低浓度可燃气体经过第二换热器预热至所需温度后，输入至整体式催化燃烧-吸热反应耦合反应器；
步骤A2、低浓度可燃气体在金属基整体式反应器中发生催化燃烧反应，催化燃烧产生的热量直接通过热传导的形式向吸热反应床层传递；
步骤A3、从可燃气体尾气出口排出的烟气温度范围为800-900K，该部分烟气输入至第二换热器对后续的新鲜低浓度可燃气体进行预热；
所述吸热反应部分的工艺包括以下步骤；
步骤B1、吸热反应所需的原料气经过第一换热器初步预热，从原料气入口进入催化燃烧-吸热反应耦合反应器；
步骤B2、原料气入口的入口段管道与催化燃烧反应产生的高温烟气通过管道壁面进行换热，使输入的原料气温度再次升高后进入吸热反应床；
步骤B3、原料气在吸热反应床发生催化反应，反应产物从吸热反应床的产物出口排出反应器，进入第一换热器放热并对第一换热器中的原料气进行预热，冷却后的反应产物进入收集装置储存。
当催化燃烧-吸热反应器耦合反应器采用6层套层结构时，催化燃烧反应床层和吸热反应床层数量增多，分别为3层，增加了床层间的传热效率。
本例中，由于吸热反应床的气态反应产物仍有一定温度，因此其输出时，仍能通过管壁对输入的低浓度可燃气体加温，也就是此整体式催化燃烧-吸热反应耦合反应器的顶部和底部均为换热结构。
实施例：
本例中，反应器直径为500mm，长度为1000mm，在反应器体积不变的条件下，随着套层数量的增加，催化燃烧床层与吸热反应床层之间的换热面积的变化如下表所示。
Figure 239010DEST_PATH_IMAGE001
从上表可以看出。随着套层数量的增加换热面积呈倍数形式递增，当套层数量从2层增加至8层，换热面积增加到4倍，换热面积的增加可以极大的增加换热效率。
以上所述仅为本发明的一些具体实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种逆流整体式催化燃烧与吸热反应耦合的反应系统，其特征在于：所述反应系统所使用的整体式催化燃烧-吸热反应耦合反应器呈竖向的柱形体，其底端处设有可燃气体入口，顶部设有原料气入口，柱形体内的可燃气体气路包括整体式催化燃烧固定反应床，原料气气路包括吸热反应床；所述整体式催化燃烧固定反应床与吸热反应床均呈环形柱状，两者的环层以交替套叠方式形成套层耦合结构；所述可燃气体经第二换热器预热至催化燃烧反应温度后，进入整体式催化燃烧固定反应床环层燃烧并加热吸热反应床环层，其燃烧尾气返回第二换热器作为热源冷却后排出；所述原料气经第一换热器预热后进入吸热反应床环层进行反应，其气态反应产物经吸热反应床的产物出口返回第一换热器作为热源冷却后输入收集装置储存；
所述整体式催化燃烧-吸热反应耦合反应器内，可燃气体气路、原料气气路的气体输送方向相反；所述可燃气体为低浓度的可燃气体；
所述整体式催化燃烧固定反应床为多层环型金属蜂窝整体固定式反应床，多层环型金属蜂窝整体固定式反应床具备高导热特性，可燃气体在燃烧时使可燃气体气路末端成为高温区，多层环型金属蜂窝整体固定式反应床把可燃气体气路末端的热传递至原料气气路的入口处对进料气体加热。
2.根据权利要求1所述的一种逆流整体式催化燃烧与吸热反应耦合的反应系统，其特征在于：所述反应系统以整体式多套层逆流的形式，将催化燃烧反应与吸热反应进行套层耦合；所述整体式催化燃烧-吸热反应耦合反应器由催化燃烧整体式反应床与吸热反应床的环套交替耦合构成，其工作时，催化燃烧反应在线高效向吸热反应床层供热，以多套层的运行模式提高能量利用率，其催化燃烧采用整体式反应床，吸热反应采用填充式反应床。
3.根据权利要求1所述的一种逆流整体式催化燃烧与吸热反应耦合的反应系统，其特征在于：所述整体式催化燃烧固定反应床为多层环型金属蜂窝整体固定式反应床，反应床由整体式FeCrAl合金金属载体构成，具有直径为1.0-2.0 mm的蜂窝状平行孔道，孔道壁面涂敷催化燃烧催化剂活性涂层；
多层环型金属蜂窝整体固定式反应床的反应空速为1000 ~ 100000 h-1，使用最高温度为850 ℃。
4.根据权利要求1所述的一种逆流整体式催化燃烧与吸热反应耦合的反应系统，其特征在于：所述吸热反应床环层由填充于整体式催化燃烧固定反应床环层的固定床环间的吸热反应催化剂构成；所述吸热反应催化剂以柱状、条状或颗粒状填充，所述吸热反应床环层下端设有格栅结构的催化剂支撑板。
5.根据权利要求1所述的一种逆流整体式催化燃烧与吸热反应耦合的反应系统，其特征在于：所述反应系统按催化燃烧要求、吸热反应实际气体处理量和具体反应条件的要求来调整整体式催化燃烧-吸热反应耦合反应器的构造，其可调整的构造包括反应器长度、反应器直径、整体式催化燃烧固定反应床层数量、吸热反应床层数量或反应床厚度；
在反应器的径向方向上，整体式催化燃烧固定反应床层、吸热反应床层按交替排列的方式耦合构造。
6.根据权利要求1所述的一种逆流整体式催化燃烧与吸热反应耦合的反应系统，其特征在于：当反应系统用于低浓度且处理量大的可燃性尾气处理时，所述可燃性气体为甲烷、不饱和烃、燃料电池尾气或化工生成过程中产生的可燃废气。
7.根据权利要求1所述的一种逆流整体式催化燃烧与吸热反应耦合的反应系统，其特征在于：所述可燃性气体在整体式催化燃烧固定反应床环层经催化燃烧反应产生的热量用于三个部分，一部分用于维持耦合反应器的温度，使催化燃烧反应可以持续进行，一部分热量向吸热反应床层供热，最后一部分热量由尾气带出反应器对原料气进行预热，使热量得以综合利用。
8.根据权利要求5所述的一种逆流整体式催化燃烧与吸热反应耦合的反应系统，其特征在于：所述整体式催化燃烧固定反应床层、吸热反应床层按交替排列的方式耦合构造为四层套层结构、六层套层结构或八层套层结构；
所述整体式催化燃烧固定反应床的套层以高导热金基蜂窝催化剂填充，催化剂与套层通过焊接方式连为一体；
当向整体式催化燃烧-吸热反应耦合反应器投放吸热反应催化剂时，由反应器上部对应入口倒入，吸热反应床层下部设置格栅挡板对吸热反应催化剂颗粒进行支撑，吸热反应所需原料气通过反应器顶部相应入口进入。
9.根据权利要求8所述的一种逆流整体式催化燃烧与吸热反应耦合的反应系统，其特征在于：所述整体式催化燃烧-吸热反应耦合反应器的外壁以保温材料制造；所述整体式催化燃烧固定反应床层为金属基整体式反应器，其顶部的可燃气体尾气出口的管道壁面与原料气入口的入口段管道相接形成换热结构；所述反应系统的工艺包括催化燃烧部分和吸热反应部分；
所述催化燃烧部分的工艺包括以下步骤；
步骤A1、低浓度可燃气体经过第二换热器预热至所需温度后，输入至整体式催化燃烧-吸热反应耦合反应器；
步骤A2、低浓度可燃气体在金属基整体式反应器中发生催化燃烧反应，催化燃烧产生的热量直接通过热传导的形式向吸热反应床层传递；
步骤A3、从可燃气体尾气出口排出的烟气温度范围为800-900K，该部分烟气输入至第二换热器对后续的新鲜低浓度可燃气体进行预热；
所述吸热反应部分的工艺包括以下步骤；
步骤B1、吸热反应所需的原料气经过第一换热器初步预热，从原料气入口进入催化燃烧-吸热反应耦合反应器；
步骤B2、原料气入口的入口段管道与催化燃烧反应产生的高温烟气通过管道壁面进行换热，使输入的原料气温度再次升高后进入吸热反应床；
步骤B3、原料气在吸热反应床发生催化反应，反应产物从吸热反应床的产物出口排出反应器，进入第一换热器放热并对第一换热器中的原料气进行预热，冷却后的反应产物进入收集装置储存。
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