CN208936179U - 一种流向变换催化燃烧反应器及反应设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种流向变换催化燃烧反应器，包括用于对废气进行催化反应的催化燃烧室，所述催化燃烧室的两端分别连接有一个蓄热室以交替回收由废气在所述催化燃烧室内进行催化反应所产生的反应热；其中，所述蓄热室与所述催化燃烧室等尺寸相连、且所述蓄热室自连接于所述催化燃烧室的一端向另一端尺寸逐渐变大。本实用新型还公开了一种流向变换催化燃烧反应设备。通过上述实施方式，其结构简单，反应温度稳定，运行高效，VOCs转化率高，经济性良好。

Description

一种流向变换催化燃烧反应器及反应设备

技术领域

本实用新型属于挥发性有机废气污染处理领域，尤其涉及一种流向变换催化燃烧反应器及反应设备。

背景技术

挥发性有机物(Volatile Organic Compounds，VOCs)是细颗粒物(fineparticulate， PM2.5)、臭氧(O₃)等大气污染物形成的重要前体物。VOCs气体污染正严重影响着我国环境空气质量和人民身体健康，是我国亟需严格控制排放和处理的污染物。

催化燃烧法是一种利用催化剂降低化学活化能的特性，促使可燃性的VOCs气体在300-500℃的条件下发生非均相氧化反应，并将有机污染物完全转化为CO₂和H₂O的VOCs 处理方法。催化燃烧法具有低温无焰燃烧的特点，这不仅能有效避免有机物在高温燃烧产生NO_X二次污染物，又能解决有机气体在有焰燃烧过程中易发生燃爆的问题，故该技术具有十分广阔的应用前景。

其中,流向变换催化燃烧反应器是催化燃烧法的代表反应器之一。流向变换催化燃烧反应器多为圆柱形推流式反应器，其中段为催化反应区，两端则为蓄热区。运行时反应器通过人为非定态的操作方式对气体流向进行周期性的强制变换：首先利用一端的蓄热区将 VOCs催化燃烧释放的反应热进行回收，然后变换气体流向，低温的VOCs气体从已完成蓄热的蓄热区进入反应器，气体升温至可进行催化反应的起活温度并在催化区迅速发生氧化分解反应，最后处理后的气体从另一端的蓄热区流出，同时VOCs气体燃烧释放的反应热被回收，以备对下一轮的流向变化后的VOCs气体进行预热利用，该类反应器具有可实现能量平衡自热运行，经济节能的特点。

然而,目前流向变换催化燃烧反应器存在飞温和熄火的温度控制问题，运行并不太稳定。其中，飞温是指系统内部温度持续上升并超过反应器允许的最高温度，飞温现象对催化剂损害很大；熄火是指因换向周期过长、进气浓度低或散热量大等因素引起的反应器温度逐渐降低，最终导致达不到催化剂的起活温度，催化反应被迫停止。

实用新型内容

本实用新型为解决上述技术问题提供一种流向变换催化燃烧反应器及反应设备，其结构简单，反应温度稳定，运行高效，VOCs转化率高，经济性良好。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种流向变换催化燃烧反应器，包括：用于对废气进行催化反应的催化燃烧室，所述催化燃烧室的两端分别连接有一个蓄热室以交替回收由废气在所述催化燃烧室内进行催化反应所产生的反应热；其中，所述蓄热室与所述催化燃烧室等尺寸相连、且所述蓄热室自连接于所述催化燃烧室的一端向另一端尺寸逐渐变大。

进一步地，所述催化燃烧室为两端贯通的圆柱结构，所述蓄热室包括两端贯通的圆台段，所述圆台段的变径缩减的一端与所述催化燃烧室等径相连。

进一步地，所述蓄热室还包括两端贯通的圆柱段，所述圆柱段与所述圆台段的变径扩大的一端等径相连。

进一步地，所述催化燃烧室和单个所述蓄热室的高度比为1：1～1.5；所述蓄热室的圆柱段和圆台段之间的高度比为1：0.5～1；所述催化燃烧室的空速为0.20-0.55m/s，所述蓄热室的圆柱段的空速为0.10-0.33m/s。

进一步地，所述蓄热室的底端和所述催化燃烧室的底端均设有多孔承托板。

进一步地，所述催化燃烧室和蓄热室外设有保温层。

进一步地，所述催化燃烧室外壁装设有预热器。

进一步地，所述预热器是包覆所述催化燃烧室外壁设置的云母加热器或玻璃纤维加热器。

进一步地，所述蓄热室中填充有蓄热体；所述蓄热体是蜂窝蓄热陶瓷。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种流向变换催化燃烧反应设备，包括如上述任一项实施例所述的流向变换催化燃烧反应器，所述流向变换催化燃烧反应器中一蓄热室远离催化燃烧室的一端分别连接有一进气支管和一出气支管、另一蓄热室远离催化燃烧室的一端也分别连接有一进气支管和一出气支管，各所述进气支管以及所述出气支管上均装设有一电磁阀，各所述电磁阀均电连接至控制器；

其中，所述控制器通过控制多个所述电磁阀协作使所述流向变换催化燃烧反应器内交替形成不同流向的气体流路。

本实用新型的流向变换催化燃烧反应器及反应设备，具有如下有益效果：

通过在催化燃烧反应室两端设置等尺寸相连的蓄热室、且蓄热室自连接于催化燃烧室的一端向另一端尺寸逐渐变大的结构，该反应器轴向传热效率高，高温平台宽，能有效地避免床层产生局部飞温现象，且VOCs转化率高，运行稳定；适用范围广，对处理的VOCs气体的热值和进气浓度要求低；热量回收效率高，可使反应器实现较长时间的自热运行，经济性良好。

附图说明

图1是本实用新型流向变换催化燃烧反应设备结构示意图。

图2是图1所示流向变换催化燃烧反应设备中反应器的结构示意图。

图3是图1所示流向变换催化燃烧反应设备的催化燃烧室中A部分的放大结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本实用新型进行详细说明。

如图1所示，本实用新型提供一种流向变换催化燃烧反应设备。该流向变换催化燃烧反应设备包括流向变换催化燃烧反应器、进气管3、出气管4以及阀控系统6。

具体而言，流向变换催化燃烧反应器包括一个催化燃烧室2和两个蓄热室。催化燃烧室2用于对废气进行催化反应以净化废气。催化燃烧室2一端连接一蓄热室1a、另一端连接另一蓄热室1b，该两个蓄热室1a、1b用于交替回收由废气在催化燃烧室2内进行催化反应所产生的反应热。其中，蓄热室1a、1b与催化燃烧室2等尺寸相连、且自连接于催化燃烧室2的一端向另一端尺寸逐渐变大，能够避免该反应器在运行过程中出现飞温和熄火的问题。

结合图2进行参阅，在一较佳实施例中，催化燃烧室2为两端贯通的圆柱结构，蓄热室1a、1b包括两端贯通的圆台段12，也即催化燃烧室2和蓄热室1a、1b内部均具有腔体结构。其中，圆台段12的变径缩减的一端与催化燃烧室2等径相连。更优地，蓄热室1a、 1b还包括两端贯通的圆柱段11，圆柱段11与圆台段12的变径扩大的一端等径相连。由此构成两端蓄热室1a、1b直径大而中间催化燃烧室2直径小呈漏斗状的流向变换催化燃烧反应器。

较佳的，催化燃烧室2和单个蓄热室1a、1b的高度比为1：1～1.5。蓄热室1a、1b 中的圆柱段11和圆台段12之间的高度比为1：0.5～1。这样的高度比设置，能够保证更好地净化效果。

为了实现对废气的催化反应，催化燃烧室2内填充有颗粒催化剂21。颗粒催化剂21可以选用贵金属或金属氧化物催化剂，优选使用含有铂(Pt)、铑(Rh)、钯(Pd)一种或两种成分的贵金属颗粒催化剂。较佳的，颗粒催化剂21的粒径为1-5mm。进一步地，为了对催化反应所产生的反应热进行回收，蓄热室1a、1b内，具体在圆柱段11和圆台段12内均填充有蓄热体13，较佳的，蓄热体13为莫来石和/或堇青石材质等的蜂窝蓄热陶瓷，其抗压强度≥25MPa，热膨胀系数≤4×10^-6/K^-1，比热容≥850J/Kg·K。

较佳的，蓄热室1a、1b和催化燃烧室2底端均设有多孔承托板71，多孔承托板71 具有承托颗粒催化剂21和蓄热体13和分布气流的作用。

优选的，蓄热室1a、1b和催化燃烧室2采用法兰8对接连接，以使得安装拆卸更简便。

优选的，催化燃烧室2的空速为0.20-0.55m/s，更优选0.25-0.40m/s。气流通过反应器管径较窄的催化燃烧室2时流体速度提高，流体湍动程度加剧，对流传热系数和轴向传热效率提高，催化燃烧室2内的高温平台变宽，这不仅能有效地避免床层产生局部飞温现象，同时高温条件还有利于催化反应进行，促进了VOCs转化率的提高。

优选的，蓄热室1a、1b的圆柱段11的空速为0.10-0.33m/s，更优选0.10-0.20m/s。气流通过反应器管径逐渐变大的蓄热室1a、1b，气流流速逐渐下降，低气速条件下气体的散热量减少，这有利于蓄热体13对催化反应所产生的反应热进行回收，同时蓄热室1a、1b的圆台段12具有汇流作用，这有利于降低气体压降。高效的热量回收有利于反应器在较宽的进气浓度范围内实现自热运行，对熄火现象具有一定的减缓作用。

较佳的，催化燃烧室2和蓄热室1a、1b外设有保温层72。该保温层72优选使用硅酸铝保温棉材料，保温层72的设置可减少反应器径向散热。

较佳的，结合图3进行参阅，催化燃烧室2的外壁20装设有预热器5。预热器5用于当反应器达不到催化燃烧所需的起活温度时进行外置补热，启动预热器5进行外置补热，一般工作于进气VOCs浓度偏低或反应器停车时间过长导致反应器无法实现自热平衡的情况。预热器5常只需设置为一个，优选为包覆于催化燃烧室2的外壁20设置的云母加热器或玻璃纤维加热器，采用电加热方式对催化燃烧室2进行外壁预热。如图3所示，预热器5 通常被保温层72所包覆。

在一具体实施例中，进气管3用于将待处理的VOCs气体运送进入反应器，出气管4用于将处理后的气体排出反应器。该进气管3包括至少包括两个进气支管32a、32b，出气管4至少包括两个出气支管42a、42b。一蓄热室1a远离催化燃烧室2的一端(即圆柱段11 端)连接一进气支管32a和一出气支管42a、另一蓄热室1b远离催化燃烧室2的一端连接另一进气支管32b和另一出气支管42b。

上述的阀控系统6包括控制器62和四个与该控制器62电连接、启闭受控制器62控制的电磁阀61a～61d，该控制器62举例可选用编程控制器。如图1所示，进气支管32a上装设电磁阀61a，出气支管42a上装设电磁阀61d，进气支管32b上装设电磁阀61b，出气支管42b上装设电磁阀61c。该控制器62通过控制多个电磁阀61a～61d协作使流向变换催化燃烧反应器内交替形成不同流向的气体流路。

具体的，安装于进气支管和出气支管的电磁阀以对角线两两一组进行同步控制，即以进气支管32a上的电磁阀61a与出气支管42b上的电磁阀61c为一组，进气支管32b上的电磁阀61b与出气支管42a上的电磁阀61d为一组进行同步控制。运行时，电磁阀61a～61d必有对角一组电磁阀61a和61c(或61b和61d)处于开启状态，而对角另一组电磁阀61b 和61d(或61a和61c)则处于关闭状态，当达到阀门切换周期后，两组电磁阀的启闭状态进行变换，即原开启状态的电磁阀变换为关闭状态，原关闭状态的电磁阀变换为开启状态。因为电磁阀安装于进气管3和出气管4上，电磁阀的启闭状态会影响VOCs气体的流向，故通过的阀控系统6可灵活地实现VOCs气体在反应器内的周期性流向变换。

较佳的，蓄热室1a上的进气支管32a和出气支管42a可通过三通管22a与蓄热室1a连通，蓄热室1b上的进气支管32b和出气支管42b可通过三通管22b与蓄热室1b连通。进一步地，进气管3还包括由三通管30连通的两个进气总管31a、31b，进气支管32a与进气总管31a连通，进气支管32b与进气总管31b连通；出气管4还包括由三通管40连通的两个出气总管41a、41b，出气支管42a与出气总管41a连通，出气支管42b与出气总管41b连通。

优选的，电磁阀61a～61d的阀门切换周期为10-30min。阀门切换周期过小，催化燃烧反应放出的热波无法及时移动，大量的热量积蓄会在催化燃烧室2的中间蓄积进而引起温度持续上升的飞温现象，而换向周期过大，热波会被气流吹至蓄热室1a或1b而偏移了催化燃烧室2，使得催化反应速率下降并引起温度水平持续下降，如果高温平台移出了蓄热室1a 或1b，反应器将会停止，出现熄火现象。过长的换向周期还会引起出口气流温度上升，这使得出口的电磁阀长时间经受高温气流且有可能超过电磁阀的最大使用温度，导致电磁阀的使用寿命下降。

优选的，电磁阀61a～61d最高使用温度≥100℃。

优选的，催化燃烧室2的温度控制在300-450℃。

反应器在运行时，VOCs气体在反应器中进行变速流动。首先VOCs气体在一端的蓄热室1a(或1b)以较低的流速穿过蓄热体13，在温度差的驱动下，温度较低的VOCs气体从蓄热体13中吸收热量并逐渐升温达到发生催化反应的起活温度，一般VOCs气体催化燃烧的起活温度≥200℃；然后升温后的VOCS气体进入催化燃烧室2，并在与颗粒催化剂21 接触的过程中发生非均相的氧化反应，有机污染被氧化分解为CO₂和H₂O等无机物。VOCs 氧化反应是一个放热反应，催化燃烧室2内温度会持续上升，一般于催化燃烧室2中间位置达到温度峰值。而催化燃烧室2的管径较窄，故VOCs气体流速会增加，气体传热系数和轴向传热效率提高，这促使反应器内的升温曲线变得较平缓，高温平台宽度增加，这能有效地避免床层产生局部飞温现象，同时高温条件还有利于催化反应进行，促进了VOCs转化率的提高；最后净化后的高温气体通过反应器管径逐渐扩大的另一端蓄热室1b(或1a)，气体流速下降，在温度差的驱动下，温度较低的蓄热体13从净化后的气体中回收热量，降温后的气体排出反应器，蓄积热量后蓄热体13将在阀门切换周期启动后为下一轮待处理的VOCs 气体进行升温。

由此利用气体在反应器不同功能区内的流速变化、合适的周期性的阀门变换及保温隔热措施，反应器可在输入条件波动较大范围内，长时间保持较高的VOCs转化率并稳定运行，反应器不熄火也不过热。

以上仅为本实用新型的实施方式，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种流向变换催化燃烧反应器，其特征在于，包括：

用于对废气进行催化反应的催化燃烧室，所述催化燃烧室的两端分别连接有一个蓄热室以交替回收由废气在所述催化燃烧室内进行催化反应所产生的反应热；

其中，所述蓄热室与所述催化燃烧室等尺寸相连、且所述蓄热室自连接于所述催化燃烧室的一端向另一端尺寸逐渐变大。

2.根据权利要求1所述的流向变换催化燃烧反应器，其特征在于：

所述催化燃烧室为两端贯通的圆柱结构，所述蓄热室包括两端贯通的圆台段，所述圆台段的变径缩减的一端与所述催化燃烧室等径相连。

3.根据权利要求2所述的流向变换催化燃烧反应器，其特征在于：

所述蓄热室还包括两端贯通的圆柱段，所述圆柱段与所述圆台段的变径扩大的一端等径相连。

4.根据权利要求3所述的流向变换催化燃烧反应器，其特征在于：

所述催化燃烧室和单个所述蓄热室的高度比为1：1～1.5；

所述蓄热室的圆柱段和圆台段之间的高度比为1：0.5～1；

所述催化燃烧室的空速为0.20-0.55m/s，所述蓄热室的圆柱段的空速为0.10-0.33m/s。

5.根据权利要求1所述的流向变换催化燃烧反应器，其特征在于：

所述蓄热室的底端和所述催化燃烧室的底端均设有多孔承托板。

6.根据权利要求1所述的流向变换催化燃烧反应器，其特征在于：

所述催化燃烧室和蓄热室外设有保温层。

7.根据权利要求1所述的流向变换催化燃烧反应器，其特征在于：

所述催化燃烧室外壁装设有预热器。

8.根据权利要求7所述的流向变换催化燃烧反应器，其特征在于：

所述预热器是包覆所述催化燃烧室外壁设置的云母加热器或玻璃纤维加热器。

9.根据权利要求1所述的流向变换催化燃烧反应器，其特征在于：

所述蓄热室中填充有蓄热体；

所述蓄热体是蜂窝蓄热陶瓷。

10.一种流向变换催化燃烧反应设备，其特征在于，包括如权利要求1～9任一项所述的流向变换催化燃烧反应器，所述流向变换催化燃烧反应器中一蓄热室远离催化燃烧室的一端分别连接有一进气支管和一出气支管、另一蓄热室远离催化燃烧室的一端也分别连接有一进气支管和一出气支管，各所述进气支管以及所述出气支管上均装设有一电磁阀，各所述电磁阀均电连接至控制器；

其中，所述控制器通过控制多个所述电磁阀协作使所述流向变换催化燃烧反应器内交替形成不同流向的气体流路。