一种脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器及工艺的制作方法
【专利摘要】一种脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器及工艺，该反应器从中心到外侧共有三个腔体组成，在该催化燃烧反应器的中心位置装填对含氢气体与空气发生化学反应有催化作用的催化剂，使得所排放的含氢尾气在催化剂的作用下，不需外加热、加压条件下即可与空气中的氧进行催化燃烧反应，从而将其中的氢气脱除。本发明的脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器，不仅可以广泛用于工业排放尾气中氢气的脱除，也可以脱除尾气中的CO、甲醇和乙醇等醇类以及烃类等还原性物质；特别适用于燃料电池阳极尾气的处理。
【专利说明】一种脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器及工艺
【技术领域】
[0001]本发明属于催化【技术领域】，具体涉及一种脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器及工艺。
【背景技术】
[0002]燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应直接转化为电能的发电装置，能量转换效率高，对环境污染小。二十世纪九十年代以来，质子交换膜燃料电池技术获得了高速发展，目前已进入商品化的前期。特别适用于可移动电源、备用电源和分散电站，在二十一世纪，质子交换膜燃料电池必将迅速走向应用，成为新兴产业。
[0003]质子交换膜燃料电池最理想的原料是纯氢，从理论上讲，只要不断地向质子交换膜燃料电池的阳极供给氢气、向阴极供给空气或氧气，质子交换膜燃料电池就可连续不断地发电。在质子交换膜燃料电池的工作过程中，随着其发电的进行，由于其对燃料氢气不能实现100%的完全利用，因此，必将有少量的氢气随着阳极尾气排出质子交换膜燃料电池系统。这种含氢燃料的尾气如果直接排放，不仅会造成质子交换膜燃料电池燃料的极大浪费，还会造成环境污染，并可能引发燃烧或爆炸的危险性事故。
[0004]为了达到质子交换膜燃料电池的排放标准，通常会引入一个燃烧器，将多余的氢气燃烧掉，但此种燃烧器通常会产生高温的燃烧尾气，后续还需冷却等单元操作系统，用此种燃烧器处理质子交换膜燃料电池的阳极尾气将使得整个质子交换膜燃料电池系统十分庞大。因此，如何设计一个低温下即可启动燃烧反应，同时燃烧尾气又可在较低温度下排放，并脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器将是解决此类问题的核心技术之一。
[0005]含氢气的尾气在其它工业应用领域也十分常见，如何处理其中含有的氢气，减少危险气体的排放，也往往是工业企业必须面对的问题。本发明提供的一种脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器可以很广泛地用于此类工业气体的排放过程中；也可以利用本发明脱除尾气中的CO、甲醇、乙醇等醇类以及烃类等还原性物质。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是为了解决工业应用领域中含氢尾气的排放问题，尤其是解决质子交换膜燃料电池阳极尾气排放对环境污染、系统安全等方面的问题，提供了一种脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器及工艺。
[0007]本发明提供了一种脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器，该反应器从中心到外侧共有3个腔体组成，它们依次为:催化燃烧腔(la)、燃烧尾气换热腔(Ib)和含氢尾气换热腔(Ic)0
[0008]本发明提供的所述脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器，所述催化燃烧腔(la)、燃烧尾气换热腔(Ib)和含氢尾气换热腔(Ic)的相邻腔体内的流体互不接触而是通过相邻腔体之间的间壁进行换热，相邻腔体内流体之间的流动形式为并流流动或逆流流动。
[0009]本发明提供的所述脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器，所述催化燃烧腔(Ia)内部还有用于含氢尾气和空气的流体混合分配器(2f)、混合气体再分配器(2b)和用于催化氢气和氧气催化燃烧的整体催化剂(2e)。流体混合分配器(2f)中心还设有分配口(24)能够保证两股物料之间的充分混合和均匀分布。混合气体再分配器(2b)内部分布有众多的微孔，能够杜绝含氢气体和氧气在此区域的爆炸隐患，同时也杜绝了氢气和氧气燃烧过程中向催化燃烧主体区域中上部发生回火的可能性。
[0010]本发明提供的所述脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器，所述燃烧尾气换热腔(Ib)和含氢尾气换热腔(Ic)内部还设有热容较大的多孔介质材料，根据需要，两个腔内的多孔介质可以为相同种类的材料，也可以为不同种类的材料。
[0011]本发明提供的所述脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器，所述反应器设有出口(15);在出口(15)处的出口气体中，氢气浓度小于lppm。
[0012]本发明提供的所述脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器，催化燃烧腔(Ia)的催化燃烧反应在催化燃烧催化剂的作用下，室温下即可启动，而且温度温和，能量效率高，污染极小，对环境极其友好。
[0013]本发明提供了一种利用所述催化燃烧反应器脱除尾气中氢气的工艺，在该反应器的中心位置装填有对含氢气体与空气发生化学反应有催化作用的催化剂(该催化剂为钯系、钼系或它们的合金催化剂)，使得所排放尾气中的含氢气体在催化剂的作用下，不需外加热、加压条件下与空气中的氧进行催化燃烧反应，从而将其中的氢气脱除。
[0014]本发明还提供了所述脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器的应用，该反应器不仅可以广泛用于工业排放气体中氢气的脱除，也可以脱除尾气中的CO、甲醇、乙醇等醇类以及烃类等还原性物质。
[0015]本发明提供的所述脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器及工艺，本脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器利用催化燃烧反应与气体预热及燃烧尾气换热等多个过程相耦合的思路，实现了放热和吸热的有机耦合，能量效率高，热损失少。在催化燃烧的主体反应区域外围，还设计了专门的换热区域，通过高温尾气和需处理的排放尾气之间的热交换，在保证最终尾气排放温度达标的前提下，还预热了需处理的排放尾气，更能有效保障含氢气体和氧气的催化燃烧反应稳定进行。
[0016]对于质子交换膜燃料电池系统，由于其尾气排放所能提供的压力较低，在脱除尾气中氢气的同时必须不影响到质子交换膜燃料电池系统的正常运行。本发明采用整体催化剂技术，整体催化剂的一个突出特点是阻力小，适于高空速下运行，因此，本发明应用于质子交换膜燃料电池尾气脱除，完全不需额外增加质子交换膜燃料电池阳极的压力。
[0017]对于含氢气体和氧气的催化燃烧反应，如果两股气体流入催化剂床层前不能很好地在进行充分混合，那尾气中氢气的脱除效果将十分不理想，很难达到排放标准。本发明通过设计专门的集混合和分布于一体的流体混合分配器，既保证了两股不同流体之间的充分混合，也保证了混合流体能均匀进入到下一个流程，从而保证质子交换膜燃料电池阳极尾气的良好脱除效果。
[0018]含氢气体和氧气的催化燃烧反应必将会导致排放尾气温度的上升，为了简化尾气脱除装置的结构，省却燃烧尾气的冷却系统等，本发明在催化燃烧的主体反应区域外围，设计了专门的换热区域，通过高温尾气和需处理的排放尾气之间的热交换，在保证最终尾气排放温度达标的前提下，还预热了需处理的排放尾气，更能有效保障了含氢气体和氧气的 催化燃烧反应的稳定进行。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器；
[0020]图2是脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器的内部结构；
[0021]图3是脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器的内部实验流程图；
[0022]图4是脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器的局部剖面图；
[0023]图5是脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器内的流体混合分配器。
【具体实施方式】
[0024]下面的实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。
[0025]本发明的脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器(图1)，主要包括了一个催化燃烧主体区域(Ia)和两个不同的热交换区域(Ib和lc)。从中心到外侧共有3个腔体组成，它们依次为:催化燃烧腔(la)、燃烧尾气换热腔(Ib)和含氢尾气换热腔(lc)。首先由反应器入口(11)和(12)分别通入一定量的空气和需处理的排放尾气，排放尾气经含氢尾气换热腔(Ic )，并通过含氢尾气换热腔(Ic)和催化燃烧腔(Ia)的内部连接通道(13)进入催化燃烧腔(Ia);并在催化燃烧腔(Ia)上部区域，空气和需处理的排放尾气充分混合并在催化燃烧腔(Ia)内发生催化燃烧反应，脱除排放尾气中的氢气；脱除氢气后的尾气由催化燃烧腔(Ia)和燃烧尾气换热腔(Ib)的内部通道(14)进入燃烧尾气换热腔(lb)，并最终由的催化燃烧反应器的总出口( 15)排出系统。
[0026]本发明的脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器的内部结构如图2所示，催化燃烧腔内部设置了用于含氢尾气和空气的流体混合分配器(2f)、混合气体再分配器(2b)和用于催化氢气和氧气催化燃烧的整体催化剂(2e)，能够保证含氢尾气在室温、无外供热、不加压的情况下启动催化燃烧反应。
[0027]本发明的脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器采用了如下描述的流程(图3)，首先由反应器入口(31)通入一定量的需处理的排放尾气，排放尾气首先经含氢尾气换热腔的下部(32)进入含氢尾气换热腔中心区域，在此位置装填有热容较大的多孔介质材料(3d)，排放尾气在通过多孔介质材料(3d)后进入了含氢尾气换热腔的上部(34)，再由含氢尾气换热腔和燃烧尾气换热腔的内部连接通道(36)进入催化燃烧主体区域上部(3 j );同时，空气由入口(30)经空气导流管(3a)也进入到催化燃烧主体区域上部(3j)，在本发明的反应器的此区域内，含有氢气的排放尾气和空气在此充分混合，并由流体混合分配器(3i)经分配口(37)均匀进入到催化燃烧主体区域中上部(3b)处，并再次由混合气体再分配器(3h)均匀分配后进入催化燃烧主体区域中的催化燃烧入口段(3c)。流体混合分配器(3i)和分配口(37)都是根据实际流动情况由CFD理论计算设计的，其很好地保证了两股物料之间的充分混合和均匀分布。流体混合分配器(3i)和分配口(37)的局部结构见图5。混合气体再分配器(3h)内部分布有众多的微孔，能够杜绝含氢气体和氧气在此区域的爆炸隐患，同时也杜绝了氢气和氧气燃烧过程中向催化燃烧主体区域中上部发生回火的可能性。当混合均匀的混合气体均匀进入到催化燃烧主体区域(3f)后，在室温条件下，由于燃烧催化剂的催化作用，其中的氢气和氧气即可发生催化燃烧反应，产生大量的热，使得整个催化燃烧反应器内的温度迅速升高，催化燃烧反应即可迅速启动并维持稳定运行。根据所需脱除的排放尾气中氢气浓度的不同，反应器内的温度也维持在不同的温度区间，由于本发明中不同换热腔体的合理设计，此区域温度不会出现飞温的现象，一般维持在150-450° C之间。脱除氢气后的反应气体由催化燃烧区域内部出口(38)进入燃烧尾气换热腔下部(33)，并继续经过燃烧尾气换热腔中部(3e)，在此位置同样装填热容较大的多孔介质材料(3e)，脱除氢气后的反应气体在通过多孔介质材料(3e)后进入了燃烧尾气换热腔的上部(35)，再由本发明的催化燃烧反应器的总出口(39)排出系统。
[0028]本发明的脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器在稳定运行时，内部不同物流之间很好地实现了能量的合理匹配，由反应器入口(31)进入的需处理的含氢排放尾气首先在含氢尾气换热腔的下部(32)和燃烧尾气换热腔下部(33)内的脱除了氢气后的反应气体进行换热，两者互不接触而是通过含氢尾气换热腔下部(32)和燃烧尾气换热腔下部(33)之间的间壁进行换热，两者之间呈并流流动，需处理的含氢排放尾气得到了初步预热的同时也适当降低了脱除了氢气后的反应气体的温度。经过初步换热后的含氢排放尾气和脱除氢气后的反应气体各自沿着自身的流动通道，分别进入含氢尾气换热腔中部(3d)和燃烧尾气换热腔中部(3e)，由于多孔介质的设计，使得含氢尾气换热腔中部(3d)和燃烧尾气换热腔中部(3e)间的换热更加充分，当含氢排放尾气流出含氢尾气换热腔中部(3d)进入含氢尾气换热腔的上部(34)时，含氢排放尾气也得到良好的预热，进一步保证了后续催化燃烧反应的稳定进行。含氢尾气换热腔中部(3d)和燃烧尾气换热腔中部(3e)间充分的换热也使得脱除氢气后反应气体的温度大幅度下降，基本达到了排放所要求的温度。得到良好预热的含氢排放尾气经含氢尾气换热腔的上部(34)后，再由含氢尾气换热腔和燃烧尾气换热腔的内部连接通道(36)进入催化燃烧主体区域。在催化燃烧主体区域，含氢排放尾气和空气中的氧进行催化燃烧反应，在脱除了其中的氢气的同时，放出大量的热。由于燃烧尾气换热腔中部(3e )和催化燃烧主体区域(3f )的内部换热面积都较大，催化燃烧反应放出的热能很快地导出催化燃烧主体区域(3f)，避免了催化燃烧过程中反应热点的产生。
[0029]本发明中的脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器(图1)，不仅可以广泛用于工业中排放气体的氢气的脱除，也可以脱除尾气中的CO、甲醇、乙醇等醇类以及烃类等还原性物质；特别适用于燃料电池阳极尾气的处理。
【权利要求】
1.一种脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器，其特征在于:该反应器从中心到外侧共有3个腔体组成，它们依次为:催化燃烧腔(la)、燃烧尾气换热腔(Ib)和含氢尾气换热腔(Ic)0
2.按照权利要求1所述脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器，其特征在于:所述催化燃烧腔(la)、燃烧尾气换热腔(Ib)和含氢尾气换热腔(Ic)的相邻腔体内的流体互不接触而是通过相邻腔体之间的间壁进行换热，相邻腔体内流体之间的流动形式为并流流动或逆流流动。
3.按照权利要求1所述脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器，其特征在于:所述催化燃烧腔(Ia)内部设有流体混合分配器(2f)、混合气体再分配器(2b)和整体催化剂(2e)； 所述流体混合分配器(2f)中心还设有分配口(24); 所述混合气体再分配器(2b)内部分布有众多的微孔。
4.按照权利要求1所述脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器，其特征在于:所述燃烧尾气换热腔(Ib)和含氢尾气换热腔(Ic)内部设有热容较大的多孔介质材料；两个腔内的多孔介质材料为相同种类的材料或者为不同种类的材料。
5.按照权利要求1所述脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器，其特征在于:所述反应器设有出口(15);在出口(15)处的出口气体中，氢气浓度小于lppm。
6.一种利用权利要求1所述催化燃烧反应器脱除尾气中氢气的工艺，其特征在于:在该反应器的中心位置装填有对含氢气体与空气发生化学反应有催化作用的催化剂，使得所排放尾气中的含氢气体在催化剂的作用下，不需外加热、加压条件下与空气中的氧进行催化燃烧反应，从而将其中的氢气脱除。
7.按照权利要求6所述脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器的应用，其特征在于:所述的催化剂为钯系、钼系或它们的合金催化剂。
8.权利要求1所述脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器的应用，其特征在于:该反应器广泛用于工业排放气体中氢气的脱除，也用于脱除尾气中的CO、甲醇、乙醇等醇类以及烃类等还原性物质。
【文档编号】F23G7/07GK103968395SQ201310044097
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2013年2月4日 优先权日:2013年2月4日
【发明者】潘立卫, 王树东, 倪长军, 袁中山, 张骋 申请人:中国科学院大连化学物理研究所