一种选择性脱除CO的装置及其使用方法

一种选择性脱除co的装置及其使用方法
技术领域
1.本发明属于能源环境技术领域，本发明涉及一种选择性脱除co的装置及其使用方法。


背景技术：

2.燃料电池是将燃料的化学能高效转化为电能的重要技术，它在使用过程中不需要经过卡诺循环，能量转化率高。其原料为氢气和氧气，产物为水，对环境不会产生污染，是一种环境友好的能量转换装置。燃料电池技术被认为是21世纪新型环保高效的发电技术之一，目前已经在交通动力电源、固定电源及便携式电源等方面开始应用。
3.质子交换膜燃料电池(pemfc)是继碱性燃料电池(afc)、磷酸型燃料电池(pafc)、熔融碳酸盐燃料电池(mcfc)、固体氧化物燃料电池(sofc)之后正在迅速发展起来工作温度最低、比能最高、启动最快、寿命最长、应用最广的第五代燃料电池，在美国《时代周刊》的社会调查结果中被列为21世纪十大科技新技术之首。
4.然而，co对pemfc的电极具有毒化作用，即使原料气中具有极其微量的co，也会对pemfc的电极造成致命的影响。虽然纯氢是pemfc最理想的原料气，但其制备成本、储运成本较高且安全性差，不利于其规模化使用。现场制氢直接与pemfc联用是更为经济、可行的选择，但是产物氢气在进入燃料电池前需要将富氢气体中的co进行深度脱除。
5.co选择性氧化是目前处理富氢气体中微量co的常用方法之一。其原理是在重整过程中通入氧气，使co转化为co2。但是该方法的富氧环境会造成一些氢气的损失，过程中还需要外加电源或者热源。此外，过程需要催化剂的参与以保证co优先于氢气氧化。然而，富氢气体中的一些杂质成分会对催化剂有毒化作用，导致催化剂使用一段时间后失活；一些贵金属催化剂成本过高，难以重复使用；非贵金属催化剂热稳定性、催化活性等不能满足工艺需求。co在氧化过程中会放出大量的热，如果反应过程中物料分布不均，容易导致局部过热，对装置和催化剂的耐热性要求都比较高。而且目前来说，该技术对富氢气体中微量co很难脱除到0.2ppm以下。


技术实现要素：

6.为了克服现有技术的不足，本发明提供一种选择性脱除co的装置及其使用方法，该装置集成度高，不需要外加电源、热源且不需要高压环境。
7.本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：
8.一种选择性脱除co的装置，包括两个反应装置主体，反应装置主体为立式装置，由外向内依次设置空气进料腔、催化燃烧腔、co反应腔；催化燃烧腔与co反应腔之间设有0.5-3mm薄壁相间隔；催化燃烧腔和空气进料腔之间下半部分为薄壁间隔，上半部分为带有非均布通孔的薄壁间隔；co反应腔位于反应装置主体的中心位置，反应装置主体顶部上方设有富氢气体进气口，每个反应装置主体的催化燃烧腔、co反应腔分别通过管路与富氢气体进气口连接；且管路上对应分别设有燃烧腔富氢气体进口阀、co反应腔富氢气体进口阀；co反
应腔顶部与催化燃烧腔顶部设有连接管路且管路上设有co反应腔脱附气体出口阀；反应装置主体侧壁设有空气进气口，反应装置主体中催化燃烧腔的底部通过管路连接换热器；co反应腔底部设有产品气出气管路且管路上设有产品气出口阀。
9.进一步的，空气进气口、富氢气体进气口处分别设有流量计；以对催化燃烧反应速率进行有效控制。
10.进一步的，空气进料腔、催化燃烧腔、co反应腔处分别设有压力传感器。
11.进一步的，在co反应腔与催化燃烧腔的连接管路处设置co浓度监测器，以对co反应腔的脱附过程进行监测。
12.进一步的，co反应腔内部装有co选择性吸附剂；催化燃烧腔中装填有催化燃烧催化剂；
13.进一步的，所述催化燃烧催化剂包括但不限于pd基、pt基、rh基、ce基、zr基、la基催化剂；所述催化燃烧催化剂具体使用时采用上述催化燃烧催化剂中的任一种或一种以上；
14.进一步的，催化燃烧腔和空气进料腔上半部分为带有非均布通孔的薄壁间隔；其通孔孔径为1-5mm。
15.进一步的，所述换热器设置在反应装置主体尾气出口处；以充分进行余热回收利用。换热器末端设有燃烧尾气出口；
16.进一步的，两个反应装置主体对称布置。两个反应装置主体为对称分布，当一个反应装置主体吸附co达到饱和时，启动其脱附流程，同时启动另一主体进行吸附，保证co吸附过程可连续进行。
17.本发明另一个目的是请求保护上述装置的使用方法，具体包括以下步骤：
18.s1.检查装置气密性，启动反应装置；
19.s2.富氢气体由富氢气体进气口进入任一反应装置主体的co反应腔，此时富氢气体中含有的co被吸附腔内的选择性吸附剂高效吸附，产品气由产品气出口排出。
20.s3.当该反应装置主体co吸附饱和时，停止向该反应装置主体的co反应腔进行进气。同时，将富氢气体通入该反应装置主体的催化燃烧腔，将空气通入该反应装置主体的空气进料腔。空气通过催化燃烧腔与空气进料腔间的通孔向催化燃烧腔扩散，此时在催化剂的作用下催化燃烧腔内发生氢氧催化燃烧反应，为co反应腔供热。co反应腔在加热的条件下发生co的解析附过程，析出的co通入催化燃烧腔中与空气进行催化燃烧反应。co与氢气的燃烧尾气通过燃烧尾气出口排出，燃烧过程中的余热通过换热器回收。当脱附过程结束后，停止向空气进料腔和催化燃烧腔通入气体，关闭燃烧尾气出口，等待反应装置主体降温。与该过程同步的，将富氢气体通入另一反应装置主体的co反应腔，此时富氢气体的co脱除在该应装置主体中进行，产品气由产品气出口排出。
21.s4.当另一反应装置主体的co吸附饱和时，进行该反应装置主体的脱吸附过程并启动上一反应装置主体的吸附过程。
22.进一步的，上述选择性吸附剂包括但不限于铜基吸附剂、分子筛类吸附剂、沸石类吸附剂、活性镍、多孔炭；所述选择性吸附剂具体使用时采用上述选择性吸附剂中的任一种或一种以上；
23.本发明的提供的装置中，富氢气体中微量co的脱除选择了物理吸附的手段，避免
了选择性催化燃烧过程一部分氢气的损失。co的吸收在常温常压下即可进行，不需要额外加热或加压条件。设置了对称的两套装置主体，当其中一套装置吸附饱和时，启动脱附程序，选用另一套装置进行进一步吸附，提高了处理效率。co的脱附能量由一部分的待处理富氢气体和空气(氧气)的催化燃烧过程提供，不需要额外热源。脱附出的co在催化燃烧腔中发生催化燃烧反应，放出的能量进一步为脱附提供能量，其产物为co2，不会对环境造成污染。空气进料腔、催化燃烧腔、co反应腔交互排列、结构紧凑，同时又能保证气体、热量的交换更加充分。空气进料腔和催化燃烧腔半部分通过薄壁相间隔，上半部分的薄壁带有非均布的1～5mm通孔。该设计既可保证氢气与空气充分接触反应，提高物料的利用率，又可以保证物料混合均匀，避免反应装置局部过热造成催化剂烧结失活。空气与氢气的催化燃烧过程在常温常压下即可进行，不需要附加其他条件。与催化燃烧腔连接的燃烧尾气出口处设置换热器，可充分回收尾气中的余热，最大程度的提高了能量利用率。
24.本发明与现有技术相比的有益效果是：
25.(1)将空气进料腔、催化燃烧腔、co反应腔高度集成，使得反应装置结构紧凑，解决了一般反应装置集成度较差、占地面积大等问题；
26.(2)对催化燃烧腔和co反应腔两个相邻腔之间热量交换进行合理匹配，充分利用原料气体的能量，供给co的脱附过程，同时在催化燃烧尾气的出口处设置换热器，将尾气余热充分回收，极大提高了整个装置的能量效率；
27.(3)通过合理设置空气进料腔和催化燃烧腔之间的通孔分布改进反应装置有限空间内的物料混合不充分的问题，避免局部过热的发生，提高原料利用效率。采用本发明的反应装置可以将含有氢气体积浓度为50-75％原料气中的一氧化碳浓度由0.1-2.0％脱除到1～0.2ppm以下。
附图说明
28.图1为本发明一种选择性脱除co的装置的示意图；
29.图2为本发明反应装置主体a的俯视图；
30.图3为本发明空气进料腔和催化燃烧腔之间壁面的结构示意图；
31.图中：1、燃烧腔富氢气体进口阀a，2、co反应腔富氢气体进口阀a，3、co反应腔脱附气体出口阀a，4、空气进料腔a，5、催化燃烧腔a，6、co反应腔a，7、产品气出口阀a，8、富氢气体进气口，9、燃烧尾气出口a，10、换热器a，11、燃烧腔富氢气体进口阀b，12、空气进气口a，13、co反应腔脱附气体出口阀b，14、co反应腔富氢气体进口阀b，15、换热器b，16、空气进料腔b，17、催化燃烧腔b，18、co反应腔b，19、产品气出口阀b，20、燃烧尾气出口b，21、空气进气口b，22、反应装置主体a，23、反应装置主体b。
具体实施方式
32.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，下述具体实施方式仅仅是示意性的而不是限定性的，其他人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。实施例中涉及的与plc系统相连接的燃烧腔富氢气体进口阀a、co反应腔富氢气体进口阀a、co反应腔脱附气体出口阀a、、产品气出口阀a、换热器a、燃烧腔富氢气体进口阀b、co反应腔脱附气体出口阀b、
co反应腔富氢气体进口阀b、换热器b、产品气出口阀b、流量计、压力传感器、co浓度监测器均不限定某一具体型号，实现其工作功能即可。
33.实施例1
34.一种选择性脱除co的装置，如图1-图3所示，包括两个反应装置主体：反应装置主体a 22、反应装置主体b 23，两个反应装置主体均为立式装置，
35.反应装置主体a 22包括由外向内依次设置空气进料腔a 4、催化燃烧腔a 5、co反应腔a6；催化燃烧腔a 5与co反应腔a 6之间设有0.5-3mm薄壁相间隔；催化燃烧腔a 5和空气进料腔a 4之间下半部分为薄壁间隔，上半部分为带有非均布通孔的薄壁间隔；co反应腔a 6位于反应装置主体a 22的中心位置，反应装置主体a 22顶部上方设有富氢气体进气口8，催化燃烧腔a 5、co反应腔a 6分别通过管路与富氢气体进气口8连接；且管路上对应分别设有燃烧腔富氢气体进口阀a 1、co反应腔富氢气体进口阀a 2；co反应腔a 6顶部与催化燃烧腔a 5顶部设有连接管路且管路上设有co反应腔脱附气体出口阀a 3；反应装置主体a 22侧壁设有空气进气口a 12，反应装置主体a 22中催化燃烧腔a 5的底部通过管路连接换热器a10；co反应腔a 6底部设有产品气出气管路且管路上设有产品气出口阀a 7；
36.反应装置主体b 23包括由外向内依次设置空气进料腔b 16、催化燃烧腔b 17、co反应腔b 18；催化燃烧腔b 17与co反应腔b 18之间设有0.5-3mm薄壁相间隔；催化燃烧腔b 17和空气进料腔b 16之间下半部分为薄壁间隔，上半部分为带有非均布通孔的薄壁间隔；co反应腔b 18位于反应装置主体b 23的中心位置，反应装置主体b 23顶部上方设有富氢气体进气口8，催化燃烧腔b 17、co反应腔b 18分别通过管路与富氢气体进气口8连接；且管路上对应分别设有燃烧腔富氢气体进口阀b 11、co反应腔富氢气体进口阀b 14；co反应腔b 18顶部与催化燃烧腔b 17顶部设有连接管路且管路上设有co反应腔脱附气体出口阀b 13；反应装置主体b 23侧壁设有空气进气口b 21，反应装置主体b 23中催化燃烧腔b 17的底部通过管路连接换热器b 15；co反应腔b 18底部设有产品气出气管路且管路上设有产品气出口阀b 19；
37.进一步的，空气进气口a 12、空气进气口b 21、富氢气体进气8处分别设有流量计；以对催化燃烧反应速率进行有效控制。
38.进一步的，空气进料腔a 4、催化燃烧腔a 5、co反应腔a 6、空气进料腔b 16、催化燃烧腔b 17、co反应腔b 18处分别设有压力传感器。
39.进一步的，在co反应腔a 6与催化燃烧腔a 5的连接管路处、co反应腔b 18与催化燃烧腔b 17的连接管路处分别设置co浓度监测器，以对co反应腔的脱附过程进行监测。
40.进一步的，co反应腔a 6、co反应腔b 18内部均装有co选择性吸附剂；催化燃烧腔a5、催化燃烧腔b 17中均装填有催化燃烧的pd基催化剂；
41.进一步的，所述换热器a 10设置在反应装置主体a 22尾气出口处；所述换热器b 15设置在反应装置主体b 23尾气出口处；以充分进行余热回收利用。换热器a 10末端设有燃烧尾气出口a 9；换热器b 15末端设有燃烧尾气出口b 20。
42.燃烧腔富氢气体进口阀a 1、co反应腔富氢气体进口阀a 2、co反应腔脱附气体出口阀a 3、产品气出口阀a 7、换热器a 10、燃烧腔富氢气体进口阀b 11、co反应腔脱附气体出口阀b 13、co反应腔富氢气体进口阀b 14、换热器b 15、产品气出口阀b 19、流量计、压力传感器、co浓度监测器分别与plc系统相连接。
43.反应装置主体为两套立式装置，呈对称布置。每套装置有外向内共三层不同的功能腔，依次设置空气进料腔、催化燃烧腔和co反应腔。在反应装置主体顶部设有富氢气体进气口8，并通过燃烧腔富氢气体进口阀控制co脱附阶段催化燃烧腔的气体输入，通过co反应腔富氢气体进口阀控制co吸附阶段富氢气体的输入，通过co反应腔脱附气体出口阀控制在co脱附阶段co气体向催化燃烧腔的排放。反应装置主体一侧设有空气进气口。在反应装置底部设有燃烧尾气出口及换热器以充分利用燃烧尾气的余热，同时设置产品气出口阀以充分控制产品气的排出。所述co反应腔内装填有co选择性吸附剂。co反应腔与催化燃烧腔之间通过薄壁间隔，催化燃烧腔与空气进料腔之间下半部分通过薄壁相间隔，上半部分的薄壁带有非均布的通孔以保证氢气与空气充分接触反应，提高物料的利用率。同时可以保证物料混合均匀，避免反应装置主体局部过热造成催化剂烧结失活。
44.上述一种富氢气体中微量co脱除装置的使用方法，具体为：
45.s1.启动反应装置前，由于整个装置的实验流程涉及一氧化碳和氢气等有毒或易燃易爆气体，所以首先要检查整个装置的气密性。具体操作是：关闭燃烧尾气出口a 9、燃烧尾气出口b 20、产品气出口阀a 7、产品气出口阀b 19、富氢气体进气口8、燃烧腔富氢气体进口阀a 1、co反应腔富氢气体进口阀a 2、co反应腔脱附气体出口阀a 3、燃烧腔富氢气体进口阀b 11、co反应腔脱附气体出口阀b 13、co反应腔富氢气体进口阀b 14。由空气进气口a 12、空气进气口b 21向反应装置主体a 22、反应装置主体b 23通入空气，当空气进料腔或催化燃烧腔内的压力达到0.2mpa后，停止通入空气，当压力保持不变，则该部分气密性良好。关闭空气进气口a 12、空气进气口b 21，打开富氢气体进气口8、co反应腔富氢气体进口阀a 2、co反应腔富氢气体进口阀b 14，由富氢气体进气口8向反应装置主体a 22、反应装置主体b23通入空气，当co反应腔内的压力达到0.2mpa后，停止通入空气，当压力保持不变，则气密性良好，启动装置。
46.s2.打开富氢气体进气口8、co反应腔富氢气体进口阀a 2、产品气出口阀a 7，保持其他进气口、出口及阀门关闭。向富氢气体进气口8通入需要处理的富氢气体，使富氢气体内的微量co充分被co反应腔a 6中填充的co选择性吸附剂吸附，达标的气体通过产品气出口阀a 7排出。
47.s3.当反应装置主体a 22达到co吸附饱和时，关闭co反应腔富氢气体进口阀a 2和产品气出口阀a 7，停止向该反应装置主体a 22的co吸附腔a 6的进气，同时启动该反应装置的co脱附程序，具体操作如下：打开燃烧腔富氢气体进口阀a 1，空气进气口a 12，co反应腔脱附气体出口阀a 3以及燃烧尾气出口a 9。向空气进料腔a 4通入空气，此时空气将通过催化燃烧腔a 5和空气进料腔a 4壁面间的小孔向催化燃烧腔a 5内扩散。富氢气体和空气通过催化燃烧腔a 5内填充的催化燃烧催化剂的作用发生氢氧催化燃烧反应，通过催化燃烧腔a 5和co反应腔a 6间的壁面传热。co反应腔a 6内的co选择性吸附剂在受热条件下发生co的解析附过程，析出的co由co反应腔脱附气体出口阀a 3处流入催化燃烧腔a 5与空气进行催化燃烧反应。催化燃烧腔a 5的燃烧尾气(主要成分为co2和h2o)通过燃烧尾气出口a 9排出，燃烧过程中的余热通过换热器a 10回收。在co反应腔脱附气体出口阀a 3设有co浓度检测装置，当探测到脱附过程结束后，停止向空气进气口a 12通入空气，并关闭燃烧腔富氢气体进口阀a 1、co反应腔脱附气体出口阀a 3和燃烧尾气出口a 9，等待反应装置降温。与此同时，开启另一反应装置主体b 23的吸附流程，具体操作如下：打开co反应腔富氢气体
进口阀b 14和产品气出口阀b 19，保持燃烧腔富氢气体进口阀b 11及co反应腔脱附气体出口阀b 13关闭。此时需要处理的富氢气体通入co反应腔b 18，其中微量co充分被co反应腔b 18中填充的co选择性吸附剂吸附，达标的气体通过产品气出口阀b 19排出。
48.s4.当反应装置主体b 23达到co吸附饱和时，关闭co反应腔富氢气体进口阀b 14和产品气出口阀b 19，停止向该反应装置主体b 23的co吸附腔b 18的进气，同时启动该反应装置的co脱附程序，具体操作如下：打开燃烧腔富氢气体进口阀b 11，空气进气口b 21，co反应腔脱附气体出口阀b 13以及燃烧尾气出口b 20。向空气进料腔b 16通入空气，此时空气将通过催化燃烧腔b 17和空气进料腔b 16壁面间的小孔向催化燃烧腔b 17内扩散。富氢气体和空气通过催化燃烧腔b 17内填充的催化燃烧催化剂的作用发生氢氧催化燃烧反应，通过催化燃烧腔b 17和co反应腔b 18间的壁面传热。co反应腔b 18内的co选择性吸附剂在受热条件下发生co的解析附过程，析出的co由co反应腔脱附气体出口阀b 13处流入催化燃烧腔b 17与空气进行催化燃烧反应。催化燃烧腔b 17的燃烧尾气通过燃烧尾气出口b 20排出，燃烧过程中的余热通过换热器b 15回收。在co反应腔脱附气体出口阀b 13设有co浓度检测装置，当探测到脱附过程结束后，停止向空气进气口b 21通入空气，并关闭燃烧腔富氢气体进口阀b 11、co反应腔脱附气体出口阀b 13和燃烧尾气出口b 20，等待反应装置降温。此时，另一反应装置主体a 22已完成co的脱附并已降温完毕，开启该反应装置主体a 22的吸附流程，具体操作同步骤s2。
49.反应装置主体a 22与反应装置主体b 23可分别进行co的吸附和脱吸附过程，保证整个co脱除过程的连续性。
50.反应稳定后，还需在产品气出口处定期抽样检测产品气体的组成，以判断本发明的反应装置是否运行正常。
51.以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。