CN105526812B - 一种催化氧化换热器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种催化氧化换热器及其工作方法，包括外壳，外壳两端设有封头Ⅰ和封头Ⅱ，内部形成换热腔；所述外壳内与封头Ⅰ和封头Ⅱ之间均密封设置径向管板，径向管板上开有供换热通道穿过的管孔，换热通道将封头Ⅰ和封头Ⅱ连通，换热通道与封头形成管内流体通道；所述外壳内还设置有与径向管板平行的多个折流板，以将换热腔分隔形成管外流体通道，管外流体通道的一端与外壳顶部的管外流体进口连通，管外流体通道的另一端与外壳底部的管外流体出口连通；所述换热通道包括换热管，所述换热管外部包有泡沫金属，泡沫金属内置有具有催化活性的活性颗粒。采用低温催化氧化技术，解决低品位燃气利用难的问题，具有节能和环保双重意义。

Description

一种催化氧化换热器及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种催化氧化换热器及用其实现低品位燃气热量回收及低能耗处理的工作方法。

背景技术

低品位燃气是指工业生产中产生的难以利用的含有低浓度可燃气(CH4、CO、H2)的气体。比如超低浓度煤层气，矿井乏风等劣质化石气体燃料，或其他低浓度燃料型废气。通常条件下，这部分气体，不能被点燃或者维持燃烧。

目前，世界上大部分的低品位可燃气都未进行回收处理直接排向大气。这类气体的排放，一方面造成了有限的不可再生资源的严重浪费，另一方面也加剧了环境污染和温室效应。因此，合理回收利用低浓度煤层气具有节能和环保双重意义。

我国以及世界上很多国家在低品位燃气的利用技术研究主要集中在：低品位燃气发电技术、低品位燃气压缩技术、低品位燃气燃烧技术和矿井乏风低品位燃气利用技术等方面，但这些技术并未获得大的突破，而且存在发电效率较低、有安全隐患等问题，开发利用仍存在很大空缺。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种催化氧化换热器及其工作方法，采用低温催化氧化技术，对普通换热器进行简单改造，解决低品位燃气利用难的问题，具有节能和环保双重意义。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种催化氧化换热器，

包括外壳，外壳两端设有封头Ⅰ和封头Ⅱ，内部形成换热腔；

所述外壳内与封头Ⅰ和封头Ⅱ之间均密封设置径向管板，径向管板上开有供换热通道穿过的管孔，换热通道将封头Ⅰ和封头Ⅱ连通，封头Ⅰ由水平隔板分隔成两个部分，封头Ⅰ的顶部具有管内流体进口，底部具有管内流体出口，换热通道与封头Ⅰ和封头Ⅱ形成管内流体通道；所述外壳内还设置有与径向管板平行的多个折流板，以将换热腔分隔形成管外流体通道，管外流体通道的一端与外壳顶部的管外流体进口连通，管外流体通道的另一端与外壳底部的管外流体出口连通；

所述换热通道包括换热管，所述换热管外部包有泡沫金属，泡沫金属内置有具有催化活性的活性颗粒。

优选的，所述管外流体进口位于外壳设有封头Ⅱ的一端的顶部；所述管外流体出口位于外壳设有封头Ⅰ的一端的底部；保证对管外流体的热量充分吸收。

一种催化氧化换热器，

包括外壳，外壳两端具有封头Ⅰ和封头Ⅱ，内部形成换热腔；

所述外壳内与封头Ⅰ和封头Ⅱ之间均密封设置径向管板，径向管板上开有供换热通道穿过的管孔，换热通道将封头Ⅰ和封头Ⅱ连通，封头Ⅰ的顶部具有管内流体进口，封头Ⅱ底部具有管内流体出口，换热通道与封头Ⅰ和封头Ⅱ形成管内流体通道；所述外壳内还设置有与径向管板平行的多个折流板，以将换热腔分隔形成管外流体通道，管外流体通道的一端与外壳顶部的管外流体进口连通，管外流体通道的另一端与外壳底部的管外流体出口连通；

所述换热通道包括换热管，所述换热管外部包有泡沫金属，泡沫金属内置有具有催化活性的活性颗粒。

所述泡沫金属由高导热性质的金属制成，泡沫金属的金属物质可以采用镍、铜、铁、铝等高导热性质的金属，优选为紫铜。

所述泡沫金属的孔径范围为0.1-2mm，优选0.5mm。

优选的，所述管外流体进口位于外壳设有封头Ⅰ的一端的顶部；所述管外流体出口位于外壳设有封头Ⅱ的一端的底部；保证对管外流体的热量充分吸收。

所述管内流体进口处设有测温元件，所述测温元件与控制器通信；可以通过测定管内流体进口处的温度，由控制器控制管内流体的温度。

所述泡沫金属内设有多个孔隙，活性颗粒附着于孔隙中。

所述活性颗粒为低温氧化催化剂，作用在于在低温下(100-500℃)催化低品位燃气的氧化，所述低温氧化催化剂包括载体和活性金属，活性金属负载到载体上；所述载体采用分子筛物质或二氧化钛或活性氧化铝，活性金属由铁、铜、镍、钴、铬、钒、锰、钡、镁、钙、银金属中的一种或几种组成。将活性金属负载到载体上的方法可采用浸渍法、水热法等催化剂制备方法。

所述活性颗粒在泡沫金属的中附着方法可采用喷涂法，即将催化剂混合液体制成均匀溶液，采用高压喷枪将溶液喷涂于泡沫金属表面；或采用粘结法，即将泡沫金属表面均匀涂抹粘性胶体，将催化剂颗粒喷涂于泡沫金属表面并形成稳定粘结；或采用浸渍法，即将催化剂颗粒制成乳状溶液，将泡沫金属浸渍其中，使催化剂颗粒在泡沫金属表面形成稳定附着。其他可以使催化剂颗粒在泡沫金属表面形成稳定粘附的方法亦可使用。

所述孔隙在泡沫金属内均匀分布；对管外流体的热量均匀吸收，提升活性颗粒对管外流体的催化氧化率。

所述泡沫金属的孔隙度大于90％；大大增加内填充催化剂与气体接触面积。

所述管外流体通道的流通面积是管内流体通道的流通面积的4～9倍；避免泡沫金属膨胀阻塞管外流体流动。

所述外壳与封头Ⅰ和封头Ⅱ之间均设有密封元件，所述换热通道与径向管板之间设有密封元件；保证换热腔的密封性，提升换热效率。

一种催化氧化换热器的工作方法，包括以下步骤：

步骤1：吸热流体由管内流体进口进入，吸热流体在管内流体通道内流通；低品位可燃气由管外流体进口进入，低品位可燃气在管外流体通道内流通；

步骤2：低品位可燃气由换热通道泡沫金属内的活性颗粒进行催化氧化，放出的热量由换热管道内的吸热流体吸收；

步骤3：经处理的低品位可燃气由管外流体出口流出，吸热流体由管内流体出口流出，实现低品位燃气热量回收和无污染排放。

本发明的工作原理为：

利用本发明催化氧化换热器，高温低品位燃气流通时，在催化剂作用下催化氧化，放出的热量通过泡沫金属及时的传递到换热管中，被换热管内流体带走并及时利用，实现低品位燃气热量回收；也可通过控制换热管内流体的流量及温度来控制泡沫金属中填充催化剂的温度，将低品位燃气催化氧化，实现低能耗处理。

本发明的有益效果为：

本发明的催化氧化换热器通过换热管的活性颗粒对低品位可燃气进行催化氧化，低品位可燃气的热量被换热管回收利用，实现低品位可燃气的低能耗处理和热量回收利用。

催化氧化反应仅发生在换热管表面，热量的释放过程也就仅局限于换热管表面，可以及时有效的将热量带走并得到利用，而不是用来加热大区域的其他气体，热量利用率高。

本发明的催化氧化换热器有效解决低品位燃气利用难的问题，具有节能和环保双重意义；同时换热管管内流体可循环使用，节约资源。

本发明的催化氧化换热器可通过对常规换热器进行简单改造实现，成本低廉。

附图说明

图1为本发明催化氧化换热器的结构示意图；

图2为图1中金属管的结构示意图；

图中，1为管内流体进口；2为热电偶；3为隔板；4为管内流体出口；5为管外流体出口；6为外壳；7为金属管；8为管外流体进口，9为挡板；10为管板；11为控制系统；12为泡沫金属；13为孔隙；14为活性颗粒；15为封头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：

如图1所示，催化氧化换热器，用以实现低品位燃气热量回收及低能耗处理，换热器可通过对常规换热器进行简单改造实现，成本低廉，可采用套管式、壳管式板式、螺旋板式等型式。

催化氧化换热器，包括外壳6，外壳6两端具有封头15，内部形成换热腔；外壳6两端部设置径向管板10，并进行密封处理；管板10上开有供换热通道穿过的管孔，换热通道将两封头15连通，一端封头15的顶部具有管内流体进口1，底部具有管内流体出口4，该封头15由水平隔板3分隔成两个部分，换热通道与封头15形成管内流体通道；外壳6内还设置有与径向管板10平行的多个折流板(即挡板9)，以将换热腔分隔形成管外流体通道，管外流体通道的一端与外壳6顶部的管外流体进口8连通，管外流体通道的另一端与外壳6底部的管外流体出口5连通。

低品位燃气主要为超低浓度煤层气、矿井乏风等劣质化石气体燃料，或其他低浓度燃料型废气。

管内流体进口1处设有热电偶2，热电偶2与控制系统11通信；控制系统11可以控制换热通道的泡沫金属12中的活性颗粒14的温度，还可以控制换热通道的金属管7内的流体流量。其中温度的控制可通过流量的调节实现，减小管内流体的流量可增大管内流体及管壁的温度，进而控制换热器整体的温度；流量的控制可以通过进口阀门的调节实现。

外壳6与封头15之间设置密封环进行密封，换热通道与径向管板10之间设置密封环进行密封。

管外流体通道流体流通面积是管内流体通道流体流通面积的4～9倍，避免泡沫金属膨胀阻塞管外流体流动。

如图2所示，换热通道的结构为外焊接多孔泡沫金属12的换热管(即金属管7)，泡沫金属的孔隙13中可填充具有催化活性的活性颗粒14，实现特定气体的催化氧化。金属管7内流体可循环使用，节约资源。

泡沫金属13孔隙度达90％以上，孔隙直径可达至毫米级，大大增加内填充活性颗粒14与气体接触面积；导热性好，可及时有效的传递热量。可采用泡沫铝及其合金，经济性高。

大部分研究表明可燃气在温度100℃～500℃合适催化剂作用下可被氧化生成无害气体，故可采用低温催化氧化技术对其进行处理。

水或水蒸气由管内流体进口1进入，在金属管7内流动，由管内流体出口4流出。低品位可燃气由管外流体入口8进入换热器内流动，在温度为100℃～300℃合适催化剂14作用下被催化氧化，放出的热量通过泡沫金属12及时的传递到金属管7中，被管内流体带走并及时利用，经处理的低品位可燃气由管外流体出口5流出，实现低品位燃气热量回收和无污染排放；也可通过金属管内流体流量及温度控制系统11来控制管内流体温度及流量以保持泡沫金属中填充活性颗粒14达到反应温度，将低品位燃气催化氧化，实现低能耗处理。

催化氧化换热器采用低温催化氧化技术，实现低品位燃气热量回收及低能耗处理，具有节能和环保双重意义。

发生催化氧化反应温度为100℃～500℃，且反应仅发生在金属管表面，热量的释放过程也就仅局限于金属管表面，可以及时有效的将热量带走并得到利用，而不是用来加热大区域的其他气体，热量利用率高。

实施例2：

外壳6与封头15之间设置密封套圈进行密封，换热通道与径向管板10之间设置密封套圈进行密封。

实施例3：

外壳6与封头15上均设置密封槽，在密封槽内固定O型圈进行密封；换热通道与径向管板10上均设置密封槽，在密封槽内固定O型圈进行密封；

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种催化氧化换热器，其特征是，

包括外壳，外壳两端设有封头Ⅰ和封头Ⅱ，内部形成换热腔；

所述外壳内与封头Ⅰ和封头Ⅱ之间均密封设置径向管板，径向管板上开有供换热通道穿过的管孔，换热通道将封头Ⅰ和封头Ⅱ连通，封头Ⅰ由水平隔板分隔成两个部分，封头Ⅰ的顶部具有管内流体进口，底部具有管内流体出口，换热通道与封头Ⅰ和封头Ⅱ形成管内流体通道；所述外壳内还设置有与径向管板平行的多个折流板，以将换热腔分隔形成管外流体通道，管外流体通道的一端与外壳顶部的管外流体进口连通，管外流体通道的另一端与外壳底部的管外流体出口连通；

所述换热通道包括换热管，所述换热管外部包有泡沫金属，泡沫金属内置有具有催化活性的活性颗粒；所述泡沫金属内设有多个孔隙，活性颗粒附着于孔隙中；所述活性颗粒为低温氧化催化剂，所述低温氧化催化剂包括载体和活性金属，活性金属负载到载体上。

2.如权利要求1所述的催化氧化换热器，其特征是，所述管外流体进口位于外壳设有封头Ⅱ的一端的顶部；所述管外流体出口位于外壳设有封头Ⅰ的一端的底部。

3.一种催化氧化换热器，其特征是，

包括外壳，外壳两端具有封头Ⅰ和封头Ⅱ，内部形成换热腔；

所述外壳内与封头Ⅰ和封头Ⅱ之间均密封设置径向管板，径向管板上开有供换热通道穿过的管孔，换热通道将封头Ⅰ和封头Ⅱ连通，封头Ⅰ的顶部具有管内流体进口，封头Ⅱ底部具有管内流体出口，换热通道与封头Ⅰ和封头Ⅱ形成管内流体通道；所述外壳内还设置有与径向管板平行的多个折流板，以将换热腔分隔形成管外流体通道，管外流体通道的一端与外壳顶部的管外流体进口连通，管外流体通道的另一端与外壳底部的管外流体出口连通；

所述换热通道包括换热管，所述换热管外部包有泡沫金属，泡沫金属内置有具有催化活性的活性颗粒；所述泡沫金属内设有多个孔隙，活性颗粒附着于孔隙中；所述活性颗粒为低温氧化催化剂，所述低温氧化催化剂包括载体和活性金属，活性金属负载到载体上。

4.如权利要求3所述的催化氧化换热器，其特征是，所述管外流体进口位于外壳设有封头Ⅰ的一端的顶部；所述管外流体出口位于外壳设有封头Ⅱ的一端的底部。

5.如权利要求1或3所述的催化氧化换热器，其特征是，所述管内流体进口处设有测温元件，所述测温元件与控制器通信。

6.如权利要求1或3所述的催化氧化换热器，其特征是，所述泡沫金属由高导热性质的金属制成；所述泡沫金属的孔径范围为0.1-2mm。

7.如权利要求1或3所述的催化氧化换热器，其特征是，所述孔隙在泡沫金属内均匀分布；所述泡沫金属的孔隙度大于90%；所述载体采用分子筛物质或二氧化钛或活性氧化铝，活性金属由铁、铜、镍、钴、铬、钒、锰、钡、镁、钙、银金属中的一种或几种组成。

8.如权利要求1或3所述的催化氧化换热器，其特征是，所述管外流体通道的流通面积是管内流体通道的流通面积的4~9倍。

9.如权利要求1或3所述的催化氧化换热器，其特征是，所述外壳与封头Ⅰ和封头Ⅱ之间均设有密封元件，所述换热通道与径向管板之间设有密封元件。

10.利用权利要求1或3所述的催化氧化换热器的工作方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1：吸热流体由管内流体进口进入，吸热流体在管内流体通道内流通；低品位可燃气由管外流体进口进入，低品位可燃气在管外流体通道内流通；

步骤2：低品位可燃气由换热通道泡沫金属内的活性颗粒进行催化氧化，放出的热量由换热管道内的吸热流体吸收；

步骤3：经处理的低品位可燃气由管外流体出口流出，吸热流体由管内流体出口流出，实现低品位燃气热量回收和无污染排放。