CN111551031A - 一种催化氧化燃煤烟气中co的管式炉试验***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种催化氧化燃煤烟气中CO的管式炉试验***及方法，所述***包括配气***，抽真空***，温控装置和冷却***，以及立式结构的炉体，设置在炉体内的炉膛保温层，设置在炉膛内的反应管；炉膛保温层呈多层设置，相邻两层之间设置有用于冷却介质循环的冷却通路；温控装置的测温端和加热端均设置在炉膛内；冷却***用于冷却介质的循环降温，输出端连接冷却通路的输入端，输入端连接冷却通路的输出端；反应管内设置有支撑层，输入端连接并联的配气***和抽真空***，输出端连接分析吸收***。所述方法，在无氧真空环境下，对炉膛进行加热控制达到目标温度，输入的气体通过催化剂时发生氧化还原反应后，进行主要成分分析和废气吸收处理。

Description

一种催化氧化燃煤烟气中CO的管式炉试验***及方法
技术领域
本发明涉及烟气氮氧化物污染物脱除技术领域，具体为一种催化氧化燃煤烟气中CO的管式炉试验***及方法。
背景技术
燃煤电厂在生产过程中排放大量的氮氧化物(NOx)，新建机组NOx排放限制要求达到50mg/m3，控制燃煤电厂的氮氧化物排放的核心是烟气脱硝技术。Tauster和Murrell首先提出利用CO选择性催化还原NO的研究思路，富氧状态下Ir、Pt、Pd等贵金属元素具有一定的脱硝性能，Spassova等的研究表明Co、Cu、Ce三种金属氧化物负载于Al2O3上具有催化协同作用，能提高催化剂在低温下的催化活性，实验研究表明Cu-M/Al2O3(M＝V，Mn，Fe，Co，Ni，Zn)在200～300℃时，在CO气氛下均具有一定的脱硝性能。
目前，通过小型的配气石英管热态试验，可以开展催化条件下的脱硝催化反应研究。但现有的立式管式炉通常结构简单，因为石英管的加工难度，通常仅仅提供一个石英光管作为管式炉的反应管。对于需要填充催化剂的要求，现有的石英管往往不能满足，直接购买的管式炉也没有配备承载催化剂的结构。另外，普通管式炉降温过程采用自然降温，或者在反应管延伸段设置冷却***，但不管是刚玉管还是石英管，在1000℃-1600℃的高温试验范围内急冷，都是不耐受的。所以，常见的商用管式炉因受到炉内空间的限制，以及反应温度范围等限制，其炉内的石英管结构难以满足众多不同反应条件的使用需求。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种催化氧化燃煤烟气中CO的管式炉试验***及方法，结构简单，使用方便，成本低，改造方便，效果明显，适宜快速筛选不同含量的燃煤烟气气氛下，CO催化氧化的催化剂筛选。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种催化氧化燃煤烟气中CO的管式炉试验***，包括配气***，抽真空***，温控装置和冷却***，以及立式结构的炉体，设置在炉体内的炉膛保温层，设置在炉膛内的反应管；
所述的炉膛保温层呈多层设置，相邻两层之间设置有用于冷却介质循环的冷却通路；
所述的温控装置的测温端和加热端均设置在炉膛内；
所述的冷却***用于冷却介质的循环降温，输出端连接冷却通路的输入端，输入端连接冷却通路的输出端；
所述的反应管内设置有支撑层，输入端连接并联的配气***和抽真空***，输出端连接分析吸收***。
优选的，炉膛内平行设置的两只反应管形成一组，一只反应管内的支撑层装载催化剂，另一只反应管内的支撑层未装载催化剂；两只反应管并联，输入端均连接并联的配气***和抽真空***，输出端均连接分析吸收***。
优选的，所述的支撑层呈圆板状设置，边缘对称设置有凹槽。
优选的，反应管两端经法兰密封伸出炉体设置，伸出炉体的反应管端部设置有冷却装置。
优选的，所述的配气***包括气体预混装置，分别并行连接在气体预混装置输入端的试验气瓶，依次连接在气体预混装置输出端的管式炉进气阀和进气流量计；
所述的试验气瓶包括N2气瓶、CO气瓶、O2气瓶和CO2气瓶，试验气瓶经与其一一对应的气体阀门和配气流量计连接到气体预混装置输入端。
优选的，所述的分析吸收***包括依次连接在反应管输出端的CO\CO2分析仪和气体吸收瓶。
优选的，所述的分析吸收***包括连接在反应管输出端的气体吸收瓶，以及设置在反应管输出端和气体吸收瓶之间的气体取样管。
优选的，反应管采用石英反应管或刚玉反应管，支撑层采用陶瓷砂芯、石英棉、石英砂板或石英棉板制成。
一种催化氧化燃煤烟气中CO的管式炉试验方法，基于上述任一一种方案所述的***，包括如下步骤，
步骤1，通过抽真空***将反应管和***内的氧气排出，并充入保护气体；
步骤2，通过温控装置对炉膛进行加热控制，经温控装置达到目标温度，配气***输入的气体通过催化剂时发生氧化还原反应，再离开管式炉，利用分析吸收***进行主要成分分析和废气吸收处理。
优选的，每次试验时，由N2气瓶提供的N2作为排除氧气的保护气体，由N2气瓶、CO气瓶、O2气瓶和CO2气瓶提供的对应气体进行混合后得到混合气体；
进入管式炉的混合气体分为两路，分别通过没有催化剂的反应管，和装载了催化剂的反应管；在分析中进行数据处理时，以没有催化剂的反应管采集数据为对照。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明通过在保温层设置冷却***，辅以延长反应管的冷却作用，可满足本实验变工况较多，需要加快冷却过程的要求。不仅避免了针对反应管进行降温，造成反应管在急冷过程中的损坏，也达到了降温的目的。在节省取样换样时间的同时，也保证了试验***的正常运行，在燃煤电厂烟气污染物的催化脱除试验阶段用途较多。
进一步的，通过设置两支反应管，消除了混合气体由低温进入高温管式炉的温差，导致气体组分发生改变，从而造成测量误差，保证了数据真实性和准确性。因此，在保证燃煤烟气气氛中CO被催化剂催化氧化的同时，能够通过本发明的***，很简单的对比筛选出试验气氛下脱硝效果最佳的催化剂，达到脱硝目的。
附图说明
图1为本发明的***结构示意图。
图2为本发明中管式炉出口气体经取样后直接处理的***示意图。
图3为本发明中支撑层石英棉板的结构主视图。
图4为本发明中支撑层石英棉板的剖面结构示意图。
图中：1-N2气瓶，2-CO气瓶，3-O2气瓶，4-CO2气瓶，5-气体阀门，6-配气流量计，7-气体预混装置，8-进气阀，9-进气流量计，10-抽真空***，11-炉体，12-支撑层，13-炉膛保温层，14-温控装置，15-冷却***，16-CO\CO2分析仪，17-气体吸收瓶，18-气体取样管，19-反应管，20-法兰，21-凹槽，22-石英棉板。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明以燃煤电厂烟气中CO的催化氧化反应途径为研究对象，采用的管式炉为立式结构，包括炉体11、炉膛保温层13和反应管19；并且连接设置配气***、气体预混合装置7、抽真空***10、支撑层12、温控装置14、冷却***15、CO/CO2分析仪16；管式炉优选的采用石英管式炉。
配气***是通过各气瓶的气体阀门来调节气体组成，通过气体预混合装置7预混之后再进入管式炉的反应管19，通过反应管19内的支撑层12上的催化剂发生反应，最后排出管式炉。
对管式炉抽真空目的是尽可能的排出炉内的氧气，消除空气中的氧气浓度参加反应管19内的氧化还原反应的可能性。首先关闭抽真空***10上所有阀门，打开抽真空***10上的真空泵和真空阀门，观察压力表达到一定真空度(如-0.1MPa)并稳定后，关闭真空阀门和真空泵；打开抽真空***10上连接的配气***中的N2气瓶和进气阀门，等到压力表恢复常压后，关闭进气阀门，此时管式炉11内的空气浓度降低。重复该步骤多次，最终使空气排除干净，获得高纯度的试验气氛。抽完真空后先关闭真空阀门，再关闭真空泵，避免真空泵不工作状态时空气的回流。针对燃煤烟气气氛中CO催化氧化过程，和高温段可抽气氛下的添加剂或者催化剂的烧结过程，在正常工作中通常采用微正压工作，如小于0.02MPa。
本发明的炉体保温层13采用三层结构，每两个保温层中间分别设置制冷的冷却介质，冷却介质由冷却***15提供，例如内层设置风冷，外层设置循环水水冷。冷却介质可从炉体11顶部一端进入，从炉体11顶部另一端出来。可有效的控制炉体11表面温升小于30℃，达到使炉体表面快速降温的目的，从而满足该试验***中多工况变工况的要求。炉体在顶部设置出气孔。炉膛保温层13可由商用氧化铝多晶纤维材料制成，经由现有技术中成熟的真空吸附成型，收缩率小，导热系数低，可以达到很好的保温效果。也可由氧化铝毡布、保温棉等隔热材料构成。炉膛的加热由温控装置14调节，可商购，如含钼的铁铬铝电阻丝材料最高可达到1100℃。在炉体的中部设置K型热电偶，由温控装置14控制。适合于气氛小于1300℃的温度测试。
反应管19采用石英材质。石英玻璃种类繁多，其软化点温度约1730℃，可在1100℃左右长时间使用，短时间最高使用温度可以达到1400℃，可作为高温反应管的材料。
因为石英反应管材质较难加工捏合为其他结构。因此，需要在反应管内设置催化剂支撑件，材料可选择陶瓷砂芯或者石英棉、石英砂板等。如选择石英纤维棉毡制成的石英棉板22，具有耐高温、耐腐蚀、尺寸稳定、伸长收缩率极小、强度高的优点，棉毡的三维微孔结构孔隙率高，对气体过滤阻力小，是一种较高效的高温材料，可用于作为耐高温隔热保温材料和高温催化剂载体。将石英棉板22加工成边缘对称凹槽21结构的支撑件，并具有一定厚度的石英棉板22，利用长夹夹住凹槽21，轻轻送入反应管19中部。边缘处的凹槽21塞石英棉，可以增加石英棉板22与光滑的石英管内壁之间的摩擦，避免装载催化剂后石英棉板22滑落，同时方便取出更换。选用的材料对气体过滤阻力小，耐高温；清理效果明显，经济可靠，方便更换，节约时间，安全性高。
反应管19设置为延长的石英管，可降低延伸出炉体外部端头的温度。在反应管材质允许的条件下，根据需要在端头加上冷却装置(如水冷装置)，可有效的快速降低反应管温度，方便催化剂的更换；也可成为保温层13冷却***15降温后的辅助降温措施。
在石英反应管19两端加装法兰密封20，如不锈钢法兰加O型密封圈(氟橡胶等耐高温材料)，避免传统磨口塞密封性不好，以及真空操作时密封性不好导致反应管爆裂或者漏气现象的发生。
反应***设置为两只石英管为一组的反应管结构，两支石英管的区别是，一支石英管的石英棉板上装载了催化剂，另一支石英管的石英棉板上未装载催化剂，其余结构相同。每次试验时，进入管式炉的混合气体分为两路，分别通过没有催化剂的石英管，和装载了催化剂的石英管。最后数据处理时，应该考虑通过没有催化剂的石英管数据，避免混合气体进入管式炉的高温气氛中，前后的温差导致气体组分发生改变，从而造成测量误差，保证了真空状态下CO参与的催化氧化反应正常进行，数据采集的真实性和准确性。经济可靠，方便更换，节约时间，安全性高。
实例1
本发明如图1所示，包括配气***、气体预混合装置7、抽抽真空***10、石英管式炉、温控装置14、冷却***15、CO/CO2分析仪16。
其中，配气***由N2气瓶1、CO气瓶2、O2气瓶3、CO2气瓶4和各气瓶对应的气体阀门5、配气流量计6组成；混合气体经过气体预混装置7，经管式炉进气阀8和进气流量计9，到达抽真空的管式炉的炉体11。
所述的管式炉11内置两只平行的反应管19，并分别在中部设置支撑层12，由设置有凹槽21的石英棉板22为催化剂的支撑层12。经温控装置14达到目标温度，气体通过催化剂时发生氧化还原反应，再离开石英管式炉11，利用CO/CO2分析仪16进行主要成分分析，便于评价催化剂的效果。废气由盛装吸收液的化学吸收瓶14处理。
管式炉反应管采用耐高温且容易获取的材料，如石英管、刚玉管等，可直接购买，更换方便。催化剂由耐高温的石英棉板22支撑，如图3和图4，设置位置可在炉管中部，例如炉管直径50mm，长度1000mm，加热段长度440mm，恒温段长度200mm，支撑层12可设置在炉管中部位置。
实施例2
本发明如图2所示，选择烟气中与CO氧化还原反应主要相关的气体成分，如N2、CO、O2、CO2，经过阀门5和配气流量计，在气体预混合装置7中形成组分不同的混合气体，进入微压的管式炉11中。混合气体分两路同时进入反应管19，一只反应管19在支撑层12上装填催化剂；一只反应管未在支撑层12上装填催化剂，此数据作为空白实验。在石英反应管内装载的催化剂的支撑层12上发生CO的氧化还原反应。预先由温控装置14设定适宜的反应温度，反应完成后的混合气体离开管式炉，不经过CO/CO2分析仪16，而是通过气体取样管18取样的办法，分批次的送到取样分析单元进行主要成分分析，可有效的利用管式炉升温期间进行多次不同参数工况的试验。值得注意的是，数据处理的时候，需要考虑空白实验数据，可以避免混合气体进入管式炉后，因温差使混合气体成分发生变化，而引起的误差，从而保证实验数据的真实性和可靠性。取样后气体直接由盛装化学吸收液(如氯化亚铜络合水溶液)的气体吸收瓶14对其中的CO进行吸收处理，或者先点燃气体除去其中的CO，再由化学吸收液(如浓氢氧化钠溶液)除去其中的CO2。
管式炉反应管19的支撑层12，也可由耐高温的陶瓷砂芯作为支撑，利用陶瓷砂芯具有一定的孔隙和耐高温的特性，将陶瓷砂芯周围裹上石英棉，放入石英管内，也可装载催化剂。设置位置可在炉管中部，例如炉管直径50mm，长度1000mm，加热段长度440mm，恒温段长度200mm，支撑层可设置在炉管中部位置。

Claims (10)

1.一种催化氧化燃煤烟气中CO的管式炉试验***，其特征在于，包括配气***，抽真空***(10)，温控装置(14)和冷却***(15)，以及立式结构的炉体(11)，设置在炉体(11)内的炉膛保温层(13)，设置在炉膛内的反应管(19)；
所述的炉膛保温层(13)呈多层设置，相邻两层之间设置有用于冷却介质循环的冷却通路；
所述的温控装置(14)的测温端和加热端均设置在炉膛内；
所述的冷却***(15)用于冷却介质的循环降温，输出端连接冷却通路的输入端，输入端连接冷却通路的输出端；
所述的反应管(19)内设置有支撑层(12)，输入端连接并联的配气***和抽真空***(10)，输出端连接分析吸收***。
2.根据权利要求1所述的一种催化氧化燃煤烟气中CO的管式炉试验***，其特征在于，炉膛内平行设置的两只反应管(19)形成一组，一只反应管(19)内的支撑层(12)装载催化剂，另一只反应管(19)内的支撑层(12)未装载催化剂；两只反应管(19)并联，输入端均连接并联的配气***和抽真空***(10)，输出端均连接分析吸收***。
3.根据权利要求1所述的一种催化氧化燃煤烟气中CO的管式炉试验***，其特征在于，所述的支撑层(12)呈圆板状设置，边缘对称设置有凹槽(21)。
4.根据权利要求1所述的一种催化氧化燃煤烟气中CO的管式炉试验***，其特征在于，反应管(19)两端经法兰密封(20)伸出炉体(11)设置，伸出炉体(11)的反应管(19)端部设置有冷却装置。
5.根据权利要求1所述的一种催化氧化燃煤烟气中CO的管式炉试验***，其特征在于，所述的配气***包括气体预混装置(7)，分别并行连接在气体预混装置(7)输入端的试验气瓶，依次连接在气体预混装置(7)输出端的管式炉进气阀(8)和进气流量计(9)；
所述的试验气瓶包括N2气瓶(1)、CO气瓶(2)、O2气瓶(3)和CO2气瓶(4)，试验气瓶经与其一一对应的气体阀门(5)和配气流量计(6)连接到气体预混装置(7)输入端。
6.根据权利要求1所述的一种催化氧化燃煤烟气中CO的管式炉试验***，其特征在于，所述的分析吸收***包括依次连接在反应管(19)输出端的CO\CO2分析仪(16)和气体吸收瓶(17)。
7.根据权利要求1所述的一种催化氧化燃煤烟气中CO的管式炉试验***，其特征在于，所述的分析吸收***包括连接在反应管(19)输出端的气体吸收瓶(17)，以及设置在反应管(19)输出端和气体吸收瓶(17)之间的气体取样管(18)。
8.根据权利要求1所述的一种催化氧化燃煤烟气中CO的管式炉试验***，其特征在于，反应管(19)采用石英反应管或刚玉反应管，支撑层(12)采用陶瓷砂芯、石英棉、石英砂板或石英棉板(22)制成。
9.一种催化氧化燃煤烟气中CO的管式炉试验方法，其特征在于，基于权利要求1-8任意一项所述的***，包括如下步骤，
步骤1，通过抽真空***(10)将反应管(19)和***内的氧气排出，并充入保护气体；
步骤2，通过温控装置(14)对炉膛进行加热控制，经温控装置(14)达到目标温度，配气***输入的气体通过催化剂时发生氧化还原反应，再离开管式炉，利用分析吸收***进行主要成分分析和废气吸收处理。
10.根据权利要求9所述的一种催化氧化燃煤烟气中CO的管式炉试验方法，其特征在于，每次试验时，由N2气瓶提供的N2作为排除氧气的保护气体，由N2气瓶(1)、CO气瓶(2)、O2气瓶(3)和CO2气瓶(4)提供的对应气体进行混合后得到混合气体；
进入管式炉的混合气体分为两路，分别通过没有催化剂的反应管，和装载了催化剂的反应管；在分析中进行数据处理时，以没有催化剂的反应管采集数据为对照。
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