含氢尾气催化转化装置的制作方法

1.本实用新型涉及氢气低温催化燃烧技术领域，尤其涉及一种含氢尾气催化转化装置。


背景技术：

2.氢气是一种易燃易爆气体，由于其分子量小，容易在实验室上部空间聚集，存在重大安全隐患。为保证实验室安全，氢气不允许排入实验室通风系统，直接外排也存在一定的安全隐患。近年来以h2为能源的燃料电池技术快速发展，相关技术的研究也成为科技界和产业界的热点，围绕燃料电池研究、评价、测试、分析等涉氢实验室越来越多，保障实验室安全也就成为从事科研和生产活动中优先解决的问题。
3.h2在负载型贵金属催化剂表面可进行无焰催化燃烧，该反应具有低污染、燃烧效率高、宽可燃范围等优点，是h2的一种高效且稳定性好的一种转化方式。由于涉氢实验室尾气中h2含量具有不确定性，需要实时监测含氢尾气中h2的含量。为确保含氢尾气的安全、低温催化转化，如何根据测得h2含量和排放流速，实现助燃气空气的智能配气，使进入反应器前的h2浓度处于爆炸极限以下，这是需要解决的一个关键问题。此外，如何确保排放尾气中h2的含量达到排放要求以及未达排放要求尾气的处理方式是另一个待解决的问题。


技术实现要素：

4.本实用新型的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种能够保证进入反应器前的氢气浓度处于爆炸极限以下，并保证尾气中的氢气含量达到排放要求的含氢尾气催化转化装置。
5.为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
6.根据本实用新型的一个方面，提供一种含氢尾气催化转化装置；其中，包含气体混合器、空压机、催化转化反应器、换热器以及控制系统；所述气体混合器以一个进气口通过尾气管路连接于含氢尾气；所述空压机通过空气管路连接于所述气体混合器的另一个进气口；所述催化转化反应器以进气口通过反应管路连接于所述气体混合器的出气口，所述催化转化反应器的出气口连接有排气管路；所述换热器设置于所述反应管路上；所述控制系统被配置为分别采集所述尾气管路、所述反应管路以及所述排气管路中的混合气体的氢气含量，据此控制所述气体混合器、所述空压机以及所述催化转化反应器。
7.根据本实用新型的其中一个实施方式，所述气体混合器混合所述含氢尾气与所述空压机输送的空气的比例为1:100～1:10。
8.根据本实用新型的其中一个实施方式，所述气体混合器输出混合气体的流量为100ml/min～1000ml/min。
9.根据本实用新型的其中一个实施方式，所述空压机为无油空压机。
10.根据本实用新型的其中一个实施方式，所述换热器输出混合气体的温度为50℃～350℃。
11.根据本实用新型的其中一个实施方式，所述换热器输出混合气体的温度为100℃～250℃。
12.根据本实用新型的其中一个实施方式，所述催化转化反应器为单管反应器、多管反应器或者微通道反应器。
13.根据本实用新型的其中一个实施方式，所述催化转化反应器为石英管单管反应器。
14.根据本实用新型的其中一个实施方式，还包含多个氢气传感器；所述多个氢气传感器分别设置于所述尾气管路、所述反应管路以及所述排气管路上，并分别连接于所述控制系统，以分别供所述控制系统采集所述尾气管路、所述反应管路以及所述排气管路中的混合气体的氢气含量。
15.根据本实用新型的其中一个实施方式，还包含排放循环装置；所述排放循环装置设置于所述排气管路上，并通过循环管路连接于所述气体混合器的再一个进气口；其中，所述控制系统被配置为控制所述排放循环装置将混合气体循环输送至所述气体混合器，重复循环反应，直至所述排气管路内的混合气体的氢气含量符合预设值，再由所述排气管路排放。
16.由上述技术方案可知，本实用新型提出的含氢尾气催化转化装置的优点和积极效果在于：
17.本实用新型提出的含氢尾气催化转化装置，包含气体混合器、空压机、催化转化反应器、换热器以及控制系统。通过上述结构设计，本实用新型能够控制并保证进入催化转化反应器之前的混合气体内的氢气含量低于爆炸极限，并能保证由排气管路排放的尾气的氢气含量符合排放要求。本实用新型能够通过控制系统实现上述功能的自动化、智能化控制，提高含氢尾气的转化效率，实现了含氢尾气的安全、绿色排放。
附图说明
18.通过结合附图考虑以下对本实用新型的优选实施方式的详细说明，本实用新型的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本实用新型的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：
19.图1是根据一示例性实施方式示出的一种含氢尾气催化转化装置的系统示意图。
20.附图标记说明如下：
21.100.气体混合器；
22.110.尾气管路；
23.200.空压机；
24.210.空气管路；
25.300.催化转化反应器；
26.310.反应管路；
27.320.排气管路；
28.400.换热器；
29.500.排放循环装置；
30.510.循环管路；
31.600.控制系统；
32.610.氢气传感器。
具体实施方式
33.体现本实用新型特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本实用新型能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本实用新型的范围，且其中的说明及附图在本质上是作说明之用，而非用以限制本实用新型。
34.在对本实用新型的不同示例性实施方式的下面描述中，参照附图进行，所述附图形成本实用新型的一部分，并且其中以示例方式显示了可实现本实用新型的多个方面的不同示例性结构、系统和步骤。应理解的是，可以使用部件、结构、示例性装置、系统和步骤的其他特定方案，并且可在不偏离本实用新型范围的情况下进行结构和功能性修改。而且，虽然本说明书中可使用术语“之上”、“之间”、“之内”等来描述本实用新型的不同示例性特征和元件，但是这些术语用于本文中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。本说明书中的任何内容都不应理解为需要结构的特定三维方向才落入本实用新型的范围内。
35.参阅图1，其代表性地示出了本实用新型提出的含氢尾气催化转化装置的系统示意图。在该示例性实施方式中，本实用新型提出的含氢尾气催化转化装置是以应用于对含氢尾气进行催化转化处理为例进行说明的。本领域技术人员容易理解的是，为将本实用新型的相关设计应用于其他类型的工艺中，而对下述的具体实施方式做出多种改型、添加、替代、删除或其他变化，这些变化仍在本实用新型提出的含氢尾气催化转化装置的原理的范围内。
36.如图1所示，在本实施方式中，本实用新型提出的含氢尾气催化转化装置包含气体混合器100、空压机200、催化转化反应器300、换热器400以及控制系统600。具体而言，气体混合器100包含多个进气口和一个出气口，并用以将待处理的含氢尾气与助燃空气进行混合，并将混合气体输送至催化转化反应器300。气体混合器100以一个进气口通过尾气管路110连接于含氢尾气。空压机200通过空气管路210连接于气体混合器100的另一个进气口。催化转化反应器300包含进气口和出气口，并用以对混合气体中的氢气进行催化转化处理。催化转化反应器300以进气口通过反应管路310连接于气体混合器100的出气口，催化转化反应器300的出气口连接有排气管路 320。换热器400设置于反应管路310上，并用以对包含含氢尾气和助燃空气的混合气体进行加热，且该加热过程是在氢气的爆炸极限内进行。控制系统 600用于分别采集尾气管路110、反应管路310以及排气管路320中的混合气体的氢气含量，并据此控制气体混合器100、空压机200以及催化转化反应器300。通过上述结构设计，本实用新型提出的含氢尾气催化转化装置，能够控制并保证进入催化转化反应器300之前的混合气体内的氢气含量低于爆炸极限，并能保证由排气管路320排放的尾气的氢气含量符合排放要求。本实用新型能够通过控制系统600实现上述功能的自动化、智能化控制，提高含氢尾气的转化效率，实现了含氢尾气的安全、绿色排放。
37.可选地，在本实施方式中，气体混合器100混合含氢尾气与空压机200 输送的空气的比例可以优选范围为1:100～1:10。
38.可选地，在本实施方式中，气体混合器100输出混合气体的流量可以优选为100ml/min～1000ml/min，例如100ml/min、200ml/min、450ml/min、 1000ml/min等，在其他实施方
式中，气体混合器100输出混合气体的流量亦可小于100ml/min，或可大于1000ml/min，例如95ml/min、1050ml/min等，并不以本实施方式为限。
39.可选地，在本实施方式中，空压机200可以优选为无油空压机200。
40.可选地，在本实施方式中，换热器400输出混合气体的温度，即包含含氢尾气和助燃空气的混合气体，经由换热器400加热和的温度可以优选为 50℃～350℃，例如50℃、75℃、260℃、350℃等。在其他实施方式中，换热器400输出混合气体的温度亦可小于50℃，或可大于350℃，例如48℃、360℃等，并不以本实施方式为限。
41.进一步地，基于换热器400输出混合气体的温度为50℃～350℃的设计，在本实施方式中，换热器400输出混合气体的温度可以进一步优选为100℃～250℃，例如100℃、140℃、210℃、250℃等，并不以本实施方式为限。
42.可选地，在本实施方式中，催化转化反应器300可以优选为单管反应器。在其他实施方式中，催化转化反应器300亦可采用其他类型的反应设备，例如多管反应器、微通道反应器等，并不以本实施方式为限。
43.进一步地，基于催化转化反应器300选用单管反应器的设计，在本实施方式中，催化转化反应器300可以进一步优选为石英管单管反应器。例如，催化转化反应器300可以具体选用尺寸为300mm
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20mm的石英管(钢管) 单管反应器，反应器在内部填装0.05g～5g的负载型pt/al2o3催化剂，并加入 5g～12g助剂al2o3充分混合，压片过筛得到40目～80目的颗粒，填充至反应器内。
44.可选地，如图1所示，在本实施方式中，本实用新型提出的含氢尾气催化转化装置还可以包含多个氢气传感器610。具体而言，这些氢气传感器610 分别设置于尾气管路110、反应管路310以及排气管路320上，且这些氢气传感器610分别连接于控制系统600。据此控制系统600能够通过多个氢气传感器610，分别采集尾气管路110、反应管路310以及排气管路320中的混合气体的氢气含量，并据此对各功能器件进行控制。
45.进一步地，如图1所示，基于反应管路310设置有氢气传感器610的设计，在本实施方式中，设置在反应管路310上的氢气传感器610可以具体位于气体混合器100与换热器400之间。
46.进一步地，如图1所示，基于排气管路320设置有氢气传感器610的设计，同时基于排气管路320设置有排放循环装置500的设计，在本实施方式中，设置在排气管路320上的氢气传感器610可以具体位于催化转化反应器 300与排放循环装置500之间。
47.可选地，如图1所示，在本实施方式中，本实用新型提出的含氢尾气催化转化装置还可以包含排放循环装置500。具体而言，排放循环装置500设置于排气管路320上，并通过循环管路510连接于气体混合器100的再一个进气口。据此，例如当经由催化转化反应器300处理并排放至排气管路320 中的混合气体的氢气含量不符合预设值(例如排放要求的氢气含量)时，控制系统600能够控制排放循环装置500将混合气体经由循环管路510循环输送至气体混合器100，并控制气体混合器100、换热器400、催化转化反应器 300等功能器件重复循环反应，直至排气管路320内的混合气体的氢气含量符合预设值，再由排气管路320排放。
48.进一步地，基于含氢尾气催化转化装置包含排放循环装置500的设计，在本实施方式中，排放循环装置500可以至少包含一自动阀件，例如但不限于电磁三通阀。具体而言，该自动阀件的一个进口通过一段排气管路320连接于催化转化反应器300的出气口，自动阀件
的一个出口连接于排气管路320 的另一段，且另一个出口连接于循环管路510。在此基础上，控制系统600 根据设置在排气管路320上的氢气传感器610采集的混合气体的氢气含量，经过与预设值的比对，向该自动阀件发出相应的控制指令，实现排放循环装置500的排放和循环的功能切换。
49.在此应注意，附图中示出而且在本说明书中描述的含氢尾气催化转化装置仅仅是能够采用本实用新型原理的许多种含氢尾气催化转化装置中的几个示例。应当清楚地理解，本实用新型的原理绝非仅限于附图中示出或本说明书中描述的含氢尾气催化转化装置的任何细节或任何部件。
50.基于上述对本实用新型提出的含氢尾气催化转化装置的一示例性实施方式的详细说明，以下将对该含氢尾气催化转化装置的工作过程进行示例性说明。
51.利用本实用新型提出的含氢尾气催化转化装置，经设置在尾气管路110 的氢气传感器610检测实验室尾气中的氢气含量，将其反馈给控制系统600，经控制系统600分析自动确定含氢尾气与空压机200提供的助燃气空气流量，经过智能配气将含氢尾气与助燃空气在气体混合器100中混合。然后，包含含氢尾气和助燃空气的混合气体进入反应管路310。经由反应管路310先流经换热器400，换热器400在氢气爆炸极限内对混合气体(可以由设置在反应管路310上的氢气传感器610进行氢气的安全含量测定)进行加热。加热后的混合气体进入催化转化反应器300中，设置在排气管路320上的氢气传感器610对反应后的混合气体中的氢气含量进行检测并发送至控制系统600，控制系统600判断该位置的氢气含量达到排放标准要求的，则控制排放循环装置500排放，控制系统600判断该位置的氢气含量未达到氢气含量排放要求的，控制系统600向排放循环装置500发出控制指令，排放循环装置500 将混合气体再次经由循环管路510输送至气体混合器100中，控制系统600 按上述流程进行再次反应，直至设置于排气管路320的氢气传感器610测得的该位置的混合气体的氢气含量达到含氢尾气的排放标准。换言之，控制系统600能够采集待排放尾气中的氢气含量、流量信息，自动确定反应前的配气参数，控制催化转化反应器300的温度，并根据尾气中的氢气含量是否达到排放标准而确定是否进行尾气排放、循环处理或者调整催化转化反应器 300的反应参数。
52.综上所述，本实用新型提出的含氢尾气催化转化装置，包含气体混合器、空压机、催化转化反应器、换热器以及控制系统。通过上述结构设计，本实用新型能够控制并保证进入催化转化反应器之前的混合气体内的氢气含量低于爆炸极限，并能保证由排气管路排放的尾气的氢气含量符合排放要求。本实用新型能够通过控制系统实现上述功能的自动化、智能化控制，提高含氢尾气的转化效率，实现了含氢尾气的安全、绿色排放。特别地，本实用新型提出的含氢尾气催化转化装置，能够实现对含氢量不确定的实验室含氢尾气，按照爆炸安全要求下的配比进行助燃气空气的自动化配气。
53.以上详细地描述和/或图示了本实用新型提出的含氢尾气催化转化装置的示例性实施方式。但本实用新型的实施方式不限于这里所描述的特定实施方式，相反，每个实施方式的组成部分和/或步骤可与这里所描述的其它组成部分和/或步骤独立和分开使用。一个实施方式的每个组成部分和/或每个步骤也可与其它实施方式的其它组成部分和/或步骤结合使用。在介绍这里所描述和/或图示的要素/组成部分/等时，用语“一个”、“一”和“上述”等用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等。术语“包含”、“包括”和“具有”用以表示
开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。此外，权利要求书及说明书中的术语“第一”和“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数字限制。
54.虽然已根据不同的特定实施例对本实用新型提出的含氢尾气催化转化装置进行了描述，但本领域技术人员将会认识到可在权利要求的精神和范围内对本实用新型的实施进行改动。