一种电热催化反应器的制作方法

1.本发明涉及催化反应装置技术领域，具体涉及一种电热催化反应器。


背景技术：

2.由于可再生能源(如风能、太阳能)的间歇性和波动性特点，使光伏发电、风力发电等可再生能源发电系统不能长时间持续、稳定地输出电能，其大规模并网需要储能技术的支撑。电转气技术是一种将电能转化为化学能的储能技术，由于其具有大容量、长周期、不受地质地形条件限制等特点，以及可将天然气网络和电网深度耦合的发展前景，近年来受到了广泛关注。然而，成本高仍是制约其规模应用的关键问题。
3.电转气技术的成本主要由电解水制氢和co2甲烷化两个化工过程的成本组成。其中，co2甲烷化过程目前仍主要采用传统化工技术，包括固定床反应器、流化床反应器和浆态床反应器等来完成。这些反应器虽可用于稳态、大产能的化工生产场合，但不适于小规模、分散化的可再生电力储能领域。以固定床反应器为例，其催化剂床层由颗粒状催化剂无规堆积而成，具有较大的热容和热惯性，难以对反应温度进行灵活快速地有效调控，从而很难进行频繁启停，这需要配套建设一定规模的氢气储存设施来保证co2甲烷化过程在稳态操作下运行，大幅增加了设备投资和运行维护费用。不仅如此，基于固定床反应器的甲烷化工艺过程为保证较高的反应转化率，一般采用多级串联反应器，为分别控制各级的反应温度，需要换热器、循环压缩机、废热锅炉等多种设备配合，这种工艺虽适合传统化工的大产能场合，但难于实现小型化和集成化，不符合可再生能源发展对小规模、分散化储能装置的需求。
4.现有技术中通过加热板、微换热器、隔热板、微反应器等模块的耦合，虽然可实现反应系统的快速启动和高集成度，但控温换热结构复杂，加工难度大，制造成本高，维护不便。


技术实现要素：

5.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的催化反应装置结构复杂、成本高的缺陷，从而提供一种结构简单、成本低、能耗小、操控灵活的电热催化反应器。
6.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种电热催化反应器，包括：
7.沿气体流动方向依次设置的第一反应室、至少一个第二反应室和至少一个第三反应室，所述第一反应室、第二反应室和第三反应室中分设有电预热元件、第一电热催化元件和第二电热催化元件；
8.多个温度传感器，分设在所述第一反应室、第二反应室和第三反应室中；
9.信号连接的电源和温度控制器，所述电源分别与所述电预热元件、第一电热催化元件和第二电热催化元件电连接，所述温度控制器分别与多个温度传感器信号连接，以接收所述温度传感器发送的相应反应室内的温度信号，并控制所述电源对所述电预热元件、第一电热催化元件和第二电热催化元件的各自电加热功率，以对反应器内的温度分布进行
协同调节。
10.可选地，多个所述温度传感器包括设于所述第一反应室出口的第一温度传感器、设于所述第二反应室出口的第二温度传感器和设于所述第三反应室出口的第三温度传感器。
11.可选地，还包括设于所述第三反应室进口的第四温度传感器。
12.可选地，所述电预热元件、第一电热催化元件和第二电热催化元件均具有允许气体流通的孔道结构。
13.可选地，所述第一电热催化元件和第二电热催化元件还包括负载在所述孔道结构上的催化剂。
14.可选地，所述孔道结构由泡沫材料、蜂窝材料或纤维材料中的任一种制成。
15.可选地，还包括设于电热催化反应器外侧的散热结构，所述散热结构与所述电源电连接。
16.可选地，所述第一反应室和第二反应室、第二反应室和第三反应室之间均通过连接结构连接。
17.可选地，所述连接结构包括一对法兰和设于一对所述法兰之间的密封件。
18.可选地，还包括包覆在所述第一反应室、第二反应室和第三反应室外的保温结构，所述第二反应室内的反应温度高于所述第三反应室内的反应温度。
19.还提供了一种利用所述的电热催化反应器进行催化反应的方法，包括以下步骤：
20.反应气依次经第一反应室中的电预热元件、至少一个第二反应室中的第一电热催化元件和至少一个第三反应室中的第二电热催化元件加热，发生催化反应；
21.其中，当第二反应室中的温度达到第二反应温度时，电预热元件停止加热，第一电热催化元件和第二电热催化元件开始加热；
22.当第二反应室出口的温度低于第一预定值或第三反应室出口的温度低于第二预定值时，增加第一电热催化元件或第二电热催化元件的电流直至达到相应的反应温度；反之，当第二反应室出口的温度高于第三预定值或第三反应室出口的温度高于第四预定值时，减小第一电热催化元件或第二电热催化元件的电流直至达到相应的反应温度。
23.可选地，还包括当第二反应室出口的温度高于第三预定值或第三反应室出口的温度高于第四预定值时，通过散热结构对反应器内的气体降温，直至达到相应的反应温度。
24.本发明技术方案，具有如下优点：
25.1.本发明提供的电热催化反应器，气体进入第一反应室预热后，在第二反应室和第三反应室中进行催化反应，多个温度传感器同时监测各个反应室中气体的实时温度，并发送至温度控制器，通过电源分别控制电预热元件、第一电热催化元件和第二电热催化元件的各自电加热功率，相互独立供电，结构简单，控制灵活，成本低，便于维护。将电预热元件和电热催化元件均置于反应器内部，使得反应器内的温度得到快速、精准、灵活的协同控制，不仅有利于反应放热的原位利用，从而减少反应器对冷却换热的需求和降低生产能耗，也有利于根据原料气(如氢气)流量变化及时调整反应器运行状态，从而适应可再生电力储能应用的需求。
26.2.本发明提供的电热催化反应器，电预热元件、第一电热催化元件和第二电热催化元件均具有允许气体流通的孔道结构，不仅提高了热利用效率，增加了反应温度控制的
灵活性，而且使反应设备和工艺简化，有利于反应装置的集成小型化，也有利于适应储能工况的频繁启停操作。
27.3.本发明提供的电热催化反应器，通过对各个电热催化元件和散热结构的协同控制，易于在反应器内建立有利于放热反应进行的温度分布，从而可同时获得较高的反应速率和反应转化率。
28.4.本发明提供电热催化反应器，第一反应室、第二反应室和第三反应室外的保温结构，可以使得相应反应室内部的温度在一定时间保持恒定，进而确保反应的顺利进行。
29.5.本发明提供电热催化反应器，气体先经预热后再进行催化反应，避免了电热催化元件由于温度变化快而造成自身结构损坏和使用寿命减少。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为本发明提供的电热催化反应器的示意图。
32.附图标记说明：
33.1、电预热元件；2、第一电热催化元件；3、第二电热催化元件；4、散热结构；5、反应室；6、电源；7、温度控制器；8、第一反应室；9、第二反应室；10、第三反应室；11、第一盖体；12、第一法兰；13、进气口；14、第一导线支管；15、第二导线支管；16、第一支管；17、第二法兰；18、第三法兰；19、第三导线支管；20、第四导线支管；21、第二支管；22、第四法兰；23、第二盖体；24、出气口；25、第五导线支管；26、第六导线支管；27、第三支管；28、第四支管；29、石墨垫片；30、第一支管盖；31、第二支管盖；32、第一温度传感器；33、第二温度传感器；34、第三温度传感器；35、第四温度传感器；36、保温结构；37、导线；38、检测信号线；39、控制信号线。
具体实施方式
34.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
36.如图1所示的电热催化反应器的一种具体实施方式，以二氧化碳加氢制甲烷的放热反应为例，原料气为h2和co2的混合气(混合比例为h2：co2＝4：1)，所使用的催化剂的活性组分为ni，箭头方向为气体流动方向。
37.反应器为具有圆柱形空腔的反应室，由石英材料制成，包括沿气体流动方向依次设置的第一反应室8、第二反应室9和第三反应室10，第一反应室8为预热室，第二反应室9为高温反应室，第三反应室10为低温反应室。第一反应室8的上端设有第一盖体11，第一盖体11上设有进气口13，第一反应室8的下端设有第一法兰12，第二反应室9的上端设有第二法
兰17，第一法兰12和第二法兰17通过螺栓螺母紧固，为保证密封性，在第一法兰12和第二法兰17之间设有作为密封件的石墨垫片29；第二反应室9的下端设有第三法兰18，第三反应室10的上端设有第四法兰22，第三法兰18和第四法兰22通过螺栓螺母紧固，并设有石墨垫片29保证密封；第三反应室10的下端设有第二盖体23，第二盖体23上设有出气口24。一对法兰和石墨垫片29组成相应的连接结构。
38.在所述第一反应室8、第二反应室9和第三反应室10中分设有电预热元件1、第一电热催化元件2和第二电热催化元件3。电预热元件1通过设于第一反应室8腔壁上的第一导线支管14和第二导线支管15与电源6电连接。第一电热催化元件2通过设于第二反应室9腔壁上的第三导线支管19和第四导线支管20与电源6电连接。第二电热催化元件3通过设于第三反应室10腔壁上的第五导线支管25和第六导线支管26与电源6电连接。所有的导线支管均由第一支管盖30封闭。
39.在所述第一反应室8、第二反应室9和第三反应室10中还分设有多个温度传感器，温度传感器为热电偶。具体为，在第一反应室8靠近第一法兰12的位置设有第一温度传感器32，第一温度传感器32通过第一支管16引入第一反应室8中；在第二反应室9靠近第二法兰17的位置设有第二温度传感器33，第二温度传感器33通过第二支管21引入第二反应室9中；在第三反应室10靠近第三法兰18的位置设有第三温度传感器34，靠近第二盖体23的位置设有第四温度传感器35，第三温度传感器34和第四温度传感器35分别通过第三支管27和第四支管28引入第三反应室10中。所有的温度传感器均由第二支管盖31封闭，并采用耐高温密封胶密封连接。此外，第一盖体11、第二盖体23、第一支管盖30和第二支管盖31均由金属材料制成，通过耐高温o型橡胶密封圈实现密封。在反应器运行时，气体由进气口依次流经第一反应室8、第二反应室9和第三反应室10，最后由出气口流出。
40.电源6和温度控制器7信号连接，且设于反应器的外部。所述电源6分别与所述电预热元件1、第一电热催化元件2和第二电热催化元件3电连接。电预热元件1的气体流出端位于第一温度传感器32的上方，其两端连接的导线分别从第一导线支管14和第二导线支管15以及相应的第一支管盖30引出第一反应室8，与电源6连接构成独立的电预热供电回路。第一电热催化元件2的气体流出端位于第二温度传感器33的上方，其两端连接的导线分别穿过第三导线支管19和第四导线支管20及相应的第一支管盖30引出第二反应室9，与电源6连接构成独立的高温电热催化供电回路。第二电热催化元件3的气体流入端位于第三温度传感器34的下方，气体流出端位于第四温度传感器35的上方，其两端连接的导线分别穿过第五导线支管25和第六导线支管26及相应的第一支管盖30引出第三反应室10，与电源6连接构成独立的低温电热催化供电回路。其中，导线均采用卡套密封方式穿过第一支管盖。
41.所述温度控制器7通过检测信号线38分别与多个温度传感器信号连接，以接收所述温度传感器发送的相应反应室内的温度信号，并通过控制信号线39控制所述电源6输出的电加热功率。
42.所述电预热元件1、第一电热催化元件2和第二电热催化元件3均具有允许气体流通的孔道结构，该孔道结构可通电发热。所述孔道结构由导电材料制作的泡沫材料、蜂窝材料或纤维材料中的任一种制成，导电材料可选用不锈钢、镍铬合金、铁铬铝合金、铝镍铁合金、碳化硅、碳材料中的任一种。所述第一电热催化元件2和第二电热催化元件3还包括负载在所述孔道结构上的催化剂，催化剂的活性组分为过渡金属或贵金属，可选用镍、铁、钴、
钌、铑中的任一种。
43.为保证散热效果，在电热催化反应器外侧还设有散热结构4，散热结构为散热风机，用于冷却从第二电热催化元件3流出的气体，通过导线37与电源6连接形成独立的散热供电回路，温度控制器7通过控制信号线39控制电源6提供给散热结构4的电功率。
44.在除第一电热催化元件2和第二电热催化元件3之间的部分腔体外还包覆有保温结构36，具体的，保温结构36为石棉保温层。
45.在反应器冷启动时，h2和co2的混合气从进气口13流入反应室5，温度控制器7通过电源6启动对电预热元件1的电加热，并通过控制其电加热功率使第一温度传感器32检测的温度值达到并维持在200℃(即第一反应温度)。当第二温度传感器33检测的温度值达到240℃(即第二反应温度)时，温度控制器7停止电源6对电预热元件1的电加热；同时，温度控制器7通过电源6启动对第一电热催化元件2的电加热，并通过控制其电加热功率使第二温度传感器33检测的温度值维持在260～320℃范围内；同时，温度控制器7通过电源6启动对第二电热催化元件3的电加热，并通过控制其电加热功率使第四温度传感器35检测的温度值维持在220～260℃范围内。
46.在反应器运行时，当第二温度传感器33检测的温度值低于260℃(即第一预定值)时，温度控制器7控制电源6增加第二电热催化元件3的电流使其出口气体温度升高到260～320℃范围内；当第四温度传感器35检测的温度值低于220℃(即第二预定值)时，温度控制器7控制电源6增加第二电热催化元件3的电流使其出口气体温度升高到220～260
°
范围内。
47.在反应器运行时，当第二温度传感器33检测的温度值高于320℃(即第三预定值)时，温度控制器7控制电源6减少第一电热催化元件2的电流使第二温度传感器33检测的温度值降低到260～320℃范围内；若第一电热催化元件2上的电流减小到零，而第三温度传感器34检测的温度值仍高于280℃时，温度控制器7控制电源6启动散热结构4，对流入第二电热催化元件3的气体降温，直到其温度降低到280℃以下。
48.在反应器运行时，当第四温度传感器35检测的温度值高于260℃(即第四预定值)时，温度控制器7控制电源6减少第二电热催化元件3的电流使其出口气体温度降低到220～260℃范围内；若第二电热催化元件3上的电流减小到零，而其出口气体温度仍高于260℃时，温度控制器7控制电源6减少第一电热催化元件2的电流使第二温度传感器33检测的温度值降低到260℃；若第四温度传感器35检测的温度值仍高于260℃时，温度控制器7控制电源6启动散热结构4，对流入第二电热催化元件3的气体降温，直到第四温度传感器35检测的温度值降低到220～260℃范围内。
49.上述各温度的限定是根据所使用的催化剂性能设定的。反应器运行时的co2转化率可保持在95％以上，反应器的启动时间小于30分钟。
50.co2加氢反应为放热反应，反应温度越低越有利于反应的进行，但随着温度的降低，催化剂的反应活性也会降低，因此保持反应器内适当的温度分布对于放热反应的可控高效进行尤为重要。本实施例通过布置多个温度传感器实时监测和通过对多个电热元件的灵活协同控制，具备了实时维持反应器内适当温度梯度分布的调节能力，可在原料气(如氢气)供应量变化的储能动态工况下保持co2加氢反应高效进行。
51.作为替代的实施方式，第一反应室、第二反应室和第三反应室还可以一体成型为同一个腔体；第二反应室和第二反应室可以根据需要设置多个，相应的，第一电热催化元件
和第二电热催化元件设置有多个。
52.作为替代的实施方式，电预热元件、第一电热催化元件和第二电热催化元件可分别与一个独立的电源电连接，以实现相互独立供电。
53.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。