[发明专利]一种脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器及工艺

说明书

技术领域

本发明属于催化技术领域，具体涉及一种脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器及工艺。

背景技术

燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应直接转化为电能的发电装置，能量转换效率高，对环境污染小。二十世纪九十年代以来，质子交换膜燃料电池技术获得了高速发展，目前已进入商品化的前期。特别适用于可移动电源、备用电源和分散电站，在二十一世纪，质子交换膜燃料电池必将迅速走向应用，成为新兴产业。

质子交换膜燃料电池最理想的原料是纯氢，从理论上讲，只要不断地向质子交换膜燃料电池的阳极供给氢气、向阴极供给空气或氧气，质子交换膜燃料电池就可连续不断地发电。在质子交换膜燃料电池的工作过程中，随着其发电的进行，由于其对燃料氢气不能实现100%的完全利用，因此，必将有少量的氢气随着阳极尾气排出质子交换膜燃料电池系统。这种含氢燃料的尾气如果直接排放，不仅会造成质子交换膜燃料电池燃料的极大浪费，还会造成环境污染，并可能引发燃烧或爆炸的危险性事故。

为了达到质子交换膜燃料电池的排放标准，通常会引入一个燃烧器，将多余的氢气燃烧掉，但此种燃烧器通常会产生高温的燃烧尾气，后续还需冷却等单元操作系统，用此种燃烧器处理质子交换膜燃料电池的阳极尾气将使得整个质子交换膜燃料电池系统十分庞大。因此，如何设计一个低温下即可启动燃烧反应，同时燃烧尾气又可在较低温度下排放，并脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器将是解决此类问题的核心技术之一。

含氢气的尾气在其它工业应用领域也十分常见，如何处理其中含有的氢气，减少危险气体的排放，也往往是工业企业必须面对的问题。本发明提供的一种脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器可以很广泛地用于此类工业气体的排放过程中；也可以利用本发明脱除尾气中的CO、甲醇、乙醇等醇类以及烃类等还原性物质。

发明内容

本发明的目的是为了解决工业应用领域中含氢尾气的排放问题，尤其是解决质子交换膜燃料电池阳极尾气排放对环境污染、系统安全等方面的问题，提供了一种脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器及工艺。

本发明提供了一种脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器，该反应器从中心到外侧共有3个腔体组成，它们依次为：催化燃烧腔（1a）、燃烧尾气换热腔（1b）和含氢尾气换热腔（1c）。

本发明提供的所述脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器，所述催化燃烧腔（1a）、燃烧尾气换热腔（1b）和含氢尾气换热腔（1c）的相邻腔体内的流体互不接触而是通过相邻腔体之间的间壁进行换热，相邻腔体内流体之间的流动形式为并流流动或逆流流动。

本发明提供的所述脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器，所述催化燃烧腔（1a）内部还有用于含氢尾气和空气的流体混合分配器（2f）、混合气体再分配器（2b）和用于催化氢气和氧气催化燃烧的整体催化剂（2e）。流体混合分配器（2f）中心还设有分配口（24）能够保证两股物料之间的充分混合和均匀分布。混合气体再分配器（2b）内部分布有众多的微孔，能够杜绝含氢气体和氧气在此区域的爆炸隐患，同时也杜绝了氢气和氧气燃烧过程中向催化燃烧主体区域中上部发生回火的可能性。

本发明提供的所述脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器，所述燃烧尾气换热腔（1b）和含氢尾气换热腔（1c）内部还设有热容较大的多孔介质材料，根据需要，两个腔内的多孔介质可以为相同种类的材料，也可以为不同种类的材料。

本发明提供的所述脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器，所述反应器设有出口（15）；在出口（15）处的出口气体中，氢气浓度小于1ppm。

本发明提供的所述脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器，催化燃烧腔（1a）的催化燃烧反应在催化燃烧催化剂的作用下，室温下即可启动，而且温度温和，能量效率高，污染极小，对环境极其友好。

本发明提供了一种利用所述催化燃烧反应器脱除尾气中氢气的工艺，在该反应器的中心位置装填有对含氢气体与空气发生化学反应有催化作用的催化剂（该催化剂为钯系、铂系或它们的合金催化剂），使得所排放尾气中的含氢气体在催化剂的作用下，不需外加热、加压条件下与空气中的氧进行催化燃烧反应，从而将其中的氢气脱除。

本发明还提供了所述脱除尾气中氢气的催化燃烧反应器的应用，该反应器不仅可以广泛用于工业排放气体中氢气的脱除，也可以脱除尾气中的CO、甲醇、乙醇等醇类以及烃类等还原性物质。