一种低温氨催化燃烧反应装置

本发明属于氨催化燃烧领域，具体涉及一种低温氨催化燃烧反应装置。

背景技术：

1、氨的能量密度较高(13.6mj·l-1)，每千克氨所含的能量比液氢高出约20％，目前已具备相对安全和完善的储运体系。传统的民用燃气(天然气、煤气、石油气等)燃烧时释放出大量co2，而作为一种无碳化合物，氨完全燃烧时的产物纯净，无碳排放(氨燃烧反应方程式如式(1)所示)，且燃烧效率达到90％以上，比传统燃烧方式高出20％以上。因此，作为一种具有战略价值的新型可再生无碳燃料，氨燃烧实现清洁供能极具发展前景。比如，氨燃烧技术可以解决野外探险，高山和海岛哨所等偏远地区的取热供暖问题；也可以为一些特定的高温反应提供稳定的热源。

2、4nh3+3o2→2n2+6h2o δh＝-317 kj/molnh3 (1)

3、但是，传统的氨燃烧存在着火温度高(火焰引燃)、燃烧速率慢并且易产生副产物氮氧化物等问题，在一定程度上限制了其应用。目前已有的反应器大多采用氨气与大量其他可燃气体(如氢气、甲烷等)混合燃烧，反应器预热温度高，氨气占比少，结构和控制方法复杂。氨气无焰催化燃烧以纯氨气和空气为反应物，在催化剂、一定温度和燃空比条件下可实现快速燃烧，释放大量热，燃烧效率高。同时，使用合适的催化剂可以将氨催化燃烧的起燃温度降低至200℃以下甚至100℃，实现低温催化燃烧，降低能耗。目前用于评价氨催化燃烧反应效率的检测系统的设计较少，亟待开发设计用于实现低温氨催化燃烧的高效可控的反应器及检测装置。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种低温氨催化燃烧反应装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种低温氨催化燃烧反应装置，包括进气模块、点火模块、反应模块、检测模块和尾气处理模块，为防止气体对装置的腐蚀，上述模块涉及的所有气体管道均采用φ4不锈钢管气体管道，且使用不锈钢卡套接头密封连接。

3、作为优选，所述进气模块包括：氨气瓶、减压阀、空气泵、球阀、气体质量流量控制器、减压阀、止回阀、三通接头、静态混合器和不锈钢气体管道；进一步地，氨气中添加10％氦气作为内标气，用于后续催化燃烧效率计算；进一步地，所述三通接头共两个，分别连接氨气止回阀、空气止回阀、静态混合器和点火模块，氨气止回阀和空气止回阀防止气体倒流损坏质量流量计，静态混合器保证反应气体充分混合，提高催化燃烧效率。

4、作为优选，所述点火模块包括氢气瓶、减压阀、氢气质量流量控制器和止回阀，连接方式与上述进气模块中氨气和空气管路相同。

5、作为优选，所述反应模块包括u型反应管、温度传感器、异径接头和保温套；进一步地，所述u型反应管材质为不锈钢或陶瓷，u型反应管外径小于10mm，内径小于5mm，反应管总长度小于500mm，管内催化剂填充量小于反应管总长度的三分之二，所述u型反应管上焊接三段φ6不锈钢管作为插入温度传感器的通道，三段不锈钢管通道内侧均加工成内螺纹用于固定温度传感器和保证u型反应管气密性，温度传感器用于实时监测点火和持续燃烧过程中u型反应管不同部位温度变化，数据采集至计算机进行分析；进一步地，所述保温套外壳材质为不锈钢，保温套外壳厚度小于2mm，外形呈六面体，在前后两个面的四角留有螺孔用于固定，上下左右四个面分别留有三个温度传感器的插入孔和u型反应管进气口和出气口，保温套内填充有陶瓷纤维或岩棉柔性保温材料，内部留有放置u型反应管、异径接头和温度传感器的充足空间，保证整个反应体系处于准绝热的状态。

6、作为优选，u型反应管内置球形颗粒为ssz-13型分子筛或sic材料，其表面负载催化剂为pt、pd、ru或铈锆氧化物或是它们的组合。

7、作为优选，所述检测模块包括止回阀、冷凝管、干燥器、气相色谱仪；进一步地，所述止回阀置于冷凝管之前，用于防止冷凝水倒流；进一步地，所述冷凝管由不锈钢气体管道以蛇形贯穿内置冷却水的降温槽以降低氨燃烧反应后的气体温度；进一步地，所述干燥器内使用ssz-13型或zsm-5型分子筛对冷凝水和残留氨气进行吸附，减少对产物中氮气和可能存在的少量氮氧化物产生影响；进一步地，所述气相色谱仪具有定量环，通过所设定的自动进样程序定时对燃烧产物进行分析。

8、作为优选，所述尾气处理模块包括尾气吸附器和尾气检测器，其中尾气吸附器采用cu-cha型或cu-btc型分子筛，用于吸附催化燃烧反应过程中产生的氮氧化物以及未充分燃烧的氨气；进一步地，尾气检测器用于验证氮氧化物和氨气是否被完全吸附。

9、本发明的技术优势在于：本发明基于氨催化燃烧技术，提供了一种低温氨催化燃烧反应装置的解决方案。通过模块化连接，实现了氨催化燃烧效率检测和反应温度监测。引入点火模块，解决氨催化燃烧冷启动问题，降低能耗，实现低温氨催化燃烧。此外，本发明在实现氨催化燃烧效率检测和反应温度监测的同时，可以有效地提供流量、燃空比、温度、催化剂填充量等参数对氨催化燃烧效率的影响关系，为未来氨催化燃烧场景化应用提供科学的数据支撑。

技术特征：

1.一种低温氨催化燃烧反应装置，其特征在于，包括：进气模块、点火模块、反应模块、检测模块和尾气处理模块；为防止气体对装置的腐蚀，上述模块涉及的所有气体管道均采用φ4不锈钢管气体管道，且使用不锈钢卡套接头密封连接。

2.根据权利要求1所述的一种低温氨催化燃烧反应装置，其特征在于：所述进气模块包括氨气瓶、减压阀、空气泵、球阀、气体质量流量控制器、减压阀、止回阀、三通接头、静态混合器和不锈钢气体管道；其中氨气中添加氦气作为内标气；三通接头共有两个，分别连接氨气止回阀、空气止回阀、静态混合器以及点火模块，质量流量控制器与三通接头之间接入止回阀。

3.根据权利要求1所述的一种低温氨催化燃烧反应装置，其特征在于：所述点火模块包括氢气瓶、减压阀、氢气质量流量控制器和止回阀，其中，连接方式与上述进气模块中氨气支路相同。

4.根据权利要求1所述的一种低温氨催化燃烧反应装置，其特征在于：所述反应模块包括u型反应管、温度传感器、异径接头和不锈钢保温套；所述u型反应管材质为不锈钢或陶瓷，管内填充催化剂，外侧焊接三段不锈钢管作为插入温度传感器的通道，三段不锈钢管通道内侧均加工成内螺纹用于固定温度传感器和保证u型反应管气密性；所述温度传感器数据采集至计算机进行分析；所述保温套外壳材质为不锈钢，外形呈六面体，在前后两个面的四角留有螺孔用于固定，上下左右四个面分别留有三个温度传感器的插入孔和u型反应管进气口和出气口，保温套填充有陶瓷纤维或岩棉柔性保温材料，内部留有放置u型反应管、异径接头和温度传感器的充足空间。

5.根据权利要求1所述的一种低温氨催化燃烧反应装置，其特征在于：所述检测模块包括止回阀、冷凝管、干燥器、气相色谱仪；所述止回阀置于冷凝管之前，防止冷凝水倒流；所述冷凝管由不锈钢气体管道以蛇形贯穿内置冷却水的降温槽；所述干燥器对冷凝水和残留氨气进行吸附；所述气相色谱仪具有定量环和自动进样程序。

6.根据权利要求1所述的一种低温氨催化燃烧反应装置，其特征在于：所述尾气处理模块包括尾气吸附器和尾气检测器，其中尾气吸附器采用分子筛吸附催化燃烧反应过程中可能产生的少量氮氧化物；所述尾气检测器用于验证氮氧化物和氨气是否被完全吸附。

技术总结本发明属于氨催化燃烧领域，具体涉及一种低温氨催化燃烧反应装置。该装置包括：进气模块、点火模块、反应模块、检测模块和尾气处理模块，气体管道均采用Φ4不锈钢管气体管道，且由不锈钢卡套接头密封连接达到易拆卸的目的。其中，点火模块可以利用氢气催化燃烧使U型反应管内温度达到氨催化燃烧的起燃温度，解决氨催化燃烧冷启动问题，降低能耗，实现低温氨催化燃烧；反应模块中催化剂的使用能够大幅降低氨燃烧的起燃温度，提高氨催化燃烧反应效率，降低副产物氮氧化物生成，同时U型反应管由保温外壳提供准绝热条件；检测模块能够实现产物实时分析。本发明在实现氨催化燃烧效率检测和反应温度监测的同时，可以有效地提供流量、燃空比、温度、催化剂填充量等参数对氨催化燃烧效率的影响关系，为未来氨催化燃烧场景化应用提供科学的数据支撑。技术研发人员：吴泽棋,钮峰,黄岳祥受保护的技术使用者：中国计量大学技术研发日：技术公布日：2024/7/11