气体透过式可更换催化剂衬板的甲烷/二氧化碳光热耦合干重整反应器及使用方法
阅读说明：本技术 气体透过式可更换催化剂衬板的甲烷/二氧化碳光热耦合干重整反应器及使用方法 (Gas-transmission type methane/carbon dioxide photo-thermal coupling dry reforming reactor with replaceable catalyst lining plate and using method ) 是由 郭洋 李丹 丁鑫 谢丹 成佳辉 郑力潇 于 2021-08-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种气体透过式可更换催化剂衬板的甲烷/二氧化碳光热耦合干重整反应器及其使用方法,可以解决现有技术中催化剂易于积碳、催化剂不易更换,以至难以实现工业化生产的问题。其包括电阻加热器、泡沫金属衬板、透光石英板、热电偶、进气口、出气口、甲烷气体储罐、二氧化碳气体储罐、流量计、压力表、合成气气体储罐和布风板；反应时采用负载催化剂的泡沫金属式衬板,增大了反应原料气体与催化剂的接触面积,减少积碳形成；同时设计滑动导轨对泡沫金属衬板进行安装更换,催化剂易更换,结构简单、操作性强,可单体运行,实施并联操作可实现工业化生产,且单一反应器出现故障时,停止单个反应器进行检修对整个生产影响较小,可靠性较高。(The invention discloses a gas-permeable methane/carbon dioxide photo-thermal coupling dry reforming reactor with a replaceable catalyst lining plate and a using method thereof, which can solve the problems that in the prior art, a catalyst is easy to deposit carbon and is not easy to replace, and industrial production is difficult to realize. The device comprises a resistance heater, a foam metal lining plate, a light-transmitting quartz plate, a thermocouple, an air inlet, an air outlet, a methane gas storage tank, a carbon dioxide gas storage tank, a flowmeter, a pressure gauge, a synthetic gas storage tank and an air distribution plate; during the reaction, a foam metal type lining plate loaded with a catalyst is adopted, so that the contact area of reaction raw material gas and the catalyst is increased, and the formation of carbon deposition is reduced; meanwhile, the sliding guide rail is designed to install and replace the foam metal lining plate, the catalyst is easy to replace, the structure is simple, the operability is high, the monomer operation is realized, the parallel operation can be realized, the industrial production can be realized, and when the single reactor breaks down, the influence on the whole production caused by the maintenance of the single reactor is small, and the reliability is high.)
技术领域
本发明属于光热反应器技术领域，具体涉及一种气体透过式可更换催化剂衬板的甲烷/二氧化碳光热耦合干重整反应器及使用方法。
背景技术
化工过程中很多反应都属于高温吸热反应，如甲烷重整、热裂解等反应，通常需要燃烧化石能源去提供反应所需的能量，这对不可再生能源的消耗量大，而且化石燃料燃烧会带来温室效应、热污染等一系列环境问题；为了减少化石燃料的消耗，开发利用可再生能源(太阳能)成为未来能源发展的重要方向。
甲烷/二氧化碳均是温室气体的重要成员，其资源化利用对于应对气候变化和能源危机具有重要意义。甲烷二氧化碳干重整是经典的转化方式之一，是一种将二氧化碳资源利用化的有效途径，对解决温室效应和改善能源结构具有重要意义；但因其是一个高温吸热反应，能量消耗高，需外界补充大量能量维持反应持续进行。近些年来，光热协同催化受到了人们的广泛关注，由于光照射以后，发现可以有效降低反应开启温度，也有助于提高催化反应效率。
传统甲烷/二氧化碳干重整光热耦合反应装置存在的问题主要有：1、固体催化剂放置方式使其积碳现象严重，反应气体与催化剂接触不充分导致催化效率不高；2、催化剂的更换较为不便，增大实际操作难度；综合以上所述的两个问题，限制了传统甲烷/二氧化碳干重整光热耦合反应器的工业化应用，实际应用性低。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明要解决的问题有：1、解决目前光热装置中催化剂易于积碳、反应气体与催化剂接触不充分的问题；2、催化剂不易更换的问题；以此综合解决传统甲烷/二氧化碳干重整光热耦合反应器难以实现工业化生产的问题，提供一种气体透过式可更换催化剂衬板的甲烷/二氧化碳光热耦合干重整反应器及使用方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开了一种气体透过式可更换催化剂衬板的甲烷/二氧化碳光热耦合干重整反应器，包括甲烷/二氧化碳干重整反应器和用于向甲烷/二氧化碳干重整反应器提供热源的电阻加热器；甲烷/二氧化碳干重整反应器内设有用于放置催化剂的泡沫金属式衬板；在甲烷/二氧化碳干重整反应器一侧面设有开口，开口处设有透光石英板，底部设有进气口，顶部设有出气口；进气口通过管路分别与甲烷气体储罐、二氧化碳气体储罐连接；出气口通过管路与合成气体储罐连接。
优选地，泡沫金属式衬板包括泡沫金属板和形状为矩形的滑动轨道，泡沫金属板置于滑动轨道上，并且能够在滑动轨道上滑动。
优选地，滑动轨道一端设有固定开关装置，另一端设有夹紧装置。
优选地，滑动轨道通过夹紧装置固定在甲烷/二氧化碳干重整反应器内，泡沫金属板通过柔性金属石墨垫圈双重密封于滑动轨道上；泡沫金属板的材料为泡沫镍。
优选地，泡沫金属式衬板底部设有热电偶。
优选地，热电偶用于测量甲烷/二氧化碳干重整反应器内的实时温度，其材料为k型镍铬-镍硅。
优选地，电阻加热器的加热炉丝布置在甲烷/二氧化碳干重整反应器没有设置开口的三个侧面内，电阻加热器的加热炉丝材料为镍铬合金，炉瓦材料为碳化硅；在甲烷/二氧化碳干重整反应器外部还包裹有耐高温不锈钢。
优选地，透光石英板包括石英板和柔性金属石墨垫圈，石英板通过柔性金属石墨垫圈密封于甲烷/二氧化碳干重整反应器侧面开口处。
优选地，进气口上部设有布风板；进气口与甲烷气体储罐、二氧化碳气体储罐分别连接的管路上设有压力表、质量流量计和阀门，出气口与合成气体储罐连接的管路上设有质量流量计和阀门。
本发明还公开了一种气体透过式可更换催化剂衬板的甲烷/二氧化碳光热耦合干重整反应器的使用方法，打开电阻加热器加热至设定温度，光源通过透光石英板照射到泡沫金属式衬板上，提供光催化和热催化所需能量；将甲烷气体储罐中的甲烷气体和二氧化碳气体储罐中的二氧化碳气体设定体积比例混合形成反应原料气体，反应原料气体从进气口进入甲烷/二氧化碳干重整反应器，抵达泡沫金属式衬板后，在催化剂作用下发生重整反应，生成合成气，并从出气口流出，进入合成气体储罐储存，完成整个光热协同催化甲烷/二氧化碳干重整反应过程。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明所提出的一种气体透过式可更换催化剂衬板的甲烷/二氧化碳光热耦合干重整反应器，在使用过程中，甲烷气体储罐中的甲烷气体和二氧化碳气体储罐中的二氧化碳气体设定体积比例混合形成反应原料气体，反应原料气体从进气口经过布风板，气流速度均匀一致地通过管路进入甲烷/二氧化碳干重整反应器，反应原料气体从放置催化剂的泡沫金属式衬板直接穿过，发生干重整反应，增大了反应原料气体与催化剂的接触面积，减少了积炭现象的发生。
进一步地，本发明所提出的一种气体透过式可更换催化剂衬板的甲烷/二氧化碳光热耦合干重整反应器，通过固定开关装置实现泡沫金属式衬板的更换，并有利于催化剂的更换；此结构导向精度高、平稳性高、耐磨性好、寿命长、结构简单、操作性强。
进一步地，本发明所提出的一种气体透过式可更换催化剂衬板的甲烷/二氧化碳光热耦合干重整反应器，可单体运行，实施并联操作也可实现工业化生产，且单一反应器出现故障时，停止单个反应器进行检修对整个生产影响较小，可靠性较高。
进一步地，本发明所提出的一种气体透过式可更换催化剂衬板的甲烷/二氧化碳光热耦合干重整反应器，石英板和泡沫式衬板采用柔软性好、强度高的柔性金属石墨垫片双重密封于甲烷/二氧化碳光热耦合干重整反应器中，提高了甲烷/二氧化碳光热耦合干重整反应器整体的气密性，有利于反应高效进行；在反应进行过程中，采用三面加热，可以使光热催化过程中，反应物的受热更加均匀，减少温度偏差，充分利用热量，提高光催化效率。
附图说明
图1为一种气体透过式可更换催化剂衬板的甲烷/二氧化碳光热耦合干重整反应器的整体模型图；
图2为泡沫金属式衬板的模型图；
图3为一种气体透过式可更换催化剂衬板的甲烷/二氧化碳光热耦合干重整反应器的背部示意图；
图4为泡沫金属式衬板的固定开关示意图；
图5为泡沫金属衬板与反应器双重密封示意图；
图6为透光石英板的模型图。
其中：1-甲烷/二氧化碳干重整反应器；2-电阻加热器；3-泡沫金属式衬板；3-1-泡沫金属板；3-2-滑动轨道；3-3夹紧装置；4-透光石英板；4-1-石英板；4-2-金属石墨垫圈；5-热电偶；6-进气口；7-出气口；8-甲烷气体储罐；9-二氧化碳气体储罐；10-压力表；11-质量流量计；12-合成气体储罐；13-固定开关装置；A-一次密封凹槽；B-二次密封凹槽。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，一种气体透过式可更换催化剂衬板的甲烷/二氧化碳光热耦合干重整反应器，包括甲烷/二氧化碳干重整反应器1，包括甲烷/二氧化碳干重整反应器1，甲烷/二氧化碳干重整反应器1内设有电阻加热器2，电阻加热器2包在甲烷/二氧化碳干重整反应器1的三个面内，可实现三面同时加热，其加热炉丝材料为镍铬合金，炉瓦材料为碳化硅，外部包裹材料为耐高温不锈钢；甲烷/二氧化碳干重整反应器1内部设有用于放置催化剂的泡沫金属式衬板3；在甲烷/二氧化碳干重整反应器1一侧面开口处设有透光石英板4，底部设有进气口6，顶部设有出气口7；进气口6顶部设有布风板，能使得通过的气体流速均匀、趋向一致；进气口6通过管路分别与甲烷气体储罐8、二氧化碳气体储罐9连接，管路上设有压力表10和质量流量计11，显示进气管路上的流量与实际压力，出气口7通过管路与合成气体储罐12连接，管路上设有质量流量计11，所述管路上均设有阀门。
参见图2，泡沫金属式衬板3包括材质为泡沫镍的泡沫金属板3-1和形状为矩形的滑动轨道3-2，并且滑动轨道3-2通过夹紧装置3-3固定在甲烷/二氧化碳干重整反应器1内，泡沫金属板3-1通过柔性金属石墨垫圈和一次密封凹槽A、二次密封凹槽B双重密封于滑动轨道3-2上，并且可通过滑动轨道3-2进行滑动，金属式衬板3通过滑动轨道3-2一端的固定开关装置13完成更换操作，更换时，打开按压式开关，通过滑动轨道3-2抽出泡沫金属板3-1，换上已涂覆催化剂的衬板，随后至于滑轨上，再放入反应箱内，关闭按压式开关，有利于催化剂的更换；固定开关装置为市面上已有的弹簧按压式卡扣结构，一般采用材质是301不锈钢材质；金属式衬板3底部设有热电偶5，其和其补偿导线的材料为k型镍铬-镍硅，其材质线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜，不受短程有序化影响，用于实时监测反应炉内的温度。
参见图4，透光石英板4包括石英板4-1和柔性金属石墨垫圈4-2，石英板4-1通过柔性金属石墨垫圈4-2密封于甲烷/二氧化碳干重整反应器1侧面开口处；通过曲面菲涅尔透射式聚光器将光源聚光后，光源透过透光石英板4照射到泡沫金属式衬板3上，为光催化和热催化提供所需能量，以达到光热耦合效果。
基于本发明提出的一种气体透过式可更换催化剂衬板的甲烷/二氧化碳光热耦合干重整反应器的使用方法，包括以下过程：
使用时，将滑动轨道3-2通过夹紧装置固定在甲烷/二氧化碳干重整反应器1内，泡沫金属板3-1通过柔性金属石墨垫圈密封于滑动轨道3-2上，泡沫金属板3-1可在滑动轨道3-2上滑动，将催化剂负载于泡沫金属式衬板3上；打开电阻加热器2，设定温度为500℃，进行过程中，泡沫金属式衬板3底部的热电偶5可以实时反应炉内的实时温度，利用曲面菲涅尔透射式聚光器将太阳光聚光，通过透光石英板4照射到泡沫金属式衬板3上；将甲烷气体储罐8和二氧化碳气体储罐9的阀门打开，使甲烷和二氧化碳按1:1体积比例混合形成反应原料气体，压力表10的示数为1Mpa，缓慢匀速进入反应器；反应原料气体从进气口6经过布风板后，气体流速均与、趋向一致，抵达泡沫金属式衬板3后，能与催化剂充分接触，在催化剂的作用下，反应原料气体发生重整反应，生成合成气，并从反应器顶部出气口7流出，进入合成气体储罐12储存，记录出气管路上质量流量计11的示数，完成整个光热协同催化甲烷/二氧化碳干重整反应过程；最后，关闭甲烷气体储罐8和二氧化碳气体储罐9气瓶阀门，关闭电阻加热器2，关闭合成气体储罐12气瓶阀门，取出泡沫金属式衬板3，完成最后的清理回收工作。测定合成气的含量，说明采用本发明提供的一种气体透过式可更换催化剂衬板的甲烷/二氧化碳光热耦合干重整反应器能够用于光热耦合催化甲烷/二氧化碳干重整。
上述只是单个反应器的实施例，将多个反应器并联，可以加大产量，满足工业化生产需求。且单一反应器出现故障时，停止单个反应器进行检修对整个生产影响较小，可靠性较高。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。