(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010343321.7
(22)申请日 2020.04.27
(71)申请人 北京燕东兆阳新能源科技有限公司
地址 102488 北京市房山区良乡凯旋大街
建设路18号-C2273
(72)发明人 李志国　郝铁　梁海滨　
(74)专利代理机构 北京市卓华知识产权代理有
限公司 11299
代理人 周瑞艳
(51)Int.Cl.
F28D  7/16(2006.01)
F28F  9/24(2006.01)
F28F  27/02(2006.01)
F24V  30/00(2018.01)
B01J  8/04(2006.01)
B01J  8/02(2006.01)B01F  5/04(2006.01)B01F  3/20(2006.01)B01D  1/14(2006.01)B01J  8/00(2006.01)
(54)发明名称甲醇无火焰制热反应器及甲醇无火焰制热控制方法(57)摘要本发明涉及甲醇无火焰制热反应器及甲醇无火焰制热控制方法。所述甲醇无火焰制热反应器的工质加热室内设有填充有催化剂的换热管，混合有空气的甲醇混合气在换热管内进行催化氧化反应，放出热能给工质加热。所述甲醇无火焰制热控制方法为通过控制甲醇混合气的流量及甲醇浓度控制甲醇催化氧化的放热强度，进而控制工质的温升，所述甲醇混合气中氧浓度高于甲醇完全反应所需的浓度，且在任一换热管中甲醇工艺上完全反应。本发明能够实现甲醇的充分催化反应，有助于减少空气污染物排放，避免明
火带来的安全隐患。权利要求书1页  说明书5页  附图3页CN 111306969 A 2020.06.19
C N  111306969
A
1.甲醇无火焰制热反应器，设有立式的壳体，所述壳体内设有列管和管板，所述管板包括上管板和下管板，所述上管板和下管板均水平设置，分别固定安装在所述壳体的上部和下部，所述上管板和下管板的外缘与所述壳体密封，将壳体内空间分隔为自下至上依次分布的均压进气室、工质加热室和均压排气室，所述列管由若干换热管组成，所述换热管的上端和下端分别固定连接在所述上管板和下管板上，所述换热管的外壁分别与所述上管板和下管板密封，管孔与所述上管板和下管板的对应板孔连通为一体，所述工质加热室设有工质进口和工质出口，其特征在于所述换热管内填充有用于甲醇催化氧化的催化剂，
所述均压进气室设有甲醇混合气进口，所述均压排气室设有废气出口。
2.如权利要求1所述的甲醇无火焰制热反应器，其特征在于所述壳体的主体部分呈圆筒状，圆筒的两端密封连接有各自的封头。
3.如权利要求2所述的甲醇无火焰制热反应器，其特征在于所述进口侧管板和出口侧管板为平面板且垂直于所述壳体的轴向，固定安装在所述壳体的内壁上。
4.如权利要求3所述的甲醇无火焰制热反应器，其特征在于所述工质加热室的工质进口设置在工质加热室的上部，工质出口设置在工质加热室的下部。
5.如权利要求1-4任一项所述的甲醇无火焰制热反应器，其特征在于所述换热管为等径或变径的圆管。
6.如权利要求5所述的甲醇无火焰制热反应器，其特征在于所述换热管为管壁的竖向切面呈波浪形的变径圆管。
7.如权利要求1-4任一项所述的甲醇无火焰制热反应器，其特征在于所述均压进气室的下部设有甲醇混合气分布装置，所述甲醇混合气进口位于所述甲醇混合气分布装置的下方。
8.如权利要求1-4任一项所述的甲醇无火焰制热反应器，其特征在于所述工质加热室内设有若干折流板，所述折流板上设有用于穿过相应换热管的换热管孔。
9.甲醇无火焰制热控制方法，采用权利要求1-8任一项所述的甲醇无火焰制热反应器，其特征在于通过控制甲醇混合气的流量及甲醇浓度控制甲醇催化氧化的放热强度，进而控制工质的温升或工质出口温度。
10.如权利要求9所述的甲醇无火焰制热控制方法，其特征在于所述甲醇混合气中的氧浓度高于甲醇完全反应所需的浓度，流经任一换热管的甲醇工艺上完全反应。
权　利　要　求　书1/1页CN 111306969 A
甲醇无火焰制热反应器及甲醇无火焰制热控制方法
梁政珏技术领域
[0001]本发明涉及甲醇汽化混合器和甲醇无火焰制热反应器，还涉及采用所述甲醇汽化混合器和甲醇无火焰制热反应器的甲醇无火焰制热设备及其控制方法。
背景技术
[0002]能源是人类经济活动中最重要的要素，当今世界正面临着能源短缺，环境污染日益严重和温室效应等诸多问题，为保护人类赖以生存的环境并使经济持续发展，开发洁净的新能源已迫在眉睫，很多发达国家已将清洁的可再生能源甲醇作为自己未来能源而加紧研究开发。
[0003]由于传统的煤炭等化石燃料所造成的污染一直是个急待解决的问题。甲醇作为一种清洁的能源，同时又具有可储存和输送的特点，从长远看，它的发展可能带来能源结构的重大改变，大力研究开发甲醇制热技术和设备，无论对整个世界还是对我国能源安全，还是能源可持续性发展都有着特别重要的意义，不但可替代传统燃料，而且污染小，并且运行成本低，应用广泛。
[0004]现有技术下，甲醇制热的主要方法作为燃气与空气混合燃烧。然而，这种明火燃烧的方式往往存在燃烧不充分且排放甲醛和氮氧化物（NO x）等空气污染物的问题，在某些特殊场合下还禁止明火燃烧，以消除安全隐患。
发明内容
[0005]为克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了涉及甲醇汽化混合器和甲醇无火焰制热反应器，以实现甲醇的充分催化反应，减少空气污染物排放，避免明火带来的安全隐患。[0006]本发明的技术方案是：甲醇无火焰制热反应器，设有立式的壳体，所述壳体内设有列管和管板，所述管板包括上管板和下管板，所述上管板和下管板均水平设置，分别固定安装在所述壳体的上部和下部，所述上管板和下管板的外缘与所述壳体密封，将壳体内空间分隔为自下至上依次分布的均压进气室、工质加热室和均压排气室，所述列管由若干换热管组成，所述换热管的上端和下端分别固定连接在所述上管板和下管板上，所述换热管的外壁分别与所述上管板和下管板密封，管孔与所述上管板和下管板的对应板孔连通为一体，
所述工质加热室设有工质进口和工质出口，所述换热管内填充有用于甲醇催化氧化的催化剂，所述均压进气室设有甲醇混合气进口，所述均压排气室设有废气出口。
[0007]所述壳体的主体部分通常可以呈圆筒状，圆筒的两端密封连接有各自的封头。[0008]所述上管板和下管板通常为平面板且垂直于所述壳体的轴向，固定安装在所述壳体的内壁上。
[0009]所述工质加热室的工质进口通常可以设置在工质加热室的上部，工质出口通常可以设置在工质加热室的下部。
[0010]优选地，所述换热管为等径或变径的圆管。
[0011]优选地，所述换热管为管壁的竖向切面呈波浪形的变径圆管，即其管壁呈以波浪
形的曲线为母线的旋转曲面状，其内径沿轴向周期性变化且上下两个方向上的变化规律相同，各所述换热管在相同高度上的管径相等，因此相邻换热管在不同高度上的距离是变化的。
[0012]优选地，所述均压进气室的下部设有甲醇混合气分布装置，所述甲醇混合气进口位于所述甲醇混合气分布装置的下方。
[0013]优选地，所述工质加热室内设有若干折流板，所述折流板上设有用于穿过相应换热管的换热管孔。
[0014]所述折流板可以为水平设置的折流板，优选呈弓形。
[0015]优选地，所述折流板在竖向上交错分布，即竖向上任意相邻的折流板，一个靠左，使其左侧边缘与壳体内壁结合，另一个靠右，使其右侧边缘与壳体内壁结合。
[0016]甲醇无火焰制热控制方法，采用本发明的任意一种甲醇无火焰制热反应器，通过控制甲醇混合气的流量及甲醇浓度控制甲醇催化氧化的放热强度（放热功率），进而控制工质的温升或工质出口温度。
[0017]优选地，所述甲醇混合气中的氧浓度高于甲醇完全反应所需的浓度。
[0018]优选地，流经任一换热管的甲醇工艺上完全反应。所称工艺上完全反应是指在一定的工艺条件未反应的甲醇浓度在允许的范围之内，或者说工艺上能够合理实现的最大反应程度。
[0019]本发明主要流程和有益效果是：通过甲醇催化氧化反应放出的热能加热工质，将工质从工质加热室的工质进口引入工质加热室的管外空间（壳程）进行加热，加热后的工质从工质加热室的工质出口引出，将由甲醇汽化混合器制备的甲醇混合气引入均压进气室后，甲醇混合气穿过换热管的过程中，甲醇在催化剂的作用与氧发生催化氧化反应，放出的热能用于对工质进行加热，经过催化氧化反应后的气体为尾气，经均压排气室的废气出口排出。在其他工艺条件一定的情况在，可以通过调整甲醇混合气的流量和/或甲醇混合气中的甲醇浓度调整对工质的加热量或输出工质的温度。
[0020]由于本发明采用催化氧化反应，反应温度为100-600℃，甲醇利用率大于99 %，甲醇空气在催化剂表面进行催化氧化转换成CO2、H2O等产物，基本上无二次污染，不产生火焰燃烧的NO X。
[0021]本发明可用于加热水、油及空气等流体工质，并可以用于制备蒸汽，启动温度低，常压运行，反应平稳，无火焰，无尾烟，体积小，易操作，成本低，具有节能、环保、高效、投资和运行成本低的特点，可用于替代电加热器及燃气加热器等现有制热设备。
附图说明
[0022]图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明另一种实施方式的结构示意图；
图3是一种换热管的（局部）结构示意图；
图4是涉及换热管孔内弹力条和换热管的构造示意图，为显示清晰期间，在弹力条和换热管之间增加了间隙，但实际中两者应压紧在一起。
具体实施方式
[0023]参见图1-图3，本发明的甲醇无火焰制热反应器采用立式的管式换热器结构，设有立式的壳体10，所述壳体内设有列管和管板，所述管板包括上管板34和下管板36，所述上管板和下管板均水平设置，分别固定安装在所述壳体的上部和下部，其外缘与所述壳体密封，将壳体内空间分隔为自下至上依次分布的均压进气室26、工质加热室24和均压排气室22，所述列管由若干换热管32组成，所述换热管的上端和下端分别固定连接在所述上管板和下管板上，其外壁分别与所述上管板和下管板密封，其管孔分别与所述上管板和下管板的对应板孔连为一体，所述工质加热室设有工质进口1和工质出口8，所述工质进口用于连接工质输入管（例如，回水管），所述工质出口用于连接工质输出管（例如，蒸汽管），所述换热管内填充有用于甲醇催化氧化的催化剂31，所述均压进气室设有甲醇混合气进口2，用于引入具有一定温度的甲醇（空气）混合气，所述均压排气室设有废气（或称尾气）出口9。[0024]所述换热管通常可以等间距分布于工质加热室内的全部换热区域。
[0025]所述换热管的分布方式优选采用正方形排列或正三角排列，以更好地适应于工质侧向流入和侧向流出的结构，优化工质与换热管的接触。
[0026]通常，所述换热管可以为等径或变径的圆管（横截面为圆面的管），以利于气流在横截面上的均匀分布。
[0027]例如，所述换热管按正方形排列，所述换热管优选为管壁的竖向切面呈波浪形的变径圆管（参见
图3），其内径沿轴向周期性变化且上下两个方向上的变化规律相同。在此情形下，各换热管在相同高度上的管径优选相等，因此相邻换热管在不同高度上的距离是变化的。上述换热管结构和分布方式不仅有利于增大换热管的表面积，提高换热能力，而且在工质流量发生较大变化的情况下，工质加热室对空气流的阻力变化较小，利于系统的稳定，能够有效地增大所适应的工质流量（负荷）范围，提高抗工质流量变化冲击的能力。另外，在工质流量发生变化时，可以通过调节甲醇混合气流量调整催化氧化反应强度，使放热量适应于相应工质流量下的换热量要求。换热管（包括催化剂）的设计应适应于相应的调节，满足最大反应强度要求。
[0028]可以在换热管内设置用于支撑催化剂的支架、孔板和/或丝网等。
[0029]所述催化剂可以呈块状或颗粒状等。
[0030]所述工质加热室的工质进口和工质出口可以设置在工质加热室相对的两侧，根据场地或管道布局需要也可以设置在同一侧。优选一个（优选工质进口）设置在工质加热室的上部，一个（优选工质出口）设置在工质加热室的下部，以实现空气流的均衡分布，保证加热效果及加热后的工质温度。
[0031]也可以将工质加热室的工质进口和工质出口之间设置竖向折流隔板，将工质进口和工质出口设置在竖向折流隔板两侧的相同高度。
[0032]例如，工质进口和工质出口分设于工质加热室下部相对的两侧，而在工质加热室内设置位于工质进口和工质出口之间的竖向折流隔板，竖向折流隔板的下端与下管板连接，上端与上管板之间留有构成气流通道的间距，使工质流总体呈倒U形，延长了工质加热室的工质流路径，以利于提高换热能力。
[0033]所述工质加热室内优选设有若干弓形的折流板38，所述折流板水平设置，折流板的弓形优选为优弧弓形（大于半圆，通常可以接近于半圆，例如，遮挡相应横截面上的55-