一种光热催化反应设备

1.本发明属于有害气体净化技术领域，特别涉及一种光热催化反应设备。


背景技术：

2.为了有效遏制臭氧浓度增长趋势，基本消除重污染天气，vocs治理成为大气污染防治工作重点和热点。目前的vocs气体净化方式多是采用蓄热焚烧技术(rto)和蓄热氧化技术(rco)两种，反应温度较高，通常在500-800℃，正常运行时需消耗大量的能源，又因较高处理温度，对设备材质提出更高的要求，造成装置设备选材费用进一步提升。
3.因此，需要将太阳能集热等能源采集方式融入反应工作中，以此来降低能耗。而太阳能集热的过程主要是对介质加热，然后将介质与vocs气体接触加热，以此达到反应的目的，此种方法反应温度较低，对装置选材的要求也有所降低。但现有的太阳能集热方式在进行反应工作时，由于介质温度较低，很难做到让vocs充分吸热，从而降低了催化反应效果。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明提供了一种光热催化反应设备，包括反应罐和集热单元，所述反应罐上下两端分别设有罐体进料口和罐体出料口，且侧壁上设有介质进口和介质出口；所述介质进口和介质出口均与集热单元连通，所述反应罐内设有中空盘管；
5.所述中空盘管包括外盘管；所述外盘管呈螺旋状盘旋在反应罐的腔体中，所述外盘管两端分别与介质进口和介质出口连通；所述外盘管内设有内盘管，所述内盘管的中轴线与外盘管的中轴线重合，所述内盘管两端分别与介质进口和介质出口连通；所述内盘管外壁上呈环形阵列分布有若干组侧壁凸管，所述侧壁凸管的腔体与内盘管和外盘管的腔体均不连通；所述侧壁凸管一侧外壁延伸至内盘管的腔体中；所述侧壁凸管两端分别与罐体进料口和罐体出料口连通。
6.进一步的，所述介质进口上连通有第一输介管，所述介质出口上连通有第二输介管，所述第一输介管和第二输介管远离反应罐的一端均与集热单元的腔体连通；所述第一输介管和第二输介管上均设有一组热流循环泵。
7.进一步的，所述反应罐壳体的夹层中开设有内壁空腔，所述内壁空腔中设有螺旋导热管，所述螺旋导热管呈螺旋状盘旋；所述螺旋导热管上等间距分布有若干组预热口，所述预热口另一端与反应罐的腔体连通。
8.进一步的，所述反应罐侧壁上开设有热气进口，所述热气进口一端与螺旋导热管的输入端连通；所述热气进口另一端连通有输气管，所述输气管另一端设有滤料盘，所述滤料盘另一端与集热单元连通。
9.进一步的，所述罐体进料口和罐体出料口上分别设有第一控制阀门和第二控制阀门。
10.进一步的，所述侧壁凸管外壁上设有凸管固定架，所述凸管固定架另一端连接在外盘管内壁上。
11.进一步的，所述集热单元包括集热底架；所述集热底架内设有介质储存腔，所述集热底架上开设有回流口，所述第二输介管远离反应罐的一端通过回流口与介质储存腔连通。
12.进一步的，所述集热底架上开设有出流口，所述第一输介管远离反应罐的一端通过出流口与介质储存腔连通。
13.进一步的，所述集热底架上沿水平方向等间距分布有若干组太阳能集热管，所述太阳能集热管设置为截面是扇环形的管状结构。
14.进一步的，所述太阳能集热管外壁上平均分布有若干组反射凹槽，所述反射凹槽靠近开口处一端的内直径要大于其底部内直径；所述太阳能集热管的腔体与介质储存腔连通。
15.本发明的有益效果是：
16.1、将介质通过第一输介管和介质进口分别输入外盘管和内盘管中。然后将有机废气vocs通过罐体进料口分别输入各组侧壁凸管中。在有机废气vocs向罐体出料口移动的同时，分别通过外盘管和内盘管从内外两个方向将热能传递到侧壁凸管内，并且各组侧壁凸管均为独立腔体，从而让有机废气vocs与热能的接触面积得以增加，以此加块了有机废气vocs的反应速度，并提高了有机废气vocs的反应效果。
17.2、太阳能集热管设置为截面是扇环形的管状结构，无论什么时间、太阳处在何种方位，都可以对太阳能集热管进行照射，延长了太阳能集热管的吸热时间。与此同时，在太阳能集热管上平均分布有若干组反射凹槽，并且靠近开口处一端的内直径要大于其底部内直径，因此当阳光照射进反射凹槽后，通过其每个内壁的折射，以提高太阳能的吸收效能。并以此提升了太阳能的吸收效果。
18.3、将集热单元内已被加热后的介质上的热能通过螺旋导热管和各组预热口输入反应罐的腔体内。以此来对集热单元进行预热工作，以避免介质进入中空盘管后导致中空盘管内外壁温度差过大，从而引起的中空盘管壳体损坏。并且螺旋导热管和预热口均以螺旋状分布，使得热能可以同时作用在中空盘管的所有部位，从而提高了中空盘管的预热效果以及缩短了预热时间。
19.4、在光热催化vocs降解领域首创螺旋状的中空盘管反应器，提高了vocs气体在管道内的停留时间和接触面积，使其得以充分热量交换，提高反应过程的安全性。
20.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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。
22.图1示出了根据本发明实施例1的反应设备的结构示意图；
23.图2示出了根据本发明实施例1的反应罐的剖视示意图；
24.图3示出了根据本发明实施例1的螺旋导热管与反应罐的连接示意图；
25.图4示出了根据本发明实施例1的中空盘管的结构示意图；
26.图5示出了根据本发明实施例1的内盘管的结构示意图；
27.图6示出了根据本发明实施例1的中空盘管的端面剖视示意图；
28.图7示出了根据本发明实施例1的集热单元的结构示意图；
29.图8示出了根据本发明实施例1的太阳能集热管的结构示意图；
30.图9示出了根据本发明实施例2的凸纹反应盘管的结构示意图；
31.图10示出了根据本发明实施例2的凸纹反应盘管的端面剖视示意图。
32.图中：100、反应罐；110、介质进口；111、第一输介管；120、介质出口；121、第二输介管；130、热气进口；131、输气管；132、滤料盘；140、罐体进料口；141、第一控制阀门；150、罐体出料口；151、第二控制阀门；160、内壁空腔；170、螺旋导热管；180、预热口；200、热流循环泵；300、中空盘管；310、外盘管；320、内盘管；330、侧壁凸管；340、凸管固定架；350、导介盘管；360、凸纹条；370、磨砂层；400、集热单元；410、集热底架；420、太阳能集热管；421、反射凹槽；430、回流口；440、出流口；450、热气出口。
具体实施方式
33.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地说明，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。
34.实施例1：
35.本发明实施例提供了一种光热催化反应设备，包括反应罐100和集热单元400。示例性的，如图1和图2所示，所述反应罐100的腔体内设有中空盘管300，所述中空盘管300呈螺旋状盘旋。通过将中空盘管300设置为螺旋状结构，使得中空盘管300的整体长度得以延长，也使得有机废气vocs的反应时间更长。
36.所述反应罐100侧壁上开设有介质进口110、介质出口120和热气进口130，所述介质进口110上连通有第一输介管111，所述介质出口120上连通有第二输介管121，所述第一输介管111和第二输介管121均与中空盘管300的腔体连通。所述热气进口130上连通有输气管131，所述输气管131另一端设有滤料盘132。所述第一输介管111、第二输介管121和滤料盘132远离反应罐100的一端均与集热单元400的腔体连通。
37.通过集热单元400通过吸收光热将介质加热，然后利用第一输介管111将加热后的介质输送至中空盘管300内。以实现对有机废气vocs的加热反应。反应结束后，已冷却的介质通过第二输介管121回到集热单元400的腔体内。
38.所述第一输介管111、第二输介管121和输气管131上均设有一组热流循环泵200。通过热流循环泵200来控制介质或热气的流通。
39.所述反应罐100的上下两端中心处分别开设有罐体进料口140和罐体出料口150，所述罐体进料口140和罐体出料口150上分别设有第一控制阀门141和第二控制阀门151，所述中空盘管300两端分别与罐体进料口140和罐体出料口150连通。将有机废气vocs通过罐体进料口140输入中空盘管300内，在与介质进行热交换并完成反应后，通过罐体出料口150
排出。
40.示例性的，如图3所示，所述反应罐100壳体的夹层中开设有内壁空腔160，所述内壁空腔160中设有螺旋导热管170，所述螺旋导热管170呈螺旋状盘旋。所述螺旋导热管170上等间距分布有若干组预热口180，所述预热口180另一端与反应罐100的腔体连通。
41.在进行有机废气vocs的反应工作之前，首先打开输气管131上的一组热流循环泵200，将集热单元400内已被加热后的介质上的热能通过螺旋导热管170和各组预热口180输入反应罐100的腔体内。以此来对集热单元400进行预热工作，以避免介质进入中空盘管300后导致中空盘管300内外壁温度差过大，从而引起的中空盘管300壳体损坏。并且螺旋导热管170和预热口180均以螺旋状分布，使得热能可以同时作用在中空盘管300的所有部位，从而提高了中空盘管300的预热效果以及缩短了预热时间。
42.所述中空盘管300包括外盘管310。示例性的，如图4、图5和图6所示，所述外盘管310呈螺旋状盘旋在反应罐100的腔体中，所述外盘管310两端分别与介质进口110和介质出口120连通。所述外盘管310内设有内盘管320，所述内盘管320的中轴线与外盘管310的中轴线重合，所述内盘管320两端分别与介质进口110和介质出口120连通。所述内盘管320外壁上呈环形阵列分布有若干组侧壁凸管330，所述侧壁凸管330的腔体与内盘管320和外盘管310的腔体均不连通。所述侧壁凸管330外壁上设有凸管固定架340，所述凸管固定架340另一端连接在外盘管310内壁上。所述侧壁凸管330一侧外壁延伸至内盘管320的腔体中。所述侧壁凸管330两端分别与罐体进料口140和罐体出料口150连通。
43.在进行反应工作时，首先将介质通过第一输介管111和介质进口110分别输入外盘管310和内盘管320中。然后打开第一控制阀门141，将有机废气vocs通过罐体进料口140分别输入各组侧壁凸管330中。在有机废气vocs向罐体出料口150移动的同时，分别通过外盘管310和内盘管320从内外两个方向将热能传递到侧壁凸管330内，并且各组侧壁凸管330均为独立腔体，从而让有机废气vocs与热能的接触面积得以增加，以此加块了有机废气vocs的反应速度，并提高了有机废气vocs的反应效果。
44.所述集热单元400包括集热底架410。示例性的，如图7和图8所示，所述集热底架410内设有介质储存腔，所述集热底架410上开设有回流口430，所述第二输介管121远离反应罐100的一端通过回流口430与介质储存腔连通。所述集热底架410上开设有出流口440，所述第一输介管111远离反应罐100的一端通过出流口440与介质储存腔连通。所述集热底架410上开设有热气出口450，所述滤料盘132远离输气管131的一端通过热气出口450与介质储存腔连通。所述集热底架410上沿水平方向等间距分布有若干组太阳能集热管420，所述太阳能集热管420设置为截面是扇环形的管状结构。所述太阳能集热管420外壁上平均分布有若干组反射凹槽421，所述反射凹槽421靠近开口处一端的内直径要大于其底部内直径。所述太阳能集热管420的腔体与介质储存腔连通。
45.介质从介质储存腔流进太阳能集热管420中，再由太阳能集热管420吸收热能对介质进行加热，从而实现集热的功能。
46.太阳能集热管420设置为截面是扇环形的管状结构，无论什么时间、太阳处在何种方位，都可以对太阳能集热管420进行照射，延长了太阳能集热管420的吸热时间。与此同时，在太阳能集热管420上平均分布有若干组反射凹槽421，并且靠近开口处一端的内直径要大于其底部内直径，因此当阳光照射进反射凹槽421后，通过其每个内壁的折射，以提高
太阳能的吸收效能。并以此提升了太阳能的吸收效果。
47.本实施例具有以下效果：
48.1、将介质通过第一输介管111和介质进口110分别输入外盘管310和内盘管320中。然后将有机废气vocs通过罐体进料口140分别输入各组侧壁凸管330中。在有机废气vocs向罐体出料口150移动的同时，分别通过外盘管310和内盘管320从内外两个方向将热能传递到侧壁凸管330内，并且各组侧壁凸管330均为独立腔体，从而让有机废气vocs与热能的接触面积得以增加，以此加块了有机废气vocs的反应速度，并提高了有机废气vocs的反应效果。
49.2、太阳能集热管420设置为截面是扇环形的管状结构，无论什么时间、太阳处在何种方位，都可以对太阳能集热管420进行照射，延长了太阳能集热管420的吸热时间。与此同时，在太阳能集热管420上平均分布有若干组反射凹槽421，并且靠近开口处一端的内直径要大于其底部内直径，因此当阳光照射进反射凹槽421后，通过其每个内壁的折射，以提高太阳能的吸收效能。并以此提升了太阳能的吸收效果。
50.3、将集热单元400内已被加热后的介质上的热能通过螺旋导热管170和各组预热口180输入反应罐100的腔体内。以此来对集热单元400进行预热工作，以避免介质进入中空盘管300后导致中空盘管300内外壁温度差过大，从而引起的中空盘管300壳体损坏。并且螺旋导热管170和预热口180均以螺旋状分布，使得热能可以同时作用在中空盘管300的所有部位，从而提高了中空盘管300的预热效果以及缩短了预热时间。
51.实施例2：
52.本发明实施例还提供了一种光热催化反应设备，包括反应罐100和中空盘管300。示例性的，如图9和图10所示，所述反应罐100、热流循环泵200和集热单元400的结构均与实施例1相同。
53.所述中空盘管300包括导介盘管350，所述导介盘管350呈螺旋状盘旋在反应罐100的腔体内，所述导介盘管350上下两端分别与介质进口110和介质出口120连通。所述导介盘管350四周外壁上呈环形阵列分布有若干组凸纹条360，所述凸纹条360的腔体与导介盘管350的腔体连通。所述导介盘管350和若干组凸纹条360组合构成凸纹中空盘管。所述凸纹中空盘管外壁上设有磨砂层370。所述凸纹中空盘管外壁上设有若干组不锈钢棒。
54.优选的，所述凸纹条360的数量可采用但不限于四组、六组和八组等，在本实施例的技术方案中，采用六组凸纹条360作为优选实施例。
55.在对vocs气体进行反应时，需将催化反应温度控制在200℃左右进行，优选六凸纹中空盘管增加换热面积，并优选设置盘管外径20cm，内径10cm，管长5米；盘管盘曲直径40cm，螺距2cm，匝数5匝；同时在不锈钢棒表面涂覆光热催化剂，增加设备的空间利用率；将介质加热至400℃，并输入六凸纹中空盘管中。凸纹中空盘管表面温度通过介质加热至300℃
±
20℃；工业排放的vocs气体浓度在100ppm，反应前温度为15-30℃的室温。加热反应后温度为300℃
±
20℃。
56.在反应工作时，vocs气体的反应停留时间为3秒，vocs气体甲苯的转化率可到95％以上，并且装置可连续稳定运行100天；与传统的蓄热焚烧装置rto相比，中空盘管反应器节约能耗约50％，与传统的热催化氧化反应器rco相比，节约能耗约30％，在相同的甲苯去除率下表现出较为优异的节能效益。
57.本实施例具有以下有益效果：
58.1、太阳能作为vocs气体反应的主要能量来源，绿色无污染，通过将太阳能热利用与光热催化技术有机耦合，节约光热催化燃烧设备的电力消耗和能源消耗，从源头实现设备的低碳化。
59.2、在光热催化vocs降解领域首创中空盘管反应器，可以有效提高内部热量交换，提高反应过程的安全性；
60.3、中空盘管反应器气体阻力小，是良好的结构催化剂载体，反应器压力近常压，有效减少系统性风险；
61.4、该发明专利的应用范围广、操作简单、使用寿命长，充分利用太阳能实现光热催化燃烧设备的高效热能利用与光热催化降解双功能。
62.尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种光热催化反应设备，其特征在于：包括反应罐(100)和集热单元(400)，所述反应罐(100)上下两端分别设有罐体进料口(140)和罐体出料口(150)，且侧壁上设有介质进口(110)和介质出口(120)；所述介质进口(110)和介质出口(120)均与集热单元(400)连通，所述反应罐(100)内设有中空盘管(300)；所述中空盘管(300)包括外盘管(310)；所述外盘管(310)呈螺旋状盘旋在反应罐(100)的腔体中，所述外盘管(310)两端分别与介质进口(110)和介质出口(120)连通；所述外盘管(310)内设有内盘管(320)，所述内盘管(320)的中轴线与外盘管(310)的中轴线重合，所述内盘管(320)两端分别与介质进口(110)和介质出口(120)连通；所述内盘管(320)外壁上呈环形阵列分布有若干组侧壁凸管(330)，所述侧壁凸管(330)的腔体与内盘管(320)和外盘管(310)的腔体均不连通；所述侧壁凸管(330)一侧外壁延伸至内盘管(320)的腔体中；所述侧壁凸管(330)两端分别与罐体进料口(140)和罐体出料口(150)连通。2.根据权利要求1所述的一种光热催化反应设备，其特征在于：所述介质进口(110)上连通有第一输介管(111)，所述介质出口(120)上连通有第二输介管(121)，所述第一输介管(111)和第二输介管(121)远离反应罐(100)的一端均与集热单元(400)的腔体连通；所述第一输介管(111)和第二输介管(121)上均设有一组热流循环泵(200)。3.根据权利要求1所述的一种光热催化反应设备，其特征在于：所述反应罐(100)壳体的夹层中开设有内壁空腔(160)，所述内壁空腔(160)中设有螺旋导热管(170)，所述螺旋导热管(170)呈螺旋状盘旋；所述螺旋导热管(170)上等间距分布有若干组预热口(180)，所述预热口(180)另一端与反应罐(100)的腔体连通。4.根据权利要求3所述的一种光热催化反应设备，其特征在于：所述反应罐(100)侧壁上开设有热气进口(130)，所述热气进口(130)一端与螺旋导热管(170)的输入端连通；所述热气进口(130)另一端连通有输气管(131)，所述输气管(131)另一端设有滤料盘(132)，所述滤料盘(132)另一端与集热单元(400)连通。5.根据权利要求1所述的一种光热催化反应设备，其特征在于：所述罐体进料口(140)和罐体出料口(150)上分别设有第一控制阀门(141)和第二控制阀门(151)。6.根据权利要求1所述的一种光热催化反应设备，其特征在于：所述侧壁凸管(330)外壁上设有凸管固定架(340)，所述凸管固定架(340)另一端连接在外盘管(310)内壁上。7.根据权利要求2所述的一种光热催化反应设备，其特征在于：所述集热单元(400)包括集热底架(410)；所述集热底架(410)内设有介质储存腔，所述集热底架(410)上开设有回流口(430)，所述第二输介管(121)远离反应罐(100)的一端通过回流口(430)与介质储存腔连通。8.根据权利要求7所述的一种光热催化反应设备，其特征在于：所述集热底架(410)上开设有出流口(440)，所述第一输介管(111)远离反应罐(100)的一端通过出流口(440)与介质储存腔连通。9.根据权利要求7所述的一种光热催化反应设备，其特征在于：所述集热底架(410)上沿水平方向等间距分布有若干组太阳能集热管(420)，所述太阳能集热管(420)设置为截面是扇环形的管状结构。10.根据权利要求9所述的一种光热催化反应设备，其特征在于：所述太阳能集热管(420)外壁上平均分布有若干组反射凹槽(421)，所述反射凹槽(421)靠近开口处一端的内
直径要大于其底部内直径；所述太阳能集热管(420)的腔体与介质储存腔连通。

技术总结
本发明涉及有害气体净化技术领域，特别涉及一种光热催化反应设备。包括反应罐和集热单元，所述反应罐上下两端分别设有罐体进料口和罐体出料口，且侧壁上设有介质进口和介质出口；所述介质进口和介质出口均与集热单元连通，所述反应罐内设有中空盘管；所述中空盘管包括外盘管，所述外盘管呈螺旋状盘旋在反应罐的腔体中，所述外盘管两端分别与介质进口和介质出口连通。本发明的各组侧壁凸管均为独立腔体，从而让有机废气VOCs与热能的接触面积得以增加，以此加快了有机废气VOCs的反应速度，并提高了有机废气VOCs的反应效果。提高了有机废气VOCs的反应效果。提高了有机废气VOCs的反应效果。


技术研发人员：郭彦炳 邱晓峰 邹文静
受保护的技术使用者：华中师范大学
技术研发日：2023.03.09
技术公布日：2023/7/12