應(yīng)用催化燃燒技術(shù)凈化有機(jī)廢氣

敘述了有機(jī)廢氣催化燃燒技術(shù)的實(shí)質(zhì)、特點(diǎn)、應(yīng)用范圍、工藝流程，分析了催化劑組成、中毒原因、防中毒機(jī)制和預(yù)處理目的，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用中的工藝條件探討催化燃燒技術(shù)存在的問題和今后的研發(fā)方向。

有機(jī)廢氣通常含有揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs），世界各國通過立法不斷限制VOCs的排放量，美國 《凈化大氣法》 強(qiáng)調(diào)在未來幾年要減少189種有毒化學(xué)品90%的排放，其中70%的化學(xué)品是揮發(fā)性有機(jī)化合物。2013年國家環(huán)保部發(fā)布的 《揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）污染防治技術(shù)政策》 中指出：VOCs污染防治應(yīng)遵循源頭和過程控制與末端治理相結(jié)合的綜合防治原則。要求到2020年，基本實(shí)現(xiàn)VOCs從原料到產(chǎn)品、從生產(chǎn)到消費(fèi)的全過程減排。有機(jī)廢氣末端治理工藝中，催化燃燒技術(shù)適于處理大流量、低濃度有機(jī)廢氣，符合當(dāng)今社會(huì)倡導(dǎo)的高效低耗、節(jié)能環(huán)保的理念。

1 催化燃燒法應(yīng)用特點(diǎn)

催化燃燒技術(shù)（AOGC）是典型的氣—固相催化反應(yīng)，其實(shí)質(zhì)是由活性氧參與的有機(jī)物質(zhì)深度氧化。這種有機(jī)物質(zhì)氧化是發(fā)生在固體催化劑表面，吸附作用使有機(jī)分子富集而提高了反應(yīng)速率，借助催化劑降低了反應(yīng)的活化能，使其在較低的起燃溫度下進(jìn)行無焰燃燒，產(chǎn)生CO 2、N 2 和H 2 O，并放出大量的熱量。催化燃燒與傳統(tǒng)的火焰燃燒相比主要有下列優(yōu)點(diǎn)。

（1）無火焰燃燒，安全性好，凈化率大于95%。

（2）對(duì)可燃組分濃度和熱值限制較小，起燃溫度低，能耗少，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低。

（3）適應(yīng)氧濃度范圍大，燃燒緩和操作管理方便。

（4）起燃溫度低，很大程度抑制了空氣中N 2高溫燃燒形成熱力型NO x。同時(shí)，選擇性催化作用，限制燃料中含氮化合物（RNH）的氧化過程，使其多數(shù)形成氮?dú)猓∟ 2），減少了二次污染。

（5）催化燃燒幾乎可以處理所有烴類和惡臭氣體等成分復(fù)雜的各種有機(jī)廢氣，適用范圍廣。對(duì)于有機(jī)化工、涂料、絕緣材料等行業(yè)排放的低濃度、多組分，沒有回收價(jià)值的有機(jī)廢氣均有較好處理效果。

缺點(diǎn)是工藝條件要求嚴(yán)格，廢氣不應(yīng)含催化劑毒物或影響其壽命和凈化效率的塵粒、霧滴。因此，采用催化燃燒技術(shù)須對(duì)有機(jī)廢氣進(jìn)行前處理。其次，為防止催化劑中毒，不適用于燃燒過程中產(chǎn)生大量硫氧化物和氮氧化物廢氣的處理。

2 催化劑的組成和活性

2.1 催化劑及載體

催化劑通常都是由活性成分、助劑和載體等組成，催化反應(yīng)的活性組分負(fù)載在較大比表面積的載體上，在催化反應(yīng)中，載體的作用除了負(fù)載分散活性組分外，還可以增加催化劑的穩(wěn)定性、選擇性和活性等。所以，催化劑的活性不僅依賴于催化劑活性組分的分布，還依賴于載體顆粒大小和化學(xué)狀態(tài)，即催化劑載體對(duì)催化效果和壽命有很大的影響。催化劑活性成分可分為貴金屬、非貴金屬氧化物：貴金屬Pt、Pd是低溫催化燃燒最常用的催化劑，其優(yōu)點(diǎn)是具有較高的催化活性、良好的抗毒性，缺點(diǎn)是活性組分容易揮發(fā)和燒結(jié)，其次是價(jià)格昂貴；非貴金屬催化劑主要有過渡金屬銅、錳、鉻等的氧化物以及鈣鈦礦型復(fù)合氧化物催化劑，價(jià)格相對(duì)較低，耐高溫?zé)岱€(wěn)定性較好，不足之處是催化活性相對(duì)較低，起燃溫度要求較高。

2.2 催化劑中毒及防治催化劑中毒主要有三種類型。

（1）催化劑完全中毒。毒物與催化劑活性中心生成了結(jié)合力很強(qiáng)的物質(zhì)，不能用一般方法將它去除或根本無法去除。

（2）抑制催化反應(yīng)。

鹵素和硫的化合物易與活性中心結(jié)合，此作用是可逆的。

（3）沉積覆蓋活性中心。燃燒所致碳沉積、陶瓷粉塵和其他顆粒物堵塞活性中心，影響催化劑吸附能力，使其活性下降。

減少催化劑活性的衰減措施如下：按操作規(guī)程精準(zhǔn)地控制反應(yīng)條件；對(duì)廢氣進(jìn)行預(yù)處理，防止催化劑中毒；當(dāng)催化劑表面結(jié)碳時(shí)，吹入過量空氣并提高燃燒溫度，去除表面結(jié)碳；改進(jìn)催化劑制備工藝，提高催化劑耐熱性和抗毒能力。

3 催化燃燒工藝流程

根據(jù)廢氣預(yù)熱方式及富集方式，催化燃燒工藝流程可分為預(yù)熱式、自然熱平衡和吸附-催化燃燒三種。

3.1 預(yù)熱式

當(dāng)有機(jī)廢氣溫度和濃度較低，在進(jìn)入反應(yīng)器前需要在預(yù)熱室加熱升溫，燃燒凈化后氣體在熱交換器內(nèi)與未處理廢氣進(jìn)行熱交換，以回收部分熱量。

3.2 自身熱平衡式

當(dāng)有機(jī)廢氣溫度高于起燃溫度并且有機(jī)物含量較高，熱交換器回收部分熱量，在正常操作下能夠維持熱平衡，不需補(bǔ)充熱量。

3.3 吸附-催化燃燒

當(dāng)有機(jī)廢氣氣體流量大、濃度低、溫度低，采用催化燃燒還需耗大量燃料時(shí)，可先采用吸附手段將有機(jī)廢氣吸附于吸附劑上進(jìn)行濃縮，然后再經(jīng)熱空氣吹掃，使有機(jī)廢氣脫附出來，變成濃縮的高濃度有機(jī)廢氣，再進(jìn)行催化燃燒。有機(jī)廢氣中反應(yīng)物先向催化劑表面擴(kuò)散、吸附；被吸附的反應(yīng)物與氧氣在催化劑表面化學(xué)鍵重新組合－發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；最后，生成物由催化劑表面脫附，離開催化劑表面向周圍介質(zhì)擴(kuò)散。當(dāng)濃縮有機(jī)廢氣實(shí)現(xiàn)自身熱平衡運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，無需外界補(bǔ)充熱源。

4 有機(jī)廢氣催化燃燒技術(shù)進(jìn)展

4.1 催化燃燒在汽車尾氣凈化方面的應(yīng)用

汽車尾氣催化凈化是將排氣管CO、CH和NO x借助汽車尾部安裝的催化轉(zhuǎn)化器，發(fā)生催化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為CO 2、H 2 O和N 2，此催化劑為三元催化劑。為防止催化劑中毒，必須使用硫、鉛含量低的燃油。在大量過剩氧氣的存在下，具備原位NO x 還原能力催化劑的發(fā)展，可實(shí)現(xiàn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)約燃油25%。隨著新材料的應(yīng)用以及低硫含量汽油的推廣，催化燃燒技術(shù)市場(chǎng)前景廣闊。

4.2 催化燃燒在處理二噁英氣體方面的應(yīng)用

催化燃燒技術(shù)用于處理二噁英氣體，在240℃-260℃和8000r?h －1 的轉(zhuǎn)速下，二噁英的去除率達(dá)到99%，二噁英濃度可降至0.1ng/m 3 以下。廢氣中多氯聯(lián)苯并呋喃等二噁英前驅(qū)物質(zhì)基本完全分解，氮氧化物發(fā)生選擇性催化還原反應(yīng)，生成無害的氮?dú)狻?br>
4.3 催化燃燒在處理工業(yè)有機(jī)廢氣方面的應(yīng)用

石油化工、油漆、涂料、輪胎制造等工業(yè)生產(chǎn)過程中都涉及到有機(jī)揮發(fā)化合物的使用和排放。這些揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）如不經(jīng)處理直排大氣，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。催化燃燒凈化處理技術(shù)，將有機(jī)物分子在催化劑表面作用發(fā)生深度氧化轉(zhuǎn)化為無害的二氧化碳和水。催化燃燒技術(shù)已由試驗(yàn)轉(zhuǎn)入工程實(shí)踐階段，并逐漸應(yīng)用于石油化工、農(nóng)藥、印刷、涂料等行業(yè)有機(jī)廢氣凈化處理。

結(jié)語

催化燃燒技術(shù)研究與應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展的階段，涉及催化材料制備、實(shí)用反應(yīng)工藝以及污染物性能分析等多方面。所以結(jié)合實(shí)際應(yīng)用中工藝條件和反應(yīng)機(jī)理的研究，提高催化劑性能，研制抗毒能力強(qiáng)、大轉(zhuǎn)速、比表面積大及低起燃點(diǎn)的非貴金屬催化劑，以降低工藝造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用；催化燃燒裝置向大型化、整體型和節(jié)能型方向發(fā)展是應(yīng)用領(lǐng)域?qū)硌芯康闹攸c(diǎn)。

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