催化燃烧小教程

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催化燃烧是实现VOCs高效燃烧的一种处理技术，因具有起燃温度低、处理效率高、无二次污染等优点，符合当今社会倡导的高效低耗、节能环保的理念，在VOCs净化处理过程中显示出了极大的竞争力。掌握催化燃烧技术的原理、工艺流程、催化剂的选用及技术应用进展等，对于用好该技术有重要的作用，并能为VOCs废气处理提供思路。

挥发性有机化合物(VOCs)一般是指在常温常压下饱和蒸气压大于70Pa、沸点小于260℃的有机化合物的总称，包括脂肪烃、芳香烃、含卤烃类、含氧烃类、含氮烃和含硫烃类等，主要来源于石化、制药、精细化工、印刷、喷漆、机动车等行业。

催化燃烧的基本原理

催化燃烧是典型的气—固相催化反应，实质是利用催化剂的深度催化氧化活性将有机物质（VOCs等）在燃点以下的温度(200-400℃)与氧气反应生成CO2、N2和H2O（反应在固体催化剂表面进行，吸附作用使有机分子富集而提高了反应速率；催化剂降低了反应的活化能，使有机废气在较低的起燃温度下进行无焰燃烧）。

催化燃烧的工艺流程

根据废气预热方式及富集方式，催化燃烧工艺流程可分为预热式、自身热平衡和吸附-催化燃烧三种。

序号	工艺流程	条件	内容
1	预热式	当有机废气温度（100℃以下）和浓度较低时	在进入反应器前，先在预热室加热升温，燃烧净化后气体在热交换器内与未处理废气进行热交换，以回收部分热量。
2	自身热平衡	当有机废气温度高于起燃温度且有机物含量也高时	通过热交换器回收部分净化气体产生的热量，不需补充热量，只需设置用于起燃的电加热器。
3	吸附-催化燃烧	当有机废气流量大、浓度低、温度低，采用催化燃烧还需耗大量燃料时	可先采用吸附手段将有机废气吸附于吸附剂上进行浓缩，然后再经热空气吹扫，使有机废气脱附出来，成为浓缩的高浓度有机废气，再催化燃烧。浓缩有机废气可实现自身热平衡运转，无需外界补充热源。

关于催化燃烧技术

1、催化燃烧相比传统的火焰燃烧的优点有哪些：

（1）无火焰燃烧，安全性好，净化效果好（净化率大于95%），适于高浓度VOCs的处理。

（2）对废气浓度、氧气浓度也无限制，能将热力燃烧不能处理的、浓度低的VOCs充分燃烧。

（3）起燃温度低，且燃烧时用于预热消耗的功率仅为直接燃烧的40％～60％，能耗少，运转费用低。

（4）高温燃烧过程中不会产生NOx，可限制含氮化合物（RNH）的氧化，无二次污染。

（5）燃烧缓和操作管理方便。

（6）适用范围广，几乎能处理所有烃类和恶臭气体等成分复杂的有机废气。

2、催化燃烧技术应用的常见问题及措施：

（1）工艺条件要求严格，废气不应含催化剂毒物或影响其寿命和净化效率的尘粒、雾滴。采用催化燃烧技术须对有机废气进行前处理。

（2）为防止催化剂中毒，不适用于燃烧过程中产生大量硫氧化物和氮氧化物废气的处理。

（3）催化燃烧装置使用时，VOCs处理前后的温度差（DT）反映了催化燃烧的性能，如果完全燃烧，那么DT与VOCs的浓度成正比。若DT过大，在催化前应新风稀释；若DT过低，可能是VOCs浓度太低，或者催化效果差。

（4）当催化性能下降时，应提高VOCs处理前温度，或者催化剂高温再生（400℃以上）；若对催化剂的活性分析正常，则应考虑设备问题。

3、低浓度VOCs浓缩催化技术存在的问题及解决方案

（1）活性炭浓缩催化技术

• 活性炭可燃：活性炭蜂窝（纤维）使用后，附着了着火点更低的物质，增加燃烧风险；
• 脱附浓度波动大：如果活性炭脱附时VOCs浓度过高，将导致催化剂和催化后温度飞温，带来催化剂和设备烧坏等风险。
• 解决办法：增加吸附塔的数目，严格控制活性炭脱附浓度。
  

（2）分子筛转轮浓缩技术：该技术投资成本高，技术难度大。

4、催化燃烧技术的应用

（1）催化燃烧处理二噁英气体

在240℃-260℃和8000r·h-1的转速下，二噁英的去除率达到99%，二噁英浓度可降至0.1ng/m3以下。废气中多氯联苯并呋喃等二噁英前驱物质基本完全分解，氮氧化物发生选择性催化还原反应，生成无害的氮气。

（2）催化燃烧处理工业有机废气

催化燃烧净化处理技术，将有机物分子在催化剂表面作用发生深度氧化转化为无害的二氧化碳和水。催化燃烧技术已由试验转入工程实践阶段，并逐渐应用于石油化工、农药、印刷、涂料等行业有机废气净化处理。

催化燃烧技术核心问题在于高效、稳定的催化剂的设计和制备，掌握催化剂的种类、制备、选用、性能评估及常见问题，有利于提高催化剂性能，降低工艺造价和运行费用，以便更好的利用催化燃烧技术处理VOCs的污染问题。

催化剂

1、什么是催化剂

催化剂是一种加快化学反应速率，本身质量和化学性质在反应前后不变的物质，能大大降低消除VOCs所需要的反应温度，通常是由载体、活性成分和助剂等组成。常用催化剂有：

（1）整体式催化剂：载体（堇青石陶瓷蜂窝）、活性组分（贵金属Pd、Pt和Rh，过渡金属氧化物）、助催化剂（稀土复合氧化物）。

（2）颗粒催化剂：一般以氧化铝小球为载体，颗粒尺寸：3~5；4~6mm。（贵金属Pd、Pt和Rh，过渡金属氧化物）、助催化剂（稀土复合氧化物）。颗粒催化剂（空隙率26%）总体催化效果不及蜂窝催化剂（空隙率70%）

2、催化剂活性成分

（1）贵金属催化剂一般规律：

贵金属催化剂(0.6g/L)的实验室性能(20000-1)，工业装置使用温度：320-350度；空速20000-1。

（2）非贵金属催化剂一般规律：

一般以CuO、MnOx、FeOx等为活性成分，有利于将含氮有机物中的N转化为N2

非贵金属催化剂的实验室性能(20000-1)，工业装置使用温度：300-350度；空速15000-20000-1。

（3）几点认识

1）贵金属含量是催化剂的主要成本，决定了催化剂的成本。

2）贵金属含量不是决定催化剂性能的唯一因素。

3）相同贵金属含量的催化剂其催化性能会有本质的差别。

4）相同贵金属含量催化剂的性能由催化剂的制备技术来决定。

5）根据处理对象，对催化剂配方要进行合理的调整

3、催化剂的载体及负载方式

催化剂的活性成分负载在较大比表面积的载体上。催化反应中，载体除了要负载分散活性成分，还能增加催化剂的稳定性、选择性和活性等，对催化效果和寿命也有很大的影响。

（1）催化剂的载体主要有两类，一类是球状或片状，另一是整体式多孔蜂窝状。

（2）催化剂活性成分可通过下列方式沉积在载体上：1）电沉积在缠绕或压制的金属上；2）沉积在颗粒状陶瓷材料上；3）沉积在蜂窝结构的陶瓷材料上。

4、催化剂的制备

整体式催化剂：堇青石蜂窝，金属蜂窝载体

颗粒催化剂：第二载体Al2O3，活性组分Pt、Pd、Rh，助催化剂CeO2等

5、催化性能的综合评估

（1）催化温度，耐热温度（实验室转化率达到99%所需要的低反应温度耐热温度；或催化燃烧的工作温度）；

（2）价格；

（3）使用寿命，2年左右；

（4）催化剂中毒。

6、催化剂的用量、填装、温度点

按照空速15000h-1计算，一立方米催化剂处理的有机废气量为15000m3，以此类推。常用催化剂规格：100*100*50；200目；催化剂填装高度：200-300mm。

催化剂填装的三种模式：

7、催化反应床及设备选择

（1）催化反应床

1）保证进入催化床层的有机废气的气体分布和温度分布均匀。

2）催化床中催化剂的填装要紧密、同时要考虑热胀冷缩，以免产生气体短路，导致净化效率的下降。

（2）设备选型的程序：

1）前期工作：风量、VOCs浓度、VOCs成分；

2）中期工作：催化剂对VOCs实验室小试；VOCs浓度过大和过小，应对方案（VOCs浓度的计算：涂料中溶剂挥发量/风量）

3）后期工作：设计方案

[关于催化剂]

1、催化剂使用的常见问题及措施

（1）有机废气的浓度应在爆炸极限的安全范围之内，8000mg/m3。

（2）催化剂在使用前，应用小风量催化剂床预热至300℃以上，方可进入有机废气。为保证催化剂长期使用，催化剂最佳使用温度控制在320-450℃。

（3）应避免通入含有树脂、高沸点聚合物、重金属，及含氟、磷、硫、砷、含氯有机物等使催化剂中毒的物质。

（4）有机废气中氧气含量应大于5%。

2、催化剂中毒

（1）由于反应温度过低导致的催化剂表面积炭——高温再生

（2）涂料挥发过程携带灰分在催化剂表面的沉积——酸洗再生

（3）P、F、Pb等中毒——生成F化物、P化物、含Pb合金

（4）催化剂高温失活——活性组分的团聚，催化剂表面贵金属离子变大；催化剂成分之间的固相反应，活性相消失；载体相变，比表面积收缩。

（5）减少催化剂活性的衰减：按操作规程精准地控制反应条件；对废气进行预处理，防止催化剂中毒；改进催化剂制备工艺，提高催化剂耐热性和抗毒能力。

催化燃烧技术是处理VOCs主要技术之一，其技术核心是催化剂和设备设计，根据处理对象，选择合适的催化剂，提高催化效率。贵金属催化剂的催化活性和选择性好，但资源稀缺，价格昂贵。降低贵金属含量，提高催化剂的性价比，开发高性能的非贵金属催化剂是今后的研究方向。由于实际过程中，VOCs种类及成分等的复杂性，对于催化燃烧技术，如何避免催化剂活性下降是工业应用的关键。

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