簡介
揮發(fā)性有機(jī)物 (Volatile Organic Compounds,簡稱VOCs)是石油化工、制藥、印刷、噴漆、制鞋等行業(yè)排放廢氣中的主要污染物。該類有機(jī)物大多具有毒性并伴有惡臭 , 部分還可以致癌 , 且多數(shù) VOCs 對(duì)臭氧層有破壞作用。傳統(tǒng)的有機(jī)廢氣凈化方法有吸附法、冷凝法和直接燃燒法等 , 但它們有易產(chǎn)生二次污染、能耗大、易受有機(jī)廢氣濃度和溫度限制的缺點(diǎn)。而新興的催化燃燒技術(shù)已由實(shí)驗(yàn)階段走向工程實(shí)踐。
基本原理
催化燃燒是典型的氣-固相催化反應(yīng)，其實(shí)質(zhì)是活性氧參與深度氧化作用。在催化燃燒過程中，催化劑的作用是降低反應(yīng)的活化能，同時(shí)使反應(yīng)物分子富集于催化劑表面，以提高反應(yīng)速率。借助催化劑可使有機(jī)廢氣在較低的起燃溫度條件下發(fā)生無焰燃燒，并氧化分解為CO2和H2O，同時(shí)放出大量熱。
特點(diǎn)
2.1 起燃溫度低，節(jié)省能源。
有機(jī)廢氣催化燃燒與直接燃燒相比，具有起燃溫度低、能耗低的顯著特點(diǎn)。在某些情況下，催化燃燒達(dá)到起燃溫度后便無需外界供熱。
2.2 適用范圍廣
催化燃燒幾乎可以處理所有的烴類有機(jī)廢氣及惡臭氣體。對(duì)于有機(jī)化工、涂料、絕緣材料等行業(yè)排放的低濃度、多成分、無回收價(jià)值的廢氣，采用吸附-催化燃燒法的處理效果更好。
2.3 處理效率高
用催化燃燒法處理有機(jī)廢氣的凈化率一般都在95%以上，終產(chǎn)物為無害的CO2和H2O （雜原子有機(jī)化合物還有其他燃燒產(chǎn)物），且由于燃燒溫度低，能大量減少NOX的生成，因此不會(huì)造成二次污染。
催化劑及催化燃燒動(dòng)力學(xué)
3.1 催化劑種類
燃燒型催化劑的種類比較多，按活性成分大體可分為貴金屬催化劑、過渡金屬氧化物催化劑和復(fù)氧化物催化劑3大類。
3.1.1 貴金屬催化劑
Pt、Pd、Ru等貴金屬對(duì)烴類及其衍生物的氧化都具有很高的催化活性，且使用壽命長、適用范圍廣、易于回收，因而是常用的廢氣燃燒催化劑。如我國早采用的Pt2Al2O3催化劑就屬于此類催化劑。但由于其資源稀少、價(jià)格昂貴、耐中毒性差，因此，人們一直在努力尋找替代品，盡量減少其用量。
3.1.2 過渡金屬氧化物催化劑
作為貴金屬催化劑的取代品，氧化性較強(qiáng)的過渡金屬氧化物對(duì)CH4等烴類和CO的氧化都具有較高的催化活性，同時(shí)成本較低，常見的有MnOx、CoOx和CuOx等催化劑。大連理工大學(xué)研制的含MnO2催化劑，在一定條件下能消CH3OH蒸汽，對(duì)C2H4O、C3H6O、C6H6 蒸汽的清除也很有效果。
3.1.3 復(fù)氧化物催化劑
一般認(rèn)為，復(fù)氧化物之間由于存在結(jié)構(gòu)或電子調(diào)變等相互作用，其催化活性比相應(yīng)的單一氧化物要高。復(fù)氧化物催化劑主要有以下兩大類。
工藝流程
根據(jù)廢氣的預(yù)熱方式及富集方式，催化燃燒工藝流程可分為 3 種。
(
1) 預(yù)熱式。預(yù)熱式是催化燃燒的基本流程形式。有機(jī)廢氣溫度在100℃以下、濃度也較低時(shí)，熱量不能自給，因此在進(jìn)入反應(yīng)器前需要在預(yù)熱室加熱升溫。通常采用煤氣或電加熱將廢氣升溫至催化反應(yīng)所需的起燃溫度；燃燒凈化后的氣體在熱交換器內(nèi)與未處理的廢氣進(jìn)行熱交換，以回收部分熱量。
(2) 自身熱平衡式。有機(jī)廢氣溫度高且有機(jī)物含量較高，通常只需要在催化燃燒反應(yīng)器中設(shè)置電加熱器供起燃時(shí)使用，通過熱交換器回收部分凈化氣體所產(chǎn)生的熱量，正常操作下能夠維持熱平衡，不需補(bǔ)充熱量。
(3) 吸附-催化燃燒。當(dāng)有機(jī)廢氣的流量大、濃度低、溫度低 , 采用催化燃燒需消耗大量燃料時(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，然后通過熱空氣吹掃，使有機(jī)廢氣脫附成為高濃度有機(jī)廢氣（可濃縮10倍以上）后再進(jìn)行催化燃燒。不需要補(bǔ)充熱源就可維持正常運(yùn)行。
有機(jī)廢氣催化燃燒工藝的選擇主要取決于：
燃燒過程的放熱量 , 即廢氣中可燃物的種類和濃度；
起燃溫度 , 即有機(jī)組分的性質(zhì)及催化劑活性；
熱回收率等。當(dāng)回收熱量超過預(yù)熱所需熱量時(shí)，可實(shí)現(xiàn)自身熱平衡，無需外界補(bǔ)充熱源，這是經(jīng)濟(jì)的。
催化燃燒過程的熱平衡/催化燃燒
催化燃燒是放熱反應(yīng)，放熱量的大小取決于有機(jī)物的種類及其含量。如能依靠廢氣燃燒的反應(yīng)熱維持催化燃燒過程持續(xù)進(jìn)行是經(jīng)濟(jì)的操作方法。而能否以自熱維持體系的正常反應(yīng)則取決于燃燒過程的放熱量、催化劑的起燃溫度、熱量回收率、廢氣的初始溫度等條件。
以含甲苯的廢氣凈化為例，設(shè)3種廢氣分別含甲苯8000mg/m3、4000mg/m、2000mg/m3,催化劑相應(yīng)的起燃溫度分別為200℃、250℃、300℃ , 廢氣的初始溫度分別為30℃、 150℃，熱交換器效率與需補(bǔ)充能量之間的關(guān)系。
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