第三章 有害氣體燃燒凈化法3-催化燃燒等

第三節(jié)催化燃燒有機(jī)廢氣是石油化工、輕工、塑料、印刷、涂料等行業(yè)排放的常見污染物，有機(jī)廢氣中常含有烴類化合物（芳烴等）、含氧有機(jī)化合物（醇、有機(jī)酸等）、含氮、硫、鹵素及含磷有機(jī)化合物等。廢氣不加處理直接排入大氣將會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，危害人體健康。傳統(tǒng)廢氣凈化方法：吸附法、冷凝法和直接燃燒法等。

傳統(tǒng)方法缺點(diǎn)：常有易產(chǎn)生二次污染、能耗大、易受有機(jī)廢氣濃度和溫度限制等缺點(diǎn)。催化燃燒技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：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，并逐漸應(yīng)用于石油化工、農(nóng)藥、印刷、涂料、電線加工等行業(yè)。一催化燃燒的基本知識(shí)1催化燃燒的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)是活性氧參與的深度氧化作用。在催化燃燒過程中，催化劑降低活化能，同時(shí)催化劑表面具有吸附作用，使反應(yīng)物分子富集于表面提高了反應(yīng)速率，加快了反應(yīng)的進(jìn)行。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)放出大量熱能，其反應(yīng)過程為：2催化燃燒的特點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)性1）催化燃燒的特點(diǎn)（1）起燃溫度低，節(jié)省能源由表1可見，有機(jī)廢氣催化燃燒與直接燃燒相比，具有起燃溫度低，能耗也小的顯著特點(diǎn)。在某些情況下，達(dá)到起燃溫度后便無需外界供熱。項(xiàng)目起燃溫度(℃)燃燒溫度(℃)燃燒方式（NOX）產(chǎn)量催化燃燒200～400300～500催化劑表面無焰燃燒幾乎沒有熱力燃燒600～900600～800高溫火焰中停留產(chǎn)生一定量表1催化燃燒與熱力燃燒的比較（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，即它適用于濃度范圍廣、成分復(fù)雜的各種有機(jī)廢氣處理。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，又沒有回收價(jià)值的廢氣，采用吸附-催化燃燒法的處理效果更好。（3）處理效率高，無二次污染用催化燃燒法處理有機(jī)廢氣的凈化率一般都在95%以上，最終產(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），因此無二次污染問題。此外，由于溫度低，能大量減少NOX的生成2）催化燃燒的經(jīng)濟(jì)性影響催化燃燒法經(jīng)濟(jì)效益的主要因素有：催化劑性能和成本；廢氣中的有機(jī)物濃度；熱量回收效率；經(jīng)營(yíng)管理和操作水平。催化燃燒雖然不能回收有用的產(chǎn)品，但可以回收利用催化燃燒的反應(yīng)熱，節(jié)省能源，降低處理成本，在經(jīng)濟(jì)上是合理可行的。3催化劑1）催化劑的主要性能指標(biāo)在空速較高，溫度較低的條件下，有機(jī)廢氣的燃燒反應(yīng)轉(zhuǎn)化率接近100%，表明該催化劑的活性較高催化劑的活性分誘導(dǎo)活化、穩(wěn)定、衰老失活3個(gè)階段，有一定的使用限期，工業(yè)上實(shí)用催化劑的壽命一般在2年以上。環(huán)保催化劑一般要求：極高的凈化效率處理量大耐沖刷壓降低抗毒能力強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性高、選擇性好高強(qiáng)度、高穩(wěn)定性凈化設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單投資低不產(chǎn)生二次污染。2）催化劑種類目前催化劑的種類已相當(dāng)多，按活性成分大體可分3類。（1）貴金屬催化劑鉑、鈀、釕等貴金屬對(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(zhǎng)，適用范圍廣，易于回收，因而是最常用的廢氣燃燒催化劑如我國最早采用的Pt-Al2O3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，人們一直努力尋找替代品（2）過渡金屬氧化物催化劑作為取代貴金屬催化劑，采用氧化性較強(qiáng)的過渡金屬氧化物，對(duì)甲烷等烴類和一氧化碳亦具有較高的活性，同時(shí)降低了催化劑的成本，常見的有MnOx、CuOx和CuOx等催化劑。大連理工大學(xué)研制的含MnO2催化劑，在130℃及空速13000h-1的條件下能消除甲醇蒸氣，對(duì)乙醛、丙酮、苯蒸氣的清除也很有效果。（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，活性比相應(yīng)的單一氧化物要高。主要有以下兩大類：I鈣鈦礦型復(fù)氧化物稀土與過渡金屬氧化物在一定條件下可以形成具有天然鈣鈦礦型的復(fù)合氧化物，通式為ABO3，其活性明顯優(yōu)于相應(yīng)的單一氧化物。常見的有幾類如：BaCuO2、LaMnO3等。II尖晶石型復(fù)氧化物作為復(fù)氧化物重要的一種結(jié)構(gòu)類型，以AB2X4表示.尖晶石亦具有優(yōu)良的深度氧化催化活性，如對(duì)CO的催化燃燒起燃點(diǎn)落在低溫區(qū)（約80℃），對(duì)烴類亦在低溫區(qū)可實(shí)現(xiàn)完全氧化.其中研究最為活躍的CuMn2O4尖晶石，對(duì)芳烴的活性尤為出色，如使甲苯完全燃燒只需260℃，實(shí)現(xiàn)低溫催化燃燒，具有特別實(shí)際意義。3）催化劑負(fù)載方式催化劑活性組分可通過下列方式沉積在載體上：(1)電沉積在纏繞或壓制的金屬載體上；(2)沉積在顆粒狀陶瓷材料上；(3)沉積在蜂窩結(jié)構(gòu)的陶瓷材料上。金屬載體催化劑的優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：是導(dǎo)熱性能好、機(jī)械強(qiáng)度高

缺點(diǎn)：是比表面積較小。陶瓷載體結(jié)構(gòu)有顆粒狀及蜂窩狀兩大類，陶瓷材料通常為硅-鋁氧化物。顆粒狀載體的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：是比表面積大缺點(diǎn)：是壓降大以及因載體間相互摩擦，造成活性組分磨耗損失。蜂窩載體是比較理想的載體型式，優(yōu)點(diǎn)：具有很高的比表面，壓力降較片粒柱狀低，機(jī)械強(qiáng)度大，耐磨、耐熱沖擊。4）催化劑失活與防治（1）催化劑失活催化劑在使用過程中隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，活性會(huì)逐漸下降，直至失活。催化劑失活主要有3種類型：A催化劑完全失活

使催化劑失活的物質(zhì)包括快速和慢速作用毒物兩大類?？焖僮饔枚疚镏饕辛?、砷等，慢速作用毒物有鉛、鋅等。通常情況下，催化劑失活是由于毒物與活性組分化合或熔成合金。B抑制催化反應(yīng)。

鹵素和硫的化合物易與活性中心結(jié)合，但這種結(jié)合是比較松弛、可逆的、暫時(shí)性的。當(dāng)廢氣中的這類物質(zhì)被去除后，催化劑活性可以恢復(fù)。C沉積覆蓋活性中心。

不飽和化合物的存在導(dǎo)致碳沉積，此外陶瓷粉塵、鐵氧化合物及其他顆粒性物堵塞活性中心，從而影響催化劑的吸附與解吸能力，致使催化劑活性下降。**催化劑相關(guān)的幾個(gè)概念中毒：使用過程中，由于體系中存在少量雜質(zhì)，可使催化劑的活性和選擇性減小或者消失的現(xiàn)象。中毒的含義——不單單對(duì)催化劑，還有這個(gè)催化劑所催化的反應(yīng)中毒分類：暫時(shí)性、永久性老化：熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性所致，如低熔點(diǎn)組分的流失和升華，會(huì)大大降低催化劑的活性。（2）催化劑失活的防治針對(duì)催化劑活性的衰減，可以采取下列相應(yīng)的措施：A按操作規(guī)程，正確控制反應(yīng)條件；B當(dāng)催化劑表面結(jié)碳時(shí)，通過吹入新鮮空氣，提高燃燒溫度，燒去表面結(jié)碳；C將廢氣進(jìn)行預(yù)處理，以除去毒物，防止催化劑中毒；D改進(jìn)催化劑的制備工藝，提高催化劑的耐熱性和抗毒能力。二催化燃燒裝置及其工藝流程（一）催化燃燒裝置及流程根據(jù)廢氣預(yù)熱方式及富集方式，催化燃燒工藝流程可分