應(yīng)用催化燃燒技術(shù)凈化有機廢氣

 
敘述了有機廢氣催化燃燒技術(shù)的實質(zhì)、特點、應(yīng)用范圍、工藝流程，分析了催化劑組成、中毒原因、防中毒機制和預(yù)處理目的，結(jié)合實際應(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。
有機廢氣通常含有揮發(fā)性有機物（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)性有機化合物。2013年國家環(huán)保部發(fā)布的 《揮發(fā)性有機物（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，基本實現(xiàn)VOCs從原料到產(chǎn)品、從生產(chǎn)到消費的全過程減排。有機廢氣末端治理工藝中，催化燃燒技術(shù)適于處理大流量、低濃度有機廢氣，符合當今社會倡導(dǎo)的高效低耗、節(jié)能環(huán)保的理念。

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 催化燃燒法應(yīng)用特點
催化燃燒技術(shù)（AOGC）是典型的氣—固相催化反應(yīng)，其實質(zhì)是由活性氧參與的有機物質(zhì)深度氧化。這種有機物質(zhì)氧化是發(fā)生在固體催化劑表面，吸附作用使有機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。
（1）無火焰燃燒，安全性好，凈化率大于95%。
（2）對可燃組分濃度和熱值限制較小，起燃溫度低，能耗少，運轉(zhuǎn)費用低。
（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，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)形成氮氣（N 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)雜的各種有機廢氣，適用范圍廣。對于有機化工、涂料、絕緣材料等行業(yè)排放的低濃度、多組分，沒有回收價值的有機廢氣均有較好處理效果。
缺點是工藝條件要求嚴格，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)須對有機廢氣進行前處理。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。
 
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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是低溫催化燃燒常用的催化劑，其優(yōu)點是具有較高的催化活性、良好的抗毒性，缺點是活性組分容易揮發(fā)和燒結(jié)，其次是價格昂貴；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，價格相對較低，耐高溫?zé)岱€(wěn)定性較好，不足之處是催化活性相對較低，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)程精準地控制反應(yīng)條件；對廢氣進行預(yù)處理，防止催化劑中毒；當催化劑表面結(jié)碳時，吹入過量空氣并提高燃燒溫度，去除表面結(jié)碳；改進催化劑制備工藝，提高催化劑耐熱性和抗毒能力。
 
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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
當有機廢氣溫度和濃度較低，在進入反應(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)與未處理廢氣進行熱交換，以回收部分熱量。
3.2 自身熱平衡式
當有機廢氣溫度高于起燃溫度并且有機物含量較高，熱交換器回收部分熱量，在正常操作下能夠維持熱平衡，不需補充熱量。
3.3 吸附-催化燃燒
當有機廢氣氣體流量大、濃度低、溫度低，采用催化燃燒還需耗大量燃料時，可先采用吸附手段將有機廢氣吸附于吸附劑上進行濃縮，然后再經(jīng)熱空氣吹掃，使有機廢氣脫附出來，變成濃縮的高濃度有機廢氣，再進行催化燃燒。有機廢氣中反應(yīng)物先向催化劑表面擴散、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)；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)擴散。當濃縮有機廢氣實現(xiàn)自身熱平衡運轉(zhuǎn)時，無需外界補充熱源。
 
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有機廢氣催化燃燒技術(shù)進展
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，可實現(xiàn)汽車發(fā)動機節(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)，生成無害的氮氣。
4.3 催化燃燒在處理工業(yè)有機廢氣方面的應(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揮發(fā)化合物的使用和排放。這些揮發(fā)性有機物（VOCs）如不經(jīng)處理直排大氣，會對環(huán)境造成嚴重的污染。催化燃燒凈化處理技術(shù)，將有機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)已由試驗轉(zhuǎn)入工程實踐階段，并逐漸應(yīng)用于石油化工、農(nóng)藥、印刷、涂料等行業(yè)有機廢氣凈化處理。
 
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結(jié)語
催化燃燒技術(shù)研究與應(yīng)用已經(jīng)進入快速發(fā)展的階段，涉及催化材料制備、實用反應(yīng)工藝以及污染物性能分析等多方面。所以結(jié)合實際應(yīng)用中工藝條件和反應(yīng)機理的研究，提高催化劑性能，研制抗毒能力強、大轉(zhuǎn)速、比表面積大及低起燃點的非貴金屬催化劑，以降低工藝造價和運行費用；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。