催化燃烧原理及催化剂

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催化燃烧原理及催化剂
一、 催化燃烧的基本原理
催化燃烧是典型的气-固相催化反应,其实质是活性氧参与的深度氧化作用。
在催化燃烧过程中,催化剂的作用是降低活化能,同时催化剂表面具有吸附作
用,使反应物分子富集于表面提高了反应速率,加快了反应的进行。借助催化
剂可使有机废气在较低的起燃温度条件下,发生无焰燃烧,并氧化分解为CO2
和H2O,同时放出大量热能,其反应过程为:
2 催化燃烧的特点及经济性
2.1 催化燃烧的特点
2.1.1起燃温度低,节省能源
有机废气催化燃烧与直接燃烧相比,具有起燃温度低,能耗也小的显著特点。
在某些情况下,达到起燃温度后便无需外界供热。
二、 催化剂及燃烧动力学

2.1 催化剂的主要性能指标
在空速较高,温度较低的条件下,有机废气的燃烧反应转化率接近100%,
表明该催化剂的活性较高[9]。催化剂的活性分诱导活化、稳定、衰老失活3个
阶段,有一定的使用限期,工业上实用催化剂的寿命一般在2年以上。使用期
的长短与最佳活性结构的稳定性有关,而稳定性取决于耐热、抗毒的能力。对
催化燃烧所用催化剂则要求具有较高的耐热和抗毒的性能。有机废气的催化燃
烧一般不会在很严格的操作条件下进行,这是由于废气的浓度、流量、成分等
往往不稳定,因此要求催化剂具有较宽的操作条件适应性。催化燃烧工艺的操
作空速较大,气流对催化剂的冲击力较强,同时由于床层温度会升降,造成热
胀冷缩,易使催化剂载体破裂,因而催化剂要具有较大的机械强度和良好的抗
热胀冷缩性能。
2.2 催化剂种类
目前催化剂的种类已相当多,按活性成分大体可分3类。
2.2.1贵金属催化剂
铂、钯、钌等贵金属对烃类及其衍生物的氧化都具有很高的催化活性,且
使用寿命长,适用范围广,易于回收,因而是最常用的废气燃烧催化剂。如我
国最早采用的Pt-Al2O3催化剂就属于此类催化剂。但由于其资源稀少,价格昂
贵,耐中毒性差,人们一直努力寻找替代品或尽量减少其用量。
2.2.2过渡金属氢化物催化剂
催化剂在使用过程中随着时间的延长,活性会逐渐下降,直至失活。催化
剂失活主要有以下3种类型:(1)催化剂完全失活。使催化剂失活的物质包括
快速和慢速作用毒物两大类。快速作用毒物主要有磷、砷等,慢速作用毒物有
铅、锌等。通常情况下,催化剂失活是由于毒物与活性组分化合或熔成合金。
对于快速作用毒物来说,即使只有微量,也能使催化剂迅速失活。在500℃以下
时,慢性作用毒物使活性物质合金化的速度要慢得多。(2)抑制催化反应。卤
素和硫的化合物易与活性中心结合,但这种结合是比较松弛、可逆的、暂时性
的。当废气中的这类物质被去除后,催化剂活性可以恢复。(3)沉积覆盖活性
中心。不饱和化合物的存在导致碳沉积,此外陶瓷粉尘、铁氧化合物及其他颗
粒性物堵塞活性中心,从而影响催化剂的吸附与解吸能力,致使催化剂活性下
降。
2.4.2催化剂失活的防治
针对催化剂活性的衰减,可以采取下列相应的措施:按操作规程,正确控
制反应条件;当催化剂表面结碳时,通过吹入新鲜空气,提高燃烧温度,烧去
表面结碳;将废气进行预处理,以除去毒物,防止催化剂中毒;改进催化剂的
制备工艺,提高催化剂的耐热性和抗毒能力。
2.5 燃烧动力学
当有机废气在金属氧化物催化剂上燃烧时,碳氢化合物的氧化反应是经过
表面氧化还原作用循环实现的。这一机理是由Mars-Van Krevelen提出,反应
机理如下:
式中,Ri—碳氢化合物物种i。相应反应动力学模型方程式可表达为:
式中,ki、koi—分别碳氢化合物物种i及氧的反应速度常数,
C i、Coi—分别碳氢化合物物种i及氧的浓度,
Vi—每摩尔碳氢化合物物种i完全氧化所需氧摩尔数。
实验表明碳氢氧化反应速度对碳氢的反应级数位于0和1之间。
三、有机废气催化燃烧技术进展

有机废气是石油化工、轻工、塑料、印刷、涂料等行业排放的常见污染物,
有机废气中常含有烃类化合物(芳烃、烷烃、烯烃)、含氧有机化合物(醇、
酮、有机酸等)、含氮、硫、卤素及含磷有机化合物等。如对这些废气不加处
理,直接排入大气将会对环境造成严重污染,危害人体健康。传统的有机废气
净化方法包括吸附法、冷凝法和直接燃烧法等,这些方法常有易产生二次污染、
能耗大、易受有机废气浓度和温度限制等缺点。而新兴的催化燃烧技术已由实
验阶段走向工程实践,并逐渐应用于石油化工、农药、印刷、涂料、电线加工
等行业。
3.1.2适用范围广
催化燃烧几乎可以处理所有的烃类有机废气及恶臭气体,即它适用于浓度
范围广、成分复杂的各种有机废气处理。对于有机化工、涂料、绝缘材料等行
业排放的低浓度、多成分,又没有回收价值的废气,采用吸附-催化燃烧法的处
理效果更好。
3.1.3处理效率高,无二次污染
用催化燃烧法处理有机废气的净化率一般都在95%以上,最终产物为无害
的CO2和H2O(杂原子有机化合物还有其他燃烧产物),因此无二次污染问题。
此外,由于温度低,能大量减少NOX的生成。
3.2 催化燃烧的经济性
影响催化燃烧法经济效益的主要因素有:催化剂性能和成本;废气处理中
的有机物浓度;热量回收效率;经营管理和操作水平。催化燃烧虽然不能回收
有用的产品,但可以回收利用催化燃烧的反应热,节省能源,降低处理成本,
在经济上是合理可行的。
四、 催化燃烧工艺流程

根据废气预热方式及富集方式,催化燃烧工艺流程可分为3种。
4.1 预热式
预热式是催化燃烧的最基本流程形式。有机废气温度在100℃以下,浓度也
较低,热量不能自给,因此在进入反应器前需要在预热室加热升温,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。该工艺通常
采用煤气或电加热升温至催化反应所需的起燃温度。
4.2 自身热平衡式
当有机废气排出时温度较高(在300℃左右),高于起燃温度,且有机物含
量较高,热交换器回收部分净化气体所产生的热量,在正常操作下能够维持热
平衡,无需补充热量,通常只需要在催化燃烧反应器中设置电加热器供起燃时
使用。
4.3 吸附-催化燃烧[16]
当有机废气的流量大、浓度低、温度低,采用催化燃烧需耗大量燃料时,
可先采用吸附手段将有机废气吸附于吸附剂上进行浓缩,然后通过热空气吹扫,
使有机废气脱附出来成为浓缩了的高浓度有机废气(可浓缩10倍以上),再进
行催化燃烧。此时,不需要补充热源,就可维持正常运行。
对于有机废气催化燃烧工艺的选择主要取决于:燃烧过程的放热量,即废
气中可燃物的种类和浓度;起燃温度,即有机组分的性质及催化剂活性;热回
收率等。当回收热量超过预热所需热量时,可实现自身热平衡运转,无需外界
补充热源,这是最经济的。
最后还要说的是任何一种设备都有其优缺点。不可能一种设备包打天下的,各
广大业订可根据自己不同的情况进行选取。
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