應用催化燃燒技術凈化有機廢氣

 
敘述了有機廢氣催化燃燒技術的實質、特點、應用范圍、工藝流程，分析了催化劑組成、中毒原因、防中毒機制和預處理目的，結合實際應用中的工藝條件探討催化燃燒技術存在的問題和今后的研發方向。
有機廢氣通常含有揮發性有機物（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》 強調在未來幾年要減少189種有毒化學品90%的排放，其中70%的化學品是揮發性有機化合物。2013年國家環保部發布的 《揮發性有機物（VOCs）污染防治技術政策》 中指出：VOCs污染防治應遵循源頭和過程控制與末端治理相結合的綜合防治原則。要求到2020年，基本實現VOCs從原料到產品、從生產到消費的全過程減排。有機廢氣末端治理工藝中，催化燃燒技術適于處理大流量、低濃度有機廢氣，符合當今社會倡導的高效低耗、節能環保的理念。

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 催化燃燒法應用特點
催化燃燒技術（AOGC）是典型的氣—固相催化反應，其實質是由活性氧參與的有機物質深度氧化。這種有機物質氧化是發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速率，借助催化劑降低了反應的活化能，使其在較低的起燃溫度下進行無焰燃燒，產生CO 2、N 2 和H 2 O，并放出大量的熱量。催化燃燒與傳統的火焰燃燒相比主要有下列優點。
（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，運轉費用低。
（3）適應氧濃度范圍大，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，催化反應的活性組分負載在較大比表面積的載體上，在催化反應中，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狀態，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和燒結，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合氧化物催化劑，價格相對較低，耐高溫熱穩定性較好，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合力很強的物質，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。
鹵素和硫的化合物易與活性中心結合，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：按操作規程精準地控制反應條件；對廢氣進行預處理，防止催化劑中毒；當催化劑表面結碳時，吹入過量空氣并提高燃燒溫度，去除表面結碳；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
根據廢氣預熱方式及富集方式，催化燃燒工藝流程可分為預熱式、自然熱平衡和吸附-催化燃燒三種。
3.1 預熱式
當有機廢氣溫度和濃度較低，在進入反應器前需要在預熱室加熱升溫，燃燒凈化后氣體在熱交換器內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。有機廢氣中反應物先向催化劑表面擴散、吸附；被吸附的反應物與氧氣在催化劑表面化學鍵重新組合－發生化學反應；后，生成物由催化劑表面脫附，離開催化劑表面向周圍介質擴散。當濃縮有機廢氣實現自身熱平衡運轉時，無需外界補充熱源。
 
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有機廢氣催化燃燒技術進展
4.1 催化燃燒在汽車尾氣凈化方面的應用
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化器，發生催化反應轉化為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展，可實現汽車發動機節約燃油25%。隨著新材料的應用以及低硫含量汽油的推廣，催化燃燒技術市場前景廣闊。
4.2 催化燃燒在處理二噁英氣體方面的應用
催化燃燒技術用于處理二噁英氣體，在240℃-260℃和8000r?h －1 的轉速下，二噁英的去除率達到99%，二噁英濃度可降至0.1ng/m 3 以下。廢氣中多氯聯苯并呋喃等二噁英前驅物質基本完全分解，氮氧化物發生選擇性催化還原反應，生成無害的氮氣。
4.3 催化燃燒在處理工業有機廢氣方面的應用
石油化工、油漆、涂料、輪胎制造等工業生產過程中都涉及到有機揮發化合物的使用和排放。這些揮發性有機物（VOCs）如不經處理直排大氣，會對環境造成嚴重的污染。催化燃燒凈化處理技術，將有機物分子在催化劑表面作用發生深度氧化轉化為無害的二氧化碳和水。催化燃燒技術已由試驗轉入工程實踐階段，并逐漸應用于石油化工、農藥、印刷、涂料等行業有機廢氣凈化處理。
 
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結語
催化燃燒技術研究與應用已經進入快速發展的階段，涉及催化材料制備、實用反應工藝以及污染物性能分析等多方面。所以結合實際應用中工藝條件和反應機理的研究，提高催化劑性能，研制抗毒能力強、大轉速、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、整體型和節能型方向發展是應用領域將來研究的重點。