催化燃烧装置的技术简介

催化燃烧技术是指在较低温度下，在催化剂的作用下使废气中的可燃组分***氧化分解，从而使气体得到净化处理的一种废气处理方法。催化燃烧废气处理是典型的气-固相催化反应,其实质是活性氧参与深度氧化作用。在催化燃烧过程中,催化剂的作用是降低反应的活化能,同时使反应物分子富集于催化剂表面,以提高反应速率。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,同时放出大量热量。

根据有机废气的预热方式及富集方式,催化燃烧工艺流程可分为3种：

1、预热式。

  预热式是催化燃烧的基本的流程形式，其基本原理见图1。有机废气温度在100℃以下、浓度也较低时，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。通常采用煤气或电加热将废气升温至催化反应所需的起燃温度；燃烧净化后的气体在热交换器内与未处理的废气进行热交换，以回收部分热量。

2、自身热平衡式。

  有机废气温度高且有机物含量较高，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，通过热交换器回收部分净化气体所产生的热量，正常操作下就能够维持热平衡，不需要补充热量，其流程见图2. 

3、吸附-催化燃烧。

  当有机废气的流量大、浓度低、温度低、采用催化燃烧需消耗大量的燃料时，可先采用吸附手段将有机废气吸附于吸附剂上并进行浓缩，然后通过热空气吹扫，使有机废气脱附成为高浓度有机废气（可浓缩10倍以上）后再进行催化燃烧。不需要补充热源就可以维持正常运行，其工艺流程见图3。

活中常见的排放源有建筑材料、装修材料、家具的黏合剂、厨房油烟以及机动车尾气排放等;工业方面常见的主要来源有化工和石化工业废气,电子行业的清洗剂、印刷工业、油漆与涂料的生产与使用,电厂锅炉尾气等工业过程排放的废气.大多数的VOCs有毒、有气味,一些VOCs还有致癌性,对人体健康产生***的危害;VOCs在阳光作用下还可以与大气中的氮氧化合物发生光化学反应,生成毒性更大的光化学烟雾[1].近年来VOCs已成为我国主要大气污染物之一,有关VOCs的危害事故逐年增多,因而VOCs的净化处理技术已成为环境催化领域的一个研究热点.

通常VOCs处理方法可分为两大类:一类是所谓非破坏性技术即回收法,一般通过改变***工艺过程中温度、压力等物理条件使VOCs富集分离,此类方法包括活性炭吸附法、溶液吸收法、冷凝法及膜分离等常见技术;一类是所谓破坏性技术,即通过化学或生物的技术使VOCs转化为二氧化碳、水以及氯化氢等***或毒性小的无机物,此类方法包括直接燃烧、催化燃烧、生物降解、等离子体氧化、光催化氧化法等常见技术.各种方法都因VOCs种类、浓度、排放方式等有各自的工艺特点,其处理VOCs的工艺条件和要求也具有不同应用范围和优缺点.譬如,冷凝工艺适用于高浓度、小风量的VOCs废气治理,对低浓度、大风量的VOCs废气处理存在投资大、运行成本***小的缺点[2];生物法对于VOCs 浓度和种类限制较多,大多研究仍属于实验室规模的实验研究,尚未应用于大规模的实际工程[3];吸附法对于低浓度的VOCs废气具有很好的处理效果,但可能导致将污染从气相转移到固相引起二次污染问题[4];直接燃烧法适合处理高浓度VOCs的废气,因其运行温度通常达到800-1200℃时,工艺能耗成本较高,且燃烧尾气中容易出现(dioxin)、NO x 等副产物;催化燃烧可以在远低于直接燃烧温度条件下处理低浓度的VOCs气体,具有净化效率高、无二次污染、能耗低的特点,是商业上处理VOCs应用的处理方法之一[5].因而,国内外研究者对催化燃烧催化剂进行了大量相关研究,相关问题是近年来环境催化领域的一个热点问题.20多年前Spivey[6]曾撰写了有关催化燃烧研究方面的非常好的评述,近来也有一些篇幅较短的英文评述[1,7],但很少见到较深入的中文评述.本文将结合作者实验室的研究成果,着重于对近五年来国内外催化燃烧的主要成果进行分析,并对催化剂活性组分、颗粒大小、载体的效应、水蒸汽的影响以及催化燃烧反应过程中积碳等主要问题的进展进行综述.

1催化燃烧催化剂活性组分

通常工业上的催化剂都是由活性成分、助剂和载体等组成,其中活性组分及其分布、颗粒大小、催化剂载体对催化效果和寿命有很大的影响.用于催化燃烧VOCs的催化剂的活性成分可分为贵金属、非贵金属氧化物,贵金属是低温催化燃烧常用的催化剂,其优点是具有较高的活性、良好的抗硫性,缺点是活性组分容易挥发和烧结,容易引起氯中毒、价格昂贵,资源短缺;非贵金属氧化物催化剂主要有钙钛矿型、尖晶石型以及复合氧化物催化剂等,价格相对较低,也表现出很好的催化性能,譬如,钙钛矿型催化剂高温热稳定性较好,尖晶石型催化剂具有优良的低温活性,但其不足之处在于催化活性相对较低,起燃温度较高.

下面将分别讨论催化燃烧催化剂活性组分、催化剂载体、水蒸汽的影响以及催化剂的积碳等主要问题的研究成果.

1.1贵金属催化剂

催化燃烧中常见的贵金属催化剂是负载型的Pd、Pt催化剂,如Pd/Al2O3[8]、Pd/ZrO2[9]、Pt/Al2O3[10]等.表1给出了一些代表性的负载型贵金属催化剂的研究结果

黎维彬等:催化燃烧去除VOCs 污染物的进展

在MCM -4上制备出Pt/PMCM -41(50)催化剂,该催化剂对***的催化燃烧表现出很好的催化活

性,三氯的起燃温度T 50%和T 90%分别为400℃和475℃.对于负载型贵金属催化剂,避免载体本身的烧结,获得高温热稳定载体,也是催化燃烧领域中一个重要的问题.

另一类研究在于催化剂助剂以及催化剂的还原预处理.[16]在Pt/Al 2O 3催化剂中加入少量碱性物质(K 、Na),发现可以中和酸活性位,降低催化反应中副产物的生成,加入钾元素(n (K)/n (Al)=0.1的催化剂)可以使Pt/Al 2O 3的完全转化温度由280℃降为220℃.Okal 等[17]报导了Ru/γ-Al 2O 3催化剂对丁烷的催化燃烧活性.结果表明,预处理中焙烧还原或氢气直接还原对于Ru 分布和催化剂活性具有很大影响;氯的存在会降低金属的分散度和丁烷的转化活性,除氯后的4.6%Ru/γ-Al 2O 3具有的催化燃烧活性.

另外,双组分贵金属催化剂的研究报道也引起了***关注.Hyoung 等[18]报道了向Pd/γ-Al 2O 3催化剂体系中添加不同量的Pt 对苯的催化燃烧活性和催化剂稳定性的影响.X 射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)测试表明,双金属形成的细小均一的颗粒以及颗粒的高度分散性可以增加催化剂的活性和稳定性,0.3%Pt -2%Pd/γ-Al 2O 3是活性和稳定性的催化剂.Kim 等[19]制备了Pt -Au/ZnO/Al 2O 3催化剂,通过X 射线衍射(XRD)、程序升温还原(TPR)、X 射线能谱仪(EDS)等研究发现,随着催化剂中Au 含量的增加,Pt -Au 双金属粒径不断增加;ZnO/Al 2O 3载体上Au 粒子大小主要分布在28-67nm 范围,Pt 粒子主要分布在1.7-2.8nm 范围;Pt -Au/ZnO/Al 2O 3催化剂对***的催化活性高于单独Pt 或Au 负载的活性,不同配比制备的催化剂活性也不相同.

1.2过渡金属氧化物催化剂

近年来,探索用过渡金属氧化物材料催化燃烧VOCs 的研究一直是环境催化领域的研究热点,其中Cu 、Mn 、Cr 、V 、Ce 、Zr 等金属氧化物对VOC 的催化燃烧都具有很好的活性,一些催化剂的活性甚至超过了贵金属催化剂.譬如,对于氯代VOCs,Cr 负载于Al 2O 3、TiO 2、分子筛等载体上的催化剂具有很高的催化燃烧的活性.Yim 等[20]曾报道了氧化铬负载在氧化铝或者氧化钛上对PCDDs(多氯)/PCDFs(多氯二苯并呋喃)具有非常好的催化燃烧活性.Chintawar 等[21]报道了Cr 交换的ZSM -5对吸附和氧化活性,在温度≥300℃时可获得>95%的TCE 转化率.然而,Cr 催化剂的活性均随反应的进行而逐步失活[22],因为Cr 很容易与Cl 作用形成挥发性的金属氯化物或者氯氧化物,如CrO 2Cl 2的沸点仅为117℃,导致反应过程中催化剂的活性物种容易流失,加之Cr 的毒性较大,也严重限制了Cr 的实际应用[23].因而,这里***对非铬的过渡金属氧化物进行一些总结与分析.表2给出了一些过渡金属催化剂用于催化燃烧VOCs 的研究成果[24-29].可见,两组分或多组分的过渡金属复合氧化物,相对于单一组分过渡金属氧化物催化材料,具有更高的活性组分分散度,表现出更高的催化剂活性和更好的稳定性.Hu 等[24]报道了Cu x Ce 1-x O y (x =0.06,0.13,0.23)对于催化燃烧活性,结果表明,催化活性与复合物组成比相关,在Cu/(Cu+Ce)摩尔比值较低时,CuO 和Cu 2+进入CeO 2晶格情况同时发生,Cu 0.13Ce 0.87O y 催化反应遵循Mars -van Krevelen 机理.袁书华等[25]以Ce 0.5Zr 0.5O 2为载体制备了Fe 、Co 、Cu 、Cr 和Mn 金属氧化物催化剂,测试各种催化剂对催化燃烧能力.结果发现,由于催化剂Mn/Al 2O 3-Ce 0.5Zr 0.5O 2(1∶2,质量

VOCs有机废气催化燃烧原理  

蓄热燃烧技术又称高温空气燃烧技术，全名称为：高温低氧空气燃烧技术（High Temperature and Low Oxygen Air Combustion-HTLOAC），也作HTAC（High Temperature Air Combustion）技术，也有称之为无焰燃烧技术(Flameless Combustion)。通常高温空气温度大于1000℃，而氧含量低到什么程度，没有人去划定，有些人说应在18%以下，也有说在13%以下的。 

     蓄热燃烧技术原理如图所示：当常温空气由换向阀切换进入蓄热室1后，在经过蓄热室(陶瓷球或蜂窝体等)时被加热，在极短时间内常温空气被加热到接近炉膛温度(一般比炉膛温度低50~100℃)，高温热空气进入炉膛后，抽引周围炉内的气体形成一股含氧量大大低于21％的稀薄贫氧高温气流，同时往稀薄高温空气附近注入燃料(燃油或燃气)，这样燃料在贫氧(2-20％)状态下实现燃烧；与此同时炉膛内燃烧后的烟气经过另一个蓄热室(见图中蓄热室2)排入大气，炉膛内高温热烟气通过蓄热体时将显热传递给蓄热体，然后以150~200℃的低温烟气经过换向阀排出。工作温度不高的换向阀以***的频率进行切换，使两个蓄热体处于蓄热与放热交替工作状态，常用的切换周期为30~200秒。 

    简单说，就是先将蓄热体加热后，再通入空气，并将空气加热到高温，送入炉内与烟气混合（为降低氧气含量，目的是降低氧化氮的含量）后，再与燃料混合燃烧。 

    要注意的是，蓄热燃烧，蓄热室***是成对的，其中一个用来加热空气，而另一个被烟气加热。经过一个周期后，加热空气的蓄热室降温，而被烟气加热的蓄热室却升高温度，这样，通过换向阀，使两个蓄热室作用交换，这时原来是排烟口的，现在变成了烧嘴，而原来是烧嘴的，现在变成了排烟口。 

     高温空气燃烧技术的主要特点是：(1)采用高温空气烟气余热回收装置，交替切换空气与烟气，使之流经蓄热体，能够在回收高温烟气的显热，即实现了极限余热回收；(2)将燃烧空气预热1000℃以上的温度水平，形成与传统火焰(诸如扩散火焰与预混火焰等)迥然不同的新型火焰类型，创造出炉内优良的均匀温度场分布；(3)通过组织贫氧状态下的燃烧，避免了通常情况下，高温热力氮氧化物NOx的大量生成。因此，这项技术在实际应用中，产生了显著的经济效益和社会效益。 

    其主要存在的问题是：（1）由于是项新技术，因此，加热炉、燃烧器等仍未适应其要求，尚存在设计与操作方面的理论问题。（2）高温带来的管道、设备更易损坏等。（3）蓄热体结块、寿命不长等。（4）炉内压力变化大，造成热量大量溢出，未能达到实际节能效果。（5）日常维护量、成本增加。等等。 

可见，通过十余年的实践，已不向原来那样热衷于蓄热燃烧技术了。目前，反对与支持之间的争论非常红火。

浓缩蓄热催化燃烧技术，是废气先通过预处理，去除绝大部分的粉尘和颗粒状物质和油膏等，然后将废气引入阻火器。再送入浓缩系统，将空气与废气分离，废气部 分进入下一步处理工序，空气部分进入排放口排放；废气进行蓄热系统，使废气达到起燃温度后进入催化室，在催化剂的作用下，进行催化燃烧。经***时间，以保证高净化率。经净化后的尾气再进入蓄热床进行热交换，将燃烧产生的大部分热量储存下来，然后由风机抽出高空排放。 

韩泰轮胎现在采用的浓缩蓄热催化燃烧设备进行废气治理，到目前为止是国内同行业中效果的处理密炼工艺废气的方法。经过有关部门监测，韩泰轮胎废气治理项目处理率已达90%。   

我不知道你是用户，目前轮胎厂的废气已经成为很多令厂家头痛的事情。  

    如果我没记错的话，轮胎生产大概要经过5个过程：硫化、成型、材料、压延、炼胶。臭气污染主要来源生胶炼胶与轮胎硫化两个阶段，其他阶段也会伴有***的橡胶、塑料异味，其成分主要为H2S、CS2、MCH（非甲烷总烃）及少量其他臭气成分。 

    很多轮胎厂家做的方式都是将废气直接高空外排，所以一般厂子周边3公里内，到处都是黑漆漆的橡胶黑粉，而且有比较强烈的橡胶烧焦的异味。  

    我08年接触的那个厂子，5个烟囱，每个风量有50多万，出口温度有90°，其中非甲烷总烃的量超级高。  

    不过那个企业还是选择了韩国的一个焚烧技术。 

    他们目前的工艺是：水洗+焚烧，水洗去掉粉尘及硫系物，然后将含量较多的有机成分的废气焚烧处理。