催化燃烧原理以及催化剂

一、催化焚烧的基来源理
催化焚烧是典型的气-固相催化反响，其本质是活性氧参加的深度氧化作用。

在催化焚烧过程中，催化剂的作用是降低活化能，同时催化剂表面拥有吸附作用，使反响物分子富
集于表面提升了反响速率，加速了反响的进行。

借助催化剂可使有
机废气在较低的起燃温
度条件下，发生无焰焚烧，并氧化分解为CO2和H2O，同时放出大
批热能，其反响过程为：
催化焚烧的特色及经济性
催化焚烧的特色
起燃温度低，节俭能源
有机废气催化焚烧与直接焚烧对比，拥有起燃温度低，能耗也小的
显着特色。

在某些状况下，达到起燃温度后便无需外界供热。

二、催化剂及焚烧动力学
催化剂的主要性能指标
在空速较高，温度较低的条件下，有机废气的焚烧反响转变率靠近100%，表示该催化剂的活性较高[9]。

催化剂的活性分引诱活化、稳固、衰老失活3个阶段，有必定的使用限时，工业上适用催化剂的寿命一般在2年以上。

使用期的长短与最正确活性构造的稳固性有关，而稳固性取决于耐热、抗毒的能力。

对催化焚烧所用催化剂则要求拥有较高的耐
热和抗毒的性能。

有机废气的催化焚烧一般不会在很严格的操作条件下进行，这是因为废气的
浓度、流量、成分等常常不稳固，所以要求催化剂拥有较宽的操作条件适应性。

催化焚烧
工艺的操作空速较大，气流对催化剂的冲击力较强，同时因为床层温度会起落，造成热胀
冷缩，易使催化剂载体破碎，因此催化剂要拥有较大的机械强度和优秀的抗热胀冷缩性能。

催化剂种类
当前催化剂的种类已相当多，按活性成分大概可分3类。

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拥有很高的催化活性，且使用寿命长，
合用范围广，易于回收，因此是最常用的废气焚烧催化剂。

如我国最早采纳的Pt-Al2O3
催化剂就属于此类催化剂。

但因为其资源稀罕，价钱昂贵，耐中毒性差，人们向来努力找寻代
替品或尽量减少其用量。

过渡金属氢化物催化剂
作为代替贵金属催化剂，采纳氧化性较强的过渡金属氧化物，对甲烷等烃类和一氧化
碳亦拥有较高的活性，同时降低了催化剂的成本，常有的有MnOx、CoOx和CuOx等催化剂。

大连理工大学研制的含MnO2催化剂，在130℃及空速13000h-1的条件下能除去甲醇蒸气，对
乙醛、丙酮、苯蒸气的除去也很有成效。

复氧化物催化剂
一般以为，复氧化物之间因为存在构造或电子调变等互相作用，活性比相应的单调氧化物
要高。

主要有以下两大类：
（1）钙钛矿型复氧化物
稀土与过渡金属氧化物在必定条件下能够形成拥有天然钙钛矿型的复合氧化物，通式
为ABO3，其活性显然优于相应的单调氧化物。

构造中一般A为四周体型构造，B为八面体
形构造，这样A和B形成交替立体构造，易于代替而产生品行缺点，即催化活性中心位，表面晶格氧供给高活性的氧化中心，进而实现深度氧化反响。

常有的有几类如：BaCuO2、LaMnO3等。

（2）尖晶石型复氧化物
作为复氧化物重要的一种构造种类，以AB2X4表示.尖晶石亦拥有优秀的深度氧化催化活性，如对CO的催化焚烧起燃点落在低温区（约80℃），对烃类亦在低温区可实现完整氧化.此
中研究最为活跃的CuMn2O4尖晶石，对芳烃的活性尤其优秀，如使甲苯完整焚烧只要260℃，
实现低温催化焚烧，拥有特别本质意义。

催化剂负载方式
催化剂活性组分可经过以下方式堆积在载体上：（1）电堆积在环绕或压制的金属载
体上；（2）堆积在颗粒状陶瓷资料上；（3）堆积在蜂窝构造的陶瓷资料上。

金属载体催化剂一般是将金属制成丝网或带状，而后将活性组分堆积在其上。

金属载
体催化剂的长处是导热性能好、机械强度高，弊端是比表面积较小。

陶瓷载体构造有
颗粒
状及蜂窝状两大类，陶瓷资料往常为硅-铝氧化物。

颗粒状载体的长处是比表面积大，弊端
是压降大以及因载体间互相摩擦，造成活性组分磨消耗失。

蜂窝载体是比较理想的载
体型
式，拥有很高的比表面，压力降较片粒柱状低，机械强度大，耐磨、耐热冲击。

催化剂失活与防治
催化剂失活
催化剂在使用过程中跟着时间的延伸，活性会渐渐降落，直至失活。

催化剂失活主要
有以下3种种类：（1）催化剂完整失活。

使催化剂失活的物质包含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。

往常状况下，催化剂
失活是因为毒物与活性组分化合或熔成合金。

关于快速作用毒物来说，即便只有微量，也
能使催化剂快速失活。

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）克制催化反响。

卤素和硫的化合物易与活性中心联合，但这种联合是比较废弛、
可逆
的、临时性的。

当废气中的这种物质被去除后，催化剂活性能够恢复。

（3）堆积覆
盖活性中心。

不饱和化合物的存在以致碳堆积，别的陶瓷粉尘、铁氧化合物及其余颗粒性
物拥塞
活性中心，进而影响催化剂的吸附与解吸能力，以致催化剂活性降落。

催化剂失活的防治
针对催化剂活性的衰减，能够采纳以下相应的举措：按操作规程，正确控制反响条件；当催化剂表面结碳时，经过吹入新鲜空气，提升焚烧温度，烧去表面结碳；将废气进行预
办理，以除掉毒物，防备催化剂中毒；改良催化剂的制备工艺，提升催化剂的耐热性和抗
毒能力。

焚烧动力学
当有机废气在金属氧化物催化剂上焚烧时，碳氢化合物的氧化反响是经过表面氧化复
原作用循环实现的。

这一机理是由Mars-VanKrevelen提出，反响机理以下：
式中，Ri—碳氢化合物物种i。

相应反响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及氧的反响速度常数，
Ci、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完整氧化所需氧摩尔数。

实验表示碳氢氧化反响速度对碳氢的反响级数位于 0和1之间。

三、有机废气催化焚烧技术进展
有机废气是石油化工、轻工、塑料、印刷、涂料等行业排放的常有污染物，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。

如对这些废气不加办理，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含吸附法、冷凝法和直接焚烧法等，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弊端。

而新兴的催化焚烧技术已由实验阶段走向工程实践，并渐渐应用于石油化工、农药、印刷、涂料、电线加工等行业。

合用范围广
催化焚烧几乎能够办理全部的烃类有机废气及恶臭气体，即它合用于浓度范围广、成分复杂的各样有机废气办理。

关于有机化工、涂料、绝缘资料等行业排放的低浓度、多成分，又没有回收价值的废气，采纳吸附-催化焚烧法的办理成效更好。

办理效率高，无二次污染
用催化焚烧法办理有机废气的净化率一般都在 95%以上，最后产物为无害的CO2
和H2O
（杂原子有机化合物还有其余焚烧产物），所以无二次污染问题。

别的，因为温度低，能大批减少NOX的生成。

催化焚烧的经济性
影响催化焚烧法经济效益的主要要素有：催化剂性能和成本；废气办理中的有机物浓度；热量回见效率；经营管理和操作水平。

催化焚烧固然不可以回收实用的产品，但能够回收利用催化焚烧的反响热，节俭能源，降低办理成本，在经济上是合理可行的。

四、催化焚烧工艺流程
依据废气预热方式及富集方式，催化焚烧工艺流程可分为3种。

预热式
预热式是催化焚烧的最基本流程形式。

有机废气温度在100℃以下，浓度也较低，热量不可以自给，所以在进入反响器前需要在预热室加热升温，焚烧净化后气体在热互换器内与
未办理废气进行热互换，以回收部分热量。

该工艺往常采纳煤气或电加热升温至催化反响所需的起燃温度。

自己热均衡式
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，
热互换器回收部分净化气体所产生的热量，在正常操作下能够保持热均衡，无需增补热量，往常只要要在催化焚烧反响器中设置电加热器供起燃时使用。

吸附-催化焚烧[16]
当有机废气的流量大、浓度低、温度低，采纳催化焚烧需耗大批燃料时，可先采纳吸
附手段将有机废气吸附于吸附剂长进行浓缩，而后经过热空气吹扫，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），再进行催化焚烧。

此时，不需要增补
热源，便可保持正常运行。

关于有机废气催化焚烧工艺的选择主要取决于：焚烧过程的放热量，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。

当回收热量超出预热所需热量时，可实现自己热均衡运行，无需外界增补热源，这是最经济的。

最后还要说的是任何一种设施都有其优弊端。

不行能一种设施包打天下的，各广大业订可依据自己不一样的状况进行选用。

有关废气办理设施的链接：
废气办理有机废气净化器等离子净化器等离子油烟净化器。