气态污染物催化净化起燃特性的模型建立与分析

气态污染物催化净化起燃特性的模型建立与分析摘要:为了研究催化剂催化燃烧处理气态污染物在实际使用中的工作性能,本文建立了用于模拟废气(CO、C3H6)催化剂的转化率、温度特性的数学模型,并考察了不同空速的情况下催化剂催化效率的变化规律。

关键词:气态污染物催化剂模拟

气态污染物主要有碳氧化物、硫氧化物、氮氧化物和碳氢化合物等,它们是比烟尘飘移性更强,毒性更大的污染物质,例如碳氢不仅污染环境,而且还可能诱发光化学烟雾形成二次污染。目前在处理各种有毒有害气体中,催化燃烧是一种行之有效的措施[1～2]。催化剂在催化净化气态污染物时,起燃温度是重要的评价因子;针对目前国内催化净化气态污染物处在对催化剂整体性能研究上[3],本文提出一种数学模型对催化剂催化过程中的起燃特性进行了相关的实验研究。提出贵金属催化剂催化燃烧技术,通过CO、C3H6在催化过程中的转化率来考察催化剂的活性、起燃特性[4～5]等。

1 催化燃烧的特点

催化燃烧就是把废气预热到起燃温度时在催化剂的作用下,进行氧化分解反应。整套净化装置的核心是催化剂,它的好坏直接影响着净化效果。本实验使用贵金属催化剂,起燃温度比较低,从而在较低的温度条件下CO、C3H6都具有了较高的转化率。

本实验催化燃烧的流程图:如图1。

2 催化剂温度特性的理论分析

催化剂温度特性以催化转化率与入口气流温度之间的关系来表示。当入口温度达到一定温度时,催化剂才能起作用,随着温度的增加,转化率逐渐上升,温度高于某数值后,转换率趋于稳定不再上升。通常将转化率达到50%时所对应的温度称为起燃温度Ｔ50％,以此温度来表示催化剂正常工作所需温度的高低。

在本实验中,针对模拟废气进行了相关的实验。催化剂在催化每一类气体时,都有相应的催化温度特性,由于催化剂温度特性曲线与数学中的sigmoid曲线类似,sigmoid曲线的表达式如下:

式中::实际催化转化率,:催化反应器入口温度,:催化剂起燃点的温度,d:催化过程中温度变化,:未起燃时的催化转化率,:催化剂所能达到的最高转化率,我们利用该模型对试验数据进行了模拟。

3 实验部分

3.1 实验方法与装置

本文采用的贵金属催化剂是以金属为载体,负载的活性组分主要有Pt、Pd、Rh等;催化剂的直径为45mm,长为50mm。CO进出口的浓度用Quintox flue gas analyzer测定,C3H6的进出口浓度由multi-gaspro测定。

3.2 CO、C3H6催化燃烧的温度特性分析（如图2、图3）

CO、C3H6在催化燃烧过程中发生如下反应:

从图1、2可以看出随着催化剂入口温度的提高,其催化活性是逐步地提高,转化率相应增加;但当温度高于270℃时,催化率趋于稳定不再上升(见图2、3),这种现象是符合S曲线的,模拟结果表明相关系数都在99％以上(见图1、2)。

根据式(1)对试验结果进行模拟,得出当催化剂空速为1.52×105h-1情况下的相关参数:(如图1、图2）

表中T20％、T50％、T80％分别表示催化剂对相应气体的转化率达到20％、50％、80％时的最低温度。从图1、2中可以看出催化剂在较低的温度下对CO、C3H6具有很高的催化效率,说明该催化剂低温活性高。另外CO、C3H6的浓度较低时,混合气中的氧气含量高,在富氧的情况下有利于CO、C3H6的催化氧化反应,两者的催化转化率接近100％;但随着混合气体中CO、C3H6浓度的提升,催化效率相对有所降低,这是由于在催化氧化过程中,控速因子主要是反应物的表面吸附以及生成产物脱附过程,浓度提升造成了吸附和脱附的滞后,从而

引起了起燃温度T50％的提高。

3.3 空速对催化效率的影响（如图4）

空速反映了反应气体在催化反应装置中的停留时间。空速越高,反应气体在催化剂中停留的时间越短,会使转化率降低;但同时由于气体湍流流度的增加,有利于反应气体向催化剂表面的扩散及产物的脱附。在该实验中气体流速不高,气体湍流流度影响不大,本论文考察了空速分别为2.53×104h－1、1.52×105h－1的催化剂对气体的转化效率的变化。

从图4、5中可以明显地看出,当空速为2.52×104h－1时催化剂对

CO、C3H6的催化转化率要显然高于空速为1.52×105h－1,说明当催化剂空速低时,CO、C3H6在催化反应装置中的停留时间长,净化率较高。

4 讨论

本文讨论了催化剂入口温度、空速以及反应物浓度对催化剂转化率的影响。

(1)实验结果表明随着催化反应装置入口温度的升高,催化转化效率与温度之间的对应关系符合S曲线;与sigmoid函数模拟之间具有较好的相关性

(2)催化剂空速发生变化时,低空速表现为较好的催化转化效果。

(3)另外还发生反应物的浓度对催化效率也有较大的影响,体现为混合废气中的含氧量的变化;当氧气含量高时,有利于提高CO、C3H6的催化转化率,反之易然。

(4)本文缺乏催化剂老化后的催化转化效率研究,拟在以后的实验中加强这方面的研究,并验证在催化剂老化后催化剂的温度特性与S 曲线之间的符合程度。

参考文献

[1]何小龙.催化燃烧在控制废气污染排放方面应用进展.广东化工.2000(5):6～7.