催化燃烧原理及催化剂

一、催化燃烧得基本原理

催化燃烧就是典型得气—固相催化反应,其实质就是活性氧参与得深度氧化作用。在催化燃烧过程中,催化剂得作用就是降低活化能,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，加快了反应得进行。借助催化剂可使有机废气在较低得起燃温度条件下,发生无焰燃烧，并氧化分解为CO2与H2O，同时放出大量热能,其反应过程为：

2 催化燃烧得特点及经济性

2、1催化燃烧得特点

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，能耗也小得显著特点.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 催化剂得主要性能指标

在空速较高,温度较低得条件下,有机废气得燃烧反应转化率接近100%，表明该催化剂得活性较高[9］。催化剂得活性分诱导活化、稳定、衰老失活3个阶段，有一定得使用限期，工业上实用催化剂得寿命一般在2年以上。使用期得长短与最佳活性结构得稳定性有关，而稳定性取决于耐热、抗毒得能力.对催化燃烧所用催化剂则要求具有较高得耐热与抗毒得性能。有机废气得催化燃烧一般不会在很严格得操作条件下进行,这就是由于废气得浓度、流量、成分等往往不稳定,因此要求催化剂具有较宽得操作条件适应性.催化燃烧工艺得操作空速较大,气流对催化剂得冲击力较强,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得机械强度与良好得抗热胀冷缩性能。

2、2 催化剂种类

目前催化剂得种类已相当多,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得氧化都具有很高得催化活性，且使用寿命长,适用范围广，易于回收,因而就是最常用得废气燃烧催化剂。如我国最早采用得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

作为取代贵金属催化剂，采用氧化性较强得过渡金属氧化物,对甲烷等烃类与一氧化碳亦具有较高得活性，同时降低了催化剂得成本,常见得有MnOx、C

ｏOx与CｕOｘ等催化剂.大连理工大学研制得含ＭｎＯ2催化剂,在130℃及空速130０0ｈ-１得条件下能消除甲醇蒸气,对乙醛、丙酮、苯蒸气得清除也很有效果.

2．2．３复氧化物催化剂

一般认为，复氧化物之间由于存在结构或电子调变等相互作用，活性比相应得单一氧化物要高。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一定条件下可以形成具有天然钙钛矿型得复合氧化物,通式为ABO3,其活性明显优于相应得单一氧化物。结构中一般Ａ为四面体型结构,B为八面体形结构,这样A与Ｂ形成交替立体结构,易于取代而产生品格缺陷，即催化活性中心位，表面晶格氧提供高活性得氧化中心,从而实现深度氧化反应。常见得有几类如：BaＣuO2、LaMnO3等。

（2)尖晶石型复氧化物

作为复氧化物重要得一种结构类型,以AB2Ｘ4表示、尖晶石亦具有优良得深度氧化催化活性，如对CＯ得催化燃烧起燃点落在低温区（约８０℃),对烃类亦在低温区可实现完全氧化、其中研究最为活跃得ＣｕＭｎ2O4尖晶石，对芳烃得活性尤为出色,如使甲苯完全燃烧只需２60℃,实现低温催化燃烧,具有特别实际意义。

3、3 催化剂负载方式

催化剂活性组分可通过下列方式沉积在载体上:（1）电沉积在缠绕或压制得金属载体上;(2)沉积在颗粒状陶瓷材料上；（3)沉积在蜂窝结构得陶瓷材料上。

金属载体催化剂一般就是将金属制成丝网或带状,然后将活性组分沉积在其上.金属载体催化剂得优点就是导热性能好、机械强度高，缺点就是比表面积较小。陶瓷载体结构有颗粒状及蜂窝状两大类,陶瓷材料通常为硅-铝氧化物。颗粒状载体得优点就是比表面积大，缺点就是压降大以及因载体间相互摩擦,造成活性组分磨耗损失。蜂窝载体就是比较理想得载体型式，具有很高得比表面，压力降较片粒柱状低,机械强度大，耐磨、耐热冲击。

2、4 催化剂失活与防治

2。４.1催化剂失活

催化剂在使用过程中随着时间得延长，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。使催化剂失活得物质包括快速与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，催化剂失活就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得速度要慢得多.(2)抑制催化反应。卤素与硫得化合物易与活性中心结合，但这种结合就是比较松弛、可逆得、暂时性得。当废气中得这类物质被去除后,催化剂活性可以恢复。（3）沉积覆盖活性中心。不饱与化合物得存在导致碳沉积,此外陶瓷粉尘、铁氧化合物及其她颗粒性物堵塞活性中心，从而影响催化剂得吸附与解吸能力,致使催化剂活性下降。

2。4.2催化剂失活得防治

针对催化剂活性得衰减,可以采取下列相应得措施：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；改进催化剂得制备工艺,提高催化剂得耐热性与抗毒能力。

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,碳氢化合物得氧化反应就是经过表面氧化还原作用循环实现得。这一机理就是由Mａrs—ＶaｎKrevelen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及氧得反应速度常数，

Ｃｉ、Coi—分别碳氢化合物物种i及氧得浓度,

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得反应级数位于0与1之间.

三、有机废气催化燃烧技术进展

有机废气就是石油化工、轻工、塑料、印刷、涂料等行业排放得常见污染物，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。传统得有机废气净化方法包括吸附法、冷凝法与直接燃烧法等,这些方法常有易产生二次污染、能耗大、易受有机废气浓度与温度限制等缺点。而新兴得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得烃类有机废气及恶臭气体，即它适用于浓度范围广、成分复杂得各种有机废气处理。对于有机化工、涂料、绝缘材料等行业