废气处理催化燃烧法

废气处理催化燃烧法

一、催化原理及装置组成

1、催化剂定义催化剂是一种能提高化学反应速率，控制反应方向，在反应前后本身的化学性质不发生改变的物质。

2、催化作用机理催化作用的机理是一个很复杂的问题，这里仅做简介。在一个化学反应过程中，催化剂的加入并不能改变原有的化学平衡，所改变的仅是化学反应的速度，而在反应前后，催化剂本身的性质并不发生变化。那么，催化剂是怎样加速了反应速度呢了既然反应前后催化剂不发生变化，那么催化剂到底参加了反应没有?实际上，催化剂本身参加了反应，正是由于它的参加，使反应改变了原有的途径，使反应的活化能降低，从而加速了反应速度。例如反应A+B→C是通过中间活性结合物(AB)过渡而成的，即：A+B→[AB]→C其反应速度较慢。当加入催化剂K后，反应从一条很容易进行的途径实现：A+B+2K→[AK]+[BK]→[CK]+K→C+2K中间不再需要[AB]向C的过渡，从而加快了反应速度，而催化剂并未改变性质。

3、催化燃烧的工艺组成不同的排放场合和不同的废气，有不同的工艺流程。但不论采取哪种工艺流程，都由如下工艺单元组成。

①废气预处理为了避免催化剂床层的堵塞和催化剂中毒，废气在进入床层之前必须进行预处理，以除去废气中的粉尘、液滴及催化剂的毒物。

②预热装置预热装置包括废气预热装置和催化剂燃烧器预热装置。因为催化剂都有一个催化活性温度，对催化燃烧来说称催化剂起燃温度，必须使废气和床层的温度达到起燃温度才能进行催化燃烧，因此，必须设置预热装置。但对于排出的废气本身温度就较高的场合，如漆包线、绝缘材料、烤漆等烘干排气，温度可达300℃以上，则不必设置预热装置。预热装置加热后的热气可采用换热器和床层内布管的方式。预热器的热源可采用烟道气或电加热，目前采用电加热较多。当催化反应开始后，可尽量以回收的反应热来预热废气。在反应热较大的场合，还应设置废热回收装置，以节约能源。

预热废气的热源温度一般都超过催化剂的活性温度。为保护催化剂，加热装置应与催化燃烧装置保持一定距离，这样还能使废气温度分布均匀。

从需要预热这一点出发，催化燃烧法最适用于连续排气的净化，若间歇排气，不仅每次预热需要耗能，反应热也无法回收利用，会造成很大的能源浪费，在设计和选择时应注意这一点。

③催化燃烧装置一般采用固定床催化反应器。反应器的设计按规范进行，应便于操作，维修方便，便于装卸催化剂。

在进行催化燃烧的工艺设计时，应根据具体情况，对于处理气量较大的场合，设计成分建式流程，即预热器、反应器独立装设，其间用管道连接。对于处理气量小的场合，可采用催化焚烧炉(见图16－13)，把预热与反应组合在一起，但要注意预热段与反应段间的距离。

催化燃烧过程的热平衡：

催化燃烧是放热反应，放热量的大小取决于有机物的种类及其含量。依靠废气燃烧的反

应热，维持催化燃烧过程持续进行是最经济的操作方法，而能否以自热维持体系的正常反应，则取决于燃烧过程的放热量、催化剂的起燃温度、热量回收率、废气的初始温度。

以净化含甲苯的废气为例，设3种废气中分别含有甲苯2000、1000、500 mg/m3，

催化剂的相应起燃温度分别为200、250、300℃，废气的初始温度分别为30、150℃，热交换器的效率与需补充能量的关系如表2所示（表中t1、t2、t3、t4、t5分别表示废气初

始温度、经热交换器预热后的温度、进催化床的温度，出催化床的温度及净化气经热交换

器换热后放空的温度）。从表2可见，热交换器的效率越高，催化剂的起燃温度越低，废气的初始温度越高，实现自热运转可能性越大。而5000mg/m3左右的有机物残留量在工

业有机废气中是常见的，只要热交换器的换热效率达到50%～60%，就可利用热交换器回收燃烧反应热来维持催化燃烧体系的进行。

催化燃烧法的优点

1．可以降低有机废气的起始燃烧温度。例如甲醇、甲醛在以氧化铝为载体的Pt催化剂(Pt/Al2O3)的作用下,室温下就开始燃烧,而直接燃烧法起始燃烧点通常为300～600℃。

2．燃烧不受碳氢化合物浓度的限制。

3．基本上不会造成二次污染。

4．设备较简单，投资少，见效快。

无论燃煤是发电还是供热、供汽，使用它的主要设备为锅炉。我国大中城市中普遍使

用小型锅炉供热，更小型的茶炉供应开水。这样，成千上万根细小的烟囱，就一起竖直着

指向天空，随时喷出一股股黑烟，污染天空。因此科学家提出治理大气污染应从锅炉开始。

废气处理催化燃烧净化塔在催化剂的作用下，使有机废气中的碳氢化合物在温度较低

的条件下迅速氧化成水和二氧化碳。

催化燃烧法处理工业有机废气是20世纪40年代末出现的技术。从1949年美国研制出世界上第一套催化燃烧装置到现在，这项技术已广泛地应用于油漆、橡胶加工、塑料加工、树脂加工、皮革加工、食品业和铸造业等部门，也用于汽车废气净化等方面。中国在1973年开始将催化燃烧法用于治理漆包线烘干炉排出的有机废气,随后又在绝缘材料、印刷工业等方面进行了研究,使催化燃烧法得到了广泛的应用。

催化燃烧工艺：

1、吸附过程吸附是气体结合到固体上去的质量传递过程。气体（吸附质）进入固体（吸

附剂）的孔隙中但并未进入其晶格内。吸附过程可能是物理过程，也可能是化学过程。

物理吸附主要是范德华引力起作用，一般没有选择性，在吸附过程中没有电子转移，

没有化学键的生成与破坏。化学吸附实际上是一种化学反应，具有选择性，在化学吸附过

程中，气体和固体表面发生了化学反应。最普遍使用的吸附剂是活性炭、分子筛、硅胶和活性氧化铝。这些吸附剂经过处理后表面积极大，可有效吸附碳氢化合物等污染物。其缺点是对水有优先选择性吸附作用。所有的吸附剂在一定的高温下会发生变化。在这些温度下，其吸附能力很弱。污染物可以被解脱出来，从而使吸附剂的活性得到再生，这个过程成为脱附。

为了进行连续操作，一般提供两个或多个吸附床。一个或几个吸附床在吸附时，另一个或几个吸附床则进行再生。在吸附过程中，被收集的污染物滞留在吸附床中，只要吸附床有足够的容量，污染物就不会释放出来。但是当吸附床中的污染物浓度达到饱和时，污染物便开始释放出来，这种现象称为穿透。达到饱和的吸附床需要进行再生，一般采用加热的气体对吸附床进行脱附，一方面使吸附床重新具有活性，一方面是污染物被解脱出来进行回收或分解处理。

2、燃烧过程当气流中的污染物可被氧化时，燃烧是一种彻底的污染控制方案。碳氢化合物就属于这类污染物。燃烧可以分为直接火焰燃烧和催化燃烧两类。燃烧即是在氧和热的作用下将碳氢化合物转化为水和二氧化碳。其反应方程式如下： CnH2m+（n+m/2）

O2=nCO2+H2O+Heat 在燃烧过程中，气流量和有机物负荷是选择燃烧技术的重要参数。一个衡量污染物负荷的参数是低爆炸极限（LEL）或低可燃极限（LFL）。

气流的低爆炸极限是气体可自燃的最低有机物浓度（100%LEL）。由于100%LEL具有爆炸危险，美国消防协会规定气流的LEL不能超过50%,在LEL超过25%时应设置可燃气体监控装置。另一个要考虑的因素是气流的能量密度，当气流的能量密度必须大于

3.7MJ/m3时点火后气体可自行维持燃烧，否则需要提供辅助燃料，另外要考虑燃烧后不产生有毒的副产品。能量值低于3.7MJ/m3的气体，可利用催化剂来帮助氧化燃烧。经常使用的活性催化剂是铂或钯的化合物，使用陶瓷作载体。使用催化剂可降低燃烧温度，节省运行费用，但是主要缺点是微量的硫和铅的化合物会使催化剂中毒，而且特定的催化剂对每种有机污染物起到催化燃烧的作用是不同的，对有些有机污染物的去除可能无效。

在燃烧工艺中，为了节省能源，一般对燃烧使用或产生的热量进行利用。利用方式包括换热和回热两种。换热方式是利用换热器在燃烧后产生的高温气体和低温气体（进气或其他需要热源的气流）之间进行换热能量传递，回热方式是利用蓄热装置直接和气流进行交替热交换，因此热量利用的效率更高。不同的燃烧工艺组合，形成4种基本的燃烧工艺方式：催化燃烧（换热），直接燃烧（换热），回热催化燃烧（RCO），回热燃烧（RTO）。在此基础上还形成了转轮富集燃烧，陶瓷过滤器等方式。