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1、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+BC 是通过中间活性结合物(AB)过
2、渡而成的，即：A+BAB 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+2KAK+BKCK+KC+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。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。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
3、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
4、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。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 1613)，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
5、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
6、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 300600 。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
7、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
8、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
9、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
10、： 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，
11、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。
