催化燃烧设备设计数据和要点
文章出处：大辰环境 人气：发表时间：2020-04-08
1、催化燃烧法的特点
（1）净化率高、无二次污染
用催化燃烧法处理有机污染物的净化率一般都在98%以上，终极产物为无害的二氧化碳和水(尚含杂原子有机化合物，还有其他燃烧产物)，因此无二次污染问题，消除污染的彻底性是其他方法所不及的。
(2)起燃温度低，节省能源
催化燃烧是有机物分子被吸附在催化剂表面上，受到催化剂活性集团的活化，成为过渡态的表面活性络合物，与此同时，废气中的O2分子亦被催化荆吸附活化成为活性氧。这样被活化了的有机物分子和被活化了的氧之间就很容易发生所谓的催化燃烧反应，这就是为什么催化燃烧可在较低温度下进行的主要原因。与热力燃烧法相比，催化燃烧法的最大特点是起燃
温度低，耗能少。对于经类的氧化，两者的反应条件如表1所示。
热力燃烧法，气体的温度必须超过燃烧物的着火点才能进行反应，多数有机物的着火点比较高，而且烧尽的温度一般要高于着火点100-200℃。但有催化剂存在时，着火点的温度可以大幅度地降低，降低幅度与催化剂的活性有关。
(3)适于处理浓度低成分复杂的废气
对于低浓度、多成分而没有回收价值的废气，采用催化燃烧法处理是最经济合理的。如能采用吸附一催化燃烧联合处理则更好，即先将低浓度的有机废气通过吸附，使其富集，然后将解吸气催化燃烧，更有利于节能。
(4)工艺简单，操作方便，亦比较安全(工艺将在后面讨论)。
2、催化燃烧法的经济性
任何方法，能够付诸实施，推广应用，归根结底要看经济效益。催化燃烧法虽不能回收产品，但可回收能量或节省能量，降低处理费用。
(1)用Pd一蜂窝陶瓷催化剂催化燃烧漆包线干燥炉的废气，每生产一吨漆包线只需耗电600度，而非催化法则耗电1400度。
( 2 ) NZP - 1型催化剂用于杭州金属家具厂铁床烘漆废气处理与原热焚烧法的费用比较列于表。
指苯、甲苯和二甲苯工业卫生标准规定车间允许最高含量：苯40、甲苯100、二甲苯（100毫米//米）。从表2可见，催化燃烧法处理结果能达到车间允许浓度标准，而热力燃烧法却远远不能达到。从能量消耗、经济费用来看，前者只有后者的36%左右。
( 3 )苏联用Fd一合金钢末屑催化剂催化燃烧处理设备90000m³/h的苯醉生产尾气，与热力燃烧法相比，可节约天然气2.8X108m³/年，相当于每年节省45000卢布，扣除催化剂的费用，每年可净省35000卢布。
(4)杭州大学与苏州合成化工厂用NZP -型催化剂处理蔡法苯醉生产尾气，根据中试结果估算，与目前沿用的水洗排放工艺相比，工程投资及经常性操作费用分别为水洗法的75%和%。经催化燃烧法处理后的净化气中有害物残留量均低于车间允许浓度，而水洗法则达不到此效果。
以上几例说明催化燃烧法治理有机废气，经济上是合理的。
影响催化燃烧法经济效益的主要因素取决于①催化剂的性能和成本，②热量回收效率，③经营管理及操作水平。
3、燃烧催化剂的主要性能指标
(1)活性
活性是指催化剂对反应物的转化能力，因为燃烧是深度氧化，不存在选择性问题，所以其活性越高越好。一般用转化率表示催化剂的活性，但对于废气的处理，有害物的转化率总是要控制在98%以上，甚至100%。所以，衡量燃烧催化剂活性高低的宏观标志是:①反应温度;②空速;③废气中可燃物的含量。能够在较低温度、较高空速的条件下使浓度较大的有机吸气接近100%的转化，就表明该催化剂的活性高。通常催化燃烧采用的反应温度为200-400℃，空速10000-2000时。
(2)稳定性
催化剂的活性分诱导活化、稳定、衰老失活三个阶段，有一定的使用期限，工业上实用催化剂的寿命一般要求在两年以上。使用期的长短与最佳活性结构的稳定性有关，而稳定性取决于耐热、抗毒的能功。对燃烧催化剂而言，则要求具有较高的耐热和抗毒的性能。
（3）操作条件
废气处理一般不会在很严格的操作条件下进行，这是由于废气的成分、浓度、流量等往往不很稳定，且体系的温度也会时有升降之故。因此，燃烧催化剂必须具有较宽的操作条件才能适应。
(4)机械强度和抗胀性能
催化燃烧工艺的操作空速比较大，因而气流对催化剂的冲击力也较强，同时由于床层温度常有升降(尤其是间歇操作)，造成热胀冷缩，使催化剂载体破裂(蜂窝陶瓷载体常有这个问题)。因此要求催化剂具有较大的机械强度和良好的抗热胀冷缩性能。
(5)床层阻力
床层阻力的大小涉及到催化燃烧工艺的动力消耗，因此也是一个实用指标，它的大小主要取决于催化剂载体的造型和粒度。在不影响接触效果的前提下，床层阻力越小越好。
4、实用催化剂的种类
经过多年的研究和发展，目前燃烧催化剂的种类已相当多，按活性成分大体可分为以下几类:
(1)贵金属催化剂
Pt(铂)、Pd(把)等贵金属对烃类及其衍生物:氧都具有良好的吸附及活化性能，因此是最常用的废气燃烧催化剂。它们的净化率高、耐热抗毒性强、使用寿命长，适用范围广，对各种有机物均有较高的氧化活性。例如在0,2%Ft一A1Z09催化剂上，当床层厚度为J厘米、空速20000时，对各种有机物的燃烧温度一般都在300℃以下，而净化效率很高，结果列于表3。
我国首先用于处理有机废气燃烧的催化剂是Pd-Al2O3蜂窝陶瓷载体催化剂。这种催化剂自由空间大，自身磨损率低，床层阻力小，比较适合于高空速操作。但由于自由空间大、反应气与催化剂表面的接触效果往往不及颗粒状催化剂好，因此，其活性比同类活性组分的颗粒状催化剂低。为克服接触效果差的弱点，太原煤炭化学研究所试制了纤维载体催化剂。
(2)分子筛载体贵金属催化剂
由于贵金属价格昂贵、催化剂成本很高，在一定程度上，影响了催化燃烧工艺的推广。为此，浙江大学采用天然丝光沸石为载体，以微量的贵金属为主要活性组分，并添加一些过度全属氧化物作为助催化剂，研制成了高活性的NZP系列有机废气燃烧催化剂。
沸石具有特殊的孔结构和结晶化学性质，有着良好的吸附性和离子交换性，从而为活性组分的分散和活性结构的组合创造了有利条件。通过适当的制备工艺，可以造成优良的活性结构，保证催化剂的活性和稳定性。贵金属在沸石载体上能高度分散，用量仅为通常pt-Al2O3催化剂的1/5-1/8，而催化剂的活性和稳定性却有显著提高。NZp-1型,NZp- 2型催化剂对各有机物完全氧化的下限温度和转化率，列于表4和表5。
空速：10000―15000时ˉ1，●转化率＞99%的最低反应温度
空速：4500—15000时ˉ1
（3）复合氧化物催化剂
降低成本的另一途径是不用贵金属，而用铜、铬、钻、镍、锰等过渡金属的氧化物作催化荆的活性组分。
用1%的环己烷与空气组成混合气，在空速8000时的常压条件下，对多种金属氧化物的活性进行了鉴别，其结果如表6。
催化剂粒径20-50微米，用量1毫升，反应床高18.4毫米
由表6可见，单一的过渡金属氧化物对环己烷具有一定的氧化活性，但其稳定性较差，在实际应用中是亚铬酸盐型或钙钛矿型的复合氧化物效果好。
(4)稀土金属氧化物催化剂
稀土与过渡金属氧化物在一定条件下可形成具有天然钙钛矿晶型的复合氧化物，有着良好的氧化活性。
5、催化剂的失活与再生
催化剂在使用过程中随着时间的延续，活性会逐渐下降，直至失活。主要失活原因有以下几方面:①表面结炭。这往往是由于操作条件不当，如反应温度过低，反应物浓度过大，催化剂供氧活性不够时，使一些反应物分子脱氢聚合，最后炭化覆盖了活性中心，②活性组分半熔晶化或挥发流失，致使活性中心数目逐渐减少，导致催化荆活性衰减直至失活。据报道当温度<590℃时，Pt-Al2O3催化剂的使用期为8一5年，680-700℃时为1年，而在750-800℃下很快就失活，可见反应温度对催化剂的寿命影响是很大的，③由于废气中含有一些对催化剂有毒害的成分，如砷、磷、硫、氯、铅等元素在活性中心引起强吸附而使催化剂中毒失活。
针对上述活性衰减的原因，可以采取下列相应的措施:(1)遵守操作规程，正确控制反应条件，(2)当发现催化剂表面积炭，可吹进新鲜空气，提高燃烧温度，烧去积炭，即可恢复活性，
(3)废气中如含有会使催化剂中毒的硫、磷等物质，在进入催化剂宋前，需
对废气加以预处理，除去毒物，
(4)改进催化剂的制备工艺，提高催化剂的耐热性和抗毒能力。
上述措施中第4条是最主要的，因催化剂性能的好坏在很大程度上取决于催化剂的制备。催化剂的耐热抗毒性、活性中心的数目以及活性组分的分布等都可以通过制备手段解决。
（1）净化率高、无二次污染
用催化燃烧法处理有机污染物的净化率一般都在98%以上，终极产物为无害的二氧化碳和水(尚含杂原子有机化合物，还有其他燃烧产物)，因此无二次污染问题，消除污染的彻底性是其他方法所不及的。
(2)起燃温度低，节省能源
催化燃烧是有机物分子被吸附在催化剂表面上，受到催化剂活性集团的活化，成为过渡态的表面活性络合物，与此同时，废气中的O2分子亦被催化荆吸附活化成为活性氧。这样被活化了的有机物分子和被活化了的氧之间就很容易发生所谓的催化燃烧反应，这就是为什么催化燃烧可在较低温度下进行的主要原因。与热力燃烧法相比，催化燃烧法的最大特点是起燃
温度低，耗能少。对于经类的氧化，两者的反应条件如表1所示。
| 表1催化燃烧与热力燃烧比较 | ||
| 条件 | 催化燃烧 | 热力燃烧 |
| 处理温度 | 200—400℃ | 600—℃ |
| 空速 | 10000—20000时-1 | 7500—12000时-1 |
| 停留时间 | 0.36-0.18 | 0.5-0.3 |
| 燃烧方式 | 在催化剂表面，无焰 | 高温火焰中停留 |
热力燃烧法，气体的温度必须超过燃烧物的着火点才能进行反应，多数有机物的着火点比较高，而且烧尽的温度一般要高于着火点100-200℃。但有催化剂存在时，着火点的温度可以大幅度地降低，降低幅度与催化剂的活性有关。
(3)适于处理浓度低成分复杂的废气
对于低浓度、多成分而没有回收价值的废气，采用催化燃烧法处理是最经济合理的。如能采用吸附一催化燃烧联合处理则更好，即先将低浓度的有机废气通过吸附，使其富集，然后将解吸气催化燃烧，更有利于节能。
(4)工艺简单，操作方便，亦比较安全(工艺将在后面讨论)。
2、催化燃烧法的经济性
任何方法，能够付诸实施，推广应用，归根结底要看经济效益。催化燃烧法虽不能回收产品，但可回收能量或节省能量，降低处理费用。
(1)用Pd一蜂窝陶瓷催化剂催化燃烧漆包线干燥炉的废气，每生产一吨漆包线只需耗电600度，而非催化法则耗电1400度。
( 2 ) NZP - 1型催化剂用于杭州金属家具厂铁床烘漆废气处理与原热焚烧法的费用比较列于表。
| 表2两法处理铁床烘漆废气的费用比较 | |||
| 方法 |
净化气中三苯残留量＇ （毫克/米3） |
每张床电耗（度） |
每张床费用 （元） |
| 催化燃烧 | 75以下 | 0.25 | 0.023 |
| 热力燃烧 | 320以上 | 0.714 | 0.064 |
指苯、甲苯和二甲苯工业卫生标准规定车间允许最高含量：苯40、甲苯100、二甲苯（100毫米//米）。从表2可见，催化燃烧法处理结果能达到车间允许浓度标准，而热力燃烧法却远远不能达到。从能量消耗、经济费用来看，前者只有后者的36%左右。
( 3 )苏联用Fd一合金钢末屑催化剂催化燃烧处理设备90000m³/h的苯醉生产尾气，与热力燃烧法相比，可节约天然气2.8X108m³/年，相当于每年节省45000卢布，扣除催化剂的费用，每年可净省35000卢布。
(4)杭州大学与苏州合成化工厂用NZP -型催化剂处理蔡法苯醉生产尾气，根据中试结果估算，与目前沿用的水洗排放工艺相比，工程投资及经常性操作费用分别为水洗法的75%和%。经催化燃烧法处理后的净化气中有害物残留量均低于车间允许浓度，而水洗法则达不到此效果。
以上几例说明催化燃烧法治理有机废气，经济上是合理的。
影响催化燃烧法经济效益的主要因素取决于①催化剂的性能和成本，②热量回收效率，③经营管理及操作水平。
3、燃烧催化剂的主要性能指标
(1)活性
活性是指催化剂对反应物的转化能力，因为燃烧是深度氧化，不存在选择性问题，所以其活性越高越好。一般用转化率表示催化剂的活性，但对于废气的处理，有害物的转化率总是要控制在98%以上，甚至100%。所以，衡量燃烧催化剂活性高低的宏观标志是:①反应温度;②空速;③废气中可燃物的含量。能够在较低温度、较高空速的条件下使浓度较大的有机吸气接近100%的转化，就表明该催化剂的活性高。通常催化燃烧采用的反应温度为200-400℃，空速10000-2000时。
(2)稳定性
催化剂的活性分诱导活化、稳定、衰老失活三个阶段，有一定的使用期限，工业上实用催化剂的寿命一般要求在两年以上。使用期的长短与最佳活性结构的稳定性有关，而稳定性取决于耐热、抗毒的能功。对燃烧催化剂而言，则要求具有较高的耐热和抗毒的性能。
（3）操作条件
废气处理一般不会在很严格的操作条件下进行，这是由于废气的成分、浓度、流量等往往不很稳定，且体系的温度也会时有升降之故。因此，燃烧催化剂必须具有较宽的操作条件才能适应。
(4)机械强度和抗胀性能
催化燃烧工艺的操作空速比较大，因而气流对催化剂的冲击力也较强，同时由于床层温度常有升降(尤其是间歇操作)，造成热胀冷缩，使催化剂载体破裂(蜂窝陶瓷载体常有这个问题)。因此要求催化剂具有较大的机械强度和良好的抗热胀冷缩性能。
(5)床层阻力
床层阻力的大小涉及到催化燃烧工艺的动力消耗，因此也是一个实用指标，它的大小主要取决于催化剂载体的造型和粒度。在不影响接触效果的前提下，床层阻力越小越好。
4、实用催化剂的种类
经过多年的研究和发展，目前燃烧催化剂的种类已相当多，按活性成分大体可分为以下几类:
(1)贵金属催化剂
Pt(铂)、Pd(把)等贵金属对烃类及其衍生物:氧都具有良好的吸附及活化性能，因此是最常用的废气燃烧催化剂。它们的净化率高、耐热抗毒性强、使用寿命长，适用范围广，对各种有机物均有较高的氧化活性。例如在0,2%Ft一A1Z09催化剂上，当床层厚度为J厘米、空速20000时，对各种有机物的燃烧温度一般都在300℃以下，而净化效率很高，结果列于表3。
| 表3 0.2%Pt-A12O3 催化剂对各有机物燃烧结果 | |||
| 反应物 |
反应温度 (·C) |
反应前浓度 （ppm） |
反应后浓度 （ppm) |
| 苯 | 270 | 330 | 〈1 |
| 甲苯 | 260 | 280 | 〈1 |
| 间 -二甲苯 | 260 | 240 | 〈1 |
| 甲乙酮 | 250 | 330 | 〈1 |
| 甲基异丙酮 | 250 | 240 | 〈1 |
| 甲醇 | 200 | 740 | 〈1 |
| 丙烯醛 | 180 | 450 | 〈1 |
| 甲醛 | 200 | 370 | 〈1 |
| 腊酸乙酯 | 350 | 310 | 〈1 |
| 酚 | 300 | 540 | 〈1 |
| 间-甲酚 | 300 | 500 | 〈1 |
我国首先用于处理有机废气燃烧的催化剂是Pd-Al2O3蜂窝陶瓷载体催化剂。这种催化剂自由空间大，自身磨损率低，床层阻力小，比较适合于高空速操作。但由于自由空间大、反应气与催化剂表面的接触效果往往不及颗粒状催化剂好，因此，其活性比同类活性组分的颗粒状催化剂低。为克服接触效果差的弱点，太原煤炭化学研究所试制了纤维载体催化剂。
(2)分子筛载体贵金属催化剂
由于贵金属价格昂贵、催化剂成本很高，在一定程度上，影响了催化燃烧工艺的推广。为此，浙江大学采用天然丝光沸石为载体，以微量的贵金属为主要活性组分，并添加一些过度全属氧化物作为助催化剂，研制成了高活性的NZP系列有机废气燃烧催化剂。
沸石具有特殊的孔结构和结晶化学性质，有着良好的吸附性和离子交换性，从而为活性组分的分散和活性结构的组合创造了有利条件。通过适当的制备工艺，可以造成优良的活性结构，保证催化剂的活性和稳定性。贵金属在沸石载体上能高度分散，用量仅为通常pt-Al2O3催化剂的1/5-1/8，而催化剂的活性和稳定性却有显著提高。NZp-1型,NZp- 2型催化剂对各有机物完全氧化的下限温度和转化率，列于表4和表5。
| 表4 NZP-1型催化剂对各有机物的反应温度和转化率（？） | |||
| 反应物 |
浓度 （克/米3） |
下限温度 （℃） |
转化率 （%） |
| 苯 | 2―3 | 180 | ＞99 |
| 二甲苯 | 4―7 | 200 | ＞99 |
| 乙酸乙酯 | 8―10 | 200 | ＞99 |
| 醋酸 | 5―6 | 230 | ＞90 |
| 间甲粉/二甲苯 | 1.7―0.75 | 220 | ＞99 |
| 丙酮 | 20―26 | 85―250 | ＞99 |
空速：10000―15000时ˉ1，●转化率＞99%的最低反应温度
| 表5 NZP-2型催化剂对各有机物的反应温度和转化率（3） | |||
| 反应物 |
浓度 （克/米3） |
下限温度 （℃） |
转化率 （%） |
| 苯 | 1―2 | 190 | ～100 |
| 苯酐 | 2―4 | 180 | ＞99 |
| 酸酐 | 3―6 | 180 | ～100 |
| 1.4-苯醌 | 0.5-1 | 100 | ～100 |
| 二甲苯 | 4—6 | 190 | ＞99 |
| 苯 | 5—8 | 190 | ＞99 |
| 环已烷 | 8—10 | 210 | ＞99 |
（3）复合氧化物催化剂
降低成本的另一途径是不用贵金属，而用铜、铬、钻、镍、锰等过渡金属的氧化物作催化荆的活性组分。
用1%的环己烷与空气组成混合气，在空速8000时的常压条件下，对多种金属氧化物的活性进行了鉴别，其结果如表6。
| 表6 金属氧化物催化剂的初始活性 | |||
| 催化剂 | 活化条件 | 催化剂入口温度 | |
|
温度 时间 （℃）（小时） |
开始反应 （℃） |
完全反应 （℃） |
|
| Co3O4 |
500 3小时 700 3小时 |
＞172 ＞180 |
202 376 |
| MO3O4 |
500 3小时 700 3小时 |
＞185 ＞160 |
212 393 |
| Cr2O3 | 500 3小时 | ＞188 | 240 |
| N1O | 600 3小时 | ＞205 | 282 |
| Fe2O3 | 500 3小时 | 222 | 229 |
| TlO2 | 500 3小时 | 201 | 390 |
| MoO3 | 500 3小时 | 385 | 408 |
| PbO | 500 3小时 | 282 | 412 |
| ZmO | 500 3小时 | 310 | 540 |
| Al2O3 | 500 3小时 | 350 | 550 |
| SIO3 | 500 3小时 | 300 | ＜550 |
催化剂粒径20-50微米，用量1毫升，反应床高18.4毫米
由表6可见，单一的过渡金属氧化物对环己烷具有一定的氧化活性，但其稳定性较差，在实际应用中是亚铬酸盐型或钙钛矿型的复合氧化物效果好。
(4)稀土金属氧化物催化剂
稀土与过渡金属氧化物在一定条件下可形成具有天然钙钛矿晶型的复合氧化物，有着良好的氧化活性。
5、催化剂的失活与再生
催化剂在使用过程中随着时间的延续，活性会逐渐下降，直至失活。主要失活原因有以下几方面:①表面结炭。这往往是由于操作条件不当，如反应温度过低，反应物浓度过大，催化剂供氧活性不够时，使一些反应物分子脱氢聚合，最后炭化覆盖了活性中心，②活性组分半熔晶化或挥发流失，致使活性中心数目逐渐减少，导致催化荆活性衰减直至失活。据报道当温度<590℃时，Pt-Al2O3催化剂的使用期为8一5年，680-700℃时为1年，而在750-800℃下很快就失活，可见反应温度对催化剂的寿命影响是很大的，③由于废气中含有一些对催化剂有毒害的成分，如砷、磷、硫、氯、铅等元素在活性中心引起强吸附而使催化剂中毒失活。
针对上述活性衰减的原因，可以采取下列相应的措施:(1)遵守操作规程，正确控制反应条件，(2)当发现催化剂表面积炭，可吹进新鲜空气，提高燃烧温度，烧去积炭，即可恢复活性，
(3)废气中如含有会使催化剂中毒的硫、磷等物质，在进入催化剂宋前，需
对废气加以预处理，除去毒物，
(4)改进催化剂的制备工艺，提高催化剂的耐热性和抗毒能力。
上述措施中第4条是最主要的，因催化剂性能的好坏在很大程度上取决于催化剂的制备。催化剂的耐热抗毒性、活性中心的数目以及活性组分的分布等都可以通过制备手段解决。
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