催化燃燒原理及催化劑

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上一、 催化燃燒的基本原理 催化燃燒是典型的氣-固相催化反應(yīng)，其實(shí)質(zhì)是活性氧參與的深度氧化作用。在催化燃燒過(guò)程中，催化劑的作用是降低活化能，同時(shí)催化劑表面具有吸附作用，使反應(yīng)物分子富集于表面提高了反應(yīng)速率，加快了反應(yīng)的進(jìn)行。借助催化劑可使有機(jī)廢氣在較低的起燃溫度條件下，發(fā)生無(wú)焰燃燒，并氧化分解為CO2和H2O，同時(shí)放出大量熱能，其反應(yīng)過(guò)程為：2 催化燃燒的特點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)性2.1 催化燃燒的特點(diǎn)2.1.1起燃溫度低，節(jié)省能源 有機(jī)廢氣催化燃燒與直接燃燒相比，具有起燃溫度低，能耗也小的顯著特點(diǎn)。在某些情況下，達(dá)到起燃溫度后便無(wú)需外界供熱。二、 催化劑及燃燒動(dòng)力學(xué)2.1 催化劑的

2、主要性能指標(biāo) 在空速較高，溫度較低的條件下，有機(jī)廢氣的燃燒反應(yīng)轉(zhuǎn)化率接近100%，表明該催化劑的活性較高9。催化劑的活性分誘導(dǎo)活化、穩(wěn)定、衰老失活3個(gè)階段，有一定的使用限期，工業(yè)上實(shí)用催化劑的壽命一般在2年以上。使用期的長(zhǎng)短與最佳活性結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有關(guān)，而穩(wěn)定性取決于耐熱、抗毒的能力。對(duì)催化燃燒所用催化劑則要求具有較高的耐熱和抗毒的性能。有機(jī)廢氣的催化燃燒一般不會(huì)在很嚴(yán)格的操作條件下進(jìn)行，這是由于廢氣的濃度、流量、成分等往往不穩(wěn)定，因此要求催化劑具有較寬的操作條件適應(yīng)性。催化燃燒工藝的操作空速較大，氣流對(duì)催化劑的沖擊力較強(qiáng)，同時(shí)由于床層溫度會(huì)升降，造成熱脹冷縮，易使催化劑載體破裂，因而催化劑要具

3、有較大的機(jī)械強(qiáng)度和良好的抗熱脹冷縮性能。2.2 催化劑種類 目前催化劑的種類已相當(dāng)多，按活性成分大體可分3類。2.2.1貴金屬催化劑 鉑、鈀、釕等貴金屬對(duì)烴類及其衍生物的氧化都具有很高的催化活性，且使用壽命長(zhǎng)，適用范圍廣，易于回收，因而是最常用的廢氣燃燒催化劑。如我國(guó)最早采用的Pt-Al2O3催化劑就屬于此類催化劑。但由于其資源稀少，價(jià)格昂貴，耐中毒性差，人們一直努力尋找替代品或盡量減少其用量。2.2.2過(guò)渡金屬氫化物催化劑 作為取代貴金屬催化劑，采用氧化性較強(qiáng)的過(guò)渡金屬氧化物，對(duì)甲烷等烴類和一氧化碳亦具有較高的活性，同時(shí)降低了催化劑的成本，常見(jiàn)的有MnOx、CoOx和CuOx等催化劑。大連理

4、工大學(xué)研制的含MnO2催化劑，在130及空速13000h-1的條件下能消除甲醇蒸氣，對(duì)乙醛、丙酮、苯蒸氣的清除也很有效果。2.2.3復(fù)氧化物催化劑 一般認(rèn)為，復(fù)氧化物之間由于存在結(jié)構(gòu)或電子調(diào)變等相互作用，活性比相應(yīng)的單一氧化物要高。主要有以下兩大類：（1）鈣鈦礦型復(fù)氧化物 稀土與過(guò)渡金屬氧化物在一定條件下可以形成具有天然鈣鈦礦型的復(fù)合氧化物，通式為ABO3，其活性明顯優(yōu)于相應(yīng)的單一氧化物。結(jié)構(gòu)中一般A為四面體型結(jié)構(gòu)，B為八面體形結(jié)構(gòu)，這樣A和B形成交替立體結(jié)構(gòu)，易于取代而產(chǎn)生品格缺陷，即催化活性中心位，表面晶格氧提供高活性的氧化中心，從而實(shí)現(xiàn)深度氧化反應(yīng)。常見(jiàn)的有幾類如：BaCuO2、LaMn

5、O3等。（2）尖晶石型復(fù)氧化物 作為復(fù)氧化物重要的一種結(jié)構(gòu)類型，以AB2X4表示.尖晶石亦具有優(yōu)良的深度氧化催化活性，如對(duì)CO的催化燃燒起燃點(diǎn)落在低溫區(qū)（約80），對(duì)烴類亦在低溫區(qū)可實(shí)現(xiàn)完全氧化.其中研究最為活躍的CuMn2O4尖晶石，對(duì)芳烴的活性尤為出色，如使甲苯完全燃燒只需260，實(shí)現(xiàn)低溫催化燃燒，具有特別實(shí)際意義。3.3 催化劑負(fù)載方式 催化劑活性組分可通過(guò)下列方式沉積在載體上：（1）電沉積在纏繞或壓制的金屬載體上；（2）沉積在顆粒狀陶瓷材料上；（3）沉積在蜂窩結(jié)構(gòu)的陶瓷材料上。 金屬載體催化劑一般是將金屬制成絲網(wǎng)或帶狀，然后將活性組分沉積在其上。金屬載體催化劑的優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)熱性能好、機(jī)械強(qiáng)

6、度高，缺點(diǎn)是比表面積較小。陶瓷載體結(jié)構(gòu)有顆粒狀及蜂窩狀兩大類，陶瓷材料通常為硅-鋁氧化物。顆粒狀載體的優(yōu)點(diǎn)是比表面積大，缺點(diǎn)是壓降大以及因載體間相互摩擦，造成活性組分磨耗損失。蜂窩載體是比較理想的載體型式，具有很高的比表面，壓力降較片粒柱狀低，機(jī)械強(qiáng)度大，耐磨、耐熱沖擊。2.4 催化劑失活與防治2.4.1催化劑失活 催化劑在使用過(guò)程中隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，活性會(huì)逐漸下降，直至失活。催化劑失活主要有以下3種類型：（1）催化劑完全失活。使催化劑失活的物質(zhì)包括快速和慢速作用毒物兩大類?？焖僮饔枚疚镏饕辛住⑸榈?，慢速作用毒物有鉛、鋅等。通常情況下，催化劑失活是由于毒物與活性組分化合或熔成合金。對(duì)于快速作用

7、毒物來(lái)說(shuō)，即使只有微量，也能使催化劑迅速失活。在500以下時(shí)，慢性作用毒物使活性物質(zhì)合金化的速度要慢得多。（2）抑制催化反應(yīng)。鹵素和硫的化合物易與活性中心結(jié)合，但這種結(jié)合是比較松弛、可逆的、暫時(shí)性的。當(dāng)廢氣中的這類物質(zhì)被去除后，催化劑活性可以恢復(fù)。（3）沉積覆蓋活性中心。不飽和化合物的存在導(dǎo)致碳沉積，此外陶瓷粉塵、鐵氧化合物及其他顆粒性物堵塞活性中心，從而影響催化劑的吸附與解吸能力，致使催化劑活性下降。2.4.2催化劑失活的防治 針對(duì)催化劑活性的衰減，可以采取下列相應(yīng)的措施：按操作規(guī)程，正確控制反應(yīng)條件；當(dāng)催化劑表面結(jié)碳時(shí)，通過(guò)吹入新鮮空氣，提高燃燒溫度，燒去表面結(jié)碳；將廢氣進(jìn)行預(yù)處理，以除去

8、毒物，防止催化劑中毒；改進(jìn)催化劑的制備工藝，提高催化劑的耐熱性和抗毒能力。2.5 燃燒動(dòng)力學(xué) 當(dāng)有機(jī)廢氣在金屬氧化物催化劑上燃燒時(shí)，碳?xì)浠衔锏难趸磻?yīng)是經(jīng)過(guò)表面氧化還原作用循環(huán)實(shí)現(xiàn)的。這一機(jī)理是由Mars-Van Krevelen提出，反應(yīng)機(jī)理如下：式中，Ri碳?xì)浠衔镂锓Ni。相應(yīng)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型方程式可表達(dá)為：式中，ki、koi分別碳?xì)浠衔镂锓Ni及氧的反應(yīng)速度常數(shù)，C i、Coi分別碳?xì)浠衔镂锓Ni及氧的濃度，Vi每摩爾碳?xì)浠衔镂锓Ni完全氧化所需氧摩爾數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明碳?xì)溲趸磻?yīng)速度對(duì)碳?xì)涞姆磻?yīng)級(jí)數(shù)位于0和1之間。三、有機(jī)廢氣催化燃燒技術(shù)進(jìn)展 有機(jī)廢氣是石油化工、輕工、塑料、印刷、涂料等行業(yè)

9、排放的常見(jiàn)污染物，有機(jī)廢氣中常含有烴類化合物（芳烴、烷烴、烯烴）、含氧有機(jī)化合物（醇、酮、有機(jī)酸等）、含氮、硫、鹵素及含磷有機(jī)化合物等。如對(duì)這些廢氣不加處理，直接排入大氣將會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，危害人體健康。傳統(tǒng)的有機(jī)廢氣凈化方法包括吸附法、冷凝法和直接燃燒法等，這些方法常有易產(chǎn)生二次污染、能耗大、易受有機(jī)廢氣濃度和溫度限制等缺點(diǎn)。而新興的催化燃燒技術(shù)已由實(shí)驗(yàn)階段走向工程實(shí)踐，并逐漸應(yīng)用于石油化工、農(nóng)藥、印刷、涂料、電線加工等行業(yè)。 3.1.2適用范圍廣 催化燃燒幾乎可以處理所有的烴類有機(jī)廢氣及惡臭氣體，即它適用于濃度范圍廣、成分復(fù)雜的各種有機(jī)廢氣處理。對(duì)于有機(jī)化工、涂料、絕緣材料等行業(yè)排放的

10、低濃度、多成分，又沒(méi)有回收價(jià)值的廢氣，采用吸附-催化燃燒法的處理效果更好。3.1.3處理效率高，無(wú)二次污染 用催化燃燒法處理有機(jī)廢氣的凈化率一般都在95%以上，最終產(chǎn)物為無(wú)害的CO2和H2O（雜原子有機(jī)化合物還有其他燃燒產(chǎn)物），因此無(wú)二次污染問(wèn)題。此外，由于溫度低，能大量減少NOX的生成。3.2 催化燃燒的經(jīng)濟(jì)性 影響催化燃燒法經(jīng)濟(jì)效益的主要因素有：催化劑性能和成本；廢氣處理中的有機(jī)物濃度；熱量回收效率；經(jīng)營(yíng)管理和操作水平。催化燃燒雖然不能回收有用的產(chǎn)品，但可以回收利用催化燃燒的反應(yīng)熱，節(jié)省能源，降低處理成本，在經(jīng)濟(jì)上是合理可行的。四、 催化燃燒工藝流程 根據(jù)廢氣預(yù)熱方式及富集方式，催化燃燒工

11、藝流程可分為3種。4.1 預(yù)熱式 預(yù)熱式是催化燃燒的最基本流程形式。有機(jī)廢氣溫度在100以下，濃度也較低，熱量不能自給，因此在進(jìn)入反應(yīng)器前需要在預(yù)熱室加熱升溫，燃燒凈化后氣體在熱交換器內(nèi)與未處理廢氣進(jìn)行熱交換，以回收部分熱量。該工藝通常采用煤氣或電加熱升溫至催化反應(yīng)所需的起燃溫度。4.2 自身熱平衡式 當(dāng)有機(jī)廢氣排出時(shí)溫度較高（在300左右），高于起燃溫度，且有機(jī)物含量較高，熱交換器回收部分凈化氣體所產(chǎn)生的熱量，在正常操作下能夠維持熱平衡，無(wú)需補(bǔ)充熱量，通常只需要在催化燃燒反應(yīng)器中設(shè)置電加熱器供起燃時(shí)使用。4.3 吸附-催化燃燒16 當(dāng)有機(jī)廢氣的流量大、濃度低、溫度低，采用催化燃燒需耗大量燃料時(shí)，可先采用吸附手段將有機(jī)廢氣吸附于吸附劑上進(jìn)行濃縮，然后通過(guò)熱空氣吹掃，使有機(jī)廢氣脫附出來(lái)成為濃縮了的高濃度有機(jī)廢氣（可濃縮10倍以上），再進(jìn)行催化燃燒。此時(shí)，不需要補(bǔ)充熱源，就可維持正常運(yùn)行。 對(duì)于有機(jī)廢氣催化燃燒工藝的選擇主要取決于：燃燒過(guò)程的放熱量，