第六章 4(有害氣體燃燒凈化)

第七章有害氣體的燃燒凈化用燃燒方法來銷毀有害氣體、蒸氣或煙塵，使之變成無害物質(zhì)，叫做燃燒凈化。燃燒凈化的方法僅能用于銷毀那些可燃的或在高溫下能分解的有害氣體和煙塵。一、火焰?zhèn)鞑ダ碚?/p>

火焰?zhèn)鞑サ睦碚摲譃閮纱箢悺?/p>

1．熱傳播理論這類理論認(rèn)為：火焰?zhèn)鞑ナ且揽咳紵龝r(shí)所放出的熱量加熱周圍的氣體，使其達(dá)到燃燒所需要的溫度而實(shí)現(xiàn)的。因此，能否實(shí)現(xiàn)火焰?zhèn)鞑ブ饕c三個(gè)方面的因素有關(guān)：①混合氣體中的含氧量；②混合氣體中含有可燃組分的濃度；③輔助燃料燃燒過程中所放出的熱量。

2．自由基連鎖反應(yīng)理論該種理論認(rèn)為：在燃燒室中，火焰之所以能夠進(jìn)行很快的氧化反應(yīng)，就是因?yàn)榛鹧嬷写嬖谥罅炕钚院艽蟮淖杂苫?。由于自由基是具有不飽和價(jià)的自由原子或原子團(tuán)，極易同其他的原子或自由基發(fā)生連續(xù)的連鎖反應(yīng)，而使得火焰得以傳播。由于火焰的存在，使得自由基大量產(chǎn)生，所產(chǎn)生的自由基加速了廢氣中可燃組分的銷毀速度。在這些自由基中，是一個(gè)很重要的自由基，它主要靠水分在火焰中解離而產(chǎn)生。

二、燃燒類型

大多數(shù)可燃?xì)怏w在超過500℃便開始燃燒，在600-800℃下燃燒迅速增快，甚至在0.1秒以內(nèi)即可接近完全燃燒。當(dāng)可燃性氣體濃度高于爆炸下限時(shí)，燃燒放熱可使燃燒溫度達(dá)1100℃以上，因此，這樣的氣體可用明火點(diǎn)燃。這類燃燒即稱為直接燃燒。作業(yè)環(huán)境空氣或工業(yè)生產(chǎn)廢氣中可燃成分的濃度一般低于爆炸下限，燃燒放熱達(dá)不到600℃，因此，不能用明火點(diǎn)燃，須將廢氣預(yù)熱到600℃以上，才可進(jìn)行燃燒反應(yīng)。這類燃燒稱為熱力燃燒。如果廢氣中可燃成分濃度低于爆炸下限，但在催化劑參與下，廢氣預(yù)熱至200-400℃下，便能進(jìn)行燃燒。這類燃燒稱為催化燃燒。燃燒種類直接燃燒熱力燃燒催化燃燒燃燒溫度熱至1100℃進(jìn)行氧化反應(yīng)預(yù)熱至600-800℃進(jìn)行氧化反應(yīng)預(yù)熱至200-400℃進(jìn)行催化氧化反應(yīng)燃燒狀態(tài)在高溫下滯留短時(shí)間生成明亮火焰在高溫下停留一定時(shí)間，不生成火焰與催化劑接觸，不生成火焰特點(diǎn)不需預(yù)熱，能回收廢氣中熱能只用于高于爆炸極下限的氣體預(yù)熱耗能較多，燃燒不完全時(shí)，產(chǎn)生惡臭，可用于各種氣體燃燒預(yù)熱耗能較少，催化劑較貴，不能用于催化劑中毒的氣體三類燃燒的特點(diǎn)三、直接燃燒

直接燃燒，直接燃燒，也稱直接火焰燃燒，是把可燃的有害廢氣當(dāng)作燃料直接燒掉的辦法，只適用于有害廢氣中可燃組分含量高，或燃燒后放出熱量(稱為熱值)高的氣體，一般情況下要求廢氣的熱值在3347．2kJ／m3以上。

直接燃燒的設(shè)備，濃度高于爆炸下限的廢氣可在一般的爐、窯中把可燃廢氣當(dāng)燃料使用直接燃燒，并回收其熱能。也可用燃燒器。敞開式的，特別是垂直位置的直接燃燒器稱作“火炬”。火炬很少用于溶劑蒸氣，而只用于有很少灰分的廢燃料氣。在石油工業(yè)和石油化學(xué)工業(yè)中，主要是“火炬”燃燒。它是將廢氣連續(xù)通人煙筒，而在煙筒末端進(jìn)行燃燒。氣流混合良好和氫碳比在0.3以上有助于燃燒徹底。藍(lán)色的火焰以蔚藍(lán)色的天空為襯托顯示不出色彩，說明操作良好；黃橙色的火焰，并拖著一條黑煙尾巴（碳?xì)浠衔镏蠬／C≥0．33的，較為易燃而無煙。H／C重量比愈低，愈容易產(chǎn)生黑煙。），說明操作不良。若在煙囪頂部噴入蒸氣，則有助于消除不完全反應(yīng)的問題。其蒸氣量為：式中：ms——所需蒸氣量（kg)Mf——被燃組分混合物的質(zhì)量(kg)；Mu——在mf質(zhì)量燃料中的可燃組分的量。四、熱力燃燒

熱力燃燒，一般指利用燃燒輔助燃料所產(chǎn)生的火焰提高混合氣體的溫度，將廢氣中的可燃組分氧化或銷毀。熱力燃燒或熱燃燒又稱熱化學(xué)轉(zhuǎn)化，是把可燃有害組分溫度升高到反應(yīng)溫度，使其進(jìn)行氧化分解的方法。反應(yīng)溫度通常為540～820℃范圍，所以需要使用輔助燃料燃燒供熱。熱力燃燒使用的設(shè)備稱為熱力燃燒室(爐)，也稱熱反應(yīng)器等。這種方法可用于可燃有機(jī)質(zhì)含量較低的廢氣的凈化處理，熱值在37．656～753．12kJ／m3的廢氣都可應(yīng)用此法。燃燒凈化的方法可以廣泛應(yīng)用于有機(jī)溶劑蒸氣及碳?xì)浠衔锏膬艋幚?，也可以用于消除煙的臭味。上述物質(zhì)在燃燒氧化過程中被氧化成二氧化碳和水蒸氣，同時(shí)釋放出熱量，因此在燃燒凈化時(shí)根據(jù)條件可以回收利用所產(chǎn)生的燃熱量。（一）熱力燃燒的“三T”條件

熱力燃燒的條件熱力燃燒的條件是廢氣與氧氣在反應(yīng)溫度下充分接觸一定的時(shí)間。這就是在供氧充分的情況下，熱力燃燒的反應(yīng)溫度、駐留時(shí)間、湍流混合的三個(gè)要素，也就是國(guó)外所稱的溫度(Temperature)、時(shí)間(Time)、湍流(Turbulence)的“三T條件”。燃燒爐的總駐留時(shí)間可按下式估算：式中：－燃燒爐的總駐留時(shí)間，秒；－燃燒室體積，m3；－廢氣與高溫燃?xì)庠跇?biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（20oC,1大氣壓）的體積流量，m3/h；－燃燒室反應(yīng)溫度（即銷毀溫度），oC?！叭齌條件”具體指出了熱力燃燒的必要條件，“三T”條件之間是具有內(nèi)在聯(lián)系的，改變其中的任何一個(gè)條件，其他兩項(xiàng)都可以得到相應(yīng)的改變。如提高反應(yīng)溫度，使得反應(yīng)速度加快，就可以適當(dāng)?shù)亟档婉v留時(shí)間和湍流強(qiáng)度。然而，在這“三T”條件中，延長(zhǎng)駐留時(shí)間會(huì)使設(shè)備體積增大；提高反應(yīng)溫度會(huì)使輔助燃料的消耗增加。因此，最經(jīng)濟(jì)的方法就是改善湍流混合情況，以增大分子接觸的機(jī)會(huì)。這就需要在設(shè)計(jì)燃燒室的時(shí)候充分注意其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。（二）熱力燃燒機(jī)理

熱力燃燒過程可以分為三個(gè)步驟：(1)首先是輔助燃料用廢氣（助燃廢氣）或空氣助燃燃燒，以此提供熱量；(2)然后是廢氣與燃燒產(chǎn)生的高溫燃?xì)饣旌?，以達(dá)到反應(yīng)溫度；(3)廢氣在反應(yīng)溫度下，停留一定時(shí)間，使廢氣中可燃的有害組分進(jìn)行氧化分解反應(yīng)，從而得到凈化了的氣體。廢氣與高溫燃?xì)饣旌先剂先紵龔U氣在高溫（反應(yīng)溫度）下駐留足夠時(shí)間廢氣助燃（如廢氣含氧不足16％則改用空氣）輔助燃料

凈化氣體

低濃度有害廢氣熱力燃燒流程

帶能量(熱量)回收裝置的熱燃燒爐（三）熱力燃燒爐的結(jié)構(gòu)熱力燃燒爐的主體結(jié)構(gòu)有兩部分：

一是燃燒器，燃燒輔助燃料以產(chǎn)生高溫燃?xì)?；二是燃燒室，使高溫燃?xì)馀c冷廢氣(旁通廢氣)湍流混合達(dá)到反應(yīng)溫度并保持所需的駐留時(shí)間。然后將已銷毀過而含有大量熱量的廢氣通過熱回收設(shè)施，經(jīng)煙囪排空。

配焰式燃燒系統(tǒng)

圖7—3是一配焰燃燒爐。其特點(diǎn)是輔助燃料在配焰燃燒器中形成許多小火焰，廢氣分別圍繞小火焰進(jìn)入燃燒空，使廢氣與火餡充分接觸，因此能夠迅速均勻混合，以使燃燒完全。因此可以看出，該種燃燒有火焰分散、混合程度高、燃燒凈化效率高等特點(diǎn)。但當(dāng)廢氣貧氧，廢氣中含有易沉積的油焦或顆粒物。輔助燃料為油料時(shí)，這種系統(tǒng)都不適用。圖7－3配焰燃燒器系統(tǒng)離焰式燃燒系統(tǒng)圖7—4是一個(gè)離焰式燃燒系統(tǒng)裝置示意。這種燃燒系統(tǒng)的特點(diǎn)是高溫燃?xì)馀c廢氣的混合是分離開的，而不像配焰系統(tǒng)那樣將火焰與廢氣一起分成許多小股。所以，就混合效果來講，不如配焰系統(tǒng)。但是離焰式燃燒器又具有以下優(yōu)點(diǎn)：由于火焰較長(zhǎng)，不易熄火，輔助燃料既可以使用燃料油，又可使用燃料氣，燃料氣與助燃?xì)怏w的流速可調(diào)幅度大，工作壓力范圍寬。

圖7－4使用離焰燃燒器的燃燒爐燃燒室必須有足夠大的容積(VR)，以為各種流速的空氣和燃燒產(chǎn)物提供必要的停留時(shí)間。式中：A——燃燒室橫截面積(m2)；

t——停留時(shí)間(s)；

Q——高溫下體積流速(m3/s)；

V——?dú)怏w流速(m/s)。為使氣體充分湍流，氣體產(chǎn)物的流速應(yīng)該達(dá)到4.5-7.5m/s。反應(yīng)室的長(zhǎng)度：燃燒室的L/A一般為2-3。對(duì)于小型燃燒室L/A可達(dá)到10。五、催化燃燒

催化燃燒，是利用催化劑使可燃的有害氣體在較低溫度下進(jìn)行氧化分解的方法。一般來講，催化燃燒與熱力燃燒產(chǎn)生同樣的產(chǎn)物和熱量，廢氣的溫升也相同。但由于催化燃燒對(duì)預(yù)熱溫度要求低，所以需要的輔助燃料少，設(shè)備也小而輕。催化燃燒工作原理及工藝流程

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。在催化燃燒過程中，催化劑（催化劑是一種能提高化學(xué)反應(yīng)速率，控制反應(yīng)方向，在反應(yīng)前后本身的化學(xué)性質(zhì)不發(fā)生改變的物質(zhì)。）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)生無焰燃燒，并氧化分解為CO2和H2O，同時(shí)放出大量熱能，從而達(dá)到去除廢氣中的有害物的方法。其反應(yīng)過程為：催化燃燒的工藝組成不同的排放場(chǎng)合和不同的廢氣，有不同的工藝流程。但不論采取哪種工藝流程，都由如下工藝單元組成。

①?gòu)U氣預(yù)處理

②預(yù)熱裝置

③催化燃燒裝置

工藝流程示意圖催化劑的裝載體積（VR），一般用經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法按下列公式求得：式中：Q――所處理的廢氣量(m3/s)；Vsp――空間速度，是指單位時(shí)間通過單位體積催化劑的廢氣量(m