催化燃烧处理有机废气和恶臭气体

目录1、VOCs和恶臭气体...........................................................................................21.1定义..........................................................................................................21.2来源..........................................................................................................21.3危害..........................................................................................................32、催化燃烧技术..................................................................................................32.1定义..........................................................................................................32.2原理..........................................................................................................32.3催化燃烧的特点......................................................................................43、催化剂..............................................................................................................43.1催化剂种类..............................................................................................43.2催化剂载体及负载方式..........................................................................53.3催化剂失活与防止..................................................................................63.3.1催化剂失活...................................................................................63.3.2催化剂失活的防止.......................................................................64、燃烧动力学......................................................................................................65、催化燃烧工艺流程..........................................................................................76、催化燃烧热平衡..............................................................................................87、催化燃烧的应用..............................................................................................98、催化燃烧新技术............................................................................................109、工程案例：催化燃烧法在污水处理场的应用............................................10参考文献..............................................................................................................141、VOCs和恶臭气体1.1定义VOCs是指沸点在50-260℃、室温下饱和蒸气压超过133.3Pa的易挥发性有机化合物，包括烃类、卤代烃、芳香烃、多环芳香烃等，主要来自石油化工、制药、印刷、喷漆、机动车、制鞋等行业排放的废气。多数的VOCs具有刺激性气味且有毒性或剧毒,这样的VOCs可以称为VOCs恶臭污染物质。1.2来源VOCs恶臭物质来源于生活和工业生产等方面。生活源主要有粪便处理、生活垃圾等;工业有害废气来自于以煤、石油、天然气为燃料或原料的工业,或者与之有关的化工企业。例如:石油加工、炼油、炼焦、煤气、化肥、制药、造纸、合成材料等行业。可将其来源大致归纳为表1所示。表2为工业中排放的VOCs恶臭物质的主要种类,其中芳香烃、醇类、酯类等作为工业溶剂被广泛使用,因而排放量很大,对人体和环境危害较大。1.3危害该类有机物废气是对人体健康有害的污染物，常伴随着异味、恶臭散发在空气中，对人的眼、鼻、呼吸道有刺激作用，对心、肺、肝等内脏及神经系统产生有害影响，甚至造成急性和慢性中毒，可致癌、致突变。而且会与大气中的NO2反应生成O3，使低空大气中O3浓度升高，形成光化学烟雾，危害人体健康和导致农作物减产。此外，VOCs的污染范围不仅仅局限在一个城市或国家内，随着它的扩散与迁移，可以引起包括酸雨、臭氧层破坏、大气变暖等全球环境问题，具有跨国性和全球性。因此，VOCs被视为继粉尘之后的第二大类量大面广的大气污染物，VOCs的净化治理也逐步成为了大气污染治理中非常重要的一部分。2、催化燃烧技术2.1定义催化燃烧技术是指在较低温度下，在催化剂的作用下使废气中的可燃组分彻底氧化分解，从而使气体得到净化处理的一种废气处理方法。2.2原理催化燃烧是典型的气-固相催化反应,其实质是活性氧参与深度氧化作用。在催化燃烧过程中,催化剂的作用是降低反应的活化能,同时使反应物分子富集于催化剂表面,以提高反应速率。借助催化剂可使有机废气在较低的起燃温度条件下发生无焰燃烧,并氧化分解为CO2和H2O,同时放出大量热。2.3催化燃烧的特点1、起燃温度低,节省能源有机废气催化燃烧与直接燃烧相比,具有起燃温度低、能耗低的显著特点。在某些情况下,催化燃烧达到起燃温度后便无需外界供热。2、适用范围广催化燃烧几乎可以处理所有的烃类有机废气及恶臭气体。对于有机化工、涂料、绝缘材料等行业排放的低浓度、多成分、无回收价值的废气,采用吸附--催化燃烧法的处理效果更好。3、处理效率高,无二次污染用催化燃烧法处理有机废气的净化率一般都在95%以上,最终产物为无害的CO2和H2O(杂原子有机化合物还有其他燃烧产物),且由于燃烧温度低,能大量减少NOX的生成,因此不会造成二次污染。但是其缺点是工艺条件要求严格，不允许废气中含有影响催化剂寿命和处理效率的尘粒和雾滴，也不允许有使催化剂中毒的物质，以防催化剂中毒，因此采用催化燃烧技术处理有机废气必须对废气作前处理。同时该法不适于处理燃烧过程中产生大量硫氧化物和氮氧化物的废气。3、催化剂3.1催化剂种类燃烧型催化剂的种类比较多,按活性成分大体可分为贵金属催化剂、过渡金属氧化物催化剂和复氧化物催化剂3大类。1、贵金属催化剂。Pt、Pb、Ru等是典型的贵金属催化剂，这类催化剂通常负载在载体上,其活性高、选择性好。但由于其资源稀少、价格昂贵，且处理含氯和含硫的VOCs时很容易中毒，因而仅适用于处理不含氯和硫的VOCs。由于金属催化剂的高活性，催化燃烧VOCs时起燃温度可低至100-200℃。例如以硼为载体的Pt催化剂处理含戊烷、正己烷、苯、甲苯混合物的VOCs时，其起燃温度只有100℃，要达到90%的转化率也只需200℃左右。如果采用微乳法、气相沉积来制备贵金属催化剂，其活性更高。PtPd2、过渡金属氧化物催化剂作为贵金属催化剂的取代品，氧化性较强的过渡金属氧化物对CH4等烃类和CO的氧化反应都具有较高的催化活性，且成本较低，常见的有MnOx、CoOx和CuOx等催化剂。3、复氧化物催化剂一般认为，复氧化物之间由于存在结构或电子调变等相互作用，其催化活性比相应的单一氧化物要高。复氧化物催化剂主要有以下两大类。(1)钙钛矿型复氧化物稀土与过渡金属氧化物在一定条件下可以形成具有天然钙钛矿型的复合氧化物，通式为ABO3，其活性明显优于相应的单一氧化物。A为四面体型结构，B为八面体形结构；A和B形成交替立体结构，易于取代而产生晶格缺陷，即催化活性中心位，表面晶格氧提供高活性的氧化中心，从而实现深度氧化反应。常见的该类型催化剂有BaCuO3、LaMnO3等。(2)尖晶石型复氧化物尖晶石型是复氧化物的一种重要结构类型，通式为AB2O4，具有优良的深度氧化催化活性。如其对CO的催化燃烧起燃点约为80℃，对烃类亦可在低温区实现完全氧化；研究最为活跃的是CuMn2O4。尖晶石对芳烃燃烧的催化活性尤为出色，使C7H8完全燃烧只需260℃，实现了低温催化燃烧。尖晶石型复氧化物的低温催化燃烧特性具有特别现实的意义。3.2催化剂载体及负载方式VOCs净化催化剂的载体主要有两类:一类是球状或片状;另一类是整体式多孔蜂窝状。催化剂活性组分可通过下列方式沉积在载体上:①电沉积在缠绕或压制的金属载体上;②沉积在颗粒状陶瓷材料上;③沉积在蜂窝结构的陶瓷材料上。金属载体的优点是导热性能好、机械强度高,缺点是比表面积较小；颗粒状载体的优点是比表面积大，缺点是压降大以及因载体间相互摩擦而造成活性组分磨耗损失；蜂窝陶瓷载体是比较理想的载体形式，具有很大的比表面积，压力降较片状、粒状、柱状载体低，机械强度高，耐磨、耐热冲击能力强。3.3催化剂失活与防止3.3.1催化剂失活催化剂在使用过程中随着时间的延长活性会逐渐下降,直至失活。催化剂失活主要有以下3种类型。（1）催化剂完全失活。使催化剂失活的毒物包括快速作用毒物和慢速作用毒物两大类。快速作用毒物主要有P、As等；慢速作用毒物有Pb、Zn等。通常情况下，催化剂失活是由于毒物与活性组分化合或熔成合金。对于快速作用毒物来说，即使只有微量，也能使催化剂迅速失活。（2）抑制催化反应。卤素和硫的化合物易与活性中心结合，但这种结合是比较松弛、可逆且暂时性的，当废气中的这类物质被去除后，催化剂活性可以恢复。（3）沉积覆盖活性中心。不饱和化合物的存在可导致炭沉积，此外，陶瓷粉尘、铁氧化合物及其它颗粒物堵塞活性中心后，也会影响催化剂的吸附与解吸能力，导致催化剂活性下降。3.3.2催化剂失活的防止对催化剂活性的衰减,可以采取下列相应的措施加以防止:①按操作规程正确控制反应条件;②当催化剂表面结炭时,应吹入新鲜空气,以提高燃烧温度,烧去表面结炭;③将废气进行预处理,以除去毒物,防止催化剂中毒;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。4、燃烧动力学当有机废气在金属氧化物催化剂上燃烧时,CnHm的氧化反应是经过表面