催化燃烧机理.doc

催化燃烧的原理
    催化燃烧是借助催化剂在低温下(200～400℃)下，实现对有机物的完全氧化，因此，能耗少，操作简便，安全，净化效率高，在有机废气特别是回收价值不大的有机废气净化方面，比如化工，喷漆、绝缘材料、漆包线、涂料生产等行业应用较广，已有不少定型设备可供选用。
    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+B→C是通过中间活性结合物(AB)过渡而成的，即：
A+B→[AB]→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+2K→[AK]+[BK]→[CK]+K→C+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。
    ①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。
    ②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。
    ③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16－13)，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。

图16－13  催化焚烧炉的构造
    在有机物废气的催化燃烧中，所要处理的有机物废气在高温下与空气混合易引起爆炸，安全问题十分重要。因而，一方面必须控制有机物与空气的混合比，使之在爆炸下限；另一方面，催化燃烧系统应设监测报警装置和有防爆措施。
    二、催化燃烧用催化剂
    由于有机物催化燃烧的催化剂分为贵金属以铂、钯为主)和贱金属催化剂。贵金属为活性组分的催化剂分为全金属催化剂和以氧化铝为载体的催化剂。全金属催化剂是以镍或镍铬合金为载体，将载体做成带、片、丸、丝等形状，采用化学镀或电镀的方法，将铂、钯等贵金属沉积其上，然后做成便于装卸的催化剂构件。由氧化铝作载体的贵金属催化剂，一般是以陶瓷结构作为支架，在陶瓷结构上涂覆一层仅有0．13mm的α-氧化铝薄层，而活性组分铂、钯就以微晶状态沉积或分散在多孔的氧化铝薄层中。
    但由于贵金属催化剂价格昂贵，资源少，多年来人们特别注重新型的、价格较为便宜的催化剂的开发研究，我国是世界上稀土资源最多的国家，我国的科技工作者研究开发了不少稀土催化剂，有些性能也较好。
    三、催化剂中毒与老化
在催化剂使用过程中，由于体系中存在少量杂质，可使催化剂的活性和选择性减小或者消失，这种现象叫催化剂中毒。这些能使催化剂中毒的物质称之为催化剂毒物，这些毒物在反应过程中或强吸附在活性中心上，或与活性中心起化学作用而变为别的物质，使活性中心失活。
    毒物通常是反应原料中带来的杂质，或者是催化剂本身的某些杂质，另外，反应产物或副产物本身也可能对催化剂毒化，一般所指的是硫化物如H2S、硫氧化碳、RSH等及含氧化合物如H2O、CO2、O2以及含磷、砷、卤素化合物、重金属化合物等。
    毒物不单单是对催化剂来说的，而且还针对这个催化剂所催化的反应，也就是说，对某一催化剂，只有联系到它所催化的反应时，才能清楚什么物质是毒物。即使同一种催化剂，一种物质可能毒化某一反应而不影响另一反应。
    按毒物与催化剂表面作用的程度可分为暂时性中毒和永久性中毒。暂时性中毒亦称可逆中毒，催化剂表面所吸附的毒物可用解吸的办法驱逐，使催化剂恢复活性，然而这种可再生性一般也不能使催化剂恢复到中毒前的水平。永久性中毒称不可逆中毒，这时，毒物与催化剂活性中心生成了结合力很强的物质，不能用一般方法将它去除或根本无法去除。
    催化剂的老化主要是由于热稳定性与机械稳定性决定的，例如低熔点活性组分的流失或升华，会大大降低催化剂的活性。催化剂的工作温度对催化剂的老化影响很大，温度选择和控制不好，会使催化剂半熔或烧结，从而导致催化剂表面积的下降而降低活性。另外，内部杂质向表面的迁移，冷热应力交替所造成的机械性粉末被气流带走。所有这些，都会加速催化剂的老化，而其中最主要的是温度的影响，工作温度越高，老化速度越快。因此，在催化剂的活性温度范围内选择合适的反应温度将有助于延长催化剂的寿命。但是，过低的反应温度也是不可取的，会降低反应速率。
为了提高催化剂的热稳定性，常常选择合适的耐高温的载体来提高活性组分的分散度，可防止其颗粒变大而烧结，例如以纯铜作催化剂时，在200℃即失去活性，但如果采用共沉积法将Cu载于Cr2O3载体上，就能在较高的温度下保持其活性。

催化燃烧法是借助催化剂使有机物废气在较低的起燃温度条件下进行无焰燃烧分解为二氧化碳和水蒸汽,并放出大量热能,用化学式表示如下：

在催化燃烧中,催化剂的作用是: 提高反应速率;降低反应温度;减少反应器的体积。目前用于催化燃烧的催化剂除铂、钯类贵金属外,非金属催化剂的研制与应用也日益广泛。对于碳氢化合物和一氧化碳,催化剂的活性顺序为：
Pd > Pt > CO3O4 > PdO > CrO3 > Mn2O3 > CuO > CeO2 > Fe2O3 > V2O5 > NiO > Mo2O3 > TiO2
在催化剂的性能指标中,空间速度Vs表示催化装置处理废气的能力,其定义式为:

催化燃烧主要流程：

有机废气的浓度必须控制在相应有机物爆炸极限的25%以下,当有机废气浓度有可能超过此值时,应安装野风阀将其冲淡到安全值。因此在设计中应采用灵敏可靠的温度、浓度测定装置,以随时进行人工或自动调节。
为防止有机废气在催化剂床层上燃烧时的火焰蔓延,应在有机废气进入净化装置前安装阻火器。目前较多采用干式阻火器,阻火材料通常为玻璃球、砾石、多孔金属板、金属丝网等。
(1) 催化燃烧净化装置点火前,必须用空气将风道、燃烧室等吹扫干净,以消除可能聚集在这些部位的可燃气体,防止点火时发生起火或爆炸。
(2) 设备中可能积存有油污、凝液等可燃物质,它们在设备开始运行加热时会汽化成为可燃、可爆的气体,从而有可能导致爆炸。因此在点火前应将这些物质清除干净。
(3) 点火时应以火等气,不能以气等火。

有机物RH在催化剂作用下完成氧化，一般需经过以下步骤：
1. 反应物分子由气相扩散到催化剂表面；
2. 通过细孔由外表面向内表面扩散；
3. 克服气固界面膜的阻力被催化剂表面的活性部位吸附(至少吸附一种反应物)；
4. 被活化的吸附物与另一种活化的吸附物、或物理吸附物、或直接来自气相之间的反应物进行化学反应；
5. 反应物从催化剂表面脱附
6. 脱附物通过细孔想催化剂外表扩散；
7. 有外表面向气相扩散。
多数工业气相反应总速度都受催化剂内扩散或催化剂与流体之间的传热速度所控制。