催化燃燒的原理

 

催化燃燒是借助催化劑在低溫下(200～400℃)下，實現(xiàn)對有機物的完全氧化，因此，能耗少，操作簡便，安全，凈化效率高，在有機廢氣特別是回收價值不大的有機廢氣凈化方面，比如化工，噴漆、絕緣材料、漆包線、涂料生產(chǎn)等行業(yè)應(yīng)用較廣，已有不少定型設(shè)備可供選用。

一、催化原理及裝置組成
(1) 催化劑定義 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)。
(2) 催化作用機理 催化作用的機理是一個很復(fù)雜的問題，這里僅做簡介。在一個化學(xué)反應(yīng)過程中，催化劑的加入并不能改變原有的化學(xué)平衡，所改變的僅是化學(xué)反應(yīng)的速度，而在反應(yīng)前后，催化劑本身的性質(zhì)并不發(fā)生變化。那么，催化劑是怎樣加速了反應(yīng)速度呢了既然反應(yīng)前后催化劑不發(fā)生變化，那么催化劑到底參加了反應(yīng)沒有實際上，催化劑本身參加了反應(yīng)，正是由于它的參加，使反應(yīng)改變了原有的途徑，使反應(yīng)的活化能降低，從而加速了反應(yīng)速度。例如反應(yīng)A+B→C是通過中間活性結(jié)合物(AB)過渡而成的，即： A+B→[AB]→C 其反應(yīng)速度較慢。當(dāng)加入催化劑K后，反應(yīng)從一條很容易進(jìn)行的途徑實現(xiàn)： A+B+2K→[AK]+[BK]→[CK]+K→C+2K 中間不再需要[AB]向C的過渡，從而加快了反應(yīng)速度，而催化劑并未改變性質(zhì)。
(3) 催化燃燒的工藝組成 不同的排放場合和不同的廢氣，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 廢氣預(yù)處理 為了避免催化劑床層的堵塞和催化劑中毒，廢氣在進(jìn)入床層之前必須進(jìn)行預(yù)處理，以除去廢氣中的粉塵、液滴及催化劑的毒物。 ② 預(yù)熱裝置 預(yù)熱裝置包括廢氣預(yù)熱裝置和催化劑燃燒器預(yù)熱裝置。因為催化劑都有一個催化活性溫度，對催化燃燒來說稱催化劑起燃溫度，必須使廢氣和床層的溫度達(dá)到起燃溫度才能進(jìn)行催化燃燒，因此，必須設(shè)置預(yù)熱裝置。但對于排出的廢氣本身溫度就較高的場合，如漆包線、絕緣材料、烤漆等烘干排氣，溫度可達(dá)300℃以上，則不必設(shè)置預(yù)熱裝置。 預(yù)熱裝置加熱后的熱氣可采用換熱器和床層內(nèi)布管的方式。預(yù)熱器的熱源可采用煙道氣或電加熱，目前采用電加熱較多。當(dāng)催化反應(yīng)開始后，可盡量以回收的反應(yīng)熱來預(yù)熱廢氣。在反應(yīng)熱較大的場合，還應(yīng)設(shè)置廢熱回收裝置，以節(jié)約能源。 預(yù)熱廢氣的熱源溫度一般都超過催化劑的活性溫度。為保護催化劑，加熱裝置應(yīng)與催化燃燒裝置保持一定距離，這樣還能使廢氣溫度分布均勻。 從需要預(yù)熱這一點出發(fā)，催化燃燒法最適用于連續(xù)排氣的凈化，若間歇排氣，不僅每次預(yù)熱需要耗能，反應(yīng)熱也無法回收利用，會造成很大的能源浪費，在設(shè)計和選擇時應(yīng)注意這一點。
③ 催化燃燒裝置 一般采用固定床催化反應(yīng)器。反應(yīng)器的設(shè)計按規(guī)范進(jìn)行，應(yīng)便于操作，維修方便，便于裝卸催化劑。 在進(jìn)行催化燃燒的工藝設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)具體情況，對于處理氣量較大的場合，設(shè)計成分建式流程，即預(yù)熱器、反應(yīng)器獨立裝設(shè)，其間用管道連接。對于處理氣量小的場合，可采用催化焚燒爐(見圖16－13)，把預(yù)熱與反應(yīng)組合在一起，但要注意預(yù)熱段與反應(yīng)段間的距離。 圖16－13 催化焚燒爐的構(gòu)造 在有機物廢氣的催化燃燒中，所要處理的有機物廢氣在高溫下與空氣混合易引起爆炸，安全問題十分重要。因而，一方面必須控制有機物與空氣的混合比，使之在爆炸下限；另一方面，催化燃燒系統(tǒng)應(yīng)設(shè)監(jiān)測報警裝置和有防爆措施。

二、催化燃燒用催化劑 由于有機物催化燃燒的催化劑分為貴金屬(以鉑、鈀為主)和賤金屬催化劑。貴金屬為活性組分的催化劑分為全金屬催化劑和以氧化鋁為載體的催化劑。全金屬催化劑是以鎳或鎳鉻合金為載體，將載體做成帶、片、丸、絲等形狀，采用化學(xué)鍍或電鍍的方法，將鉑、鈀等貴金屬沉積其上，然后做成便于裝卸的催化劑構(gòu)件。由氧化鋁作載體的貴金屬催化劑，一般是以陶瓷結(jié)構(gòu)作為支架，在陶瓷結(jié)構(gòu)上涂覆一層僅有0．13mm的α-氧化鋁薄層，而活性組分鉑、鈀就以微晶狀態(tài)沉積或分散在多孔的氧化鋁薄層中。 但由于貴金屬催化劑價格昂貴，資源少，多年來人們特別注重新型的、價格較為便宜的催化劑的開發(fā)研究，我國是世界上稀土資源最多的國家，我國的科技工作者研究開發(fā)了不少稀土催化劑，有些性能也較好。

三、催化劑中毒與老化在催化劑使用過程中，由于體系中存在少量雜質(zhì)，可使催化劑的活性和選擇性減小或者消失，這種現(xiàn)象叫催化劑中毒。這些能使催化劑中毒的物質(zhì)稱之為催化劑毒物，這些毒物在反應(yīng)過程中或強吸附在活性中心上，或與活性中心起化學(xué)作用而變?yōu)閯e的物質(zhì)，使活性中心失活。 毒物通常是反應(yīng)原料中帶來的雜質(zhì)，或者是催化劑本身的某些雜質(zhì)，另外，反應(yīng)產(chǎn)物或副產(chǎn)物本身也可能對催化劑毒化，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、鹵素化合物、重金屬化合物等。 毒物不單單是對催化劑來說的，而且還針對這個催化劑所催化的反應(yīng)，也就是說，對某一催化劑，只有聯(lián)系到它所催化的反應(yīng)時，才能清楚什么物質(zhì)是毒物。即使同一種催化劑，一種物質(zhì)可能毒化某一反應(yīng)而不影響另一反應(yīng)。
按毒物與催化劑表面作用的程度可分為暫時性中毒和永久性中毒。暫時性中毒亦稱可逆中毒，催化劑表面所吸附的毒物可用解吸的辦法驅(qū)逐，使催化劑恢復(fù)活性，然而這種可再生性一般也不能使催化劑恢復(fù)到中毒前的水平。永久性中毒稱不可逆中毒，這時，毒物與催化劑活性中心生成了結(jié)合力很強的物質(zhì)，不能用一般方法將它去除或根本無法去除。 催化劑的老化主要是由于熱穩(wěn)定性與機械穩(wěn)定性決定的，例如低熔點活性組分的流失或升華，會大大降低催化劑的活性。催化劑的工作溫度對催化劑的老化影響很大，溫度選擇和控制不好，會使催化劑半熔或燒結(jié)，從而導(dǎo)致催化劑表面積的下降而降低活性。
另外，內(nèi)部雜質(zhì)向表面的遷移，冷熱應(yīng)力交替所造成的機械性粉末被氣流帶走。所有這些，都會加速催化劑的老化，而其中最主要的是溫度的影響，工作溫度越高，老化速度越快。因此，在催化劑的活性溫度范圍內(nèi)選擇合適的反應(yīng)溫度將有助于延長催化劑的壽命。但是，過低的反應(yīng)溫度也是不可取的，會降低反應(yīng)速率。 為了提高催化劑的熱穩(wěn)定性，常常選擇合適的耐高溫的載體來提高活性組分的分散度，可防止其顆粒變大而燒結(jié)，例如以純銅作催化劑時，在200℃即失去活性，但如果采用共沉積法將Cu載于Cr2O3載體上，就能在較高的溫度下保持其活性。