有机废气的催化氧化
1. 概述
有机废气的催化氧化， 是消除排放废气中有害物质的一种有效方法。 采用催化剂可以降低氧化反应的活化能， 同时还可提高反应速率。 如前所述， 一般热力氧化的反应温度为800~850℃; 这样， 相对于热力氧化而言， 有机废气的催化燃烧过程就可能在较低的温度水平下进行 (约200~450℃) ， 从而降低了废气净化装置的投资和操作费用， 以及减少燃烧过程中辅助燃料的消耗和氮氧化合物的排放 。 此外，对于一定的催化系统，低的操作温度也降低了所需的定留时间。例如，当净化率达到99%时，催化反应所需定留时间大约为 0. 25s;而热力氧化需要 0. 75~ 1s['] 。催化氧化与热力氧化的反应温度的比较如表1. 1所示。表1. 2列举了一些妊类物质在完全转化时的催化反应温度。
表1.1催化氧化与热力氧化的反应温度的比较(净化率: 99%)[1]
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烃类
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催化氧化/℃
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热力氧化/℃
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烃类
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催化氧化/℃
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热力氧化/℃
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四氯化碳
苯
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226(440°F)
321(610°F)
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843(1550°F)
898(1650°F)
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甲乙酮
氰化氢
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315(600 °F)
248(480 °F)
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787(1450°F）
871(1600°F)
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表. 1。2 一些握类物质的催化反应温度[2]
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烃类
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完全转化的温度/℃
(空速7500/h.浓度5g/Nm3)
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烃类
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完全转化的温度/℃
(空速7500/h.浓度5g/Nm3)
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环氧乙烷
异丙醇
甲醇
正乙烷
环已烷
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230
265
240
320
305
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甲苯
二氯甲烷
四氯化碳
四氯代乙烯
氯苯
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280
370
315
430
390
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对于废气中含 C、 H、 N和 〇的有机化合物情况下，当采用合适的催化剂和工艺方法时，废气经氧化反应后，其反应产物仅为 C02、 H20和 N2。废气催化燃烧中， 毫无例外都用固体催化剂， 即属于非均相催化反应 。 有机废气的催化氧化， 通常主要采用载体催化剂， 即将具有催化活性的组分沉积、 浸渍或涂在的瓷或金属的载体上。 只有在个别情况下才用完全由活性组分做成的催化剂。 催化剂的负荷常用标准状态下的空速表示 。 VOC催化氧化过程所需的催化剂用量取决于空速的大小 。 空速愈高， 则表示催化剂的反应能力愈大， 从而为达到 VOC一定的脱除率所需催化剂容积就小 。 如果废气中所含 VOC是多组分混合物， 则空速应该按最难氧化的组分来选取， 通常由试验确定 。 对一定应用目的所要求催化剂的量， 可以通过审慎地选择空速、 载体类型、 孔密度和催化剂的成型来进行优化。 对于有机废气的催化燃烧来讲，空速一般5000~20000Nm3/(h· m3)之间。废气催化燃烧 VOC的净化率可达98%，甚至更高。净化率99%也是可以达到的，但由于要求提高温度和增加催化剂容积， 使得在技术和经济上难以实现 。 VOC的净化率是与许多因素有关，诸如:催化剂类型、比表面积、 VOC的种类、浓度、停留时间、气流的混合状况、 气流通过催化剂床层的均匀性、 氧浓度和反应温度等 。 废气催化净化方法成效与否， 关键是要有足够的工程经验数据和中间试验结果， 以及选择活性好的和稳定的催化剂 。 采用催化燃烧法进行废气净化的一些应用领域及所要处理的溶剂如表1. 3和表1. 4所示。
表1·3 催化报烧法的应用领域举例 I「3l
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应用领域
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有害物质
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燃烧温度/℃
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转化率/%
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种类
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总碳法度
/ (mgC/Nm3 )
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深包线生产
饲料干操
印刷厂
PVC加工
制动衬垫塾干燥
金属除层
淀粉干燥
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溶剂
胺等
溶剂
增塑剂
酚等
溶剂
烯烃 ，亚硝酸盐等
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约7000
约70
<3000
1500
280
<540
<200
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300~350
410
380
380
380
360
400
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>97
约71
约99
83~90
76
77
约70
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表 1·4 催化燃烧法的应用领域及 VOC类型举例 ]I[1]
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应用领域
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VOC的类型
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制罐、桶涂层
金属涂层
汽车喷漆烘干
手套生产
邻苯二酸酐生产
软包装
丸药涂层
乙烯基涂料
酚生产
薄膜涂层
甲醛生产
防腐包装
印刷
电子元件
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甲基异丁基甲酮 ，矿油精，异佛尔酮，丁基溶纤剂
丁酮 ·甲基异丁基甲酮，甲苯 ，异丁醇
丁酮，甲苯 .二甲苯
甲醛，苯酚类
邻苯二酸酐，顺式丁烯二酸酐
醋酸类，醇类，甲酮类
醇类
甲酮类，芳烃类
对异丙基苯 ，丙酮
甲酮类
甲基醚 ，一氧化碳，甲醇，甲醛
醇类，醋酸类
油墨
丁酮，溶纤剂
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目前， 有机废气催化燃烧净化装置大都采用直通式的陶瓷蜂窝填料作为载体催化剂， 这样压降可以低些 。 除此以外也有用颗粒催化剂或涂催化剂的金属网 。
有机废气催化净化装置的类型很多。 在净化 VOC废气领域内， 常按热量是否回收， 以及热量回收的方式来区分 。
①无热量回收的催化氧化器，也称催化焚烧炉(Catalytic Oxidizer或 Catalytic Incinerator);
②带间壁式换热器的催化氧化器(Catalytic Recuperative Oxidizer);
③蓄热式催化氧化器(Regenerative Catalytic Oxidizer， RCO)，其结构类型与第4章所讲的 RT0完全一样，不过在蓄热体上部添加适量催化剂 。
当然也可从反应器类型来区分， 例如: 固定床催化氧化器， 流化床催化氧化器和旋转式催化氧化器等 。
图5.2 固定床(a)和流化床(b)催化反应器示意图
由于有机废气的温度一般都低于需要的反应温度， 因此当废气进入催化剂床层之前必须预热， 使其达到催化反应所需的入口温度 。 预热所需热量应尽量利用反应后净化气的热量 。 通常先用换热器来进行废气与净化气之间的换热， 以及在必要时再经辅助燃烧器将其加热到催化反应所需的温度，即反应起始温度或起燃温度。辅助燃烧器是用于装置开工和补充必要的能量 。 经预热后的废气通过催化反应器， 并经氧化放热反应使其进一步加热 。 若净化气的热量经利用后还有余热， 则在排入大气前再用换热器使其冷却， 从而可用来生产热水、 加热导热油等。 因为催化燃烧与前面讲的蓄热式热力燃烧相比， 反应温度几乎下降了一半， 甚至更多， 所以如果再用蓄热式催化反应器， 则在相同条件下催化燃烧可在更低的废气浓度时 (0. 5g/ m3 ) 实现自供热操作[4] 。 采用催化燃烧可以大大减少或不用辅助燃料， 从而也减少了额外的 NOx和 C〇2的排放。
催化焚烧的性能主要与反应温度和空速有关。
通常的温度范围:贵金属催化剂300~450℃;金属氧化物催化剂200~300℃; 不允许超过催化剂所能承受的温度 。通常的空速范围: 贵金属催化剂 30000~ 40000h-1 ; 金属氧化物催化剂10000~150 00h-1 。一般催化焚烧炉适用于: 气体处理量100~20000m3/h; 如果采用蓄热式催化焚烧，则处理量可至100000m3/h;所处理 VOC的浓度通常比带问壁式热力焚烧炉低 。虽然催化燃烧与其他方法相比具有许多优点， 特别是大大降低了反应温度， 但是必须计及催化剂的费用， 以及为了防止催化剂的中毒和堵塞， 对废气要进行一系列的预处理所增加的费用 。 一般不允许废气中夹带颗粒尘埃、 重金属、 氯化烃类和含硅有机化合物 。 因此， 在选择热力燃烧还是催化燃烧时， 应进行全面的技术和经济评价 。
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