催化燃燒凈化
catalytic combustion purification
先將廢氣預先混合均勻，然后通過催化劑層再使廢氣中的可燃組分發(fā)生氧化放熱反應。由于要求預熱溫度較低(大部分碳氫化合物及一氧化碳在300～450℃的溫度下通過催化層可******氧化)，所需輔助燃料少，設備也小而輕。只適用于含有可燃氣體蒸氣的廢氣凈化，不適用于含有大量塵粒霧滴的廢氣凈化，也不適于甲烷。
催化燃燒過程
在化學反應過程中，利用催化劑降低燃燒溫度，加速有毒有害氣體******氧化的方法，叫做催化燃燒法。由于催化劑的載體是由多孔材料制作的，具有較大的比表面積和合適的孔徑，當加熱到300~450℃的有機氣體通過催化層時，氧和有機氣體被吸附在多孔材料表層的催化劑上，增加了氧和有機氣體接觸碰撞的機會，提高了活性，使有機氣體與氧產生劇烈的化學反應而生成CO2和H2O，同時產生熱量，從而使得有機氣體變成無毒無害氣體。
催化燃燒裝置主要由熱交換器、燃燒室、催化反應器、熱回收系統(tǒng)和凈化煙氣的排放煙囪等部分組成，如右圖所示。其凈化原理是：未凈化氣體在進入燃燒室以前，先經過熱交換器被預熱后送至燃燒室，在燃燒室內達到所要求的反應溫度，氧化反應在催化反應器中進行，凈化后煙氣經熱交換器釋放出部分熱量，再由煙囪排入大氣。
催化燃燒裝置設計時應考慮以下幾方面問題：
1、氣流和溫度均勻分布。要使通過催化劑表面的氣流和溫度分布均勻，并******火焰不直接接觸催化劑表面，燃燒室必需具有足夠的長度和空間。催化燃燒裝置應具有良好的保溫效果。爐體一般用鋼結構的外殼內襯耐火材料，或用雙層夾墻結構。
2、便于清洗和更換。催化劑反應器一般應設計成裝卸方便的模屜結構，便于清洗和更換催化劑載體。
3、輔助燃料和助燃。催化燃燒一般采用天然氣作輔助燃料，也可用燃料油、電加熱等作輔助燃料。助燃一般用凈化后的氣體，如果凈化后的氣體不能作為助燃，則應引入空氣助燃。
4、較高的轉化速度。由于催化燃燒為不可逆的放熱反應，所以，無論反應進行到什么階段，都應在盡可能高的溫度下進行，以獲得較高的轉化速度。但操作溫度往往受某些條件的限制，如催化劑的耐熱溫度、高溫材料的獲得，熱能的供應，以及是否伴有副反應等。因而實際生產中應根據實際情況恰當地選擇。
催化劑
材料和載體
催化劑是一種能改變化學反應速度，而在反應前后其本身的化學性質沒有改變的物質。催化劑通常是由催化活性材料和催化載體構成。催化活性材料一般是金屬或金屬氧化物。其中貴重金屬催化劑主要有鉑、鈀和釕等，普通金屬催化劑主要有銅、鉻、鎳、釩、錳、鐵、鈷等金屬及氧化物。催化載體是多孔材料，主要作用是使活性材料具有大的體表面積。催化載體分為金屬載體、陶瓷載體和炭纖維載體。金屬載體一般是以鎳或鎳鉻合金為載體做成的帶、片、丸、絲等形狀，通過 “電鍍”或 “化學鍍”（即溶液浸漬）將鉑、鈀鍍在這些載體上，并制成便于裝配、拆卸的模屜。以陶瓷為載體的催化劑，一般是以硅—鋁氧化物為載體，其結構有片粒狀和蜂窩狀兩種。一般在陶瓷結構上涂敷一層僅0.13mm厚的α-氧化鋁薄層，把活性的鉑、鈀等金屬催化劑以微晶狀態(tài)沉積或分散在多孔的氧化鋁薄層中，并制成便于裝配、拆卸的模屜。炭纖維載體可制作成線狀、氈狀、網狀等形狀，在載體上涂敷催化活性材料，制成便于裝配、拆卸的模屜。
性能要求
催化劑是催化燃燒法的核心，一種好的催化劑必須具備催化活性高、熱穩(wěn)定性好、強度高、壽命長等特性。
1、活性高。催化劑的活性好壞直接影響催化燃燒的化學轉化率。而轉化率不僅與催化活性材料自身的活性有關，而且與催化載體的物理形狀有著直接關系。所以，在選擇適應的催化活性材料的同時，還必須考慮催化載體的物理形狀，******催化劑有較高的活性，達到催化燃燒凈化的目的。
2、熱穩(wěn)定性好。由于廢氣的溫度隨時變化，如果催化劑不能適應一定范圍內的溫度變化，催化劑的性能***會下降，凈化效率***會降低。因此，催化劑必須具備適應一定范圍內的溫度變化。
3、強度高。在催化燃燒過程中，催化劑往往會因高溫、振動和氣流等因素的作用，使催化劑產生破裂和磨損，破裂和磨損會造成催化劑的活性降低，增加催化劑床層的壓降，影響凈化效果。
4、壽命長。催化活性材料大都比較昂貴，所以，設計時選用催化劑時應盡量使用壽命較長的催化劑。
催化燃燒應用
催化燃燒適用于含有可燃氣體、蒸氣等有毒有害氣體的凈化，但對于含有大量塵粒、霧滴等有毒有害氣體，容易引起催化床層的堵塞，使催化活性下降，從而降低凈化效率。催化燃燒凈化方法，幾乎適用于所有排放烴類或有臭味化合物的工業(yè)生產過程。
催化燃燒實質及催化劑要求
催化燃燒的實質及其優(yōu)勢
催化燃燒是典型的氣—固相催化反應，它借助催化劑降低了反應的活化能，使其在較低的起燃溫度200～ 300℃下進行無焰燃燒，有機物質氧化發(fā)生在固體催化劑表面，同時產生CO2和H2O，并放出大量的熱量，因其氧化反應溫度低，所以大大地抑制了空氣中的N2形成高溫NOx。而且由于催化劑有選擇性催化作用，有可能限制燃料中含氮化合物(RNH)的氧化過程，使其多數形成分子氮(N2)。
與傳統(tǒng)的火焰燃燒相比,催化燃燒有著很大的優(yōu)勢:
(1)起燃溫度低，能耗少，燃燒易達穩(wěn)定，甚至到起燃溫度后無需外界傳熱***能完成氧化反應。
(2)凈化效率高，污染物(如NOx及不******燃燒產物等)的排放水平較低。
(3)適應氧濃度范圍大，噪音小，無二次污染，且燃燒緩和，運轉費用低，操作管理也很方便。
催化劑的類型及性能要求
目前國內外主要研究的催化劑基本上有兩大類:一類為貴金屬催化劑，這類催化劑的活性和穩(wěn)定性好，技術較為成熟，但由于貴金屬******高，資源短缺，所以，未能將其產業(yè)化;另一類為非金屬催化劑，主要集中在過渡金屬氧化物催化劑、復氧化物催化劑(鈣鈦型復氧化物和尖晶石型復氧化物)的研究方面。目前，尋找來源豐富、******低廉、性能相當的非貴金屬催化劑，以替代傳統(tǒng)的貴金屬催化劑用于催化燃燒過程已成為了研究的一個重要方向。
催化燃燒對催化劑的基本要求是:既能抑制燒結、保持活性物質具有較大的比表面積及良好的熱穩(wěn)定性，又要具有一定的活性，可起到催化劑活性組分或助催化劑的作用。這在某種程度上是互相矛盾的，因為研究已經證明氧化物的活性和熱穩(wěn)定性成反比。同時，需有高的機械強度以及對燃料中所含毒素有高的耐腐蝕性。
催化燃燒技術應用
制作催化燃燒式氣體傳感器
催化燃燒氣體傳感器是一種用于檢測因催化劑接觸燃燒作用而產生的燃燒熱的一種氣體傳感器。當可燃氣體一旦與預先加熱了的傳感器相接觸，在傳感器表面***發(fā)生了催化燃燒現象，使傳感器溫度上升，這種溫度變化可通過白金線圈的電阻變化進行檢測。該設備可用于監(jiān)測工業(yè)燃燒爐的燃燒及控制情況，檢測汽車尾氣中未******燃燒物的含量，用于環(huán)境監(jiān)測及可燃氣體泄漏報警，礦井、車船、倉庫等可燃氣體危險品的檢測以及用于催化動力學的研究等方面。
水泥生產中的應用
在水泥工業(yè)中，水泥熟料的煅燒是通過煤的燃燒來實現的，煤的燃燒狀況直接影響到水泥熟料的燃燒效果。煤在催化劑作用下，加速氧化物放氧，使煤炭迅速燃燒，提高燃燒的強度。給水泥煅燒提供了足夠熱能，同時也提高了水泥煅燒熱動力，加速熱傳遞，促進質點、固相、氣相、液相反應，提高了物質擴散速度和相間反應速度。目前已有研究表明，“CHCT”催化劑在水泥熟料煅燒過程中通過對煤炭的催化燃燒可有效促進固相反應、液相反應以及熟料急冷。另有實驗表明，MnO2的催化效果也較好,其******添加量為8%～ 16%，且對水泥熟料的性能不會產生影響。
家用天然氣催化燃燒熱水器
將催化燃燒技術應用于家用熱水器已基本研制成功。其催化劑是以Fe2O3、Co3O4、MnO2為活性組分，Al2O3為載體，催化劑被制成漿液，涂覆在適用于家用熱水器燃燒室大小的整體式堇青石蜂窩陶瓷上。實驗測試表明，在熱交換器沒有充分吸熱的情況下，其熱效率已達83.5%，超過了國家標準(η≥80%);另外，NOx的排放量的體積分數僅為24×10- 6，低于國家標準(< 80× 10- 6),CO含量為0.02%，達到國家標準(0.02%)。
燃氣催化燃燒灶
山東萊州市東升燃具廠已成功研制出屬于我國的燃氣催化燃燒灶。該燃燒灶改變了普通灶具的結構，使空氣與燃氣充分、均勻混合，加快了燃燒速度。其優(yōu)勢體現為:一是高效節(jié)能，節(jié)能45%～ 55%以上，即一罐液化氣可頂原來的兩罐來燒;二是節(jié)時，使用時灶面溫度高達999～ 1200℃ ，比普通爐具節(jié)時45%～ 55%以上;三是衛(wèi)生，因其燃燒充分，爐灶底不會出現黑色，并解除了廚房的膠狀物；四是CO排放量低，僅為0.006%，低于國際標準90%。
催化燃燒應用在燃氣輪機發(fā)電領域
美國在20世紀末***后10年里，天然氣電廠以每年6000MW裝機容量的速率逐年遞增。隨著“西氣東輸”世紀工程的啟動，我國天然氣發(fā)電領域也逐漸與世界接軌，因此對該領域中存在的應用技術問題的探索已是刻不容緩。天然氣燃燒中的環(huán)境問題是由于天然氣的熱值較高，使得燃燒室溫度高達1800℃ ，助燃空氣中的N2發(fā)生高溫氧化，造成NOx污染。它以催化燃燒代替?zhèn)鹘y(tǒng)的火焰燃燒方式,燃燒室溫度被降至1500℃以下,能夠有效地抑制熱效應NOx生成反應的發(fā)生。工業(yè)領域對催化燃燒技術的興趣還在于,催化劑能夠穩(wěn)定貧燃火焰,進行高空燃比燃燒,增大了燃料的利用率;另外，催化劑促進的無焰燃燒,產生的熱流溫度適中，無須冷卻空氣進行稀釋,可直接驅動燃氣輪機,從而提高熱效。因此，催化燃燒應用于燃氣輪機發(fā)電不僅能夠降低對環(huán)境的破壞，還大大提高了燃氣輪機的效率。
催化燃燒應用在汽車尾氣凈化領域
汽車尾氣催化凈化劑其應用原理是在汽車排氣管尾部安裝催化轉化器，CO、HC和NOx借助燃燒催化劑的作用,發(fā)生氧化還原反應而轉化為無毒的CO2、H2O和N2。所用催化劑為通常所說的三效催化劑,既有把NOx還原的功能,同時又有把CO和烴類氧化的功能。在大量過剩氧氣的存在下，具備原位NOx還原能力催化劑的發(fā)展，是對于下一代燃油經濟型發(fā)動機的******挑戰(zhàn)。如果這一點能夠順利實現,商業(yè)化的發(fā)動機可以節(jié)約燃油25%以上。汽車制造商開發(fā)的部分雜合貧燃發(fā)動機,是將在貧油狀態(tài)下產生的NOx儲存在內置于TWC中的一種堿土金屬氧化物(如BaO)中,周期地快速強化空氣—燃油比，將儲存的NOx在TWC上還原。其基本要求為必須使用含硫量低的燃油,以防止SOx吸附于催化劑上而導致催化劑的活性中心中毒。隨著新材料的應用,以及低硫含量(<50μg/g)汽油的推廣生產，這種技術在21世紀具有強大的市場前景。
催化燃燒應用在處理有機廢氣領域
石油化工、油漆、電鍍、印刷、涂料、輪胎制造等工業(yè)的生產過程中都涉及到有機揮發(fā)化合物的使用和排放。有害的有機揮發(fā)物通常是烴類化合物、含氧有機化合物、含氯、硫、磷及鹵素有機化合物，這些揮發(fā)性有機物如不經處理直接排入大氣會造成嚴重的環(huán)境污染。傳統(tǒng)的有機廢氣凈化處理方法(如吸附法、冷凝法、直接燃燒法等)均存在缺陷,如易造成二次污染等。為了克服傳統(tǒng)有機廢氣處理方法的缺陷,人們采用催化燃燒方法來對有機廢氣進行凈化處理。
催化燃燒方法是一種實用簡便的有機廢氣凈化處理技術，該技術是將有機物分子在催化劑表面作用發(fā)生深度氧化轉化為無害的二氧化碳和水的方法,又稱為催化******氧化或催化深度氧化方法。一種發(fā)明為工業(yè)苯廢氣的催化燃燒技術，應用的是低成本的非貴金屬催化劑，催化劑基本由CuO、MnO2、銅錳尖晶石、ZrO2、CeO2、鋯、鈰固溶體構成，可大大降低催化燃燒的反應溫度，提高催化活性，還可以大幅度延長催化劑壽命。一種發(fā)明為催化燃燒催化劑，用于有機廢氣凈化處理的催化燃燒催化劑，由塊狀的蜂窩陶瓷載體骨架與涂覆其上的涂層以及貴金屬活性組分組成。該催化劑的涂層由Al2O3、SiO2和一種或幾種堿土金屬氧化物共同形成的復合氧化物組成，因而具有良好的耐高溫性能，貴金屬活性組分以浸漬法擔載，其有效利用率高。
催化燃燒在加熱爐爐管燒焦上的應用
石油化工中的結焦不僅會使爐管傳熱系數降低、造成局部過熱現象、縮短爐管壽命，而且會降低裝置處理量，嚴重制約裝置的正常運轉，因此需要定期燒焦。計算機控制下蒸汽—空氣在線燒焦是目前國內采用的較為******的技術，但其存在的較大問題是燒焦時間過長。如果在石油化工裝置燒焦過程中，加入一種燒焦助燃劑，***可以通過降低燒焦反應的活化能，大幅度提高燒焦反應速度，***能夠在較低的溫度下，達到縮短燒焦時間的目的。這一技術的研究有了一些突破性的進展。
克羅地亞的INOSd.O.O(Zagreb,Croatia)開發(fā)了一種適用于烴油加熱爐爐管的催化燒焦方法?？捎脕砣〈鷤鹘y(tǒng)的使用蒸汽+空氣的爐管燒焦方法。新方法是在蒸汽中混入催化劑，使燒焦反應熱大大減少,故其燒焦速度比傳統(tǒng)熱燒焦方法快3倍。由于燒焦時間大大縮短，也即減少了停工時間，因而提高了爐子開工率。所用催化劑是一種不含重金屬的無毒化合物，以水溶液形式被注入通入爐管的蒸汽流中，爐溫可由燃燒器控制穩(wěn)定。因燒焦速度快，又不存在超溫過熱的危險，所以使爐管的燒焦操作很容易控制。
催化燃燒在重質燃油燃燒中的應用
重質燃料由于含瀝青質、膠質、大分子磷質較多,因而流動性差、粘稠,造成使用時油壓高，燃燒不充分。燃燒效率低，污染環(huán)境，同時油中還含有一定量的硫、釩化合物，對窯爐、機件的腐蝕也較嚴重。為了節(jié)約能源,更好更廣泛地使用重質燃油,由浙江省湖州埭溪化工廠、湖州市節(jié)能中心及紹興瓷廠等單位協(xié)作研制成功了W型重質燃油助燃劑,取得了良好效果[12]。助燃劑是一種高度濃縮 的燃燒促進劑,在燃燒過程中起催化作用。在燃燒區(qū)與碳元素作用,以防止游離碳的生成。同時它重質燃油有強擴散滲透作用,減少油泥的積沉,增加流動性,使燃油霧化狀態(tài)良好，燃燒效率提高,節(jié)約能源。在防腐方面由于它有呈微堿性，可以抑制硫酸形成，并能防止釩對窯體等的腐蝕，減少環(huán)境污染。
催化燃燒在鋼鐵廠中降低燒結煤耗上的應用
鋼鐵工業(yè)是能源消耗大戶，而燒結工序能耗約占鋼鐵生產總能耗的10%。我國1990年******鋼鐵企業(yè)燒結能耗比國外燒結能耗(標煤55kg/t)高11～ 27kg/t。若按全國燒結產量1億t及生產能耗下降2%，其節(jié)煤(焦)總量相當于一個大中型煤礦一年的產量。酒鋼(集團)鋼鐵研究院、安徽工業(yè)大學與酒鋼(集團)河西堡鐵廠根據河西堡鐵廠燒結用煤和燒結工藝技術特點，提出在河西堡鐵廠燒結原料和技術條件下進行添加催化助燃劑強化燒結的工業(yè)性試驗。此次工業(yè)性試驗結果表明，往焦粉中添加焦量0.137%左右的催化助燃劑每噸燒結礦可節(jié)約焦5.35kg，即節(jié)焦約8.06%。燒結機利用系數增加3.63%，成品率提高3.44個百分點，燒結礦的質量略有改善。催化燃燒技術用于燒結生產，不僅節(jié)能效益顯著，而且產出強度好、FeO含量低的燒結礦，有利于高爐生產，其技術和添加設備并不復雜，投資少，具有很好的應用價值。
催化燃燒在鍋爐中的應用
燃煤鍋爐對大氣的污染已得到公認，某些地區(qū)也已對燃煤鍋爐進行了改造，但目前的改造只是將燃煤鍋爐改為燃氣鍋爐，并沒有改變燃氣鍋爐的傳統(tǒng)火焰燃燒方式。催化燃燒實現了貧燃料的燃燒過程，打破了傳統(tǒng)火焰燃燒的可燃界限,能進一步提高燃氣爐的燃燒效率和熱效率，符合我國“十一五”規(guī)劃低排放、高效率增長方式的要求,是一種很有發(fā)展前景的燃燒技術。
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