催化燃烧基本原理和案例

   从2016年开始,国家加强了对挥发性有机物(VOCs排放,相继出台了《京津冀及周边地区2017年大气污染防治工作方案》、《重点行业挥发性有机物削减行动计划》等措施,以全面推进石化、医药、汽车、包装印刷等行业挥发性有机物(VOCs)的综合整治。催化燃烧技术作为一种高效净化技术,越来越受到环保行业的重视,使得催化燃烧设备的使用越来越普及,带动了催化燃烧技术的核心部件催化剂的发展

1.  VOCs催化燃烧基本原理

催化燃烧的本质就是燃烧,从化学角度来说燃烧反应就是深度氧化反应,燃烧反应发生的化学反应与深度氧化反应是一样,VOCs经过燃烧(或催化燃烧)生成二氧化碳和水,燃烧过程放出的热量和深度氧化反应是一样的。基本反应如下:

VOCs + O2 == CO2+ H2O + Q  

 

                          

催化剂的定义:

催化剂是一种加快化学反应速率,本身的质量和化学性质在反应前后都没有发生变化的物质。催化剂不改变化学反应的热力学,只改变化学反应的动力学,其本质就是降低化学反应的活化能,加快化学反应的发生。在VOCs氧化反应中就是降低反应温度。这也是热力燃烧(TORTO)需要800 oC甚至更高的温度,而催化燃烧通常只要350 oC左右的科学道理。

 

 

 

2.   VOCs催化剂

催化剂性能通俗的说就是降低反应温度的幅度,在实际工业使用中,催化剂性能体现在使用温度,使用寿命、和抗中毒性能。由于这些问题在早期的文章中已有介绍,这里就不展开了。

但是,这里需要说明的是,催化剂是高科技产品,开发一个催化剂需要大量的科研投入的。比如一个实验室性能非常好的催化剂,很有可能无法产业化。讲一个非常简单的例子,搞催化研究的都知道,上世纪八十年代日本的Haruta教授发现的负载金催化剂对一氧化碳(CO)氧化超高活性,实验室可以在第一冰点(oC)将CO高效氧化成二氧化碳(CO2)。然而,早些年,燃气热水器市场中有一款消除CO的燃气热水器,烟道气排出口处装了一块催化剂模块,烟道气温度大约在120 oC左右,“测试初期一氧化碳浓度为0,持续了大概10分钟浓度到达6ppm,浓度最高的时候达到26ppm。”,说明催化剂的活性下降很快。这就是实验室催化剂和现实应用中的差距。

有人说,VOCs反应就是燃烧反应,只要用上催化剂就可以了,事实上由于VOCs的化学成分不一样,要求催化剂性能会有天壤之别。比如丙烷催化燃烧,普通的贵金属催化剂在实验室条件下400 oC很难有效催化,而丙烯200 oC就能完全消除了。当然,催化燃烧也不是万能的,在实际应用中需针对适合催化燃烧场合。

3.    催化燃烧设备案例

催化燃烧设备的性能是发挥催化剂性能的关键,催化燃烧设备看起来简单,但是里面也涉及很多科学问题,比如气流分布、温度分布、热量回用。更为重要的是如何与业主的工况相匹配。

下面讲一个减排节能的案例,东阳市某塑料有限公司的塑料印刷过程的VOCs处理,两台印刷机,共用一台催化燃烧炉。

 

为催化燃烧设备工艺流程,催化燃烧风量4500m3/h,催化剂装量300L,分别为贵金属催化剂150L,稀土过渡金属催化剂150L。不但催化燃烧设备做到无能耗运行(除了风机),而且把热交换器出口的200oC高温气体利用起来,回送到到印刷机,做到印刷机也不需要供热。这个设备相当于一台加热炉,把VOCs废气处理的同时产生热量,大大降低了业主的能量消耗。

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