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催化燃烧基本原理
更新时间:2022-12-02 17:43:07
催化燃烧是借助催化剂在低温下(200~400℃)下,实现对有机物的******氧化,因此,能耗少,操作简便,安全, 净化效率高....
催化燃烧是借助催化剂在低温下(200~400℃)下,实现对有机物的******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***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***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,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。
     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******,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******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***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******昂贵,资源少,多年来人们特别注重新型的、******较为便宜的催化剂的开发研究,我国是世界
上稀土资源***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的杂质,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***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******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。******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***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,***能在较高的温度下保持其活性。


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