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催化燃燒基本原理和案例

   從2016年開始,國家加強了對揮發性有機物(VOCs排放,相繼出臺了《京津冀及周邊地區2017年大氣污染防治工作方案》、《重點行業揮發性有機物削減行動計劃》等措施,以全面推進石化、醫藥、汽車、包裝印刷等行業揮發性有機物(VOCs)的綜合整治。催化燃燒技術作為一種高效凈化技術,越來越受到環保行業的重視,使得催化燃燒設備的使用越來越普及,帶動了催化燃燒技術的核心部件催化劑的發展

1.  VOCs催化燃燒基本原理

催化燃燒的本質就是燃燒,從化學角度來說燃燒反應就是深度氧化反應,燃燒反應發生的化學反應與深度氧化反應是一樣,VOCs經過燃燒(或催化燃燒)生成二氧化碳和水,燃燒過程放出的熱量和深度氧化反應是一樣的。基本反應如下:

VOCs + O2 == CO2+ H2O + Q  

 

                          

催化劑的定義:

催化劑是一種加快化學反應速率,本身的質量和化學性質在反應前后都沒有發生變化的物質。催化劑不改變化學反應的熱力學,只改變化學反應的動力學,其本質就是降低化學反應的活化能,加快化學反應的發生。在VOCs氧化反應中就是降低反應溫度。這也是熱力燃燒(TORTO)需要800 oC甚至更高的溫度,而催化燃燒通常只要350 oC左右的科學道理。

 

 

 

2.   VOCs催化劑

催化劑性能通俗的說就是降低反應溫度的幅度,在實際工業使用中,催化劑性能體現在使用溫度,使用壽命、和抗中毒性能。由于這些問題在早期的文章中已有介紹,這里就不展開了。

但是,這里需要說明的是,催化劑是高科技產品,開發一個催化劑需要大量的科研投入的。比如一個實驗室性能非常好的催化劑,很有可能無法產業化。講一個非常簡單的例子,搞催化研究的都知道,上世紀八十年代日本的Haruta教授發現的負載金催化劑對一氧化碳(CO)氧化超高活性,實驗室可以在第一冰點(oC)將CO高效氧化成二氧化碳(CO2)。然而,早些年,燃氣熱水器市場中有一款消除CO的燃氣熱水器,煙道氣排出口處裝了一塊催化劑模塊,煙道氣溫度大約在120 oC左右,“測試初期一氧化碳濃度為0,持續了大概10分鐘濃度到達6ppm,濃度高的時候達到26ppm。”,說明催化劑的活性下降很快。這就是實驗室催化劑和現實應用中的差距。

有人說,VOCs反應就是燃燒反應,只要用上催化劑就可以了,事實上由于VOCs的化學成分不一樣,要求催化劑性能會有天壤之別。比如丙烷催化燃燒,普通的貴金屬催化劑在實驗室條件下400 oC很難有效催化,而丙烯200 oC就能完全消除了。當然,催化燃燒也不是萬能的,在實際應用中需針對適合催化燃燒場合。

3.    催化燃燒設備案例

催化燃燒設備的性能是發揮催化劑性能的關鍵,催化燃燒設備看起來簡單,但是里面也涉及很多科學問題,比如氣流分布、溫度分布、熱量回用。更為重要的是如何與業主的工況相匹配。

下面講一個減排節能的案例,東陽市某塑料有限公司的塑料印刷過程的VOCs處理,兩臺印刷機,共用一臺催化燃燒爐。

 

為催化燃燒設備工藝流程,催化燃燒風量4500m3/h,催化劑裝量300L,分別為貴金屬催化劑150L,稀土過渡金屬催化劑150L。不但催化燃燒設備做到無能耗運行(除了風機),而且把熱交換器出口的200oC高溫氣體利用起來,回送到到印刷機,做到印刷機也不需要供熱。這個設備相當于一臺加熱爐,把VOCs廢氣處理的同時產生熱量,大大降低了業主的能量消耗。

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