1 催化燃烧的基本原理[5]

    催化燃烧是典型的气-固相催化反应，其实质是活性氧参与的深度氧化作用。在催化燃烧过程中，催化剂的作用是降低活化能，同时催化剂表面具有吸附作用，使反应物分子富集于表面提高了反应速率，加快了反应的进行。借助催化剂可使有机废气在较低的起燃温度条件下，发生无焰燃烧，并氧化分解为CO2和H2O，同时放出大量热能，其反应过程为：

2 催化燃烧的特点及经济性

2.1 催化燃烧的特点[6]

2.1.1起燃温度低，节省能源

    有机废气催化燃烧与直接燃烧相比，具有起燃温度低，能耗也小的显著特点。在某些情况下，达到起燃温度后便无需外界供热。

2.1.2适用范围广

    催化燃烧几乎可以处理所有的烃类有机废气及恶臭气体，即它适用于浓度范围广、成分复杂的各种有机废气处理。对于有机化工、涂料、绝缘材料等行业排放的低浓度、多成分，又没有回收价值的废气，采用吸附-催化燃烧法的处理效果更好。

2.1.3处理效率高，无二次污染

    用催化燃烧法处理有机废气的净化率一般都在95%以上，最终产物为无害的CO₂和H₂O（杂原子有机化合物还有其他燃烧产物），因此无二次污染问题。此外，由于温度低，能大量减少NO_X的生成。

2.2 催化燃烧的经济性[7]

    影响催化燃烧法经济效益的主要因素有：催化剂性能和成本；废气中的有机物浓度；热量回收效率；经营管理和操作水平。催化燃烧虽然不能回收有用的产品，但可以回收利用催化燃烧的反应热，节省能源，降低处理成本，在经济上是合理可行的。

3 催化剂及燃烧动力学

3.1 催化剂的主要性能指标[8]

    在空速较高，温度较低的条件下，有机废气的燃烧反应转化率接近{bfb}，表明该催化剂的活性较高[9]。催化剂的活性分诱导活化、稳定、衰老失活3个阶段，有一定的使用限期，工业上实用催化剂的寿命一般在2年以上。使用期的长短与{zj0}活性结构的稳定性有关，而稳定性取决于耐热、抗毒的能力。对催化燃烧所用催化剂则要求具有较高的耐热和抗毒的性能。有机废气的催化燃烧一般不会在很严格的操作条件下进行，这是由于废气的浓度、流量、成分等往往不稳定，因此要求催化剂具有较宽的操作条件适应性。催化燃烧工艺的操作空速较大，气流对催化剂的冲击力较强，同时由于床层温度会升降，造成热胀冷缩，易使催化剂载体破裂，因而催化剂要具有较大的机械强度和良好的抗热胀冷缩性能。

3.2 催化剂种类[10,11]

    目前催化剂的种类已相当多，按活性成分大体可分3类。

3.2.1贵金属催化剂

    铂、钯、钌等贵金属对烃类及其衍生物的氧化都具有很高的催化活性，且使用寿命长，适用范围广，易于回收，因而是最常用的废气燃烧催化剂。如我国最早采用的Pt-Al2O3催化剂就属于此类催化剂。但由于其资源稀少，价格昂贵，耐中毒性差，人们一直努力寻找替代品或尽量减少其用量。

3.2.2过渡金属氢化物催化剂

    作为取代贵金属催化剂，采用氧化性较强的过渡金属氧化物，对甲烷等烃类和一氧化碳亦具有较高的活性，同时降低了催化剂的成本，常见的有MnOx、CoOx和CuOx等催化剂。大连理工大学研制的含MnO2催化剂，在130℃及空速13000h-1的条件下能xx甲醇蒸气，对乙醛、丙酮、苯蒸气的xx也很有效果。

3.2.3复氧化物催化剂

    一般认为，复氧化物之间由于存在结构或电子调变等相互作用，活性比相应的单一氧化物要高。主要有以下两大类：

(1)钙钛矿型复氧化物

    稀土与过渡金属氧化物在一定条件下可以形成具有xx钙钛矿型的复合氧化物，通式为ABO3，其活性明显优于相应的单一氧化物。结构中一般A为四面体型结构，B为八面体形结构，这样A和B形成交替立体结构，易于取代而产生品格缺陷，即催化活性中心位，表面晶格氧提供高活性的氧化中心，从而实现深度氧化反应。常见的有几类如：BaCuO2、LaMnO3等。

(2)尖晶石型复氧化物

    作为复氧化物重要的一种结构类型，以AB2X4表示.尖晶石亦具有优良的深度氧化催化活性，如对CO的催化燃烧起燃点落在低温区（约80℃），对烃类亦在低温区可实现xx氧化.其中研究最为活跃的CuMn2O4尖晶石，对芳烃的活性尤为出色，如使甲苯xx燃烧只需260℃，实现低温催化燃烧，具有特别实际意义。

3.3 催化剂负载方式[12]

    催化剂活性组分可通过下列方式沉积在载体上：(1)电沉积在缠绕或压制的金属载体上；(2)沉积在颗粒状陶瓷材料上；(3)沉积在蜂窝结构的陶瓷材料上。

    金属载体催化剂一般是将金属制成丝网或带状，然后将活性组分沉积在其上。金属载体催化剂的优点是导热性能好、机械强度高，缺点是比表面积较小。陶瓷载体结构有颗粒状及蜂窝状两大类，陶瓷材料通常为硅-铝氧化物。颗粒状载体的优点是比表面积大，缺点是压降大以及因载体间相互摩擦，造成活性组分磨耗损失。蜂窝载体是比较理想的载体型式，具有很高的比表面，压力降较片粒柱状低，机械强度大，耐磨、耐热冲击。

3.4 催化剂失活与防治

3.4.1催化剂失活[13]

    催化剂在使用过程中随着时间的延长，活性会逐渐下降，直至失活。催化剂失活主要有以下3种类型：(1)催化剂xx失活。使催化剂失活的物质包括快速和慢速作用毒物两大类。快速作用毒物主要有磷、砷等，慢速作用毒物有铅、锌等。通常情况下，催化剂失活是由于毒物与活性组分化合或熔成合金。对于快速作用毒物来说，即使只有微量，也能使催化剂迅速失活。在500℃以下时，慢性作用毒物使活性物质合金化的速度要慢得多。(2)抑制催化反应。卤素和硫的化合物易与活性中心结合，但这种结合是比较松弛、可逆的、暂时性的。当废气中的这类物质被去除后，催化剂活性可以恢复。(3)沉积覆盖活性中心。不饱和化合物的存在导致碳沉积，此外陶瓷粉尘、铁氧化合物及其他颗粒性物堵塞活性中心，从而影响催化剂的吸附与解吸能力，致使催化剂活性下降。

3.4.2催化剂失活的防治[14]

    针对催化剂活性的衰减，可以采取下列相应的措施：按操作规程，正确控制反应条件；当催化剂表面结碳时，通过吹入新鲜空气，提高燃烧温度，烧去表面结碳；将废气进行预处理，以除去毒物，防止催化剂中毒；改进催化剂的制备工艺，提高催化剂的耐热性和抗毒能力。

3.5 燃烧动力学

    当有机废气在金属氧化物催化剂上燃烧时，碳氢化合物的氧化反应是经过表面氧化还原作用循环实现的。这一机理是由Mars-Van Krevelen[15]提出，反应机理如下：

式中，Ri—碳氢化合物物种i。相应反应动力学模型方程式可表达为：

式中，ki、koi—分别碳氢化合物物种i及氧的反应速度常数，

C i、Coi—分别碳氢化合物物种i及氧的浓度，

Vi—每摩尔碳氢化合物物种ixx氧化所需氧摩尔数。

实验表明碳氢氧化反应速度对碳氢的反应级数位于0和1之间。

4 催化燃烧工艺流程

    根据废气预热方式及富集方式，催化燃烧工艺流程可分为3种。

4.1 预热式

    预热式是催化燃烧的最基本流程形式。有机废气温度在100℃以下，浓度也较低，热量不能自给，因此在进入反应器前需要在预热室加热升温，燃烧净化后气体在热交换器内与未处理废气进行热交换，以回收部分热量。该工艺通常采用煤气或电加热升温至催化反应所需的起燃温度。

4.2 自身热平衡式

    当有机废气排出时温度较高（在300℃左右），高于起燃温度，且有机物含量较高，热交换器回收部分净化气体所产生的热量，在正常操作下能够维持热平衡，无需补充热量，通常只需要在催化燃烧反应器中设置电加热器供起燃时使用。

4.3 吸附-催化燃烧[16]

    当有机废气的流量大、浓度低、温度低，采用催化燃烧需耗大量燃料时，可先采用吸附手段将有机废气吸附于吸附剂上进行浓缩，然后通过热空气吹扫，使有机废气脱附出来成为浓缩了的高浓度有机废气（可浓缩10倍以上），再进行催化燃烧。此时，不需要补充热源，就可维持正常运行。

    对于有机废气催化燃烧工艺的选择主要取决于：燃烧过程的放热量，即废气中可燃物的种类和浓度；起燃温度，即有机组分的性质及催化剂活性；热回收率等。当回收热量超过预热所需热量时，可实现自身热平衡运转，无需外界补充热源，这是最经济的。
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