催化燃燒是借助催化劑在低溫下(200～400℃)下，實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)物的完全氧化，因此，能耗少，操作簡(jiǎn)便，安全，凈化效率高，在有機(jī)廢氣特別是回收價(jià)值不大的有機(jī)廢氣凈化方面，比如化工，噴漆、絕緣材料、漆包線、涂料生產(chǎn)等行業(yè)應(yīng)用較廣，已有不少定型設(shè)備可供選用。
一、催化原理及裝置組成
(1)催化劑定義 催化劑是一種能提高化學(xué)反應(yīng)速率，控制反應(yīng)方向，在反應(yīng)前后本身的化學(xué)性質(zhì)不發(fā)生改變的物質(zhì)。
(2)催化作用機(jī)理 催化作用的機(jī)理是一個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題，這里僅做簡(jiǎn)介。在一個(gè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，催化劑的加入并不能改變?cè)械幕瘜W(xué)平衡，所改變的僅是化學(xué)反應(yīng)的速度，而在反應(yīng)前后，催化劑本身的性質(zhì)并不發(fā)生變化。那么，催化劑是怎樣加速了反應(yīng)速度呢了既然反應(yīng)前后催化劑不發(fā)生變化，那么催化劑到底參加了反應(yīng)沒(méi)有?實(shí)際上，催化劑本身參加了反應(yīng)，正是由于它的參加，使反應(yīng)改變了原有的途徑，使反應(yīng)的活化能降低，從而加速了反應(yīng)速度。例如反應(yīng)A+B→C是通過(guò)中間活性結(jié)合物(AB)過(guò)渡而成的，即： A+B→[AB]→C 其反應(yīng)速度較慢。當(dāng)加入催化劑K后，反應(yīng)從一條很容易進(jìn)行的途徑實(shí)現(xiàn)： A+B+2K→[AK]+[BK]→[CK]+K→C+2K 中間不再需要[AB]向C的過(guò)渡，從而加快了反應(yīng)速度，而催化劑并未改變性質(zhì)。
(3)催化燃燒的工藝組成 不同的排放場(chǎng)合和不同的廢氣，有不同的工藝流程。但不論采取哪種工藝流程，都由如下工藝單元組成。
①?gòu)U氣預(yù)處理 為了避免催化劑床層的堵塞和催化劑中毒，廢氣在進(jìn)入床層之前必須進(jìn)行預(yù)處理，以除去廢氣中的粉塵、液滴及催化劑的毒物。
②預(yù)熱裝置 預(yù)熱裝置包括廢氣預(yù)熱裝置和催化劑燃燒器預(yù)熱裝置。因?yàn)榇呋瘎┒加幸粋€(gè)催化活性溫度，對(duì)催化燃燒來(lái)說(shuō)稱催化劑起燃溫度，必須使廢氣和床層的溫度達(dá)到起燃溫度才能進(jìn)行催化燃燒，因此，必須設(shè)置預(yù)熱裝置。但對(duì)于排出的廢氣本身溫度就較高的場(chǎng)合，如漆包線、絕緣材料、烤漆等烘干排氣，溫度可達(dá)300℃以上，則不必設(shè)置預(yù)熱裝置。
預(yù)熱裝置加熱后的熱氣可采用換熱器和床層內(nèi)布管的方式。預(yù)熱器的熱源可采用煙道氣或電加熱，目前采用電加熱較多。當(dāng)催化反應(yīng)開(kāi)始后，可盡量以回收的反應(yīng)熱來(lái)預(yù)熱廢氣。在反應(yīng)熱較大的場(chǎng)合，還應(yīng)設(shè)置廢熱回收裝置，以節(jié)約能源。
預(yù)熱廢氣的熱源溫度一般都超過(guò)催化劑的活性溫度。為保護(hù)催化劑，加熱裝置應(yīng)與催化燃燒裝置保持一定距離，這樣還能使廢氣溫度分布均勻。
從需要預(yù)熱這一點(diǎn)出發(fā)，催化燃燒法最適用于連續(xù)排氣的凈化，若間歇排氣，不僅每次預(yù)熱需要耗能，反應(yīng)熱也無(wú)法回收利用，會(huì)造成很大的能源浪費(fèi)，在設(shè)計(jì)和選擇時(shí)應(yīng)注意這一點(diǎn)。
③催化燃燒裝置 一般采用固定床催化反應(yīng)器。反應(yīng)器的設(shè)計(jì)按規(guī)范進(jìn)行，應(yīng)便于操作，維修方便，便于裝卸催化劑。
在進(jìn)行催化燃燒的工藝設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況，對(duì)于處理氣量較大的場(chǎng)合，設(shè)計(jì)成分建式流程，即預(yù)熱器、反應(yīng)器獨(dú)立裝設(shè)，其間用管道連接。對(duì)于處理氣量小的場(chǎng)合，可采用催化焚燒爐，把預(yù)熱與反應(yīng)組合在一起，但要注意預(yù)熱段與反應(yīng)段間的距離。
在有機(jī)物廢氣的催化燃燒中，所要處理的有機(jī)物廢氣在高溫下與空氣混合易引起爆炸，安全問(wèn)題十分重要。因而，一方面必須控制有機(jī)物與空氣的混合比，使之在爆炸下限；另一方面，催化燃燒系統(tǒng)應(yīng)設(shè)監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置和有防爆措施。
二、催化燃燒用催化劑
由于有機(jī)物催化燃燒的催化劑分為貴金屬(以鉑、鈀為主)和賤金屬催化劑。貴金屬為活性組分的催化劑分為全金屬催化劑和以氧化鋁為載體的催化劑。全金屬催化劑是以鎳或鎳鉻合金為載體，將載體做成帶、片、丸、絲等形狀，采用化學(xué)鍍或電鍍的方法，將鉑、鈀等貴金屬沉積其上，然后做成便于裝卸的催化劑構(gòu)件。由氧化鋁作載體的貴金屬催化劑，一般是以陶瓷結(jié)構(gòu)作為支架，在陶瓷結(jié)構(gòu)上涂覆一層僅有0．13mm的α-氧化鋁薄層，而活性組分鉑、鈀就以微晶狀態(tài)沉積或分散在多孔的氧化鋁薄層中。
但由于貴金屬催化劑價(jià)格昂貴，資源少，多年來(lái)人們特別注重新型的、價(jià)格較為便宜的催化劑的開(kāi)發(fā)研究，我國(guó)是世界上稀土資源最多的國(guó)家，我國(guó)的科技工作者研究開(kāi)發(fā)了不少稀土催化劑，有些性能也較好。
三、催化劑中毒與老化
在催化劑使用過(guò)程中，由于體系中存在少量的雜質(zhì)，可使催化劑的活性和選擇性減小或者消失，這種現(xiàn)象叫催化劑中毒。這些能使催化劑中毒的物質(zhì)稱之為催化劑毒物，這些毒物在反應(yīng)過(guò)程中或強(qiáng)吸附在活性中心上，或與活性中心起化學(xué)作用而變?yōu)閯e的物質(zhì)，使活性中心失活.
毒物通常是反應(yīng)原料中帶來(lái)的雜質(zhì)，或者是催化劑本身的某些雜質(zhì)，另外，反應(yīng)產(chǎn)物或副產(chǎn)物本身也可能對(duì)催化劑毒化，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、鹵素化合物、重金屬化合物等。
毒物不單單是對(duì)催化劑來(lái)說(shuō)的，而且還針對(duì)這個(gè)催化劑所催化的反應(yīng)，也就是說(shuō)，對(duì)某一催化劑，只有聯(lián)系到它所催化的反應(yīng)時(shí)，才能清楚什么物質(zhì)是毒物。即使同一種催化劑，一種物質(zhì)可能毒化某一反應(yīng)而不影響另一反應(yīng)。
按毒物與催化劑表面作用的程度可分為暫時(shí)性中毒和永久性中毒。暫時(shí)性中毒亦稱可逆中毒，催化劑表面所吸附的毒物可用解吸的辦法驅(qū)逐，使催化劑恢復(fù)活性，然而這種可再生性一般也不能使催化劑恢復(fù)到中毒前的水平。永久性中毒稱不可逆中毒，這時(shí)，毒物與催化劑活性中心生成了結(jié)合力很強(qiáng)的物質(zhì)，不能用一般方法將它去除或根本無(wú)法去除。
催化劑的老化主要是由于熱穩(wěn)定性與機(jī)械穩(wěn)定性決定的，例如低熔點(diǎn)活性組分的流失或升華，會(huì)大大降低催化劑的活性。催化劑的工作溫度對(duì)催化劑的老化影響很大，溫度選擇和控制不好，會(huì)使催化劑半熔或燒結(jié)，從而導(dǎo)致催化劑表面積的下降而降低活性。另外，內(nèi)部雜質(zhì)向表面的遷移，冷熱應(yīng)力交替所造成的機(jī)械性粉末被氣流帶走。所有這些，都會(huì)加速催化劑的老化，而其中最主要的是溫度的影響，工作溫度越高，老化速度越快。因此，在催化劑的活性溫度范圍內(nèi)選擇合適的反應(yīng)溫度將有助于延長(zhǎng)催化劑的壽命。但是，過(guò)低的反應(yīng)溫度也是不可取的，會(huì)降低反應(yīng)速率。
為了提高催化劑的熱穩(wěn)定性，常常選擇合適的耐高溫的載體來(lái)提高活性組分的分散度，可防止其顆粒變大而燒結(jié)，例如以純銅作催化劑時(shí)，在200℃即失去活性，但如果采用共沉積法將Cu載于Cr2O3載體上，就能在較高的溫度下保持其活性。
四、催化劑及催化燃燒技術(shù)
沒(méi)有催化，就不會(huì)有現(xiàn)代技術(shù)的世界。 因此，催化在人們的技術(shù)進(jìn)步中是不可缺少的。催化作用具有加速作用和定向作用。在反應(yīng)之后，其催化劑本身沒(méi)有變化。
催化劑分為工業(yè)用催化劑和環(huán)保用催化劑。本公司生產(chǎn)的HP-C型系列環(huán)保用催化劑，主要把有機(jī)廢氣轉(zhuǎn)成二氧化碳和水。或者無(wú)害的其他氣體。
1.1.催化反應(yīng)過(guò)程
1.1.1.反應(yīng)物（有機(jī)廢氣）向催化劑表面擴(kuò)散。
擴(kuò)散是一個(gè)物理過(guò)程，它具有使?jié)舛染鶆蚧膬A向。由于在催化劑表面上的反應(yīng)物分子消失很快，因而反應(yīng)物在這里的濃度最低，這樣就形成一個(gè)向催化劑表面的擴(kuò)散流。
1.1.2.反應(yīng)物（有機(jī)廢氣）在催化劑表面上吸附。
反應(yīng)物在催化劑表面的吸附有物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附是非選擇性的，各種各樣的分子在固體表面上進(jìn)行的物理吸附能力與沸點(diǎn)有關(guān)。通過(guò)加熱或低壓力，被吸附的分子就立即被脫附，可逆性好，吸附熱小。化學(xué)吸附使被吸附分子與固體表面之間，形成一種與分子中間連接各個(gè)原子同樣的共價(jià)鍵或電價(jià)鍵。俗稱化學(xué)鍵已打開(kāi)。大多數(shù)吸附現(xiàn)象，至少在低溫度下進(jìn)行時(shí)是可逆的。在高溫度下發(fā)生的吸附，不能復(fù)原為起始的化合物，是不可逆的。但是，隨著催化劑技術(shù)的進(jìn)步，在相對(duì)低溫下也會(huì)出現(xiàn)不可逆吸附。化學(xué)吸附是有高度的選擇性，吸附的化學(xué)計(jì)量關(guān)系取決于金屬吸附劑的性質(zhì)，被吸附分子的性質(zhì)。吸附是一個(gè)放熱過(guò)程。
1.1.3.被吸附的反應(yīng)物（有機(jī)廢氣與氧氣）在表面上的相互作用。催化劑在被吸附的 反應(yīng)物中起著中間橋梁作用，通過(guò)自身原子電磁場(chǎng)的作用，金屬自由價(jià)打開(kāi)又閉合，使反應(yīng)物中的化學(xué)鍵重新組合排列，形成新的化合物。
1.1.4.生成物由催化劑表面脫附。
在環(huán)保催化作用的生成必須是最終生成物即二氧化碳和水。如果氧化過(guò)程不完全。就會(huì)生成碳?xì)浠衔锏难苌铩Ｓ袡C(jī)化合物在氧化過(guò)程中是由幾個(gè)步驟組成的連續(xù)反應(yīng)。當(dāng)氧氣不足時(shí)，就會(huì)生成是中間生成物。因此，在環(huán)保行業(yè)中，有機(jī)廢氣的氧化反應(yīng)最好選用蜂窩狀催化劑為好。如選用顆粒狀催化劑，顆粒間的間隙較小，顆粒狀催化劑表面氧氣不足，氧化反應(yīng)不能完全進(jìn)行，因而，生成碳?xì)浠衔锏难苌铩Ｋ裕袡C(jī)廢氣的氧化必須最終產(chǎn)物后才能脫附
1.1.5.生成物離開(kāi)催化劑表面向催化劑周圍的介質(zhì)擴(kuò)散。
1.2.催化劑組成
本公司生產(chǎn)的GSET-C型催化劑以r-A12O3蜂窩狀為載體，表面涂覆貴金屬。催化劑的備制工藝和方法，直接影響著催化劑的質(zhì)量。以前，已備制出第三代催化劑，第四代催化正在研制之中。催化劑的材料是多樣化的。一般有稀土金屬和貴金屬。從形狀來(lái)看有蜂窩狀的、顆粒狀、片狀。蜂窩狀的最為復(fù)雜，制造成本較高。但比表面最大、活性最強(qiáng)，催化效果最佳。催化劑另一個(gè)要求載體表面貴金屬、稀土金屬、氧化金屬的晶體顆粒越小越好。又必須與載體的分子晶體結(jié)合能緊密。其實(shí)，催化劑表面起作用的厚度為20nm～30nm。
1.3.準(zhǔn)納米催化劑和納米催化劑
在催化劑的催化作用機(jī)理上分析。貴金屬、稀土金屬作催化劑，其涂在載體表面的催化劑的晶體顆粒直徑越小，達(dá)到納米級(jí)，就會(huì)出現(xiàn)納米效果。納米效應(yīng)的定義為某種催化劑表面金屬顆粒直徑達(dá)到納米級(jí)并具有小尺寸效應(yīng)和量子效應(yīng)的。可稱為納米催化劑。第二代催化劑金屬顆粒的直徑為5nm～20nm。啟燃溫度為250～320℃，空速為20000h-1；第三代催化劑又稱準(zhǔn)納米催化劑，貴金屬顆粒直徑為2nm～10nm，啟燃溫度為120～250℃，空速為40000h-1；第四代催化劑又稱納米催化劑，貴金屬顆粒直徑為0.7nm～2nm，啟燃溫度為60～120℃，空速為>100000h-1。
催化燃燒技術(shù)就是有機(jī)廢氣預(yù)熱到啟燃溫度在催化劑的作用下生成無(wú)毒的二氧化碳和水，并且釋放大量的熱量，整套凈化裝置的核心是催化劑。
催化劑通常是以鉑，鈀為活性金屬的貴金屬催化。同樣也可使用鈦、鈰等稀土金屬催化，在使用催化劑是根據(jù)使用溫度，催化劑的耐毒性及熱穩(wěn)定性等綜合因素考慮。在各種形狀中蜂窩狀，空速為最大，阻力為最小，有利于催化燃燒，在處理同等風(fēng)量中，催化燃燒裝置最為輕巧。占地面積及所占空間最小
催化活性下降的主要原因
催化劑熱老化現(xiàn)象：催化燃燒溫度通常是在300℃～400℃運(yùn)行，當(dāng)有廢氣在選型中濃度過(guò)高，或有機(jī)廢氣揮發(fā)的沖擊波峰過(guò)長(zhǎng)，使催化燃燒爐始終保持在600℃以上運(yùn)行，催化劑表面的貴金屬顆粒的移動(dòng)就比較頻繁，從而產(chǎn)生凝聚現(xiàn)象。貴金屬表面的自由能下降，所以催化活性就會(huì)下降，再者，r-A12O3蜂窩載體的比表面積也會(huì)下降。
催化劑的中毒現(xiàn)象：遇到鹵素元素，容易使貴金屬變成氧化物而失去活性。遇到Si、P、AS、Sn等覆蓋貴金屬活性表面，從而使催化活性下降。
催化劑的污染現(xiàn)象：主要在有機(jī)廢氣中存在焦油、氧化物覆蓋貴金屬使活性下降。
以上幾種現(xiàn)象都會(huì)影響催化燃燒正常運(yùn)行。
催化活性下降處理對(duì)策在催化燃燒的選型要正確判斷有機(jī)廢氣的成份及濃度，從而正確選用催化劑。經(jīng)驗(yàn)告訴自己判斷并作出綜合處理方法。有機(jī)廢氣治理工作經(jīng)驗(yàn)占有七成。催化劑活性下降，首先判斷下降的原因，然后作出正確的相應(yīng)措施。
1、熱老化現(xiàn)象的處理：更換新品催化劑。
2、中毒現(xiàn)象的處理：化學(xué)清洗。
3、焦油，油霧的污染處理：熱處理。
4、對(duì)永久性中毒處理：要更換新的催化劑。
5、對(duì)催化劑活性有影響化合物，在凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)加前處理系統(tǒng)，或者正確選用 催化劑。
正確使用催化劑壽命在2年以上，可達(dá)3～5年
1.4.催化劑的選擇
目前,使用具有代表性的催化劑有鉑、鈀鈀系列。兩者的催化溫度是不同的，鉑比鈀的催化溫度低，活性高于鈀。鉑最低的有機(jī)溶劑的催化溫度為200℃,象甲醇、甲醛等就可完全氧化。一般催化溫度在300℃才能完全氧化的有機(jī)溶劑有甲酚、醋酸等。所以催化溫度的選擇，首先取決于有機(jī)溶劑的成份，這樣才能正確保證凈化率和活性的持久性。在催化劑中鉑比鈀貴，因此，實(shí)際選用鈀作催化劑比較多。適當(dāng)提高催化溫度。實(shí)際證明，催化溫度保證在300℃以上時(shí)，大部分有機(jī)溶劑就可以完全氧化。個(gè)別有機(jī)溶劑必須在350℃以上才能氧化。因此，在選擇催化溫度前，必須了解有機(jī)廢氣中有機(jī)成份，不能一概而論。如果隨意選擇溫度，那很容易造成不完全氧化，使有機(jī)溶劑的微粒子吸附催化劑載體的表面，久而久之，催化劑的活性就下降。直接影響凈化率的轉(zhuǎn)化。這種現(xiàn)象就是大家所經(jīng)常碰到的催化燃燒開(kāi)始時(shí)凈化率高，而過(guò)了一段時(shí)間后效果不明顯。其實(shí)，真正能掌握催化燃燒技術(shù)的工作者和企業(yè)，完全可以避免這種現(xiàn)象。
催化劑另一個(gè)重要指標(biāo)就是空速。空速就是在單位時(shí)間內(nèi)所處理最大的處理量。從形狀上看，蜂窩狀比丸狀的空速來(lái)得大。空速選擇不正確馬上影響凈化率。因此，選擇蜂窩狀才比較理想。
催化劑除了貴金屬外， 還有稀土金屬催化劑。稀土金屬系列目前我國(guó)還不夠成熟。選用單位比較少。但是它的價(jià)格遠(yuǎn)低于貴金屬，前景廣闊。我國(guó)又是稀土金屬礦源十分豐富的國(guó)家。稀土金屬的催化作用能有效提高，這標(biāo)志著催化燃燒技術(shù)性的飛躍。
催化劑的載體目前多數(shù)采用氧化鋁陶瓷。一般可分為丸狀、帶狀和蜂窩狀。在實(shí)踐應(yīng)用中應(yīng)該選用蜂窩狀，這是因?yàn)榉涓C狀的比表面積大、空速大、用量少（僅為丸狀的1/2），壓力損失少，而反應(yīng)器的斷面積僅是丸狀的1/4。
催化劑性能比較如下表：
催化劑
項(xiàng)目 |
貴金屬 |
|
蜂 窩 狀 |
丸狀 |
|
空速h-1 |
40000 |
10000 |
|
線速度m/s |
2～2.5 |
0.4～0.8 |
|
壓力損失Pa |
300～400 |
600～1200 |
|
催化劑粉化 |
沒(méi) |
易粉化 |
|
催化劑堵塞 |
沒(méi) |
易產(chǎn)生 |
