催化燃燒（RCO）處理工業(yè)廢氣關(guān)鍵技術(shù)研究

張海鷹 張俊鵬 袁立新 何江湖

摘 要：催化燃燒RCO利用化學(xué)催化劑，使有機(jī)廢氣在較低的起燃溫度發(fā)生無(wú)氧燃燒，具有適用范圍廣、效率高、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要根據(jù)廢氣類型和具體工況，合理選用高效吸附劑和催化劑，對(duì)于吸附脫附裝置和催化爐的設(shè)計(jì)，采用性能和經(jīng)濟(jì)型匹配的原則，改進(jìn)優(yōu)化催化氧化爐裝置和自動(dòng)化控制，有效降低能耗，提升催化氧化爐的可靠性和安全性。

關(guān)鍵詞：催化燃燒RCO;催化劑;催化燃燒爐

蓄熱式催化燃燒法，英文全稱為“Regenerative Catal

ytic Oxidation Oxidition”，通常簡(jiǎn)稱催化燃燒或 RCO。蓄熱式催化燃燒法對(duì)VOCS分子的吸附，脫附后提高了反應(yīng)物的濃度，利用化學(xué)催化劑，使有機(jī)廢氣在較低的起燃溫度250-300℃情況下，有機(jī)廢氣發(fā)生無(wú)氧燃燒，分解成CO2和H2O，同時(shí)可以釋放出大量熱量，因此反應(yīng)過(guò)程中能耗較小，一般情況下達(dá)到起燃溫度后無(wú)再需外界供熱，在催化劑的作用下，催化氧化階段降低反應(yīng)的活化能，提高了反應(yīng)的速率。

一、催化燃燒的特點(diǎn)

（一）適用范圍廣

催化燃燒幾乎可以處理所有的有機(jī)廢氣及惡臭氣體，包括苯類、酚類、醛類、酮類、酯類、醇類、醚類、和烴類等。它適用于處理各種中低濃度的廢氣成分。特別是對(duì)石油化工、噴涂涂料、絕緣材料、食品加工等行業(yè)排放的低濃度、多成分，又沒(méi)有回收價(jià)值的廢氣，采用吸附-催化燃燒法的處理效果會(huì)更好。

（二）效率高

采用催化燃燒法RCO處理有機(jī)廢氣，廢氣的凈化率一般都在95%以上，最終反應(yīng)產(chǎn)物大部分為CO2和H2O，因此處理過(guò)程無(wú)二次污染形成的問(wèn)題。由于反應(yīng)溫度低，也能大大減少了NOX的生成。

（三）經(jīng)濟(jì)性好

催化燃燒法相對(duì)于常用的吸附法、光催化氧化、低溫等離子等處理低濃度有機(jī)廢氣的處理方法，前期投資成本會(huì)稍微有所提高，當(dāng)然主要還是取決于催化劑性能和效率以及廢氣處理中的有機(jī)物濃度，也與熱量回收效率、經(jīng)營(yíng)管理和操作工藝等有關(guān)。相反，可以利用催化燃燒的反應(yīng)熱能，根據(jù)需要配置余熱，充分利用廢氣燃燒的熱能分解有機(jī)廢氣，有效降低了有機(jī)廢氣處理運(yùn)行成本。

此外，RCO催化氧化處理技術(shù)還具有高空速>30000h-1、低溫催化、高效換熱、良好的經(jīng)濟(jì)性和安全性等特點(diǎn)，設(shè)備的可靠性高，配有阻火除塵系統(tǒng)、防爆泄壓系統(tǒng)、超溫報(bào)警系統(tǒng)及全自動(dòng)控制系統(tǒng)，維護(hù)成本低，整體設(shè)備的占地面積相對(duì)較小。

二、關(guān)鍵技術(shù)分析

催化燃燒作為中低濃度大風(fēng)量有機(jī)廢氣的處理方法，要根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)于不同類型的廢氣組份采用不同的催化劑配比，這是利用催化燃燒技術(shù)徹底解決污染物分子分解的關(guān)鍵。根據(jù)性能和經(jīng)濟(jì)型匹配的原則，為市場(chǎng)提供合理的高效吸附劑，改進(jìn)優(yōu)化催化氧化爐裝置和自動(dòng)化控制，有效降低能耗和提升催化氧化爐的可靠性和安全性。

（一）催化劑選型和配制

決定RCO系統(tǒng)性能是否優(yōu)良的關(guān)鍵是催化劑，一般采用金屬載體和陶瓷載體催化劑，貴金屬或過(guò)渡金屬催化劑通常負(fù)載在鞍狀或是蜂窩狀陶瓷上，由于在250-350℃的低溫燃燒，既降低了燃料消耗，也降低了催化設(shè)備的造價(jià)。由于催化劑有一定的使用限期，催化劑的活性可以分為誘導(dǎo)活化、穩(wěn)定、衰老失活三個(gè)階段，使用壽命一般在2年以上。催化劑需要有較好的穩(wěn)定性，這直接關(guān)系到催化劑的使用效果和更換周期。催化劑的穩(wěn)定性取決于其耐高溫、抗中毒的能力，由于有機(jī)廢氣的催化燃燒環(huán)境差別很大，廢氣的濃度、流量、成分、濕度等往往不穩(wěn)定，因此，要求催化劑具有較寬的環(huán)境條件適應(yīng)性，催化燃燒空速較大，氣流對(duì)催化劑的沖擊力較強(qiáng)，床層溫度會(huì)升降頻繁，造成熱脹冷縮，催化劑載體需要有較好的機(jī)械強(qiáng)度，還需要有良好的抗熱脹冷縮性能。

陶瓷材料通常為硅-鋁氧化物，陶瓷載體結(jié)構(gòu)有顆粒狀及蜂窩狀兩大類，顆粒狀載體壓降大以及互相之間的表面摩擦，造成活性組分會(huì)磨耗損失。蜂窩載體具有較高的比表面積，壓力降也會(huì)比片狀顆粒和柱狀顆粒低，機(jī)械強(qiáng)度高而且耐磨、耐熱沖刷。金屬載體一般制成蓬松絲網(wǎng)或帶狀絲網(wǎng)，然后將催化劑活性組分沉積在金屬載體上，金屬載體催化劑導(dǎo)熱性能好、機(jī)械強(qiáng)度高。

（二）吸附脫附裝置的設(shè)計(jì)

催化燃燒法廢氣的吸附通常采用原位再生工藝，使用固定床吸附器。吸附劑可以循環(huán)進(jìn)行再生，吸附器采用一主一備、一主多備或者多主一備的配置方式，吸附器的備用數(shù)量需要根據(jù)所設(shè)計(jì)的單個(gè)吸附器有效吸附時(shí)間和循環(huán)再生周期來(lái)確定。利用空氣、惰性氣體或煙氣的熱氣流脫附，濃縮再生后的高濃度廢氣采用催化燃燒工藝進(jìn)行分解凈化。熱氣流吹掃再生后產(chǎn)生的高濃度廢氣，分解凈化的同時(shí)可以回收熱量，利用燃燒后所產(chǎn)生的熱量，進(jìn)行吸附劑的再生，可以有效降低成本。

在吸附和脫附再生過(guò)程中，吸附器內(nèi)的溫度在不斷地發(fā)生變化，對(duì)于較高濃度氣體的吸附，吸附放熱導(dǎo)致床層的溫升明顯。在吸附劑的再生過(guò)程中，使用熱氣流吹掃再生或者高溫水蒸氣置換再生時(shí)，要求對(duì)吸附器的溫度進(jìn)行監(jiān)控。催化燃燒器的加熱室和反應(yīng)室內(nèi)部應(yīng)裝設(shè)具有自動(dòng)報(bào)警功能的多點(diǎn)溫度檢測(cè)裝置。

目前，普遍采用顆?；钚蕴亢皖w粒分子篩作為吸附劑，用熱氣流吹掃方式再生，要求顆粒活性炭的性能應(yīng)滿足相關(guān)吸附劑的標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)于分子篩，目前也沒(méi)有產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)一些相關(guān)產(chǎn)品的分析，規(guī)定其BET比表面積應(yīng)不低于350m2/g，可以達(dá)到處理廢氣的要求。蜂窩活性炭在催化燃燒廢氣處理裝置中用的較多，主要是采用熱氣流吹掃再生，其比表面積不低于750m2/g，橫向強(qiáng)度不低于0.3MPa，縱向強(qiáng)度不低于0.8MPa，能夠滿足要求。

（三）催化爐的設(shè)計(jì)

催化燃燒是一種氣-固相催化反應(yīng)，實(shí)質(zhì)是有活性氧參與的深度催化氧化作用。催化燃燒室設(shè)計(jì)通常采用電加熱和天然氣燃燒加熱的方式，電加熱催化爐簡(jiǎn)稱電爐，由外殼和內(nèi)膽組成，內(nèi)外膽之間裝有隔溫材料。內(nèi)膽包括預(yù)熱室和催化室，預(yù)熱室采用耐高溫電熱管加熱，起燃溫度250℃，屬于低溫?zé)o焰燃燒。催化室填充具有吸附作用的蜂窩陶瓷催化層，使反應(yīng)物富集于催化劑表面，大大降低了反應(yīng)的活化能，有效提高了反應(yīng)速率和凈化效率，催化燃燒氧化凈化率高達(dá)97%以上。

催化爐還要設(shè)備配有前置阻火除塵系統(tǒng)，頂部設(shè)有防爆泄壓系統(tǒng)，內(nèi)置熱電偶探頭和超溫報(bào)警系統(tǒng)及操作自控系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠手自切換控制，確保使用安全可靠。有機(jī)廢氣的濃度必須控制在相應(yīng)有機(jī)物爆炸極限的25%以下，當(dāng)有機(jī)廢氣濃度有可能超過(guò)此值時(shí)，應(yīng)安裝野風(fēng)閥將其沖淡到安全值。因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)采用靈敏可靠的溫度、濃度測(cè)定裝置，以隨時(shí)進(jìn)行人工或自動(dòng)調(diào)節(jié)。

三、結(jié)語(yǔ)

催化燃燒在設(shè)計(jì)過(guò)程中重點(diǎn)需要解決3個(gè)核心問(wèn)題，包括催化燃燒技術(shù)的催化劑研制、實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用，高性能吸附劑的選型和經(jīng)濟(jì)效益分析，高效催化氧化爐裝置的設(shè)計(jì)與分析。通過(guò)調(diào)研、實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)例應(yīng)用，獲得催化燃燒技術(shù)處理工業(yè)廢氣的最佳組合流程，提高廢氣處理效率，成為催化燃燒應(yīng)用的改進(jìn)性技術(shù)。

吸附劑的選型和經(jīng)濟(jì)效益分析，需要從性能和經(jīng)濟(jì)型兩方面來(lái)考慮，通過(guò)正交試驗(yàn)，獲得最好的吸附劑組合。催化氧化爐裝置和自動(dòng)化控制，主要是在目前普通設(shè)備的基礎(chǔ)上改進(jìn)優(yōu)化，提高自動(dòng)化水平和可靠性等問(wèn)題，降低能耗和提升可靠性還存在許多未知因素，是一個(gè)難點(diǎn)。改進(jìn)優(yōu)化催化氧化爐裝置和自動(dòng)化控制，有效降低能耗和提升催化氧化爐的可靠性和安全性。

參考文獻(xiàn)

[1] 芮澤寶，紀(jì)紅兵.有機(jī)廢氣催化燃燒過(guò)程中多尺度效應(yīng)和催化劑設(shè)計(jì)[J].化工學(xué)報(bào)2018：（69）：1.

[2] 夏世斌，余曉寧，張揚(yáng)，等.涂裝車間作業(yè)場(chǎng)所VOCs定量分析[J].北京：中國(guó)科技論文在線，2009（07）.

[3] 黃華存，張小平.活性炭纖維吸附低濃度甲苯廢氣吸附等溫方程的研究[J].石油煉制與化工，2015，36（07）.

[4] 寧星杰.含氯有機(jī)廢氣催化燃燒的釩基催化劑研究[D].2014.

基金項(xiàng)目：文章為東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院課題的研究成果，項(xiàng)目編號(hào)：政201802。

作者簡(jiǎn)介：張海鷹（1968.12- ），男，湖南寧遠(yuǎn)人，教授，研究方向：機(jī)械工程和環(huán)境系統(tǒng)工程。