催化燃燒法在噴涂廢氣治理中的應用

姜成成 邱春光

摘要：本文以某裝備制造企業(yè)噴涂車間的廢氣以催化燃燒法處理展開研究，同時對商業(yè)用催化劑以及企業(yè)自主研發(fā)的催化劑進行相關的測試，探究在有限的占地面積中，如何通過科學的設計來保證有機廢氣的高效降解。

關鍵詞：催化燃燒法;噴涂廢氣;催化劑;應用

中圖分類號：X701.7 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）03-0-01

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.03.064

Application of catalytic combustion method in the treatment of spraying waste gas

Jiang Chengcheng，Qiu Chunguang

（Linyi Environmental Protection Science Research Institute Co.，Ltd.，Linyi Shandong 276000，China）

Abstract：In this paper，the waste gas from a spray workshop of an equipment manufacturing enterprise is treated by catalytic combustion method.At the same time， the commercial catalyst and the catalyst independently developed by the enterprise are tested to explore how to ensure the efficient degradation of organic waste gas through scientific design in a limited area.

Key words：Catalytic combustion method;Spraying waste gas;Catalyst;Application

1 催化燃燒技術的原理

催化燃燒是典型的氣體與固體相催化的反應，它在催化劑的作用下可以降低化學反應的活性，確保其可以在250～300℃的起燃溫度下進行無火焰的燃燒，并與固體催化劑的表面與有機物質發(fā)生氧化，產(chǎn)生大量的水和二氧化碳，同時釋放熱量[1]。由于催化燃燒的氧化反應溫度較低，因此可以有效的抑制空氣中的氮氣產(chǎn)生高溫的氮氧化合物。并且，由于氧化劑具備選擇性氧化的作用，含氮化合物的氧化過程可能會造成限制，導致大多數(shù)的含氮氧化物形成分子氮。

2 項目實例簡介

某一裝備制造企業(yè)專門生產(chǎn)大型的機械設備，配備專門的噴涂車間，車間內有完善的廢氣收集系統(tǒng)以及漆霧干式過濾系統(tǒng)。漆霧的過濾技術是玻璃纖維棉過濾以及活性炭吸附，完成過濾的廢氣在活性炭經(jīng)過吸附后才可排放?；诘胤江h(huán)保監(jiān)管的力度增大，該企業(yè)需要進一步改造廢氣的處理系統(tǒng)，但是在企業(yè)建立之初就將活性炭吸附的系統(tǒng)幾乎完全覆蓋到生產(chǎn)車間的每個角落，沒有多余的空地增添新的設備，因此，最終決定使用活性炭離線脫附的技術集合催化燃燒的方式進行廢氣的處理。

3 催化燃燒的設備設計

完成催化燃燒主要有兩個方面的技術：去除效率以及運行功耗。去除效率與有機物的濃度、反應發(fā)生的溫度極易催化劑的性能之間有密切的關系;運行功率則會受到需處理的廢氣量、有機物的濃度以及換熱效率的牽制。將換熱面積增大則可以提高余熱的利用效率，繼而讓自熱平衡更容易實現(xiàn)，以此來降低系統(tǒng)的功能消耗。但基于客觀條件的限制，項目以確保去除率為主。

廢氣經(jīng)過鼓風機的作用，通過三通閥、阻火閥、換熱器以及電加熱器，進入到催化燃燒的地點，燃燒的尾氣通過換熱器進行排空。如果發(fā)生了明火回流的情況，阻火閥將立即啟動關閉，具備壓力傳感器的三通閥將立即切向旁通直排。

廢氣從進氣口進入，經(jīng)過板式換熱器從上而下流動，同時分為兩個部分進入分布于燃燒室兩側的電加熱腔，電加熱腔內均勻的設有電加熱棒。廢棄油電加熱棒加熱到一定的溫度在燃燒室的上方匯集，同時由上而下的經(jīng)過催化劑的空管進行催化燃燒反應，反應產(chǎn)生的氣體從燃燒室的下方進行排放，再由板式換熱器傳送余熱給新進入的廢氣，再通過排氣口排放[2]。

這種催化燃燒的設備其最大的處理風量是700m3/h，風機可承載的最大風量為1000m3/h，離心風機的最大風壓為2500Pa，經(jīng)過變頻器調整的風量，其催化劑的填裝含量為0.0288m3。

4 催化劑的研制

該項目的催化劑研制小組采用了商業(yè)雙貴金屬蜂窩催化劑，并結合產(chǎn)學研研制出了單貴金屬的蜂窩催化劑。自主研制的催化劑以蜂窩陶瓷作為承載，在其表面涂上氧化鋁和稀土氧化劑作為第二層載體。剩余的其他工藝與原有的浸漬涂覆法相同。

5 催化劑燃燒性能

對于催化劑燃燒性能的評估，通過借助手持式的PID濃度檢測儀，但基于出入口不一樣的溫度，以及PID檢測的單位為ppm，計算凈化效率的具體單位需要換算為mg/m3：

式中：

M-氣體分子量;T-氣體溫度;Ba-大氣壓。

噴涂廢氣所產(chǎn)生的VOCS多由多種成分共同組成，為了便捷計算，M取值通常為80，Ba取值通常為101325，則上述公式可簡化為：

分別將廢棄的濃度設定在50ppm、100ppm、260ppm、400ppm，進行商業(yè)用催化劑的性能檢測，分別將廢氣的濃度設定在51ppm、110ppm、260ppm、400ppm，對自主研發(fā)的催化劑進行性能的檢測。

結合實驗數(shù)據(jù)，濃度不變的情況下，反應的溫度越高，其凈化的效率越高;如果溫度不變，廢氣的濃度越高，其凈化的效率越低。借助數(shù)據(jù)的對比我們可以發(fā)現(xiàn)，自主研發(fā)的催化劑當溫度大于200℃時，其VOCS凈化的效率將會超過90%，而當商業(yè)催化劑的凈化效率達到90%其溫度需要保證在250℃左右，這就可以說明，自主研制的催化劑相較于商業(yè)用的催化劑，其低溫活性的性能更加優(yōu)秀[3]。

觀察經(jīng)過測試后的催化劑外觀，商業(yè)用催化劑出現(xiàn)了不同程度的破損，而自主研發(fā)的催化劑外觀則保持完好，說明自主研發(fā)的催化劑其使用的壽命更加的長久。但無論是商業(yè)用催化劑還是自主研發(fā)的催化劑，其表面均出現(xiàn)了發(fā)黑的現(xiàn)象，這是由于通過的氣流與催化劑的加熱方式有關，流場的混亂讓部分區(qū)域的溫度不夠，進而導致碳性物質堆積，如果長期運行就會導致孔道的堵塞。

但是由于氣體溫度較高，高溫的氣體與新進入的廢氣混合之后被引進已經(jīng)飽和的活性炭進行脫附再生其剩余的氣體可以經(jīng)由烘干室，以此來進行裝備的干燥[4]。將換熱面積減小不但可以極大的降低催化燃燒設備的體積，還可以減少對活性炭電熱脫附設備的使用率，發(fā)揮尾氣余熱最大的利用效率。

由此我們可以得知：（1）廢氣的進入濃度對催化反應的性能造成一定的影響，只有將濃度數(shù)值控制在合理的范圍內，其催化燃燒的性能才會趨于穩(wěn)定，得到較理想的催化燃燒效果。（2）催化的溫度直接影響催化的效果，廢氣的去除效率隨著催化溫度的升高而產(chǎn)生變化，催化的溫度過高或過低對催化效率都是不利的。（3）空氣的流速過大，會致使一部分催化燃燒器中的有機廢氣難以與催化劑充分的接觸就直接被帶離反應器，進而導致催化反應的不充分，影響催化的效果。

6 結語

以項目開發(fā)為基礎的催化燃燒核裝置和催化劑，對噴涂廢氣的凈化有明顯的效果，尤其是當VOCS的濃度不超過400ppm時，其廢氣出口的濃度即可控制在2.1ppm以內，這個含量遠遠低于國家的相關標準。雖然以項目開發(fā)為基礎的催化燃燒裝置與催化劑在處理廢氣方面其溫度較高，但是可以將其用于活性炭的脫附以及裝備漆面的干燥處理，將余熱有效的二次利用，是符合在特定條件下治理廢氣的要求的。這種催化燃燒裝置在未來的推廣及使用中，能夠更好的改進換熱器的結構，借助增加換熱的面積來降低排氣的溫度，以此來為在低濃度下的催化燃燒自熱平衡創(chuàng)造有利的條件。

參考文獻

[1]李紅娜.揮發(fā)性有機廢氣治理方法研究[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2019（11）：63.

[2]鄒慶平，陳秀鵑，沈樹寶，陳英文.多環(huán)芳烴有機廢氣的催化燃燒處理技術進展[J/OL].現(xiàn)代化工：1-5[2020-01-08].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2172.TQ.20191204.1128.010.html.

[3]許國莉.煤化工大氣污染處理技術進展及發(fā)展趨勢探討[J].石化技術，2019，26（08）：176+178.

[4]CuO摻雜活性炭對AN/Mg/NC復合材料熱分解及燃燒的催化作用[J].The Journal of Physical Chemistry C，2019.

收稿日期：2020-01-09

作者簡介：姜成成（1990-），男，漢族，本科，助理級，研究方向為污染物治理。