VOCs催化燃烧技术

一、催化燃烧的原理

催化燃烧，又叫催化氧化（Catalytic Oxidizer），通过使用催化剂降低反应活化能，使VOCs在较低的温度下（250~400℃）在催化剂表面进行无焰燃烧，废气中的VOCs氧化分解为CO2和H2O，并放出大量的热量。由于氧化反应温度低，所以极大地抑制了空气中的N2氧化生成NOx。 

二、催化燃烧催化剂

不同种类的VOCs的转化率取决于催化剂的种类，空速（停留时间）以及催化燃烧的温度。因此应用时候需要根据实际的VOCs种类和浓度进行详细设计，一般情况下催化剂温度都要略高于实验温度，以确保VOCs去除率。

催化燃烧工艺的关键是催化剂，其性能的优劣对废气净化效率和能耗有着决定性的影响。催化燃烧催化剂通常是以铂、钯为活性组分的贵金属催化剂。催化剂的制备是先将活性金属分散在分子筛上，然后再通过喷涂或浸渍将分子筛浆液负载在蜂窝陶瓷基体上。

由于贵金属催化昂贵且易中毒失活，因此要求废气中不能含有Cl、S、Si、P等元素和颗粒物质，否则催化剂会快速失活。

即使催化剂得到很好的维护，也需要定期进行更换以维持进化效率。此外，不完全燃烧也是催化燃烧面临的一个重大难题，尤其是含氯的有机化合物，催化燃烧过程中会产生二噁英，从而比初始VOCs具有更大的危害。

三、催化燃烧工艺流程

根据废气燃烧的热量平衡，催化燃烧工艺流程可分为3种。

(1)预热式。有机废气温度和浓度都较低，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。该工艺通常采用天然气或电加热升温至催化反应所需的起燃温度。

(2)自身热平衡式。当有机废气排出时温度高于起燃温度(350℃左右)且有机物含量较高时，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。

(3)吸附浓缩+催化燃烧。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，使有机废气脱附浓缩成为高浓度有机废气(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：

(1) 燃烧过程的放热量，即废气中可燃物的种类和浓度；

(2) 起燃温度，即有机组分的性质及催化剂活性；

(3) 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，这是最经济的催化燃烧的应用。

三、催化燃烧的优缺点

（1）与直接燃烧相比，起燃温度低，启动能耗和运行能耗低。当废气中VOCs超过一定浓度时，催化燃烧达到起燃温度后便无需外界供热。

（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。对于有机化工、印刷、涂料、绝缘材料等行业排放的低浓度、多成分、无回收价值的废气，采用吸附浓缩—催化燃烧的组合技术是较为理想的选择

（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，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），且由于燃烧温度低，能大量减少NOx的生成，因此不会造成二次污染。

催化燃烧工艺存在的主要的问题:

（1）催化剂成本昂贵。催化剂本身价格高昂，且容易中毒、失活。催化在使用过程中容易受Cl、S、Si、P等元素污染中毒，并且高温也会引起催化剂快速失活。即使正常使用催化剂也会逐渐失活，需要定期（2~3年）进行更换。

（2）使用过程中要求废气浓度和风量量相对较为稳定，虽然启动能耗较直接燃烧大幅降低，但是冷启动能耗仍然较高。废气浓度较低时需要补充能量维持氧化温度，浓度较高时则需要稀释以避免催化剂温度过高导致快速失活。

（3）催化剂已被高温失活

五、催化燃烧技术的发展方向

催化燃烧技术不仅在VOCs处理方面有着广泛的应用，还涉及化工、化学催化反应和自动检测控制等领域，在我国的发展仍然存在诸多不足。今后的发展方向为：

(1) 提高催化剂性能。研制具有高抗毒能力、大空速、高比表面积及低起燃点的非贵金属催化剂，以降低造价和使用费用;

(2) 催化燃烧装置的设计在大型化、整体化和节能化方向发展。

(3) 废气预处理技术：开发新型保护剂脱除废气中的Cl、S、Si、P等元素，保护主催化剂不受污染。