催化剂及催化燃烧技术

催化燃烧是借助催化剂在低温下(200～400℃)下，实现对有机物的完全氧化，因此，能耗少，操作简便，安全，净化效率高，在有机废气特别是回收价值不大的有机废气净化方面，比如化工，喷漆、绝缘材料、漆包线、涂料生产等行业应用较广，已有不少定型设备可供选用。

一、催化原理及装置组成

(1)催化剂定义催化剂是一种能提高化学反应速率，控制反应方向，在反应前后本身的化学性质不发生改变的物质。

(2)催化作用机理催化作用的机理是一个很复杂的问题，这里仅做简介。在一个化学反应过程中，催化剂的加入并不能改变原有的化学平衡，所改变的仅是化学反应的速度，而在反应前后，催化剂本身的性质并不发生变化。那么，催化剂是怎样加速了反应速度呢了既然反应前后催化剂不发生变化，那么催化剂到底参加了反应没有?实际上，催化剂本身参加了反应，正是由于它的参加，使反应改变了原有的途径，使反应的活化能降低，从而加速了反应速度。例如反应A+B→C是通过中间活性结合物(AB)过渡而成的，即： A+B→[AB]→C 其反应速度较慢。当加入催化剂K后，反应从一条很容易进行的途径实现： A+B+2K→[AK]+[BK]→[CK]+K→C+2K 中间不再需要[AB]向C的过渡，从而加快了反应速度，而催化剂并未改变性质。

(3)催化燃烧的工艺组成不同的排放场合和不同的废气，有不同的工艺流程。但不论采取哪种工艺流程，都由如下工艺单元组成。

①废气预处理为了避免催化剂床层的堵塞和催化剂中毒，废气在进入床层之前必须进行预处理，以除去废气中的粉尘、液滴及催化剂的毒物。

②预热装置预热装置包括废气预热装置和催化剂燃烧器预热装置。因为催化剂都有一个催化活性温度，对催化燃烧来说称催化剂起燃温度，必须使废气和床层的温度达到起燃温度才能进行催化燃烧，因此，必须设置预热装置。但对于排出的废气本身温度就较高的场合，如漆包线、绝缘材料、烤漆等烘干排气，温度可达300℃以上，则不必设置预热装置。

预热装置加热后的热气可采用换热器和床层内布管的方式。预热器的热源可采用烟道气或电加热，目前采用电加热较多。当催化反应开始后，可尽量以回收的反应热来预热废气。在反应热较大的场合，还应设置废热回收装置，以节约能源。

预热废气的热源温度一般都超过催化剂的活性温度。为保护催化剂，加热装置应与催化燃烧装置保持一定距离，这样还能使废气温度分布均匀。

从需要预热这一点出发，催化燃烧法最适用于连续排气的净化，若间歇排气，不仅每次预热需要耗能，反应热也无法回收利用，会造成很大的能源浪费，在设计和选择时应注意这一点。

③催化燃烧装置一般采用固定床催化反应器。反应器的设计按规范进行，应便于操作，维修方便，便于装卸催化剂。

在进行催化燃烧的工艺设计时，应根据具体情况，对于处理气量较大的场合，设计成分建式流程，即预热器、反应器独立装设，其间用管道连接。对于处理气量小的场合，可采用催化焚烧炉，把预热与反应组合在一起，但要注意预热段与反应段间的距离。

在有机物废气的催化燃烧中，所要处理的有机物废气在高温下与空气混合易引起爆炸，安全问题十分重要。因而，一方面必须控制有机物与空气的混合比，使之在爆炸下限；另一方面，催化燃烧系统应设监测报警装置和有防爆措施。

二、催化燃烧用催化剂

由于有机物催化燃烧的催化剂分为贵金属(以铂、钯为主)和贱金属催化剂。贵金属为活性组分的催化剂分为全金属催化剂和以氧化铝为载体的催化剂。全金属催化剂是以镍或镍铬合金为载体，将载体做成带、片、丸、丝等形状，采用化学镀或电镀的方法，将铂、钯等贵金属沉积其上，然后做成便于装卸的催化剂构件。由氧化铝作载体的贵金属催化剂，一般是以陶

瓷结构作为支架，在陶瓷结构上涂覆一层仅有0．13mm的α-氧化铝薄层，而活性组分铂、钯就以微晶状态沉积或分散在多孔的氧化铝薄层中。

但由于贵金属催化剂价格昂贵，资源少，多年来人们特别注重新型的、价格较为便宜的催化剂的开发研究，我国是世界上稀土资源最多的国家，我国的科技工作者研究开发了不少稀土催化剂，有些性能也较好。

三、催化剂中毒与老化

在催化剂使用过程中，由于体系中存在少量的杂质，可使催化剂的活性和选择性减小或者消失，这种现象叫催化剂中毒。这些能使催化剂中毒的物质称之为催化剂毒物，这些毒物在反应过程中或强吸附在活性中心上，或与活性中心起化学作用而变为别的物质，使活性中心失活.

毒物通常是反应原料中带来的杂质，或者是催化剂本身的某些杂质，另外，反应产物或副产物本身也可能对催化剂毒化，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、卤素化合物、重金属化合物等。

毒物不单单是对催化剂来说的，而且还针对这个催化剂所催化的反应，也就是说，对某一催化剂，只有联系到它所催化的反应时，才能清楚什么物质是毒物。即使同一种催化剂，一种物质可能毒化某一反应而不影响另一反应。

按毒物与催化剂表面作用的程度可分为暂时性中毒和永久性中毒。暂时性中毒亦称可逆中毒，催化剂表面所吸附的毒物可用解吸的办法驱逐，使催化剂恢复活性，然而这种可再生性一般也不能使催化剂恢复到中毒前的水平。永久性中毒称不可逆中毒，这时，毒物与催化剂活性中心生成了结合力很强的物质，不能用一般方法将它去除或根本无法去除。

催化剂的老化主要是由于热稳定性与机械稳定性决定的，例如低熔点活性组分的流失或升华，会大大降低催化剂的活性。催化剂的工作温度对催化剂的老化影响很大，温度选择和控制不好，会使催化剂半熔或烧结，从而导致催化剂表面积的下降而降低活性。另外，内部杂质向表面的迁移，冷热应力交替所造成的机械性粉末被气流带走。所有这些，都会加速催化剂的老化，而其中最主要的是温度的影响，工作温度越高，老化速度越快。因此，在催化剂的活性温度范围内选择合适的反应温度将有助于延长催化剂的寿命。但是，过低的反应温度也是不可取的，会降低反应速率。

为了提高催化剂的热稳定性，常常选择合适的耐高温的载体来提高活性组分的分散度，可防止其颗粒变大而烧结，例如以纯铜作催化剂时，在200℃即失去活性，但如果采用共沉积法将Cu载于Cr2O3载体上，就能在较高的温度下保持其活性。

催化剂及催化燃烧技术

没有催化，就不会有现代技术的世界。因此，催化在人们的技术进步中是不可缺少的。催化作用具有加速作用和定向作用。在反应之后，其催化剂本身没有变化。

催化剂分为工业用催化剂和环保用催化剂。本公司生产的HP-C型系列环保用催化剂，主要把有机废气转成二氧化碳和水。或者无害的其他气体。

1.1.催化反应过程

1.1.1.反应物（有机废气）向催化剂表面扩散。

扩散是一个物理过程，它具有使浓度均匀化的倾向。由于在催化剂表面上的反应物分子消失很快，因而反应物在这里的浓度最低，这样就形成一个向催化剂表面的扩散流。

1.1.

2.反应物（有机废气）在催化剂表面上吸附。

反应物在催化剂表面的吸附有物理吸附和化学吸附。物理吸附是非选择性的，各种各样的分子在固体表面上进行的物理吸附能力与沸点有关。通过加热或低压力，被吸附的分子就立即被脱附，可逆性好，吸附热小。化学吸附使被吸附分子与固体表面之间，形成一种与分子中间连接各个原子同样的共价键或电价键。俗称化学键已打开。大多数吸附现象，至少在

低温度下进行时是可逆的。在高温度下发生的吸附，不能复原为起始的化合物，是不可逆的。但是，随着催化剂技术的进步，在相对低温下也会出现不可逆吸附。化学吸附是有高度的选择性，吸附的化学计量关系取决于金属吸附剂的性质，被吸附分子的性质。吸附是一个放热过程。

1.1.3.被吸附的反应物（有机废气与氧气）在表面上的相互作用。催化剂在被吸附的反应物中起着中间桥梁作用，通过自身原子电磁场的作用，金属自由价打开又闭合，使反应物中的化学键重新组合排列，形成新的化合物。

1.1.4.生成物由催化剂表面脱附。

在环保催化作用的生成必须是最终生成物即二氧化碳和水。如果氧化过程不完全。就会生成碳氢化合物的衍生物。有机化合物在氧化过程中是由几个步骤组成的连续反应。当氧气不足时，就会生成是中间生成物。因此，在环保行业中，有机废气的氧化反应最好选用蜂窝状催化剂为好。如选用颗粒状催化剂，颗粒间的间隙较小，颗粒状催化剂表面氧气不足，氧化反应不能完全进行，因而，生成碳氢化合物的衍生物。所以，有机废气的氧化必须最终产物后才能脱附

1.1.5.生成物离开催化剂表面向催化剂周围的介质扩散。

1.2.催化剂组成

本公司生产的HP-C型催化剂以r-A12O3蜂窝状为载体，表面涂覆贵金属。催化剂的备制工艺和方法，直接影响着催化剂的质量。以前，已备制出第三代催化剂，第四代催化正在研制之中。催化剂的材料是多样化的。一般有稀土金属和贵金属。从形状来看有蜂窝状的、颗粒状、片状。蜂窝状的最为复杂，制造成本较高。但比表面最大、活性最强，催化效果最佳。催化剂另一个要求载体表面贵金属、稀土金属、氧化金属的晶体颗粒越小越好。又必须与载体的分子晶体结合能紧密。其实，催化剂表面起作用的厚度为20nm～30nm。

1.3.准纳米催化剂和纳米催化剂

在催化剂的催化作用机理上分析。贵金属、稀土金属作催化剂，其涂在载体表面的催化剂的晶体颗粒直径越小，达到纳米级，就会出现纳米效果。纳米效应的定义为某种催化剂表面金属颗粒直径达到纳米级并具有小尺寸效应和量子效应的。可称为纳米催化剂。第二代催化剂金属颗粒的直径为5nm～20nm。启燃温度为250～320℃，空速为20000h-1；第三代催化剂又称准纳米催化剂，贵金属颗粒直径为2nm～10nm，启燃温度为120～250℃，空速为40000h-1；第四代催化剂又称纳米催化剂，贵金属颗粒直径为0.7nm～2nm，启燃温度为60～120℃，空速为>100000h-1。

催化燃烧技术就是有机废气预热到启燃温度在催化剂的作用下生成无毒的二氧化碳和水，并且释放大量的热量，整套净化装置的核心是催化剂。

催化剂通常是以铂，钯为活性金属的贵金属催化。同样也可使用钛、铈等稀土金属催化，在使用催化剂是根据使用温度，催化剂的耐毒性及热稳定性等综合因素考虑。在各种形状中蜂窝状，空速为最大，阻力为最小，有利于催化燃烧，在处理同等风量中，催化燃烧装置最为轻巧。占地面积及所占空间最小

催化活性下降的主要原因

催化剂热老化现象：催化燃烧温度通常是在300℃～400℃运行，当有废气在选型中浓度过高，或有机废气挥发的冲击波峰过长，使催化燃烧炉始终保持在600℃以上运行，催化剂表面的贵金属颗粒的移动就比较频繁，从而产生凝聚现象。贵金属表面的自由能下降，所以催化活性就会下降，再者，r-A12O3蜂窝载体的比表面积也会下降。

催化剂的中毒现象：遇到卤素元素，容易使贵金属变成氧化物而失去活性。遇到Si、P、AS、Sn等覆盖贵金属活性表面，从而使催化活性下降。

催化剂的污染现象：主要在有机废气中存在焦油、氧化物覆盖贵金属使活性下降。

以上几种现象都会影响催化燃烧正常运行。

催化活性下降处理对策在催化燃烧的选型要正确判断有机废气的成份及浓度，从而正确选用催化剂。经验告诉自己判断并作出综合处理方法。有机废气治理工作经验占有七成。催化剂活性下降，首先判断下降的原因，然后作出正确的相应措施。

1、热老化现象的处理：更换新品催化剂。

2、中毒现象的处理：化学清洗。

3、焦油，油雾的污染处理：热处理。

4、对永久性中毒处理：要更换新的催化剂。

5、对催化剂活性有影响化合物，在净化系统设计应加前处理系统，或者正确选用催化剂。

正确使用催化剂寿命在2年以上，可达3～5年

1.4.催化剂的选择

目前,使用具有代表性的催化剂有铂、钯钯系列。两者的催化温度是不同的，铂比钯的催化温度低，活性高于钯。铂最低的有机溶剂的催化温度为200℃,象甲醇、甲醛等就可完全氧化。一般催化温度在300℃才能完全氧化的有机溶剂有甲酚、醋酸等。所以催化温度的选择，首先取决于有机溶剂的成份，这样才能正确保证净化率和活性的持久性。在催化剂中铂比钯贵，因此，实际选用钯作催化剂比较多。适当提高催化温度。实际证明，催化温度保证在300℃以上时，大部分有机溶剂就可以完全氧化。个别有机溶剂必须在350℃以上才能氧化。因此，在选择催化温度前，必须了解有机废气中有机成份，不能一概而论。如果随意选择温度，那很容易造成不完全氧化，使有机溶剂的微粒子吸附催化剂载体的表面，久而久之，催化剂的活性就下降。直接影响净化率的转化。这种现象就是大家所经常碰到的催化燃烧开始时净化率高，而过了一段时间后效果不明显。其实，真正能掌握催化燃烧技术的工作者和企业，完全可以避免这种现象。

催化剂另一个重要指标就是空速。空速就是在单位时间内所处理最大的处理量。从形状上看，蜂窝状比丸状的空速来得大。空速选择不正确马上影响净化率。因此，选择蜂窝状才比较理想。

催化剂除了贵金属外，还有稀土金属催化剂。稀土金属系列目前我国还不够成熟。选用单位比较少。但是它的价格远低于贵金属，前景广阔。我国又是稀土金属矿源十分丰富的国家。稀土金属的催化作用能有效提高，这标志着催化燃烧技术性的飞跃。

催化剂的载体目前多数采用氧化铝陶瓷。一般可分为丸状、带状和蜂窝状。在实践应用中应该选用蜂窝状，这是因为蜂窝状的比表面积大、空速大、用量少（仅为丸状的1/2），压力损失少，而反应器的断面积仅是丸状的1/4。

催化剂性能比较如下表：

催化剂项目贵金属

蜂窝状丸状

空速h-1 40000 10000

线速度m/s 2～2.5 0.4～0.8 压力损失Pa 300～400 600～1200 催化剂粉化没易粉化

催化剂堵塞没易产生