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催化燃烧净化

催化燃烧

发布时间: 2019-05-12 20:04 




是指用催化剂使废气中的可燃物质在较低温度氧化分解净化方法。
催化燃烧净化
catalytic combustion purification
先将废气预先混合均匀,然后通过催化剂层再使废气中的可燃组分发生氧化放热反应。由于要求预热温度较低(大部分碳氢化合物一氧化碳在300~450℃的温度下通过催化层可******氧化),所需辅助燃料少,设备也小而轻。只适用于含有可燃气体蒸气的废气净化,不适用于含有大量尘粒雾滴的废气净化,也不适于甲烷

催化燃烧过程


在化学反应过程中,利用催化剂降低燃烧温度,加速有毒有害气体******氧化的方法,叫做催化燃烧法。由于催化剂的载体是由多孔材料制作的,具有较大的比表面积和合适的孔径,当加热到300~450℃的有机气体通过催化层时,氧和有机气体被吸附在多孔材料表层的催化剂上,增加了氧和有机气体接触碰撞的机会,提高了活性,使有机气体与氧产生剧烈的化学反应而生成CO2和H2O,同时产生热量,从而使得有机气体变成无毒无害气体。
催化燃烧装置主要由热交换器、燃烧室、催化反应器、热回收系统和净化烟气的排放烟囱等部分组成,如右图所示。其净化原理是:未净化气体在进入燃烧室以前,先经过热交换器被预热后送至燃烧室,在燃烧室内达到所要求的反应温度,氧化反应在催化反应器中进行,净化后烟气经热交换器释放出部分热量,再由烟囱排入大气。
催化燃烧装置设计时应考虑以下几方面问题:
1、气流和温度均匀分布。要使通过催化剂表面的气流和温度分布均匀,并******火焰不直接接触催化剂表面,燃烧室必需具有足够的长度和空间。催化燃烧装置应具有良好的保温效果。炉体一般用钢结构的外壳内衬耐火材料,或用双层夹墙结构。
2、便于清洗和更换。催化剂反应器一般应设计成装卸方便的模屉结构,便于清洗和更换催化剂载体。
3、辅助燃料和助燃。催化燃烧一般采用天然气作辅助燃料,也可用燃料油、电加热等作辅助燃料。助燃一般用净化后的气体,如果净化后的气体不能作为助燃,则应引入空气助燃。
4、较高的转化速度。由于催化燃烧为不可逆的放热反应,所以,无论反应进行到什么阶段,都应在尽可能高的温度下进行,以获得较高的转化速度。但操作温度往往受某些条件的限制,如催化剂的耐热温度、高温材料的获得,热能的供应,以及是否伴有副反应等。因而实际生产中应根据实际情况恰当地选择。

催化剂


材料和载体

催化剂是一种能改变化学反应速度,而在反应前后其本身的化学性质没有改变的物质。催化剂通常是由催化活性材料和催化载体构成。催化活性材料一般是金属或金属氧化物。其中贵重金属催化剂主要有等,普通金属催化剂主要有等金属及氧化物。催化载体是多孔材料,主要作用是使活性材料具有大的体表面积。催化载体分为金属载体、陶瓷载体和炭纤维载体。金属载体一般是以镍或镍铬合金为载体做成的带、片、丸、丝等形状,通过 “电镀”或 “化学镀”(即溶液浸渍)将铂、钯镀在这些载体上,并制成便于装配、拆卸的模屉。以陶瓷为载体的催化剂,一般是以硅—铝氧化物为载体,其结构有片粒状和蜂窝状两种。一般在陶瓷结构上涂敷一层仅0.13mm厚的α-氧化铝薄层,把活性的铂、钯等金属催化剂以微晶状态沉积或分散在多孔的氧化铝薄层中,并制成便于装配、拆卸的模屉。炭纤维载体可制作成线状、毡状、网状等形状,在载体上涂敷催化活性材料,制成便于装配、拆卸的模屉。

性能要求

催化剂是催化燃烧法的核心,一种好的催化剂必须具备催化活性高、热稳定性好、强度高、寿命长等特性。
1、活性高。催化剂的活性好坏直接影响催化燃烧的化学转化率。而转化率不仅与催化活性材料自身的活性有关,而且与催化载体的物理形状有着直接关系。所以,在选择适应的催化活性材料的同时,还必须考虑催化载体的物理形状,******催化剂有较高的活性,达到催化燃烧净化的目的。
2、热稳定性好。由于废气的温度随时变化,如果催化剂不能适应一定范围内的温度变化,催化剂的性能***会下降,净化效率***会降低。因此,催化剂必须具备适应一定范围内的温度变化。
3、强度高。在催化燃烧过程中,催化剂往往会因高温、振动和气流等因素的作用,使催化剂产生破裂和磨损,破裂和磨损会造成催化剂的活性降低,增加催化剂床层的压降,影响净化效果。
4、寿命长。催化活性材料大都比较昂贵,所以,设计时选用催化剂时应尽量使用寿命较长的催化剂。

催化燃烧应用


催化燃烧适用于含有可燃气体、蒸气等有毒有害气体的净化,但对于含有大量尘粒、雾滴等有毒有害气体,容易引起催化床层的堵塞,使催化活性下降,从而降低净化效率。催化燃烧净化方法,几乎适用于所有排放烃类或有臭味化合物的工业生产过程。

催化燃烧实质及催化剂要求


催化燃烧的实质及其优势

催化燃烧是典型的气—固相催化反应,它借助催化剂降低了反应的活化能,使其在较低的起燃温度200~ 300℃下进行无焰燃烧,有机物质氧化发生在固体催化剂表面,同时产生CO2和H2O,并放出大量的热量,因其氧化反应温度低,所以大大地抑制了空气中的N2形成高温NOx。而且由于催化剂有选择性催化作用,有可能限制燃料中含氮化合物(RNH)的氧化过程,使其多数形成分子氮(N2)。
与传统的火焰燃烧相比,催化燃烧有着很大的优势:
(1)起燃温度低,能耗少,燃烧易达稳定,甚至到起燃温度后无需外界传热***能完成氧化反应。
(2)净化效率高,污染物(如NOx及不******燃烧产物等)的排放水平较低。
(3)适应氧浓度范围大,噪音小,无二次污染,且燃烧缓和,运转费用低,操作管理也很方便。

催化剂的类型及性能要求

目前国内外主要研究的催化剂基本上有两大类:一类为贵金属催化剂,这类催化剂的活性和稳定性好,技术较为成熟,但由于贵金属******高,资源短缺,所以,未能将其产业化;另一类为非金属催化剂,主要集中在过渡金属氧化物催化剂、复氧化物催化剂(钙钛型复氧化物和尖晶石型复氧化物)的研究方面。目前,寻找来源丰富、******低廉、性能相当的非贵金属催化剂,以替代传统的贵金属催化剂用于催化燃烧过程已成为了研究的一个重要方向。
催化燃烧对催化剂的基本要求是:既能抑制烧结、保持活性物质具有较大的比表面积及良好的热稳定性,又要具有一定的活性,可起到催化剂活性组分或助催化剂的作用。这在某种程度上是互相矛盾的,因为研究已经证明氧化物的活性和热稳定性成反比。同时,需有高的机械强度以及对燃料中所含毒素有高的耐腐蚀性

催化燃烧技术应用

制作催化燃烧式气体传感器

催化燃烧气体传感器是一种用于检测因催化剂接触燃烧作用而产生的燃烧热的一种气体传感器。当可燃气体一旦与预先加热了的传感器相接触,在传感器表面***发生了催化燃烧现象,使传感器温度上升,这种温度变化可通过白金线圈的电阻变化进行检测。该设备可用于监测工业燃烧炉的燃烧及控制情况,检测汽车尾气中未******燃烧物的含量,用于环境监测及可燃气体泄漏报警,矿井、车船、仓库等可燃气体危险品的检测以及用于催化动力学的研究等方面。

水泥生产中的应用

在水泥工业中,水泥熟料的煅烧是通过煤的燃烧来实现的,煤的燃烧状况直接影响到水泥熟料的燃烧效果。煤在催化剂作用下,加速氧化物放氧,使煤炭迅速燃烧,提高燃烧的强度。给水泥煅烧提供了足够热能,同时也提高了水泥煅烧热动力,加速热传递,促进质点、固相、气相、液相反应,提高了物质扩散速度和相间反应速度。目前已有研究表明,“CHCT”催化剂在水泥熟料煅烧过程中通过对煤炭的催化燃烧可有效促进固相反应、液相反应以及熟料急冷。另有实验表明,MnO2的催化效果也较好,其******添加量为8%~ 16%,且对水泥熟料的性能不会产生影响。

家用天然气催化燃烧热水器

将催化燃烧技术应用于家用热水器已基本研制成功。其催化剂是以Fe2O3、Co3O4、MnO2为活性组分,Al2O3为载体,催化剂被制成浆液,涂覆在适用于家用热水器燃烧室大小的整体式堇青石蜂窝陶瓷上。实验测试表明,在热交换器没有充分吸热的情况下,其热效率已达83.5%,超过了国家标准(η≥80%);另外,NOx的排放量的体积分数仅为24×10- 6,低于国家标准(< 80× 10- 6),CO含量为0.02%,达到国家标准(0.02%)。

燃气催化燃烧灶

山东莱州市东升燃具厂已成功研制出属于我国的燃气催化燃烧灶。该燃烧灶改变了普通灶具的结构,使空气与燃气充分、均匀混合,加快了燃烧速度。其优势体现为:一是高效节能,节能45%~ 55%以上,即一罐液化气可顶原来的两罐来烧;二是节时,使用时灶面温度高达999~ 1200℃ ,比普通炉具节时45%~ 55%以上;三是卫生,因其燃烧充分,炉灶底不会出现黑色,并解除了厨房的胶状物;四是CO排放量低,仅为0.006%,低于国际标准90%。

催化燃烧应用在燃气轮机发电领域

美国在20世纪末***后10年里,天然气电厂以每年6000MW装机容量的速率逐年递增。随着“西气东输”世纪工程的启动,我国天然气发电领域也逐渐与世界接轨,因此对该领域中存在的应用技术问题的探索已是刻不容缓。天然气燃烧中的环境问题是由于天然气的热值较高,使得燃烧室温度高达1800℃ ,助燃空气中的N2发生高温氧化,造成NOx污染。它以催化燃烧代替传统的火焰燃烧方式,燃烧室温度被降至1500℃以下,能够有效地抑制热效应NOx生成反应的发生。工业领域对催化燃烧技术的兴趣还在于,催化剂能够稳定贫燃火焰,进行高空燃比燃烧,增大了燃料的利用率;另外,催化剂促进的无焰燃烧,产生的热流温度适中,无须冷却空气进行稀释,可直接驱动燃气轮机,从而提高热效。因此,催化燃烧应用于燃气轮机发电不仅能够降低对环境的破坏,还大大提高了燃气轮机的效率。

催化燃烧应用在汽车尾气净化领域

汽车尾气催化净化剂其应用原理是在汽车排气管尾部安装催化转化器,CO、HC和NOx借助燃烧催化剂的作用,发生氧化还原反应而转化为无毒的CO2、H2O和N2。所用催化剂为通常所说的三效催化剂,既有把NOx还原的功能,同时又有把CO和烃类氧化的功能。在大量过剩氧气的存在下,具备原位NOx还原能力催化剂的发展,是对于下一代燃油经济型发动机的******挑战。如果这一点能够顺利实现,商业化的发动机可以节约燃油25%以上。汽车制造商开发的部分杂合贫燃发动机,是将在贫油状态下产生的NOx储存在内置于TWC中的一种碱土金属氧化物(如BaO)中,周期地快速强化空气—燃油比,将储存的NOx在TWC上还原。其基本要求为必须使用含硫量低的燃油,以防止SOx吸附于催化剂上而导致催化剂的活性中心中毒。随着新材料的应用,以及低硫含量(<50μg/g)汽油的推广生产,这种技术在21世纪具有强大的市场前景。

催化燃烧应用在处理有机废气领域

石油化工、油漆、电镀、印刷、涂料、轮胎制造等工业的生产过程中都涉及到有机挥发化合物的使用和排放。有害的有机挥发物通常是烃类化合物、含氧有机化合物、含氯、硫、磷及卤素有机化合物,这些挥发性有机物如不经处理直接排入大气会造成严重的环境污染。传统的有机废气净化处理方法(如吸附法、冷凝法、直接燃烧法等)均存在缺陷,如易造成二次污染等。为了克服传统有机废气处理方法的缺陷,人们采用催化燃烧方法来对有机废气进行净化处理。
催化燃烧方法是一种实用简便的有机废气净化处理技术,该技术是将有机物分子在催化剂表面作用发生深度氧化转化为无害的二氧化碳和水的方法,又称为催化******氧化或催化深度氧化方法。一种发明为工业苯废气的催化燃烧技术,应用的是低成本的非贵金属催化剂,催化剂基本由CuO、MnO2、铜锰尖晶石、ZrO2、CeO2、锆、铈固溶体构成,可大大降低催化燃烧的反应温度,提高催化活性,还可以大幅度延长催化剂寿命。一种发明为催化燃烧催化剂,用于有机废气净化处理的催化燃烧催化剂,由块状的蜂窝陶瓷载体骨架与涂覆其上的涂层以及贵金属活性组分组成。该催化剂的涂层由Al2O3、SiO2和一种或几种碱土金属氧化物共同形成的复合氧化物组成,因而具有良好的耐高温性能,贵金属活性组分以浸渍法担载,其有效利用率高。

催化燃烧在加热炉炉管烧焦上的应用

石油化工中的结焦不仅会使炉管传热系数降低、造成局部过热现象、缩短炉管寿命,而且会降低装置处理量,严重制约装置的正常运转,因此需要定期烧焦。计算机控制下蒸汽—空气在线烧焦是目前国内采用的较为******的技术,但其存在的较大问题是烧焦时间过长。如果在石油化工装置烧焦过程中,加入一种烧焦助燃剂,***可以通过降低烧焦反应的活化能,大幅度提高烧焦反应速度,***能够在较低的温度下,达到缩短烧焦时间的目的。这一技术的研究有了一些突破性的进展。
克罗地亚的INOSd.O.O(Zagreb,Croatia)开发了一种适用于烃油加热炉炉管的催化烧焦方法。可用来取代传统的使用蒸汽+空气的炉管烧焦方法。新方法是在蒸汽中混入催化剂,使烧焦反应热大大减少,故其烧焦速度比传统热烧焦方法快3倍。由于烧焦时间大大缩短,也即减少了停工时间,因而提高了炉子开工率。所用催化剂是一种不含重金属的无毒化合物,以水溶液形式被注入通入炉管的蒸汽流中,炉温可由燃烧器控制稳定。因烧焦速度快,又不存在超温过热的危险,所以使炉管的烧焦操作很容易控制。

催化燃烧在重质燃油燃烧中的应用

重质燃料由于含沥青质、胶质、大分子磷质较多,因而流动性差、粘稠,造成使用时油压高,燃烧不充分。燃烧效率低,污染环境,同时油中还含有一定量的硫、钒化合物,对窑炉、机件的腐蚀也较严重。为了节约能源,更好更广泛地使用重质燃油,由浙江省湖州埭溪化工厂、湖州市节能中心及绍兴瓷厂等单位协作研制成功了W型重质燃油助燃剂,取得了良好效果[12]。助燃剂是一种高度浓缩 的燃烧促进剂,在燃烧过程中起催化作用。在燃烧区与碳元素作用,以防止游离碳的生成。同时它重质燃油有强扩散渗透作用,减少油泥的积沉,增加流动性,使燃油雾化状态良好,燃烧效率提高,节约能源。在防腐方面由于它有呈微碱性,可以抑制硫酸形成,并能防止对窑体等的腐蚀,减少环境污染。

催化燃烧在钢铁厂中降低烧结煤耗上的应用

钢铁工业是能源消耗大户,而烧结工序能耗约占钢铁生产总能耗的10%。我国1990年******钢铁企业烧结能耗比国外烧结能耗(标煤55kg/t)高11~ 27kg/t。若按全国烧结产量1亿t及生产能耗下降2%,其节煤(焦)总量相当于一个大中型煤矿一年的产量。酒钢(集团)钢铁研究院、安徽工业大学与酒钢(集团)河西堡铁厂根据河西堡铁厂烧结用煤和烧结工艺技术特点,提出在河西堡铁厂烧结原料和技术条件下进行添加催化助燃剂强化烧结的工业性试验。此次工业性试验结果表明,往焦粉中添加焦量0.137%左右的催化助燃剂每吨烧结矿可节约焦5.35kg,即节焦约8.06%。烧结机利用系数增加3.63%,成品率提高3.44个百分点,烧结矿的质量略有改善。催化燃烧技术用于烧结生产,不仅节能效益显著,而且产出强度好、FeO含量低的烧结矿,有利于高炉生产,其技术和添加设备并不复杂,投资少,具有很好的应用价值。

催化燃烧在锅炉中的应用

燃煤锅炉对大气的污染已得到公认,某些地区也已对燃煤锅炉进行了改造,但目前的改造只是将燃煤锅炉改为燃气锅炉,并没有改变燃气锅炉的传统火焰燃烧方式。催化燃烧实现了贫燃料的燃烧过程,打破了传统火焰燃烧的可燃界限,能进一步提高燃气炉的燃烧效率和热效率,符合我国“十一五”规划低排放、高效率增长方式的要求,是一种很有发展前景的燃烧技术。


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