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催化燃燒基本原理
催化燃燒基本原理 催化燃燒是借助催化劑在低溫下(200～400℃)下，實現(xiàn)對有機(jī)物的******氧化，因此，能耗少，操作簡便，安全， 凈化效率高，在有機(jī)廢氣特別是回收價值不大的有機(jī)廢氣凈化方面，比如化工，噴漆、絕緣材料、漆包線、涂料 生產(chǎn)等行業(yè)應(yīng)用較廣，已有不少定型設(shè)備可供選用。 一、催化原理及裝置組成 (1)催化劑定義 催化劑是一種能提高化學(xué)反應(yīng)速率，控制反應(yīng)方向，在反應(yīng)前后本身的化學(xué)性質(zhì)不發(fā)生改變的物質(zhì)。 (2)催化作用機(jī)理 催化作用的機(jī)理是一個很復(fù)雜的問題，這里僅做簡介。在一個化學(xué)反應(yīng)過程中，催化劑的加入并 不能改變原有的化學(xué)平衡，所改變的僅是化學(xué)反應(yīng)的速度，而在反應(yīng)前后，催化劑本身的性質(zhì)并不發(fā)生變化。那么， 催化劑是怎樣加速了反應(yīng)速度呢了既然反應(yīng)前后催化劑不發(fā)生變化，那么催化劑到底參加了反應(yīng)沒有?實際上，催化劑 本身參加了反應(yīng)，正是由于它的參加，使反應(yīng)改變了原有的途徑，使反應(yīng)的活化能降低，從而加速了反應(yīng)速度。例如 反應(yīng)A+B→C是通過中間活性結(jié)合物(AB)過渡而成的，即： A+B→[AB]→C 其反應(yīng)速度較慢。當(dāng)加入催化劑K后，反應(yīng)從一條很容易進(jìn)行的途徑實現(xiàn)： A+B+2K→[AK]+[BK]→[CK]+K→C+2K 中間不再需要[AB]向C的過渡，從而加快了反應(yīng)速度，而催化劑并未改變性質(zhì)。 (3)催化燃燒的工藝組成 不同的排放場合和不同的廢氣，有不同的工藝流程。但不論采取哪種工藝流程，都由如下 工藝單元組成。 ①廢氣預(yù)處理 為了避免催化劑床層的堵塞和催化劑中毒，廢氣在進(jìn)入床層之前必須進(jìn)行預(yù)處理，以除去廢氣中的 粉塵、液滴及催化劑的毒物。 ②預(yù)熱裝置 預(yù)熱裝置包括廢氣預(yù)熱裝置和催化劑燃燒器預(yù)熱裝置。因為催化劑都有一個催化活性溫度，對催化 燃燒來說稱催化劑起燃溫度，必須使廢氣和床層的溫度達(dá)到起燃溫度才能進(jìn)行催化燃燒，因此，必須設(shè)置預(yù)熱裝置。 但對于排出的廢氣本身溫度***較高的場合，如漆包線、絕緣材料、烤漆等烘干排氣，溫度可達(dá)300℃以上，則不必 設(shè)置預(yù)熱裝置。 預(yù)熱裝置加熱后的熱氣可采用換熱器和床層內(nèi)布管的方式。預(yù)熱器的熱源可采用煙道氣或電加熱，目前采用電 加熱較多。當(dāng)催化反應(yīng)開始后，可盡量以回收的反應(yīng)熱來預(yù)熱廢氣。在反應(yīng)熱較大的場合，還應(yīng)設(shè)置廢熱回收裝置， 以節(jié)約能源。 預(yù)熱廢氣的熱源溫度一般都超過催化劑的活性溫度。為保護(hù)催化劑，加熱裝置應(yīng)與催化燃燒裝置保持一定距離， 這樣還能使廢氣溫度分布均勻。 從需要預(yù)熱這一點出發(fā)，催化燃燒法***適用于連續(xù)排氣的凈化，若間歇排氣，不僅每次預(yù)熱需要耗能，反應(yīng)熱 也無法回收利用，會造成很大的能源浪費(fèi)，在設(shè)計和選擇時應(yīng)注意這一點。 ③催化燃燒裝置 一般采用固定床催化反應(yīng)器。反應(yīng)器的設(shè)計按規(guī)范進(jìn)行，應(yīng)便于操作，維修方便，便于裝卸催化劑。 在進(jìn)行催化燃燒的工藝設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)具體情況，對于處理氣量較大的場合，設(shè)計成分建式流程，即預(yù)熱器、 反應(yīng)器獨立裝設(shè)，其間用管道連接。對于處理氣量小的場合，可采用催化焚燒爐，把預(yù)熱與反應(yīng)組合在一起， 但要注意預(yù)熱段與反應(yīng)段間的距離。 在有機(jī)物廢氣的催化燃燒中，所要處理的有機(jī)物廢氣在高溫下與空氣混合易引起******，安全問題十分重要。 因而，一方面必須控制有機(jī)物與空氣的混合比，使之在******下限；另一方面，催化燃燒系統(tǒng)應(yīng)設(shè)監(jiān)測報警裝置和有防爆措施。 二、催化燃燒用催化劑 由于有機(jī)物催化燃燒的催化劑分為貴金屬(以鉑、鈀為主)和賤金屬催化劑。貴金屬為活性組分的催化劑分為全金屬催化劑 和以氧化鋁為載體的催化劑。全金屬催化劑是以鎳或鎳鉻合金為載體，將載體做成帶、片、丸、絲等形狀，采用化學(xué)鍍或電 鍍的方法，將鉑、鈀等貴金屬沉積其上，然后做成便于裝卸的催化劑構(gòu)件。由氧化鋁作載體的貴金屬催化劑，一般是以陶瓷 結(jié)構(gòu)作為支架，在陶瓷結(jié)構(gòu)上涂覆一層僅有0．13mm的α-氧化鋁薄層，而活性組分鉑、鈀***以微晶狀態(tài)沉積或分散在多孔 的氧化鋁薄層中。 但由于貴金屬催化劑******昂貴，資源少，多年來人們特別注重新型的、******較為便宜的催化劑的開發(fā)研究，我國是世界 上稀土資源***多的國家，我國的科技工作者研究開發(fā)了不少稀土催化劑，有些性能也較好。 三、催化劑中毒與老化 在催化劑使用過程中，由于體系中存在少量的雜質(zhì)，可使催化劑的活性和選擇性減小或者消失，這種現(xiàn)象叫催化劑中毒。 這些能使催化劑中毒的物質(zhì)稱之為催化劑毒物，這些毒物在反應(yīng)過程中或強(qiáng)吸附在活性中心上，或與活性中心起化學(xué)作用而 變?yōu)閯e的物質(zhì)，使活性中心失活。 毒物通常是反應(yīng)原料中帶來的雜質(zhì)，或者是催化劑本身的某些雜質(zhì)，另外，反應(yīng)產(chǎn)物或副產(chǎn)物本身也可能對催化劑毒化， 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、鹵素化合物、重金屬化合 物等。 毒物不單單是對催化劑來說的，而且還針對這個催化劑所催化的反應(yīng)，也***是說，對某一催化劑，只有聯(lián)系到它所催化 的反應(yīng)時，才能清楚什么物質(zhì)是毒物。即使同一種催化劑，一種物質(zhì)可能毒化某一反應(yīng)而不影響另一反應(yīng)。 按毒物與催化劑表面作用的程度可分為暫時性中毒和******性中毒。暫時性中毒亦稱可逆中毒，催化劑表面所吸附的毒物 可用解吸的辦法驅(qū)逐，使催化劑恢復(fù)活性，然而這種可再生性一般也不能使催化劑恢復(fù)到中毒前的水平。******性中毒稱不可 逆中毒，這時，毒物與催化劑活性中心生成了結(jié)合力很強(qiáng)的物質(zhì)，不能用一般方法將它去除或根本無法去除。 催化劑的老化主要是由于熱穩(wěn)定性與機(jī)械穩(wěn)定性決定的，例如低熔點活性組分的流失或升華，會大大降低催化劑的活性。 催化劑的工作溫度對催化劑的老化影響很大，溫度選擇和控制不好，會使催化劑半熔或燒結(jié)，從而導(dǎo)致催化劑表面積的下 降而降低活性。另外，內(nèi)部雜質(zhì)向表面的遷移，冷熱應(yīng)力交替所造成的機(jī)械性粉末被氣流帶走。所有這些，都會加速催化 劑的老化，而其中***主要的是溫度的影響，工作溫度越高，老化速度越快。因此，在催化劑的活性溫度范圍內(nèi)選擇合適的 反應(yīng)溫度將有助于延長催化劑的壽命。但是，過低的反應(yīng)溫度也是不可取的，會降低反應(yīng)速率。 為了提高催化劑的熱穩(wěn)定性，常常選擇合適的耐高溫的載體來提高活性組分的分散度，可防止其顆粒變大而燒結(jié)，例如 以純銅作催化劑時，在200℃即失去活性，但如果采用共沉積法將Cu載于Cr2O3載體上，***能在較高的溫度下保持其活性。 |
