【邦学堂】催化燃烧技术处理VOCs的基本原理和应用（上）
近年来，随着有机合成、石化、制药和喷烤漆等行业的迅速发展，进入大气的有机废气越来越多，已成为导致大气污染的主要原因，严重危害人类的健康，制约社会经济的可持续发展。2013年国家环保部发布的《挥发性有机物（VOCs）污染防治技术政策》中指出：VOCs污染防治应遵循源头和过程控制与末端治理相结合的综合防治原则，要求到2020年，基本实现VOCs从原料到产品、从生产到消费的全过程减排。寻求合理有效的治理技术来解决VOCs污染问题，已经迫在眉睫。
在《制药工业VOCs及恶臭污染治理概况》（详情点击【邦学堂】制药工业VOCs及恶臭污染治理概况｜图表】）中我们已经介绍了10多种VOCs及恶臭的处理方法，其中的催化燃烧是实现VOCs高效燃烧的一种处理技术，因具有起燃温度低、处理效率高、无二次污染等优点，符合当今社会倡导的高效低耗、节能环保的理念，在VOCs净化处理过程中显示出了极大的竞争力。掌握催化燃烧技术的原理、工艺流程、催化剂的选用及技术应用进展等，对于用好该技术有重要的作用，并能为VOCs废气处理提供思路。
挥发性有机化合物(VOCs)一般是指在常温常压下饱和蒸气压大于70Pa、沸点小于260℃的有机化合物的总称，包括脂肪烃、芳香烃、含卤烃类、含氧烃类、含氮烃和含硫烃类等，主要来源于石化、制药、精细化工、印刷、喷漆、机动车等行业。
催化燃烧的基本原理
催化燃烧是典型的气—固相催化反应，实质是利用催化剂的深度催化氧化活性将有机物质（VOCs等）在燃点以下的温度(200-400℃)与氧气反应生成CO2、N2和H2O（反应在固体催化剂表面进行，吸附作用使有机分子富集而提高了反应速率；催化剂降低了反应的活化能，使有机废气在较低的起燃温度下进行无焰燃烧）。
根据废气预热方式及富集方式，催化燃烧工艺流程可分为预热式、自身热平衡和吸附-催化燃烧三种。
序号 | 工艺流程 | 条件 | 内容 |
1 | 预热式 | 当有机废气温度（100℃以下）和浓度较低时 | 在进入反应器前，先在预热室加热升温，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。 |
2 | 自身热平衡 | 当有机废气温度高于起燃温度且有机物含量也高时 | 通过热交换器回收部分净化气体产生的热量，不需补充热量，只需设置用于起燃的电加热器。 |
3 | 吸附-催化燃烧 | 当有机废气流量大、浓度低、温度低，采用催化燃烧还需耗大量燃料时 | 可先采用吸附手段将有机废气吸附于吸附剂上进行浓缩，然后再经热空气吹扫，使有机废气脱附出来，成为浓缩的高浓度有机废气，再催化燃烧。浓缩有机废气可实现自身热平衡运转，无需外界补充热源。 |
关于催化燃烧技术
1、催化燃烧相比传统的火焰燃烧的优点有哪些：
（1）无火焰燃烧，安全性好，净化效果好（净化率大于95%），适于高浓度VOCs的处理。
（2）对废气浓度、氧气浓度也无限制，能将热力燃烧不能处理的、浓度低的VOCs充分燃烧。
（3）起燃温度低，且燃烧时用于预热消耗的功率仅为直接燃烧的40％～60％，能耗少，运转费用低。
（4）高温燃烧过程中不会产生NOx，可限制含氮化合物（RNH）的氧化，无二次污染。
（5）燃烧缓和操作管理方便。
（6）适用范围广，几乎能处理所有烃类和恶臭气体等成分复杂的有机废气。
2、催化燃烧技术应用的常见问题及措施：
（1）工艺条件要求严格，废气不应含催化剂毒物或影响其寿命和净化效率的尘粒、雾滴。采用催化燃烧技术须对有机废气进行前处理。
（2）为防止催化剂中毒，不适用于燃烧过程中产生大量硫氧化物和氮氧化物废气的处理。
（3）催化燃烧装置使用时，VOCs处理前后的温度差（DT）反映了催化燃烧的性能，如果完全燃烧，那么DT与VOCs的浓度成正比。若DT过大，在催化前应新风稀释；若DT过低，可能是VOCs浓度太低，或者催化效果差。
（4）当催化性能下降时，应提高VOCs处理前温度，或者催化剂高温再生（400℃以上）；若对催化剂的活性分析正常，则应考虑设备问题。
3、低浓度VOCs浓缩催化技术存在的问题及解决方案
（1）活性炭浓缩催化技术
活性炭可燃：活性炭蜂窝（纤维）使用后，附着了着火点更低的物质，增加燃烧风险；
脱附浓度波动大：如果活性炭脱附时VOCs浓度过高，将导致催化剂和催化后温度飞温，带来催化剂和设备烧坏等风险。
解决办法：增加吸附塔的数目，严格控制活性炭脱附浓度。
（2）分子筛转轮浓缩技术：该技术投资成本高，技术难度大。
4、催化燃烧技术的应用
（1）催化燃烧处理二噁英气体
在240℃-260℃和8000r·h-1的转速下，二噁英的去除率达到99%，二噁英浓度可降至0.1ng/m3以下。废气中多氯联苯并呋喃等二噁英前驱物质基本完全分解，氮氧化物发生选择性催化还原反应，生成无害的氮气。
（2）催化燃烧处理工业有机废气
催化燃烧净化处理技术，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。催化燃烧技术已由试验转入工程实践阶段，并逐渐应用于石油化工、农药、印刷、涂料等行业有机废气净化处理。
为保证分享内容的完整性，由于篇幅有限，有关催化燃烧技术的核心——催化剂，及其种类、制备、选用、性能评估及常见问题会在下期《催化燃烧技术处理VOCs的基本原理和应用（下）》中为大家呈现，敬请关注！
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推荐教授
罗孟飞，博士，浙江师范大学教授，先进催化材料教育部重点实验室主任，浙江省二级教授，中国化学会催化学会委员，浙江省固体表面反应化学重点实验室主任，苏州大学博士生导师，浙江省151人才第一层次入选者，省高校中青年学科带头人，校“双龙学者”特聘教授。主要从事多相催化、催化新材料等方面的研究。已在国内外期刊上发表研究论文100余篇，其中SCI收录40余篇，EI收录9篇。曾获3项国家发明专利、浙江省科学技术三等奖、浙江省人民政府科技进步三等奖、浙江省教育厅科技进步二等奖。
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