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催化燃燒技術研究進展綜述

2021-06-11 16:48:00

    催化燃燒是一個氣-固相催化反應,其實質是活性氧參與深度氧化作用。在催化燃燒過程中,催化劑降低反應的活化能,同時使反應物分子富集于催化劑表面,以提高反應速率。借助催化劑可使有機廢氣在較低的起燃溫度條件下發生無焰燃燒,并氧化分解成為CO2和H2O,同時放出大量熱量,達到了凈化廢氣的目的。

    VOCs催化燃燒技術中,關鍵是催化劑的研制,其性能的優劣對廢氣銷毀效率和能耗有著決定性的影響。按照催化劑所用的活性組分不同,催化劑可以分為貴金屬催化劑和非貴金屬氧化物催化劑兩大類。按照催化劑的形狀不同,催化劑可以分為顆粒催化劑和整體式催化劑兩大類。

1、催化劑概述

1.1 催化劑的活性組分

催化劑中活性組分是重要的組成部分,直接影響催化效果,按照催化劑所使用的活性組分,可將催化劑分為貴金屬催化劑和過渡金屬催化劑兩大類。

1.2 催化劑形狀

催化劑的形狀不僅影響反應器壓力降,也影響反應物和產物的擴散速度,以及反應選擇性和轉化率。因此,在催化燃燒反應過程中,催化劑在床層中的形狀對催化劑的催化燃燒性能有很大的影響。常用催化劑按形狀可分為顆粒狀和整體式催化劑兩大類。

(1)顆粒狀催化劑

催化燃燒是一個強放熱反應,顆粒催化劑在反應中會產生 “熱點”和局部高溫,催化劑易燒結失活;同時,顆粒催化劑床層壓降高,當含有粉塵的廢氣通過時,床層易被阻塞;另外顆粒催化劑強度低,易破損,阻力大。因此,顆粒催化劑并不適合催化燃燒空速和熱效應較大的工業有機廢氣。

(2)整體式催化劑

整體式催化劑是指一個反應器中只有一塊催化劑,英文名叫Monolith,通常為具有許多狹窄、直的或是彎曲的平行通道的整體結構催化劑[1],因而對催化燃燒空速和熱效應較大的工業有機廢氣具有很好的應用前景。催化活性組分負載在通道的壁面上,這些通道為催化劑活性組分與反應氣體提供了盡可能大的接觸面積,同時也使氣體的壓力降降到。與傳統的顆粒催化劑相比,整體式催化劑具有以下優點[2]:1)床層壓降大幅降低;2)催化活性物質涂層薄,內表面利用率高,特別適用反應速度快、空速大和處于傳質控制過程的催化燃燒反應;3)氣流分布均勻,無熱點和溝流現象,反應器徑向和軸向的溫度梯度大大減小;4)不產生粉塵,也不易被外來粉塵堵塞;5)機械強度和熱穩定性較好;6)安裝簡單,既可水平安裝(氣流水平方向通過),也可垂直安裝(氣流上下通過)。

整體式催化劑一般由活性組分和助劑、載體或涂層和基體三部分組成。基體主要起承載催化涂層的作用,主要分為兩類,一類是陶瓷基體(如堇青石、氧化鋁、莫來石);另外一類是金屬基體(如Fe-Cr-Al合金、金屬絲網)。

① 蜂窩陶瓷基體

蜂窩陶瓷基體大多以耐熔性氧化物、鋁酸鹽和硅酸鹽材料(如氧化鋁、氧化鎂、二氧化鈦、石英、二氧化鋯、尖晶石、堇青石和碳化硅等)作為原料,由于堇青石蜂窩陶瓷價格便宜、原材料易得、生產工藝簡單和性能基本滿足使用需要,且與各種催化劑活性組分良好的匹配性,孔壁薄熱膨脹系數和耐熱沖擊性好等優點,大多數廠家均將其作為整體式催化劑的基體。但是,蜂窩陶瓷基體也有一些不足:1)一般制作工藝的蜂窩孔徑和壁厚還不能制得很小,使進一步提高催化強度和降低床層壓降受到限制;2)陶瓷導熱性差,熱容量大;3)用于汽車尾氣處理時,陶瓷的機械強度還不完全經受得住行車過程中的氣流沖擊和機械震動。

② 蜂窩金屬基體

與蜂窩陶瓷基體相比,蜂窩金屬基體具有以下優點[3]:1)導熱系數大,可以快速地將熱量傳遞,從而達到啟動溫度或將熱量散發;2)壁薄、質輕、床層壓降小;3)機械強度高,耐振動;4)良好的延展性,易于加工成型;5)金屬絲網基體具有三維多孔結構,允許氣流在多個孔道內交錯流動,具有更大的傳熱速率和傳質效率。因此,金屬蜂窩基體克服陶瓷蜂窩基體的質脆、導熱性差等缺點。但是金屬基體也存在熱膨脹系數高,涂層與金屬基體粘結強度不高、易脫落、工藝復雜、價格相對較高等一系列問題,因此其不如陶瓷基體應用廣泛。

(3)整體式催化劑制備

整體式催化劑的制備方式主要有兩種,一種是在催化劑基體(如堇青石蜂窩基體或金屬蜂窩基體)上涂覆氧化鋁凝膠等復合氧化物凝膠等復合氧化物涂層,然后再浸漬貴金屬。另一種是先把貴金屬浸漬在催化劑載體(如氧化鋁或其他材料)上,然后再制備成漿液涂敷在催化劑基體上。兩種方式中,前者的制備工藝較為簡單,但由于該過程先在催化劑基體上涂覆氧化鋁凝膠,制得的氧化鋁涂層牢固度不夠,易脫落,且貴金屬在基體上的分散性不好;后一種制備方法中貴金屬分散較好,且涂層較為穩定,牢固度強。因此,目前大多采用后一種制備方法[4]。

2、用于芳烴催化燃燒催化劑的發展趨勢

目前國內外對用于催化燃燒處理芳烴廢氣催化劑研究的發展趨勢是:

(1)雖然非貴金屬催化劑成本低,熱穩定性相對較好,但催化活性低、起燃溫度高,難以實現工業應用。貴金屬催化劑具有其他金屬無可比擬的優越性,但是穩定性較差、價格昂貴,資源短缺,制約了其大規模應用。所以目前對催化燃燒催化劑的研究,主要是通過添加非貴金屬改善貴金屬催化劑的織構、結構、氧化還原等性能,提高催化劑的活性和選擇性、穩定性,降低貴金屬用量,實現單原子催化也成為貴金屬催化領域的研究熱點。

(2)目前的研究對象大多集中于易被催化燃燒的甲苯,但對結構穩定和毒性大的苯報道較少。另外,處理對象單一,大多數研發工作是在CH4、脂肪烴、醇、醛、甲苯等單一VOCs上進行,而實際工業氣體往往組成非常復雜,含有醛、醇和芳烴(如苯)及雜原子(Cl、N、S)有機物等。由處理一種VOCs到同時處理多種VOCs,及VOCs和其他污染物的混合物。

(3)催化燃燒與其它控制技術相結合,使其應用范圍更廣、處理效率更高,能耗更低:如吸附-催化燃燒、冷凝-催化燃燒等。

(4)對氧化機理和反應動力學尚缺乏深入的研究,特別對發生在催化劑上的反應路徑和分子活性氧需要更深入理解。此外,多種有機廢氣混合,易引起催化劑失活,這一系列復雜的問題有待進一步探索。
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