探討進(jìn)氣濃度、催化溫度和空速對(duì)催化燃燒性能的影響

本文依托某噴漆企業(yè)有機(jī)廢氣治理工程,以非甲烷總烴為例,運(yùn)行單因素試驗(yàn)法,探討了進(jìn)氣濃度、催化溫度和空速對(duì)催化性能的影響,為催化燃燒法處理有機(jī)廢氣的工藝設(shè)計(jì)和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
隨著國(guó)家工業(yè)化的快速發(fā)展，近年來(lái)人們對(duì)大氣環(huán)境質(zhì)量越來(lái)越關(guān)注，以揮發(fā)性有機(jī)污染物為代表的大氣環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，噴漆企業(yè)因使用溶劑型涂料和溶劑型稀釋劑而成為揮發(fā)性有機(jī)廢氣的主要排放源。由于有機(jī)廢氣存在易揮發(fā)、成分復(fù)雜、揮發(fā)性不同等特點(diǎn)，難以去除。催化燃燒法是熱破壞法處理VOCs的其中一種方法，其在遠(yuǎn)低于直接燃燒溫度條件下處理低濃度的VOCs氣體，具有凈化效率高、無(wú)二次污染、能耗低的特點(diǎn)，是商業(yè)上處理VOCs 應(yīng)用最有效的處理方法之一。
1 催化燃燒工藝原理
催化燃燒是典型的氣—固相催化反應(yīng)，它在催化劑的作用下降低反應(yīng)的活化能，使其在較低的起燃溫度250 ～ 350℃下進(jìn)行無(wú)焰燃燒，在固體催化劑表面有機(jī)物質(zhì)發(fā)生氧化，同時(shí)產(chǎn)生CO2 和H2O，并放出大量的熱量，因其氧化反應(yīng)溫度低，所以大大地抑制了空氣中的N2形成高溫NOx。而且由于催化劑有選擇性催化作用，有可能限制燃料中含氮化合物的氧化過(guò)程，使其多數(shù)形成分子氮 。
2 催化燃燒工藝設(shè)計(jì)
本研究選取貴金屬鈀為催化劑、陶瓷填料為載體，配置催化燃燒裝置一套。主要研究在設(shè)計(jì)處理風(fēng)量為2500m3/h、催化燃燒設(shè)計(jì)燃燒溫度為250℃、不同催化劑用量對(duì)VOCs去除效率的影響。
設(shè)計(jì)工藝流程如下圖所示：

有機(jī)廢氣通過(guò)風(fēng)機(jī)進(jìn)入催化燃燒設(shè)備的旋轉(zhuǎn)四通閥，進(jìn)而通過(guò)陶瓷材料填充層（底層）預(yù)熱達(dá)到催化氧化所設(shè)定的溫度后，這時(shí)其中部分污染物氧化分解；廢氣繼續(xù)通過(guò)加熱區(qū)升溫，并維持在設(shè)定溫度；其再進(jìn)入催化層完成催化氧化反應(yīng)，即反應(yīng)生成CO2 和H2O，并釋放大量的熱量，以達(dá)到預(yù)期的處理效果。
3 催化性能影響因素分析
3.1 不同進(jìn)氣濃度對(duì)催化性能的影響
以非甲烷總烴作為研究對(duì)象，其進(jìn)氣濃度在150mg/L-300 mg/L 范圍內(nèi)，設(shè)定進(jìn)氣風(fēng)量為2500m3/h、空速為10000h-1、催化溫度在250℃，用單因素試驗(yàn)法，考察非甲烷總烴進(jìn)氣濃度對(duì)催化性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。

由上圖可知，非甲烷總烴的進(jìn)氣濃度對(duì)催化性能有一定影響，當(dāng)非甲烷總烴的進(jìn)氣濃度低于200mg/L 時(shí)，其去除率不大于90%；當(dāng)進(jìn)氣濃度上升到200mg/L 以上其催化性能趨向穩(wěn)定，去除率超過(guò)96%。原因可能是當(dāng)進(jìn)氣濃度較低時(shí)，過(guò)低的濃度在沒(méi)有添加助燃劑的情況下，燃燒不充分，只有當(dāng)進(jìn)氣濃度達(dá)到一定值，在設(shè)定的試驗(yàn)條件下，催化燃燒反應(yīng)充分，繼續(xù)加大進(jìn)度濃度，催化性能變化幅度不大。
3.2 催化溫度對(duì)催化性能的影響

設(shè)定進(jìn)氣風(fēng)量為2500m3/h、空速為10000h-1、進(jìn)氣濃度為210mg/L，使用單因素試驗(yàn)法，考察不同催化溫度對(duì)催化性能的影響。具體試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

由上圖可見(jiàn)，非甲烷總烴的去除率隨著催化溫度的升高而增大，當(dāng)催化溫度低于220℃時(shí)，非甲烷總烴去除率低于90%；當(dāng)溫度上升到240℃ -350℃之間，其催化性能達(dá)到最佳，非甲烷總烴去除率保持在98% 左右；但350℃以后催化性能逐漸變?nèi)?。因此，在本設(shè)定的試驗(yàn)條件下，最佳催化性能溫度參數(shù)為240℃ -350℃。
3.3 空速對(duì)催化性能的影響
空速在催化燃燒工藝設(shè)計(jì)是的一個(gè)重要參數(shù)，本節(jié)研究在進(jìn)氣風(fēng)量為2500m3/h、催化溫度為250℃、進(jìn)氣濃度為210mg/L 的條件下，使用單因素試驗(yàn)法，設(shè)定空速為10000h-1-50000h-1 之間，考察空速對(duì)催化性能的影響。

上圖表明，空速在10000h-1-25000h-1 內(nèi)，對(duì)非甲烷總烴的去除率降幅不大；但當(dāng)空速超過(guò)25000h-1 時(shí)，對(duì)催化性能的影響開(kāi)始變大；空速為50000h-1 時(shí)非甲烷總烴去除率僅剩41.43%。原因主要是空速大，一部分催化燃燒器中的有機(jī)廢氣尚未與催化劑充分接觸即被帶離反應(yīng)器，催化反應(yīng)不充分，從而影響催化性能，造成低去除率的結(jié)果。
4 結(jié)論
（1）非甲烷總烴的進(jìn)氣濃度對(duì)催化性能有一定影響，當(dāng)進(jìn)氣濃度達(dá)到一定值時(shí)，其催化性能趨向穩(wěn)定，具有較好的催化效果。
（2）催化溫度對(duì)催化效果影響較大，非甲烷總烴的去除率隨著催化溫度的升高而變化，催化溫度過(guò)低和過(guò)高都不利于提高催化性能，最佳催化性能在一定溫度區(qū)間范圍內(nèi)體現(xiàn)。
（3）空速過(guò)大大，會(huì)導(dǎo)致一部分催化燃燒器中的有機(jī)廢氣尚未與催化劑充分接觸即被帶離反應(yīng)器，催化反應(yīng)不充分，從而影響催化性能。
來(lái)源：北極星VOCs在線