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VOC催化燃烧催化剂介绍

发表时间:2019-07-05
1、催化剂的主要性能指标 

在空速较高,温度较低的条件下,有机废气的燃烧反应转化率接近 100%, 表明该催化剂的活性较高。催化剂的活性分诱导活化、稳定、衰老失活3个阶段,有一定的使用限期,工业上实用催化剂的寿命一般在2年以上。使用期的长短与最佳活性结构的稳定性有关,而稳定性取决于耐热、抗毒的能力。对催化燃烧所用催化剂则要求具有较高的耐热和抗毒的性能。有机废气的催化燃烧一般不会在很严格的操作条件下进行,这是由于废气的浓度、流量、成分等往往不稳定, 因此要求催化剂具有较宽的操作条件适应性。 催化燃烧工艺的操作空速较大,气流对催化剂的冲击力较强,同时由于床层温度会升降,造成热胀冷缩,易使催化剂载体破裂,因而催化剂要具有较大的机械强度和良好的抗热胀冷缩性能。 




2、催化剂种类 
目前催化剂的种类已相当多,按活性成分大体可分3类。 
2.1 贵金属催化剂
铂、钯、钌等贵金属对烃类及其衍生物的氧化都具有很高的催化活性,且使用寿命长,适用范围广,易于回收,因而是最常用的废气燃烧催化剂。如我国最早采用的 Pt-Al2O3催化剂就属于此类催化剂。但由于其资源稀少,价格昂贵, 耐中毒性差,人们一直努力寻找替代品或尽量减少其用量。

2.2 过渡金属氢化物催化剂
作为取代贵金属催化剂,采用氧化性较强的过渡金属氧化物,对甲烷等烃类和一氧化碳亦具有较高的活性,同时降低了催化剂的成本,常见的有MnOx、CoOx和CuOx等催化剂。大连理工大学研制的含MnO2催化剂,在130℃及空速13000h-1 的条件下能消除甲醇蒸气,对乙醛、丙酮、苯蒸气的清除也很有效 果。 

2.3 复氧化物催化剂
一般认为,复氧化物之间由于存在结构或电子调变等相互作用,活性比相应的单一氧化物要高。主要有以下两大类: 
1)钙钛矿型复氧化物
稀土与过渡金属氧化物在一定条件下可以形成具有天然钙钛矿型的复合氧 化物,通式为 ABO3,其活性明显优于相应的单一氧化物。结构中一般 A 为四面 体型结构,B 为八面体形结构,这样 A 和 B 形成交替立体结构,易于取代而产 生品格缺陷,即催化活性中心位,表面晶格氧提供高活性的氧化中心,从而实现 深度氧化反应。常见的有几类如:BaCuO2、LaMnO3 等。 

2)尖晶石型复氧化物

作为复氧化物重要的一种结构类型, 以 AB2X4 表示.尖晶石亦具有优良的深 度氧化催化活性,如对 CO 的催化燃烧起燃点落在低温区(约 80℃),对烃类亦在低温区可实现完全氧化。其中研究最为活跃的 CuMn2O4 尖晶石, 对芳烃的活性尤为出色,如使甲苯完全燃烧只需260℃,实现低温催化燃烧,具有特别实际意义。 




3、催化剂负载方式
催化剂活性组分可通过下列方式沉积在载体上:
1)电沉积在缠绕或压制的金属载体上;
2)沉积在颗粒状陶瓷材料上;
3)沉积在蜂窝结构的陶瓷材 料上。 金属载体催化剂一般是将金属制成丝网或带状,然后将活性组分沉积在其上。金属载体催化剂的优点是导热性能好、机械强度高,缺点是比表面积较小。 陶瓷载体结构有颗粒状及蜂窝状两大类,陶瓷材料通常为硅-铝氧化物。

颗粒状载体的优点是比表面积大, 缺点是压降大以及因载体间相互摩擦,造成活性组分磨耗损失。蜂窝载体是比较理想的载体型式,具有很高的比表面,压力降较片粒柱状低,机械强度大,耐磨、耐热冲击。




4、催化剂失活与防治 

4.1 催化剂失活催化剂在使用过程中随着时间的延长,活性会逐渐下降,直至失活。


催化剂失活主要有以下 3 种类型:
1)催化剂完全失活。使催化剂失活的物质包括快速和慢速作用毒物两大类。快速作用毒物主要有磷、砷等,慢速作用毒物有铅、锌等。通常情况下,催化剂失活是由于毒物与活性组分化合或熔成合金。对于快速作用毒物来说,即使只有微量,也能使催化剂迅速失活。在500℃以下时,慢性作用毒物使活性物质合金化的速度要慢得多。

2)抑制催化反应。卤素和硫的化合物易与活性中心结合,但这种结合是比较松弛、可逆的、暂时性的。当废气中的这类物质被去除后,催化剂活性可以恢复。

3)沉积覆盖活性中心。不饱和化合物的存在导致碳沉积, 此外陶瓷粉尘、铁氧化合物及其他颗粒性物堵塞活性中心,从而影响催化剂的吸附与解吸能力,致使催化剂活性下降。 

4.2 催化剂失活的防治

针对催化剂活性的衰减,可以采取下列相应的措施:按操作规程,正确控制 反应条件;当催化剂表面结碳时,通过吹入新鲜空气,提高燃烧温度,烧去表面结碳;将废气进行预处理,以除去毒物,防止催化剂中毒;改进催化剂的制备工艺,提高催化剂的耐热性和抗毒能力。 




5、燃烧动力学 

当有机废气在金属氧化物催化剂上燃烧时, 碳氢化合物的氧化反应是经过表面氧化还原作用循环实现的。这一机理是由Mars-Van Krevelen提出,反应机理如下:式中,Ri—碳氢化合物物种 i。相应反应动力学模型方程式可表达为: 式中,ki、koi—分别碳氢化合物物种i及氧的反应速度常数, C i、Coi—分别碳氢化合物物种 i 及氧的浓度,Vi—每摩尔碳氢化合物物种i完全氧化所需氧摩尔数。 实验表明碳氢氧化反应速度对碳氢的反应级数位于0和1之间。

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