催化燃燒（RCO）處理工業廢氣關鍵技術研究

張海鷹 張俊鵬 袁立新 何江湖

摘 要：催化燃燒RCO利用化學催化劑，使有機廢氣在較低的起燃溫度發生無氧燃燒，具有適用范圍廣、效率高、經濟性好等優點，在設計過程中，要根據廢氣類型和具體工況，合理選用高效吸附劑和催化劑，對于吸附脫附裝置和催化爐的設計，采用性能和經濟型匹配的原則，改進優化催化氧化爐裝置和自動化控制，有效降低能耗，提升催化氧化爐的可靠性和安全性。

關鍵詞：催化燃燒RCO;催化劑;催化燃燒爐

蓄熱式催化燃燒法，英文全稱為“Regenerative Catal

ytic Oxidation Oxidition”，通常簡稱催化燃燒或 RCO。蓄熱式催化燃燒法對VOCS分子的吸附，脫附后提高了反應物的濃度，利用化學催化劑，使有機廢氣在較低的起燃溫度250-300℃情況下，有機廢氣發生無氧燃燒，分解成CO2和H2O，同時可以釋放出大量熱量，因此反應過程中能耗較小，一般情況下達到起燃溫度后無再需外界供熱，在催化劑的作用下，催化氧化階段降低反應的活化能，提高了反應的速率。

一、催化燃燒的特點

（一）適用范圍廣

催化燃燒幾乎可以處理所有的有機廢氣及惡臭氣體，包括苯類、酚類、醛類、酮類、酯類、醇類、醚類、和烴類等。它適用于處理各種中低濃度的廢氣成分。特別是對石油化工、噴涂涂料、絕緣材料、食品加工等行業排放的低濃度、多成分，又沒有回收價值的廢氣，采用吸附-催化燃燒法的處理效果會更好。

（二）效率高

采用催化燃燒法RCO處理有機廢氣，廢氣的凈化率一般都在95%以上，最終反應產物大部分為CO2和H2O，因此處理過程無二次污染形成的問題。由于反應溫度低，也能大大減少了NOX的生成。

（三）經濟性好

催化燃燒法相對于常用的吸附法、光催化氧化、低溫等離子等處理低濃度有機廢氣的處理方法，前期投資成本會稍微有所提高，當然主要還是取決于催化劑性能和效率以及廢氣處理中的有機物濃度，也與熱量回收效率、經營管理和操作工藝等有關。相反，可以利用催化燃燒的反應熱能，根據需要配置余熱，充分利用廢氣燃燒的熱能分解有機廢氣，有效降低了有機廢氣處理運行成本。

此外，RCO催化氧化處理技術還具有高空速>30000h-1、低溫催化、高效換熱、良好的經濟性和安全性等特點，設備的可靠性高，配有阻火除塵系統、防爆泄壓系統、超溫報警系統及全自動控制系統，維護成本低，整體設備的占地面積相對較小。

二、關鍵技術分析

催化燃燒作為中低濃度大風量有機廢氣的處理方法，要根據實際情況，對于不同類型的廢氣組份采用不同的催化劑配比，這是利用催化燃燒技術徹底解決污染物分子分解的關鍵。根據性能和經濟型匹配的原則，為市場提供合理的高效吸附劑，改進優化催化氧化爐裝置和自動化控制，有效降低能耗和提升催化氧化爐的可靠性和安全性。

（一）催化劑選型和配制

決定RCO系統性能是否優良的關鍵是催化劑，一般采用金屬載體和陶瓷載體催化劑，貴金屬或過渡金屬催化劑通常負載在鞍狀或是蜂窩狀陶瓷上，由于在250-350℃的低溫燃燒，既降低了燃料消耗，也降低了催化設備的造價。由于催化劑有一定的使用限期，催化劑的活性可以分為誘導活化、穩定、衰老失活三個階段，使用壽命一般在2年以上。催化劑需要有較好的穩定性，這直接關系到催化劑的使用效果和更換周期。催化劑的穩定性取決于其耐高溫、抗中毒的能力，由于有機廢氣的催化燃燒環境差別很大，廢氣的濃度、流量、成分、濕度等往往不穩定，因此，要求催化劑具有較寬的環境條件適應性，催化燃燒空速較大，氣流對催化劑的沖擊力較強，床層溫度會升降頻繁，造成熱脹冷縮，催化劑載體需要有較好的機械強度，還需要有良好的抗熱脹冷縮性能。

陶瓷材料通常為硅-鋁氧化物，陶瓷載體結構有顆粒狀及蜂窩狀兩大類，顆粒狀載體壓降大以及互相之間的表面摩擦，造成活性組分會磨耗損失。蜂窩載體具有較高的比表面積，壓力降也會比片狀顆粒和柱狀顆粒低，機械強度高而且耐磨、耐熱沖刷。金屬載體一般制成蓬松絲網或帶狀絲網，然后將催化劑活性組分沉積在金屬載體上，金屬載體催化劑導熱性能好、機械強度高。

（二）吸附脫附裝置的設計

催化燃燒法廢氣的吸附通常采用原位再生工藝，使用固定床吸附器。吸附劑可以循環進行再生，吸附器采用一主一備、一主多備或者多主一備的配置方式，吸附器的備用數量需要根據所設計的單個吸附器有效吸附時間和循環再生周期來確定。利用空氣、惰性氣體或煙氣的熱氣流脫附，濃縮再生后的高濃度廢氣采用催化燃燒工藝進行分解凈化。熱氣流吹掃再生后產生的高濃度廢氣，分解凈化的同時可以回收熱量，利用燃燒后所產生的熱量，進行吸附劑的再生，可以有效降低成本。

在吸附和脫附再生過程中，吸附器內的溫度在不斷地發生變化，對于較高濃度氣體的吸附，吸附放熱導致床層的溫升明顯。在吸附劑的再生過程中，使用熱氣流吹掃再生或者高溫水蒸氣置換再生時，要求對吸附器的溫度進行監控。催化燃燒器的加熱室和反應室內部應裝設具有自動報警功能的多點溫度檢測裝置。

目前，普遍采用顆粒活性炭和顆粒分子篩作為吸附劑，用熱氣流吹掃方式再生，要求顆粒活性炭的性能應滿足相關吸附劑的標準要求，對于分子篩，目前也沒有產品的標準，根據一些相關產品的分析，規定其BET比表面積應不低于350m2/g，可以達到處理廢氣的要求。蜂窩活性炭在催化燃燒廢氣處理裝置中用的較多，主要是采用熱氣流吹掃再生，其比表面積不低于750m2/g，橫向強度不低于0.3MPa，縱向強度不低于0.8MPa，能夠滿足要求。

（三）催化爐的設計

催化燃燒是一種氣-固相催化反應，實質是有活性氧參與的深度催化氧化作用。催化燃燒室設計通常采用電加熱和天然氣燃燒加熱的方式，電加熱催化爐簡稱電爐，由外殼和內膽組成，內外膽之間裝有隔溫材料。內膽包括預熱室和催化室，預熱室采用耐高溫電熱管加熱，起燃溫度250℃，屬于低溫無焰燃燒。催化室填充具有吸附作用的蜂窩陶瓷催化層，使反應物富集于催化劑表面，大大降低了反應的活化能，有效提高了反應速率和凈化效率，催化燃燒氧化凈化率高達97%以上。

催化爐還要設備配有前置阻火除塵系統，頂部設有防爆泄壓系統，內置熱電偶探頭和超溫報警系統及操作自控系統，系統能夠手自切換控制，確保使用安全可靠。有機廢氣的濃度必須控制在相應有機物爆炸極限的25%以下，當有機廢氣濃度有可能超過此值時，應安裝野風閥將其沖淡到安全值。因此在設計中應采用靈敏可靠的溫度、濃度測定裝置，以隨時進行人工或自動調節。

三、結語

催化燃燒在設計過程中重點需要解決3個核心問題，包括催化燃燒技術的催化劑研制、實驗和應用，高性能吸附劑的選型和經濟效益分析，高效催化氧化爐裝置的設計與分析。通過調研、實驗和工程實例應用，獲得催化燃燒技術處理工業廢氣的最佳組合流程，提高廢氣處理效率，成為催化燃燒應用的改進性技術。

吸附劑的選型和經濟效益分析，需要從性能和經濟型兩方面來考慮，通過正交試驗，獲得最好的吸附劑組合。催化氧化爐裝置和自動化控制，主要是在目前普通設備的基礎上改進優化，提高自動化水平和可靠性等問題，降低能耗和提升可靠性還存在許多未知因素，是一個難點。改進優化催化氧化爐裝置和自動化控制，有效降低能耗和提升催化氧化爐的可靠性和安全性。

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基金項目：文章為東莞職業技術學院課題的研究成果，項目編號：政201802。

作者簡介：張海鷹（1968.12- ），男，湖南寧遠人，教授，研究方向：機械工程和環境系統工程。