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催化燃烧技术分析与延长使用寿命延长

2020-11-02 22:26:28

文章摘要:

[一]、光催化技术成为VOCs治理的研究热点 近几年,光催化技术成为VOCs治理的研究热点。催化燃烧技术是利用具有光催化活性的半导体催化剂与VOCs分子接触,在光照条件下光催化剂产生...

[一]、光催化技术成为VOCs治理的研究热点

近几年,光催化技术成为VOCs治理的研究热点。催化燃烧技术是利用具有光催化活性的半导体催化剂与VOCs分子接触,在光照条件下光催化剂产生电子空穴对,光致空穴具有很强的氧化性,能将其表面吸附的OH-和H2O分子氧化成OH·,利用OH·强氧化性将VOCs降解为CO2、H2O和无机小分子物质。

  光催化技术的核心是光催化剂。目前常用的光催化剂分为两类,一类是TiO2基光催化剂,主要是指纯TiO2和改性的TiO2。另一类是非TiO2体系,比如ZnO、CdS和WO3等。其中TiO2基光催化剂运用较广泛,其来源广、化学稳定性和催化活性高,没有毒性。光催化的研究内容涉及光催化剂的制备、光催化作用机理研究、光催化技术的工程化、光催化技术的各种应用研究和产品开发等等从基础到应用研究等方面,并取得了大量的研究成果。但光催化技术仍存在许多问题需要解决,先是光催化生过程中,机理不明确,通常会产生有害中间产物,降解不完全可能会形成二次污染问题。其次是VOCs浓度较低时,光催化反应缓慢,效率较低。同时,催化剂本身存在量子效率低(不到4%)、固定困难、催化剂能否均匀负载、催化剂失活等问题,难运用于处理数量大、浓度高的工业废气。因此,目前光催化技术也是处于实验室研究阶段。

 膜分离技术治理VOCs与其他膜分离过程一样,利用膜或人工合成膜的穿透、滤过或其他动力性质不同,将VOCs分子从混合废气中分离出来的技术。

  膜元件是膜分离技术的装置中心。常用的膜元件包括平板膜、中空纤维膜和卷式膜。其中中空纤维膜和平板膜通常用于分离回收VOCs,但其分离回收效率受多种因素的制约。近几年,随着膜材料和膜分离技术的不断发展,技术日趋成熟,现在常用的VOCs膜分离技术有:蒸汽渗透、气体膜分离和膜接触器等。

  膜分离技术已经成功运用于许多领域。美国MTR公司结合压缩冷凝和膜分离两种技术开发了一种新型的膜集成分离系统来组合实现分离VOCs。处理后达标的净化气排到大气中;而渗透物流为富集有机物的蒸汽。膜分离技术具有流程简单、能耗小、VOCs回收率高、无二次污染等特点,是一种新型分离技术,适用于较高浓度的VOCs分离与回收,一般要求体积分数在0.1%以上。而膜材料是该技术的关键。膜的材质分为有机膜和无机膜,其中无机膜材料的研究与制备是化工和材料科学热点课题之一,包括Al2O3、TiO2膜等。目前无机膜分离技术工业化运用还需解决一些问题,比如膜材料的稳定性和膜反应器的密闭性等。

[二]、催化燃烧技术

催化燃烧技术指使用催化剂使VOCs在低温条件下燃烧,生成CO2、H2O、热量的一种净化技术。其特点是耗能少、起燃温度低,而且对浓度较低的VOCs也能进行处理。与一般热力燃烧相比,无需较多辅助热量,是一种新型环保的VOCs处理技术。

催化燃烧技术中,催化剂性能越高,对VOCs的净化就越彻底,反之则净化不够完全。催化剂的种类主要有金属氧化催化剂、贵金属催化剂等,贵金属催化剂由于成本高、易中毒和资源匾乏等缺点,应用的较少。目前,主要以金属氧化物催化剂为主,其高温稳定、低温高活性和抗中毒能力强等特点,使得它被广泛的应用在工业生产当中。我国科学家通过多次试验得到NiO/γ-Al2O3、CdO/γ-Al2O3、CuO/γ-Al2O3等多种催化剂,同时也验证了其起燃温度低、催化活性高的特点。而后科学家们用不同的催化剂对氯苯进行燃烧试验,发现在同等负载时,载体的不同对催化剂活性的影响巨大。Liu等相关人员采用浸渍法制备MnOx/TiO2、MnOx/Al2O3以及MnOx/SiO2催化剂,并对氯苯进行催化燃烧试验中发现催化剂活性较高的是MnOx/TiO2,在经过TPR与XRD测试分析表明出现此类现象的原因在于活性组分MnOx在该催化剂上具有较高的分散度。Yang等对SBA-15与MCM-41分子筛分别作为CuO载体催化苯燃烧的性能实验中,发现在载体SBA-15上CuO的分散度大于载体MCM-41,因而在载体SBA-15催化苯燃烧的活性高。

我国在VOCs的催化燃烧技术方面研究,但由于催化剂的制备、VOCs种类分析、工艺等多方位因素的影响,催化燃烧设备技术的过程都较为复杂,若将其应用在燃煤电厂中,种类繁多的VOCs和Cl、S、P、H2O等也都会降低催化剂活性。因此,要结合燃煤电厂的生产实际及工艺条件进行理论与实践的结合,有针对性的改变催化燃烧技术,保护生态环境。

[三]、挥发性有机废气组合处理技术概述

近年来大气污染问题日渐突出,严重影响着自然环境、生态气候以及人们的身体健康。目前已知的大气污染物约有100余种,其中挥发性有机化合物作为引起PM2.5和光化学污染的主要“元凶”,其治理工作得到广泛关注。随着对于大气污染防治监管力度的不断加大,许多高污染有机废气排放行业的发展也受到制约。由此,寻找合理的有机废气处理方法、发展的有机废气处理技术对于环境保护以及经济发展都将有着重要意义。

VOCs成分其复杂,不同类型化合物性质各异,大多数行业VOCs又以混合物形式排放,因此采用单一治理技术往往难以达到治理效果,在经济上也不划算,通常情况下需采用组合技术才能实现达标排放,降低治理费用,并达到较好治理效果。

1、吸附浓缩-催化燃烧技术

吸附浓缩-催化燃烧技术是采用蜂窝状活性炭为吸附剂,结合吸附净化、脱附再生并浓缩VOCs和催化燃烧原理,即将大风量、低浓度有机废气通过蜂窝状活性炭吸附以达到净化空气目的,当活性炭吸附饱和后再用热空气脱附使活性炭得到再生,脱附出浓缩的有机物被送往催化燃烧床进行催化燃烧,有机物被氧化成无害的CO2和H2O,燃烧后热废气通过热交换器加热冷空气,热交换后降温气体部分排放,部分用于蜂窝状活性炭脱附再生,达到废热利用和节能目的。该技术优点是净化效率高、运行成本低、无二次污染、处理风量范围大、吸附装置小型化阻力低、一次启动后无需外加热、使用中低压风机降低了能耗和噪声、燃烧后热废气又用于对活性炭脱附再生,达到了废热利用和有机物处理目的。

2、吸附浓缩一蓄热燃烧技术

催化燃烧技术和高温焚烧技术是较为普遍VOCs治理技术,也是目前VOCs治理较为彻底的治理技术。无论是热力焚烧法还是催化燃烧法都需要将废气加热到相应燃烧温度。如果废气中有机物浓度较高,废气燃烧后所产生热量可以维持有机物生所需要的反应温度,采用燃烧法是一种经济可行的方法。传统的催化燃烧技术和高温焚烧技术由于换热效率低,当废气中有机物浓度较低时,需要大量能耗,治理设备运行费用高。为了提高热利用效率,降低设备运行费用,近年来发展了蓄热式热力焚烧技术(RTO)和蓄热式催化燃烧技术(RCO)。蓄热系统是使用具有高热容量的陶瓷蓄热体,采用直接换热方法将燃烧尾气的热量蓄积在蓄热体中,高温蓄热体直接加热待处理废气,换热效率可达到90%以上,而传统的间接换热器的换热效率一般在50%~70%。蓄热式(催化)燃烧技术的发展大大拓宽了催化燃烧技术和高温焚烧技术的应用范围,可以在较低VOCs浓度下使用,近年来得到了广泛应用,并逐步替代了传统催化燃烧技术。