论文部分内容阅读
摘要：随着社会经济的发展，环境污染情况日渐严重。其中，VOCs是一种挥发性极强的有机物质，是引起大气污染最主要的原因，也是光化学烟雾污染形成的主要前体物，且对人体各系统与器官功能也有着极大的伤害，严重威胁到人类的身体健康。工业源是VOCs产生的主要源头，在众多人为源中工业源VOCs的排放量最高，是影响最大的排放源。当前，虽然有关VOCs有机废气的治理技术水平有一定的进步与提升，但是在VOCs实际的治理过程中依然存在较多的问题，基于此，本文就VOCs催化燃烧治理技术进展进行研究。
关键词：VOCs;催化燃烧;治理技术
引言
挥发性有机化合物（VOCs）是指沸点在50～260℃之间，室温下饱和蒸汽压超过133.3Pa的易挥发性有机化合物，包括苯、甲苯、二甲苯等常规烃类化合物，硫氨有机化合物等。有机废气容易与大气中的氮氧化物反应生成O3并形成光化学烟雾，会对人体健康产生有害影响，因此VOCs废气的处理受到了各国的高度重视，发达国家近年陆续颁布了相关的法令以限制VOCs的排放。2017年VOCs的排放量已超过3100万t，其来源主要有固定源与移动源2种。移动源排放主要集中在汽车、轮船和飞机等以石油产品为燃料的交通工具的排放气。固定源的种类很多，主要为石油化工工艺过程和储存设备等的排出物及各种使用有机溶剂的场合，如喷漆、印刷、金属除油和脱脂、黏合剂、制药、塑料和橡胶加工等。全国各地对于VOCs废气的排放有着严格的控制，陆续公布了最新的VOCs排放标准。
1催化燃烧技术在VOCs治理中的重要地位
催化燃烧装置的结构及处理流程如图1所示。VOCs治理有较多措施，其治理方法包括源头减量、中间控制和末端处理等。目前，我国以末端治理为主。末端治理技术一般分为破坏性处理和回收性处理。破坏性处理主要包括催化燃烧法和焚烧处理法。回收性处理包括吸收法、冷凝法、吸附法和膜分离法等。回收性处理因其技术手段还不成熟，成本较高，目前没有大规模应用。焚烧法是直接将VOCs通入焚烧炉中，在炉内充分燃烧，产生二氧化碳和水。该方法成本较低，运用范围较广，技术线路也比较成熟。
催化燃烧法是在废气燃烧的时候加入某种催化剂（图2），降低VOCs的燃点，使VOCs能够充分燃烧，最终生成二氧化碳和水，实现直排。当前常用催化剂种类有Cu、Fe、Ti等非贵金属与Pd、Au、Pt等贵金属两大类。焚烧处理法和催化燃烧法在VOCs治理中占据核心地位，因其分解氧化彻底、治理效率高而得到广泛应用，其中催化燃烧法因无明火、节能、氧化温度低而得到广泛应用。催化燃烧是一种涉及气—固两相的化学反应，其本质机理为在有活性氧参与的条件下发生的深度氧化反应。在反应过程中，加入催化剂可以显著降低反应所需的活化能，VOCs富集在催化剂表面，在较低燃烧温度下发生无焰燃烧，最终分解为二氧化碳和水，同时释放出大量的热。其化学反应方程式如下：
在催化剂的作用下，VOCs可以在较低温度下充分燃烧，生成二氧化碳和水，去除率高达90%。催化燃烧法具有能耗低、运行可靠稳定、无二次污染等突出优点，在欧美国家已得到广泛推广应用。在我国，催化燃烧法也是处理VOCs的主要手段，其应用比例约为55%。目前，催化燃烧法已经成为处理VOCs的主流。
2VOCs治理技术
2.1直接燃烧法（RTO）
直接燃烧法是适用性最广的治理技术，原则上所有VOCs废气治理均可采用此技术。该技术原理是利用天然气燃烧，制造一个900℃以上的高温环境，利用有机物在高温条件下的可燃烧性，通过化学氧化反应将其净化。一般大风量、高浓度、废气性质能导致催化剂中毒的均采用此方法，该方法去除效率可达95%，无二次污染。缺点是固定投资非常高，运行能源费用非常高。
2.2吸附浓缩-催化燃烧组合技术
催化燃烧法原理是利用催化剂使有机废气在较低的温度条件下充分燃烧，一般控制温度在300～350℃。相对于直接燃烧法处理技术的高温度和高天然气能源消耗，催化燃烧法具有起燃温度低、能耗少、处理效率高等显著优点，成为目前最有前景的VOCs处理方法之一。吸附浓缩-催化燃烧组合技术适用于大风量、低浓度、不含尘干燥的常温废气。
3VOCs催化燃烧治理技术进展
VOCs催化燃烧技术不同于直接燃烧法的800℃以上的高温环境，其核心催化剂的催化作用能在较低温度（300℃左右）分解有机化合物。VOCs催化燃烧催化剂的研究主要集中在贵金属催化剂（Pt、Pd和Au）和金属氧化物催化剂。贵金属催化剂是应用最为广泛的催化剂，已成熟应用于各种工业处理VOCs排放中，具有活性高、起燃温度低、使用寿命长等特点。最重要的是，其催化过程中不产生中间产物，只生成CO2和水，避免了二次污染。其中，Pd催化剂是最成熟、工业应用最广泛的燃烧催化剂，目前市场上80%～90%的产品均为Pd催化剂。为了降低贵金属的使用量，进而降低催化剂使用成本，人们可以选用金属氧化物载体，在载体上负载贵金属催化剂，催化剂载体的选择、负载贵金属的工艺、催化剂烧结工艺均是研究热点。
除貴金属催化剂外，金属氧化物催化剂也是研究发展方向，可分为单一金属氧化物和金属复合氧化物。另外，贵金属掺杂非金属、稀土元素降低催化剂成本及提高催化活性或选择性等研究也是主流的研究方向。相关研究表明，在同类稀土钙钛矿型氧化物中，La0.8Sr0.2MnO3和La0.8Sr0.2CoO3具有优良的性能，完全转化温度只有250℃。VOCs催化剂同所有催化剂，催化剂活性成分需要负载在催化剂载体上。催化剂载体应具有发达的孔隙结构、较强的结构强度，根据不同的构造，骨架基体主要有蜂窝型、泡沫型和交叉流动型;根据载体材质，主要有陶瓷载体、金属载体和其他材料载体。陶瓷载体材料有青石、刚玉、TiO2等;金属载体有不锈钢、不锈钢合金、金属合金材料等;其他材料载体有碳（硅）纤维载体、金属丝网和金属泡沫冶金多孔材料等整体载体。
结语
目前在我国，相对于传统吸附技术与生化技术等VOCs处理方法，催化燃烧工艺市场的占有率超过22%，其在国外市场占有率高达29%，显示出其日益成熟并且被市场广泛接受的趋势。催化燃烧装置适合处理中小风量（800～30000m3/h）废气，在风量较大、VOCs质量浓度过低的情况下，可采用上游安装沸石转轮对气体进行浓缩，下游利用催化燃烧装置进行氧化处理的协同方法进行处理。总体来说，催化燃烧技术是一种经济方便的VOCs废气处理方式。
参考文献
[1]王志伟，裴多斐，于丽平.VOCs控制与处理技术综述[J].综述与专论，2017，（1）：1-4.
[2]佟玲.VOCs治理技术概述及发展趋势[J].资源节约与环保，2016（9）：210-211.
关键词：VOCs;催化燃烧;治理技术
引言
挥发性有机化合物（VOCs）是指沸点在50～260℃之间，室温下饱和蒸汽压超过133.3Pa的易挥发性有机化合物，包括苯、甲苯、二甲苯等常规烃类化合物，硫氨有机化合物等。有机废气容易与大气中的氮氧化物反应生成O3并形成光化学烟雾，会对人体健康产生有害影响，因此VOCs废气的处理受到了各国的高度重视，发达国家近年陆续颁布了相关的法令以限制VOCs的排放。2017年VOCs的排放量已超过3100万t，其来源主要有固定源与移动源2种。移动源排放主要集中在汽车、轮船和飞机等以石油产品为燃料的交通工具的排放气。固定源的种类很多，主要为石油化工工艺过程和储存设备等的排出物及各种使用有机溶剂的场合，如喷漆、印刷、金属除油和脱脂、黏合剂、制药、塑料和橡胶加工等。全国各地对于VOCs废气的排放有着严格的控制，陆续公布了最新的VOCs排放标准。
1催化燃烧技术在VOCs治理中的重要地位
催化燃烧装置的结构及处理流程如图1所示。VOCs治理有较多措施，其治理方法包括源头减量、中间控制和末端处理等。目前，我国以末端治理为主。末端治理技术一般分为破坏性处理和回收性处理。破坏性处理主要包括催化燃烧法和焚烧处理法。回收性处理包括吸收法、冷凝法、吸附法和膜分离法等。回收性处理因其技术手段还不成熟，成本较高，目前没有大规模应用。焚烧法是直接将VOCs通入焚烧炉中，在炉内充分燃烧，产生二氧化碳和水。该方法成本较低，运用范围较广，技术线路也比较成熟。
催化燃烧法是在废气燃烧的时候加入某种催化剂（图2），降低VOCs的燃点，使VOCs能够充分燃烧，最终生成二氧化碳和水，实现直排。当前常用催化剂种类有Cu、Fe、Ti等非贵金属与Pd、Au、Pt等贵金属两大类。焚烧处理法和催化燃烧法在VOCs治理中占据核心地位，因其分解氧化彻底、治理效率高而得到广泛应用，其中催化燃烧法因无明火、节能、氧化温度低而得到广泛应用。催化燃烧是一种涉及气—固两相的化学反应，其本质机理为在有活性氧参与的条件下发生的深度氧化反应。在反应过程中，加入催化剂可以显著降低反应所需的活化能，VOCs富集在催化剂表面，在较低燃烧温度下发生无焰燃烧，最终分解为二氧化碳和水，同时释放出大量的热。其化学反应方程式如下：
在催化剂的作用下，VOCs可以在较低温度下充分燃烧，生成二氧化碳和水，去除率高达90%。催化燃烧法具有能耗低、运行可靠稳定、无二次污染等突出优点，在欧美国家已得到广泛推广应用。在我国，催化燃烧法也是处理VOCs的主要手段，其应用比例约为55%。目前，催化燃烧法已经成为处理VOCs的主流。
2VOCs治理技术
2.1直接燃烧法（RTO）
直接燃烧法是适用性最广的治理技术，原则上所有VOCs废气治理均可采用此技术。该技术原理是利用天然气燃烧，制造一个900℃以上的高温环境，利用有机物在高温条件下的可燃烧性，通过化学氧化反应将其净化。一般大风量、高浓度、废气性质能导致催化剂中毒的均采用此方法，该方法去除效率可达95%，无二次污染。缺点是固定投资非常高，运行能源费用非常高。
2.2吸附浓缩-催化燃烧组合技术
催化燃烧法原理是利用催化剂使有机废气在较低的温度条件下充分燃烧，一般控制温度在300～350℃。相对于直接燃烧法处理技术的高温度和高天然气能源消耗，催化燃烧法具有起燃温度低、能耗少、处理效率高等显著优点，成为目前最有前景的VOCs处理方法之一。吸附浓缩-催化燃烧组合技术适用于大风量、低浓度、不含尘干燥的常温废气。
3VOCs催化燃烧治理技术进展
VOCs催化燃烧技术不同于直接燃烧法的800℃以上的高温环境，其核心催化剂的催化作用能在较低温度（300℃左右）分解有机化合物。VOCs催化燃烧催化剂的研究主要集中在贵金属催化剂（Pt、Pd和Au）和金属氧化物催化剂。贵金属催化剂是应用最为广泛的催化剂，已成熟应用于各种工业处理VOCs排放中，具有活性高、起燃温度低、使用寿命长等特点。最重要的是，其催化过程中不产生中间产物，只生成CO2和水，避免了二次污染。其中，Pd催化剂是最成熟、工业应用最广泛的燃烧催化剂，目前市场上80%～90%的产品均为Pd催化剂。为了降低贵金属的使用量，进而降低催化剂使用成本，人们可以选用金属氧化物载体，在载体上负载贵金属催化剂，催化剂载体的选择、负载贵金属的工艺、催化剂烧结工艺均是研究热点。
除貴金属催化剂外，金属氧化物催化剂也是研究发展方向，可分为单一金属氧化物和金属复合氧化物。另外，贵金属掺杂非金属、稀土元素降低催化剂成本及提高催化活性或选择性等研究也是主流的研究方向。相关研究表明，在同类稀土钙钛矿型氧化物中，La0.8Sr0.2MnO3和La0.8Sr0.2CoO3具有优良的性能，完全转化温度只有250℃。VOCs催化剂同所有催化剂，催化剂活性成分需要负载在催化剂载体上。催化剂载体应具有发达的孔隙结构、较强的结构强度，根据不同的构造，骨架基体主要有蜂窝型、泡沫型和交叉流动型;根据载体材质，主要有陶瓷载体、金属载体和其他材料载体。陶瓷载体材料有青石、刚玉、TiO2等;金属载体有不锈钢、不锈钢合金、金属合金材料等;其他材料载体有碳（硅）纤维载体、金属丝网和金属泡沫冶金多孔材料等整体载体。
结语
目前在我国，相对于传统吸附技术与生化技术等VOCs处理方法，催化燃烧工艺市场的占有率超过22%，其在国外市场占有率高达29%，显示出其日益成熟并且被市场广泛接受的趋势。催化燃烧装置适合处理中小风量（800～30000m3/h）废气，在风量较大、VOCs质量浓度过低的情况下，可采用上游安装沸石转轮对气体进行浓缩，下游利用催化燃烧装置进行氧化处理的协同方法进行处理。总体来说，催化燃烧技术是一种经济方便的VOCs废气处理方式。
参考文献
[1]王志伟，裴多斐，于丽平.VOCs控制与处理技术综述[J].综述与专论，2017，（1）：1-4.
[2]佟玲.VOCs治理技术概述及发展趋势[J].资源节约与环保，2016（9）：210-211.