催化燃烧（RCO）处理工业废气关键技术研究
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摘 要：催化燃烧RCO利用化学催化剂，使有机废气在较低的起燃温度发生无氧燃烧，具有适用范围广、效率高、经济性好等优点，在设计过程中，要根据废气类型和具体工况，合理选用高效吸附剂和催化剂，对于吸附脱附装置和催化炉的设计，采用性能和经济型匹配的原则，改进优化催化氧化炉装置和自动化控制，有效降低能耗，提升催化氧化炉的可靠性和安全性。
关键词：催化燃烧RCO;催化剂;催化燃烧炉
蓄热式催化燃烧法，英文全称为“Regenerative Catal
ytic Oxidation Oxidition”，通常简称催化燃烧或 RCO。蓄热式催化燃烧法对VOCS分子的吸附，脱附后提高了反应物的浓度，利用化学催化剂，使有机废气在较低的起燃温度250-300℃情况下，有机废气发生无氧燃烧，分解成CO2和H2O，同时可以释放出大量热量，因此反应过程中能耗较小，一般情况下达到起燃温度后无再需外界供热，在催化剂的作用下，催化氧化阶段降低反应的活化能，提高了反应的速率。
一、催化燃烧的特点
（一）适用范围广
催化燃烧几乎可以处理所有的有机废气及恶臭气体，包括苯类、酚类、醛类、酮类、酯类、醇类、醚类、和烃类等。它适用于处理各种中低浓度的废气成分。特别是对石油化工、喷涂涂料、绝缘材料、食品加工等行业排放的低浓度、多成分，又没有回收价值的废气，采用吸附-催化燃烧法的处理效果会更好。
（二）效率高
采用催化燃烧法RCO处理有机废气，废气的净化率一般都在95%以上，最终反应产物大部分为CO2和H2O，因此处理过程无二次污染形成的问题。由于反应温度低，也能大大减少了NOX的生成。
（三）经济性好
催化燃烧法相对于常用的吸附法、光催化氧化、低温等离子等处理低浓度有机废气的处理方法，前期投资成本会稍微有所提高，当然主要还是取决于催化剂性能和效率以及废气处理中的有机物浓度，也与热量回收效率、经营管理和操作工艺等有关。相反，可以利用催化燃烧的反应热能，根据需要配置余热，充分利用废气燃烧的热能分解有机废气，有效降低了有机废气处理运行成本。
此外，RCO催化氧化处理技术还具有高空速>30000h-1、低温催化、高效换热、良好的经济性和安全性等特点，设备的可靠性高，配有阻火除尘系统、防爆泄压系统、超温报警系统及全自动控制系统，维护成本低，整体设备的占地面积相对较小。
二、关键技术分析
催化燃烧作为中低浓度大风量有機废气的处理方法，要根据实际情况，对于不同类型的废气组份采用不同的催化剂配比，这是利用催化燃烧技术彻底解决污染物分子分解的关键。根据性能和经济型匹配的原则，为市场提供合理的高效吸附剂，改进优化催化氧化炉装置和自动化控制，有效降低能耗和提升催化氧化炉的可靠性和安全性。
（一）催化剂选型和配制
决定RCO系统性能是否优良的关键是催化剂，一般采用金属载体和陶瓷载体催化剂，贵金属或过渡金属催化剂通常负载在鞍状或是蜂窝状陶瓷上，由于在250-350℃的低温燃烧，既降低了燃料消耗，也降低了催化设备的造价。由于催化剂有一定的使用限期，催化剂的活性可以分为诱导活化、稳定、衰老失活三个阶段，使用寿命一般在2年以上。催化剂需要有较好的稳定性，这直接关系到催化剂的使用效果和更换周期。催化剂的稳定性取决于其耐高温、抗中毒的能力，由于有机废气的催化燃烧环境差别很大，废气的浓度、流量、成分、湿度等往往不稳定，因此，要求催化剂具有较宽的环境条件适应性，催化燃烧空速较大，气流对催化剂的冲击力较强，床层温度会升降频繁，造成热胀冷缩，催化剂载体需要有较好的机械强度，还需要有良好的抗热胀冷缩性能。
陶瓷材料通常为硅-铝氧化物，陶瓷载体结构有颗粒状及蜂窝状两大类，颗粒状载体压降大以及互相之间的表面摩擦，造成活性组分会磨耗损失。蜂窝载体具有较高的比表面积，压力降也会比片状颗粒和柱状颗粒低，机械强度高而且耐磨、耐热冲刷。金属载体一般制成蓬松丝网或带状丝网，然后将催化剂活性组分沉积在金属载体上，金属载体催化剂导热性能好、机械强度高。
（二）吸附脱附装置的设计
催化燃烧法废气的吸附通常采用原位再生工艺，使用固定床吸附器。吸附剂可以循环进行再生，吸附器采用一主一备、一主多备或者多主一备的配置方式，吸附器的备用数量需要根据所设计的单个吸附器有效吸附时间和循环再生周期来确定。利用空气、惰性气体或烟气的热气流脱附，浓缩再生后的高浓度废气采用催化燃烧工艺进行分解净化。热气流吹扫再生后产生的高浓度废气，分解净化的同时可以回收热量，利用燃烧后所产生的热量，进行吸附剂的再生，可以有效降低成本。
在吸附和脱附再生过程中，吸附器内的温度在不断地发生变化，对于较高浓度气体的吸附，吸附放热导致床层的温升明显。在吸附剂的再生过程中，使用热气流吹扫再生或者高温水蒸气置换再生时，要求对吸附器的温度进行监控。催化燃烧器的加热室和反应室内部应装设具有自动报警功能的多点温度检测装置。
目前，普遍采用颗粒活性炭和颗粒分子筛作为吸附剂，用热气流吹扫方式再生，要求颗粒活性炭的性能应满足相关吸附剂的标准要求，对于分子筛，目前也没有产品的标准，根据一些相关产品的分析，规定其BET比表面积应不低于350m2/g，可以达到处理废气的要求。蜂窝活性炭在催化燃烧废气处理装置中用的较多，主要是采用热气流吹扫再生，其比表面积不低于750m2/g，横向强度不低于0.3MPa，纵向强度不低于0.8MPa，能够满足要求。
（三）催化炉的设计
催化燃烧是一种气-固相催化反应，实质是有活性氧参与的深度催化氧化作用。催化燃烧室设计通常采用电加热和天然气燃烧加热的方式，电加热催化炉简称电炉，由外壳和内胆组成，内外胆之间装有隔温材料。内胆包括预热室和催化室，预热室采用耐高温电热管加热，起燃温度250℃，属于低温无焰燃烧。催化室填充具有吸附作用的蜂窝陶瓷催化层，使反应物富集于催化剂表面，大大降低了反应的活化能，有效提高了反应速率和净化效率，催化燃烧氧化净化率高达97%以上。
催化炉还要设备配有前置阻火除尘系统，顶部设有防爆泄压系统，内置热电偶探头和超温报警系统及操作自控系统，系统能够手自切换控制，确保使用安全可靠。有机废气的浓度必须控制在相应有机物爆炸极限的25%以下，当有机废气浓度有可能超过此值时，应安装野风阀将其冲淡到安全值。因此在设计中应采用灵敏可靠的温度、浓度测定装置，以随时进行人工或自动调节。
三、结语
催化燃烧在设计过程中重点需要解决3个核心问题，包括催化燃烧技术的催化剂研制、实验和应用，高性能吸附剂的选型和经济效益分析，高效催化氧化炉装置的设计与分析。通过调研、实验和工程实例应用，获得催化燃烧技术处理工业废气的最佳组合流程，提高废气处理效率，成为催化燃烧应用的改进性技术。
吸附剂的选型和经济效益分析，需要从性能和经济型两方面来考虑，通过正交试验，获得最好的吸附剂组合。催化氧化炉装置和自动化控制，主要是在目前普通设备的基础上改进优化，提高自动化水平和可靠性等问题，降低能耗和提升可靠性还存在许多未知因素，是一个难点。改进优化催化氧化炉装置和自动化控制，有效降低能耗和提升催化氧化炉的可靠性和安全性。
参考文献
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基金项目：文章为东莞职业技术学院课题的研究成果，项目编号：政201802。
作者简介：张海鹰（1968.12- ），男，湖南宁远人，教授，研究方向：机械工程和环境系统工程。
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