氣態污染物催化凈化起燃特性的模型建立與分析

摘 要:為了研究催化劑催化燃燒處理氣態污染物在實際使用中的工作性能，本文建立了用于模擬廢氣(CO、C3H6)催化劑的轉化率、溫度特性的數學模型，并考察了不同空速的情況下催化劑催化效率的變化規律。

關鍵詞:氣態污染物催化劑模擬

中圖分類號:X506文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)06(b)-0154-03

Research on catalytic combustion of industrial waste gas in monolithic catalyst converter

Abstract:The present paper studies the light-off process of monolithic catalyst converter，and a mathematical model is put forward，which includes the relationship between catalyst conversion efficiency and inlet temperature.

Key Words:industrial waste gas;catalyst;simulation

氣態污染物主要有碳氧化物、硫氧化物、氮氧化物和碳氫化合物等，它們是比煙塵飄移性更強，毒性更大的污染物質，例如碳氫不僅污染環境，而且還可能誘發光化學煙霧形成二次污染。目前在處理各種有毒有害氣體中，催化燃燒是一種行之有效的措施[1～2]。催化劑在催化凈化氣態污染物時，起燃溫度是重要的評價因子;針對目前國內催化凈化氣態污染物處在對催化劑整體性能研究上[3]，本文提出一種數學模型對催化劑催化過程中的起燃特性進行了相關的實驗研究。提出貴金屬催化劑催化燃燒技術，通過CO、C3H6在催化過程中的轉化率來考察催化劑的活性、起燃特性[4～5]等。

1 催化燃燒的特點

催化燃燒就是把廢氣預熱到起燃溫度時在催化劑的作用下，進行氧化分解反應。整套凈化裝置的核心是催化劑，它的好壞直接影響著凈化效果。本實驗使用貴金屬催化劑，起燃溫度比較低，從而在較低的溫度條件下CO、C3H6都具有了較高的轉化率。

本實驗催化燃燒的流程圖:如圖1。

2 催化劑溫度特性的理論分析

催化劑溫度特性以催化轉化率與入口氣流溫度之間的關系來表示。當入口溫度達到一定溫度時，催化劑才能起作用，隨著溫度的增加，轉化率逐漸上升，溫度高于某數值后，轉換率趨于穩定不再上升。通常將轉化率達到50%時所對應的溫度稱為起燃溫度Ｔ50％，以此溫度來表示催化劑正常工作所需溫度的高低。

在本實驗中，針對模擬廢氣進行了相關的實驗。催化劑在催化每一類氣體時，都有相應的催化溫度特性，由于催化劑溫度特性曲線與數學中的sigmoid曲線類似，sigmoid曲線的表達式如下:

（1）

式中::實際催化轉化率，:催化反應器入口溫度，:催化劑起燃點的溫度，d:催化過程中溫度變化，:未起燃時的催化轉化率，:催化劑所能達到的最高轉化率，我們利用該模型對試驗數據進行了模擬。

3 實驗部分

3.1 實驗方法與裝置

本文采用的貴金屬催化劑是以金屬為載體，負載的活性組分主要有Pt、Pd、Rh等;催化劑的直徑為45mm，長為50mm。CO進出口的濃度用Quintox flue gas analyzer測定，C3H6的進出口濃度由multi-gaspro測定。

3.2 CO、C3H6催化燃燒的溫度特性分析（如圖2、圖3）

CO、C3H6在催化燃燒過程中發生如下反應:

（2）

（3）

從圖1、2可以看出隨著催化劑入口溫度的提高，其催化活性是逐步地提高，轉化率相應增加;但當溫度高于270℃時，催化率趨于穩定不再上升(見圖2、3)，這種現象是符合S曲線的，模擬結果表明相關系數都在99％以上(見表1、2)。

根據式(1)對試驗結果進行模擬，得出當催化劑空速為1.52×105h-1情況下的相關參數:(如表1、表2）

表中T20％、T50％、T80％分別表示催化劑對相應氣體的轉化率達到20％、50％、80％時的最低溫度。從圖1、2中可以看出催化劑在較低的溫度下對CO、C3H6具有很高的催化效率，說明該催化劑低溫活性高。另外CO、C3H6的濃度較低時，混合氣中的氧氣含量高，在富氧的情況下有利于CO、C3H6的催化氧化反應，兩者的催化轉化率接近100％;但隨著混合氣體中CO、C3H6濃度的提升，催化效率相對有所降低，這是由于在催化氧化過程中，控速因子主要是反應物的表面吸附以及生成產物脫附過程，濃度提升造成了吸附和脫附的滯后，從而引起了起燃溫度Ｔ50％的提高。

3.3 空速對催化效率的影響（如圖4、圖5）

空速反映了反應氣體在催化反應裝置中的停留時間。空速越高，反應氣體在催化劑中停留的時間越短，會使轉化率降低;但同時由于氣體湍流流度的增加，有利于反應氣體向催化劑表面的擴散及產物的脫附。在該實驗中氣體流速不高，氣體湍流流度影響不大，本論文考察了空速分別為2.53×104h－1、1.52×105h－1的催化劑對氣體的轉化效率的變化。

從圖4、5中可以明顯地看出，當空速為2.52×104h－1時催化劑對CO、C3H6的催化轉化率要顯然高于空速為1.52×105h－1，說明當催化劑空速低時，CO、C3H6在催化反應裝置中的停留時間長，凈化率較高。

4 討論

本文討論了催化劑入口溫度、空速以及反應物濃度對催化劑轉化率的影響。

(1)實驗結果表明隨著催化反應裝置入口溫度的升高，催化轉化效率與溫度之間的對應關系符合S曲線;與sigmoid函數模擬之間具有較好的相關性

(2)催化劑空速發生變化時，低空速表現為較好的催化轉化效果。

(3)另外還發生反應物的濃度對催化效率也有較大的影響，體現為混合廢氣中的含氧量的變化;當氧氣含量高時，有利于提高CO、C3H6的催化轉化率，反之易然。

(4)本文缺乏催化劑老化后的催化轉化效率研究，擬在以后的實驗中加強這方面的研究，并驗證在催化劑老化后催化劑的溫度特性與S曲線之間的符合程度。

參考文獻

[1] 何小龍.催化燃燒在控制廢氣污染排放方面應用進展.廣東化工.2000(5):6～7.