VOCs催化燃燒治理技術進展

邢甫東

摘要：隨著社會經濟的發展，環境污染情況日漸嚴重。其中，VOCs是一種揮發性極強的有機物質，是引起大氣污染最主要的原因，也是光化學煙霧污染形成的主要前體物，且對人體各系統與器官功能也有著極大的傷害，嚴重威脅到人類的身體健康。工業源是VOCs產生的主要源頭，在眾多人為源中工業源VOCs的排放量最高，是影響最大的排放源。當前，雖然有關VOCs有機廢氣的治理技術水平有一定的進步與提升，但是在VOCs實際的治理過程中依然存在較多的問題，基于此，本文就VOCs催化燃燒治理技術進展進行研究。

關鍵詞：VOCs;催化燃燒;治理技術

引言

揮發性有機化合物（VOCs）是指沸點在50～260℃之間，室溫下飽和蒸汽壓超過133.3Pa的易揮發性有機化合物，包括苯、甲苯、二甲苯等常規烴類化合物，硫氨有機化合物等。有機廢氣容易與大氣中的氮氧化物反應生成O3并形成光化學煙霧，會對人體健康產生有害影響，因此VOCs廢氣的處理受到了各國的高度重視，發達國家近年陸續頒布了相關的法令以限制VOCs的排放。2017年VOCs的排放量已超過3100萬t，其來源主要有固定源與移動源2種。移動源排放主要集中在汽車、輪船和飛機等以石油產品為燃料的交通工具的排放氣。固定源的種類很多，主要為石油化工工藝過程和儲存設備等的排出物及各種使用有機溶劑的場合，如噴漆、印刷、金屬除油和脫脂、黏合劑、制藥、塑料和橡膠加工等。全國各地對于VOCs廢氣的排放有著嚴格的控制，陸續公布了最新的VOCs排放標準。

1催化燃燒技術在VOCs治理中的重要地位

催化燃燒裝置的結構及處理流程如圖1所示。VOCs治理有較多措施，其治理方法包括源頭減量、中間控制和末端處理等。目前，我國以末端治理為主。末端治理技術一般分為破壞性處理和回收性處理。破壞性處理主要包括催化燃燒法和焚燒處理法。回收性處理包括吸收法、冷凝法、吸附法和膜分離法等。回收性處理因其技術手段還不成熟，成本較高，目前沒有大規模應用。焚燒法是直接將VOCs通入焚燒爐中，在爐內充分燃燒，產生二氧化碳和水。該方法成本較低，運用范圍較廣，技術線路也比較成熟。

催化燃燒法是在廢氣燃燒的時候加入某種催化劑（圖2），降低VOCs的燃點，使VOCs能夠充分燃燒，最終生成二氧化碳和水，實現直排。當前常用催化劑種類有Cu、Fe、Ti等非貴金屬與Pd、Au、Pt等貴金屬兩大類。焚燒處理法和催化燃燒法在VOCs治理中占據核心地位，因其分解氧化徹底、治理效率高而得到廣泛應用，其中催化燃燒法因無明火、節能、氧化溫度低而得到廣泛應用。催化燃燒是一種涉及氣—固兩相的化學反應，其本質機理為在有活性氧參與的條件下發生的深度氧化反應。在反應過程中，加入催化劑可以顯著降低反應所需的活化能，VOCs富集在催化劑表面，在較低燃燒溫度下發生無焰燃燒，最終分解為二氧化碳和水，同時釋放出大量的熱。其化學反應方程式如下：

在催化劑的作用下，VOCs可以在較低溫度下充分燃燒，生成二氧化碳和水，去除率高達90%。催化燃燒法具有能耗低、運行可靠穩定、無二次污染等突出優點，在歐美國家已得到廣泛推廣應用。在我國，催化燃燒法也是處理VOCs的主要手段，其應用比例約為55%。目前，催化燃燒法已經成為處理VOCs的主流。

2VOCs治理技術

2.1直接燃燒法（RTO）

直接燃燒法是適用性最廣的治理技術，原則上所有VOCs廢氣治理均可采用此技術。該技術原理是利用天然氣燃燒，制造一個900℃以上的高溫環境，利用有機物在高溫條件下的可燃燒性，通過化學氧化反應將其凈化。一般大風量、高濃度、廢氣性質能導致催化劑中毒的均采用此方法，該方法去除效率可達95%，無二次污染。缺點是固定投資非常高，運行能源費用非常高。

2.2吸附濃縮-催化燃燒組合技術

催化燃燒法原理是利用催化劑使有機廢氣在較低的溫度條件下充分燃燒，一般控制溫度在300～350℃。相對于直接燃燒法處理技術的高溫度和高天然氣能源消耗，催化燃燒法具有起燃溫度低、能耗少、處理效率高等顯著優點，成為目前最有前景的VOCs處理方法之一。吸附濃縮-催化燃燒組合技術適用于大風量、低濃度、不含塵干燥的常溫廢氣。

3VOCs催化燃燒治理技術進展

VOCs催化燃燒技術不同于直接燃燒法的800℃以上的高溫環境，其核心催化劑的催化作用能在較低溫度（300℃左右）分解有機化合物。VOCs催化燃燒催化劑的研究主要集中在貴金屬催化劑（Pt、Pd和Au）和金屬氧化物催化劑。貴金屬催化劑是應用最為廣泛的催化劑，已成熟應用于各種工業處理VOCs排放中，具有活性高、起燃溫度低、使用壽命長等特點。最重要的是，其催化過程中不產生中間產物，只生成CO2和水，避免了二次污染。其中，Pd催化劑是最成熟、工業應用最廣泛的燃燒催化劑，目前市場上80%～90%的產品均為Pd催化劑。為了降低貴金屬的使用量，進而降低催化劑使用成本，人們可以選用金屬氧化物載體，在載體上負載貴金屬催化劑，催化劑載體的選擇、負載貴金屬的工藝、催化劑燒結工藝均是研究熱點。

除貴金屬催化劑外，金屬氧化物催化劑也是研究發展方向，可分為單一金屬氧化物和金屬復合氧化物。另外，貴金屬摻雜非金屬、稀土元素降低催化劑成本及提高催化活性或選擇性等研究也是主流的研究方向。相關研究表明，在同類稀土鈣鈦礦型氧化物中，La0.8Sr0.2MnO3和La0.8Sr0.2CoO3具有優良的性能，完全轉化溫度只有250℃。VOCs催化劑同所有催化劑，催化劑活性成分需要負載在催化劑載體上。催化劑載體應具有發達的孔隙結構、較強的結構強度，根據不同的構造，骨架基體主要有蜂窩型、泡沫型和交叉流動型;根據載體材質，主要有陶瓷載體、金屬載體和其他材料載體。陶瓷載體材料有青石、剛玉、TiO2等;金屬載體有不銹鋼、不銹鋼合金、金屬合金材料等;其他材料載體有碳（硅）纖維載體、金屬絲網和金屬泡沫冶金多孔材料等整體載體。

結語

目前在我國，相對于傳統吸附技術與生化技術等VOCs處理方法，催化燃燒工藝市場的占有率超過22%，其在國外市場占有率高達29%，顯示出其日益成熟并且被市場廣泛接受的趨勢。催化燃燒裝置適合處理中小風量（800～30000m3/h）廢氣，在風量較大、VOCs質量濃度過低的情況下，可采用上游安裝沸石轉輪對氣體進行濃縮，下游利用催化燃燒裝置進行氧化處理的協同方法進行處理。總體來說，催化燃燒技術是一種經濟方便的VOCs廢氣處理方式。

參考文獻

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