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國內外主要研究的催化劑基本上有兩大類:一類為催化劑,這類催化劑的活性和穩定性好,技術較為成熟,但由于價格高,資源短缺,所以,未能將其產業化;另一類為非金屬催化劑,主要集中在過渡金屬氧化物催化劑、復氧化物催化劑(鈣鈦型復氧化物和尖晶石型復氧化物)的研究方面。尋找來源豐富、價格低廉、性能相當的非催化劑,以替代傳統的催化劑用于催化燃燒過程已成為了研究的一個重要方向。催化燃燒是用催化劑使廢氣中可燃物質在較低溫度下氧化分解的凈化方法。所以,催化燃燒又稱為催化化學轉化。由于催化劑加速了氧化分解的歷程,大多數碳氫化合物在300~450℃的溫度時,通過催化劑就可以氧化完全。與熱力燃燒法相比,催化燃燒所需的輔助燃料少,能量消耗低,設備設施的體積小。但是,由于使用的催化劑的、催化床層的更換和清潔費用高等問題,影響了這種方法在工業生產過程中的推廣和應用。催化燃燒技術的研究與應用已經進入一個快速發展的階段,它的作用也越來越被人們所重視。例如,汽車及其他機動車中由于引入了催化燃燒技術,節省了燃料,降低了廢棄物的排放,使環境污染的程度大大降低。應用在鍋爐燃煤中,實現了貧燃料的燃燒過程,打破了傳統火焰燃燒的可燃界限,能進一步提高燃氣爐的燃燒效率和熱效率。另外,催化燃燒技術也已成功應用于其他領域,例如家用燃氣的催化燃燒,水泥熟料的煅燒,但進一步的深入研究仍是非常必要的,例如石油化工企業中加熱爐爐管燒焦技術上的應用研究等等??梢?,催化燃燒領域的應用之廣,意義之大,在未來的社會發展中,它具有舉足輕重的地位,對節能降耗,合理利用資源和保護環境上都具有重要的推動作用。因此,大力推進催化燃燒技術的研究工作,積極推廣催化燃燒技術的應用,對社會的發展和環境的保護具有深刻積極地意義。
石油化工中的結焦不僅會使爐管傳熱系數降低、造成局部過熱現象、縮短爐管壽命,而且會降低裝置處理量,嚴重制約裝置的正常運轉,因此需要定期燒焦。計算機控制下蒸汽—空氣在線燒焦是國內采用的較為先進的技術,但其存在的較大問題是燒焦時間過長。如果在石油化工裝置燒焦過程中,加入一種燒焦助燃劑,就可以通過降焦反應的活化能,大幅度提高燒焦反應速度,就能夠在較低的溫度下,達到縮短燒焦時間的目的。這一技術的研究有了一些突破性的進展。1、氣流和溫度均勻分布。要使通過催化劑表面的氣流和溫度分布均勻,并保證火焰不直接接觸催化劑表面,燃燒室必需具有足夠的長度和空間。催化燃燒裝置應具有良好的保溫效果。爐體一般用鋼結構的外殼內襯耐火材料,或用雙層夾墻結構。(4)熱量回收方法在能耗可以接受的情況下,對于風量較小的情況,一般采用簡單管直接換熱來回收熱量;對于超出可接受范圍的能耗,一般需要大風量的再生催化燃燒,可以提高熱量回收效率。
催化燃燒是用催化劑使廢氣中可燃物質在較低溫度下氧化分解的凈化方法。所以,催化燃燒又稱為催化化學轉化。由于催化劑加速了氧化分解的歷程,大多數碳氫化合物在300~450℃的溫度時,通過催化劑就可以氧化完全。與熱力燃燒法相比,催化燃燒所需的輔助燃料少,能量消耗低,設備設施的體積小。但是,由于使用的催化劑的、催化床層的更換和清潔費用高等問題,影響了這種方法在工業生產過程中的推廣和應用。石油化工、油漆、電鍍、印刷、涂料、輪胎制造等工業的生產過程中都涉及到有機揮發化合物的使用和排放。有害的有機揮發物通常是烴類化合物、含氧有機化合物、含氯、硫、磷及鹵素有機化合物,這些揮發性有機物如不經處理直接排入大氣會造成嚴重的環境污染。傳統的有機廢氣凈化處理方法(如吸附法、冷凝法、直接燃燒法等)均存在缺陷,如易造成二次污染等。為了克服傳統有機廢氣處理方法的缺陷,人們采用催化燃燒方法來對有機廢氣進行凈化處理。重質燃料由于含瀝青質、膠質、大分子磷質較多,因而流動性差、粘稠,造成使用時油壓高,燃燒不充分。燃燒效率低,污染環境,同時油中還含有一定量的硫、釩化合物,對窯爐、機件的腐蝕也較嚴重。為了節約能源,更好更廣泛地使用重質燃油,由浙江省湖州埭溪化工廠、湖州市節能中心及紹興瓷廠等單位協作研制成功了W型重質燃油助燃劑,取得了良好效果[12]。助燃劑是一種高度濃縮 的燃燒促進劑,在燃燒過程中起催化作用。在燃燒區與碳元素作用,以防止游離碳的生成。同時它重質燃油有強擴散滲透作用,減少油泥的積沉,增加流動性,使燃油霧化狀態良好,燃燒效率提高,節約能源。在防腐方面由于它有呈微堿性,可以抑制硫酸形成,并能防止釩對窯體等的腐蝕,減少環境污染。
催化燃燒對催化劑的基本要求是:既能抑制燒結、保持活性物質具有較大的比表面積及良好的熱穩定性,又要具有一定的活性,可起到催化劑活性組分或助催化劑的作用。這在某種程度上是互相矛盾的,因為研究已經證明氧化物的活性和熱穩定性成反比。同時,需有高的機械強度以及對燃料中所含有高的耐腐蝕性??肆_地亞的INOSd.O.O(Zagreb,Croatia)開發了一種適用于烴油加熱爐爐管的催化燒焦方法??捎脕砣〈鷤鹘y的使用蒸汽+空氣的爐管燒焦方法。新方法是在蒸汽中混入催化劑,使燒焦反應熱大大減少,故其燒焦速度比傳統熱燒焦方法倍。由于燒焦時間大大縮短,也即減少了時間,因而提高了爐子開工率。所用催化劑是一種不含重金屬的無毒化合物,以水溶液形式被注入通入爐管的蒸汽流中,爐溫可由燃燒器控制穩定。因燒焦速度快,又不存在超溫過熱的危險,所以使爐管的燒焦操作很容易控制。催化燃燒是典型的氣—固相催化反應,它借助催化劑降低了反應的活化能,使其在較低的起燃溫度200~ 300℃下進行無焰燃燒,有機物質氧化發生在固體催化劑表面,同時產生CO2和H2O,并放出大量的熱量,因其氧化反應溫度低,所以大大地抑制了空氣中的N2形成高溫NOx。而且由于催化劑有選擇性催化作用,有可能限制燃料中含氮化合物(RNH)的氧化過程,使其多數形成分子氮(N2)。