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國內(nèi)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(wěn)定性好,技術(shù)較為成熟,但由于價(jià)格高,資源短缺,所以,未能將其產(chǎn)業(yè)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(fù)氧化物催化劑(鈣鈦型復(fù)氧化物和尖晶石型復(fù)氧化物)的研究方面。尋找來源豐富、價(jià)格低廉、性能相當(dāng)?shù)姆谴呋瘎蕴娲鷤鹘y(tǒng)的催化劑用于催化燃燒過程已成為了研究的一個(gè)重要方向。催化燃燒是用催化劑使廢氣中可燃物質(zhì)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(xué)轉(zhuǎn)化。由于催化劑加速了氧化分解的歷程,大多數(shù)碳?xì)浠衔镌?00~450℃的溫度時(shí),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(shè)備設(shè)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(fèi)用高等問題,影響了這種方法在工業(yè)生產(chǎn)過程中的推廣和應(yīng)用。催化燃燒技術(shù)的研究與應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)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(jī)動(dòng)車中由于引入了催化燃燒技術(shù),節(jié)省了燃料,降低了廢棄物的排放,使環(huán)境污染的程度大大降低。應(yīng)用在鍋爐燃煤中,實(shí)現(xiàn)了貧燃料的燃燒過程,打破了傳統(tǒng)火焰燃燒的可燃界限,能進(jìn)一步提高燃?xì)鉅t的燃燒效率和熱效率。另外,催化燃燒技術(shù)也已成功應(yīng)用于其他領(lǐng)域,例如家用燃?xì)獾拇呋紵嗍炝系撵褵?但進(jìn)一步的深入研究仍是非常必要的,例如石油化工企業(yè)中加熱爐爐管燒焦技術(shù)上的應(yīng)用研究等等。可見,催化燃燒領(lǐng)域的應(yīng)用之廣,意義之大,在未來的社會(huì)發(fā)展中,它具有舉足輕重的地位,對(duì)節(jié)能降耗,合理利用資源和保護(hù)環(huán)境上都具有重要的推動(dòng)作用。因此,大力推進(jìn)催化燃燒技術(shù)的研究工作,積極推廣催化燃燒技術(shù)的應(yīng)用,對(duì)社會(huì)的發(fā)展和環(huán)境的保護(hù)具有深刻積極地意義。
石油化工中的結(jié)焦不僅會(huì)使?fàn)t管傳熱系數(shù)降低、造成局部過熱現(xiàn)象、縮短爐管壽命,而且會(huì)降低裝置處理量,嚴(yán)重制約裝置的正常運(yùn)轉(zhuǎn),因此需要定期燒焦。計(jì)算機(jī)控制下蒸汽—空氣在線燒焦是國內(nèi)采用的較為先進(jìn)的技術(shù),但其存在的較大問題是燒焦時(shí)間過長(zhǎng)。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(yīng)的活化能,大幅度提高燒焦反應(yīng)速度,就能夠在較低的溫度下,達(dá)到縮短燒焦時(shí)間的目的。這一技術(shù)的研究有了一些突破性的進(jìn)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(zhǎng)度和空間。催化燃燒裝置應(yīng)具有良好的保溫效果。爐體一般用鋼結(jié)構(gòu)的外殼內(nèi)襯耐火材料,或用雙層夾墻結(jié)構(gòu)。(4)熱量回收方法在能耗可以接受的情況下,對(duì)于風(fēng)量較小的情況,一般采用簡(jiǎn)單管直接換熱來回收熱量;對(duì)于超出可接受范圍的能耗,一般需要大風(fēng)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(zhì)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(xué)轉(zhuǎn)化。由于催化劑加速了氧化分解的歷程,大多數(shù)碳?xì)浠衔镌?00~450℃的溫度時(shí),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(shè)備設(shè)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(fèi)用高等問題,影響了這種方法在工業(yè)生產(chǎn)過程中的推廣和應(yīng)用。石油化工、油漆、電鍍、印刷、涂料、輪胎制造等工業(yè)的生產(chǎn)過程中都涉及到有機(jī)揮發(fā)化合物的使用和排放。有害的有機(jī)揮發(fā)物通常是烴類化合物、含氧有機(jī)化合物、含氯、硫、磷及鹵素有機(jī)化合物,這些揮發(fā)性有機(jī)物如不經(jīng)處理直接排入大氣會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。傳統(tǒng)的有機(jī)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(tǒng)有機(jī)廢氣處理方法的缺陷,人們采用催化燃燒方法來對(duì)有機(jī)廢氣進(jìn)行凈化處理。重質(zhì)燃料由于含瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、大分子磷質(zhì)較多,因而流動(dòng)性差、粘稠,造成使用時(shí)油壓高,燃燒不充分。燃燒效率低,污染環(huán)境,同時(shí)油中還含有一定量的硫、釩化合物,對(duì)窯爐、機(jī)件的腐蝕也較嚴(yán)重。為了節(jié)約能源,更好更廣泛地使用重質(zhì)燃油,由浙江省湖州埭溪化工廠、湖州市節(jié)能中心及紹興瓷廠等單位協(xié)作研制成功了W型重質(zhì)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(jìn)劑,在燃燒過程中起催化作用。在燃燒區(qū)與碳元素作用,以防止游離碳的生成。同時(shí)它重質(zhì)燃油有強(qiáng)擴(kuò)散滲透作用,減少油泥的積沉,增加流動(dòng)性,使燃油霧化狀態(tài)良好,燃燒效率提高,節(jié)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(duì)窯體等的腐蝕,減少環(huán)境污染。
催化燃燒對(duì)催化劑的基本要求是:既能抑制燒結(jié)、保持活性物質(zhì)具有較大的比表面積及良好的熱穩(wěn)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?yàn)檠芯恳呀?jīng)證明氧化物的活性和熱穩(wěn)定性成反比。同時(shí),需有高的機(jī)械強(qiáng)度以及對(duì)燃料中所含有高的耐腐蝕性。克羅地亞的INOSd.O.O(Zagreb,Croatia)開發(fā)了一種適用于烴油加熱爐爐管的催化燒焦方法。可用來取代傳統(tǒng)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(yīng)熱大大減少,故其燒焦速度比傳統(tǒng)熱燒焦方法倍。由于燒焦時(shí)間大大縮短,也即減少了時(shí)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(wěn)定。因燒焦速度快,又不存在超溫過熱的危險(xiǎn),所以使?fàn)t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(yīng),它借助催化劑降低了反應(yīng)的活化能,使其在較低的起燃溫度200~ 300℃下進(jìn)行無焰燃燒,有機(jī)物質(zhì)氧化發(fā)生在固體催化劑表面,同時(shí)產(chǎn)生CO2和H2O,并放出大量的熱量,因其氧化反應(yīng)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(shù)形成分子氮(N2)。