《工业防毒》03有害气体的燃烧净化

1、工业防毒技术 - 1 - 第第3 3章有害气体的燃烧净化章有害气体的燃烧净化 第一节第一节 概述概述 第二节第二节 热力燃烧原理热力燃烧原理 第三节第三节 热力燃烧炉热力燃烧炉 第四节第四节 催化燃烧原理催化燃烧原理 第五节第五节 催化燃烧装置催化燃烧装置 第六节第六节 安全措施安全措施 工业防毒技术 - 2 - 第一节概述第一节概述 将有毒有害气体、蒸气和烟尘用燃烧的方法进行消除，将有毒有害气体、蒸气和烟尘用燃烧的方法进行消除，称为燃烧净化技术。称为燃烧净化技术。 燃烧净化具有以下三个持点：燃烧净化具有以下三个持点： 1.1.燃烧净化法适用于对可燃烧净化法适用于对可燃物质或在高温下可进行分解

2、的物质的处理；燃物质或在高温下可进行分解的物质的处理； 2 2燃烧净化法燃烧或分解的最终产物是燃烧净化法燃烧或分解的最终产物是无毒无害的物质无毒无害的物质； 3.3.燃烧净化法不能获得原物质的回收；燃烧净化法不能获得原物质的回收； 4.4.在燃烧净化中可以回收燃烧氧化过程中的热量。在燃烧净化中可以回收燃烧氧化过程中的热量。 工业上燃烧净化法广泛用于处理有机溶剂蒸气、碳氢化合物及恶臭气体的工业上燃烧净化法广泛用于处理有机溶剂蒸气、碳氢化合物及恶臭气体的 净化处理，这些物质在燃烧过程中被氧化成二氧化碳和水蒸气，同时回收净化处理，这些物质在燃烧过程中被氧化成二氧化碳和水蒸气，同时回收 燃烧过程中的热

3、量。燃烧过程中的热量。 工业防毒技术 - 3 - （1）直接燃烧（直接火焰燃烧） 概念：把废气中可燃的有害组分当作燃料直接燃烧，从而达到净化的目的。 只适用于可燃有害组分浓度较高浓度较高或燃烧热值较高燃烧热值较高的气体。即废气中的可燃物质可燃物质 浓度较高浓度较高，燃烧产生的热量足以维持燃烧过程连续进行维持燃烧过程连续进行时采用 特点： A 不需要预热 B 燃烧状态是在高温下滞留短时间的有火焰燃烧，能回收热能 C 适用于净化可燃组分浓度较高或燃烧热值较高的气体 工业防毒技术 - 4 - （2）热力燃烧 1）定义：利用辅助燃料燃烧放出的热量将混合气体加热到要求的温度，使 可燃有害组分在高温下分解

4、成无害物，以达到净化的目的 2）燃烧过程 附加燃料首先和部分废气混合并进行燃烧，产生高温气体 大部分废气则与附加燃料燃烧生成的高温气休混合，并使其达到反应温度 可燃污染物在高温下与氧反应，转化成非污染物后排放。 4）热力燃烧的特点 需要进行预热，温度范围控制在540-820度，可以烧掉废气中的炭粒，气 态污染物最终被氧化分解为C02、H2O等。 燃烧状态时在较高温度下停留一定时间的有焰燃烧 适用于各种气体的燃烧，能除去有机物及超细颗粒物 结构简单，占用空间小，维修费用低 工业防毒技术 - 5 - （3）催化燃烧 利用催化剂来加快燃烧速度的燃烧作用称为催化燃烧。 在催化剂的作用下，能使气态污染物

5、中的可燃质在较低温度下氧化分解。 1）流程 预处理预处理：除去粉尘、液滴及有害组分，避免催化床层的堵塞和催化剂中毒； 预热预热：进入催化床层的气体必须，达到起燃温度 回收利用：回收利用：催化放出大量的热，燃烧尾气温度高，对这部分热量必须加以 2）特点 需预热，温度控制在200-400度，为无火焰燃烧，安全性好 燃烧温度低，辅助燃料消耗少 对可燃性组分的浓度和热值限制较少，但组分中不能含有尘粒、雾滴和易使催化 剂中毒的气体 催化剂费用高 工业防毒技术 - 6 - 第二节 热力燃烧原理 一、有关燃烧的几个概念 （一）燃烧与热力燃烧 燃烧反应必须具有如下3个特征： (1) 是一个剧烈的氧化还原反应；

6、 (2) 放出大量的热； (3) 发出光。 燃烧的必要条件： 即可燃物：凡是能与空气中的氧或其他氧化剂起燃烧化学反应的物质称为可燃物。可燃物按其 物理化学反应状态分为气体可燃物、液体可燃物和固体可燃物三种类别。 氧化剂：帮助和支持可燃物燃烧的物质，即能与可燃物发生氧化反应的物质称为氧化剂。燃烧过 程中的氧化剂主要是空气中游离的氧，另外如氟、氯等也可以作为燃烧反应的氧化剂。 温度（引火源）：是指供给可燃物与氧或助燃剂发生燃烧反应能量来源。常见的是热能，其 它还有化学能、电能、机械能等转变的热能。 工业防毒技术 - 7 - 燃烧的充分条件： 但是，并不是上述三个条件同时存在，就一定会发生燃烧现象，

7、还必须这三个因素相 互作用才能发生燃烧。 1、可燃物与助燃物达到一定的比例； 2、助燃物达到达到一定的浓度； 3、超过最小的点火能或超过一定强度的升温明火源； 4、满足了燃烧所需要的燃烧诱导期。 （二）混合气体的燃烧与爆炸（二）混合气体的燃烧与爆炸 爆炸是大量能量在瞬间以对外做功的形式迅速释放，物系状态发生突变。表现为气体 的迅速膨胀。 1）爆炸的特征： 爆炸过程进行得很快； 爆炸点附近瞬间压力急剧上升； 发出声响； 周围建筑物或装置发生震动或遭到破坏。 2）爆炸的破坏形式: 直接的爆炸破坏：对周围设备、建筑和人的直接作用，它直接造成机械设备、 装置、容器和建筑的毁坏和人员伤亡； 冲击波的破坏

8、； 造成火灾。 工业防毒技术 - 8 - 爆炸分类爆炸分类 爆炸可分为：爆炸可分为：物理爆炸、化学爆炸和核爆炸物理爆炸、化学爆炸和核爆炸三大类。三大类。 1 1、物理爆炸、物理爆炸 物理爆炸是物理过程，只发生物态变化，不发生化学反应。如锅炉爆炸、物理爆炸是物理过程，只发生物态变化，不发生化学反应。如锅炉爆炸、 轮胎爆炸等。轮胎爆炸等。 2 2、化学爆炸、化学爆炸 化学爆炸是化学过程，爆炸前后物质的化学组成及化学性质都发生了变化学爆炸是化学过程，爆炸前后物质的化学组成及化学性质都发生了变 化。化学爆炸可分为化。化学爆炸可分为分解爆炸（简单分解爆炸：不一定有燃烧发生；复分解爆炸（简单分解爆炸：不一

9、定有燃烧发生；复 杂分解爆炸：有燃烧发生）和爆炸性混合物爆炸（爆炸混合物至少由两杂分解爆炸：有燃烧发生）和爆炸性混合物爆炸（爆炸混合物至少由两 种组分组成）种组分组成）两类。两类。 工业防毒技术 - 9 - （三）爆炸极限浓度范围 可燃性气体或蒸汽预先按一定比例与空气的混合物，称为爆炸性混合气体。 当混合物中可燃气体的含量接近化学当量时，燃烧最快或最剧烈。 可燃性气体、蒸气的爆炸极限一般用可燃气体或蒸气在混合气体中的所占体 积分数来表示；可燃粉尘的爆炸极限是以在混合物中的质量浓度(gm3) 来表示。 可燃性气体的体积分数及质量浓度比在20时的换算公式如下： Y-有害气体的质量浓度，mg/m3

10、M-有害气体的摩尔质量，g/mol C-有害气体的体积分数，Ml/m3 C M Y 3 3 104.22 10 C M 4.22 工业防毒技术 - 10 - 例1-1 在标准状态下,10 Ml/m3的二氧化硫相当于多少 mg/m3? Y=64/22.410=28.5 mg/m3 工业防毒技术 - 11 - 式中：L下可燃性混合物爆炸下限，； L上可燃性混合物爆炸上限，； N每摩尔可燃气体完全燃烧所需的氧原子数； M可燃气体的摩尔质量，gmol；Vt可燃气体摩尔体积，Lmol。 工业防毒技术 - 12 - 例4 试求乙烷在空气中的爆炸浓度下限和上限。 写出乙烷的燃烧反应式： 2C2H6十7O2

11、= 4CO2十6H2O 工业防毒技术 - 13 - 用爆炸上限与下限浓度之差与爆炸下限浓度之比值表示其危险度H，即： H = (L上L下)/ L下 或 H = (Y上Y下)/ Y下 例如，甲烷气体的危险度为： H 甲烷 = (L甲烷上L甲烷下)/ L甲烷下 =（154.9）/4.9 = 2.06 H 乙炔 = (L乙炔上L乙炔下)/ L乙炔下 =（802.55）/2.55 = 30.37 H值越大，表示可燃性混合物的爆炸极限范围越宽，其爆炸危险性越大。 爆炸极限浓度范围取决于有毒有害物质的种类、混合气体成分、温度、压力、 燃点等因素，另外，其燃烧过程在一定程度上还取决于容器的形状和混合 气体的

12、流速等因素。 工业防毒技术 - 14 - 1初始温度 混合气着火前的初温升高，会使分子的反应活性增加，导致爆炸范围扩大， 即爆炸下限降低，上限提高，从而增加了混合物的爆炸危险性。 2初始压力 增加混合气体的初始压力，通常会使上限显著提高，爆炸范围扩大。增加压 力还能降低混合气的自燃点，这样使得混合气在较低的着火温度下能够发 生燃烧。原因在于，处在高压下的气体分子比较密集，浓度较大，这样分 子间传热和发生化学反应比较容易，反应速度加快，而散热损失却显著减 少。压力对甲烷爆炸极限的影响。在已知的气体中，只有CO的爆炸范围是 随压力增加而变窄的。 混合气在减压的情况下，爆炸范围会随之减小。压力降到某

13、一数值，上限与 下限重合，这一压力称为临界压力。低于临界压力，混合气则无燃烧爆炸 的危险。在一些化工生产中，对爆炸危险性大的物料的生产、贮运往往采 用在临界压力以下的条件进行，如环氧乙烷的生产和贮运。 工业防毒技术 - 15 - 3惰性气体含量 爆炸性混合气体中加入惰性气体，如氮、氧、水蒸气、二氧化碳、四氯化碳 等，可以使可燃气分子和氧分子隔离，在它们之间形成一层不燃烧的屏障。 这层屏障可以吸收能量，使游离基消失，链锁反应中断，阻止火焰蔓延到 其他可燃气分子上去，抑制燃烧进行，起到防火和灭火的作用。 混合气体中增加惰性气体含量，会使爆炸上限显著降低，爆炸范围缩小。惰 性气体增到一定浓度时，可使

14、爆炸范围为零，混合物不再燃烧。惰性气体 含量对上限的影响较之对下限的影响更为显著的原因，是因为在爆炸上限 时，混合气中缺氧使可燃气不能完全燃烧，若增加惰性气体含量，会使氧 量更加不足，燃烧更不完全，由此导致爆炸上限急剧下降。 工业防毒技术 - 16 - 4爆炸容器对爆炸极限的影响 爆炸容器的材料和尺寸对爆炸极限有影响，若容器材料的传热性好，管径 越细，火焰在其中越难传播，爆炸极限范围变小。当容器直径或火焰通道小到 某一数值时，火焰就不能传播下去，这一直径称为临界直径或最大灭火间距。 如甲烷的临界直径为0.40.5mm，氢和乙炔为0.10.2 mm.目前一般采用直径 为50mm的爆炸管或球形爆炸

15、容器。 5点火源的影响 当点火源的活化能量越大，加热面积越大，作用时间越长，爆炸极限范围 也越大。一般情况下，爆炸极限均在较高的点火能量下测得，如测甲烷与空气 混合气体的爆炸极限时，用10J以上的点火能量，其爆炸极限为515。但 当点火能源高到一定程度时，爆炸极限会趋于一个稳定值，不再变宽。 工业防毒技术 - 17 - （6）火焰的传播方向(点火位置) 当从下部点火，火焰垂直由下向上传播时，爆炸下限值最小，上限值最大； 当从上部点火，火焰垂直由上向下传播时，爆炸下限值最大，上限值最小； 火焰水平传播时，爆炸上下限值介于前两者之间。 （7）含氧量 当混合气中含氧量增加时，爆炸极限范围变宽。 增加

16、氧含量使爆炸上限显著增加，但对爆炸下限影响不大，由于空气中含氧量 为21%（体积百分数），处于空气中爆炸的下限时，其组分中氧含量已很高， 也就是说处在下限浓度时，氧气对燃气是过量的。增加氧含量对爆炸下限影 响不大。 工业防毒技术 - 18 - 为了保证生产过程的安全性，应用燃烧净化技术时，应尽量避开爆炸极限浓 度范围。 若生产过程中有多种物质与空气混合时，其爆炸极限可计算。 工业防毒技术 - 19 - 例如：一天然气组成如下：甲烷例如：一天然气组成如下：甲烷80%80%（L L下下=5.0%=5.0%）、乙烷）、乙烷15%15%（L L下下=3.22%=3.22%）、）、 丙烷丙烷4%4%（L

17、 L下下=2.37%=2.37%）、丁烷）、丁烷1%1%（L L下下=1.86%=1.86%）求爆炸下限。）求爆炸下限。 Am=100/Am=100/（80/5+15/3.22+4/2.37+1/1.8680/5+15/3.22+4/2.37+1/1.86）=4.369 =4.369 工业防毒技术 - 20 - （四）火焰传播理论 1.热传播理论 这类理论认为：火焰传播是依靠燃烧时所放出的热量加热周围的气体，使其达 到燃烧所需要的温度而实现的。即火焰正常传播是依靠气体分子热运动的导热 方式将热量从高温的燃烧区(即火焰前沿)传给与火焰临近的低温未燃气体燃料， 使未燃的新鲜气体燃料的温度提高到着火

18、温度而燃烧，燃烧的火焰就会一层层 地传播到整个容器 因此，能否实现火焰传播主要与三个方面的因素有关：混合气体中的含 氧量；混合气体中含有可燃组分的浓度；辅助燃料燃烧过程中所放出的热 量。当燃烧过程中放出的热量不足以使周围的气体达到燃烧所需要的温度，火 焰自然不能向外传播；当助燃废气中的含氧量不足，燃烧过程难以进行，火焰 也不能传播出去。 2.自由基连锁反应理论 该种理论认为：在燃烧室中，火焰之所以能够进行很快的氧化反应，就是因为 火焰中存在着大量活性很大的自由基。由于自由基是具有不饱和价的自由原子 或原子团，极易同其他的原子或自由基发生连续的连锁反应，而使得火焰得以 传播。 工业防毒技术 -

19、21 - 二、热力燃烧机理 （一）热力燃烧机理 热力燃烧的机理大致可以分为以下三个步骤。 (1)辅助燃料的燃烧提高热量； (2)废气与高温燃气混合达到反应温度； (3)废气中可燃组分氧化反应保证废气于反应温度时所需要的驻留时间。 具体的流程图1所示。 在整个热力燃烧的过程中，是否用废气作为助燃气体，要视废气中的含氧量的多少 而定，当废气中的含氧量足够燃烧过程中的需氧量时，可以使部分废气作为助燃气 体；当不够时，则应以空气作为助燃气体，废气全部旁通。此外，辅助燃料用量的 多少与废气的初始温度有很大关系。如废气的初温低，消耗的辅助燃料就多；初温 较高，消耗的辅助燃料就少。因此，在工程设计中，利用燃

20、烧过程中产生的预热废 气可以节约大量的辅助燃料。 图图1热力燃烧流程热力燃烧流程 工业防毒技术 - 22 - ( (二二) )热力燃烧的热力燃烧的“三三T”T”条件条件 “三三T”T”条件指的是条件指的是反应温度反应温度(Reaction Temperature)(Reaction Temperature)、驻留时间驻留时间(Residential (Residential Time)Time)、湍流混合湍流混合(Turbulence Mix)(Turbulence Mix)。掌握。掌握“三三T”T”条件对于热力燃烧的过程是至条件对于热力燃烧的过程是至 关重要的。关重要的。 1 1反应温度对热

21、力燃烧的影响反应温度对热力燃烧的影响 反应温度反应温度是指在所要求的反应时间和湍流混合条件下，使有毒有害物质完成是指在所要求的反应时间和湍流混合条件下，使有毒有害物质完成 氧化分解反应的温度。在足够的反应时间和湍流混合条件下，温度升高会加速反氧化分解反应的温度。在足够的反应时间和湍流混合条件下，温度升高会加速反 应的进行。应的进行。 2 2驻留时间对热力燃烧的影响驻留时间对热力燃烧的影响 驻留时间驻留时间是指废气与高温燃气的混合时间，以及使冷废气温度达到其反应是指废气与高温燃气的混合时间，以及使冷废气温度达到其反应 温度所需的时间。驻留时间一般取温度所需的时间。驻留时间一般取燃烧室容积与混合气

22、体体积流量之比的平均值燃烧室容积与混合气体体积流量之比的平均值。 燃烧炉的驻留时燃烧炉的驻留时间间 工业防毒技术 - 23 - 燃烧炉的总驻留时间可按下式估算： 工业防毒技术 - 24 - 3 3湍流混合对于热力燃烧的影响湍流混合对于热力燃烧的影响 湍流混合湍流混合是指废气与空气混合，以及废气与高温燃气的混合程度。是指废气与空气混合，以及废气与高温燃气的混合程度。湍流混合湍流混合 的目的，实际上就是要增大可燃组分的分子与氧分子或自由基的碰撞机会，使其处的目的，实际上就是要增大可燃组分的分子与氧分子或自由基的碰撞机会，使其处 于分子接触的水平，以保证所要求的销毁率。于分子接触的水平，以保证所要求

23、的销毁率。则取决于燃烧室的形状、尺寸，以及则取决于燃烧室的形状、尺寸，以及 燃烧器的型式和布置等。燃烧器的型式和布置等。 “三三T”T”条件之间是具有内在联系的，改变其中的任何一个条件，其他两项都条件之间是具有内在联系的，改变其中的任何一个条件，其他两项都 可以得到相应的改变。如提高反应温度，使得反应速度加快，就可以适当地降低驻可以得到相应的改变。如提高反应温度，使得反应速度加快，就可以适当地降低驻 留时间和湍流强度。然而，在这留时间和湍流强度。然而，在这“三三T”T”条件中，条件中，延长驻留时间延长驻留时间会使设备体积增大；会使设备体积增大； 提高反应温度提高反应温度会使辅助燃料的消耗增加。

24、因此，会使辅助燃料的消耗增加。因此，最经济的方法就是改善湍流混合最经济的方法就是改善湍流混合情情 况，以增大分子接触的机会。这就需要在设计燃烧室的时候充分注意其内部的结构。况，以增大分子接触的机会。这就需要在设计燃烧室的时候充分注意其内部的结构。 工业防毒技术 - 25 - 图图3 温度和时间对可燃组分氧温度和时间对可燃组分氧 化速率的影响化速率的影响 工业防毒技术 - 26 - 三、热力燃烧法的燃料消耗 热力燃烧中所消耗的辅助燃料按照热量衡算，只要满足将全部废气升温到反 应温度（760-820）即可。废气中可燃组分的热值可以减少上述衡算中 的辅助燃料用量。如果废气中的可燃组分浓度高或者废气的

25、初始温度高， 那么辅助燃料的用量也会减少。 工业防毒技术 - 27 - 例1.设有废气以热力燃烧法净化，需从20度升温到760度，用天然气为辅助燃 料，以废气助燃。使用80%过量的助燃废气。废气所含可燃组分的热值忽 略不计。含氧量与空气一样。试估算每净化1000m3废气需用天然气多少立 方米？助燃废气与旁通废气各占百分比多少？ 工业防毒技术 - 28 - 第三节第三节 热力燃烧炉热力燃烧炉 热力燃烧炉的主体结构分成两部分：热力燃烧炉的主体结构分成两部分：一是燃烧器一是燃烧器，辅助燃料在其中燃烧，产生高，辅助燃料在其中燃烧，产生高 温燃气；温燃气； 二是燃烧室二是燃烧室，高温燃气与冷废气在燃烧室

26、湍流混合，达到反应温度并保持所需的，高温燃气与冷废气在燃烧室湍流混合，达到反应温度并保持所需的 驻留时间。驻留时间。 针对不同的要求和火焰燃烧的情况，燃烧器和燃烧室有各种不同的结构。针对不同的要求和火焰燃烧的情况，燃烧器和燃烧室有各种不同的结构。 一、配焰燃烧器系统一、配焰燃烧器系统 图图4 4为配焰式燃烧器系统，其工艺特点是：燃烧器将火焰配布成为许多布点成线为配焰式燃烧器系统，其工艺特点是：燃烧器将火焰配布成为许多布点成线 的小火焰，废气从火焰周围流过去，迅速达到湍流混合。因此可以看出，该的小火焰，废气从火焰周围流过去，迅速达到湍流混合。因此可以看出，该 种燃烧有种燃烧有火焰分散、混合程度高

27、、燃烧净化效率高火焰分散、混合程度高、燃烧净化效率高等特点。但当废气贫氧，等特点。但当废气贫氧， 废气中含有易沉积的油焦或颗粒物。辅助燃料为油料时，这种系统都不适用。废气中含有易沉积的油焦或颗粒物。辅助燃料为油料时，这种系统都不适用。 图图4 配焰燃烧器系统配焰燃烧器系统 工业防毒技术 - 29 - （一）结构类型（一）结构类型 根据燃烧结构的不同，该种形式的燃烧器又可分为根据燃烧结构的不同，该种形式的燃烧器又可分为火焰成线式燃烧器火焰成线式燃烧器( (见图见图5)5)、 多烧嘴式燃烧器多烧嘴式燃烧器( (见图见图6)6)和和格栅式燃烧器格栅式燃烧器( (见图见图7)7)。 图图5 5 火焰成

28、线式的燃烧器火焰成线式的燃烧器( (带侧挡板带侧挡板) ) 图图6 多烧嘴式燃烧器系统多烧嘴式燃烧器系统 图图7 格栅式燃烧器格栅式燃烧器 工业防毒技术 - 30 - 火焰成线式燃烧器火焰成线式燃烧器的辅助燃料气从下部管子引入，作为助燃气体的废气从的辅助燃料气从下部管子引入，作为助燃气体的废气从V V形形 板侧面的小孔引入，旁通废气从板侧面的小孔引入，旁通废气从V V形板与侧挡板间的缝隙引入。这就是该种形板与侧挡板间的缝隙引入。这就是该种 燃烧器的特点。当压力降为燃烧器的特点。当压力降为392392266Pa(40mmH266Pa(40mmH2 2O)O)时，该种燃烧器形成的火时，该种燃烧器形

29、成的火 焰短而稳定，湍流混合程度较好。焰短而稳定，湍流混合程度较好。 多烧嘴式燃烧器多烧嘴式燃烧器的辅助燃料气从后面引入，废气分为两路，助燃气体和旁通气的辅助燃料气从后面引入，废气分为两路，助燃气体和旁通气 体的量通过调节体的量通过调节d d的大小来控制。该种燃烧器的助燃较好，与火焰成线式相的大小来控制。该种燃烧器的助燃较好，与火焰成线式相 比，不易熄火。但湍流混合不够理想。因此，在燃烧室中应增设挡板或其比，不易熄火。但湍流混合不够理想。因此，在燃烧室中应增设挡板或其 他措施，提高混合程度。他措施，提高混合程度。 格栅式燃烧器格栅式燃烧器的辅助燃料气从底部分配管引入，废气从下部引入，该种燃烧器

30、的辅助燃料气从底部分配管引入，废气从下部引入，该种燃烧器 湍流混合较好，适用于废气流量较为稳定的情况。但如压力调节不当，会湍流混合较好，适用于废气流量较为稳定的情况。但如压力调节不当，会 发生熄火情况。发生熄火情况。 工业防毒技术 - 31 - 为使废气均匀地达到所需的反应温度，保证其充分的氧化时间，燃烧室最好 制成圆形状，圆筒形燃烧室使得所有废气都能达到均匀反应温度，且有相 等的驻留时间，其净化效果最佳。实际中，为了制作方便，燃烧室多制成 方形状。方形燃烧室易产生涡流死角，不但影响了燃烧室的有效容积，缩 短了驻留时间，还会造成流速的不均匀。 为了在燃烧室内获得高效率的湍流混，则未净化气体的体

31、积流量Q的驻留时间 应大于1s。即： 工业防毒技术 - 32 - （二）设计问题（二）设计问题 针对配焰式燃烧器的结构，其燃烧室要注意解决以下的问题。针对配焰式燃烧器的结构，其燃烧室要注意解决以下的问题。 (1)(1)燃烧器的安装位置燃烧器的安装位置 为保证温度分布均匀，反应完全，燃烧器应为保证温度分布均匀，反应完全，燃烧器应 安置在断面流速尽可能分布均匀的端处，而不要放置在涡流地带。安置在断面流速尽可能分布均匀的端处，而不要放置在涡流地带。 (2)(2)燃烧室截面积燃烧室截面积 为保证足够的湍流程度，应满足：为保证足够的湍流程度，应满足： 矩形截面时：矩形截面时：QD/AQD/A10.810

32、.8 圆形截面时：圆形截面时：Q/D Q/D 8.58.5 式中式中 QQ总体积流量；总体积流量； DD直径或当量直径；直径或当量直径； AA截面积。截面积。 (3)(3)燃烧室内设置挡板燃烧室内设置挡板 由于燃烧室的边壁效应或燃烧器的结构形式，由于燃烧室的边壁效应或燃烧器的结构形式， 都有可能产生局部混合不好，为避免这种现象，应在火焰冲击范都有可能产生局部混合不好，为避免这种现象，应在火焰冲击范 围以外装设挡板，以提高湍流混合的程度。围以外装设挡板，以提高湍流混合的程度。 表表163163反映了有无挡板之间的差别。反映了有无挡板之间的差别。 工业防毒技术 - 33 - 二、离焰式燃烧系统 图

33、8是一个离焰式燃烧系统装置示意。这种燃烧系统的特点是高温燃气与 废气的混合是分离开的，而不像配焰系统那样将火焰与废气一起分成 许多小股。所以，就混合效果来讲，不如配焰系统。但是离焰式燃烧 器又具有以下优点：由于火焰较长，不易熄火，辅助燃料既可以使用 燃料油，又可使用燃料气(见图9)，燃料气与助燃气体的流速可调幅度 大，工作压力范围宽。 图图8 8 使用离焰燃烧器的燃烧炉使用离焰燃烧器的燃烧炉 图图9 油气两用燃烧器油气两用燃烧器 工业防毒技术 - 34 - 因此，在克服离焰式燃烧系统混合问题上，出现许多方法。因此，在克服离焰式燃烧系统混合问题上，出现许多方法。 (1)(1)在图在图1010中，

34、燃烧过程中火焰喷射产生的抽力将废气引入，然后在联管中，燃烧过程中火焰喷射产生的抽力将废气引入，然后在联管 处充分混合，克服了混合速度慢的问题。处充分混合，克服了混合速度慢的问题。 (2)(2)让废气与火焰径向进入燃烧室，增强横向混合速度，利用这一点改善让废气与火焰径向进入燃烧室，增强横向混合速度，利用这一点改善 混合情况。混合情况。 (3)(3)在燃烧室内设置挡板在燃烧室内设置挡板( (见图见图11)11)增加湍流强度，提高混合速度。但要注增加湍流强度，提高混合速度。但要注 意正确放置挡板。否则不仅不能改善混合情况，还会造成死角，恶化意正确放置挡板。否则不仅不能改善混合情况，还会造成死角，恶化

35、 混合情况，降低燃烧室的有效体积，减少驻留时间。混合情况，降低燃烧室的有效体积，减少驻留时间。 图图10 10 轴向火焰的喷射混合轴向火焰的喷射混合 图图11 燃烧室内挡板的设置燃烧室内挡板的设置 工业防毒技术 - 35 - 三、有关的工程设计问题三、有关的工程设计问题 （一）燃烧室形状（一）燃烧室形状 燃烧室不宜有燃烧室不宜有9090度或度或180180度的拐弯度的拐弯 （二）垂直燃烧炉火烟囱燃烧炉（二）垂直燃烧炉火烟囱燃烧炉 燃烧炉垂直安装还是水平安装，要看地点、面积、屋顶载重以及当地最大风燃烧炉垂直安装还是水平安装，要看地点、面积、屋顶载重以及当地最大风 速等条件。速等条件。 （三）（三

36、）燃烧炉设计尺寸燃烧炉设计尺寸 四、热量回收利用四、热量回收利用 1.1.热量回收热量回收 2.2.热净化气回收利用热净化气回收利用 3.3.向废热利用设备供热向废热利用设备供热 工业防毒技术 - 36 - 五、利用锅炉燃烧室进行热力燃烧五、利用锅炉燃烧室进行热力燃烧 锅炉作用燃烧净化炉与热力燃烧炉比较，其锅炉作用燃烧净化炉与热力燃烧炉比较，其优点优点是：是： 1.1.不需要大量设备投资；不需要大量设备投资； 2.2.锅炉起到供气与净化废气双重作用；锅炉起到供气与净化废气双重作用； 3.3.对于废气净化，不再需要辅助燃料或只需少量燃料；对于废气净化，不再需要辅助燃料或只需少量燃料； 4.4.操

37、作维护费用也只有一份操作维护费用也只有一份 5.5.少数情况下如果废气有较大热值，还可节约燃料；少数情况下如果废气有较大热值，还可节约燃料； 其其缺点缺点是：是： 1.1.如果废气流量相对较大，则锅炉所耗燃料将增加，压力增大；如果废气流量相对较大，则锅炉所耗燃料将增加，压力增大； 2.2.可能因锅炉的燃烧器、管子结垢，而增加维护费用；可能因锅炉的燃烧器、管子结垢，而增加维护费用； 3.3.为净化废气，无论蒸汽需用情况如何，锅炉都需适当的烧着；为净化废气，无论蒸汽需用情况如何，锅炉都需适当的烧着； 4.4.一般应有几台锅炉，其中一台备用；一般应有几台锅炉，其中一台备用； 工业防毒技术 - 37

38、- 第四节第四节 催化燃烧原理催化燃烧原理 有机废气是石油化工、轻工、塑料、印刷、涂料等行业排 放的常见污染物，有机废气中常含有烃类化合物（芳烃、烷 烃、烯烃）、含氧有机化合物（醇、酮、有机酸等）、含氮、 硫、卤素及含磷有机化合物等。如对这些废气不加处理，直 接排入大气将会对环境造成严重污染，危害人体健康。传统 的有机废气净化方法包括吸附法、冷凝法和直接燃烧法等， 这些方法常有易产生二次污染、能耗大、易受有机废气浓度 和温度限制等缺点。而新兴的催化燃烧技术已由实验阶段走 向工程实践，并逐渐应用于石油化工、农药、印刷、涂料、 电线加工等行业。 工业防毒技术 - 38 - 1 催化燃烧的基本原理

39、催化燃烧是典型的气-固相催化反应，其实质是活性 氧参与的深度氧化作用。在催化燃烧过程中，催化剂的 作用是降低活化能，同时催化剂表面具有吸附作用，使 反应物分子富集于表面提高了反应速率，加快了反应的 进行。借助催化剂可使有机废气在较低的起燃温度条件 下，发生无焰燃烧，并氧化分解为CO2和H2O，同时放出 大量热能，其反应过程为： 热量 催化剂 OH 2 m nCOO4mnHC 222mn 工业防毒技术 - 39 - 第四节第四节 催化燃烧原理催化燃烧原理 催化燃烧是用催化剂使废气中可燃物质在较低温度下氧化分解的净化催化燃烧是用催化剂使废气中可燃物质在较低温度下氧化分解的净化 方法。所以，催化燃烧

40、又称为方法。所以，催化燃烧又称为催化化学转化催化化学转化。使废气中的污染物转化成无。使废气中的污染物转化成无 害物，甚至是有用的副产品，或者转化成更容易从气流中分离而被去除的害物，甚至是有用的副产品，或者转化成更容易从气流中分离而被去除的 物质。由于催化剂加速了氧化分解的历程，大多数碳氢化合物在物质。由于催化剂加速了氧化分解的历程，大多数碳氢化合物在300300一一 450450的温度时，通过催化剂就可以氧化完全。因此，与热力燃烧法相比，的温度时，通过催化剂就可以氧化完全。因此，与热力燃烧法相比， 催化燃烧法所需的辅助燃料少，能量消耗低，设备设施的体积小。催化燃烧法所需的辅助燃料少，能量消耗低

41、，设备设施的体积小。 ( (一）环保催化剂的一般要求一）环保催化剂的一般要求 1.1.极高的净化效率极高的净化效率 催化剂具有高活性（使反应物转化的能力）。催化剂具有高活性（使反应物转化的能力）。 2.2.处理量大处理量大 3.3.抗毒能力强、化学稳定性高、选择性好抗毒能力强、化学稳定性高、选择性好 4.4.高强度、高稳定性；高强度、高稳定性； 5.5.净化设备结垢简单、投资低；净化设备结垢简单、投资低； 6.6.要求不产生二次污染要求不产生二次污染 工业防毒技术 - 40 - 一个工业催化过程一般包括一个工业催化过程一般包括催化剂的选择、催化操作条件的选择和催化反催化剂的选择、催化操作条件的

42、选择和催化反 应器的选择应器的选择及设计三个步骤。及设计三个步骤。 1 1、催化剂、催化剂 1 1） 催化剂的主要性能指标催化剂的主要性能指标 在空速较高，温度较低的条件下，有机废气的燃烧反应转化率接在空速较高，温度较低的条件下，有机废气的燃烧反应转化率接 近近100%100%，表明该催化剂的活性较高。催化剂的活性分诱导活化、稳定、，表明该催化剂的活性较高。催化剂的活性分诱导活化、稳定、 衰老失活衰老失活3 3个阶段，有一定的使用限期，工业上实用催化剂的寿命一般个阶段，有一定的使用限期，工业上实用催化剂的寿命一般 在在2 2年以上。使用期的长短与最佳活性结构的稳定性有关，而稳定性取年以上。使用

43、期的长短与最佳活性结构的稳定性有关，而稳定性取 决于耐热、抗毒的能力。对催化燃烧所用催化剂则要求具有较高的耐热决于耐热、抗毒的能力。对催化燃烧所用催化剂则要求具有较高的耐热 和抗毒的性能。有机废气的催化燃烧一般不会在很严格的操作条件下进和抗毒的性能。有机废气的催化燃烧一般不会在很严格的操作条件下进 行，这是由于废气的浓度、流量、成分等往往不稳定，因此要求催化剂行，这是由于废气的浓度、流量、成分等往往不稳定，因此要求催化剂 具有较宽的操作条件适应性。催化燃烧工艺的操作空速较大，气流对催具有较宽的操作条件适应性。催化燃烧工艺的操作空速较大，气流对催 化剂的冲击力较强，同时由于床层温度会升降，造成热

44、胀冷缩，易使催化剂的冲击力较强，同时由于床层温度会升降，造成热胀冷缩，易使催 化剂载体破裂，因而催化剂要具有较大的机械强度和良好的抗热胀冷缩化剂载体破裂，因而催化剂要具有较大的机械强度和良好的抗热胀冷缩 性能。性能。 工业防毒技术 - 41 - 2）催化剂种类 目前催化剂的种类已相当多，按活性成分大体可分3类。 （1）贵金属催化剂 铂、钯、钌等贵金属对烃类及其衍生物的氧化都具有很高 的催化活性，且使用寿命长，适用范围广，易于回收，因而 是最常用的废气燃烧催化剂。如我国最早采用的Pt-Al2O3催 化剂就属于此类催化剂。但由于其资源稀少，价格昂贵，耐 中毒性差，人们一直努力寻找替代品 （2）过渡

45、金属氢化物催化剂 作为取代贵金属催化剂，采用氧化性较强的过渡金属氧化 物，对甲烷等烃类和一氧化碳亦具有较高的活性，同时降低 了催化剂的成本，常见的有MnOx、CoOx和CuOx等催化剂。大 连理工大学研制的含MnO2催化剂，在130及空速13000h-1的 条件下能消除甲醇蒸气，对乙醛、丙酮、苯蒸气的清除也很 有效果。 工业防毒技术 - 42 - （3）复氧化物催化剂 一般认为，复氧化物之间由于存在结构或电子调变等相互作用，活性 比相应的单一氧化物要高。主要有以下两大类： I钙钛矿型复氧化物 稀土与过渡金属氧化物在一定条件下可以形成具有天然钙钛矿型的复 合氧化物，通式为ABO3，其活性明显优于

46、相应的单一氧化物。结构中一般 A为四面体型结构，B为八面体形结构，这样A和B形成交替立体结构，易于 取代而产生品格缺陷，即催化活性中心位，表面晶格氧提供高活性的氧化 中心，从而实现深度氧化反应。常见的有几类如：BaCuO2、LaMnO3等。 II尖晶石型复氧化物 作为复氧化物重要的一种结构类型，以AB2X4表示.尖晶石亦具有优良 的深度氧化催化活性，如对CO的催化燃烧起燃点落在低温区（约80）， 对烃类亦在低温区可实现完全氧化.其中研究最为活跃的CuMn2O4尖晶石， 对芳烃的活性尤为出色，如使甲苯完全燃烧只需260，实现低温催化燃 烧，具有特别实际意义。 工业防毒技术 - 43 - 3） 催

47、化剂负载方式 催化剂活性组分可通过下列方式沉积在载体上：(1)电沉 积在缠绕或压制的金属载体上；(2)沉积在颗粒状陶瓷材料上； (3)沉积在蜂窝结构的陶瓷材料上。 金属载体催化剂一般是将金属制成丝网或带状，然后将活 性组分沉积在其上。金属载体催化剂的优点是导热性能好、 机械强度高，缺点是比表面积较小。陶瓷载体结构有颗粒状 及蜂窝状两大类，陶瓷材料通常为硅-铝氧化物。颗粒状载体 的优点是比表面积大，缺点是压降大以及因载体间相互摩擦， 造成活性组分磨耗损失。蜂窝载体是比较理想的载体型式， 具有很高的比表面，压力降较片粒柱状低，机械强度大，耐 磨、耐热冲击。 工业防毒技术 - 44 - 工业防毒技术

48、 - 45 - 1 1）催化剂的种类）催化剂的种类 催化剂可以是催化剂可以是气态、液态和固态气态、液态和固态，其中固态催化剂应用最为广，其中固态催化剂应用最为广 泛，它通常由泛，它通常由主活性物质、助催化剂和载体主活性物质、助催化剂和载体所组成。所组成。 (1)(1)主活性物质。能单独对化学反应起催化作用。主活性物质。能单独对化学反应起催化作用。 (2)(2)助催化剂；本身没有什么催化性能，但它的少量加入能明显助催化剂；本身没有什么催化性能，但它的少量加入能明显 提高主活性物质的催化性能。提高主活性物质的催化性能。 (3)(3)载体。用以承载主活性物质和助催化剂，它的基本作用在于载体。用以承载

49、主活性物质和助催化剂，它的基本作用在于 提供提供大的比表面积大的比表面积以节约主活性物质，并改善催化剂的传热、以节约主活性物质，并改善催化剂的传热、 抗热冲击和机械冲击等物理性能。抗热冲击和机械冲击等物理性能。 工业防毒技术 - 46 - 二、催化燃烧原理二、催化燃烧原理 （一）催化燃烧原理（一）催化燃烧原理 （二）催化氧化的转化率与驻留时间（二）催化氧化的转化率与驻留时间 1 1、催化氧化的转化率、催化氧化的转化率 实验表明，催化剂床层中任何一点的氧化反应均为一级反应，即该点实验表明，催化剂床层中任何一点的氧化反应均为一级反应，即该点 的氧化速率与该点浓度成正比。以微分式表示：的氧化速率与该

50、点浓度成正比。以微分式表示： 常数 积分可得；将上式变数分离，两边 数。氧化反应的有效速率常 速率，即氧化速度；该点可燃组分浓度降低 留时间；废气在催化剂床层的驻 可燃组分浓度；式中 效 效 效 效 K K K K c d c dc d dc c c d ln dc 工业防毒技术 - 47 - s K c c sK f f K f cfc cKc fc cK cc 驻留时间，废气通过催化剂床层的 常数，可燃组分氧化有效速率 层的转化率；可燃组分通过催化剂床式中 变成指数形式后 ） 则有： ，催化氧化的转化率为后的终浓度为床层，即经历驻留时间设废气通过整个催化剂 ，即可定出常数项伟，应用初始条件

51、 效 催 催 效 催 初 催 终 初效终 催 终 初效 初初 效 1 1 )1ln( 1 ( lnln lnln ln,0 工业防毒技术 - 48 - 如果经过预热后的废气含氧量超过可燃组分所需的如果经过预热后的废气含氧量超过可燃组分所需的2%2%以上，则氧化速率不依赖于以上，则氧化速率不依赖于 废气中氧的浓度。氧化转化率有两个因素的乘积所决定：废气中氧的浓度。氧化转化率有两个因素的乘积所决定： 一是废气通过催化剂床层的驻留时间；一是废气通过催化剂床层的驻留时间； 二是氧化过程的有效速率系数二是氧化过程的有效速率系数K K效 效 2 2、驻留时间、驻留时间 在催化剂研究中，在催化剂研究中， 称

52、为驻留时间或接触时间，指反应气体通过催化剂床层中自称为驻留时间或接触时间，指反应气体通过催化剂床层中自 由空间所需的时间。接触时间越短，表示同样体积的催化剂处理的废气越多，由空间所需的时间。接触时间越短，表示同样体积的催化剂处理的废气越多， 所以它是表示催化剂处理能力的参数之一，所以它是表示催化剂处理能力的参数之一， V V K s s f mm mV mV V V 气 催 效 催 气 催 气 催 催化剂床层的空隙率， 废气的体积流量， 催化剂床层的体积，式中 1 / ;/ ; )( 33 3 3 工业防毒技术 - 49 - SVSV称为称为空间速度空间速度。通常以单位体积催化剂、每小时通过的

53、气体体积（换算。通常以单位体积催化剂、每小时通过的气体体积（换算 至标准状态）计算，至标准状态）计算， SV=SV=废气的体积流量，废气的体积流量，m m3 3/h/h 空间速度值越高，表示催化剂的处理能力越大。空间速度值越高，表示催化剂的处理能力越大。 线速度线速度指反应气体在反应条件下通过催化剂床层自由截面积的速率，指反应气体在反应条件下通过催化剂床层自由截面积的速率， 线速度线速度= = 催化剂体积，m3 反应条件下气流的体积流速，m3/s 床层截面积空隙率，m2 工业防毒技术 - 50 - ( (三）有效速率常数三）有效速率常数K K效 效的经验数据 的经验数据 1.1.催化过程机理催化过程机理 气固相催化反应的过程分为以下七个步骤：气固相催化反应的过程分为以下七个步骤： 反应物从气流主体向催化剂外表面扩散反应物从气流主体向催化剂外表面扩散( (外扩散过程外扩散过程) ) 反应物由催化剂外表面沿微孔方向向催化剂内部扩散反应物由催化剂外表面沿微孔方向向催化剂内部扩散( (内扩散过程内扩散过程) )； 反应物在催化剂的表面上被吸附反应物在催化剂的表面上被吸附( (吸附过程吸附过程) )； 吸附的反应物发生化学反应转化成反应生成物吸附的反应物发生化学反应转化成反应生成物( (表面反应过程表面