第三章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的物质的处理；燃物质或在高

2、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量。燃烧过程中的热量。工业防毒技术-

3、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 -工业防毒技术- 5 -（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成无害物，以达到净化的目的2）燃烧过程附加燃料

4、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- 6 -（3）催化燃烧利用催化剂使废弃中可燃物质在较低温度下氧化分解的净化方法。在催化剂的作用下，加快污染物质的燃烧速度。1）流程预处理预处理：除去粉尘、液滴及有害组分，避免催化

5、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回收利用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- 7 -工业防毒技术- 8 -工业防毒技术- 9 -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； (2) 放出大量的热； (3) 发出光。燃烧的必要条件： 即可燃物

6、：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- 10 -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，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

7、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； 造成火灾。工业防毒技术- 11 -工业防毒技术- 12 -爆炸分类爆炸分类 爆炸可分为：爆炸

8、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、轮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。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。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；复杂分解爆分解爆炸（简单分解爆炸：不一定有燃烧发生；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

9、少由两种组分组成）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）两类。两类。工业防毒技术- 13 -（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/m3M-有害气体的摩尔质量，g/molC-有害气体的体积分数，Ml/m3 CMY33104.2210CM

10、4.22工业防毒技术- 14 -工业防毒技术- 15 -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- 16 -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。根据完全燃烧反应所需的氧原子数估算有机物的爆炸下限和上限，其经验公式如下。各种可燃气体和燃性液体蒸气的爆炸极限，可用专门仪器测定出来，或用经验公式估算。爆炸极限的估算值与实验值一般有些出入，其原因是在计算式中只考虑到混合物的组成，而无法

11、考虑其他一系列因素的影响，但仍不失去参考价值。工业防毒技术- 17 -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 = 4CO2十6H2O 工业防毒技术- 18 -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

12、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流速等因素。工业防毒技术- 19 -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

13、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- 20 -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

14、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- 21 -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

15、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- 22 -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

16、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- 23 -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。100.abcAabcAAA混=A混：几种蒸汽与空气混合后的爆炸极限Aa、Ab、Ac：每种组分的爆炸极限%A、b、c各组分在几种蒸汽混合物中的含量%工业防毒技术- 24

17、-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 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- 25 -（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，

18、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

19、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- 26 -工业防毒技术- 27 -二、热力燃烧机（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

20、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，利用燃烧过程中产生的预热废气可以节约大量的辅助燃料。 工业防毒技术- 28 -工业防毒技术- 29 -( (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)(Turb

21、ulence 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。反应温度：不是反应可以进行的温度是反应速度可达到要求时的温度。反应温度：不是反应可以进行的温度是反应速度可达到要求时的温度。换言之：

22、在一定的区域内，可燃组分的销毁达到设计要求所需要的温度。换言之：在一定的区域内，可燃组分的销毁达到设计要求所需要的温度。 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- 30 -就燃烧反应时间来说，其变化范围在小于就燃烧反应时间来说，其变化范围在小于1/10s1/10s几几

23、s s之间驻留时间充分，之间驻留时间充分，可以使有害气体的销毁更机充分。可以使有害气体的销毁更机充分。工业防毒技术- 31 -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，

24、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。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

25、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- 32 -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- 33 -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初始温度高，那么辅助燃料的用量也会减少。工业防毒技术- 34 -例例1.1.设有废气以热力燃烧法净化，

26、需从设有废气以热力燃烧法净化，需从2020度升温到度升温到760760度，用度，用天然气为辅助燃料，以废气助燃。使用天然气为辅助燃料，以废气助燃。使用80%80%过量的助燃废气。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。试估算每净化估算每净化1000m31000m3废气需用天然气多少立方米？助燃废气与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？旁通废气各占百分比多少？例例2 2 上例中设废气所含的可燃组分为酒精蒸汽上例中设废气所含的可燃组分为酒精蒸汽10g/m10g/m3 3, , 而酒而酒精热值精热值

27、 为为29730kJ/kg,29730kJ/kg,试估算每净化试估算每净化1000m1000m3 3废气所需的天然废气所需的天然气，以及助燃废气与旁通废气所占的百分比。气，以及助燃废气与旁通废气所占的百分比。工业防毒技术- 35 -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

28、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、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

29、，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- 36 -（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- 37 -火

30、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

31、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

32、生熄火情况。发生熄火情况。工业防毒技术- 38 -（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/A10.810.8圆形截面时：圆形截面时

33、：Q/D Q/D 8.58.5式中式中 Q Q总体积流量；总体积流量； D D直径或当量直径；直径或当量直径； A A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3-83-8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- 39 -二、离焰式燃烧系统 图8是一个离焰式燃烧系统装置示意。这种燃

34、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- 40 -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，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

35、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

36、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- 41 -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）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.

37、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例题设有一个热力燃烧炉，用于处理凹版印刷车间排出的含甲苯废气。废气含甲苯500mg/m3,但甲苯组分的燃烧热、升温及比热均忽略不计，废气的有关物理参数按空气计算。废气排出量为1500m3/h，排出温度20 燃烧炉使用天然气，以废气助燃。有关的空气及燃料气的特性参数见表3-4，3-5，3-6。试计算燃烧炉的设计尺寸。- 42 -工业防毒技术- 43 -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.

38、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.

39、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- 44 - 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

40、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- 45 -催化燃烧的基本原理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 OH2mnCOO4mnHC222mn工业防毒技术- 46 -催化燃烧是用催化剂使废气中可燃物质在

41、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，

42、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，设备设施的体积小。 环保催化剂的一般要求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- 47 -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

43、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。一、催化剂一、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: :活性、选择性、稳定性活性、选择性、稳定性催化剂活性催化剂活性 *:RRmAt mAthmg催化剂活性，kg/(h g)m:产品质量,kg反应时间，催化剂质量，工业防毒技术- 48 -催化剂的选择性100%B 反应所得目的产物的物质的量通过催化剂床层的反应物物质的量催化剂的稳定性催化剂在化学反应过程中保持活性的能力，包括热稳定性、机械稳定性和化学稳定性工业防毒技术- 49 -2、催化剂的组成及种类

44、 催化剂通常由主活性成分、助催化剂和载体组成 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。 助催化剂；本身没有什么催化性能，但它的少量加入能明助催化剂；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。显提高主活性物质的催化性能。 载体。用以承载主活性物质和助催化剂，它的基本作用在载体。用以承载主活性物质和助催化剂，它的基本作用在于提供于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。热、抗热冲击和机械冲击等物理性能。目前催化剂的种类已相当多，按活性成分大体可

45、分3类。（1）贵金属催化剂工业防毒技术 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

46、果- 50 -工业防毒技术- 51 -（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

47、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- 52 -3、 催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

48、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- 53 -工业防毒技术- 54 -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：的氧化速率与该点浓度成正

49、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KKKKcdcdcddcccdlndc工业防毒技术- 55 -sKccsKffKfcfccKcfccKcc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，应用初始条件效催催效催初催终初效终催终初效初初效11)1ln(1 (lnlnlnlnln,0工业防毒技术- 56 -如果

50、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

51、，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，VVKssfmmmVmVVV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/;/;)(3333工业防毒技术- 57 -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

52、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- 58 -( (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

53、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( (表面反应过程表面反应过程) )；反应生成物从催化剂表面上脱附反应生成物从催化剂表面上脱附( (脱附过程脱附过程) )：脱附的生成物从微孔向外扩散到催化剂的外表面处脱附的生成物从微孔向外扩散到催化剂的外表面处( (内扩散过程内扩散过程) )；生成物从催化剂外表面扩散到主气流中被带走生成物从催化剂外表面扩散到主气流中被带走( (外扩散过程外扩散过程) )。工业防毒技术- 59 -工业

54、防毒技术2、催化转化的有效速率常数 化学反应和质量传递两个过程- 60 -111=KKK效化质111=KKK效化质工业防毒技术- 61 -三、催化燃烧的影响因素三、催化燃烧的影响因素（一）催化剂性能的影响（一）催化剂性能的影响通常用通常用活性、选择性和稳定性活性、选择性和稳定性来表示催化剂的性能。来表示催化剂的性能。 （1 1）活性）活性活性是衡量催化剂加速化学反应速度的能力。工业上，催活性是衡量催化剂加速化学反应速度的能力。工业上，催化剂的活性化剂的活性常用单位体积常用单位体积( (或质量或质量) )催催化剂在一定温度、压力、反应物浓度和空速条件下，单位时间内所吸附的有害物量。化剂在一定温度

55、、压力、反应物浓度和空速条件下，单位时间内所吸附的有害物量。（2 2）选择性）选择性当化学反应在热力学上有几个反应方向时，一种催化剂在一定条件下只对其中一个反当化学反应在热力学上有几个反应方向时，一种催化剂在一定条件下只对其中一个反应方向起加速作用，这种特性称为应方向起加速作用，这种特性称为催化剂的选择性（催化剂的选择性（甲酸以氧化锌作催化剂能分甲酸以氧化锌作催化剂能分解为氢气和二氧化碳，以氧化钛时生成一氧化碳和水）解为氢气和二氧化碳，以氧化钛时生成一氧化碳和水）（3 3）稳定性。）稳定性。 催化剂在化学反应过程中保持活性的能力称为催化剂在化学反应过程中保持活性的能力称为催化剂的稳定性。催化剂的稳定性。它包括三个基本方它包括三个基本方面，即面，即热稳定性、机械稳定性和抗毒稳定性热稳定性、机械稳定性和抗毒稳定性。三者共同决定催化剂的使用期限。三者共同决定催化剂的使用期限。所以通常用所以通常用寿命寿命来表示催化剂的稳定性。来表示催化剂的稳定性。工业防毒技术- 62 -影响催化剂寿命的因素有影响催化剂寿命的因素有催化剂老化和中毒催化剂老化和中毒。(1)(1)催化剂老化催化剂老化。老化是指在正常工作条件下逐渐失去活性的过程。老化是指在正常工作条件下逐渐失去活性的过程。（低熔点活性组分流失、表面低温烧结、内部杂质的迁移以及冷热交（低熔点活性组分