催化凈化是典型的氣固相催化反應(yīng)，其實質(zhì)是活性氧參與的深度氧化作用。在催化凈化過程中，催化劑的作用是降低活化能，同時催化劑表面具有吸附作用，使反應(yīng)物分子富集于表面提高了反應(yīng)速率，加快了反應(yīng)的進行。借助催化劑可使有機廢氣在較低的起燃溫度條件下，發(fā)生無焰燃燒，并氧化分解為CO2和H2O，同時放出大大量熱能，從而達到去除廢氣中的有害物的方法。

揮發(fā)性有機化合物（VOCs）廢氣處理用催化燃燒裝置的結(jié)構(gòu)與工作原理，并結(jié)合裝置的應(yīng)用實例來對催化燃燒設(shè)備進行分析與研究。根據(jù)現(xiàn)行相關(guān)大氣標準的要求與實際工況，對催化燃燒裝置在廢氣處理過程中所體現(xiàn)的優(yōu)勢與尚需改進之處進行了總結(jié)。

揮發(fā)性有機化物（VOCs）是指沸點在50~260℃之間，室溫下飽和蒸汽壓超過 133.3 Pa的易揮發(fā)性有機化合物，包括苯、甲苯、二甲苯等常規(guī)烴類化合物，硫氨有機化合物等[1]。有機廢氣容易與大氣中的氮氧化物反應(yīng)生成 O3 并形成光化學煙霧，會對人體健康產(chǎn)生有害影響，因此 VOCs 廢氣的處理受到了各國的高度重視，發(fā)達國家近年陸續(xù)頒布了相關(guān)的法令以限制 VOCs 的排放。

2017年VOCs的排放量已超過3100 萬 t [2]，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(chǎn)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(shè)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(xù)公布了最新的VOCs 排放標準。常規(guī)處理 VOCs 廢氣采用前端回收技術(shù)或后端氧化分解2種方式，前者采用物理方法，在一定溫度與壓力下，通過冷凝、吸收劑、吸附劑或具有選擇性的膜對VOCs進行分離；而氧化分解技術(shù)則是通過生化法，利用光、熱、催化劑或微生物對VOCs進行氧化分解，并生成CO2與H2O。氧化分解VOCs的方法一般有直接燃燒法、蓄熱式燃燒法、催化燃燒法等。其中，催化燃燒法的原理是通過使加熱至一定溫度的 VOCs廢氣與裝置內(nèi)的貴金屬催化劑進行接觸并發(fā)生催化氧化反應(yīng)，將有機物氧化生成無害的 CO2與H2O，達到除去VOCs目的的一種設(shè)備與工藝。

1 催化燃燒裝置介紹

催化燃燒裝置是一種通過氧化催化劑對加熱至一定溫度的廢氣催化氧化，使其生成無害的 CO2 與 H2O 的工藝設(shè)備。與傳統(tǒng)蓄熱燃燒、直燃式熱氧化爐相比，具有熱耗低、處理效率高（≥95%）的特點。常用的催化燃燒裝置根據(jù)氧化催化劑的最佳工作溫度（250~400 ℃），可實現(xiàn)低溫氧化廢氣中的 VOCs，并大大節(jié)省處理廢氣的運行成本。

1.1 催化燃燒裝置原理

催化燃燒裝置的結(jié)構(gòu)及處理流程如圖 1 所示。含 VOCs 廢氣進入裝置入口，經(jīng)過濾器過濾后進入換熱器室進行熱交換，再進入燃燒器室對廢氣進行預加熱（燃燒用氧氣為廢氣中所含有的空氣，也可通過旁路風閥補充空氣），待加熱至 350 ℃后由送風機將預熱氣體抽至催化劑室進行催化氧化。由于部分廢氣中含有硫、硅、磷等元素，會使貴金屬催化劑中毒，因此預加熱后的廢氣在進入催化劑室前需進行預處理。當處理后的廢氣進入催化劑室并與氧化催化劑接觸時，催化劑將廢氣中的 VOCs 氧化分解成CO2 和 H2O。處理后的無害氣體將被送入一次換熱器，與從入口來的廢氣進行熱交換，達到節(jié)約熱源的目的。風機采用耐高溫型號，放置于設(shè)備本體下游部分，目的在于使上游路徑形成負壓，防止氣體泄漏。裝置排氣口預設(shè)取樣孔，用于對處理后的廢氣進行成分檢測。

1.2 催化燃燒裝置安全性預防

由于催化燃燒裝置在燃燒室中采用明火對廢氣進行預熱，因此需考慮廢氣的相關(guān)安全措施：（1）廢氣中 VOCs 含量需控制在 LEL（爆炸下限）的 25%以下，以防止爆炸或火災(zāi)。（2）回火控制：為防止回火，在設(shè)計管道尺寸時應(yīng)使廢氣的最低流速始終大于回火速度，或在前期管道主路設(shè)置減壓閥，使進氣壓力始終高于下游氣體壓力。（3）其他安全措施：采用回火防止器、稀釋空氣等方法。（4）設(shè)置輕故障或重故障報警及安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)，當有回火情況發(fā)生時，蜂鳴器將發(fā)出警報指示。

1.3 催化燃燒裝置的優(yōu)缺點

催化燃燒廢氣處理技術(shù)是 20 世紀 40 年代末出現(xiàn)的。從 1949 年美國研制出世界上第一套催化燃燒裝置到現(xiàn)在，該技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于油漆、橡膠、塑料、樹脂、皮革、食品和鑄造等領(lǐng)域，也用于汽車尾氣凈化等方面。中國在 1973 年開始將催化燃燒法用于治理漆包線烘干爐排出的有機廢氣，隨后又在絕緣材料、印刷工業(yè)等方面進行了研究，使催化燃燒法得到了廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過多年來的發(fā)展與改良，催化燃燒裝置具有其特有的優(yōu)勢：（1） 可處理絕大多數(shù)VOCs 廢氣；（2）可將有機化合物氧化分解成無毒無害的 CO2 氣體與 H2O；（3）分解效率高達 95%以上，無需作后續(xù)處理；（4）可在低溫（200~400 ℃）下對 VOCs 進行分解，燃料消耗量低（節(jié)能）；（5）催化劑使用壽命長，可根據(jù)入口氣體的風量與 VOCs含量推斷催化劑的使用時間，且催化劑可進行再生利用；（6）設(shè)備內(nèi)為負壓結(jié)構(gòu)（風機設(shè)置在設(shè)備內(nèi)部下游），可有效防止臭氣滲漏；（7）具有高度安全性，能在低溫下進行反應(yīng)，無粉塵爆炸的危險；（8）處理效率在 99%以上（徹底除臭）。

催化燃燒裝置的缺點：（1）對于較大風量且低VOCs 質(zhì)量濃度廢氣而言，處理費用相對過高，可協(xié)同沸石滾輪濃縮設(shè)備進行廢氣濃縮后再作催化氧化處理；（2）用于處理 VOCs 的氧化用催化劑當遇見硫、磷、硅等物質(zhì)時會發(fā)生催化劑中毒現(xiàn)象，因此需要設(shè)置預處理步驟。

2 催化燃燒裝置應(yīng)用案例與效果分析

催化燃燒裝置采用催化劑對廢氣中的 VOCs 物質(zhì)進行催化氧化，并形成無毒無害的 CO2 與 H2O。由于其處理效率高及操作、維護方便，已在化工、制藥、食品等領(lǐng)域廣泛運用。

2.1 催化氧化裝置應(yīng)用實例

目前我國各省采用的 VOCs 測試標準主要為天津地標，即 DB 12/524—2014《工業(yè)企業(yè)揮發(fā)性有機物排放控制標準》，測試方法采用 HJ 734—2014《固定污染源廢氣揮發(fā)性有機物的測定 固相吸附 - 熱脫附 / 氣相色譜 - 質(zhì)譜法》；相比于先前通過非甲烷總烴（ＮＭHC）來對廢氣處理質(zhì)量進行評價，天津地標重點對苯、甲苯、二甲苯與 VOCs（24 項）指標進行測試。VOCs 測試方法 HJ 734—2014 中主要揮發(fā)性有機物的測試內(nèi)容為：丙酮、異丙醇、正己烷、乙酸乙酯、苯六甲基二硅氧烷、3- 戊酮、正庚烷、甲苯、環(huán)戊酮、乳酸乙酯、乙酸丁酯（醋酸丁酯）、丙二醇單甲醚乙酸酯 、乙苯、對 / 間二甲苯、 2- 庚酮、苯乙烯、鄰二甲苯、苯甲醚、苯甲醛、1- 癸烯、2- 壬酮、1- 十二烯等。

2.2 效果分析

根據(jù)對出口廢氣成分與質(zhì)量濃度的檢測得知，廢氣中的苯、甲苯、二甲苯及 VOCs24 項測試結(jié)果均符合標準要求（印刷行業(yè) 50 mg/m3 以下），催化燃燒裝置的 VOCs 處理效率高達 99.2%，滿足國家大氣污染治理相關(guān)文件中催化燃燒裝置處理效率大于95%的要求。

3 結(jié)語

催化燃燒裝置具有 VOCs 去除效率高、能耗低、自動化操作方便等特點，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)。目前在我國，相對于傳統(tǒng)吸附技術(shù)與生化技術(shù)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[4]。催化燃燒裝置適合處理中小風量（800~30 000 m3/h）廢氣，在風量較大、VOCs 質(zhì)量濃度過低的情況下，可采用上游安裝沸石轉(zhuǎn)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(xié)同方法進行處理。總體來說，催化燃燒裝置與工藝是一種經(jīng)濟方便的 VOCs 廢氣處理方式。