VOCs 催化燃烧治理技术进展

浏览:101 发表时间:2020-08-17 14:13:26

VOCs 催化燃烧治理技术进展


      摘要:本文综述了我国VOCs 的种类、主要行业排放状况和国家相关政策法规制定情况,分别论述了VOCs治理技术的原理、优缺点以及研究进展,并着重介绍了最有发展前景的催化燃烧治理技术。其间阐述了催化燃烧技术中核心催化剂的类别、主要代表催化剂以及研究现状,并研究了VOCs 催化燃烧治理技术的发展方向和应用,同时分析了我国VOCs 治理技术发展模式。


关键词:挥发性有机化合物;VOCs 废气治理;催化燃烧


     挥发性有机化合物(VOCs)是指常温下饱和蒸气压大于70 Pa、常压下沸点在260℃以下的有机化合物的总称,能参与大气环境中臭氧和二次气溶胶的形成,是污染严重的化学物质。目前,VOCs 的污染问题日益严重,并逐步引起环保部门的重视。VOCs 的主要种类和代表物质作为PM2.5 和臭氧形成的重要前驱体,VOCs 已经逐渐引起重视,我国VOCs 相关政策标准亦日趋完善。我国从2011 年将VOCs 的污染防治列入“十二五”环保规划;2012 年,《重点区域大气污染防治“十二五”规划》首次提出减少VOCs 排放的目标,采取开展重点行业治理、完善防治体系等相关措施;2013 年,《挥发性有机物(VOCs)污染防治技术政策》开始实施,热力燃烧(RTO)和催化燃烧技术(RCO)为重点推荐技术;2015 年已基本建立起重点区域重点行业VOCs 污染防治体系,并期许到2020 年,实现VOCs从原料、工艺到产品的全过程减排。我国VOCs 主要排放行业工业源的排放量大约占总排放量的55.5%,主要集中在涂装、溶剂使用、化工、石化以及储运等行业;其次是移动源,排放量大约占21.5%;生活源排放量大约占19.6%;其他源排放量大约占3.4%。


一、 VOCs 治理技术综述

           国内外VOCs 污染控制方法主要有吸附吸收法、生物降解处理技术、分离技术、直接燃烧法和催化燃烧法等。在实际工程应用中,采用单一的治理方法并不能达到治理目的,往往采用多种治理技术组合实施。同时治理技术的选择要综合考虑到有机污染物的回收价值、污染物的性质以及排放方式等。


1.1 UV 紫外光解- 等离子法组合技术

            该方法广泛应用于小风量、低浓度、不含尘、干燥的常温VOCs 废气治理。原理是利用高能紫外线的光能和高压电极发射的等离子体,对有机物进行裂解和氧化,使其转化成无害化的物质。该技术应用时,VOCs 去除效率一般在60% ~ 70%;在设计过程中,可以根据废气种类,设计催化剂催化光解,能进一步提高去除效率至80% 左右。该技术具有投资低、使用寿命长、运行成本低等特点。


1.2 活性炭吸附法

       活性炭吸附法适用于小风量、低浓度、不含尘、干燥的常温VOCs 废气治理。原理是利用活性炭内部孔隙结构发达、比表面积大的特点,对各种有机物实现物理吸附。初期去除效率可达85%,随着时间的延长,去除效率下降,需要周期性更换活性炭。该技术投资最低,但是运行成本高。


1.3 直接燃烧法(RTO)

       直接燃烧法是适用性最广的治理技术,原则上所有VOCs 废气治理均可采用此技术。该技术原理是利用天然气燃烧,制造一个900℃以上的高温环境,利用有机物在高温条件下的可燃烧性,通过化学氧化反应将其净化。一般大风量、高浓度、废气性质能导致催化剂中毒的均采用此方法,该方法去除效率可达95%,无二次污染。缺点是固定投资非常高,运行能源费用非常高。


1.4 吸附浓缩- 催化燃烧组合技术

       催化燃烧法原理是利用催化剂使有机废气在较低的温度条件下充分燃烧,一般控制温度在300 ~ 350℃ 。相对于直接燃烧法处理技术的高温度和高天然气能源消耗,催化燃烧法具有起燃温度低、能耗少、处理效率高等显著优点,成为目前最有前景的VOCs 处理方法之一。吸附浓缩- 催化燃烧组合技术适用于大风量、低浓度、不含尘干燥的常温废气。原理是利用活性炭或沸石转轮等吸附材料对低浓度废气进行吸附,脱附后形成高浓度的废气,再通过催化燃烧法对废气进行催化燃烧降解。去除效率能稳定在90% 以上,整体运行费用低,不会造成二次污染。缺点是催化剂、吸附材料需要周期性更换。


二、催化燃烧技术催化剂研究进展

         VOCs 催化燃烧技术不同于直接燃烧法的800℃以上的高温环境,其核心催化剂的催化作用能在较低温度(300℃左右)分解有机化合物。VOCs 催化燃烧催化剂的研究主要集中在贵金属催化剂(Pt、Pd 和Au)和金属氧化物催化剂[9]。贵金属催化剂是应用最为广泛的催化剂,已成熟应用于各种工业处理VOCs排放中,具有活性高、起燃温度低、使用寿命长等特点。最重要的是,其催化过程中不产生中间产物,只生成CO2 和水,避免了二次污染。其中,Pd 催化剂是最成熟、工业应用最广泛的燃烧催化剂,目前市场上80% ~ 90% 的产品均为Pd 催化剂。为了降低贵金属的使用量,进而降低催化剂使用成本,人们可以选用金属氧化物载体,在载体上负载贵金属催化剂,催化剂载体的选择、负载贵金属的工艺、催化剂烧结工艺均是研究热点。除贵金属催化剂外,金属氧化物催化剂也是研究发展方向,可分为单一金属氧化物和金属复合氧化物。单一金属氧化物的催化性能均不太理想,Co、Cr、Mn、Cu、Ni、Mo、V、Ti 等金属氧化物均有催化活性[9-10]。复合金属氧化物较单一金属氧化物催化性能有了很大的提高,其中Co-Mn-Cu、Cu-Mn-O、V2O5、Ce-Mn-O 等氧化物是报道最多的过渡金属氧化物燃烧催化剂,主要特点为成本低、制备简单、具有较高活性,是现阶段国内外研究的热点。另外,贵金属掺杂非金属、稀土元素降低催化剂成本及提高催化活性或选择性等研究也是主流的研究方向。相关研究表明,在同类稀土钙钛矿型氧化物中,La0.8Sr0.2MnO3和La0.8Sr0.2CoO3 具有优良的性能,完全转化温度只有250℃。VOCs 催化剂同所有催化剂,催化剂活性成分需要负载在催化剂载体上。催化剂载体应具有发达的孔隙结构、较强的结构强度,根据不同的构造,骨架基体主要有蜂窝型、泡沫型和交叉流动型;根据载体材质,主要有陶瓷载体、金属载体和其他材料载体。陶瓷载体材料有青石、刚玉、等;金属载体有不锈钢、不锈钢合金、金属合金材料等;其他材料载体有碳(硅)纤维载体、金属丝网和金属泡沫冶金多孔材料等整体载体。


三、 结论

          国家要加大VOCs 废气治理和监管相关法律、法规、标准、规范的制定,为VOCs 废气治理提供政策和治理技术引导及支持。VOCs 重点企业、重点行业应统一规划,工业园集中设计,并根据产生污染的原料、生产工艺以及VOCs 排放特征不同,选用最佳的控制技术。VOCs 废气可以采取区域集中治理模式。依靠单一企业建设VOCs 废气回收、治理设施,固定投资太高,同时会造成重复投资建设,当前可以采取政府引导、第三方建设管理的模式,建立集中治理中心。企业只需要对VOCs 废气进行收集或者浓缩处理,再统一交予第三方单位集中处理。这样既能达到VOCs 治理的目的,又能减少企业的固定资产投资。该模式的实施需要政府部门的参与,统一协调,统一管理。国家应提倡建设VOCs 在线排放监测系统,加强环境政策引导与环境执法的结合。总之,提高清洁生产水平,从源头上减少VOCs的排放量,是解决VOCs排放的根本途径。


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