工业废气的净化处理方法：燃烧净化法（一）

燃烧净化法是利用工业废气中污染物可以燃烧氧化的特性，将其燃烧转变为无害物质的方法。该法的主要化学反应是燃烧氧化，少数是热反应。用燃烧法处理工业废气的方法有如下几种。

1.不需要辅助燃料，但需补充空气才可维持燃烧的废气或尘雾

这种废气中可燃物成分超过爆炸上限，除非与空气混合，这种物质是非爆炸性的。采用这种系统，废气无回火之忧，即火焰不会通过废气管线往回传播。

废气的燃烧需要充足的氧气，才能保证燃烧反应不断地、充分地进行下去。因此为保证这类废气良好燃烧，充足的氧及与氧的良好混合是重要的，一般混合气中的含氧量应不低于15％。没有充分燃烧的废气会产生—氧化碳或浓烟(未燃或未燃尽的碳粒)。

2 .既不需补充燃料又不需提供空气便可维持燃烧的废气

这种废气处于可燃范围之内，易燃易爆，因而是极其危险的，火焰能从着火点通过输送废气的管道回火。因而，处理这类废气，必须采取安全措施，防止回火。

由于上述两种方法均无需辅助燃料，因而又称为直接燃烧。

3. 不加辅助燃料就不能维持燃烧的工业废气或尘雾

这种废气中往往含有燃烧所需的足够的空气。这类废气通常被稀释到爆炸下限的25％以下后进行焚烧。此类燃烧又称“热力燃烧”。

4 .让废气通过催化剂床层，使废气中可燃物发生氧化放热反应

这种采用催化剂使废气中可燃物在较低温度下氧化分解的方法叫催化燃烧法。它所需要的辅助燃料仅为热力燃烧的40％～60％。

1 .直接燃烧

直接燃烧又称直接火焰燃烧，是用可燃有害废气当作燃料来燃烧的方法。显然，能采用直接燃烧法来处理的废气应当是可燃组分含量较高，或燃烧氧化放出热量较高，能维持持续燃烧的气体混合物，上述第1、2种属于这种情况。

直接燃烧的设备可以是一般的炉、窑，也常采用火炬。例如炼油厂氧化沥青生产的废气经冷却后，可送入生产用加热炉直接燃烧净化，并回收热量．又如溶剂厂的甲醛尾气经吸收处理后，仍含有甲醛0.75g·m－3，氢17％一18％，甲烷0.04％，也可送入锅炉直接燃烧。直接燃烧通常在1100℃以上进行，燃烧完全的产物应是二氧化碳、氮和水蒸气等。

火炬是一种敞开式的直接燃烧器，它适用于只需补充空气、无需补充燃料的第一种工业废气。

火炬常常高出地面几十公尺．由工厂各处排出的可燃废气汇于主管，经分离器、阻火水封槽及其他阻火器后导入火炬顶部燃烧排放，顶部设有气体分布装置、火焰稳定装置以及采用普通燃料并借电火花点火的点火器，便于火炬顶部安全、稳定、可靠地燃烧。

高空火炬燃烧所需空气来自大气。在可燃烃类排入大气的同时，依靠大气湍流进行可燃物与空气的混合，因而混合往往不良，尤其是在刮大风或废气中碳含量很高(C／H>33％)时，燃烧不完全，出现浓烟，需向火炬中喷入水蒸气，以消除或减少黑烟。水蒸气的作用之一是阻止长链烃形成、抑制烃聚合(对不饱和烃的作用尤其显著)，其次它能增加扰动，促进混合，有利用燃烧完全。水蒸气的需要量可如下计算:

式中，ms—所需蒸汽质量；mf—被燃烧燃料质量；mun—在mf燃料中的不饱和烃质量。

火炬燃烧法的优点是安全，很少要从外部向系统供给能量，成本低，结构简单，但它的最大缺点是资源不能回收，且往往由于燃烧不全造成大量污染物排向大气，因而各炼油厂、石油化工厂提出要消灭火炬，设法将火炬气用于生产，以回收热值或返回生产系统作原料，只在废气流量过大、影响生产平衡时，自动控制排入火炬燃烧排空。

废气中可燃物含量在爆炸范围内的气体的直接燃烧，安全问题是至关重要的。常采用空气或惰性气体将可燃物含量稀释到爆炸下限以下，但矛盾的是，又需要供应辅助燃料。

比较好的方法是用蒸汽喷射泵将废气引入焚烧炉，蒸汽喷射泵既可以帮助废气克服管道阻力，又可在点火燃烧处和废气发生源之间起阻火作用。在有些情况下，可以采用阻火水封槽，废气由管道进入装有一定高度水的密封槽，鼓泡向上穿过水层进入上部蒸汽空间，再由引出管送至燃烧炉，水层可以起防止回火的阻火作用。但当水封槽上部蒸汽具有足够的容积时，爆炸也可能在此发生，或者在水封槽内燃烧，放出足以将水蒸发的热量。

另外，可在废气输送管路上安装各种形式的阻火器，它们通常由筛．网、孔板等串联而成，万一发生回火时，它们能起到阻断火焰的作用。但它的阻火能力取决于废气通过阻火器的速度，若这种速度高于火焰传播速度，则起阻火作用，否则，火焰就会回至废气源，因而设计阻火器时，必须充分了解火焰传播速度。但火焰传播速度因条件(温度、重度等)不同而有不同，所以阻火器有时不能起很好的阻火作用。

可见，防止回火的阻火手段有很多，但总有一些不足之处，实际应用时，常常是几种方法一起用，起二次保护作用。

2 .热力燃烧

经常碰到的、采用燃烧法处理的工业废气，通常是可燃物含量低、不能维持燃烧的第三种气体，用热力燃烧法处理。

在热力燃烧中，被处理的废气不是直接燃烧的燃料，而是作为助燃气体(在废气含氧足够多时)或燃烧对象(废气含氧很低时)。热力燃烧主要依靠辅助燃料燃烧产生的热力，提高废气的温度，使废气中烃及其他污染物迅速氧化，转变为无害的二氧化碳和水蒸气(图22.16)。

热力燃烧炉由两部分构成，一是燃烧器，燃烧辅助燃料以产生高温燃气：二是燃烧室，高温燃气与冷废气在此充分混合以达到反应温度，并提供足够的停留时间氧化转化废气中烃类等污染物。显然，要达到理想的净化效果，“三T”条件：反应温度(Temperature)、停留时间(Time)，湍流(Turbulence)混合是重要的。

(1)热力燃烧的“三T”条件为使废气中污染物充分氧化转化，达到理想的净化效果，除过量的氧外，还需要足够高的反应温度(一般760℃左右)及在此程度下足够长的停留时间(一般0.5s)。以及废气与氧很好的混合(高度湍流)。这“三T”条件是互相关联的，在一定范围内改善其中一个条件，可以使其他两个条件要求降低。例如，提高反应温度可以缩短停留时间，并可降低湍流混合的要求。其中，提高反应温度将多耗辅助蠕料，延长停留时间将增大燃烧设备尺寸，因而改进湍流混合是最为经济的。这是设计燃烧炉时要注意的重要方面。

燃烧炉内总停留时间及燃烧室体积可按下式估算：

式中， —燃烧炉内总停留时间，s；VR—燃烧室体积，m3；Q标—废气与高温燃气在标准状态（293K，1.013×1.5Pa）下的体积流量，m3•h-1；T—燃烧室反应温度，即销毁温度，K；[page]

总停留时间包括冷的旁通废气与高温燃气均匀混和、均匀升温、进行氧化反应和销毁的全部时间，其中很大部分时间用于废气升温。

表22.2列出了部分废气热力燃烧温度及停留时间。一般在工程设计时，可取760℃与0.5s，有雾滴与黑烟的燃烧净化需提高温度、增加停留时间。

表1废气燃烧净化所需的温度、时间条件

碳氢化合物（HC销毁90％以上）

碳氢化合物+CO(HC+CO销毁90％以上)

臭味

（销毁50％～90％）

（销毁90％～99％）

（销毁99％以上）

烟和缕烟白烟（雾滴）

（缕烟消除）

（HC+CO销毁90％以上）

黑烟（炭粒和可燃粒）

*如甲烷、溶纤剂[C2H5O(CH2)2OH]及甲苯、二甲苯等存在，则需760～820℃；**缕烟消除一般是不实用的，因为往往由于氧化不完全而又产生臭味问题。

(2)燃料消耗

热力燃烧的燃料消耗，可由热量衡算来求得。辅助燃料的消耗，辅助燃料的消耗，以满足将全部废气升温到反应温度(760一820℃)即可。

燃烧计算中，确定空气—燃料比是很重要的。设质量为W1的燃料需要空气量为W2，则空气与燃料之质量比AF为：

式中，na—空气(O2+N2)之物质的量(摩尔)；Mf，nf—分别为燃料的相对分子质量与物质的量(摩尔)；

28.97—空气的平均相对相对分子质量。

若废气中可燃物热值较大，计算燃料消耗时应予考虑．燃烧炉与环境间有辐射与对流热损失时，应通过传热方程计算热损失，或取经验数据10％。

(3)热力燃烧设备

前已述及，热力燃烧炉包括燃烧器及燃烧室两部分。按照燃烧器不同形式，可将燃烧炉分成配焰燃烧器系统与离焰燃烧器两类。

a. 配焰燃烧器系统

该系统如图22.17示。配焰燃烧器根据“火焰接触”的理论将燃烧分配成许多小火焰，

布点成线，使冷废气分别围绕许多小火焰流过去．以达到迅速完全的湍流。

由于冷的废气流与高温燃气．从辅助燃料的燃烧火焰处就开始混合并分细分开，有利于在短距离内混合良好。故该系统混合时间短，可以留出较多时间用于燃烧反应，燃烧反应完全，净化效率高。燃烧器火焰间距一般为30cm，燃烧室直径为60~300cm。

配焰燃烧系统不适用于含氧低于16%，需补充空气助燃的缺氧废气；另外，它仅适用于燃料气供热，不适用于燃料油供热，并且不适用于含有焦油、颗粒物等易于沉积于燃烧器的废气治理。

为保证燃烧完全，燃烧室的尺寸要保证气体足够的停留时间(一般为0.3～0.5s)，适当的湍流度(一般气体建议达4.5～7.5m·s-1)，长径比取2—6。

b. 离焰燃烧器系统

该系统如图22.18所示。燃料与助燃空气(或废气)先通过燃烧器燃烧，产生高温燃气，然后与冷废气在d0烧室内混合，氧化销毁。在该系统中，高温燃气的产生与混合，是分开进行的。

由于没有像配焰炉那样将火焰与废气一起分成许多小股，高温燃气与冷废气的混合不如配焰炉好，横向混合往往很差，可采用轴向火焰喷射混合、切向或径向进废气与燃料气、在燃烧室内设置挡板等改善措施。

燃烧室的长度需保证足够的停留时间(一船为0.5s)。离焰燃烧器可以燃烧气，也可以烧油，可用废气助燃，也可用空气助燃。火焰可大可小，容易调节，制作也较简单。

c .利用锅炉燃烧室进行热力燃烧

由于大多数加热炉或锅炉燃烧室的温度都超过1000℃，停留时间在0.5～3s，基本能满足热力燃烧的“三T”条件，因而利用工厂现有加热炉或锅炉燃烧室来销毁废气，不失为一个好方法，国内很多工厂采用。与热力燃烧炉相比，利用锅炉兼作燃烧净化炉的优点是：设备投资费用大大减少，操作费用、辅助燃料消耗均大为减少，无需再考虑热量回收、利用的问题，是一个经济而有效的方法。它的缺点是；如果废气流量过大，传热效率下降，锅炉消耗的燃抖增加较多，且压降增大；锅炉的燃烧器、传热管可能会因废气不完全燃烧后的残留物污染，增加维护费用；若用蒸汽的时间与废气处理的时间不一致，则会造成浪费。

3. 催化燃烧

催化燃烧是利用催化剂使废气中气态污染物在较低的温度（250～450℃）下氧化分解的方法。它的优点是：（1）起燃温度低，含烃类物质的废气在通过催化剂床层时，碳氢分子和氧分子分别被吸附在催化剂表面并被活化，因而能在较低温度下迅速完成氧化分解成CO2和H2O，与直接燃烧法相比（其起始温度为600～800℃），它的能耗要小得多，甚至在有些情况下，达到起燃温度后，无需外界供热，还能回收净化后废气带走得热量；（2）催化燃烧可以适用于几乎所有的含烃类有机废气及恶臭气体的治理，也就是说它适用于浓度范围广、成分复杂的有机化工、家电等众多行业；（3）基本上不会造成二次污染。

催化燃烧的主体设备是一装有固体催化剂的反应器，它具有换热结构，废气通过已达起燃温度的催化床层，迅速发生氧化反应。

(1)催化剂及载体

由于元素周期表中过渡族元素及第Ⅷ族元素中的贵金属具有催化氧化的性能，它们及其氧化物常被用作催化燃烧催化剂的活性成分，例如钍、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌的氧化物及铂、钯、钌等。从目前国内的实践看，催化燃烧的催化剂可分为下列三类。

贵金属催化剂

铂、钯、钌等贵金属有很高的催化活性，且易于回收，因而是最早使用的催化剂。但由于其资源稀少，价格昂贵，且中毒性差，人们一直力图寻找替代品或减少它们的用量。

复合氧化物催化剂

复合氧化物催化剂是用铜、铬、钴、镍、锰等非贵过渡族金属氧化物作活性主要成分，降低了催化剂的成本。

稀土元素氧化物

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，其通式为ABO3，其中A为离子半径0.08～0.165nm的稀土元素阳离子，B为离子半径0．04～0．14nm的非铂系金属阳离子

催化剂活性组分可用下列方式沉积在载体上：a电沉积在缠绕的或压制的金属载体上；b沉积在片，粒、柱状陶瓷材料上；c沉积在蜂窝结构的陶瓷材料上。

催化燃烧催化剂会发生中毒现象，导致中毒的原因有如下几点：[page]

a．使催化剂中毒的物质作用这类物质可分两类：快速作用毒物(如磷、铋、砷、锑、汞等)和慢速作用毒物(锌、铅和镐)。一般来说，催化剂中毒是由于毒物与活性组分化合或熔成合金。对快速作用毒物来说，即使只有微量，也能使催化剂迅速失活。慢速作用毒物使活性物质合金化的速度要慢得多，特别是在500℃以下。

b．抑制反应的物质作用这类物质基本上属于覆盖性毒物，例如卤素和硫的化合物。这种中毒过程是可逆的、暂时的。当废气中这类物质被除去后，催化剂的活性可以恢复，这是由于它们与活性中心的结合较松弛的原因。定期加热催化剂到650℃左右，也可以从催化剂上驱除此类物质．

c．堵塞或沉积物覆盖活性中心例如不饱和烃及不饱和物存在导致的碳沉积，陶瓷粉尘、铁氧化物及其他颗粒性物质堵塞活性中心，影响催化剂的吸附与解吸能力。通过定期清洗的办法，可以使催化剂活性恢复到接近原有的水平，例如可以用过热蒸汽进行再生。

(2)催化燃烧工艺流程

根据废气的预热及富集方式的不同，可分为如下3种。

a.预热式

这是一种较普遍的基本流程形式，如图22.19所示。当从烘房排出的废气温度较低(100℃

以下)。低于起始温度，同时废气中有机物浓度也较低，热量不能自给时，需要在进入催化燃烧反应器前在燃烧室(预热段)加热升温，净化后气体在热交换养内与未处理废气进行热交换，以回收部分热量。一般采用煤气燃烧或电加热升温至起燃温度。

b.自身热平衡式

如图22.20，若废气排出时温度较高，在300℃左右，高于起始温度，且含有机物较高，正常操作时能维持热平衡，无需补充热量，此时只需要在催化燃烧反应器中设置电加热器供起燃时使用，热交换器可回收部分净化后气体的热量。

c.吸附—催化燃烧

若废气的浓度很低、室温、风量很大，采用催化燃烧需耗大量燃料，能耗过高．这时先采用吸附手段将废气中有机物吸附于吸附剂上，通过热空气吹扫，使有机物脱附出来成为浓缩了的小风量、高浓度含有机物废气(一般可浓缩l0倍以上)，再送去进行催化燃烧，不需要补充热源，就可维持正常运行。

对于某一有机废气，究竟采用什么样的流程主要取决于：①燃烧过程的放热量，这取决于废气中可燃物的种类和浓度；②催化剂的起燃温度，取决于催化剂的活性，预热回收率，这取决于热交换器的效率；①废气的初始温度，确定预热到反应温度所需要提供的热量。当回收热量超过预热所需热量时，可实现自身热平衡运转，无需外界补充热源。