簡介
揮發性有機物 (Volatile Organic Compounds,簡稱VOCs)是石油化工、制藥、印刷、噴漆、制鞋等行業排放廢氣中的主要污染物。該類有機物大多具有毒性并伴有惡臭 , 部分還可以致癌 , 且多數 VOCs 對臭氧層有破壞作用。傳統的有機廢氣凈化方法有吸附法、冷凝法和直接燃燒法等 , 但它們有易產生二次污染、能耗大、易受有機廢氣濃度和溫度限制的缺點。而新興的催化燃燒技術已由實驗階段走向工程實踐。
基本原理
催化燃燒是典型的氣-固相催化反應，其實質是活性氧參與深度氧化作用。在催化燃燒過程中，催化劑的作用是降低反應的活化能，同時使反應物分子富集于催化劑表面，以提高反應速率。借助催化劑可使有機廢氣在較低的起燃溫度條件下發生無焰燃燒，并氧化分解為CO2和H2O，同時放出大量熱。
特點
2.1 起燃溫度低，節省能源。
有機廢氣催化燃燒與直接燃燒相比，具有起燃溫度低、能耗低的顯著特點。在某些情況下，催化燃燒達到起燃溫度后便無需外界供熱。
2.2 適用范圍廣
催化燃燒幾乎可以處理所有的烴類有機廢氣及惡臭氣體。對于有機化工、涂料、絕緣材料等行業排放的低濃度、多成分、無回收價值的廢氣，采用吸附-催化燃燒法的處理效果更好。
2.3 處理效率高
用催化燃燒法處理有機廢氣的凈化率一般都在95%以上，終產物為無害的CO2和H2O （雜原子有機化合物還有其他燃燒產物），且由于燃燒溫度低，能大量減少NOX的生成，因此不會造成二次污染。
催化劑及催化燃燒動力學
3.1 催化劑種類
燃燒型催化劑的種類比較多，按活性成分大體可分為貴金屬催化劑、過渡金屬氧化物催化劑和復氧化物催化劑3大類。
3.1.1 貴金屬催化劑
Pt、Pd、Ru等貴金屬對烴類及其衍生物的氧化都具有很高的催化活性，且使用壽命長、適用范圍廣、易于回收，因而是常用的廢氣燃燒催化劑。如我國早采用的Pt2Al2O3催化劑就屬于此類催化劑。但由于其資源稀少、價格昂貴、耐中毒性差，因此，人們一直在努力尋找替代品，盡量減少其用量。
3.1.2 過渡金屬氧化物催化劑
作為貴金屬催化劑的取代品，氧化性較強的過渡金屬氧化物對CH4等烴類和CO的氧化都具有較高的催化活性，同時成本較低，常見的有MnOx、CoOx和CuOx等催化劑。大連理工大學研制的含MnO2催化劑，在一定條件下能消CH3OH蒸汽，對C2H4O、C3H6O、C6H6 蒸汽的清除也很有效果。
3.1.3 復氧化物催化劑
一般認為，復氧化物之間由于存在結構或電子調變等相互作用，其催化活性比相應的單一氧化物要高。復氧化物催化劑主要有以下兩大類。
工藝流程
根據廢氣的預熱方式及富集方式，催化燃燒工藝流程可分為 3 種。
(
1) 預熱式。預熱式是催化燃燒的基本流程形式。有機廢氣溫度在100℃以下、濃度也較低時，熱量不能自給，因此在進入反應器前需要在預熱室加熱升溫。通常采用煤氣或電加熱將廢氣升溫至催化反應所需的起燃溫度；燃燒凈化后的氣體在熱交換器內與未處理的廢氣進行熱交換，以回收部分熱量。
(2) 自身熱平衡式。有機廢氣溫度高且有機物含量較高，通常只需要在催化燃燒反應器中設置電加熱器供起燃時使用，通過熱交換器回收部分凈化氣體所產生的熱量，正常操作下能夠維持熱平衡，不需補充熱量。
(3) 吸附-催化燃燒。當有機廢氣的流量大、濃度低、溫度低 , 采用催化燃燒需消耗大量燃料時，可先采用吸附手段將有機廢氣吸附于吸附劑上進行濃縮，然后通過熱空氣吹掃，使有機廢氣脫附成為高濃度有機廢氣（可濃縮10倍以上）后再進行催化燃燒。不需要補充熱源就可維持正常運行。
有機廢氣催化燃燒工藝的選擇主要取決于：
燃燒過程的放熱量 , 即廢氣中可燃物的種類和濃度；
起燃溫度 , 即有機組分的性質及催化劑活性；
熱回收率等。當回收熱量超過預熱所需熱量時，可實現自身熱平衡，無需外界補充熱源，這是經濟的。
催化燃燒過程的熱平衡/催化燃燒
催化燃燒是放熱反應，放熱量的大小取決于有機物的種類及其含量。如能依靠廢氣燃燒的反應熱維持催化燃燒過程持續進行是經濟的操作方法。而能否以自熱維持體系的正常反應則取決于燃燒過程的放熱量、催化劑的起燃溫度、熱量回收率、廢氣的初始溫度等條件。
以含甲苯的廢氣凈化為例，設3種廢氣分別含甲苯8000mg/m3、4000mg/m、2000mg/m3,催化劑相應的起燃溫度分別為200℃、250℃、300℃ , 廢氣的初始溫度分別為30℃、 150℃，熱交換器效率與需補充能量之間的關系。
