燃燒凈化法是利用工業(yè)廢氣中污染物可以燃燒氧化的特性，將其燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)害物質(zhì)的方法。該法的主要化學(xué)反應(yīng)是燃燒氧化，少數(shù)是熱反應(yīng)。用燃燒法處理工業(yè)廢氣的方法有如下幾種。

　　1.不需要輔助燃料，但需補(bǔ)充空氣才可維持燃燒的廢氣或塵霧

　　這種廢氣中可燃物成分超過(guò)爆炸上限，除非與空氣混合，這種物質(zhì)是非爆炸性的。采用這種系統(tǒng)，廢氣無(wú)回火之憂，即火焰不會(huì)通過(guò)廢氣管線往回傳播。

　　廢氣的燃燒需要充足的氧氣，才能保證燃燒反應(yīng)不斷地、充分地進(jìn)行下去。因此為保證這類(lèi)廢氣良好燃燒，充足的氧及與氧的良好混合是重要的，一般混合氣中的含氧量應(yīng)不低于15％。沒(méi)有充分燃燒的廢氣會(huì)產(chǎn)生—氧化碳或濃煙(未燃或未燃盡的碳粒)。

　　2 .既不需補(bǔ)充燃料又不需提供空氣便可維持燃燒的廢氣

　　這種廢氣處于可燃范圍之內(nèi)，易燃易爆，因而是極其危險(xiǎn)的，火焰能從著火點(diǎn)通過(guò)輸送廢氣的管道回火。因而，處理這類(lèi)廢氣，必須采取安全措施，防止回火。

　　由于上述兩種方法均無(wú)需輔助燃料，因而又稱為直接燃燒。

　　3. 不加輔助燃料就不能維持燃燒的工業(yè)廢氣或塵霧

　　這種廢氣中往往含有燃燒所需的足夠的空氣。這類(lèi)廢氣通常被稀釋到爆炸下限的25％以下后進(jìn)行焚燒。此類(lèi)燃燒又稱“熱力燃燒”。

　　4 .讓廢氣通過(guò)催化劑床層，使廢氣中可燃物發(fā)生氧化放熱反應(yīng)

　　這種采用催化劑使廢氣中可燃物在較低溫度下氧化分解的方法叫催化燃燒法。它所需要的輔助燃料僅為熱力燃燒的40％～60％。

　　1 .直接燃燒

　　直接燃燒又稱直接火焰燃燒，是用可燃有害廢氣當(dāng)作燃料來(lái)燃燒的方法。顯然，能采用直接燃燒法來(lái)處理的廢氣應(yīng)當(dāng)是可燃組分含量較高，或燃燒氧化放出熱量較高，能維持持續(xù)燃燒的氣體混合物，上述第1、2種屬于這種情況。

　　直接燃燒的設(shè)備可以是一般的爐、窯，也常采用火炬。例如煉油廠氧化瀝青生產(chǎn)的廢氣經(jīng)冷卻后，可送入生產(chǎn)用加熱爐直接燃燒凈化，并回收熱量．又如溶劑廠的甲醛尾氣經(jīng)吸收處理后，仍含有甲醛0.75g·m－3，氫17％一18％，甲烷0.04％，也可送入鍋爐直接燃燒。直接燃燒通常在1100℃以上進(jìn)行，燃燒完全的產(chǎn)物應(yīng)是二氧化碳、氮和水蒸氣等。

　　火炬是一種敞開(kāi)式的直接燃燒器，它適用于只需補(bǔ)充空氣、無(wú)需補(bǔ)充燃料的第一種工業(yè)廢氣。

　　火炬常常高出地面幾十公尺．由工廠各處排出的可燃廢氣匯于主管，經(jīng)分離器、阻火水封槽及其他阻火器后導(dǎo)入火炬頂部燃燒排放，頂部設(shè)有氣體分布裝置、火焰穩(wěn)定裝置以及采用普通燃料并借電火花點(diǎn)火的點(diǎn)火器，便于火炬頂部安全、穩(wěn)定、可靠地燃燒。

?

　　高空火炬燃燒所需空氣來(lái)自大氣。在可燃烴類(lèi)排入大氣的同時(shí)，依靠大氣湍流進(jìn)行可燃物與空氣的混合，因而混合往往不良，尤其是在刮大風(fēng)或廢氣中碳含量很高(C／H>33％)時(shí)，燃燒不完全，出現(xiàn)濃煙，需向火炬中噴入水蒸氣，以消除或減少黑煙。水蒸氣的作用之一是阻止長(zhǎng)鏈烴形成、抑制烴聚合(對(duì)不飽和烴的作用尤其顯著)，其次它能增加擾動(dòng)，促進(jìn)混合，有利用燃燒完全。水蒸氣的需要量可如下計(jì)算:

?

　　式中，ms—所需蒸汽質(zhì)量；mf—被燃燒燃料質(zhì)量；mun—在mf燃料中的不飽和烴質(zhì)量。

　　火炬燃燒法的優(yōu)點(diǎn)是安全，很少要從外部向系統(tǒng)供給能量，成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但它的最大缺點(diǎn)是資源不能回收，且往往由于燃燒不全造成大量污染物排向大氣，因而各煉油廠、石油化工廠提出要消滅火炬，設(shè)法將火炬氣用于生產(chǎn)，以回收熱值或返回生產(chǎn)系統(tǒng)作原料，只在廢氣流量過(guò)大、影響生產(chǎn)平衡時(shí)，自動(dòng)控制排入火炬燃燒排空。

　　廢氣中可燃物含量在爆炸范圍內(nèi)的氣體的直接燃燒，安全問(wèn)題是至關(guān)重要的。常采用空氣或惰性氣體將可燃物含量稀釋到爆炸下限以下，但矛盾的是，又需要供應(yīng)輔助燃料。

　　比較好的方法是用蒸汽噴射泵將廢氣引入焚燒爐，蒸汽噴射泵既可以幫助廢氣克服管道阻力，又可在點(diǎn)火燃燒處和廢氣發(fā)生源之間起阻火作用。在有些情況下，可以采用阻火水封槽，廢氣由管道進(jìn)入裝有一定高度水的密封槽，鼓泡向上穿過(guò)水層進(jìn)入上部蒸汽空間，再由引出管送至燃燒爐，水層可以起防止回火的阻火作用。但當(dāng)水封槽上部蒸汽具有足夠的容積時(shí)，爆炸也可能在此發(fā)生，或者在水封槽內(nèi)燃燒，放出足以將水蒸發(fā)的熱量。

　　另外，可在廢氣輸送管路上安裝各種形式的阻火器，它們通常由篩．網(wǎng)、孔板等串聯(lián)而成，萬(wàn)一發(fā)生回火時(shí)，它們能起到阻斷火焰的作用。但它的阻火能力取決于廢氣通過(guò)阻火器的速度，若這種速度高于火焰?zhèn)鞑ニ俣?，則起阻火作用，否則，火焰就會(huì)回至廢氣源，因而設(shè)計(jì)阻火器時(shí)，必須充分了解火焰?zhèn)鞑ニ俣?。但火焰?zhèn)鞑ニ俣纫驐l件(溫度、重度等)不同而有不同，所以阻火器有時(shí)不能起很好的阻火作用。

　　可見(jiàn)，防止回火的阻火手段有很多，但總有一些不足之處，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，常常是幾種方法一起用，起二次保護(hù)作用。

　　2 .熱力燃燒

　　經(jīng)常碰到的、采用燃燒法處理的工業(yè)廢氣，通常是可燃物含量低、不能維持燃燒的第三種氣體，用熱力燃燒法處理。

　　在熱力燃燒中，被處理的廢氣不是直接燃燒的燃料，而是作為助燃?xì)怏w(在廢氣含氧足夠多時(shí))或燃燒對(duì)象(廢氣含氧很低時(shí))。熱力燃燒主要依靠輔助燃料燃燒產(chǎn)生的熱力，提高廢氣的溫度，使廢氣中烴及其他污染物迅速氧化，轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)害的二氧化碳和水蒸氣(圖22.16)。

　　熱力燃燒爐由兩部分構(gòu)成，一是燃燒器，燃燒輔助燃料以產(chǎn)生高溫燃?xì)猓憾侨紵?，高溫燃?xì)馀c冷廢氣在此充分混合以達(dá)到反應(yīng)溫度，并提供足夠的停留時(shí)間氧化轉(zhuǎn)化廢氣中烴類(lèi)等污染物。顯然，要達(dá)到理想的凈化效果，“三T”條件：反應(yīng)溫度(Temperature)、停留時(shí)間(Time)，湍流(Turbulence)混合是重要的。

?

　　燃燒爐內(nèi)總停留時(shí)間及燃燒室體積可按下式估算：

?

　　式中， —燃燒爐內(nèi)總停留時(shí)間，s；VR—燃燒室體積，m3；Q標(biāo)—廢氣與高溫燃?xì)庠跇?biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（293K，1.013×1.5Pa）下的體積流量，m3?h-1；T—燃燒室反應(yīng)溫度，即銷(xiāo)毀溫度，K；

　　總停留時(shí)間包括冷的旁通廢氣與高溫燃?xì)饩鶆蚧旌汀⒕鶆蛏郎?、進(jìn)行氧化反應(yīng)和銷(xiāo)毀的全部時(shí)間，其中很大部分時(shí)間用于廢氣升溫。

　　表22.2列出了部分廢氣熱力燃燒溫度及停留時(shí)間。一般在工程設(shè)計(jì)時(shí)，可取760℃與0.5s，有霧滴與黑煙的燃燒凈化需提高溫度、增加停留時(shí)間。

　　表1廢氣燃燒凈化所需的溫度、時(shí)間條件

　　*如甲烷、溶纖劑[C2H5O(CH2)2OH]及甲苯、二甲苯等存在，則需760～820℃；**縷煙消除一般是不實(shí)用的，因?yàn)橥捎谘趸煌耆之a(chǎn)生臭味問(wèn)題。

　　(2)燃料消耗

　　熱力燃燒的燃料消耗，可由熱量衡算來(lái)求得。輔助燃料的消耗，輔助燃料的消耗，以滿足將全部廢氣升溫到反應(yīng)溫度(760一820℃)即可。

　　燃燒計(jì)算中，確定空氣—燃料比是很重要的。設(shè)質(zhì)量為W1的燃料需要空氣量為W2，則空氣與燃料之質(zhì)量比AF為：

　　式中，na—空氣(O2+N2)之物質(zhì)的量(摩爾)；Mf，nf—分別為燃料的相對(duì)分子質(zhì)量與物質(zhì)的量(摩爾)；

　　28.97—空氣的平均相對(duì)相對(duì)分子質(zhì)量。

　　若廢氣中可燃物熱值較大，計(jì)算燃料消耗時(shí)應(yīng)予考慮．燃燒爐與環(huán)境間有輻射與對(duì)流熱損失時(shí)，應(yīng)通過(guò)傳熱方程計(jì)算熱損失，或取經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)10％。

?

　　(3)熱力燃燒設(shè)備

　　前已述及，熱力燃燒爐包括燃燒器及燃燒室兩部分。按照燃燒器不同形式，可將燃燒爐分成配焰燃燒器系統(tǒng)與離焰燃燒器兩類(lèi)。

　　a. 配焰燃燒器系統(tǒng)

　　該系統(tǒng)如圖22.17示。配焰燃燒器根據(jù)“火焰接觸”的理論將燃燒分配成許多小火焰，

?

　　布點(diǎn)成線，使冷廢氣分別圍繞許多小火焰流過(guò)去．以達(dá)到迅速完全的湍流。

　　由于冷的廢氣流與高溫燃?xì)猓畯妮o助燃料的燃燒火焰處就開(kāi)始混合并分細(xì)分開(kāi)，有利于在短距離內(nèi)混合良好。故該系統(tǒng)混合時(shí)間短，可以留出較多時(shí)間用于燃燒反應(yīng)，燃燒反應(yīng)完全，凈化效率高。燃燒器火焰間距一般為30cm，燃燒室直徑為60~300cm。

　　配焰燃燒系統(tǒng)不適用于含氧低于16%，需補(bǔ)充空氣助燃的缺氧廢氣；另外，它僅適用于燃料氣供熱，不適用于燃料油供熱，并且不適用于含有焦油、顆粒物等易于沉積于燃燒器的廢氣治理。

　　為保證燃燒完全，燃燒室的尺寸要保證氣體足夠的停留時(shí)間(一般為0.3～0.5s)，適當(dāng)?shù)耐牧鞫?一般氣體建議達(dá)4.5～7.5m·s-1)，長(zhǎng)徑比取2—6。

　　b. 離焰燃燒器系統(tǒng)

　　該系統(tǒng)如圖22.18所示。燃料與助燃空氣(或廢氣)先通過(guò)燃燒器燃燒，產(chǎn)生高溫燃?xì)?，然后與冷廢氣在d0燒室內(nèi)混合，氧化銷(xiāo)毀。在該系統(tǒng)中，高溫燃?xì)獾漠a(chǎn)生與混合，是分開(kāi)進(jìn)行的。

　　由于沒(méi)有像配焰爐那樣將火焰與廢氣一起分成許多小股，高溫燃?xì)馀c冷廢氣的混合不如配焰爐好，橫向混合往往很差，可采用軸向火焰噴射混合、切向或徑向進(jìn)廢氣與燃料氣、在燃燒室內(nèi)設(shè)置擋板等改善措施。

　　燃燒室的長(zhǎng)度需保證足夠的停留時(shí)間(一船為0.5s)。離焰燃燒器可以燃燒氣，也可以燒油，可用廢氣助燃，也可用空氣助燃。火焰可大可小，容易調(diào)節(jié)，制作也較簡(jiǎn)單。

　　c .利用鍋爐燃燒室進(jìn)行熱力燃燒

　　由于大多數(shù)加熱爐或鍋爐燃燒室的溫度都超過(guò)1000℃，停留時(shí)間在0.5～3s，基本能滿足熱力燃燒的“三T”條件，因而利用工廠現(xiàn)有加熱爐或鍋爐燃燒室來(lái)銷(xiāo)毀廢氣，不失為一個(gè)好方法，國(guó)內(nèi)很多工廠采用。與熱力燃燒爐相比，利用鍋爐兼作燃燒凈化爐的優(yōu)點(diǎn)是：設(shè)備投資費(fèi)用大大減少，操作費(fèi)用、輔助燃料消耗均大為減少，無(wú)需再考慮熱量回收、利用的問(wèn)題，是一個(gè)經(jīng)濟(jì)而有效的方法。它的缺點(diǎn)是；如果廢氣流量過(guò)大，傳熱效率下降，鍋爐消耗的燃抖增加較多，且壓降增大；鍋爐的燃燒器、傳熱管可能會(huì)因廢氣不完全燃燒后的殘留物污染，增加維護(hù)費(fèi)用；若用蒸汽的時(shí)間與廢氣處理的時(shí)間不一致，則會(huì)造成浪費(fèi)。

　　3. 催化燃燒

　　催化燃燒是利用催化劑使廢氣中氣態(tài)污染物在較低的溫度（250～450℃）下氧化分解的方法。它的優(yōu)點(diǎn)是：（1）起燃溫度低，含烴類(lèi)物質(zhì)的廢氣在通過(guò)催化劑床層時(shí)，碳?xì)浞肿雍脱醴肿臃謩e被吸附在催化劑表面并被活化，因而能在較低溫度下迅速完成氧化分解成CO2和H2O，與直接燃燒法相比（其起始溫度為600～800℃），它的能耗要小得多，甚至在有些情況下，達(dá)到起燃溫度后，無(wú)需外界供熱，還能回收凈化后廢氣帶走得熱量；（2）催化燃燒可以適用于幾乎所有的含烴類(lèi)有機(jī)廢氣及惡臭氣體的治理，也就是說(shuō)它適用于濃度范圍廣、成分復(fù)雜的有機(jī)化工、家電等眾多行業(yè)；（3）基本上不會(huì)造成二次污染。

　　催化燃燒的主體設(shè)備是一裝有固體催化劑的反應(yīng)器，它具有換熱結(jié)構(gòu)，廢氣通過(guò)已達(dá)起燃溫度的催化床層，迅速發(fā)生氧化反應(yīng)。

　　(1)催化劑及載體

　　由于元素周期表中過(guò)渡族元素及第Ⅷ族元素中的貴金屬具有催化氧化的性能，它們及其氧化物常被用作催化燃燒催化劑的活性成分，例如釷、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鋅的氧化物及鉑、鈀、釕等。從目前國(guó)內(nèi)的實(shí)踐看，催化燃燒的催化劑可分為下列三類(lèi)。

　　貴金屬催化劑

　　鉑、鈀、釕等貴金屬有很高的催化活性，且易于回收，因而是最早使用的催化劑。但由于其資源稀少，價(jià)格昂貴，且中毒性差，人們一直力圖尋找替代品或減少它們的用量。

　　復(fù)合氧化物催化劑

　　復(fù)合氧化物催化劑是用銅、鉻、鈷、鎳、錳等非貴過(guò)渡族金屬氧化物作活性主要成分，降低了催化劑的成本。

　　稀土元素氧化物

　　稀土與過(guò)渡金屬氧化物在一定條件下可以形成具有天然鈣鈦礦型的復(fù)合氧化物，其通式為ABO3，其中A為離子半徑0.08～0.165nm的稀土元素陽(yáng)離子，B為離子半徑0．04～0．14nm的非鉑系金屬陽(yáng)離子

　　催化劑活性組分可用下列方式沉積在載體上：a電沉積在纏繞的或壓制的金屬載體上；b沉積在片，粒、柱狀陶瓷材料上；c沉積在蜂窩結(jié)構(gòu)的陶瓷材料上。

　　催化燃燒催化劑會(huì)發(fā)生中毒現(xiàn)象，導(dǎo)致中毒的原因有如下幾點(diǎn)：

　　a．使催化劑中毒的物質(zhì)作用這類(lèi)物質(zhì)可分兩類(lèi)：快速作用毒物(如磷、鉍、砷、銻、汞等)和慢速作用毒物(鋅、鉛和鎬)。一般來(lái)說(shuō)，催化劑中毒是由于毒物與活性組分化合或熔成合金。對(duì)快速作用毒物來(lái)說(shuō)，即使只有微量，也能使催化劑迅速失活。慢速作用毒物使活性物質(zhì)合金化的速度要慢得多，特別是在500℃以下。

　　b．抑制反應(yīng)的物質(zhì)作用這類(lèi)物質(zhì)基本上屬于覆蓋性毒物，例如鹵素和硫的化合物。這種中毒過(guò)程是可逆的、暫時(shí)的。當(dāng)廢氣中這類(lèi)物質(zhì)被除去后，催化劑的活性可以恢復(fù)，這是由于它們與活性中心的結(jié)合較松弛的原因。定期加熱催化劑到650℃左右，也可以從催化劑上驅(qū)除此類(lèi)物質(zhì)．

　　c．堵塞或沉積物覆蓋活性中心例如不飽和烴及不飽和物存在導(dǎo)致的碳沉積，陶瓷粉塵、鐵氧化物及其他顆粒性物質(zhì)堵塞活性中心，影響催化劑的吸附與解吸能力。通過(guò)定期清洗的辦法，可以使催化劑活性恢復(fù)到接近原有的水平，例如可以用過(guò)熱蒸汽進(jìn)行再生。

　　(2)催化燃燒工藝流程

　　根據(jù)廢氣的預(yù)熱及富集方式的不同，可分為如下3種。

　　a.預(yù)熱式

　　這是一種較普遍的基本流程形式，如圖22.19所示。當(dāng)從烘房排出的廢氣溫度較低(100℃

?

　　以下)。低于起始溫度，同時(shí)廢氣中有機(jī)物濃度也較低，熱量不能自給時(shí)，需要在進(jìn)入催化燃燒反應(yīng)器前在燃燒室(預(yù)熱段)加熱升溫，凈化后氣體在熱交換養(yǎng)內(nèi)與未處理廢氣進(jìn)行熱交換，以回收部分熱量。一般采用煤氣燃燒或電加熱升溫至起燃溫度。

　　b.自身熱平衡式

如圖22.20，若廢氣排出時(shí)溫度較高，在300℃左右，高于起始溫度，且含有機(jī)物較高，正常操作時(shí)能維持熱平衡，無(wú)需補(bǔ)充熱量，此時(shí)只需要在催化燃燒反應(yīng)器中設(shè)置電加熱器供起燃時(shí)使用，熱交換器可回收部分凈化后氣體的熱量。

　　c.吸附—催化燃燒

　　若廢氣的濃度很低、室溫、風(fēng)量很大，采用催化燃燒需耗大量燃料，能耗過(guò)高．這時(shí)先采用吸附手段將廢氣中有機(jī)物吸附于吸附劑上，通過(guò)熱空氣吹掃，使有機(jī)物脫附出來(lái)成為濃縮了的小風(fēng)量、高濃度含有機(jī)物廢氣(一般可濃縮l0倍以上)，再送去進(jìn)行催化燃燒，不需要補(bǔ)充熱源，就可維持正常運(yùn)行。

?

　　對(duì)于某一有機(jī)廢氣，究竟采用什么樣的流程主要取決于：①燃燒過(guò)程的放熱量，這取決于廢氣中可燃物的種類(lèi)和濃度；②催化劑的起燃溫度，取決于催化劑的活性，預(yù)熱回收率，這取決于熱交換器的效率；①?gòu)U氣的初始溫度，確定預(yù)熱到反應(yīng)溫度所需要提供的熱量。當(dāng)回收熱量超過(guò)預(yù)熱所需熱量時(shí)，可實(shí)現(xiàn)自身熱平衡運(yùn)轉(zhuǎn)，無(wú)需外界補(bǔ)充熱源。