有害氣體的燃燒凈化第一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六2--第一節(jié)概述

將有毒有害氣體、蒸氣和煙塵用燃燒的方法進(jìn)行消除，稱為燃燒凈化技術(shù)。燃燒凈化具有以下三個持點：1.燃燒凈化法適用于對可燃物質(zhì)或在高溫下可進(jìn)行分解的物質(zhì)的處理；2燃燒凈化法燃燒或分解的最終產(chǎn)物是無毒無害的物質(zhì)；3.燃燒凈化法不能獲得原物質(zhì)的回收；4.在燃燒凈化中可以回收燃燒氧化過程中的熱量。工業(yè)上燃燒凈化法廣泛用于處理有機(jī)溶劑蒸氣、碳?xì)浠衔锛皭撼魵怏w的凈化處理，這些物質(zhì)在燃燒過程中被氧化成二氧化碳和水蒸氣，同時回收燃燒過程中的熱量。第二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六3--（1）直接燃燒（直接火焰燃燒）①概念：把廢氣中可燃的有害組分當(dāng)作燃料直接燃燒，從而達(dá)到凈化的目的。只適用于可燃有害組分濃度較高或燃燒熱值較高的氣體。即廢氣中的可燃物質(zhì)濃度較高，燃燒產(chǎn)生的熱量足以維持燃燒過程連續(xù)進(jìn)行時采用②特點：A不需要預(yù)熱B燃燒狀態(tài)是在高溫下滯留短時間的有火焰燃燒，能回收熱能C適用于凈化可燃組分濃度較高或燃燒熱值較高的氣體第三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六4--第四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六5--（2）熱力燃燒1）定義：利用輔助燃料燃燒放出的熱量將混合氣體加熱到要求的溫度，使可燃有害組分在高溫下分解成無害物，以達(dá)到凈化的目的2）燃燒過程①附加燃料首先和部分廢氣混合并進(jìn)行燃燒，產(chǎn)生高溫氣體②大部分廢氣則與附加燃料燃燒生成的高溫氣休混合，并使其達(dá)到反應(yīng)溫度③可燃污染物在高溫下與氧反應(yīng)，轉(zhuǎn)化成非污染物后排放。4）熱力燃燒的特點①需要進(jìn)行預(yù)熱，溫度范圍控制在540-820度，可以燒掉廢氣中的炭粒，氣態(tài)污染物最終被氧化分解為C02、H2O等。②燃燒狀態(tài)時在較高溫度下停留一定時間的有焰燃燒③適用于各種氣體的燃燒，能除去有機(jī)物及超細(xì)顆粒物④結(jié)構(gòu)簡單，占用空間小，維修費用低第五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六6--（3）催化燃燒利用催化劑使廢棄中可燃物質(zhì)在較低溫度下氧化分解的凈化方法。在催化劑的作用下，加快污染物質(zhì)的燃燒速度。1）流程①預(yù)處理：除去粉塵、液滴及有害組分，避免催化床層的堵塞和催化劑中毒；②預(yù)熱：進(jìn)入催化床層的氣體必須，達(dá)到起燃溫度③回收利用：催化放出大量的熱，燃燒尾氣溫度高，對這部分熱量必須加以回收利用2）特點①需預(yù)熱，溫度控制在200-400度，為無火焰燃燒，安全性好②燃燒溫度低，輔助燃料消耗少③對可燃性組分的濃度和熱值限制較少，但組分中不能含有塵粒、霧滴和易使催化劑中毒的氣體④催化劑費用高第六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六7--第七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六8--第八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六9--第二節(jié)熱力燃燒原理一、有關(guān)燃燒的幾個概念（一）燃燒與熱力燃燒燃燒反應(yīng)必須具有如下3個特征：(1)是一個劇烈的氧化還原反應(yīng)；(2)放出大量的熱；(3)發(fā)出光。燃燒的必要條件：

即可燃物：凡是能與空氣中的氧或其他氧化劑起燃燒化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)稱為可燃物。可燃物按其物理化學(xué)反應(yīng)狀態(tài)分為氣體可燃物、液體可燃物和固體可燃物三種類別。氧化劑：幫助和支持可燃物燃燒的物質(zhì)，即能與可燃物發(fā)生氧化反應(yīng)的物質(zhì)稱為氧化劑。燃燒過程中的氧化劑主要是空氣中游離的氧，另外如氟、氯等也可以作為燃燒反應(yīng)的氧化劑。

溫度（引火源）：是指供給可燃物與氧或助燃劑發(fā)生燃燒反應(yīng)能量來源。常見的是熱能，其它還有化學(xué)能、電能、機(jī)械能等轉(zhuǎn)變的熱能。第九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六10--燃燒的充分條件：但是，并不是上述三個條件同時存在，就一定會發(fā)生燃燒現(xiàn)象，還必須這三個因素相互作用才能發(fā)生燃燒。

1、可燃物與助燃物達(dá)到一定的比例；

2、助燃物達(dá)到達(dá)到一定的濃度；

3、超過最小的點火能或超過一定強(qiáng)度的升溫明火源；

4、滿足了燃燒所需要的燃燒誘導(dǎo)期。（二）混合氣體的燃燒與爆炸爆炸是大量能量在瞬間以對外做功的形式迅速釋放，物系狀態(tài)發(fā)生突變。表現(xiàn)為氣體的迅速膨脹。1）爆炸的特征：①爆炸過程進(jìn)行得很快；②爆炸點附近瞬間壓力急劇上升；③發(fā)出聲響；④周圍建筑物或裝置發(fā)生震動或遭到破壞。2）爆炸的破壞形式:①直接的爆炸破壞：對周圍設(shè)備、建筑和人的直接作用，它直接造成機(jī)械設(shè)備、裝置、容器和建筑的毀壞和人員傷亡；②沖擊波的破壞；③造成火災(zāi)。第十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六11--第十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六12--

爆炸分類爆炸可分為：物理爆炸、化學(xué)爆炸和核爆炸三大類。1、物理爆炸物理爆炸是物理過程，只發(fā)生物態(tài)變化，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。如鍋爐爆炸、輪胎爆炸等。2、化學(xué)爆炸化學(xué)爆炸是化學(xué)過程，爆炸前后物質(zhì)的化學(xué)組成及化學(xué)性質(zhì)都發(fā)生了變化?；瘜W(xué)爆炸可分為分解爆炸（簡單分解爆炸：不一定有燃燒發(fā)生；復(fù)雜分解爆炸：有燃燒發(fā)生）和爆炸性混合物爆炸（爆炸混合物至少由兩種組分組成）兩類。第十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六13--（三）爆炸極限濃度范圍可燃性氣體或蒸汽預(yù)先按一定比例與空氣的混合物，稱為爆炸性混合氣體。當(dāng)混合物中可燃?xì)怏w的含量接近化學(xué)當(dāng)量時，燃燒最快或最劇烈。可燃性氣體、蒸氣的爆炸極限一般用可燃?xì)怏w或蒸氣在混合氣體中的所占體積分?jǐn)?shù)來表示；可燃粉塵的爆炸極限是以在混合物中的質(zhì)量濃度(g／m3)來表示?？扇夹詺怏w的體積分?jǐn)?shù)及質(zhì)量濃度比在20℃時的換算公式如下：Y-有害氣體的質(zhì)量濃度，mg/m3M-有害氣體的摩爾質(zhì)量，g/molC-有害氣體的體積分?jǐn)?shù)，Ml/m3

第十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六14--第十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六15--[例1-1]

在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,10ML/m3的二氧化硫相當(dāng)于多少mg/m3?

Y=64/22.4×10=28.5mg/m3第十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六16--式中：L下——可燃性混合物爆炸下限，％；

L上——可燃性混合物爆炸上限，％；

N——每摩爾可燃?xì)怏w完全燃燒所需的氧原子數(shù)；

M——可燃?xì)怏w的摩爾質(zhì)量，g／mol；Vt——可燃?xì)怏w摩爾體積，L／mol。

根據(jù)完全燃燒反應(yīng)所需的氧原子數(shù)估算有機(jī)物的爆炸下限和上限，其經(jīng)驗公式如下。各種可燃?xì)怏w和燃性液體蒸氣的爆炸極限，可用專門儀器測定出來，或用經(jīng)驗公式估算。爆炸極限的估算值與實驗值一般有些出入，其原因是在計算式中只考慮到混合物的組成，而無法考慮其他一系列因素的影響，但仍不失去參考價值。第十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六17--[例4]試求乙烷在空氣中的爆炸濃度下限和上限。

寫出乙烷的燃燒反應(yīng)式：

2C2H6十7O2=4CO2十6H2O

第十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六18--用爆炸上限與下限濃度之差與爆炸下限濃度之比值表示其危險度H，即：

H

=

(L上—L下)/

L下

或

H

=

(Y上—Y下)/

Y下

例如，甲烷氣體的危險度為：

H

甲烷

=

(L甲烷上—L甲烷下)/

L甲烷下

=（15－4.9）/4.9

=

2.06

H

乙炔

=

(L乙炔上—L乙炔下)/

L乙炔下

=（80－2.55）/2.55

=

30.37

H值越大，表示可燃性混合物的爆炸極限范圍越寬，其爆炸危險性越大。

爆炸極限濃度范圍取決于有毒有害物質(zhì)的種類、混合氣體成分、溫度、壓力、燃點等因素，另外，其燃燒過程在一定程度上還取決于容器的形狀和混合氣體的流速等因素。第十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六19--1．初始溫度

混合氣著火前的初溫升高，會使分子的反應(yīng)活性增加，導(dǎo)致爆炸范圍擴(kuò)大，即爆炸下限降低，上限提高，從而增加了混合物的爆炸危險性。

2．初始壓力

增加混合氣體的初始壓力，通常會使上限顯著提高，爆炸范圍擴(kuò)大。增加壓力還能降低混合氣的自燃點，這樣使得混合氣在較低的著火溫度下能夠發(fā)生燃燒。原因在于，處在高壓下的氣體分子比較密集，濃度較大，這樣分子間傳熱和發(fā)生化學(xué)反應(yīng)比較容易，反應(yīng)速度加快，而散熱損失卻顯著減少。壓力對甲烷爆炸極限的影響。在已知的氣體中，只有CO的爆炸范圍是隨壓力增加而變窄的。

混合氣在減壓的情況下，爆炸范圍會隨之減小。壓力降到某一數(shù)值，上限與下限重合，這一壓力稱為臨界壓力。低于臨界壓力，混合氣則無燃燒爆炸的危險。在一些化工生產(chǎn)中，對爆炸危險性大的物料的生產(chǎn)、貯運往往采用在臨界壓力以下的條件進(jìn)行，如環(huán)氧乙烷的生產(chǎn)和貯運。

第十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六20--3．惰性氣體含量

爆炸性混合氣體中加入惰性氣體，如氮、氧、水蒸氣、二氧化碳、四氯化碳等，可以使可燃?xì)夥肿雍脱醴肿痈綦x，在它們之間形成一層不燃燒的屏障。這層屏障可以吸收能量，使游離基消失，鏈鎖反應(yīng)中斷，阻止火焰蔓延到其他可燃?xì)夥肿由先ィ种迫紵M(jìn)行，起到防火和滅火的作用。

混合氣體中增加惰性氣體含量，會使爆炸上限顯著降低，爆炸范圍縮小。惰性氣體增到一定濃度時，可使爆炸范圍為零，混合物不再燃燒。惰性氣體含量對上限的影響較之對下限的影響更為顯著的原因，是因為在爆炸上限時，混合氣中缺氧使可燃?xì)獠荒芡耆紵粼黾佣栊詺怏w含量，會使氧量更加不足，燃燒更不完全，由此導(dǎo)致爆炸上限急劇下降。

第二十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六21--4．爆炸容器對爆炸極限的影響爆炸容器的材料和尺寸對爆炸極限有影響，若容器材料的傳熱性好，管徑越細(xì)，火焰在其中越難傳播，爆炸極限范圍變小。當(dāng)容器直徑或火焰通道小到某一數(shù)值時，火焰就不能傳播下去，這一直徑稱為臨界直徑或最大滅火間距。如甲烷的臨界直徑為0.4～0.5mm，氫和乙炔為0.1～0.2mm.目前一般采用直徑為50mm的爆炸管或球形爆炸容器。5．點火源的影響

當(dāng)點火源的活化能量越大，加熱面積越大，作用時間越長，爆炸極限范圍也越大。一般情況下，爆炸極限均在較高的點火能量下測得，如測甲烷與空氣混合氣體的爆炸極限時，用10J以上的點火能量，其爆炸極限為5％～15％。但當(dāng)點火能源高到一定程度時，爆炸極限會趨于一個穩(wěn)定值，不再變寬。第二十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六22--6、火焰的傳播方向(點火位置)當(dāng)從下部點火，火焰垂直由下向上傳播時，爆炸下限值最小，上限值最大；當(dāng)從上部點火，火焰垂直由上向下傳播時，爆炸下限值最大，上限值最小；火焰水平傳播時，爆炸上下限值介于前兩者之間。7、含氧量當(dāng)混合氣中含氧量增加時，爆炸極限范圍變寬。增加氧含量使爆炸上限顯著增加，但對爆炸下限影響不大，由于空氣中含氧量為21%（體積百分?jǐn)?shù)），處于空氣中爆炸的下限時，其組分中氧含量已很高，也就是說處在下限濃度時，氧氣對燃?xì)馐沁^量的。增加氧含量對爆炸下限影響不大。第二十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六23--為了保證生產(chǎn)過程的安全性，應(yīng)用燃燒凈化技術(shù)時，應(yīng)盡量避開爆炸極限濃度范圍。若生產(chǎn)過程中有多種物質(zhì)與空氣混合時，其爆炸極限可計算。A混：幾種蒸汽與空氣混合后的爆炸極限Aa、Ab、Ac：每種組分的爆炸極限%A、b、c各組分在幾種蒸汽混合物中的含量%第二十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六24--例如：一天然氣組成如下：甲烷80%（L下=5.0%）、乙烷15%（L下=3.22%）、丙烷4%（L下=2.37%）、丁烷1%（L下=1.86%）求爆炸下限。

Am=100/（80/5+15/3.22+4/2.37+1/1.86）=4.369

第二十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六25--（四）火焰?zhèn)鞑ダ碚?.熱傳播理論

這類理論認(rèn)為：火焰?zhèn)鞑ナ且揽咳紵龝r所放出的熱量加熱周圍的氣體，使其達(dá)到燃燒所需要的溫度而實現(xiàn)的。即火焰正常傳播是依靠氣體分子熱運動的導(dǎo)熱方式將熱量從高溫的燃燒區(qū)(即火焰前沿)傳給與火焰臨近的低溫未燃?xì)怏w燃料，使未燃的新鮮氣體燃料的溫度提高到著火溫度而燃燒，燃燒的火焰就會一層層地傳播到整個容器因此，能否實現(xiàn)火焰?zhèn)鞑ブ饕c三個方面的因素有關(guān)：①混合氣體中的含氧量；②混合氣體中含有可燃組分的濃度；③輔助燃料燃燒過程中所放出的熱量。當(dāng)燃燒過程中放出的熱量不足以使周圍的氣體達(dá)到燃燒所需要的溫度，火焰自然不能向外傳播；當(dāng)助燃廢氣中的含氧量不足，燃燒過程難以進(jìn)行，火焰也不能傳播出去。2.自由基連鎖反應(yīng)理論該種理論認(rèn)為：在燃燒室中，火焰之所以能夠進(jìn)行很快的氧化反應(yīng)，就是因為火焰中存在著大量活性很大的自由基。由于自由基是具有不飽和價的自由原子或原子團(tuán)，極易同其他的原子或自由基發(fā)生連續(xù)的連鎖反應(yīng)，而使得火焰得以傳播。第二十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六26--第二十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六27--二、熱力燃燒機(jī)

（一）熱力燃燒機(jī)理

熱力燃燒的機(jī)理大致可以分為以下三個步驟。

(1)輔助燃料的燃燒——提高熱量；

(2)廢氣與高溫燃?xì)饣旌稀_(dá)到反應(yīng)溫度；

(3)廢氣中可燃組分氧化反應(yīng)——保證廢氣于反應(yīng)溫度時所需要的駐留時間。

具體的流程圖1所示。

在整個熱力燃燒的過程中，是否用廢氣作為助燃?xì)怏w，要視廢氣中的含氧量的多少而定，當(dāng)廢氣中的含氧量足夠燃燒過程中的需氧量時，可以使部分廢氣作為助燃?xì)怏w；當(dāng)不夠時，則應(yīng)以空氣作為助燃?xì)怏w，廢氣全部旁通。此外，輔助燃料用量的多少與廢氣的初始溫度有很大關(guān)系。如廢氣的初溫低，消耗的輔助燃料就多；初溫較高，消耗的輔助燃料就少。因此，在工程設(shè)計中，利用燃燒過程中產(chǎn)生的預(yù)熱廢氣可以節(jié)約大量的輔助燃料。

第二十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六28--第二十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六29--(二)熱力燃燒的“三T”條件

“三T”條件指的是反應(yīng)溫度(ReactionTemperature)、駐留時間(ResidentialTime)、湍流混合(TurbulenceMix)。掌握“三T”條件對于熱力燃燒的過程是至關(guān)重要的。

1．反應(yīng)溫度對熱力燃燒的影響

反應(yīng)溫度是指在所要求的反應(yīng)時間和湍流混合條件下，使有毒有害物質(zhì)完成氧化分解反應(yīng)的溫度。在足夠的反應(yīng)時間和湍流混合條件下，溫度升高會加速反應(yīng)的進(jìn)行。反應(yīng)溫度：不是反應(yīng)可以進(jìn)行的溫度是反應(yīng)速度可達(dá)到要求時的溫度。換言之：在一定的區(qū)域內(nèi)，可燃組分的銷毀達(dá)到設(shè)計要求所需要的溫度。

2．駐留時間對熱力燃燒的影響

駐留時間是指廢氣與高溫燃?xì)獾幕旌蠒r間，以及使冷廢氣溫度達(dá)到其反應(yīng)溫度所需的時間。駐留時間一般取燃燒室容積與混合氣體體積流量之比的平均值。燃燒爐的駐留時間第二十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六30--就燃燒反應(yīng)時間來說，其變化范圍在小于1/10s——幾s之間駐留時間充分，可以使有害氣體的銷毀更機(jī)充分。第三十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六31--3．湍流混合對于熱力燃燒的影響

湍流混合是指廢氣與空氣混合，以及廢氣與高溫燃?xì)獾幕旌铣潭取Ｍ牧骰旌系哪康?，實際上就是要增大可燃組分的分子與氧分子或自由基的碰撞機(jī)會，使其處于分子接觸的水平，以保證所要求的銷毀率。則取決于燃燒室的形狀、尺寸，以及燃燒器的型式和布置等。

“三T”條件之間是具有內(nèi)在聯(lián)系的，改變其中的任何一個條件，其他兩項都可以得到相應(yīng)的改變。如提高反應(yīng)溫度，使得反應(yīng)速度加快，就可以適當(dāng)?shù)亟档婉v留時間和湍流強(qiáng)度。然而，在這“三T”條件中，延長駐留時間會使設(shè)備體積增大；提高反應(yīng)溫度會使輔助燃料的消耗增加。因此，最經(jīng)濟(jì)的方法就是改善湍流混合情況，以增大分子接觸的機(jī)會。這就需要在設(shè)計燃燒室的時候充分注意其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。第三十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六32--圖3溫度和時間對可燃組分氧化速率的影響第三十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六33--三、熱力燃燒法的燃料消耗

熱力燃燒中所消耗的輔助燃料按照熱量衡算，只要滿足將全部廢氣升溫到反應(yīng)溫度（760-820℃）即可。廢氣中可燃組分的熱值可以減少上述衡算中的輔助燃料用量。如果廢氣中的可燃組分濃度高或者廢氣的初始溫度高，那么輔助燃料的用量也會減少。第三十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六34--

例1.設(shè)有廢氣以熱力燃燒法凈化，需從20度升溫到760度，用天然氣為輔助燃料，以廢氣助燃。使用80%過量的助燃廢氣。廢氣所含可燃組分的熱值忽略不計。含氧量與空氣一樣。試估算每凈化1000m3廢氣需用天然氣多少立方米？助燃廢氣與旁通廢氣各占百分比多少？

例2上例中設(shè)廢氣所含的可燃組分為酒精蒸汽10g/m3,而酒精熱值為29730kJ/kg,試估算每凈化1000m3廢氣所需的天然氣，以及助燃廢氣與旁通廢氣所占的百分比。第三十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六35--第三節(jié)熱力燃燒爐熱力燃燒爐的主體結(jié)構(gòu)分成兩部分：一是燃燒器，輔助燃料在其中燃燒，產(chǎn)生高溫燃?xì)猓欢侨紵?，高溫燃?xì)馀c冷廢氣在燃燒室湍流混合，達(dá)到反應(yīng)溫度并保持所需的駐留時間。針對不同的要求和火焰燃燒的情況，燃燒器和燃燒室有各種不同的結(jié)構(gòu)。一、配焰燃燒器系統(tǒng)圖4為配焰式燃燒器系統(tǒng)，其工藝特點是：燃燒器將火焰配布成為許多布點成線的小火焰，廢氣從火焰周圍流過去，迅速達(dá)到湍流混合。因此可以看出，該種燃燒有火焰分散、混合程度高、燃燒凈化效率高等特點。但當(dāng)廢氣貧氧，廢氣中含有易沉積的油焦或顆粒物。輔助燃料為油料時，這種系統(tǒng)都不適用。

圖4配焰燃燒器系統(tǒng)

第三十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六36--（一）結(jié)構(gòu)類型根據(jù)燃燒結(jié)構(gòu)的不同，該種形式的燃燒器又可分為火焰成線式燃燒器(見圖5)、多燒嘴式燃燒器(見圖6)和格柵式燃燒器(見圖7)。

圖5火焰成線式的燃燒器(帶側(cè)擋板)圖6多燒嘴式燃燒器系統(tǒng)圖7格柵式燃燒器第三十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六37--火焰成線式燃燒器的輔助燃料氣從下部管子引入，作為助燃?xì)怏w的廢氣從V形板側(cè)面的小孔引入，旁通廢氣從V形板與側(cè)擋板間的縫隙引入。這就是該種燃燒器的特點。當(dāng)壓力降為392．266Pa(40mmH2O)時，該種燃燒器形成的火焰短而穩(wěn)定，湍流混合程度較好。多燒嘴式燃燒器的輔助燃料氣從后面引入，廢氣分為兩路，助燃?xì)怏w和旁通氣體的量通過調(diào)節(jié)d的大小來控制。該種燃燒器的助燃較好，與火焰成線式相比，不易熄火。但湍流混合不夠理想。因此，在燃燒室中應(yīng)增設(shè)擋板或其他措施，提高混合程度。格柵式燃燒器的輔助燃料氣從底部分配管引入，廢氣從下部引入，該種燃燒器湍流混合較好，適用于廢氣流量較為穩(wěn)定的情況。但如壓力調(diào)節(jié)不當(dāng)，會發(fā)生熄火情況。第三十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六38--（二）設(shè)計問題針對配焰式燃燒器的結(jié)構(gòu)，其燃燒室要注意解決以下的問題。(1)燃燒器的安裝位置為保證溫度分布均勻，反應(yīng)完全，燃燒器應(yīng)安置在斷面流速盡可能分布均勻的端處，而不要放置在渦流地帶。(2)燃燒室截面積為保證足夠的湍流程度，應(yīng)滿足：矩形截面時：QD/A＞10.8圓形截面時：Q/D＞8.5式中Q——總體積流量；D——直徑或當(dāng)量直徑；A——截面積。(3)燃燒室內(nèi)設(shè)置擋板由于燃燒室的邊壁效應(yīng)或燃燒器的結(jié)構(gòu)形式，都有可能產(chǎn)生局部混合不好，為避免這種現(xiàn)象，應(yīng)在火焰沖擊范圍以外裝設(shè)擋板，以提高湍流混合的程度。表3-8反映了有無擋板之間的差別。第三十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六39--二、離焰式燃燒系統(tǒng)

圖8是一個離焰式燃燒系統(tǒng)裝置示意。這種燃燒系統(tǒng)的特點是高溫燃?xì)馀c廢氣的混合是分離開的，而不像配焰系統(tǒng)那樣將火焰與廢氣一起分成許多小股。所以，就混合效果來講，不如配焰系統(tǒng)。但是離焰式燃燒器又具有以下優(yōu)點：由于火焰較長，不易熄火，輔助燃料既可以使用燃料油，又可使用燃料氣(見圖9)，燃料氣與助燃?xì)怏w的流速可調(diào)幅度大，工作壓力范圍寬。

圖8使用離焰燃燒器的燃燒爐

圖9油氣兩用燃燒器

第三十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六40--因此，在克服離焰式燃燒系統(tǒng)混合問題上，出現(xiàn)許多方法。(1)在圖10中，燃燒過程中火焰噴射產(chǎn)生的抽力將廢氣引入，然后在聯(lián)管處充分混合，克服了混合速度慢的問題。(2)讓廢氣與火焰徑向進(jìn)入燃燒室，增強(qiáng)橫向混合速度，利用這一點改善混合情況。(3)在燃燒室內(nèi)設(shè)置擋板(見圖11)增加湍流強(qiáng)度，提高混合速度。但要注意正確放置擋板。否則不僅不能改善混合情況，還會造成死角，惡化混合情況，降低燃燒室的有效體積，減少駐留時間。

圖10軸向火焰的噴射混合

圖11燃燒室內(nèi)擋板的設(shè)置

第四十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六41--三、有關(guān)的工程設(shè)計問題（一）燃燒室形狀燃燒室不宜有90度或180度的拐彎（二）垂直燃燒爐火煙囪燃燒爐燃燒爐垂直安裝還是水平安裝，要看地點、面積、屋頂載重以及當(dāng)?shù)刈畲箫L(fēng)速等條件。（三）燃燒爐設(shè)計尺寸四、熱量回收利用1.熱量回收2.熱凈化氣回收利用3.向廢熱利用設(shè)備供熱第四十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六

例題設(shè)有一個熱力燃燒爐，用于處理凹版印刷車間排出的含甲苯廢氣。廢氣含甲苯500mg/m3,但甲苯組分的燃燒熱、升溫及比熱均忽略不計，廢氣的有關(guān)物理參數(shù)按空氣計算。廢氣排出量為1500m3/h，排出溫度20℃燃燒爐使用天然氣，以廢氣助燃。有關(guān)的空氣及燃料氣的特性參數(shù)見表3-4，3-5，3-6。試計算燃燒爐的設(shè)計尺寸。42--第四十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六43--五、利用鍋爐燃燒室進(jìn)行熱力燃燒鍋爐作用燃燒凈化爐與熱力燃燒爐比較，其優(yōu)點是：1.不需要大量設(shè)備投資；2.鍋爐起到供氣與凈化廢氣雙重作用；3.對于廢氣凈化，不再需要輔助燃料或只需少量燃料；4.操作維護(hù)費用也只有一份5.少數(shù)情況下如果廢氣有較大熱值，還可節(jié)約燃料；其缺點是：1.如果廢氣流量相對較大，則鍋爐所耗燃料將增加，壓力增大；2.可能因鍋爐的燃燒器、管子結(jié)垢，而增加維護(hù)費用；3.為凈化廢氣，無論蒸汽需用情況如何，鍋爐都需適當(dāng)?shù)臒?.一般應(yīng)有幾臺鍋爐，其中一臺備用；第四十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六44--第四節(jié)催化燃燒原理

有機(jī)廢氣是石油化工、輕工、塑料、印刷、涂料等行業(yè)排放的常見污染物，有機(jī)廢氣中常含有烴類化合物（芳烴、烷烴、烯烴）、含氧有機(jī)化合物（醇、酮、有機(jī)酸等）、含氮、硫、鹵素及含磷有機(jī)化合物等。如對這些廢氣不加處理，直接排入大氣將會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，危害人體健康。傳統(tǒng)的有機(jī)廢氣凈化方法包括吸附法、冷凝法和直接燃燒法等，這些方法常有易產(chǎn)生二次污染、能耗大、易受有機(jī)廢氣濃度和溫度限制等缺點。而新興的催化燃燒技術(shù)已由實驗階段走向工程實踐，并逐漸應(yīng)用于石油化工、農(nóng)藥、印刷、涂料、電線加工等行業(yè)。第四十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六45--催化燃燒的基本原理 催化燃燒是典型的氣-固相催化反應(yīng)，其實質(zhì)是活性氧參與的深度氧化作用。在催化燃燒過程中，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(jìn)行。借助催化劑可使有機(jī)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，同時放出大量熱能，其反應(yīng)過程為：第四十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六46--

催化燃燒是用催化劑使廢氣中可燃物質(zhì)在較低溫度下氧化分解的凈化方法。所以，催化燃燒又稱為催化化學(xué)轉(zhuǎn)化。使廢氣中的污染物轉(zhuǎn)化成無害物，甚至是有用的副產(chǎn)品，或者轉(zhuǎn)化成更容易從氣流中分離而被去除的物質(zhì)。由于催化劑加速了氧化分解的歷程，大多數(shù)碳?xì)浠衔镌?00一450℃的溫度時，通過催化劑就可以氧化完全。因此，與熱力燃燒法相比，催化燃燒法所需的輔助燃料少，能量消耗低，設(shè)備設(shè)施的體積小。環(huán)保催化劑的一般要求1.極高的凈化效率催化劑具有高活性（使反應(yīng)物轉(zhuǎn)化的能力）。2.處理量大3.抗毒能力強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性高、選擇性好4.高強(qiáng)度、高穩(wěn)定性；5.凈化設(shè)備結(jié)垢簡單、投資低；6.要求不產(chǎn)生二次污染第四十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六47--一個工業(yè)催化過程一般包括催化劑的選擇、催化操作條件的選擇和催化反應(yīng)器的選擇及設(shè)計三個步驟。一、催化劑 1、催化劑的主要性能指標(biāo):活性、選擇性、穩(wěn)定性①催化劑活性

第四十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六48--②催化劑的選擇性③催化劑的穩(wěn)定性催化劑在化學(xué)反應(yīng)過程中保持活性的能力，包括熱穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性第四十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六49--

2、催化劑的組成及種類催化劑通常由主活性成分、助催化劑和載體組成①主活性物質(zhì)。能單獨對化學(xué)反應(yīng)起催化作用。②助催化劑；本身沒有什么催化性能，但它的少量加入能明顯提高主活性物質(zhì)的催化性能。③載體。用以承載主活性物質(zhì)和助催化劑，它的基本作用在于提供大的比表面積以節(jié)約主活性物質(zhì)，并改善催化劑的傳熱、抗熱沖擊和機(jī)械沖擊等物理性能。 目前催化劑的種類已相當(dāng)多，按活性成分大體可分3類。 （1）貴金屬催化劑

第四十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六鉑、鈀、釕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，因而是最常用的廢氣燃燒催化劑。如我國最早采用的Pt-Al2O3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，人們一直努力尋找替代品（2）過渡金屬氫化物催化劑 作為取代貴金屬催化劑，采用氧化性較強(qiáng)的過渡金屬氧化物，對甲烷等烴類和一氧化碳亦具有較高的活性，同時降低了催化劑的成本，常見的有MnOx、CoOx和CuOx等催化劑。大連理工大學(xué)研制的含MnO2催化劑，在130℃及空速13000h-1的條件下能消除甲醇蒸氣，對乙醛、丙酮、苯蒸氣的清除也很有效果50--第五十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六51--（3）復(fù)氧化物催化劑 一般認(rèn)為，復(fù)氧化物之間由于存在結(jié)構(gòu)或電子調(diào)變等相互作用，活性比相應(yīng)的單一氧化物要高。主要有以下兩大類：

I鈣鈦礦型復(fù)氧化物 稀土與過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，通式為ABO3，其活性明顯優(yōu)于相應(yīng)的單一氧化物。結(jié)構(gòu)中一般A為四面體型結(jié)構(gòu)，B為八面體形結(jié)構(gòu)，這樣A和B形成交替立體結(jié)構(gòu)，易于取代而產(chǎn)生品格缺陷，即催化活性中心位，表面晶格氧提供高活性的氧化中心，從而實現(xiàn)深度氧化反應(yīng)。常見的有幾類如：BaCuO2、LaMnO3等。

II尖晶石型復(fù)氧化物 作為復(fù)氧化物重要的一種結(jié)構(gòu)類型，以AB2X4表示.尖晶石亦具有優(yōu)良的深度氧化催化活性，如對CO的催化燃燒起燃點落在低溫區(qū)（約80℃），對烴類亦在低溫區(qū)可實現(xiàn)完全氧化.其中研究最為活躍的CuMn2O4尖晶石，對芳烴的活性尤為出色，如使甲苯完全燃燒只需260℃，實現(xiàn)低溫催化燃燒，具有特別實際意義。第五十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六52--

3、催化劑負(fù)載方式 催化劑活性組分可通過下列方式沉積在載體上：(1)電沉積在纏繞或壓制的金屬載體上；(2)沉積在顆粒狀陶瓷材料上；(3)沉積在蜂窩結(jié)構(gòu)的陶瓷材料上。 金屬載體催化劑一般是將金屬制成絲網(wǎng)或帶狀，然后將活性組分沉積在其上。金屬載體催化劑的優(yōu)點是導(dǎo)熱性能好、機(jī)械強(qiáng)度高，缺點是比表面積較小。陶瓷載體結(jié)構(gòu)有顆粒狀及蜂窩狀兩大類，陶瓷材料通常為硅-鋁氧化物。顆粒狀載體的優(yōu)點是比表面積大，缺點是壓降大以及因載體間相互摩擦，造成活性組分磨耗損失。蜂窩載體是比較理想的載體型式，具有很高的比表面，壓力降較片粒柱狀低，機(jī)械強(qiáng)度大，耐磨、耐熱沖擊。第五十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六53--第五十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六54--二、催化燃燒原理（一）催化燃燒原理（二）催化氧化的轉(zhuǎn)化率與駐留時間1、催化氧化的轉(zhuǎn)化率實驗表明，催化劑床層中任何一點的氧化反應(yīng)均為一級反應(yīng)，即該點的氧化速率與該點濃度成正比。以微分式表示：第五十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六55--第五十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六56--如果經(jīng)過預(yù)熱后的廢氣含氧量超過可燃組分所需的2%以上，則氧化速率不依賴于廢氣中氧的濃度。氧化轉(zhuǎn)化率有兩個因素的乘積所決定：一是廢氣通過催化劑床層的駐留時間；二是氧化過程的有效速率系數(shù)K效2、駐留時間在催化劑研究中，稱為駐留時間或接觸時間，指反應(yīng)氣體通過催化劑床層中自由空間所需的時間。接觸時間越短，表示同樣體積的催化劑處理的廢氣越多，所以它是表示催化劑處理能力的參數(shù)之一，第五十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六57--SV稱為空間速度。通常以單位體積催化劑、每小時通過的氣體體積（換算至標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）計算，SV=廢氣的體積流量，m3/h空間速度值越高，表示催化劑的處理能力越大。線速度指反應(yīng)氣體在反應(yīng)條件下通過催化劑床層自由截面積的速率，線速度=催化劑體積，m3反應(yīng)條件下氣流的體積流速，m3/s床層截面積×空隙率，m2第五十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期六58--(三）有效速率常數(shù)K效的經(jīng)驗數(shù)據(jù)1.催化過程機(jī)理氣固相催化反應(yīng)的過程分為以下七個步驟：①反應(yīng)物從氣流主體向催化劑外表面擴(kuò)散(外擴(kuò)散過程)②反應(yīng)物由催化劑外表面沿微孔方向向催化劑內(nèi)部擴(kuò)散(內(nèi)擴(kuò)散過程)；③反應(yīng)物在催化劑的表面上被吸附(吸附過程)；④吸附的反應(yīng)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化成反應(yīng)生成物(表面反應(yīng)過程)；⑤反應(yīng)生成物從催化劑表面上脫附(脫附過程)：⑥脫附的生成物從微孔向外擴(kuò)散到催化劑的外表面處(內(nèi)擴(kuò)散過程)；⑦生成物從催化劑外表面擴(kuò)散到主氣流中被帶走(外擴(kuò)散過程)。第五十八頁，共六