燃煤电厂烟气中的VOCs治理技术研究进展

3催化燃烧技术

催化燃烧技术是借助催化剂使有机物废气在较低的起燃温度条件下进行无焰燃烧分解为二氧化碳和水蒸汽，并放出大量热能，用化学方程式表示如下：

由表2可见，与直接热力燃烧相比，催化燃烧具有起燃温度低、能耗小等显著特点，能够将一般热力燃烧不能处理的、浓度较低的VOCs进行充分燃烧，无需连续施加大量辅助热量，也没有在高温燃烧过程中产生NOx，是一种高效、环保的VOCs清洁处理技术。

从表3可以看出，与直接燃烧相比，催化燃烧的完全燃烧温度要低得多，其用于预热所消耗的功率仅约为直接燃烧的50%一60%，从而可以节约大量的能源。

在VOCs催化燃烧技术中，催化剂性能的优劣对燃烧效率和能耗有着决定性的影响，目前常用催化剂主要有贵金属催化剂和金属氧化物催化剂。其中，贵金属催化剂以其优异的催化活性以及低温下(<500oC)不易被硫、磷污染等特点在VOCs催化燃烧中得到广泛的应用和研究，Pt、Pd、Au和Rh是典型的贵金属催化剂旧3'川。贵金属催化剂虽然具有很多优点，但由于其价格昂贵、资源缺乏且容易中毒，因此，近年来开发低温高活性、高温稳定且抗中毒能力强的过渡金属氧化物催化剂成为研究的热点，如Cu、ce、Co、Cr和Mn等过渡金属氧化物。郭建光等旧5'36o利用浸渍法得到了三种过渡金属氧化物催化剂CuO/、/一A1203、CdO/1/一A1：03和NiO/、/一A1203，并分别进行了催化乙醇、丙酮和甲苯燃烧试验，研究发现这三种VOCs催化燃烧的起燃温度和完全燃烧温度都明显低于它们的燃点，其中CuO/，/一A1：O，催化剂的催化活性最优，它对乙醇、丙酮和甲苯的催化起燃温度分别为1800C、1900C和2300C。随后，又对超声场下制备得到的CuO/一、/一A1：O，催化剂与常规浸渍法制备得到的CuO/一、/一A1：O，催化剂进行了对比研究，并分别进行催化苯和甲苯燃烧试验，研究结果表明：超声场下制备得到的CuO/^y—A1：O，催化剂的活性明显高于普通浸渍法制备得到的CuO/3t—A120，催化剂的活性。

大量研究发现，在相同的负载量下，不同的载体对催化剂的活性影响明显。Liu等采用浸渍法制备MnOx/Ti02、MnOx/A1203、MnOx/Si02催化剂，对氯苯进行催化燃烧试验，研究发现NnOx/TiO：催化剂活性最高，通过TPR和XRD测试分析表明，其主要是由于活性组分MnOx在该催化剂上分散度最高所致。Yang等考察了SBA一15分子筛和MCM一41分子筛分别作为CuO载体催化苯燃烧的性能，研究表明活性组分CuO在载体SBA—15上的分散度比在载体MCM一41上的要大，从而使得前者催化苯燃烧的活性比后者要高。

由于单一金属氧化物催化剂无论从催化活性、抗中毒性以及热稳定性等方面都存在一定的缺陷与不足，因此，学者们通过对单一金属氧化物催化剂进行改性处理或添加助剂制备复合金属氧化物催化剂来提高催化剂的性能。Pan等旧纠采用H2改性处理后的CuO/'y—A1：O，催化剂来催化氧化苯乙烯，通过XRD、TPR和CO一化学吸附表征等手段发现，经过H：改性处理后，活性组分CuO的还原能力及其在载体上的分散度得到了提高，同时CuO的晶体颗粒尺寸也减小了，从而提高了该催化剂催化氧化苯乙烯的活性。黄海凤等Ⅲ1利用浸渍法制备了两种负载型的Mn/1一A120，和Cu—Mn/一、/一A1：O，复合氧化物催化剂，同时用共沉淀法制备了Cu—Mn—O复合氧化物催化剂，并考察这三种催化剂对苯、甲苯、二甲苯等挥发性有机化合物一59—环境科学导刊http：//hjkxdk.yies.org.cn第32卷第6期2013年12月VOCs的催化燃烧性能，研究发现cu—Mn/，、/一A1：O，复合金属氧化物催化剂具有最佳的低温催化活性，催化燃烧反应速率的排序为Cu—Mn/、/一A1203>Mn/，、/一A1203>Cu—Mn—O。郭建光等利用浸渍法研究CeO：改性得到了CuO/CeO：/沸石催化剂，并通过对乙醇、丙酮、苯和甲苯这四种VOCs气体进行催化燃烧来考察催化剂的催化活性，研究结果表明：使用CuO/CeO：/沸石作为催化剂时四种VOCs催化燃烧的起燃和完全燃烧温度都明显低于当使用CuO/沸石作为催化剂时四种VOCs催化燃烧的起燃和完全燃烧温度，这表明CuO/CeO：/沸石复合金属氧化物催化剂的活性明显高于CuO/沸石单一金属氧化物催化剂的活性，其原因是CeO，的添加有助于增强催化剂中Cu的还原性，促进了铜在表面的分布。Dur(m等。采用柠檬酸法合成了FeMn(Fe与Mn摩尔比为1：1、1：3和3：1)复合金属氧化物催化剂，并考察其催化甲苯燃烧的活性，实验研究发现该系列催化剂活性明显比单一金属氧化物(Fe：O，、Mn：O，)要高，其原因主要是由于在该类催化剂上有晶格缺陷的锰物种增加了对氧的吸附而引起。

总之，近年来过渡金属催化材料在催化VOCs燃烧的研究与应用已取得重大进展，然而，催化燃烧技术涉及VOCs种类性能分析、催化材料制备以及化工反应工艺等多方面，如在处理电厂烟气时，VOCs种类及含氯、含硫、水蒸气等会严重影响催化剂活性，因此，结合工业应用中的实际工艺条件以及反应机理，有针对性地提高过渡金属催化材料催化活性和高温稳定性以及制备相应的载体是今后催化体系的研究重点。

4生物技术

生物法VOCs净化技术是目前大气污染控制领域的研究热点，主要是利用附着生长在填料上的微生物新陈代谢过程，把污染物降解为CO：、H：O和s04一等无机物，并生成新的微生物细胞质Hn蚓。相比于冷凝法、吸附法、催化燃烧法、中和法和氧化法等传统物化法，生物法具有效果好、操作稳定、运行费用低、无二次污染等优势，特别适合处理大流量、低浓度的VOCs。而生物滴滤法是将高效化工反应应用装置中的填料塔和生物膜技术有机结合，充分利用填料塔所具备的气液接触面积大、高效对流传质等性能以及生物膜技术所具备的微生物密度高、净化反应速度快等特性来实现对VOCs的分解脱除，是受到国内外广泛关注的一种典型生物法净化技术。

由于在实际排放的VOCs中，苯系物的浓度高且往往占有较大比例，是一类主要的污染源，鉴于此，李国文等选择甲苯为VOCs代表来考察过滤塔生物降解性能，建立了滴滤塔降解VOCs理论模型，并进行实验研究。结果表明，在实验工况和挂膜条件下，生物滴滤塔对甲苯有较强的降解能力，当浓度低于2000mg/m3时，降解效率均达95%，这充分反映了生物过滤法处理低浓度甲苯废气是可行的。影响微生物降解VOCs效果的因素有很多，如底物VOCs特性、填料、温度和氧气等，其中微生物本身物性是生物法处理VOCs的关键因素。张鹤清等口u同时针对多种典型的苯系物在微生物中的降级性能进行了详细考察，研究结果表明：以甲苯驯化的污泥为菌种，可以有效降解邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯、苯和氯苯。孙丽欣等以污水处理厂活性污泥为菌种，在生物滴滤塔内接种挂膜，用油烟气进行驯化，实验结果表明：应用该方法形成的生物膜，对油烟废气有很好的去除效果，整个实验系统对油烟气的总去除效率可达91%以上。於建明等∞纠采用自主研制的新型复合生物滤塔耦合净化处理某制药厂含H：S和VOCs混合废气。研究结果表明，复合生物滤塔同时兼备了生物滴滤塔(BTF)和生物过滤塔(BF)的优点，在处理含H：S和VOCs混合废气时具有高效、节能、低耗等明显优势，最佳工况下VOCs平均去除率可高达83.6%。

从文献报道来看，生物滴滤塔是生物技术中的研究热点，也是当前VOCs治理领域的主流技术之一，其用于处理低浓度的VOCs应用较为成熟，但对于处理高浓度的VOCs而言还有待进一步深入研究。当前的研究方向应为探索生物降解机制，建立微生物降解动力学模型，选择最佳的运行参数及控制参数。且微生物作为影响生物滴滤塔运行效果的关键因素，研究者们需要开发适应性强、对多种污染物同时适用的高效多功能性的微生物菌落，此外，还须关注滴滤塔的堵塞、中间产物的二次污染、难溶性VOCs的适应等问题。

5结束语

近年来，为满足当今社会电力需求的Et益增长，燃煤电厂仍在全国各地大力兴建，然而其排放出的VOCs已成为我国主要大气污染物之一，随着排放标准和环保法规的逐渐严格与规范，控制这类污染已成为我国的一项义不容辞且刻不容缓的任务和挑战。不可否认，每种VOCs净化技术都有各自的特点或其它方法无法比拟的优势，但同时由于其适用范围、去除性能、投资运行费用等多方面因素，皆制约了单元处理技术的应用。目前，不同单元处理工艺组合技术的开发作为VOCs治理技术的新趋势，不仅能够提高去除效率，降低投资运行成本，减少中间产物的二次污染，还能够实现协同脱除多种污染物，在国内VOCs治理领域更具发展前途。

延伸阅读：

挥发性有机物(VOCs)吸附回收技术进展