催化净化是典型的气固相催化反应，其实质是活性氧参与的深度氧化作用。在催化净化过程中，催化剂的作用是降低活化能，同时催化剂表面具有吸附作用，使反应物分子富集于表面提高了反应速率，加快了反应的进行。借助催化剂可使有机废气在较低的起燃温度条件下，发生无焰燃烧，并氧化分解为CO2和H2O，同时放出大大量热能，从而达到去除废气中的有害物的方法。
挥发性有机化合物（VOCs）废气处理用催化燃烧装置的结构与工作原理，并结合装置的应用实例来对催化燃烧设备进行分析与研究。根据现行相关大气标准的要求与实际工况，对催化燃烧装置在废气处理过程中所体现的优势与尚需改进之处进行了总结。
挥发性有机化物（VOCs）是指沸点在50~260℃之间，室温下饱和蒸汽压超过 133.3 Pa的易挥发性有机化合物，包括苯、甲苯、二甲苯等常规烃类化合物，硫氨有机化合物等[1]。有机废气容易与大气中的氮氧化物反应生成 O3 并形成光化学烟雾，会对人体健康产生有害影响，因此 VOCs 废气的处理受到了各国的高度重视，发达国家近年陆续颁布了相关的法令以限制 VOCs 的排放。
2017年VOCs的排放量已超过3100 万 t [2]，其来源主要有固定源与移动源2 种。移动源排放主要集中在汽车、轮船和飞机等以石油产品为燃料的交通工具的排放气。固定源的种类很多，主要为石油化工工艺过程和储存设备等的排出物及各种使用有机溶剂的场合，如喷漆、印刷、金属除油和脱脂、黏合剂、制药、塑料和橡胶加工等。全国各地对于 VOCs废气的排放有着严格的控制，陆续公布了最新的VOCs 排放标准。常规处理 VOCs 废气采用前端回收技术或后端氧化分解2种方式，前者采用物理方法，在一定温度与压力下，通过冷凝、吸收剂、吸附剂或具有选择性的膜对VOCs进行分离；而氧化分解技术则是通过生化法，利用光、热、催化剂或微生物对VOCs进行氧化分解，并生成CO2与H2O。氧化分解VOCs的方法一般有直接燃烧法、蓄热式燃烧法、催化燃烧法等。其中，催化燃烧法的原理是通过使加热至一定温度的 VOCs废气与装置内的贵金属催化剂进行接触并发生催化氧化反应，将有机物氧化生成无害的 CO2与H2O，达到除去VOCs目的的一种设备与工艺。
1 催化燃烧装置介绍
催化燃烧装置是一种通过氧化催化剂对加热至一定温度的废气催化氧化，使其生成无害的 CO2 与 H2O 的工艺设备。与传统蓄热燃烧、直燃式热氧化炉相比，具有热耗低、处理效率高（≥95%）的特点。常用的催化燃烧装置根据氧化催化剂的最佳工作温度（250~400 ℃），可实现低温氧化废气中的 VOCs，并大大节省处理废气的运行成本。
1.1 催化燃烧装置原理
催化燃烧装置的结构及处理流程如图 1 所示。含 VOCs 废气进入装置入口，经过滤器过滤后进入换热器室进行热交换，再进入燃烧器室对废气进行预加热（燃烧用氧气为废气中所含有的空气，也可通过旁路风阀补充空气），待加热至 350 ℃后由送风机将预热气体抽至催化剂室进行催化氧化。由于部分废气中含有硫、硅、磷等元素，会使贵金属催化剂中毒，因此预加热后的废气在进入催化剂室前需进行预处理。当处理后的废气进入催化剂室并与氧化催化剂接触时，催化剂将废气中的 VOCs 氧化分解成CO2 和 H2O。处理后的无害气体将被送入一次换热器，与从入口来的废气进行热交换，达到节约热源的目的。风机采用耐高温型号，放置于设备本体下游部分，目的在于使上游路径形成负压，防止气体泄漏。装置排气口预设取样孔，用于对处理后的废气进行成分检测。
1.2 催化燃烧装置安全性预防
由于催化燃烧装置在燃烧室中采用明火对废气进行预热，因此需考虑废气的相关安全措施：（1）废气中 VOCs 含量需控制在 LEL（爆炸下限）的 25%以下，以防止爆炸或火灾。（2）回火控制：为防止回火，在设计管道尺寸时应使废气的最低流速始终大于回火速度，或在前期管道主路设置减压阀，使进气压力始终高于下游气体压力。（3）其他安全措施：采用回火防止器、稀释空气等方法。（4）设置轻故障或重故障报警及安全联锁控制系统，当有回火情况发生时，蜂鸣器将发出警报指示。
1.3 催化燃烧装置的优缺点
催化燃烧废气处理技术是 20 世纪 40 年代末出现的。从 1949 年美国研制出世界上第一套催化燃烧装置到现在，该技术已广泛地应用于油漆、橡胶、塑料、树脂、皮革、食品和铸造等领域，也用于汽车尾气净化等方面。中国在 1973 年开始将催化燃烧法用于治理漆包线烘干炉排出的有机废气，随后又在绝缘材料、印刷工业等方面进行了研究，使催化燃烧法得到了广泛的应用。经过多年来的发展与改良，催化燃烧装置具有其特有的优势：（1） 可处理绝大多数VOCs 废气；（2）可将有机化合物氧化分解成无毒无害的 CO2 气体与 H2O；（3）分解效率高达 95%以上，无需作后续处理；（4）可在低温（200~400 ℃）下对 VOCs 进行分解，燃料消耗量低（节能）；（5）催化剂使用寿命长，可根据入口气体的风量与 VOCs含量推断催化剂的使用时间，且催化剂可进行再生利用；（6）设备内为负压结构（风机设置在设备内部下游），可有效防止臭气渗漏；（7）具有高度安全性，能在低温下进行反应，无粉尘爆炸的危险；（8）处理效率在 99%以上（彻底除臭）。
催化燃烧装置的缺点：（1）对于较大风量且低VOCs 质量浓度废气而言，处理费用相对过高，可协同沸石滚轮浓缩设备进行废气浓缩后再作催化氧化处理；（2）用于处理 VOCs 的氧化用催化剂当遇见硫、磷、硅等物质时会发生催化剂中毒现象，因此需要设置预处理步骤。
2 催化燃烧装置应用案例与效果分析
催化燃烧装置采用催化剂对废气中的 VOCs 物质进行催化氧化，并形成无毒无害的 CO2 与 H2O。由于其处理效率高及操作、维护方便，已在化工、制药、食品等领域广泛运用。
2.1 催化氧化装置应用实例
目前我国各省采用的 VOCs 测试标准主要为天津地标，即 DB 12/524—2014《工业企业挥发性有机物排放控制标准》，测试方法采用 HJ 734—2014《固定污染源废气挥发性有机物的测定 固相吸附 - 热脱附 / 气相色谱 - 质谱法》；相比于先前通过非甲烷总烃（ＮＭHC）来对废气处理质量进行评价，天津地标重点对苯、甲苯、二甲苯与 VOCs（24 项）指标进行测试。VOCs 测试方法 HJ 734—2014 中主要挥发性有机物的测试内容为：丙酮、异丙醇、正己烷、乙酸乙酯、苯六甲基二硅氧烷、3- 戊酮、正庚烷、甲苯、环戊酮、乳酸乙酯、乙酸丁酯（醋酸丁酯）、丙二醇单甲醚乙酸酯 、乙苯、对 / 间二甲苯、 2- 庚酮、苯乙烯、邻二甲苯、苯甲醚、苯甲醛、1- 癸烯、2- 壬酮、1- 十二烯等。
2.2 效果分析
根据对出口废气成分与质量浓度的检测得知，废气中的苯、甲苯、二甲苯及 VOCs24 项测试结果均符合标准要求（印刷行业 50 mg/m3 以下），催化燃烧装置的 VOCs 处理效率高达 99.2%，满足国家大气污染治理相关文件中催化燃烧装置处理效率大于95%的要求。
3 结语
催化燃烧装置具有 VOCs 去除效率高、能耗低、自动化操作方便等特点，现已被广泛应用于各种行业。目前在我国，相对于传统吸附技术与生化技术等VOCs 处理方法，催化燃烧工艺市场的占有率超过22%，其在国外市场占有率高达 29%，显示出其日益成熟并且被市场广泛接受的趋势[4]。催化燃烧装置适合处理中小风量（800~30 000 m3/h）废气，在风量较大、VOCs 质量浓度过低的情况下，可采用上游安装沸石转轮对气体进行浓缩，下游利用催化燃烧装置进行氧化处理的协同方法进行处理。总体来说，催化燃烧装置与工艺是一种经济方便的 VOCs 废气处理方式。
