1 非催化燃燒法的研究進展

1.1 直接燃燒法

直接燃燒法是指將VOCs作為燃料或者助燃輔料在焚燒爐中進行燃燒的方法。該方法適用于處理高濃度、高熱值并且無回收利用價值的VOCs廢氣；對于低濃度的VOCs 廢氣往往需要先進行吸附濃縮處理后再燃燒，或者通過添加輔助燃料來提高廢氣的熱值進行燃燒，此方法主要受VOCs 廢氣組分和濃度的限制后，發現其濃度偏低（800mg/m3），但組分易燃，并且不含N、S 等元素。所以采用燃燒法將VOCs 廢氣與氫氣混合后燃燒，終生成CO2 和H2O，不產生二次污染，其中作為輔助燃料的氫氣是來自于廠內的氨分解爐，大大減少了直接燃燒法的運行成本。

燃燒溫度、在燃燒室內的滯留時間和湍流混合程度通常被認為是影響VOCs 分解消除效率（DRE）的主要因素。
燃燒室內的溫度通常在700～1000℃之間，這樣含碳有機物才能被燃燒氧化為CO2。但KHAN 等[13]研究發現當運行溫度接近1000℃時，燃燒產物中容易產生氮氧化物和二英，此時一些鹵代化合物也會被轉化為相應的氧化物，造成了二次污染。另外維持高溫需要非常昂貴的耐高溫材料，并且當VOCs廢氣濃度較低時，還需要通入輔助燃料來提供維持燃燒的熱量，會使得處理VOCs 的成本增加。
VOCs在燃燒室中滯留的時間一般是0.3～1s，這個時間是基于其DRE，然后根據燃燒室的體積與VOCs 氣體流速的關系計算出的。當滯留時間太長時，燃燒產生的熱量將無法維持氣體繼續燃燒，容易產生熄火；當滯留時間太短時，會導致VOCs 氣體不能燃燒分解。像自燃溫度為562.2℃的苯，在732.8℃的燃燒室中停留1s，其DRE 為99.99%，幾乎可以認為被燃燒分解；乙烷、甲苯、氯乙烯在這個溫度附近也會有相同的DRE，而
甲烷達到這個效果則需要將燃燒溫度提高到840.6℃。所以處理不同組分的VOCs 需要不同的燃燒溫度和滯留時間。
VOCs氣體的濃度對燃燒有著重要的影響，對于高濃度的VOCs 必須與空氣進行充分地混合后才能燃燒。RUDDY 等[16]研究發現，當VOCs 濃度超過其爆炸下限（LEL）25%時，就會有潛在的爆炸危險。但VOCs濃度過低時則需要更高的燃燒溫度，增加了處理氣體的成本。通常會根據不同濃度和組分的VOCs 選擇合適的空氣混合比例。
對于燃燒后余熱的利用也是當今研究的熱點：一種做法是通過蓄熱體收集余熱來預熱進入燃燒室的VOCs 氣體，此方法可使余熱利用率高達95%，提高了經濟效益，這種方法逐漸發展為蓄熱式燃燒法；另一種方法是通過換熱器將熱量傳遞到其他設備進行利用。賈海亮等提出在印刷企業利用直機組相結合，利用煙氣余熱來加熱制冷機組的溴化鋰稀溶液，降低了企業的能耗。

1.2 蓄熱式熱力燃燒法

 蓄熱式熱力燃燒法（ regenerative thermaloxidizer，RTO）的系統主體結構由燃燒室、蓄熱室和切換閥等組成，RTO 系統可以采用一室（蓄熱室）、雙室或者多室系統，目前工業上多采用雙室RTO 系統。其原理是將燃燒后產生的高溫余熱儲存在蓄熱室內，通過切換閥，利用燃燒室前的蓄熱室預熱VOCs 廢氣，在少量輔助燃料下進行燃燒，系統原理如圖1 所示。與直接燃燒法相比，蓄熱式熱力燃燒法具有更高的熱效率（95%）和處理效率（99%），可以處理大風量、中低濃度的VOCs 廢氣。此技術在國外已經發展成熟，進行了商業運用，但在我國發展較晚，仍屬于新型技術。
通認為系統的物性參數（蓄熱室的材料類型、裝填形式、幾何尺寸等）和操作參數（進氣速度、換向周期、氣體組分和濃度等）對VOCs 廢氣的去除效率（DRE）和熱回收效率（TRE）有很大的影響。
典型的蓄熱材料包括陶瓷、堇青石、高鋁土等，目前常用陶瓷作為蓄熱體，其裝填形式分為隨機型和結構型，目前工業上常用的是結構型填料床，即蓄熱室由矩形陶瓷材料塊組成，每一塊含有一個蜂窩狀的單元，然后整齊堆積在蓄熱室中[19]。這是因為結構型填料床具有更高的容積密度和比表面積，以及在VOCs 廢氣通過時壓力損失小，使得對VOCs 廢氣的熱回收效率和氣體處理量大大提高。

蓄熱段的幾何尺寸往往要根據VOCs 廢氣的流速來確定。高娟等報道了一維非均相模型中不同氣流速度下，蓄熱段長度對VOCs 燃燒性能的影響，模擬計算表明不同蓄熱段長度對系統性能有很大影響。當氣流速度較小時（0.1m/s），VOCs 的去除率會隨著蓄熱段長度的增加而增加；但當其氣流速度較大時（0.15m/s），會出現兩個“極端”現象：一是蓄熱段長度小于0.1m 時系統會因熱量不足而發生熄火；二是蓄熱段長度大于0.8m 時系統高溫區溫度不再改變。
系統換向周期對VOCs 的處理效率也有一定的影響，通常的換向周期為0.5～2s。LITTO 等考察了二維動態模型下系統參數（換向周期、流速、反應器直徑、絕緣層厚度）對系統運行特性的影響，結果表明，在穩態時，系統效率主要受流速和切換周期的影響，切換周期越長燃燒溫度越高；燃燒室
的直徑越長，其軸向溫度分布曲線越平坦；另外燃燒室外壁絕熱層的厚度也會影響燃燒溫度，但增大到一定值時，這種效果將會消失。

1.3 多孔介質燃燒法

多孔介質燃燒技術（ porous mediumcombustion，PMC）在國際上被稱為第三代氣體燃燒技術，其燃燒原理如圖2 所示，VOCs 通入多孔介質中燃燒，產生的熱量以多孔介質固體導熱的形式向上游和下游傳遞，既對上游的氣體進行了預熱，又利用自身的蓄熱能力對煙氣余熱進行回收。這種燃燒方式可以使燃燒溫度達到1200℃以上，并且由于較大的固體表面積提高了蓄熱能力；和直接燃燒法、蓄熱式燃燒法相比，這種技術提高了VOCs的燃燒效率，可以處理大風量、低熱值的VOCs廢氣，不需要傳統的換熱設備進行余熱回收，降低了燃燒器尺寸，為VOCs 清潔高效燃燒提供了新的途徑。多孔介質材料（porous medium）既是VOCs廢氣燃燒的承載體，又是熱量回流的媒介，所以在選用多孔介質材料時既要考慮其熱力學性能，又要考慮流動和傳熱性能。目前常用的多孔介質材料有SiC、Al2O3、ZrO2、莫來石等，結構多為蜂窩陶瓷、泡沫陶瓷或者顆粒堆積床。
通常VOCs 廢氣組分十分復雜，為了使所有組分的VOCs 都可以在多孔介質內進行燃燒分解，岑可法等[29]提出了一種漸變型多孔介質燃燒器，其原理是燃燒區采用多片不同孔徑的泡沫陶瓷進行疊加。王恩宇等[30]通過實驗比較了漸變型和均勻型多孔介質燃燒器處理烷烴類氣體的燃燒性能，結果發現這種漸變型多孔介質燃燒器可以將VOCs組分燃燒，不會產生二次污染。目前一種采用流動變換技術的往復式多孔介質燃燒技術（CFRC）受到廣泛的關注，即將VOCs氣體按照一定的周期從多孔介質兩端交替進入，實現超絕熱燃燒。相對于單向流動燃燒，這種燃燒方式可以更好地利用煙氣中的熱量，提高預熱區溫度，使燃燒更穩定，提高VOCs去除率。這種技術和蓄熱燃燒法相比，不需要單獨設置燃燒室，也不需要添加輔助燃料，減小了設備尺寸并提高了經濟性。DOBREGO等采用數值模擬比較了直流式與往復式多孔介質燃燒VOCs的性能，結果表明，往復式多孔介質燃燒可以更好地適應VOCs 濃度和流速的改變，提高系統穩定性和VOCs 去除率，并使煙氣出口溫度降低100～400K。

2 催化燃燒法的研究進展

催化燃燒法是利用催化劑來降低反應的活化能，使VOCs 在催化劑的表面發生式(2)的氧化反應，生成CO2 和H2O。由于催化劑的存在，使得反應溫度降低到200～400℃，避免了高溫燃燒產生氮氧化物的二次污染，減少了輔助熱量的加入。但當VOCs 組分中含有S、Cl 等元素時，容易導致某些催化劑中毒。
目前對于VOCs 催化燃燒機理的研究不多，主要分為Marse-van Krevelen （ MVK ） 、Langmuir-Hinshelwood （L-H）和Eley-Rideal（E-R）3 種模型。目前普遍采用MVK 機理來描述VOCs的催化氧化過程，所謂MVK 機理是指VOCs 與催化劑中晶格氧而不是氣相中的氧氣發生反應，又被稱為氧化還原機理。這種機理主要分為兩步：①被吸附的VOCs 與催化劑表面的晶格氧結合被氧化為CO2 和H2O，同時催化劑表面產生氧空穴而被還原；②催化劑被解離吸附的氧填補氧空位而被氧化。Marse-Van Krevelen（MVK）機理假設了反應物分子和催化劑富氧部分發生反應時，這部分可以被交替地還原和氧化，其中催化劑中的氧可以是化學吸附氧或晶格氧。以堇青石負載NiMnO3-CeO2催化劑催化燃燒苯的反應機理為例，反應機理過程見圖3。第一步是VOCs（苯）分子被吸附在NiMnO3 鈣鈦礦型復合氧化物的活性位上，然后苯分子進行脫氫氧化形成活性中間體，同時CeO2 中的活性氧遷移到NiMnO3 復合氧化物結構中，這個過程會消耗活性氧從而形成氧空穴，活性中間體被進一步氧化為CO2 和H2O，催化劑的活性位被還原形成還原態活性位。第二步是氧分子被吸附在CeO2表面后填充氧空穴，使得還原態活性位被重新氧化形成氧化活性位，形成了活性氧消耗和補給的循環。此時苯的催化燃燒過程進行了一個完整的吸附、去氧、解吸、補氧和再生的氧化還原反應。