净化气态污染物的方法.docx

大气污染掌握教案第四章 净化气态污染物的方法我们都知道，大气污染物分类为气态污染物和颗粒状污染物，本章是针对于气态污染物的处理方法进展学习。工程上净化气态污染物的方法主要有以下几种：利用溶液的溶解作用所组成的气体吸取净化；利用固体外表吸附作用的吸附净化；利用某些催化剂的催化转化；有机物的高温燃烧等方法。§1 吸取法净化气态污染物吸取法净化气态污染物是利用气体混合物中各种成分在吸取剂中的溶解度不 同，或者与吸取剂中的组分发生选择性化学反响，从而将有害组分从气流中分别出来的操作过程。吸取分为物理吸取和化学吸取两大类。吸取过程无明显的化学反响时为物理吸收，如用水吸取氯化氢。用水吸取二氧化碳的感。吸取过程中伴有明显化学反响时为化学吸取，如用碱液吸取难以到达排放标准，因此大多数承受化学吸取。吸取法不但能消退气态污染物对大气的污染，而且开可以使其还可以使其转化为有用的产品。并且还有捕集效率高、设备简洁、一次性投资低等优点，因此，广12泛用于气态污染物的处理。如处理含有 SO2、HS、HF 和 NO等废气的污染物。x一、吸取平衡理论物理吸取时，常用亨利定律来描述气液两相间的平衡，即p * = E x式iii中 p * i 组分在气相中的平衡分压，Pa；ix i 组分在液相中的浓度， mol%；iE i 组分的亨利系数，Pa。i假设溶液中的吸取质被吸取组分的含量ci以千摩尔/米3 表示，亨利定律可表示为：p * = c iiH或c= HpiiiH i 气体在溶液中的溶解度，ki mol/m3·Pa。i亨利定律适用于常压或低压下的溶液中，且溶质在气相及液相中的分子状态相同。如被溶解的气体在溶液中发生某种变化化学反响、离解、聚合等，此定律只适用于溶液中未发生化学变化的那局部溶质的分子浓度，而该项浓度打算于液相化学反响条件。二、双膜理论吸取是气相组分向液向转移的过程，由于涉及气液两相间的传质，因此这种转 移过程格外简单，现已提出了一些简化模型及理论描述，其中最常用的是双膜理论， 它不仅用于物理吸取，也适用于气液相反响。简洁的说就是，假设气相和液相之间接触的局部有气膜和液膜存在，气膜液膜的大小薄厚都是均匀的，全都的。双膜理论就是争论气液两相在气膜和液膜之间的 传播速度的。有的状况是被吸取组分通过液膜的速度较慢，而通过气膜的速度较快， 这时实际上掌握其接触的实际上是液膜，被称之为液膜掌握；有时被吸取组分通过 液膜的速度快，而经过气膜的速度慢，则整个过程是由气膜集中的时间来掌握，被 称之为气膜掌握。三、吸取气态污染物工艺配置问题1、吸取剂的选择一般吸取剂的选择原则是：吸取剂对混合气体中被吸取组分具有良好的选择性和较大的吸取力量。同时吸取剂的蒸气压要低，不宜气泡，热化学稳定性好，粘度低，腐蚀性小，且价廉易得。但是任何一种吸取剂很难同时满足以上要求，这就需要依据所处理的对象及处理目的，权衡各方面因素而定。2水是常用的吸取剂，例如，用水洗涤煤气中的 CO2；洗除废气中的 SO；除去含氟废气中的 HF 和 SiF4；除去废气中的 NH3、HCl 等。用水去除这一类气态污染物， 主要依据它们在水中溶解度较大的 特性。这些气态污染物在水中的溶解度，一般是随气相中分压的增加，吸取液温度的降低而增大的。因而抱负的操作条件是在加压 和低温下进展吸取，在升温顺降压下进展解吸。用水作吸取剂主要是价廉易得，流 程、设备和操作都比较简洁。主要缺点是吸取设备浩大，净化效率低，动力消耗大。碱金属钠、钾、铵或碱土金属钙、镁等的溶液，则是另一类吸取剂。由于这一类吸取剂能与被吸取的气态污染物 SO2、NOx、HF、HCl 等之间发生化学反响，因而使吸取力量大大增加，表现在单位体积吸取剂能净化大量废气/由于净化效率高， 液气比小，吸取塔的生产强度高，使得技术经济上更加合理。一般在吸取净化酸性气体污染物 SO2、NOx、HF、HCl 等时常承受上述碱金属或碱土金属溶液作为吸取剂。但化学吸取的流程较长，设备较多，操作也较简单，有的吸取剂不易得到或价格较贵。另外，吸取剂的吸取力量强，有利于净化气态污染物，但吸取力量强的吸取剂不易再生需消耗较大能量。因而在选择吸取剂时，要权衡多方面的利弊。2、工艺流程设置中应考虑的一些问题（1） 富液的处理问题 用于气态污染物掌握的吸取操作，不仅要到达净化废气的目的，还必需使吸取了气态污染物后富液的处理合理。如将富液排放，这不但浪费了资源，而且更重要的是其中的污染物转入水体造成二次污染，达不到保护环境的目的。所以，富液是否得到经济合理的处理与利用，往往又成为吸取法净化气态污染物成败的关键之一。因此，吸取净化气态污染物的流程中，需同时考虑气态污染物的吸取及富液的处理两大局部。例如，用碳酸钠或氢氧化钠碱液处理废气2中的 SO2，就需同时考虑用加热或减压再生的方法脱除吸取后的富液中的 SO，使吸收剂碱液恢复吸取力量，得以循环使用，同时收集排出的 SO2 制取硫酸产品，既达2到了消退 SO污染，同时又到达了“废物资源化”的目的。（2） 除尘问题 某些废气，如燃烧产生的废气中，除含有气态污染物之外，往往还含有肯定的烟尘。在吸取之前，假设能特地设置高效的除尘器如电除尘器，除去烟尘是最抱负的。但这样做太不经济，假设能在吸取时考虑去除气态污染物的同时， 一同去除烟尘，即是较为抱负的。由于吸取过程也是很好的湿式除尘。然而湿式除 尘的设计与气态污染物脱除的设计要求不大全都，湿式除尘需要相当大的能量输入压力增大，才能保证细尘与液滴或湿外表碰撞，粘附在上面。而气态污染物的脱除则受到诸如气体流速、液气比、吸取剂外表积的数量等因素的影响。因而，有的实行在吸取塔前增设预洗涤塔，在预洗涤塔中有水直接洗涤，既冷却了高温气体， 又起到除尘作用；有的为了简化流程，实行将吸取塔置于预洗涤塔之上，两塔合为一体；有的承受文丘里类型的洗涤器，既除尘，又吸取气态污染物。但文丘里洗涤器除尘性能较好，而对气态污染物的吸取并不是最好，期望争论出能在同一设备中既除尘有能吸取气态污染物的洗涤器，是我们今后努力的方向。（3） 烟气的预冷却问题 由于产生过程不同，排出的废气温度差异很大。例如， 锅炉燃烧排出的烟气，通常在 423458K 左右，而吸取操作则期望在较低温度下进展。这就需要在吸取之前将烟气冷却降温。其方法有：在低温省煤器中间接冷却，虽可回收一局部余热，提高热效率，但所需的换热器太大，同时烟气中的酸回冷却为酸性气体而腐蚀设备；直接增湿冷却，即承受水直接喷入烟气管道中增湿降温，方法虽简洁，但要考虑水冲击管壁和形成酸雾腐蚀设备，以及可能造成沉积物堵塞管道和设备，用预洗涤塔降温除尘，是最好的方法，也是目前使用最广泛的方法。将烟气冷却到何种程度是格外重要的，假设将烟气冷却到接近于冷却水的温度293298K，虽可改善洗涤塔的效果，但费用太大。综合各方面的因素，一般认为将高温烟气冷却到 333K 左右较为适宜。（4） 结垢和堵塞问题 这一现象已成为某些吸取装置能否正常的长期运行的一个关键。首先要弄清结垢的机理，造成结垢和堵塞的因素，然后针对性地从工艺设计、设备构造、操作掌握等方面进展解决。防止结垢的方法和措施常用的有：工艺操作上，掌握溶液或料浆中水分的蒸发量，掌握溶液的 PH 值，掌握溶液中易结晶物质不要过饱和，严格除尘，掌握进入吸取系统的尘量。设备构造上设计和选择不易结垢和堵塞的吸取器。例如，流淌床型洗涤器比固定填充床洗涤器不易堵塞和结垢，选择外表光滑，不易腐蚀的材料作吸取器等。（5） 除雾 雾不仅仅是水分，还是一种溶有气态污染物的盐溶液。任何漏到烟囱中的雾，实际上就是把污染物排入大气。雾气中所含液滴直径主要在 1060m 之间，因而工艺上要对吸取设备提出除雾的要求。通常加设除沫器。（6） 气体再加热问题 在处理高温烟气的湿式净化中，烟气在洗涤塔中被冷却增湿，就此排入大气后，在肯定的气象条件下，将发生“白烟”。由于烟气温度低， 使热力抬升作用减小，集中力量降低，特别是在处理烟气的状况下和某些不利的气象条件下，白烟没有充分稀释之前就已降落到地面，简洁消灭较高浓度的污染。防止白烟发生的措施：一是使吸取净化后的烟气与一局部未净化的高温烟气混合以降低混合气体的湿度和上升其温度。这种措施虽然能防止白烟的发生，但由于未净化烟气的温度不太高，因而需混入大量未净化的烟气，使得气态污染物的排放量增大，相当于大大降低了净化效率。防止白眼的另一个措施是净化器尾部加设一燃烧炉，在炉内燃烧自然气或重油，产生 12731373K 的高温燃烧气，再与净化气混合。这种措施简洁，且混入的燃烧气量少，吸取器的净化效率降低不大，因而目前国外的湿式排烟脱硫装置大多承受此法。四、吸取设备1、填料塔2、湍球塔3、筛板塔4、喷洒式吸取器（1） 空心喷洒吸取器（2） 高气速并流式喷洒吸取器（3） 机械喷洒吸取器§2 吸附法净化气态污染物用多孔性固体处理气体混合物，使其中所含的一种或几种组分浓集在固体外表， 而与其他组分分开的过程称为吸附。具有吸附作用的固体称为吸附剂，被吸附到固体外表的物质称为吸附质。吸附净化的优点是效率高，能回收有用组分，设备简洁，操作便利，易于实现自动掌握。但吸附容量一般不高40%，有待于在技术上进一步提高。一、吸附过程与吸附剂1、吸附过程依据吸附剂和吸附质之间发生的作用力的性质，通常将吸附分为物理吸附和化学吸附。（1） 物理吸附亦称范德华吸附，是由于吸附剂与吸附质之间的静电力或范德华引力产生的吸附。物理吸附是一种放热过程，其放热量相当于被吸附气体的升华热，一般为 20kJ/mol 左右。物理吸附过程可逆的，当系统的温度上升或被吸附气体压力降低时，被吸附的气体将从固体外表逸出。在低压下，物理吸附一般为单分子层吸附，当吸附质的气压增大时，也会变成多分子层吸附。（2） 化学吸附亦称活性吸附，是由于吸附剂外表与吸附质分子间的化学反应力导致的吸附。化学吸附亦为放热过程，但较物理吸附放热量大，其数量相当于化学反响热，一般为 84417kJ/mol。化学吸附的速率随温度上升而显著增加，宜在较高温度下进展。化学吸附有很强的选择性，仅能吸附参与化学反响的某些气体， 吸附是不行逆过程，且总是单分子层或单原子层吸附。物理吸附与化学吸附之间没有严格的界限，同一物质在较低温度下可能发生物理吸附，而在较高温度下往往是化学吸附。2、吸附剂吸附剂必需具备的条件：有巨大的内外表积；选择性好，有利于混合气体的分别；具有足够的机械强度，热稳定性及化学稳定性；吸附容量大；来源广泛，价格低廉。常用的吸附剂有如下几种。（1） 活性炭（2） 活性氧化铝（3） 硅胶（4） 沸石分子筛二、吸附理论1、吸附平衡（1） 费罗德里希Freundlich方程（2） 朗格缪尔Langmuri等温方程（3） BET 方程2、吸附速率（1） 吸附速率的掌握步骤（2） 吸附速率公式三、吸附设备1、吸附设备用于气态污染物掌握的吸附设备依据吸附剂在吸附器内的运动状态可分为固定床吸附器、移动床吸附器和沸腾床吸附器。固定床吸附器是吸附剂固定不动，仅使气体流经吸附床。主要有立式和卧式两种。在空气污染掌握中，最常用的是将两个以上的固定床组成一个半连续式吸附流 程。气体连续通过床层，当一个到达饱和时，气体就切换到另一个吸附器进展吸附， 而到达饱和吸附床则进展再生，在这种流程中，气体是连续的，而每个吸附床则是 间歇运行。解吸是通过导入水蒸气来实现的。移动床吸附器是在固体吸附剂和含污染物气体的边疆逆流运行中完成吸附过程的。一般是吸附剂自上而下运动，被吸附气体自下而上。在以上吸附设备中，固定床吸附器由于构造简洁、操作便利、省事而被广泛应用。下面主要对固定吸附器作必要的介绍。§3 催化转化法净化气态污染物催化转化法净化气态污染物是使气态污染物通过催化剂床层，经受催化反响， 转化为无害物质或易于处理和回收利用的物质的方法。该法与其他净化法的区分在于：无需使污染物与主气流分别，避开了其他方法可能产生的二次污染，又使操作过程得到简化。其另一特点是对不同浓度的污染物具有很高的转化率，因此在大气污染掌握工程中得到较多的应用。一、催化剂但凡能够加速反响速度，而本身的化学性质在化学反响前后没有转变的物质称为催化剂或触媒。1、催化剂的特性催化剂除了能转变化学反响速度外，还具有如下特性：（1） 催化剂只能缩短反响到达平衡的时间，而不能使 移动，更不行能使热力学上不行能发生的反响进展。（2） 特定的催化剂只能催化特定的反响，即催化剂具有高度选择性。（3） 每一种催化剂都有它的活性温度范围，低于活性温度下限的，反响速度很慢，或不起催化作用，由于催化剂化学吸附气体分子需要相当的能量。高于活性温度上限，催化剂会很快老化或丧失活性，甚至被烧毁。2、催化剂的组成催化剂通常是由多种物质组成的简单体系，也有的只是一种物质。按其存在状态可分为气态、液态和固态三类。其中固体催化剂是最重要的，应用亦最广泛，它通常由主活性物质、载体和助催剂组成。主活性物质指能单独对化学反响起催化作用的物质，因而也可作为催化剂单独使用。由于催化作用一般发生在主活性物质外表厚度 2030mm 内，因而主活性物质一般附着在惰性载体上。载体是用来承载主活性物质和催化剂的，它具有两种作用：一是供给大的比外表积，节约主活性物质， 提高催化剂活性；二是增大催化剂的机械强度、导热性及热稳定性，延长催化剂的寿命。助催化剂本身无催化性能，但它的少量参加可以改善催化剂的性能。助催化剂和主活性物质都附于载体之上，做成球状、片状、网状和蜂窝状等以供选用。3、催化剂的选用原则及常用类型催化转化法选用的催化剂的原则：应有很好的活性和选择性，足够的机械强度， 良好的热稳定性和化学稳定性及经济性。二、催化作用原理化学反响速度因参加某种物质而转变，而参加物质的数量和性质在反响终了时却不变的作用称为催化作用。能加快反响速度的称为正催化作用；减慢反响的称为负催化作用。反响物和催化剂同为一相时称均相催化；反响物和催化剂不同相时称为多相催化。在大气污染掌握中，仅利用多相正催化作用，化学反响为催化氧化和催化复原。一个催化过程可作如下简化描述。设有以下化学反响： A+BAB当受催化剂作用时，至少有一个中间反响发生，而催化剂是中间反响物之一， 表示为：A + d Û dA最终仍得到反响产物 AB，催化剂则恢复到初始的化学状态：dA + B ® AB + d明显，催化剂诱发了原反响所没有的中间反响，使化学反响沿着的途径进展。众所周知，任何化学反响的进展都需要肯定活化能，而活化能的大小直接影响到反响速度的快慢，它们间的关系可用阿累尼乌斯方程表示： K = f · exp (E式中 K反响速度常数，单位随反响级数而不同； f频率因子，单位与 K 一样； E活化能，kJ/mol；T确定温度，K。RT )由上式看出，反响速度是随活化能的降低而呈指数规律加快的。试验说明，催化剂加速反响速度是通过降低活化能来实现的。如前所述，催化剂使化学反响沿着的途径进展。途径往往由一系列基元反响组成，而每一个基元反响的活化能都明显地小于原反响的活化能，从而大大加速了化学反响速度。三、催化反响器的构造类型工业上常见的气、固相催化反响分固定床和流淌床两大类。而以固定床的应用最为广泛。固定床的一大优点是催化剂不易磨损，可长期使用，又由于它的流淌模型最接近抱负活塞流，停留时间可以严格掌握，能牢靠地推测反响进展的状况，简洁从设计上保证高的转化率。另外，反响气体与催化剂接触严密，没有返混，从而有利于提高反响速度和削减催化剂装量。全部这些，使固定床反响技术在工业反响器中占有确定优势。固定床的主要缺点是床温分布不均匀。由于催化剂颗粒静止不动，而化学反响总伴随着肯定的热效应，这些因素加在一起，使固定床的传热与温度掌握问题成为其应用技术的难点与关键。各种床型的反响器都是为解决这一问题而设计的，流化床反响技术也正是为了解决固定床所固有的这一问题而进展起来的。固定床催化反响器的类型共有三类单层绝热反响器、多段绝热反响器、多段绝热反响器。1、单层绝热反响器单层绝热反响器内只装一层催化剂，反响物通过单层催化剂即可到达指定的转 化率。所谓绝热是对由催化剂、反响物和生成物所组成的反响体而言的，除了通过 器壁的散热外，反响体系在反响过程中不与外界进展热交换。因而构造最简洁，造 价最廉价，构造对气流的阻力也最小。然而，也正由于不与外界进展热交换，催化 床内温度分布不均匀，不同流淌截面上的催化剂之间存在着明显的温差；此外，在 放热反响中，简洁造成反响热的积存而使床层升温，直到反响热在某一床温下全部 被反响气流带出；另外，气固两项间通常存在着较大的温差，简洁导致催化床的局 部过热。因此，单层绝热反响器通常用在化学反响热小或反响物浓度低等反响热不 大的场合；其床层不宜过厚，以免温度分布不均匀，必要时，要像微分反响器那样， 加装肯定厚度的惰性填料层。在净化气态污染物的催化工程中，由于污染物浓度低 而风量大，温度已降为次要因素，而多从气流分布的均匀性和床层阻力两个方面来 权衡选择床层的截面积和高度。2、多段绝热反响器对于反响热大化学反响，单层绝热床一般是难于胜任的。然而，假设把多个单层绝热床串联起来，把总的转化率或反响热分摊给各个单层绝热床，并在相邻的两个床之间引出或参加热量，避开热量的积存，这样就能把各个单层绝热床上的反响掌握在比较适宜的温度范围内。这种串联起来的单层绝热床就称为多段绝热反响器。多段绝热反响器与单层绝热反响器的本质区分不在于催化床数量的多寡，而在于整个反响过程中相邻两段之间引进了热交换。正由于如此，它才能有效的掌握反响的温度。段间的热交换有直接换热和见解换热两种方式。间接换热就是通过设在段间的热交换器，将热量从反响过程中准时移出或参加视需移出热量的大小，载热体可以是反响物料本身，也可以是水或其他介质。这种换热方式适应性广，能够回收反响热，而对催化反响没有影响，但设备简单， 费用大。3、多段绝热反响器四、气态污染物的治理与综合利用1、低浓度 SO2 废气的净化与利用2SO 是目前大气污染物中数量最大、分布最广、影响人类生命财产最严峻的气体污染物之一。含SO2 废气的掌握方法有高烟囱集中稀释、承受低硫燃烧、燃料脱硫、烟气脱硫等。烟气脱硫不仅能消退大气中的 SO2 的污染，还能以化学肥料、石膏、2硫酸、液体 SO2 和元素硫等形式回收 SO，到达废物资源化的目的。由于需处理的烟气量大，而 SO2 浓度低，因此回收硫的经济效益不高，但它仍是今后争论改进的课题。常见的烟气脱硫法有1石灰石灰石法 这一方法投资费用运行费用都很低，而且效果不错。原理不再细讲，我们都知道，SO2 是酸性气体，而石灰是碱性物质， 酸碱中和，最好还回收了石膏；2氨法 氨法属于利用碱金属作为吸取剂的一类方法，也是利用的酸碱中和的道理；3吸附法 SO2 是一种易被吸附的气体，因此，我们可以利用吸附剂的作用将其吸附后，然后在复原为 SO2 或单质硫。x2、含 NO 废气的净化与利用xNOx 的来源有两方面：一是自然形成的；二是人类活动产生的。人类活动产生量没有自然形成量大，但由于人为排放的 NOx 的浓度高，排放地点集中，所以造成x的危害大。在人类活动产生的 NO中，由燃料燃烧所产生的NO约占 95%以上。主要来自：各种大型锅炉、燃烧炉和焙烧炉的燃烧过程；汽油机动车和柴油机排气； 硝酸生产和各种硝化过程；冶金企业中的炼焦、烧结、冶炼等高温过程和金属外表处理等。x鉴于 NO的污染日益严峻及 NO的危害越来越被人们所生疏，因而对 NO 的控xx制也越来越受到重视。国内外对掌握 NOx 的污染，通常承受的方法有：1燃料脱氨；2改进燃烧方式；3排烟脱硝；4高烟囱集中稀释。第一种方法在技术上仍存有不少困难。其次种方法对降低烟气中的 NOx 有肯定效果，但不能到达排放标准以下。第四种只能降低局部地区的相对浓度。因此，为掌握 NOx 的污染，较多的承受排烟脱硝的方法。其方法很多，大体上可分为催化复原法、液体吸取法和吸附法等。3、x4催化复原法：是在催化剂的作用下，利用复原剂NHCH 、CO 等将 NO复原为无害的氮气。该法对 NOx 的消退率很高，设备紧凑，操作平稳，并能回收废4和3热。其缺点是运转费用和投资高，且要消耗 CHNH ，被复原成无用的氮气排放掉。国外由于对排气中 NOx 的含量要求很严，因而都承受此法。国内不少大中型化肥厂中的硝酸尾气也承受此法。液体吸取法：因 NOx 是酸性气体，故可以承受水或某些碱性溶液来吸取。这种方法工艺设备简洁，投资少，能以硝酸盐等形式回收废气中的 NOx 到达综合利用的目的。很多用硝酸处理金属外表的行业普遍承受此法。气态污染物不仅可以通过催化转化来净化，而且还有很多方法，比方，1冷凝法：这是仅针对于露点低的气态污染物。它涉及的方法有接触冷凝和外表冷凝；2燃烧法：这一方法适用于烃类及一些有机物；