大气污染控制工程_挥发性有机物污染控制

第10章挥发性有机物污染控制教学内容§1蒸汽压与蒸发§2VOCs污染预防§3燃烧法控制VOCs污染§4洗涤法控制VOCs污染§5冷凝法控制VOCs污染§6吸附法控制VOCs污染§7生物法控制VOCs污染第10章挥发性有机物污染控制1、教学要求要求了解VOCs性质和来源，理解和掌握VOCs污染的控制措施，包括燃烧法控制VOCs、洗涤法控制VOCs、冷凝法控制VOCs、吸附法控制VOCs、生物法控制VOCs污染。2、教学重点本章重点介绍各种VOCs污染控制。3、教学难点冷凝法控制VOCs污染，生物法控制VOCs污染§1蒸气压与蒸发一、蒸气压蒸气压是判断有机物是否属于挥发性有机物的主要依据温度越高，蒸气压越大一、蒸气压空气中VOCs的含量低，可视为理想气体，拉乌尔定律iiipyxPiy－气相中组分i的摩尔分数－液相中组分i的摩尔分数－纯组分i的蒸气压－总压ixipPiy－气相中组分i的摩尔分数－液相中组分i的摩尔分数－纯组分i的蒸气压－总压ixipP一、蒸气压气液平衡：克劳休斯－克拉佩龙（Clausius－Clapyron）方程lgBpAT－平衡蒸气压，mmHg－系统温度，K－经验常数pTAB、－平衡蒸气压，mmHg－系统温度，K－经验常数pTAB、lgBpAtC－温度，oC－经验常数，参见表10-2ABC、、t安托万（Antoine）方程lgBpAtC－温度，oC－经验常数，参见表10-2ABC、、t－温度，oC－经验常数，参见表10-2ABC、、t安托万（Antoine）方程二、挥发与溶解§2VOCs污染预防VOCs排放§2VOCs污染预防VOCs控制技术可分为两类防止泄漏为主的预防性措施•替换原材料•改变运行条件•更换设备等末端治理为主的控制性措施VOCs控制技术一、VOCs替代二、工艺改革非挥发性溶剂工艺取代挥发性溶剂工艺，如流化床粉剂涂料和紫外平版印刷术石油及石化生产过程：回收利用放空气体三、泄漏损耗及控制充入、呼吸和排空损耗充入、呼吸和排空损耗充入、呼吸和排空导致的VOCs排放iimVm,giiiyMViiiiiiimxpMxpMPVPRTRT－组分i的排放量－排出空气-VOCs混合物中组分i的浓度imi－组分i的排放量－排出空气-VOCs混合物中组分i的浓度imi－组分i的摩尔质量－排出空气中VOCs的摩尔分率－混合气体的摩尔体积iMiym,gV－组分i的摩尔质量－排出空气中VOCs的摩尔分率－混合气体的摩尔体积iMiym,gV充入、呼吸和排空损耗呼吸损耗呼吸损耗－温度变化使容器产生“吸进和呼出”而导致的有机物损耗白天呼出，夜晚吸进可通过在容器出口附加的蒸气保护阀来控制汽油的转移和呼吸损耗汽油50余种碳氢化物和其他痕量物质，C8H17汽油已挥发部分所占的百分比/%汽油的转移和呼吸损耗转移损耗控制方法浮顶罐，用于储存大量的高挥发性的液体。用于密封的浮顶盖浮在液面上，液面以上没有空隙。液体注入或流出时顶盖随之上下浮动，避免上面所讲述的呼吸损耗。但是这种密封方式（一般采用有弹性的橡胶薄盖，类似于汽车上的雨刷）并不是完美的，仍然会有密封损失。这张草图没有给出防雨雪装置和其他的细节。转移损耗控制方法－阶段1控制转移损耗控制方法－阶段2控制§3VOCs控制方法和工艺燃烧法吸收（洗涤）法冷凝法吸附法生物法燃烧法（Combustion）适用于可燃或高温分解的物质不能回收有用物质，但可回收热量燃烧反应，如817222662222222CH12.25O8CO8.5HOCH7.5O6CO3HOHS1.5OSOHOQQQ－燃烧时放出的热量Q－燃烧时放出的热量Q一、VOCs燃烧原理及动力学燃烧动力学单位时间VOCs减少量2VOCsVOCsOddnmcvkcctVOCsVOCsddncvkct氧气浓度远高于VOCs浓度(10-8)VOCsVOCsddncvkct氧气浓度远高于VOCs浓度VOCsVOCsddncvkct氧气浓度远高于VOCs浓度(10-8)exp()EkART多数化学反应，遵循阿累尼乌斯方程exp()EkART多数化学反应，遵循阿累尼乌斯方程VOCs燃烧原理及动力学VOCsA/s-1E/4.18kJ·mol-1k/s-1538oC649oC760oC丙烯醛丙烯腈丙醇3.30E+102.13E+121.75E+0635.952.121.46.992580.019462.99528102.370.9614.83841.4720.3452.07氯丙烷苯1-丁烯氯苯环己胺1，2-二氯乙烷乙烷乙醇乙基丙稀酸酯乙烯甲酸乙酯乙硫醇3.89E+077.43E+213.74E+141.34E+175.13E+124.82E+115.65E+145.37E+112.19E+121.37E+124.39E+115.20E+0529.195.958.276.647.645.663.648.146.050.844.714.70.560340.000110.077600.000310.764670.248510.004110.058690.880940.028040.3956258.863534.930.146.020.0926.847.510.482.1427.441.2511.18170.6427.2138.59183.058.41438.42109.1119.9335.97407.9924.64154.04404.29VOCs燃烧原理及动力学例：试计算燃烧温度分别为538、649和760oC时，去除废气中99.9%的苯所需的时间。解：假设燃烧反应为一级，即n=l，对式（10-8）积分，得当T=5380C时，由表10-8，得k=0.00011/s，代入式（10-9），得同理可求得T=649、7600C时所需的燃烧时间分别为49s、0.2s。00exp[()]CkttC（10-9）00exp[()]CkttC（10-9）0111lnln62800s17.4h0.000110.001CtkCVOCs燃烧原理及动力学燃烧与爆炸燃烧极限浓度范围＝爆炸极限浓度范围多种可燃气体与空气混合，爆炸极限范围12100micabmccc－混合气体的爆炸极限－i组分的爆炸极限－各组分的百分含量mcic,,abm－混合气体的爆炸极限－i组分的爆炸极限－各组分的百分含量mcic,,abm二、燃烧工艺直接燃烧适用于可燃有害组分浓度较高或热值较高的废气设备：燃烧炉、窑、锅炉温度1100oC左右火炬燃烧：产生大量有害气体、烟尘和热辐射，应尽量避免二、燃烧工艺热力燃烧（ThermalCombustion)适于低浓度废气的净化温度低，540～820oC必要条件：温度、停留时间、湍流混合二、燃烧工艺热力燃烧二、燃烧工艺催化燃烧（CatalyticCombustion）二、燃烧工艺具有热回收装置的催化燃烧器催化燃烧装置二、燃烧工艺催化燃烧优点：•无火焰燃烧，安全性好•温度低：300～450oC，辅助燃料消耗少•对可燃组分浓度和热值限制少二、燃烧工艺§4吸收（洗涤）法控制VOCS污染一、吸收工艺及吸收剂一、吸收工艺及吸收剂吸收剂的要求对被去除的VOCs有较大的溶解性蒸气压低易解吸化学稳定性和无毒无害性分子量低二、吸收设备主要设计指标液气比塔径塔高§5冷凝法控制VOCS污染适于废气体积分数10-2以上的有机蒸气常作为其它方法的前处理一、冷凝原理冷凝温度处于露点和泡点温度之间越接近泡点，净化程度越高00lll00gggiiiiiiffmff相平衡常数00lll00gggiiiiiiffmff相平衡常数12121nnyyyKKK时，对应的温度为露点Ki－相平衡常数露点温度12121nnyyyKKK时，对应的温度为露点Ki－相平衡常数露点温度时，对应温度为泡点11221nnKxKxKx泡点温度时，对应温度为泡点11221nnKxKxKx泡点温度冷凝计算压力P，温度t，进料中i组分的摩尔分率zi，计算液化率f、冷凝后气液组成xi、yi(1)iiiFzfFyfFxi组分的物料平衡(1)iiiFzfFyfFxi组分的物料平衡FBD物料平衡FBD物料平衡/fBF液化率/fBF液化率iiiymx(1)(1)(1)/(1)iiiiiiiiiiiizzxfmfmmfzzmyffmmff气液平衡关系代入上式得iiiymx(1)(1)(1)/(1)iiiiiiiiiiiizzxfmfmmfzzmyffmmff气液平衡关系代入上式得111nniiiixy由和上式可得f、xi、yi111nniiiixy由和上式可得f、xi、yi111nnnciiiiiiiiiQFHzDHyBhx冷凝热111nnnciiiiiiiiiQFHzDHyBhx冷凝热二、冷凝类型和设备接触冷凝被冷凝气体与冷却介质直接接触喷射塔、喷淋塔、填料塔、筛板塔mQKAt表面冷凝（间接冷却）冷凝气体与冷却壁接触列管式、翅管空冷、淋洒式、螺旋板传热方程mQKAt表面冷凝（间接冷却）冷凝气体与冷却壁接触列管式、翅管空冷、淋洒式、螺旋板传热方程冷凝系统的设计给定脱除效率、出口浓度确定冷凝温度冷凝温度冷凝剂类型计算冷凝器的热负荷热负荷＋热传递系数冷凝器尺寸68outin,gin,g7601010.01/110Pcc气液平衡出口VOCs分压冷凝温度68outin,gin,g7601010.01/110Pcc气液平衡出口VOCs分压冷凝温度§6吸附法控制VOCS污染一、吸附工艺一、吸附工艺活性炭吸附VOCs的性能最佳亦有部分VOCs不易解吸，不宜用活性炭吸附二、吸附容量利用波拉尼曲线估算三、多组分吸附过程•各组分均等吸附于活性炭上•挥发性强的物质被弱的物质取代四、活性炭的吸附热物理吸附吸附热＝凝缩热+润湿热估算式nqma－吸附热，kJ/kg炭－吸附蒸气量,m3/kg炭－常数，表10-16qa,mn－吸附热，kJ/kg炭－吸附蒸气量,m3/kg炭－常数，表10-16qa,mn§7生物法控制VOCS污染一、生物法控制VOCS污染原理微生物将有机成分作为碳源和能源，并将其分解为CO2和H2O二、生物法处理VOCS工艺工艺生物洗涤塔（悬浮生长系统）生物滴滤塔生物滴滤塔生物膜内降解的数学模型微元物料平衡费克定律+米－门公式d0dNray2e2d0dcacDyKc生物滴滤塔液膜内传递的数学模型VOCs降解简化模型22s22()[1]cycDryz0hggh0h22cghexp[][CO][CO][1exp()]iiifLkKWzccQJKfLkKWzRcQJK生物过滤塔（附着生长系统）111mhmmh(n1,n0)11lnln(n1)(n0)nnniiibKKznnvbKzvbKzvK传质模型＋生物降解模型VOCs降解模型111mhmmh(n1,n0)11lnln(n1)(n0)nnniiibKKznnvbKzvbKzvK传质模型＋生物降解模型VOCs降解模型传质模型＋生物降解模型VOCs降解模型生物过滤塔三、生物法工艺比较第10章挥发性有机物污染控制小结1.要求了解VOCs性质和来源，2.理解和掌握VOCs污染