环境工程学第7章气态污染物控制方法

第七章气态污染物控制•吸收净化•吸附净化•催化转化•燃烧转化•冷凝法•生物净化•气态污染物的其他净化方法利用气体混合物中不同组分在吸收剂中溶解度不同，或者与吸收剂发生选择性化学反应，从而将有害组分从气流中分离出来。特点捕集效率高、设备简单、一次性投资低。应用广泛地应用于气态污染物的处理。如SO2、H2S、HF、HCl和Nox等污染物的废气，都可以采用吸收净化。第一节吸收净化一.吸收平衡•亨利定律：反应气液相的平衡••Pi*:i组分在气相中的分压，xi是i组分在液相中的摩尔分数•Ei是亨利系数iiixEP*iiiPHC亨利定律可写为：吸收组分与溶剂有作用：)()()(lMKBlAgAAAAPHAMAC][][][亨利定律可知：AAACBKHPBAMK])['1(1]][[]['被吸收组分有离解NMAAlg)()(][][MACA][]][['ANMK][][NM若]['][AKM]['][][][AKAMACA被吸收组分与溶剂反应)()()()(lllgMBAA)1]([]][[]['xAxBAMKAAPHA][代入上式AABAPKPKCC1110二.吸收速率方程基本理论：双膜理论界面分为气膜和液膜。气膜液膜液相主体CAL气相主体PAGCAiPAiZGZL界面传质速率方程符合费克定律气膜液膜液相主体CAL气相主体PAGCAiPAiZGZL气膜与液膜的传质速率相等：)()(ALAiLALAAiAGGAGACCZDNppZDN令：LALALGAGAGZDkZDk)()(ALAALAiAGAGACCkppkN伴有化学反应的传质系数根据实测法或增强系数法，后者用较多。若反应中A组分保持几乎不变，增强系数可用下式近似计算：2)(411)1(2RMM式中，M与组分在液相中的扩散速率有关ABAiBDDbCCM液相扩散系数nBmAimnALCCDmkR1121对于普通二级反应，可参考图7－2吸收剂的选择对吸收剂的要求（选择原则）吸收剂对混合气体中被吸收组分具有良好的选择性和较大的吸收能力；吸收剂的蒸汽压要低，以减少吸收剂损失，避免造成新的污染；沸点高、融点低、粘度低，不易起泡；化学性能稳定，腐蚀性小、无毒性、难燃烧；价廉易得；易于解吸再生或综合利用；吸收剂选择实例污染物适宜的吸收剂污染物适宜的吸收剂氯化氢氟化氢二氧化硫氧化氢氧化物硫化氢水、氢氧化物水、碳酸钠氢氧化钠、亚硫酸钠、氢氧化钙氢氧化钠、硝酸+亚硫酸钠二乙醇胺、氨水、碳酸钠氯气氨苯酚有机酸硫酸氢氧化钠、亚硫酸钠水、硫酸、硝酸氢氧化钠氢氧化钠次氯酸钠吸收设备及其计算吸收设备的分类按吸收表面形成方式分类表面吸收器两相接触表面是静止液面或流动的液膜表面水平液面的表面吸收器液膜吸收器机械膜式吸收器填料吸收器鼓泡式吸收器气体以气泡形式分散于液体吸收剂中连续鼓泡层吸收器板式吸收器活动（浮动）填料吸收器液体机械搅拌吸收器喷洒式吸收器空心（喷嘴式）喷洒吸收器高气速并流喷洒吸收器机械喷洒吸收器液体以液滴形式分散于气体中按气液两相界面形成原理分类具有固定相界面的吸收设备在气液两相流动过程中形成相界面的吸收设备有外部能量引入的吸收设备按汽液分散形式分类气相分散、液相连续液相分散、气相连续气相与液相相同为分散相板式塔喷淋塔、填料塔文丘里吸收塔按汽液接触方式分类连续接触式间断接触式填料塔、喷淋塔、湍球塔板式塔常用吸收塔介绍•填料塔要求气液有效接触面积大，气液湍动程度高，设备压力损失小，结构简单，易操作维修，投资少，操作费用低等。结构简单、便于用耐腐蚀材料制造，气液接触效果好，压降小。当烟气中含有悬浮颗粒时，填料容易堵塞，清理检修时填料损耗大。•湍球塔气体流速高，处理能力大；设备体积小，吸收效率高。随小球的运动，有一定程度的返混；段数多时阻力较高；塑料小球不能承受高温，使用寿命短，需经常更换。•筛板塔处理能力大，压降小，在一定的负荷范围内容易操作，塔板效率高及制作安装简单，金属耗量省，造价低。必须维持恒定的操作条件，负荷范围比较窄；小孔径筛孔容易堵塞。筛板塔填料吸收塔的设计•塔径的计算04VQDT处理气量：根据实际的工业过程而定。空塔速度：一般由填料塔的液泛速率Vt确定，通常取V0=0.60-0.70Vt。•填料塔高度的计算由过程吸收速率NA和对吸收效率的要求来确定。BL2BL1AG1AG2CCABLTPPAAGaNdCCbLaNdPPGH•填料吸收塔的压力降218/10)10(1GmHPLLnG•传质区内传质单元数的计算0)(XL0)(YGTs0sssXLYG)dzY(YaKdYG*pYsaEBZ0YY*pYsa)Y(YdY)aKG(dzZEBYY*0G)Y(YdYNpYs0GaKGH传质区内的传质单元数传质区内的传质单元高度对整个吸附床层作物料衡算：在床层的任一截面上：在床层内取微元高度作物料衡算：对于传质区，则有：单位体积内气体量：BsAAsdXLbadhNdYG1dhaNdYGAASHdYaNGAAYYAAS12)(1)(22BBsAAsXXLbYYGdhaNdXLbdYGABsAs1BL2BL1B2B1CCABL1sXXABsaNdCCbLaNdXbL-HYA=PA/P1XB=CBL/C1AG1AG2BL2BL1PPCCABLTAAGaNdCCbLaNdPPGH××AG1AG2A1A2PPAA1sYYAAsaNdPPGaNdYGH液泛塔内气相靠压差自下而上逐板流动，液相靠重力自上而下通过降液管而逐板流动。显然，液体是由低压空间流至高压空间，因此，降液管中的液流必须有足够高度，以克服两板间的压降而流动。当液体流经降液管时，降液管对液流有各种局部阻力，液流量大则阻力也增大，降液管内液面也随之升高。故气液相流量增加都能使降液管内液面升高。当管内液体增加到越过溢流堰顶部时，漫到上层板中去；该层塔板产生积液，并依次上升，这种现象称为液泛，亦称淹塔。此时，塔板压降上升，全塔操作被破坏，操作时应避免液泛发生。使气体混合物与适当的多孔性固体接触，利用固体表面存在的未平衡的分子引力或化学键力，把混合物中某一组分或某些组分吸流在固体表面上。特点效率高，能回收有用组分，设备简单，操作方便，易于实现自动控制。但是吸附容量不高。应用广泛地应用于化工、冶金、石油、食品、轻工及高纯气体的制备等工业部门。吸附净化特别是用于其它方法难于分离的低浓度有害物质和排放标准要求严格的废气处理上效果更好。吸附过程物理吸附和化学吸附物理吸附化学吸附靠分子间的范德华引力产生靠吸附剂与吸附质之间的化学键力产生单分子层吸附或多层吸附只能单层吸附吸附剂及其再生气体净化吸附剂应满足的要求工业上常用的吸附剂活性炭、活性氧化铝、硅胶、沸石分子筛等。•具有大的比表面积•具有良好的选择性吸附作用•吸附容量大•具有良好的机械强度和均匀的颗粒尺寸•有足够的热稳定性和化学稳定性合乎工业要求的吸附剂应满足要求：•有良好的再生性能•来源广泛、价格低廉•纯物理吸附•存在化学反应将吸附热Q重新转给吸附剂再活化能（解吸附能Ed+反应热Qc）•常用的再生方法加热解吸再生降压或真空解吸置换再生吸附剂的再生溶剂萃取选择合适的溶剂，使吸附质在该溶剂中的溶解性能远大于吸附剂对吸附质的吸附作用，从而将吸附物溶解下来。吸附装置固定床、流动床、沸腾床在空气污染控制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。•回转床吸附器•流化床吸附器•固定床吸附器吸附平衡与吸附速率吸附平衡平衡吸附量•吸附等温线等温吸附方程•弗伦德利希方程•朗格缪尔方程•BET方程Ⅰ型等温线Ⅰ型等温线Ⅱ型、Ⅲ型等温线lgPn1lgKlgXAAPaba1XP0ee0CPX1)P(CCX1P)X(PP常用于低浓度气体，对高浓度气体有较大偏差。是目前常用的基本等温吸附式。当比压P/P0=0.05-0.35时比较准确。吸附速率吸附过程•外扩散•内扩散•吸附总吸附速率是这几个步骤综合的结果吸附速率方程•外扩散阻力起主要作用•内扩散阻力起主要作用•总吸附速率方程)Y(YakdtdMAiApyA)X(XakdtdMAAipxA)X(XaK)Y(YaKdtdMA*ApX*AApYA固定床吸附装置的设计计算固定床吸附过程分析固定床吸附装置的计算根据穿透点和吸附剂的饱和吸附量求hu0X柱深HΔhhuh2传质吸附区h2+Δh的床层已饱和，H-Δh的还没有吸附，所以未用床高为hu。达到穿透点时被吸附的总量为：bYYGW)(00G：流体流量Θb：穿透时间Y0：吸附质原始浓度，Kg吸附质/Kg气体流量Y0*：流出时正常浓度，Kg吸附质/Kg气体流量吸附WKg吸附质相当于有hs高的床层已饱和：)(00XXAWhsX0：吸附剂上原始吸附质含量，Kg吸附质/Kg吸附剂X0*：与流体相原始组成Y0平衡的吸附剂上吸附质含量，Kg吸附质/Kg吸附剂未用床高为：)()(00*00XXAYYGHhsHhub希洛夫近似计算法假设：吸附速率无穷大，穿透点浓度极低TsBsXzAAYG0Gs：流体流量，Kg/(m2·s)τB：穿透时间Y0：吸附质原始浓度，Kg吸附质/Kg吸附剂Z：吸附剂床层高度，mXT：与Y0平衡时的吸附剂的静吸附量，Kg吸附质/Kg吸附剂希洛夫近似计算法KzzYGρXτ0ssTB0Bτ-Kzτ)z-K(zτ0B前式变化为：由于假设与实际有差异，必须扣除初始的死时间，故公式修正：希洛夫方程固定床吸附装置的压力降75.1Re)1(150)1(23pspGdZP吸附床层孔隙率气体绕吸附剂颗粒流动的雷诺数/ResppGd吸附剂颗粒的平均直径使气态污染物通过催化剂床层，经历催化反应，转化为无害物质或易于处理和回收利用的物质。特点避免了其它方法可能产生的二次污染，又使操作过程得到简化。对于不同浓度的污染物都具有很高的转化率。应用碳氢化合物转化为二氧化碳和水，氮氧化物转化成氮，二氧化硫转化成三氧化硫而加以回收利用，有机废气和臭气的催化燃烧，以及汽车尾气的催化净化等。催化转化与其它净化方法的区别：无需使污染物与主气流分离。缺点催化剂价格较高，废气预热要消耗一定的能量。催化作用和催化剂催化作用概念催化剂加速反映速度的实现催化剂的特性催化剂催化剂的组成催化转化法选用催化剂的原则气固催化反应动力学气固催化反应过程气固催化反应的七个步骤•外扩散过程•内扩散过程•吸附过程•表面反应过程•脱附过程•内扩散过程•外扩散过程表面化学过程气固催化反应器及计算气固催化反应器固定床、移动床、流化床应用最广泛单层绝热反应器多段绝热器列管式反应器适宜反应热效应较小，对温度变化不敏感以及副反应较少的情况。适宜中等热效应的反应。适用于床温分布要求很严、反应热特别大的情况。固定床反应器的计算数学模型法经验计算法•空间速度•接触时间RNosp/VQV0Rsp/QVV1τ•床层高度2Rε)πD(1/4VL•所需催化剂体积τQ/VQV0sp0R固定床的压力降LduPem320)1(λm：摩擦阻力系数μ：气体黏度U0：空床速度de：颗粒体积表面积平均直径，通过热氧化作用将废气中的可燃有害成分转化为无害或易于进一步处理和回收物质；而且还可以消烟、除臭。特点工艺简单、操作方便，可回收含烃废气的热能。应用广泛用于石油工业、有机化工、食品工业，涂料和油漆的生产、金属漆包线生产、纸浆和造纸、动物饲养场、城市废物的干燥和焚烧处理场等主要含有机污染物的废气治理。燃烧转化处理可燃组分含量低的废气时，需预热耗能，应注意热能的回收。燃烧类