气态污染物控制

气态污染物控制一、气态污染物有害的气体污染物进入大气后，使大气在成分、气味、颜色和性质等方面发生变化，危害到生物的健康和动植物的生存。气态污染物控制气态污染物控制的方法和设备主要有两大类:分离法：是利用污染物与废气中其它组分的物理性质的差异使污染物从废气中分离出来，如：吸收吸附冷凝催化转化膜分离转化法：是使废气中污染物发生某些化学反应，把污染物转化成无害物质或易于分离的物质，如：燃烧法生物处理法电子束法吸收净化吸收是利用气体混合物中不同组分在吸收剂中的溶解度不同，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的过程。捕集效率高、设备简单、一次性投资低。广泛地用于气态污染物的处理，例如：SO2、H2S、HF、NOx等。吸附净化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留在固体表面上，达到气体混合物分离的目的。物理吸收；化学吸收。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。已广泛地应用于化工、冶金、石油、食品、轻工及高纯气体的制备等部门。冷凝净化冷凝法是利用气态污染物在不同温度及压力下具有不同的饱和蒸汽压，在降低温度和加大压力下，某些污染物凝结出来，以达到净化或回收的目的。膜分离法使气体混合物在压力梯度作用下，透过特定薄膜，因不同气体具有不同的透过速度，从而使气体混合物中不同组分达到分离的效果。过程简单，控制方便，操作弹性大，能在常温下工作。目前已用于石油化工、合成氨气中回收氢、天然气体净化、空气中氧的富集、以及CO2的去除与回收等。接触冷凝表面冷凝特别适用于处理废气度在10000ppm以上的有机溶剂蒸汽，常作为吸附、燃烧等净化高浓度废气的前处理。催化转化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。如：可以用催化氧化法将SO2转化为SO3以回收硫酸；SO2和NOx均可以用催化还原法净化。净化效率较高，在净化过程中可直接将主气流中的有害物转化为无害物，避免了二次污染；但催化剂价格高，操作要求高，难以回收有用物质。燃烧法利用氧化燃烧或高温分解的原理把有害气体转化为无害物质的方法。该方法可回收燃烧后产物或燃烧过程中的热量。直接燃烧热力燃烧催化燃烧生物处理法利用微生物以废气中有机组分作为其生命活动的能源或养分的特性，经代谢降解，转化为简单的无机物（HO2和CO2）或细胞组成物质。主要的处理方法：吸收法；过滤法。电子束照射法可用于脱除硫氧化物、氮氧化物。污染物的稀释法控制稀释法就是采用烟囱排放污染物，通过大气的输送和扩散作用降低其“着地浓度”，使污染物的地面浓度达到规定的环境质量标准。稀释法控制包括大气扩散和烟囱设计两方面的内容。烟囱排放本身并不减少排入大气污染物的量，但它能使污染物从局部地区转移到大得多的范围内扩散，利用大气的自净能力使地面污染物浓度控制在人们可以接受的范围内。二、气体吸收法1、定义：利用气体混合物中不同组分在吸收剂中的溶解度不同，或吸收剂发生选择性化学反应不同而将气体混合物分离的单元操作。这种方法用于治理气态污染物，技术比较成熟，操作经验丰富，适用性比较强。气态污染物SO2H2SHFNOX吸收剂H2ONa2SH2OH2O回收产品H2SO4NaHS2、分类：气体吸收可分为物理吸收和化学吸收。①物理吸收：溶解的气体不与溶剂中的某成分发生化学反应。②化学吸收：溶解的气体与溶剂中的某种成分发生化学反应，导致气体平衡压降低。3、吸收过程的相平衡（1）气液相平衡a.气体在液体中的溶解度b.亨利定律：物理吸收时，常用亨利定律来描述气液相间的相平衡关系。b.亨利定律：物理吸收时，常用亨利定律来描述气液相间的相平衡关系。Pi*=Ei·xi或Pi*=Hi-1·Ci或Ci=HiPi*Pi----组分分压PaEi----组分的亨利系数，Paxi----摩尔分数Ci---平衡浓度Hi……i气体在溶液中的溶解度系数，mol/(m3·Pa)c、传质吸收过程的判断相平衡过程是质量传递的动态平衡过程。若气相中溶质组分浓度y高于气相平衡时的气相组分平衡浓度，即yyi*则传质过程为吸收过程；反之，yyi*则传质过程为解吸过程。（2）化学吸收的气液相平衡如果气体在吸收过程发生了化学反应，那吸收组分的气液相平衡就服从相平衡和化学平衡，亨利定律不再适用。a、“双膜理论”气液两相间物质传递过程的理论，适用于物理吸收和气液相反应。气液两相接触时，存在一个相界面，在界面两侧分别存在着层流流动的稳定膜层，溶质必须以分子扩散的方式连续通过这两个膜层，在相界面上，气液两相互成平衡，主体中无浓度梯度存在，浓度梯度全部集中在两个膜层内，这样，整个吸收过程的传质就简化为两个膜层的扩散。对于易溶气体总阻力=气膜阻力-------气膜控制对于难溶气体总阻力=液膜阻力-------液膜控制对于中性气体总阻力要考虑气膜阻力和液膜阻力4、吸收液在吸收操作中，选择合适的吸收液非常重要。a、吸收液的选择应从下类因素考虑：①增大对有害组分的吸收，减少吸收液的用量；②减少吸收液的损失，使其蒸汽压尽量降低；③粘度小，比热不大，不起泡；④尽可能无毒、难燃、化学稳定性好；⑤来源充足，价格低廉，易再生可重复使用；⑥有利于有害组分的回收利用；⑦尽可能不采用腐蚀性介质，以延长设备寿命。b、常用的吸收剂：①水优点：价廉易得；缺点：溶解度随温度变化；②碱性吸收液用于与碱起反应的有害气体；③酸性吸收液④有机吸收液洗油吸收苯和沥青烟等。5、吸收设备：作用：①使气液两相充分接触，以便很好的传递；②提供大的接触面；③最大限度的减少阻力和增大推动力。结构与湿式除尘器基本相似。三、吸附法1、定义：把气体混合物中的有害组分吸留在固体表面，而达到净化作用，这样分离气体混合物过程叫做“气体吸附”。吸附剂：具有吸附作用的固体；吸附质：被吸附的物质。2、吸附过程①分类物理吸附：主要依靠分子间的范德华引力产生，可以单层吸附，也可以多层吸附，在较低温度下发生。化学吸附：靠吸附剂与吸附质之间的化学键力产生，只是单层吸附。②吸附剂的再生：当吸附剂达到饱和吸附后，为了重复使用吸附剂或回收有效成分，需要再生。物理吸附—易再生。因为可逆，高温既可脱出吸附质；化学吸附—难再生。即提供吸附能，又提供反应热。③吸附装置及流程吸附和再生进行的场所，主要有：固定床、流动床、沸腾床。3、吸附剂：广而言之，所有固体表面都具有吸附作用，但实际上合乎工业要求的吸附剂必须具有：①巨大的内表面积，多孔性物质，其外表面只占总表面积的极小一部分；②强选择性；③高沸点的组分易被吸附；④便于再生；⑤价格低廉，易得；⑥化学稳定性好。4、吸附法净化气态污染物的适用范围①对于低浓度气体，净化效率比吸收法高，处理量不宜过大；②净化有机溶剂蒸汽，效率较高；③当处理量小时，吸附法较灵活方便。5、吸附理论①吸附平衡：是两相平衡。a、平衡：吸附和解吸这一可逆的平衡过程，当二者速度相等时，就达到了吸附平衡。吸附量q—吸附平衡时，单位重量吸附剂上，吸附的吸附质重量。V—溶液或气体的体积LCo,Ce—吸附质初始浓度和最终浓度W—吸附剂的投加量g②吸附等温式常用的有：a、朗格缪尔吸附等温式（Longmuir）用于恒温下，均一表面上的单层可逆吸附。q0—吸附剂表面吸满单层时的吸附量g/ga—常数为了计算方便，常改写倒数关系：说明1/q与1/Ce呈直线关系，即可求出q0、ab、弗兰德利希指数函数型经验公式q=k·Ce1/n或XT=k·p1/nk—弗兰德利希常数n1的常数将上式两边取对数lgq=lgk+(1/n)lgCe或lgXT=lgk+(1/n)lgp则由实验数据可得：lgk与lgCe呈线性关系，斜率为1/n，截距为lgk。③吸附速率a、定义：单位重量的吸附剂（或单位体积的吸附层），在单位时间内所吸附的物质量。吸附速率决定了需要净化的混合气体和吸附剂的接触时间；吸附速率取决于吸附剂对吸附质的吸附过程。b、吸附过程：Ⅰ气膜扩散（外扩散）--吸附物通过表面气膜达到吸附剂表面。Ⅱ微孔扩散（内扩散）--吸附物在吸附剂微孔中扩散，直到扩散到孔深处的吸附剂表面。Ⅲ吸附—在吸附剂表面吸附。四、气—固催化反应1、催化作用在化学反应体系中，加入少量某些物质，可以极大的提高反应速度。在大气污染控制中，反应物均为气体，所得产品也是气体，而所作用的催化剂多为固体，反应属于气—固多相催化反应。吸附—催化步骤：①气相中反应物先扩散到催化剂表面上，②催化剂吸附一种或几种反应物，③吸附的反应物之间进行化学反应，④生成物从催化剂表面解吸，⑤生成物离开催化剂扩散到气相中。催化净化工艺段间冷却的四层催化床第二级催化床预除尘和水分填充床吸收塔填充床吸收塔来自冶炼厂或硫磺燃烧的富含SO2的尾气水含有约为初始进气SO2浓度3%的尾气含有约为初始进气SO2浓度0.3%的尾气水单级吸收工艺二级吸收工艺SO2单级和二级净化工艺的流程图催化反应：420～550℃223SO1/2OSOVanadium3224SOHOHSO催化净化工艺催化剂：Pt(Pd,过渡金属，稀土)/Al2O3等VOCs的催化氧化催化净化工艺NOxNH3filterCombustorMixerReactorNOx的选择性催化还原（SCR）32228NH6NO7N12HO3224NH6NO5N6HO催化剂200～300℃：Pt(Pd,Fe,Cu,Mn)/Al2O3(TiO2,V2O5)32228NH6NO7N12HO3224NH6NO5N6HO催化剂200～300℃：Pt(Pd,Fe,Cu,Mn)/Al2O3(TiO2,V2O5)催化净化工艺•车用催化转化器五、可燃气体组分的燃烧1、混合气体的燃烧条件①混合气体的燃烧燃烧的条件：⑴含有O2和可燃组分，且在一定的浓度范围内；⑵具有明火，达到某一点着火点后，产生的热量可以继续引燃周围的混合气体。②爆炸极限范围与混合气体的温度、压力、含尘量、流动情况等有关，因此并非一个定值，是一个范围。应用实例•硫氧化合物的污染控制工程•室内气态污染物控制硫氧化合物的污染控制工程我国是以燃煤为主的国家，粉尘、二氧化硫、NOx成为我国大气污染的首要污染物，从目前情况来看，粉尘已通过电除尘器、布袋除尘器、旋风除尘器等得到初步的控制，SO2、NOx已成为首要污染物。而在我国酸降雨中，SO42-∶NO3-=64∶1，这说明了SO2是大气污染的罪魁祸首。一、硫的污染物及其治理意义硫的污染物很多，通常指：有机硫—主要存在于原煤中，燃烧后生成SO2H2S—无色有臭鸡蛋味，具有强烈的毒性SO2、SO3脱除有机硫和H2S的方法有：干法--活性碳法、氧化锌法、分子筛法、羰基S水分解法；物理吸收法（有机硫吸收）湿法化学吸收法（热矸法等）生成新物质SO3易溶于水形成酸雾，处理简单。二、SO2的控制技术目前技术路线分三大类：燃烧前脱硫技术燃烧中脱硫技术燃烧后脱硫技术1、燃烧前脱硫技术①主要指煤的脱硫技术，有化学法、物理法、微生物法。目前应用最广泛的是重力分选法，其他方法仍处于实验室到半工厂化阶段。②煤中的S有机硫—与煤中的有机质形成复杂的分子结构，采用物理法难去除。无机硫—主要由FeS、单质S、硫酸盐等组成，物理法的去除率可达40～90%。③重力分选法:a、原理：利用硫铁矿密度（4.7～5.2×103Kg/m3)比煤矸石和煤大得多，在水中与精煤分离。b、工艺流程：水原煤破碎跳汰机旋流器分离泥渣可去掉40～80%的S和60%的灰分。缺点：耗水量大，若煤泥和煤泥水处理不当，易造成二次污染。2、燃烧中的脱硫技术目前应用广泛的有：型煤固S技术和循环流化床技术。①型煤固S技术a、原理：在煤中加入固S剂CaO，当型煤燃烧时，CaO与SO2、SO3反应生成CaSO4,从而达到固S目的。固化剂—利用“电石渣”，采用“表面富集，多孔活化”脱硫新工艺，制成高温、高效的固化剂。添加剂—无机化工的废渣粘结剂—造纸黑液活化粘土制成在型煤脱硫过程中，生成致密的CaSO4覆盖在CaO颗粒表面，减小颗粒表面