《大氣污染物控制工程》揮發(fā)性有機(jī)物污染控制(2)課件

1、第十章 揮發(fā)性有機(jī)污染物控制10-4 冷凝法控制VOCs污染第1頁，共42頁。一、冷凝原理與工藝?yán)淠恚寒?dāng)降低溫度或加大壓力時，某些污染物會凝結(jié)出來，從而達(dá)到凈化和回收VOCs的目的。冷凝溫度：處于露點和泡點溫度之間，越接近泡點凈化效率越高。第2頁，共42頁。一、冷凝原理與工藝y1y2 yn 1m1m2mn時，對應(yīng)的溫度為露點。mi 相平衡常數(shù)m1 x1 m2 x2 mn xn 1 時，對應(yīng)溫度為泡點。iimx yiyi mi xi泡點溫度假設(shè)系統(tǒng)的泡點溫度為t， 露點和泡點溫度的計算混合氣體的組成為y1yn露點溫度假設(shè)系統(tǒng)的露點溫度為t，第3頁，共42頁。一、冷凝原理與工藝 混合物體系的相

2、平衡常數(shù)ooiliili 1, f p, 1iipoPm 常壓下，如由輕質(zhì)烴組成的混合物系，可視為完全理想系統(tǒng)。所以：常壓下，若物系中組分的分子結(jié)構(gòu)差異較大，氣相為理想氣體混合物，液體為非理想溶液。ooilii 1, f p，il 1中壓下，氣相為真實氣體，當(dāng)物系分子結(jié)構(gòu)相近時，液相可視為理想溶液iiliPpom所以:ilo ivif ofm 所以:i 1 ，il, iv 取為1imxi yi第4頁，共42頁。一、冷凝原理與工藝?yán)淠骼淠に噧艋瘹怏w冷凝的有機(jī)物VOCs氣體冷卻劑制冷設(shè)備 工藝特點： 適于廢氣體積分?jǐn)?shù)10-2以上的有機(jī)蒸氣，回收效率：80%95%； 常作為其他方法的前處理。第5

3、頁，共42頁。冷凝器制冷設(shè)備冷凝器制冷設(shè)備冷凝器制冷設(shè)備冷卻劑（1）（2）（3）冷凝器制冷設(shè)備VOCs氣體冷卻劑（4）第6頁，共42頁。二、VOCs的冷凝計算 已知壓力P，溫度t，進(jìn)料中i組分的摩爾分率zi，計算液化率f、冷凝后氣液組成xi、yi 液化率： f=B/F 物料平衡：F=B+D i組分的物料平衡：F z i=(1 f) F y i+ f F x i 氣液平衡關(guān)系yi= mi x i 代入上式得：ii izizix(1 f )m fm (1 m ) fii iziizi miy(1 f ) f / mm (1 f ) f 由和上式可得f、xi、yi。n xii1n yi 1i1D,y

4、iB,xiF,ziB x iD y i第7頁，共42頁。二、VOCs的冷凝計算 指定f，求操作條件及相應(yīng)條件下的組成： 確定溫度，即求出泡點溫度、露點溫度。 假設(shè)冷凝溫度t，求出mi。 將mi代入ii izizix(1 f )m fm (1 m ) fiiiziizi miy(1 f ) f / mm (1 f ) fn 檢驗是否 xii1n yi 1。i1，求出xi、yi。第8頁，共42頁。三、冷凝類型和設(shè)備氣體VOCs冷凝 釋放的潛熱VOCs冷凝液 冷卻的顯熱廢氣降溫釋 放的熱量冷卻水溫 度變化1m,wmp21m,gp2c(qH qc(t t ) q(t t )qcw (t2 t1 ) 接

5、觸冷凝：被冷凝氣體與冷卻介質(zhì)直接接觸 冷卻水用量第9頁，共42頁。三、冷凝類型和設(shè)備 表面冷凝：被冷凝氣體與冷卻壁面接觸 列管式、翅管空冷、淋灑式、螺旋板q KAtm式中：q總的交換熱量，包括氣態(tài)有害物質(zhì)冷凝的潛熱及廢氣冷卻和冷凝液進(jìn)一步冷卻的顯熱，kJ/h； K傳熱系數(shù)，kJ/（mh）； A傳熱面積，m2；tm對數(shù)平均溫差，。第10頁，共42頁。三、冷凝類型和設(shè)備 冷凝系統(tǒng)的設(shè)計假設(shè)管殼式冷凝器用于冷凝單組分VOCs氣體，氣體的進(jìn)口濃度 為cin，凈化效率為。則需要確定的參數(shù)有：冷凝溫度、冷凝器 熱負(fù)荷、冷凝器尺寸和冷凝劑流量。 確定冷凝溫度出口VOCs分壓 氣液平衡 冷凝溫度68pout

6、=760 cm,g 10 1 0.01 /110cm,gpout 出口VOCs分壓，mmHg cm,g 入口VOCs的濃度，ppmV 凈化效率，%第11頁，共42頁。三、冷凝類型和設(shè)備 冷凝系統(tǒng)的設(shè)計第12頁，共42頁。三、冷凝類型和設(shè)備 冷凝系統(tǒng)的設(shè)計計算冷凝器的熱負(fù)荷: 為達(dá)到去除效率而必須從VOC氣體中取出的熱量。從被冷凝的VOCs氣體脫除的熱量Hcon從未被冷凝的VOCs氣體中脫除的熱量Huncon 熱負(fù)荷熱傳遞系數(shù)冷凝器尺寸 熱量守恒冷凝劑流量以及從不被冷凝的蒸氣(空氣)中脫除的熱量HnoconHload=1.160(HconHunconHnocon)Hcon N,m 1H Cp T

7、e Tcon Huncon No,m 1 Cp Te Tcon Hnocon Q / 22.4 Ni,m Cpair Te Tcon 第13頁，共42頁。第十章 揮發(fā)性有機(jī)污染物控制10-5 燃燒法控制VOCs污染第14頁，共42頁。一、VOCs燃燒轉(zhuǎn)化原理及燃燒動力學(xué) 燃燒反應(yīng)適用于可燃或高溫分解的物質(zhì)：化工、噴涂、絕緣材料不能回收有用物質(zhì)，但可回收熱量燃燒轉(zhuǎn)化原理：C8H17 +12.25O2 8CO2 + 8.5H2O + QC6H6 + 7.5O2 6CO2 + 3H2O + QH2S +1.5O2 SO2 + H2O + QQ燃燒時放出的熱量進(jìn)行物料衡算、熱量衡算及設(shè)計燃燒裝置的依據(jù)

8、第15頁，共42頁。一、VOCs燃燒轉(zhuǎn)化原理及燃燒動力學(xué) 燃燒動力學(xué) 燃燒反應(yīng)速率：單位時間VOCs減少量VOCO2dtmdVOC r k n 多數(shù)情況下，氧氣的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于VOCs濃度VOCdtr dVOC kn 多數(shù)化學(xué)反應(yīng)，k遵循阿累尼烏斯方程k A exp ERT 第16頁，共42頁。一、VOCs燃燒轉(zhuǎn)化原理及燃燒動力學(xué) 燃燒動力學(xué)例題:試計算燃燒溫度分別為538、649和760oC時，去除廢氣中99.9% 的苯所需的時間。積分，得 expk (t t )00當(dāng)T=5380C時，t=17.4 h；當(dāng)T=6490C時，t=49 s； 當(dāng)T=7600C時，t=0.2 s 對一級動力學(xué)反應(yīng)而

9、言，燃燒時間與起始VOCs濃度無關(guān)； 對非一級反應(yīng)（n1）而言，去除給定百分比的污染物質(zhì)所需時間與VOCs起始濃度相關(guān)。VOCdt解：假設(shè)燃燒反應(yīng)為一級，即n=l，r dVOC kn第17頁，共42頁。一、VOCs燃燒轉(zhuǎn)化原理及燃燒動力學(xué) 燃燒與爆炸 燃燒極限濃度范圍爆炸極限濃度范圍 多種可燃?xì)怏w與空氣混合，爆炸極限范圍m100c=abmc1c2ci+式中：cm混合氣體的爆炸極限； cii組分的爆炸極限； a，b，m各組分的百分含量。第18頁，共42頁。一、VOCs燃燒轉(zhuǎn)化原理及燃燒動力學(xué)有機(jī)蒸氣爆炸極限濃度范圍有機(jī)蒸氣爆炸極限濃度范圍按容積，%按重量，g/m3按容積，%按重量，g/m3下限上

10、限下限上限下限上限下限上限醋酸異戊酯2.210119541乙醚1.8540571232丙酮21348.3314甲乙酮1.811.554345汽油1.27環(huán)己酮3.29131368苯1.49.545.5308甲醛77387.5913正丁醇3.710.2114314乙醛45773.31045二氯乙烷6.215.9256656氯乙烯422104573二氯乙烯9.712.8392517丙烯腈31766.2375二甲苯1.16.448.6283環(huán)氧乙烷3.678661430醋酸甲酯3.115.697.1481環(huán)氧丙烷2.538.560.4931甲醇5.53773.4493吡啶1.812.459.2408

11、二硫化碳15031.61580氰化氫64067.5450甲苯1.3749.8268乙醇3.31963.2364醋酸已酯2.211.480.6418部分有機(jī)蒸汽的爆炸極限濃度范圍（1atm，293K）第19頁，共42頁。二、燃燒工藝 直接燃燒適用于可燃有害組分濃度較高或 熱值較高的廢氣溫度在1100oC左右設(shè)備：燃燒爐/窯、鍋爐加入空氣或者輔助燃料第20頁，共42頁。二、燃燒工藝 熱力燃燒適于低濃度廢氣的凈化；溫度低，540820。輔助燃料燃燒提供熱量；廢氣與高溫燃?xì)饣旌线_(dá)到反應(yīng)溫度；在反應(yīng)溫度下，保持足夠的停留時間，使廢氣中可燃的有害組分氧化分解。第21頁，共42頁。二、燃燒工藝廢氣凈化范圍燃

12、燒爐停留時間/s反應(yīng)溫度/碳?xì)浠衔铮℉C銷毀90%以上）0.3 0.5680820碳?xì)浠衔?CO（HC+CO銷毀90%以上）0.3 0.5680820臭味（銷毀50%90%）（銷毀90%99%）（銷毀99%以上）0.3 0.50.3 0.50.3 0.5540650590700650820煙和縷煙白煙（霧滴縷煙消除） HC+CO銷毀90%以上 黑煙（炭粒和可燃粒）0.3 0.50.3 0.50.71.04305406808207601100 熱力燃燒廢氣燃燒凈化所需的溫度、時間條件第22頁，共42頁。二、燃燒工藝 催化燃燒無火焰燃燒，安全性好；溫度低：300450，輔助燃料消耗少；對可燃組

13、分濃度和熱值限制少；去除效率高：90%99.5%；需要對煙氣進(jìn)行除塵等預(yù)處理；煙氣溫度需要預(yù)熱到所用催化劑的起燃溫度；廣泛應(yīng)用于金屬印刷、絕緣材料、漆包線、煉焦、油漆、化工等行業(yè)。第23頁，共42頁。二、燃燒工藝經(jīng)過預(yù)處理的 含VOCs煙氣預(yù)熱煙氣 回收熱量 催化燃燒第24頁，共42頁。二、燃燒工藝 催化燃燒廢氣進(jìn)口多孔板預(yù)熱燃燒器催化床燃燒室換熱器廢氣出口第25頁，共42頁。二、燃燒工藝用于催化燃燒的各種催化劑及其性能催化劑品種活性組分含量，%2000h-1下90%轉(zhuǎn)化溫度，最高使用溫度，Pt-Al2O30.10.5250300650Pd-Al2O30.10.5250300650Pd-Ni、

14、Cr絲或網(wǎng)0.10.5250300650Pd-蜂窩陶瓷0.10.5250300650Mn、Cu-Al2O3510350400650Mn、Cu、Cr-Al2O3510350400650Mn-Cu、Co-Al2O3510350400650Mn、Fe-Al2O3510350400650稀土催化劑510350400700錳礦石顆粒2535300350500 催化燃燒第26頁，共42頁。二、燃燒工藝 燃燒工藝性能比較燃燒工藝直接燃燒法熱力燃燒法催化燃燒法濃度范圍mg.m -3N500050005000處理效率 ，%959595最終產(chǎn)物CO2 、 H2OCO2 、 H2OCO2 、 H2O投資較低低高運(yùn)行

15、費用低高較低燃燒溫度，1100700870300450其他易爆炸、熱能浪 費且易產(chǎn)生二次 污染回收熱能VOCs中如含重金屬、 塵粒等物質(zhì)，則會引起 催化劑中毒，預(yù)處理要 求較嚴(yán)格第27頁，共42頁。吸收（洗滌）法（Absorption）吸收法：采用低揮發(fā)或不揮發(fā)性溶劑對VOCs進(jìn)行吸收，再利用VOCs分子和吸收劑物理性質(zhì)的差異進(jìn)行分離第28頁，共42頁。吸收（洗滌）法（Absorption）吸收劑的要求對被去除的VOCs有較大的溶解性蒸氣壓低易解吸化學(xué)穩(wěn)定性和無毒無害性第29頁，共42頁。吸收（洗滌）法（Absorption）吸收設(shè)備要求氣液有效接觸面積大氣液湍流程度高設(shè)備的壓力損失小易于操作

16、和維修主要設(shè)計指標(biāo)液氣比塔徑填料層高度常用的吸收設(shè)備液相是連續(xù)相氣相是連續(xù)相第30頁，共42頁。吸附（洗滌）法（Adsorption）吸附工藝第31頁，共42頁。吸附（洗滌）法（Adsorption）吸附劑需具備的特性:具有較大的比表面積具有良好的選擇性高機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)和熱穩(wěn)定性吸附容量大來源廣泛，造價低廉良好的再生性能工業(yè)上常用的吸附劑有：活性炭、硅膠、分子篩等第32頁，共42頁。吸附（洗滌）法（Adsorption）活性炭吸附VOCs的性能最佳亦有部分VOCs不易解吸，不宜用活性炭吸附第33頁，共42頁。吸附（洗滌）法（Adsorption）吸附容量利用波拉尼曲線估算多組分吸附過程各組分均

17、等吸附于活性炭上揮發(fā)性強(qiáng)的物質(zhì)被弱的物質(zhì)取代第34頁，共42頁。吸附（洗滌）法（Adsorption）用活性炭吸附蒸氣時，通常放出一定的熱量，導(dǎo)致活性炭及氣流溫度升高，使活性炭吸附能力下降物理吸附吸附熱凝縮熱+潤濕熱估算式吸附熱，kJ/kg已吸附蒸氣量,m3/kg常數(shù)，表10-16（1031）活性炭的吸附熱第35頁，共42頁。第十章 揮發(fā)性有機(jī)污染物控制10-6 生物法控制VOCs污染第36頁，共42頁。一、基本原理被生物降解的難易程度化合物極易芳香族化合物：甲苯、二甲苯 含氧化合物：醇類、醋酸類、酮類 含氮化合物：胺類、銨鹽類容易脂肪族化合物：正己烷 芳香族化合物：苯、苯乙烯 含氧化合物：酚

18、類 含硫化合物：硫醇、二硫化碳、硫氰酸鹽微生物將有機(jī)成分作為碳源和能源，并將其分解為CO2和H2O過程：傳質(zhì)、生物降解化合物降解的難易程度第37頁，共42頁。二、生物法控制VOCs工藝生物洗滌塔(bioscrubbing)：適于處理水溶性好的VOCs第38頁，共42頁。二、生物法控制VOCs工藝生物滴濾塔(trickling biofiltration) 濾料碎石、塑料、陶瓷等無機(jī)材料 循環(huán)噴淋液：提供微生物所需的營養(yǎng)物質(zhì)；調(diào)節(jié)pH；保證濕度；帶走代謝產(chǎn)物；水力沖刷保持生物膜的厚度， 防止生物膜內(nèi)厭氧。第39頁，共42頁。二、生物法控制VOCs工藝0.5-1m厚生物 活性填 料層生物過濾塔（biofiltration）營養(yǎng)液第40頁，共42頁。二、生物法控制VOCs工藝 土壤中的膠狀顆粒具有吸附功能，作為濾料 利用土壤中的細(xì)菌、霉菌的分解作用，去除污染物 可以有效去除丙烷、丁烷、酸、乙醇等土壤法 適宜條件：溫度5-30，相對濕含量50%-70%，pH7-8 土壤混合比例：粘土1.2%、有機(jī)質(zhì)沃土15.3%、細(xì)砂土53.9%、粗砂29.6% 厚度0.51m，通風(fēng)速率0.11m/min。堆肥法 以泥炭、堆肥、木屑等作為濾料，熟化后形成堆肥層適宜微生物生長 微生物含量比土壤法高，因而去除負(fù)荷和凈化率更高 但容易被生物降解，壽命有