催化轉(zhuǎn)化法凈化氣態(tài)污染物課件

催化轉(zhuǎn)化法凈化氣態(tài)污染物

一固定床反應(yīng)器催化轉(zhuǎn)化法凈化氣態(tài)污染物的應(yīng)用三內(nèi)容提要催化作用與催化劑二催化作用與催化劑催化作用與催化劑是利用催化劑在化學(xué)反應(yīng)中的催化作用，將廢氣中有害的污染物轉(zhuǎn)化成無害的物質(zhì)，或轉(zhuǎn)化成更易處理或回收利用的物質(zhì)的方法?；瘜W(xué)反應(yīng)發(fā)生在氣流與催化劑接觸過程中，反應(yīng)物和產(chǎn)物無需與主氣流分離，使操作過程大為簡化，對不同濃度的污染物均具有較高的去除率。對廢氣組成有較高要求，不能有過多不參加反應(yīng)的顆粒物質(zhì)或使催化劑性能降低、壽命縮短的物質(zhì)。催化法凈化氣態(tài)污染物的特點：催化作用與催化劑●催化作用：催化劑在化學(xué)反應(yīng)過程中所起的加速作用

均相催化：催化劑和反應(yīng)物處于同一相

多相催化：催化劑與反應(yīng)物處在不同相對于氣態(tài)污染物的催化凈化而言，催化劑通常是固體，因而屬于氣固相催化反應(yīng)。●催化劑：能夠加速化學(xué)反應(yīng)速率或改變化學(xué)反應(yīng)方向，而其本身的化學(xué)性質(zhì)和數(shù)量在反應(yīng)前后沒有改變的物質(zhì)。催化反應(yīng)機理：催化作用加快反應(yīng)速度的原理是由于催化劑的參與，改變了原來的反應(yīng)途徑。在無催化劑時，A、B兩種物質(zhì)按照下面的方式進行化學(xué)反應(yīng)：

A+BAB

當(dāng)有催化劑K參與時，反應(yīng)過程發(fā)生了變化，即：

A+KAKAK+BAB+K催化作用催化作用阿累尼烏斯方程：

k=k0exp(-E/RT)

反應(yīng)速率是隨活化能的降低呈指數(shù)規(guī)律加快的，催化劑加速反應(yīng)速率正是通過降低活化能來實現(xiàn)的催化劑催化劑的組成：三部分主活性物質(zhì)：主劑，是催化劑起催化作用的主要成分，可以單獨對反應(yīng)產(chǎn)生催化作用，一般發(fā)生在主活性物質(zhì)的表面20～30nm內(nèi)。如貴金屬催化劑的鉑、鈀等。如將二氧化硫氧化為三氧化硫所用的催化劑五氧化二釩。助催化劑：單獨存在時并沒有催化活性，然而它的少量加入，卻能明顯提高活性組分的催化性能（活性、選擇性、穩(wěn)定性和壽命）。例如二氧化硫催化氧化反應(yīng)中所用的五氧化二釩-氧化鉀催化劑中，氧化鉀的存在，可大大提高五氧化二釩的催化活性。

載體：承載活性組分和助催化劑，提供大的比表面積，提高活性組分和助催化劑的分散度。

改善催化劑的傳熱、抗熱沖擊和抗機械沖擊的性能，因此要求選用有一定機械強度、耐磨強度及熱穩(wěn)定性與導(dǎo)熱性好的多孔性惰性材料作載體。常見的催化劑載體有氧化鋁、硅膠、硅藻土、分子篩等。催化劑催化劑的性能：活性、選擇性和穩(wěn)定性活性：是指催化劑加速化學(xué)反應(yīng)速率的能力，通常用單位時間內(nèi)單位體積（或質(zhì)量）催化劑在動力學(xué)范圍內(nèi)指定的反應(yīng)條件下所得到的產(chǎn)品數(shù)量來表示。催化劑公式表示為：

式中：A--------催化劑活性，kg/(h.g)；W--------產(chǎn)品質(zhì)量，kg；t----------反應(yīng)時間，h；WR-------催化劑質(zhì)量，g。選擇性：是指若化學(xué)反應(yīng)在熱力學(xué)上有幾個反應(yīng)方向時，一種催化劑在一定條件下只對其中的一個反應(yīng)起加速作用的特征，表示為：

活性與選擇性是催化劑本身最基本的性能指標(biāo)，是選擇和控制反應(yīng)參數(shù)的基本依據(jù)，二者均可度量催化劑加速化學(xué)反應(yīng)速度的效果，但反映問題的角度不同。活性--------催化劑對提高產(chǎn)品產(chǎn)量的作用；選擇性-----表示催化劑對提高原料利用率的作用；催化劑催化劑

穩(wěn)定性：催化劑在化學(xué)反應(yīng)過程中保持活性的能力。通常用壽命來表示。

包括：（1）熱穩(wěn)定性；（2）機械穩(wěn)定性：（3）抗毒穩(wěn)定性。

影響催化劑壽命的因素主要有：催化劑的老化和中毒。

催化劑的老化：是指催化劑在正常工作條件逐步失去活性過程。催化劑的中毒：是指反應(yīng)物中少量雜質(zhì)使催化活性迅速下降的現(xiàn)象。催化劑a.高活性：要求催化劑具有去除有害物質(zhì)的極高效率，因為氣體中所含有害物質(zhì)濃度低，只有催化劑的活性很高，才能有效地去除有害物質(zhì)。b.高機械強度：因要處理的氣體量往往很大，故要求催化劑具有能承受流體沖刷壓力的強度。c.高選擇性：要處理的氣體中往往成分復(fù)雜，因此，要求催化劑有高的選擇性。d.高穩(wěn)定性：被處理的氣體中通常含有催化劑毒物，因此要求催化劑抗毒能力強，化學(xué)穩(wěn)定性高，壽命長。除此，要求催化劑還要有高的熱穩(wěn)定性和比較寬的溫度范圍。e.其它：要求催化劑易于制造、價廉、使用性能好、耐磨、具有較小的壓力降等。凈化氣態(tài)污染物對催化劑的要求：金屬元素催化劑（鉑，銀，鈀，鐵，銅）化合物為主要活性物質(zhì)（氧化物，硫化物）催化劑用途主要活性物質(zhì)載體助催化劑SO2氧化成SO3V2O56%～12%SiO2K2O或Na2OHC和CO氧化為CO2和H2OPt、Pd、RhNi、NiOCuO、Cr2O3、Mn2O3和稀土類氧化物Al2O3苯、甲苯氧化為CO2和H2OPt、Pd等Ni或Al2O3CuO、Cr2O3、MnO2Al2O3汽車排氣中HC和CO的氧化V2O54%～7%CuO3%～7%Al2O3-SiO2Pt0.01%～0.015%NOx還原為N2Pt或Pd0.5%Al2O3-SiO2Al2O3-MgONiCuCrO2Al2O3-SiO2Al2O3-MgO常用的幾種廢氣凈化催化劑的組成催化劑固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器定義：定義：凡是流體通過不動的固體物料所形成的床層而進行反應(yīng)的裝置都稱作固定床反應(yīng)器。其中尤以用氣態(tài)的反應(yīng)物料通過由固體催化劑所構(gòu)成的床層進行反應(yīng)的氣-固相催化反應(yīng)器占最主要的地位。固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器的特點優(yōu)點:

流體接近于平推流，返混小，反應(yīng)速度較快固定床中催化劑不易磨損，可長期使用停留時間可嚴(yán)格控制，溫度分布可適當(dāng)調(diào)節(jié)，高選擇性和轉(zhuǎn)化率缺點:傳熱差(熱效應(yīng)大的反應(yīng)，傳熱和溫控是難點)催化劑更換需停產(chǎn)進行不能使用細(xì)催化劑固定床反應(yīng)器分類*固定床反應(yīng)器按反應(yīng)中與外界有否熱量交換可以劃分為兩大類：絕熱式和換熱式。絕熱式:單段絕熱床、多段絕熱式反應(yīng)器換熱式：對外換熱式和自身換熱式。固定床反應(yīng)器絕熱式固定床催化反應(yīng)器在反應(yīng)過程中，床層不與外界進行熱量交換，其最外層為隔熱材料層（耐火磚、礦渣棉、玻璃纖維等），常稱作保溫層，作用是防止熱量的傳出或傳入，減少能量損失，維持一定的操作條件并起到安全防護的作用。1.絕熱式反應(yīng)器

固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器1)單層絕熱反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，氣流阻力小內(nèi)部溫度分布不均用于化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)小的場合固定床反應(yīng)器2)多段絕熱反應(yīng)器相鄰兩段之間引入熱交換間接式換熱器2.換熱式反應(yīng)器

當(dāng)反應(yīng)熱效應(yīng)較大時，為了維持適宜的溫度條件，必須利用換熱介質(zhì)來移走或供給熱量。換熱式固定床反應(yīng)器的特點：在催化劑床層進行化學(xué)反應(yīng)的同時，床層還通過器壁與外界進行熱交換。按換熱介質(zhì)的不同，又可分為對外換熱式和自身換熱式。固定床反應(yīng)器1）對外換熱式反應(yīng)器以各種載熱體為換熱介質(zhì)，稱為對外換熱式。化工生產(chǎn)中應(yīng)用最多的是換熱條件較好的列管式反應(yīng)器，其結(jié)構(gòu)類似管殼式熱交換器。通常在管內(nèi)充填催化劑，反應(yīng)氣體自上而下通過催化劑床層進行反應(yīng)，管間通載熱體(在用高壓水或用高壓蒸汽作熱載體時，則把催化劑放在管間，而使管內(nèi)走高壓流體)。

乙炔法合成氯乙烯反應(yīng)器固定床反應(yīng)器列管式固定床反應(yīng)器優(yōu)點：①傳熱較好，管內(nèi)溫度較易控制；②返混小、選擇性較高；③只要增加管數(shù)，便可有把握地進行放大；④對于極強的放熱反應(yīng)，還可用同樣粒度的惰性物料來稀釋催化劑.列管式固定床反應(yīng)器缺點：是結(jié)構(gòu)比絕熱反應(yīng)器復(fù)雜，催化劑的裝卸也不方便。

固定床反應(yīng)器2）自熱換熱式反應(yīng)器以原料氣為換熱介質(zhì)，利用反應(yīng)后的高溫氣體預(yù)熱原料，使其達到反應(yīng)溫度，本身得到冷卻，即反應(yīng)前后的物料在床層中自己進行換熱稱作自熱式反應(yīng)器。只適用于放熱反應(yīng)，而且是原料氣必須預(yù)熱的系統(tǒng)。固定床反應(yīng)器自熱式反應(yīng)器的特點:熱能的利用率高，省能?？梢栽O(shè)計出軸向溫度分布接近最佳溫度分布曲線的床層結(jié)構(gòu)反應(yīng)器熱反饋現(xiàn)象嚴(yán)重，操作控制比較困難，原料氣流量、溫度、組成的變化都會影響熱量平衡和反應(yīng)狀況，引起溫度波動。自熱式反應(yīng)器在開車時需要外部熱源。固定床反應(yīng)器反應(yīng)器類型的選擇：根據(jù)反應(yīng)熱的大小和對溫度的要求，選擇反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)類型盡量降低反應(yīng)器阻力反應(yīng)器應(yīng)易于操作，安全可靠結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，運行與維護費用經(jīng)濟固定床反應(yīng)器催化轉(zhuǎn)化法凈化氣態(tài)污染物的應(yīng)用一、催化法凈化含SO2的廢氣

催化轉(zhuǎn)化法應(yīng)用催化轉(zhuǎn)化法去除SO2主要有催化氧化和催化還原兩大類；催化還原是用CO或H2S作還原劑，在催化劑的作用下將SO2轉(zhuǎn)化成單質(zhì)硫；催化氧化又分為液相催化氧化和氣相催化氧化。液相催化氧化法是利用溶液中的鐵或者錳等金屬離子，將SO2直接氧化成硫酸，即：催化轉(zhuǎn)化法應(yīng)用

日本的千代田法煙氣脫硫就是利用這一原理開發(fā)出來的。該法將SO2氧化成稀硫酸后，可再與石灰石反應(yīng)制成銷路較好的副產(chǎn)品——石膏。千代田法工藝流程圖

1一吸收塔；2一氧化塔；3一儲槽；4—結(jié)晶槽；5—離心機；6—增稠器；7—母液槽

氣相催化氧化法是在接觸法制硫酸工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其關(guān)鍵反應(yīng)是用V2O5作催化劑將SO2氧化SO3。該法處理含高濃度SO2的煙氣，如有色冶煉煙氣，已比較成熟。煙氣脫硫的催化氧化流程

催化轉(zhuǎn)化法應(yīng)用二、催化還原法凈化含NOx廢氣煙氣脫硝技術(shù)脫硝技術(shù)的難點處理煙氣體積大NOx濃度相當(dāng)?shù)蚇Ox的總量相對較大催化轉(zhuǎn)化法應(yīng)用催化轉(zhuǎn)化法應(yīng)用大氣煙塵、酸雨、溫室效應(yīng)和臭氧層的破壞已成為危害人類生存的四大殺手；燃煤煙氣中所含的煙塵、二氧化硫、氮氧化物等有害物質(zhì)是造成大氣污染、酸雨和溫室效應(yīng)的主要根源；我國已經(jīng)開展了大規(guī)模的煙氣脫硫項目，但煙氣脫硝還未大規(guī)模開展；資料表明：如果不繼續(xù)加強對煙氣中氮氧化物的治理，氮氧化物的總量及其在大氣污染物中所占的比重都將上升，并有可能取代二氧化硫成為大氣中的主要污染物。催化轉(zhuǎn)化法應(yīng)用廢氣脫硝是目前發(fā)達國家普遍采用的減少NOx排放的方法

選擇性催化還原法（Selectivecatalyticreduction,SCR）

選擇性非催化還原法（Selectivenon-catalyticreduction,SNCR）SCR的發(fā)明權(quán)屬于美國，日本率先于20世紀(jì)70年代實現(xiàn)商業(yè)化日本93%以上廢氣脫硝采用SCR，運行裝置超過300套；德國20世紀(jì)80年代引進，規(guī)定發(fā)電量50MW以上的電廠都配備SCR；臺灣有100套以上的SCR裝置在運行；大慶石化、川化集團、北京燕山石化、福建漳州電廠引進SCR裝置（1）工藝原理

在催化劑作用下，向溫度為280℃~420℃的煙氣噴入氨，將NO還原成N2和H2O催化劑：貴金屬、堿性金屬氧化物還原反應(yīng)潛在氧化反應(yīng)由于該反應(yīng)沒有其他副產(chǎn)物產(chǎn)生，并且裝置結(jié)構(gòu)簡單，因此適合處理大量煙氣。催化轉(zhuǎn)化法應(yīng)用1、SCR工藝催化轉(zhuǎn)化法應(yīng)用（2）工藝特點根據(jù)CATA.反應(yīng)器在鍋爐尾部煙道的位置，有三種方案：(1)在空氣預(yù)熱器前350攝氏度位置.(2)在靜電除塵器和空氣預(yù)熱器之間(3)布置在FGD(濕法煙氣脫硫裝置)之后（2－1）SCR反應(yīng)器置于空氣預(yù)熱器前的高塵煙氣中鍋爐靜電除塵器SCR反應(yīng)器空氣預(yù)熱器NH3儲罐蒸發(fā)器去濕法煙氣脫硫系統(tǒng)NH3空氣NH3NH3+空氣催化轉(zhuǎn)化法應(yīng)用（2－2）SCR反應(yīng)器置于靜電除塵器與FGD之間鍋爐靜電除塵器SCR反應(yīng)器空氣預(yù)熱器NH3儲罐蒸發(fā)器NH3NH3+空氣濕法煙氣脫硫系統(tǒng)空氣去煙囪空氣催化轉(zhuǎn)化法應(yīng)用（2－3）SCR反應(yīng)器布置在FGD(濕法煙氣脫硫裝置)之后鍋爐靜電除塵器SCR反應(yīng)器空氣預(yù)熱器NH3儲罐蒸發(fā)器NH3NH3+空氣濕法煙氣脫硫系統(tǒng)空氣氣/氣加熱器去煙囪空氣氣/油燃燒器或蒸汽換熱器催化轉(zhuǎn)化法應(yīng)用（3）SCR煙氣脫硝工藝的影響因素/運行控制（3－1）催化劑的活性催化劑是SCR技術(shù)的核心，其形狀一般為板式或蜂窩式；催化劑主要成分為V2O5/TiO2；催化劑壽命化學(xué)失活：堿金屬（Na、K、Ca）和重金屬（As、Pb）引起中毒物理失活：高溫?zé)Y(jié)、磨損、固體顆粒沉積堵塞而引起催化劑破壞催化轉(zhuǎn)化法應(yīng)用（3－2）反應(yīng)溫度不同的催化劑具有不同的反應(yīng)溫度范圍當(dāng)反應(yīng)溫度低于催化劑適用溫度范圍下限：發(fā)生副反應(yīng)，NH3與SO3和H2O反應(yīng)生成(NH4)2SO4或NH4HSO4當(dāng)反應(yīng)溫度高于催化劑適用溫度范圍上限：催化劑通道和微孔發(fā)生變形，失活根據(jù)催化劑的適用溫度范圍，SCR工藝可分為：高溫工藝（345~590℃）、中溫工藝（260~450℃）、和低溫工藝（150~280℃）催化轉(zhuǎn)化法應(yīng)用（3－3）氨的輸入量與混合還原劑NH3的用量根據(jù)期望達到的脫硝效率，通過設(shè)定NH3和NOx的摩爾比來控制；理論上，1mol的NO需要1mol的NH3；催化劑活性不同，達到相同轉(zhuǎn)化率所需NH3/NOX摩爾比不同NH3與廢氣的混合程度也十分