環(huán)境工程學(xué)第7章氣態(tài)污染物控制方法課件

第七章氣態(tài)污染物控制

吸收凈化

吸附凈化

催化轉(zhuǎn)化

燃燒轉(zhuǎn)化

氣態(tài)污染物的其他凈化方法利用氣體混合物中不同組分在吸收劑中溶解度不同，或者與吸收劑發(fā)生選擇性化學(xué)反應(yīng)，從而將有害組分從氣流中分離出來。

特點(diǎn)捕集效率高、設(shè)備簡(jiǎn)單、一次性投資低。

應(yīng)用廣泛地應(yīng)用于氣態(tài)污染物的處理。如SO2、H2S、HF、HCl和Nox等污染物的廢氣，都可以采用吸收凈化。第一節(jié)吸收凈化一.吸收平衡亨利定律：反應(yīng)氣液相的平衡

Pi*:i組分在氣相中的分壓，xi是i組分在液相中的摩爾分?jǐn)?shù)Ei是亨利系數(shù)亨利定律可寫為：吸收組分與溶劑有作用：亨利定律可知：被吸收組分有離解若被吸收組分與溶劑反應(yīng)代入上式二.吸收速率方程基本理論：雙膜理論界面分為氣膜和液膜。氣膜液膜液相主體CAL氣相主體PAGCAiPAiZGZL界面?zhèn)髻|(zhì)速率方程符合費(fèi)克定律氣膜液膜液相主體CAL氣相主體PAGCAiPAiZGZL氣膜與液膜的傳質(zhì)速率相等：令：伴有化學(xué)反應(yīng)的傳質(zhì)系數(shù)根據(jù)實(shí)測(cè)法或增強(qiáng)系數(shù)法，后者用較多。若反應(yīng)中A組分保持幾乎不變，增強(qiáng)系數(shù)可用下式近似計(jì)算：式中，M與組分在液相中的擴(kuò)散速率有關(guān)液相擴(kuò)散系數(shù)對(duì)于普通二級(jí)反應(yīng)，可參考圖7－2

吸收劑的選擇

對(duì)吸收劑的要求（選擇原則）吸收劑對(duì)混合氣體中被吸收組分具有良好的選擇性和較大的吸收能力；吸收劑的蒸汽壓要低，以減少吸收劑損失，避免造成新的污染；沸點(diǎn)高、融點(diǎn)低、粘度低，不易起泡；化學(xué)性能穩(wěn)定，腐蝕性小、無毒性、難燃燒；價(jià)廉易得；易于解吸再生或綜合利用；

吸收劑選擇實(shí)例污染物適宜的吸收劑污染物適宜的吸收劑氯化氫氟化氫二氧化硫氧化氫氧化物硫化氫水、氫氧化物水、碳酸鈉氫氧化鈉、亞硫酸鈉、氫氧化鈣氫氧化鈉、硝酸+亞硫酸鈉二乙醇胺、氨水、碳酸鈉氯氣氨苯酚有機(jī)酸硫酸氫氧化鈉、亞硫酸鈉水、硫酸、硝酸氫氧化鈉氫氧化鈉次氯酸鈉

吸收設(shè)備及其計(jì)算

吸收設(shè)備的分類

按吸收表面形成方式分類表面吸收器兩相接觸表面是靜止液面或流動(dòng)的液膜表面水平液面的表面吸收器液膜吸收器機(jī)械膜式吸收器填料吸收器鼓泡式吸收器氣體以氣泡形式分散于液體吸收劑中連續(xù)鼓泡層吸收器板式吸收器活動(dòng)（浮動(dòng)）填料吸收器液體機(jī)械攪拌吸收器噴灑式吸收器空心（噴嘴式）噴灑吸收器高氣速并流噴灑吸收器機(jī)械噴灑吸收器液體以液滴形式分散于氣體中

按氣液兩相界面形成原理分類具有固定相界面的吸收設(shè)備在氣液兩相流動(dòng)過程中形成相界面的吸收設(shè)備有外部能量引入的吸收設(shè)備

按汽液分散形式分類氣相分散、液相連續(xù)液相分散、氣相連續(xù)氣相與液相相同為分散相板式塔噴淋塔、填料塔文丘里吸收塔

按汽液接觸方式分類連續(xù)接觸式間斷接觸式填料塔、噴淋塔、湍球塔板式塔

常用吸收塔介紹

填料塔要求氣液有效接觸面積大，氣液湍動(dòng)程度高，設(shè)備壓力損失小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易操作維修，投資少，操作費(fèi)用低等。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于用耐腐蝕材料制造，氣液接觸效果好，壓降小。當(dāng)煙氣中含有懸浮顆粒時(shí)，填料容易堵塞，清理檢修時(shí)填料損耗大。

湍球塔氣體流速高，處理能力大；設(shè)備體積小，吸收效率高。隨小球的運(yùn)動(dòng)，有一定程度的返混；段數(shù)多時(shí)阻力較高；塑料小球不能承受高溫，使用壽命短，需經(jīng)常更換。

篩板塔處理能力大，壓降小，在一定的負(fù)荷范圍內(nèi)容易操作，塔板效率高及制作安裝簡(jiǎn)單，金屬耗量省，造價(jià)低。必須維持恒定的操作條件，負(fù)荷范圍比較窄；小孔徑篩孔容易堵塞。篩板塔

填料吸收塔的設(shè)計(jì)

塔徑的計(jì)算處理氣量：根據(jù)實(shí)際的工業(yè)過程而定?？账俣龋阂话阌商盍纤囊悍核俾蔞t

確定，通常取V0=0.60-0.70Vt。

填料塔高度的計(jì)算由過程吸收速率NA和對(duì)吸收效率的要求來確定。

填料吸收塔的壓力降

傳質(zhì)區(qū)內(nèi)傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算傳質(zhì)區(qū)內(nèi)的傳質(zhì)單元數(shù)傳質(zhì)區(qū)內(nèi)的傳質(zhì)單元高度對(duì)整個(gè)吸附床層作物料衡算：在床層的任一截面上：在床層內(nèi)取微元高度作物料衡算：對(duì)于傳質(zhì)區(qū)，則有：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)氣體量：YA=PA/P1XB=CBL/C1òò×=×=AG1AG2A1A2PPAA1sYYAAsaNdPPGaNdYGH

液泛

塔內(nèi)氣相靠壓差自下而上逐板流動(dòng)，液相靠重力自上而下通過降液管而逐板流動(dòng)。顯然，液體是由低壓空間流至高壓空間，因此，降液管中的液流必須有足夠高度，以克服兩板間的壓降而流動(dòng)。

當(dāng)液體流經(jīng)降液管時(shí)，降液管對(duì)液流有各種局部阻力，液流量大則阻力也增大，降液管內(nèi)液面也隨之升高。故氣液相流量增加都能使降液管內(nèi)液面升高。當(dāng)管內(nèi)液體增加到越過溢流堰頂部時(shí)，漫到上層板中去；該層塔板產(chǎn)生積液，并依次上升，這種現(xiàn)象稱為液泛，亦稱淹塔。此時(shí)，塔板壓降上升，全塔操作被破壞，操作時(shí)應(yīng)避免液泛發(fā)生。使氣體混合物與適當(dāng)?shù)亩嗫仔怨腆w接觸，利用固體表面存在的未平衡的分子引力或化學(xué)鍵力，把混合物中某一組分或某些組分吸流在固體表面上。

特點(diǎn)效率高，能回收有用組分，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。但是吸附容量不高。

應(yīng)用廣泛地應(yīng)用于化工、冶金、石油、食品、輕工及高純氣體的制備等工業(yè)部門。吸附凈化特別是用于其它方法難于分離的低濃度有害物質(zhì)和排放標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)格的廢氣處理上效果更好。

吸附過程

物理吸附和化學(xué)吸附

物理吸附

化學(xué)吸附靠分子間的范德華引力產(chǎn)生靠吸附劑與吸附質(zhì)之間的化學(xué)鍵力產(chǎn)生單分子層吸附或多層吸附只能單層吸附

吸附劑及其再生

氣體凈化吸附劑應(yīng)滿足的要求工業(yè)上常用的吸附劑活性炭、活性氧化鋁、硅膠、沸石分子篩等。

具有大的比表面積

具有良好的選擇性吸附作用

吸附容量大

具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和均勻的顆粒尺寸

有足夠的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性

合乎工業(yè)要求的吸附劑應(yīng)滿足要求：

有良好的再生性能

來源廣泛、價(jià)格低廉

純物理吸附

存在化學(xué)反應(yīng)將吸附熱Q重新轉(zhuǎn)給吸附劑再活化能（解吸附能Ed+反應(yīng)熱Qc）

常用的再生方法加熱解吸再生降壓或真空解吸置換再生

吸附劑的再生溶劑萃取選擇合適的溶劑，使吸附質(zhì)在該溶劑中的溶解性能遠(yuǎn)大于吸附劑對(duì)吸附質(zhì)的吸附作用，從而將吸附物溶解下來。

吸附裝置固定床、流動(dòng)床、沸騰床在空氣污染控制中最常用的是將兩個(gè)以上的固定床組成一個(gè)半連續(xù)式吸附流程。

回轉(zhuǎn)床吸附器

流化床吸附器

固定床吸附器

吸附平衡與吸附速率吸附平衡

平衡吸附量

吸附等溫線

等溫吸附方程弗倫德利希方程朗格繆爾方程BET方程Ⅰ型等溫線Ⅰ型等溫線Ⅱ型、Ⅲ型等溫線常用于低濃度氣體，對(duì)高濃度氣體有較大偏差。是目前常用的基本等溫吸附式。當(dāng)比壓P/P0=0.05-0.35時(shí)比較準(zhǔn)確。

吸附速率

吸附過程外擴(kuò)散內(nèi)擴(kuò)散吸附總吸附速率是這幾個(gè)步驟綜合的結(jié)果

吸附速率方程外擴(kuò)散阻力起主要作用內(nèi)擴(kuò)散阻力起主要作用總吸附速率方程

固定床吸附裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算

固定床吸附過程分析

固定床吸附裝置的計(jì)算

根據(jù)穿透點(diǎn)和吸附劑的飽和吸附量求hu0X柱深HΔh

huh2傳質(zhì)吸附區(qū)h2+Δh的床層已飽和，H-Δh的還沒有吸附，所以未用床高為hu。達(dá)到穿透點(diǎn)時(shí)被吸附的總量為：

G：流體流量Θb：穿透時(shí)間Y0：吸附質(zhì)原始濃度，Kg吸附質(zhì)/Kg氣體流量Y0*：流出時(shí)正常濃度，Kg吸附質(zhì)/Kg氣體流量吸附WKg吸附質(zhì)相當(dāng)于有hs高的床層已飽和：X0：吸附劑上原始吸附質(zhì)含量，Kg吸附質(zhì)/Kg吸附劑X0*：與流體相原始組成Y0平衡的吸附劑上吸附質(zhì)含量，Kg吸附質(zhì)/Kg吸附劑未用床高為：

希洛夫近似計(jì)算法假設(shè)：吸附速率無窮大，穿透點(diǎn)濃度極低

Gs：流體流量，Kg/(m2·s)τB：穿透時(shí)間Y0：吸附質(zhì)原始濃度，Kg吸附質(zhì)/Kg吸附劑Z：吸附劑床層高度，mXT：與Y0平衡時(shí)的吸附劑的靜吸附量，Kg吸附質(zhì)/Kg吸附劑

希洛夫近似計(jì)算法前式變化為：由于假設(shè)與實(shí)際有差異，必須扣除初始的死時(shí)間，故公式修正：希洛夫方程

固定床吸附裝置的壓力降吸附床層孔隙率氣體繞吸附劑顆粒流動(dòng)的雷諾數(shù)吸附劑顆粒的平均直徑使氣態(tài)污染物通過催化劑床層，經(jīng)歷催化反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)或易于處理和回收利用的物質(zhì)。

特點(diǎn)避免了其它方法可能產(chǎn)生的二次污染，又使操作過程得到簡(jiǎn)化。對(duì)于不同濃度的污染物都具有很高的轉(zhuǎn)化率。

應(yīng)用碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化為二氧化碳和水，氮氧化物轉(zhuǎn)化成氮，二氧化硫轉(zhuǎn)化成三氧化硫而加以回收利用，有機(jī)廢氣和臭氣的催化燃燒，以及汽車尾氣的催化凈化等。催化轉(zhuǎn)化與其它凈化方法的區(qū)別：無需使污染物與主氣流分離。

缺點(diǎn)催化劑價(jià)格較高，廢氣預(yù)熱要消耗一定的能量。

催化作用和催化劑

催化作用

概念

催化劑加速反映速度的實(shí)現(xiàn)

催化劑的特性

催化劑

催化劑的組成

催化轉(zhuǎn)化法選用催化劑的原則

氣固催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

氣固催化反應(yīng)過程

氣固催化反應(yīng)的七個(gè)步驟

外擴(kuò)散過程

內(nèi)擴(kuò)散過程

吸附過程

表面反應(yīng)過程

脫附過程

內(nèi)擴(kuò)散過程外擴(kuò)散過程表面化學(xué)過程

氣固催化反應(yīng)器及計(jì)算

氣固催化反應(yīng)器固定床、移動(dòng)床、流化床應(yīng)用最廣泛

單層絕熱反應(yīng)器

多段絕熱器

列管式反應(yīng)器適宜反應(yīng)熱效應(yīng)較小，對(duì)溫度變化不敏感以及副反應(yīng)較少的情況。適宜中等熱效應(yīng)的反應(yīng)。適用于床溫分布要求很嚴(yán)、反應(yīng)熱特別大的情況。

固定床反應(yīng)器的計(jì)算

數(shù)學(xué)模型法

經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法

空間速度

接觸時(shí)間

床層高度

所需催化劑體積

固定床的壓力降

λm：摩擦阻力系數(shù)μ：氣體黏度U0：空床速度de：顆粒體積表面積平均直徑，通過熱氧化作用將廢氣中的可燃有害成分轉(zhuǎn)化為無害或易于進(jìn)一步處理和回收物質(zhì)；而且還可以消煙、除臭。

特點(diǎn)工藝簡(jiǎn)單、操作方便，可回收含烴廢氣的熱能。

應(yīng)用廣泛用于石油工業(yè)、有機(jī)化工、食品工業(yè)，涂料和油漆的生產(chǎn)、金屬漆包線生產(chǎn)、紙漿和造紙、動(dòng)物飼養(yǎng)場(chǎng)、城市廢物的干燥和焚燒處理場(chǎng)等主要含有機(jī)污染物的廢氣治理。燃燒轉(zhuǎn)化處理可燃組分含量低的廢氣時(shí)，需預(yù)熱耗能，應(yīng)注意熱能的回收。

燃燒類型直接燃燒熱力燃燒催化燃燒

燃燒過程及裝置

直接燃燒濃度高于爆炸下限的廢氣可在一般的爐、窯中直接燃燒。在石油工業(yè)和石油化學(xué)工業(yè)中，主要是“火炬”燃燒。

熱力燃燒燃燒輔助燃料提供預(yù)熱能量；高溫燃?xì)馀c廢氣混合以達(dá)到反應(yīng)溫度；廢氣在反應(yīng)溫度下充分燃燒。燃燒過程優(yōu)點(diǎn)：可除去有機(jī)物及超微細(xì)顆粒物，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用空間小，維修費(fèi)用低。缺點(diǎn)：操作費(fèi)用高，有回火及火災(zāi)的可能性。

催化燃燒在催化劑存在下，廢氣中可燃組分能在較低的溫度下進(jìn)行燃燒反應(yīng)。優(yōu)點(diǎn)：操作溫度低，燃料耗量低，保溫要求不嚴(yán)格，能減少回火及火災(zāi)危險(xiǎn)。缺點(diǎn)：催化劑較貴，需要再生，基本建設(shè)投資高。大顆粒物及液滴應(yīng)預(yù)先除去，不能用于使催化劑中毒的氣體。

熱能回收

火炬燃燒的優(yōu)點(diǎn)

缺點(diǎn)安全、簡(jiǎn)單、成本低不能回收熱能將廢氣連續(xù)通入煙筒，在煙筒末端進(jìn)行燃燒。火炬燃燒熱力燃燒催化燃燒利用不同物質(zhì)在不同溫度下具有不同飽和蒸汽壓這一性質(zhì)，采用降低系統(tǒng)溫度或提高系統(tǒng)壓力，使處于蒸汽狀態(tài)的污染物冷凝并從廢氣中分離出來。

適用性不適宜處理低濃度的廢氣，常作為吸附、燃燒等凈化高濃度廢氣的前處理。冷凝法特別適用于處理廢氣濃度在10000ppm以上的有機(jī)溶劑蒸汽。

冷凝原理

露點(diǎn):一定壓力下，氣體物質(zhì)開始冷凝出現(xiàn)第一個(gè)液滴時(shí)的溫度

泡點(diǎn)：一定壓力下，液體加熱出現(xiàn)第一個(gè)氣泡的溫度

接觸冷凝被冷卻的氣體與冷卻液或冷凍液直接接觸。有利于傳熱，但冷凝也需進(jìn)一步處理。

接觸冷凝設(shè)備噴射器、噴淋塔、氣液接觸塔

表面冷凝

表面冷凝設(shè)備列管冷凝器、翅管空冷冷凝器、淋灑式冷凝器、螺旋板冷凝器

蒸汽在間壁上的冷凝形式膜狀冷凝、滴狀冷凝利用微生物的生命活動(dòng)過程把廢氣中的氣態(tài)污染物轉(zhuǎn)化成少害甚至無害的物質(zhì)。

特點(diǎn)不需要再生過程和其它高級(jí)處理，與其它凈化法相比，其處理設(shè)備簡(jiǎn)單，費(fèi)用也低，并可以達(dá)到無害化的目的。

應(yīng)用廣泛地應(yīng)用于廢氣治理工程中，特別是有機(jī)廢氣的凈化，如屠宰廠、肉類加工廠、金屬鑄造廠的臭氣處理。生物凈化

缺點(diǎn)不能回收污染物質(zhì)，只適用于污染物濃度很低的情況。

廢氣的生物處理原理

生物處理設(shè)備

生物凈化廢氣的方式

生物吸收方法

生物過濾法先把污染物從氣相轉(zhuǎn)移到水中，然后進(jìn)行廢水的微生物處理。用附著在固體過濾材料表面的微