环境工程学第七章讲义综述

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1、第七章 气态污染物控制,第七章 气态污染物控制,第一节 吸收净化,第五节 生物净化,第三节 催化转化,第四节 燃烧转化,第六节 气态污染物的其他净化法,第二节 吸附净化,第一节 吸收净化,吸收是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的过程。 该法具有捕集效率高、设备简单、一次性投资低等特点，因此，广泛地用于气态污染物的处理。例如含S02、H2S、HF和NOx等污染物的废气，都可以采用吸收净化。,吸收分为物理吸收和化学吸收。 在大气污染控制过程中，一般是废气量大、成分复杂、吸收组分浓度低，靠物理吸收很难达到排放标准，因此大多采

2、用化学吸收法。 故本章主要讨论伴有化学反应的吸收过程和设备。,一、吸收平衡,物理吸收时，常常用亨利定律来描述气液相间的平衡，即,(71),(72),亨利定律适用于常压或低压下的稀溶液，溶质在气相及液相中的分子状态相同。 如果被溶解的气体分子在溶液中有某种变化(例如化学反应、解离、聚合等)，就会发生对于理想溶液的显著偏差。 此时亨利定律只适用于溶液中未发生化学反应的那部分溶质的分子浓度，而该项浓度则决定于液相化学反应的平衡条件。,下面将从相平衡与化学平衡的关联来讨论化学吸收时的气液 平衡关系。 在有化学反应存在时，溶解于溶剂的溶质量由两部分组成： (1)与气相浓度物理平衡相对应的溶质量； (2)

3、由于化学反应消耗的溶质量，即,(73),设被吸收组分A与溶液中所含的组分B发生相互反应,(74),亨利定律关系式：,(75),化学平衡关系式：,(76),式(76)可变为：,(77),将式(77)代入式(75)得,(78),若已知系统中各组分的初始浓度，则按式(77)、(78)和(73)可计算出气体组分A的总溶解度CA。,在被吸收组分浓度及各反应组分浓度较低的情况下有下列关系式：,二、吸收速率方程,（一）双膜理论,吸收是气相组分向液相转移的过程，由于涉及气液两相问的传质，因此这种转移过程十分复杂； 现已提出了一些简化模型及理论来加以描述，如双膜理论、溶质渗透理论、表面更新理论。 其中双膜理论描

4、述比较直观，易于进行数学处理，应用较为普遍，它不仅用于物理吸收，也适用于气液相反应。,双膜理论假设在气液界面两侧各存在一个静止膜，在气相一侧称为气膜，在液相一侧为液膜，在膜外气体或液体主体中，由于湍流扩散作用而不存在浓度梯度。 气相的扩散阻力全部在气膜内，液相的扩散阻力全部在液膜内，膜内仅发生分子扩散。 因而，气液相间的传质速度，取决于通过气膜和液膜的分子扩散速率。,对于气膜,显然传质系数和膜厚的关系为,在界面上,对于液膜,(722),(723),(724),(725),从而有,(726),而,(727),根据描述分子扩散的费克定律可推出被吸收组分A在气膜和液膜内的传质速度方程，即,（二）伴有

5、化学反应的传质系数,伴有化学反应的传质系数，理论计算很难，一般采用实测或增强系数法。 液相中发生化学反应时，吸收速率的表示仍可采用与传统的物理吸收相同的推动力（cA=cAi-cA），而采用加大的液相传质系数，即选取与物理吸收相同的液相传质分系数kL，再乘以增强系数， kL即为有化学反应的液相传质系数。,三、吸收设备及设计,（一）吸收设备的类型及特点 在吸收过程中，溶质从气相转移到液相是在气液界面进行的，界面积越大，吸收效果越好，各种设备都是为提供较大的气液界面而设计的。 根据产生界面的机制，吸收设备可分为三大类 液膜表面吸收器 气泡表面吸收器 液滴表面吸收器,（二）填料吸收塔的设计计算 1.塔

6、径计算,(733),2. 填料层高度的计算 对于按如下化学计量方程式进行的化学吸收过程： 填料层高度H为： 最终得到：,(734),返回目录,第二节 吸附净化,气体混合物与适当的多孔性固体接触时，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。这种分离气体混合物的过程称为气体吸附。 具有吸附作用的固体称为吸附剂，被吸附的物质称为吸附质。,一、吸附过程 (一)物理吸附和化学吸附 根据吸附力的性质，吸附过程有物理吸附和化学吸附之分。 物理吸附主要是靠分子间的范德华引力产生的，它可以是单分子层吸附，也可以是多分子层吸附，(图7-5左部)； 而化学吸附是靠吸

7、附剂与吸附质之间的化学键力产生的。只能单层吸附(图75右部)。,图7-5,(二)吸附剂及其再生 与水处理中用的吸附剂要求相仿，作为气体净化吸附剂应满足如下要求： (1)有大的比表面积； (2)选择性要好，有利于混合气体的分离； (3)具有一定的粒度、较高的机械强度、化学稳定性和热稳定性； (4)大的吸附容量； (5)来源广泛，价格低廉。,表7-2 常用吸附剂的特性,二、吸附装置 吸附装置可分为固定床、流动床及沸腾床。 在空气污染控制中最常用的是由两个以上的固定床组成的半连续式吸附流程(图76)所示。 气体连续通过床层，当一个达到饱和时，气体就切换到另一个吸附器进行吸附，而达到饱和的吸附床则进行

8、再生。 在这种流程中，气体是连续的，而每个吸附床则是间歇运行。 解吸是导入水蒸汽来实现的。,第三节 催化转化,催化转化是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的方法。 该法与其它净化法的区别在于，无需使污染物与主气流分离。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比。 催化转化的另一特点是对不同浓度的污染物都具有很高的转化率，因此在大气污染控制工程中得到较多的应用。,一、催化作用和催化剂 (一)催化作用 化学反应速度因加入某种物质而改变，而加入物质的数量和性质在反应终了时却不变的作用称为催化作用，加入的物质称为催化剂。 能加快反应速率的称为

9、正催化作用；减慢反应速率的称为负催化。 反应物和催化剂同为一相时称均相催化；反应物和催化剂不同相时称为多相催化。在大气污染控制中，仅利用多相正催化作用，化学反应为催化氧化和催化还原。,催化过程可作如下的简化描述 ：,有反应：,(754),当受到催化剂作用时，有下面反应发生：,(755),(756),根据活性中心及活化络合理论，催化作用起源于催化剂表面上的活性中心对反应物分子的化学吸附，反应分子被活性中心吸附后形成了一种具有活性的络合物，使原分子的化学键松弛，从而降低了活化能。 而活化能的大小直接影响到反应速率的快慢，它们之间用阿累尼乌斯方程表示,(757),（二）催化剂 催化剂通常由主活性物质

10、、载体和助催剂组成。 由于催化作用一般发生在主活性物质表面厚度为2030nm内，因而主活性物质一般附着在惰性载体上。 载体具有两种作用：一是提供大的比表面积，节约主活性物质，提高催化剂活性，二是增大催化剂的机械强度、导热性及热稳定性，延长催化剂的寿命。 助催剂本身无催化性能，但它的少量加入可以改善催化剂性能。 助催剂和主活性物质都附于载体上，做成球状、圆柱状、片状、丝状、网状和蜂窝状等以供选用。,第四节 燃烧转化,燃烧法是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的方法。例如，含烃废气在燃烧中被氧化成无害的二氧化碳和水。 此外燃烧转化还可以消烟、除臭。 现在燃烧法

11、已广泛用于石油工业、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。 燃烧法的工艺简单、操作方便，可回收含烃废气的热能。但是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。,一、燃烧转化原理,(一)燃烧反应 燃烧反应是一种放热的化学反应， 可用普通的热化学方程式表示。 燃烧计算中，一个很重要的参数是空燃比。设质量为m1的燃料需要的空气量为m2，则空气与燃料之质量比AF为：,(770),(二)爆炸极限范围 当混合气体中的氧和可燃组分在一定浓度范围内，某一点被燃着时产生的热量，可以继续引燃周围可燃的混合

12、气体，此浓度范围就是燃烧极限浓度范围。 可燃混合气体在某一点着火后，传播开来，在有控制的条件下，就形成火焰而维持燃烧，若在一个有限空间内迅速蔓延，则形成气体爆炸。 因此，燃烧极限浓度范围也就是爆炸极限浓度范围。,若有几种可燃物与空气混合时，其爆炸极限范围的近似值可按下式计算：,(771),(三)燃烧类型 表75 各类燃烧类型,二、燃烧过程及装置,(一)直接燃烧 浓度高于爆炸下限的废气可在一般的炉、窑中直接燃烧，并回收其热能。 (二)热力燃烧 热力燃烧过程可分为三步：（1）燃烧辅助燃料提供预热能量；（2）高温燃气与废气混合以达到反应温度；（3）废气在反应温度下充分燃烧。 根据废气与火焰接触的状态

13、不同，可分为配焰燃烧和离焰燃烧两种形式。 燃烧室容积： 反应室长度：,(772),(773),图715 配焰燃烧炉,图716 离焰燃烧炉,特点：辅助燃料在配焰燃烧器中形成许多小火焰，废气分别围绕小火焰进入燃烧室，使废气与火馅充分接触，因此能够迅速均匀混合，以使燃烧完全。,特点：辅助燃料先燃烧后混合，火焰较大较长，易于控制，结构简单，但混合较慢，故设计时应着重解决混合问题，如采用旋风燃烧器就是一种好的形式。,(三)催化燃烧 在催化剂存在下，废气中可燃组分能在较低的温度下进行燃烧反应，这种方法能节约燃料的预热，提高反应速度，减少反应器的容积，提高一种或几种反应物与另一种或几种反应物的相对转化率。

14、优点：操作温度较低，燃料耗量小，保温要求不严格，能减少回火及火灾危险。 缺点：催化剂较贵，需要再生，基本建设投资高，大颗粒物及液油应预先除去，不能用于使催化剂中毒的气体。 (四)热能回收 直接燃烧法所释放的热能，应回收利用。热力燃烧和催化燃烧要消耗较多的辅助燃料，因而热回收利用往往成为燃烧法是否经济合理的关键。 热能回收可用于如下途径：,（1）回收废热用以预热进口的冷废气：这样可以节约部份辅助燃料。,图717 回收热量的催化燃烧过程,（2）热净化气再循环：即将排出的高温气先用于预热入口冷废气，随后全部或部分再循环到烘烤炉或干燥炉作为热介质使用，经济效果显著。,图717 有热回收的热力燃烧,（3

15、）废热利用：将高温气体用于废热锅炉产生蒸汽或热水。,返回目录,第五节 生物净化,废气的生物处理是利用微生物的生命活动过程把废气中的气态污染物转化成少害甚至无害的物质。 自然界中存在有各种各样的微生物，因而几乎所有无机和有机的活染物都能被微生物所转化。 生物处理不需要再生过程和其它高级处理。,优点：与其它净化法相比，处理改备简单，费用也低，并可以达到无害化的目的。 应用：生物处理法广泛地应用于废气治理工程中，特别是有机废气的净化，如屠宰厂、肉类加工厂、金属铸造厂的臭气处理。 局限性：不能回收污染物质，只适用于污染物浓度很低的情况。,一、废气的微生物处理原理,废气的生物处理是利用微生物新陈代谢过程

16、中需要营养物质这一特点，把废气中的有害物质转化成无害物质。 按照获取营养的方式不问，用于有害气体生物降解的微生物有两类，即自养菌和异养菌。,根据微生物是需氧还是厌氧，生物处理可分成需氧生物氧化和厌氧生物氧化两大类。 由于废气生物处理是利用微生物的生命活动过程来进行的，所以影响微生物生长的因素也就是影响废气生物处理的因素。影响微生物生长的主要因素有温度、湿度、pH等。因此应根据微生物的种类来选择操作条件。,二、生物净化方法,废气的生物处理的主要方法可分为 活性污泥法 微生物悬浮液法 土壤法 堆肥法,（一）活性污泥法 利用污水处理厂剩余的活性污泥配制混合液，作为吸收剂处理废气。 特点：对脱除复合型臭气效果很好，脱臭效率可达99%，而且能脱除很难治理的焦臭。 影响因素：与活性污泥的浓度（MLSS）、酸碱度（pH）、溶解氧量、曝气强度等因素有关，还受营养盐的浓度和投加方式的影响。在活性污泥中添加50%（质量）的粉状活性炭，能提高分解能力，并起消泡作用。 吸收设备可用喷淋塔、板式塔或鼓