《催化法净化气态污染物》由会员分享，可在线阅读，更多相关《催化法净化气态污染物（81页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第十三章 催化法净化气态污染物n催化作用和催化原理n催化剂n催化燃烧装置n固定床催化反应器的设计n催化法的应用催化作用和催化原理n催化法定义：利用催化剂在化学反应中的催化作用，将废气中 有害的污染物转化成无害的物质，或转化成更易处理和回 收利用的物质。在大气污染控制工程中，对于有机废气、臭味等 可采用催化燃烧法进行净化。催化燃烧法适用连续排放的废气，且从节约能源 上考虑，排气浓度和温度最好较高；催化燃烧法不适用于 含有大量尘粒、雾滴的废气净化，也不适用于在氧化过程 中产生固体物质的废气以及污染源间歇产生场合的废气净 化。n催化燃烧法的特点在催化剂的作用下，有机化合物氧化成二氧化碳和水废气需预热
2、至200-400操作简便，净化效率稳定，所需外加的能量比直接燃烧法要少，但当浓度较低时耗能比吸附法多 n催化燃烧法的应用在国内，催化燃烧法被广泛用于下列工业中处理可燃废气：石油化工、染料、农药、化学试剂、印刷、油漆喷涂、电线加工等部门和汽车尾气处理。 该法对废气组成有较高要求，废气中不能有过多不参加反应的微粒物质和使催化剂性能降低、寿命缩短 的物质。 n催化作用p催化剂的定义：在化学反应的前后其数量和性 质均未发生变化，且能使化学反应速度加快的物 质。p催化作用：催化剂在化学反应过程中所起的作 用称为催化作用。当催化剂和反应物同处于一个由溶液或气体混 合物组成的均相体系中时，其催化作用称为均相
3、 催化作用。而当催化剂与反应物处于不同的相时(通常催化 剂呈固体，反应物为液体或气体)，其催化作用称 为多相催化(或非均相催化)作用。n催化作用的特征：p催化剂只能加速化学反应的速度，缩短到达平衡的时间，而不能使平衡移动，也不能使热力学上不可能发生的反应发生。p催化作用有特殊的选择性。一种催化剂在不同的化学反应中表现出明显不同的活性；而对相同的反应物，选择不同的催化剂就可得到不同的产物。当发生A+BC的反应，若无催化剂参与反应，反 应所需的活化能为E0，若有催化剂K参与反应，则原反 应会按新路径进行：第一步：A+KAK 活化能为E1第二步：AK+BC+K 活化能为E2化学反应动力学研究表明，反
4、应速度是随活化能的下降而呈指数规律上升的。催化剂加速化学反应速度，正是通过降低活化能而实现的。催化剂使化学反应沿新途径进行。而新的反应历程往往由一系列基元反应组成，而每个基元反应的活化能都明显 小于原反应的活化能（E1+E2 E0），从而大大加速了化学反应速度。 催化剂n催化剂的特殊性能催化剂具有特殊的选择性当反应能按热力学可能的方向同时发生几个不同的反应时 ，某一种催化剂只能加速某一特定反应，而不能加速所有的反应， 这种性质称为催化剂的选择性。 催化剂有它特定的活性温度催化剂发生显著作用的温度，称为活性温度。低于活性温 度范围的下限，反应速度很慢，或不起催化作用；高于活性温度范 围的上限，催
5、化剂会很快衰老或丧失活性，甚至被烧毁。 催化剂有中毒和衰老的特性n催化剂的特殊性能p催化剂中毒由于反应气体中混有某些成分能使催化剂丧失活性 的现象。中毒分 暂时性中毒和永久中毒。前者只要将毒 物除去，催化剂即可恢复活性；后者因毒物与催化剂发生 了化学反应，其活性很难恢复。p催化剂衰老由于催化剂长期处于高温和气流冲刷等恶劣条件下 ，引起的催化剂表面物理结构变化而使活性衰减的现象。n催化剂的组成催化剂形状：球状、圆柱状、片状、网状、蜂窝状等。n主活性物质：单独对反应起催化作用。n载体：通常是惰性物质。提供大的比表面积，节约主活性物质，提高催化剂的活性；增强催化剂机械强度、热稳定性及导热性，延长催化
6、剂的寿命。常用的载体有：活性氧化铝、硅胶、活性炭、硅藻土、分子筛、陶瓷、耐热金属等。n助催剂：助催剂本身无催化性能，但它的少量加入可以改善催化剂的性能。n催化剂的种类p贵金属催化剂其活性高，选择性较小，不易中毒，但资源少，成本高 。p非贵金属催化剂其活性较低，有一定的选择性，资源丰富，成本低，但 易中毒，热稳定性较差。全金属催化剂：以镍、镍铬合金为载体做成带、片、丸、 丝等形状，再把铂、钯“化学镀”或“电镀”在载体上制成化床构件。氧化铝为载体的催化剂：以陶瓷结构作为支架，在其上 涂上一层0.13mm的氧化铝薄层，再把铂、钯金属以微晶状态沉积 或分散在多孔的氧化铝薄层中。n催化剂的选择n活性高，
7、在较低的温度下达到较高的转化 率；n有一定的选择性，尽量不产生副反应；n机械强度高、抗毒性强热稳定性好；成本 低。原则：催化剂要求有很好的活性和选择性、足够的机械强度、良好的热稳定性和化学稳定性，另 外在选择催化剂时还要考虑其经济性。催化燃烧装置n催化床启动加热方式n在催化床下面设有电预热管，利用反应器内部空气的对流和电热管的热辐射将热量传给催化床；n设空气回路，循环空气从预热器获得热量，在穿过床层时把一部分热量传给催化床，再返回预热器重新预热，最后把床温升高至起燃温度之上。催化燃烧的基本净化流程催化燃烧的常用净化流程n催化燃烧装置基本类型n带电预热器的单层绝热式反应器n单靠预热器将气体一次加
8、热到起燃温度 ，因而需要较大的加热功率。n由换热器、预热器和单层绝热床组成的整体装 置n在启动阶段，预热器使反应床和进入反 应床的空气不断升温，直至预热器所供给的热 量全部被设备和换热器的出口气流带出，其加 热功率是前一种的1/3。其阻力较大，占设备总阻力的一半以上，启动时间长，启动过程累计 能耗大。 n催化燃烧装置的主要设备n预热器电热总功率的计算：N=QCP(t2-t1)K/3600N管状加热器总功率，kW； Q处理风量，m3/h； CP废气比热容，kJ/(m3)； t2预热后废气温度，； t1预热前废气温度，； K安全系数，可取1.2；n催化反应器 n催化反应器可分为圆柱形或方形，以方形
9、居多 。内壳宜采用耐热性较好的不锈钢板制造，壳外应 进行良好保温。n采用阻力较小的催化剂时，催化层可采用抽屉 式结构，催化剂装卸较方便。n采用阻力较大的催化剂时，催化层应为筛板、 筛网式结构，以避免气流短路。n催化层厚度一般为50100mm，催化层前后应 酌情设置导向片，以防止气流偏流。n为提到较高的净化效率，空速可取得小些，一 般为10000h-1以下。n换热器 为减少预热用电，燃烧排气余热应优先于废气预热 。换热器一般采用列管式换热器。为了减少气体的阻力， 目前还进行了许多类型的气-气换热器的开发。此外，现今常用的还有蓄热式热交换器。n风机风机最好置于换热器前，使风机在较低温度下使用 。如
10、果风机使用温度在80以上时，则风机轴承部分应采取冷却措施。 p温度控制 催化层前后一般均设有测温热电偶。催化层前温 度应控制为300-350，催化层后温度应不高于600 。启动时应先将催化层预热至200 以上，然后再启动 风机，以减少废气中油烟粘附催化剂上。p循环风量控制 当燃烧后热风在催化层部分再循环或热风直接作 为烘干热源时，为保证燃烧所需氧气量，循环风量应不 大于总风量的45，多余热风经适当换热器后外排。n催化燃烧的操作要点p催化剂寿命催化剂寿命一般为1年以上。处理烘干废气时，催化 剂劣化原因主要是油烟粘附催化剂表面和过热劣化。如果 因油烟和积碳引起劣化，可在400-500下使之充分燃烧
11、 ，活性可明显恢复。如果因过热引起劣化，则只有更换催 化剂才能继续使用。p安全措施 控制废气浓度为爆炸下限的25以下，最好为爆炸 下限的10左右；排风管道气体流速应不小于5ms，以 免回火；废气管道应保温，以减少油烟粘附管道。并应及 时清除管道内的油垢，以免着火；系统中设有的防爆门、 防爆板等泄爆装置应保证完好无损；烘干箱工作后，应及时开启风机，以免烘箱内废气积蓄。 固定床催化反应器的设计n空间速度简称空速，它表示单位时间内单位体积催化剂所能处理 的气体体积。Vsp =QN/VRn接触时间定义为空间速度的倒数，为接触时间，单位为h。 = 1/sp = VR /QNVsp空间速度，Nm3m3(催
12、化剂)h； QN标态下初始反应气体流量，Nm3h； VR催化剂体积，m3。n催化剂装量的计算n数学模型法n用于理论研究和反应器构造优化设计。n经验计算法n采用实验室、中间实验装置及工厂现有 装置中测得的最佳条件（如空速、接触时间） 作为设计依据来进行气固相催化反应器计算的 一种方法。n经验计算法：1、已知空速发Vsp及处理气量QN或已知接触 时间及处理气量QN，求得VR：VR=QN/sp或 VR=QN；2、由颗粒状况确定空塔气速u0，求得反应器 直径DT：DT=QN /u03、求出反应器床层高度L：L=4 VR/(1-) DT2n固定床压力降的计算 液体通过单位床层高引起的压力降变化，Pa/m
13、; g气相密度，kg/m3; ds非球形颗粒的比表面当量直径，m; m空床速度，m/s; 床层空隙率; m磨擦系数。催化法的应用n石油炼厂的H2S尾气的催 化氧化处理回收Sn汽车尾气的催化净化n氮氧化物选择性催化还 原工艺催化氧化法处理石油炼厂尾气的工艺流程 三元催化剂的载体和涂层结构 不同工艺条件下选择性催化剂还原工艺的组合 n马斯河谷事件：1930年12月15日，比利时马斯河谷工业区 处于狭窄盆地中发生气温逆转，工厂排出的有害气体在近地层 积累。3天后，有人发病，症状为胸痛、咳嗽、呼吸困难等。一 周内有60多人死亡。心脏病、肺病患者死亡率最高。n多诺拉事件：1948年10月2631日，美国
14、宾夕法尼亚州多诺 拉镇。该镇处于河谷，10月最后一个星期大部地区受反气旋和 逆温控制，加上2630日持续有雾，使大气污染物在近地层积 累。二氧化硫及其氧化作用的产物与大气中尘粒结合是致害因 素。发病者 5911 人，占全镇总人口43%。症状是眼痛、肢体 酸乏、呕吐、腹泻；死亡17人。n洛杉矶光化学烟雾事件：20世纪40 年代初期，美国洛杉矶全市50多万辆汽 车每天消耗汽油约1600万升，向大气排 放大量碳氢化合物、氮氧化物、一氧化 碳。该市临海依山，处于50千米长的盆 地中，汽车排出的废气在日光作用下， 形成以臭氧气为主的光化学烟雾。光化学烟雾是碳氢化合物和氦氧化物在 阳光作用下发生光化学反应
15、生成的。 美国洛杉矾光化学烟雾事件，其表现是 白色烟雾(有时带紫色或黄褐色)，大气 能见度降低，具有特殊气味，刺激眼睛 和喉粘膜使呼吸困难。其中生成的O3 。可使橡胶制品开裂，使植物叶片变黄 甚至枯萎，烟雾一般发生在相对湿度较 低的夏季晴天，出现在中午或刚过中午 ，夜间消失。大气中光化学氧化剂（ O3 等)浓度很高。n伦敦烟雾事件：伦敦曾多次发生煤烟事件，其中最严 重的一次是于1952年12月5日发生。n1952年12月58日，英国伦敦市。58日，英国几乎 全境为浓雾覆盖，4天中死亡人数较常年同期约多4000人 ：45 岁以上的死亡最多，约为平时3倍；1岁以下死亡 的，约为平时2倍。事件发生的
16、1周中，因支气管炎死亡 的人数是平时的9.3倍。n伦敦型烟雾是由居民、工厂取暖排放的煤烟和冬季早 晨的雾相伴而生。构成这次事件的一次污染物是SO2和煤 尘，其二次污染物主要是硫酸雾和硫酸盐气溶胶。硫酸 雾是大气中的SO2在相对湿度比较高、气温比较低，有煤 烟颗粒物存在时所发生的催化反应而形成的。n四日市哮喘事件：1961年，日本四日市。1955年以来，该市 石油冶炼和工业燃油产生的废气严重污染城市空气。重金属微 粒与二氧化硫形成硫酸烟雾。1961年，哮喘病发作。1967年， 一些患者不堪忍受痛苦而自杀。1972年，全市共确认哮喘病患 者达817 人，死亡10多人。n米糠油事件：1968年3月，日本北九洲市、爱知县一带生产 米糠油时所用的脱臭热载体多氯联苯作，由于生产管理不善， 混入米糠油中，人食用后中毒，患病者超过1400人。至78月 份，患病者超过5000人，其中16人死亡，实际受害者
