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1、大气污染控制工程,刘建伟2010年7月,注册环保工程师专业考试培训,1.4 气态污染物控制原理,1.4.1 气态污染物成因与控制1.4.2 气体吸收净化1.4.3 气体吸附净化1.4.4 气态燃烧净化1.4.5 气体催化净化,1 气态污染物形成机理 （1）SO2的形成机理 SO2中的硫处于中间价态+4价，因此，它可以由低价态的S2-、S0氧化生成，也可以由高价态的S6+还原生成。大量的SO2都来自于单质硫或硫化物的氧化。如煤、油或矿物中的硫在燃烧中被氧化，硫磺制硫酸等工业过程中，都会产生SO2：S + O2 = SO2 硫化氢的氧化、金属冶炼过程中都会产生SO2： 2H2S +3O2 =2 S
2、O2+2H2OMS + O2 = SO2 + MO 每年向大气中排放的SO2中，化石燃料燃烧产生的SO2约占70%以上。,1.4.1气态污染物成因与控制,（2）NOx的形成机理 通常所说的NOx主要是指NO和NO2。主要是在化石燃料的燃烧过程中生成的。其生成机理主要是指NO、NO2在燃烧过程中生成的机理。在燃烧过程中,产生的NOx分为以下三类： 热力型NOx：在高温燃烧时，空气中的N2和2在燃烧中形成的NOx： N2 + O2 = 2NO N2 + 2O2 = 2NO2 燃料型NOx：燃料中有机氮经过化学反应而生成的NOx 。 快速型NOx：是在火焰边缘形成的快速型NOx，由于生成量很少，一般
3、不考虑。,（3）碳氢化合物的形成机理 碳氢化合物种类很多，从甲烷到长链聚合物的烃类。大气中的挥发性有机物（VOCs），一般是C1-C10化合物及其衍生物，它不完全相同于严格意义上的碳氢化合物，因为它除含有碳和氢原子外，还含有氧、氮、硫和卤素原子。碳氢化合物主要来自燃料燃烧和汽车排气，以及石油炼制和有机化工生产等。除一些简单的未燃尽的挥发成分外，其余主要是多环芳烃，如蒽、萤蒽、苯并、苯并蒽、晕蒽等，大多数具有致癌作用，特别是苯并（a）芘，是一种很强的致癌物质。,（4）碳氧化物的形成机理 碳氧化物主要是指CO和CO2。CO和CO2是各种大气污染物中发生量最大的一类污染物，主要来自燃料燃烧和机动车排
4、气。 （5）硫酸酸雾和硫酸盐气溶胶 大气中的SO2等硫的化合物，在一定条件下会生成 SO3，当有水存在时便生成了硫酸酸雾。如果大气中存在成盐离子（如NH4+等），便生成了硫酸盐气 溶胶。 硫酸酸雾和硫酸盐气溶胶的危害要比SO2大10倍以上。,（6）光化学烟雾的形成机理 光化学烟雾是在阳光照射下，大气中的NOx、碳氢化合物和氧化剂之间发生一系列的光化学反应而生成的蓝色烟雾（有时带些紫色或黄褐色）。它的生成机理很复杂，有以下主要反应过程： 污染空气中NO2的光解是光化学烟雾形成的起始反应； 碳氢化合物被HO、O等自由基和O3氧化，导致醛、酮、醇、酸等产物以及重要的中间产物RO2、HO2、RCO等自
5、由基的生成； 过氧自由基引起NO向NO2的转化，并导致O3和PAN（过氧化乙酰硝酸酯）等的生成。,2、燃烧过程中气态污染物的形成与控制 （1）燃烧过程SO2的控制方法 控制燃烧过程中SO2排放量的主要方法是采用洁净煤技术。 a.洗煤技术 b.煤炭的转化 c.型煤固硫技术 d.流化床燃烧脱硫技术 （2）燃烧过程中的NOx控制 燃烧过程中的控制主要是采用低NOx生成燃烧技术。 a.烟气再循环燃烧法 b.二段燃烧法 c.低过量空气系数燃烧法 机动车排放的NOx，一是改善燃料的燃烧状况，使之少排甚至不排放NOx ；二是安装尾气净化装置，如目前大力推广并大量使用的三元汽车尾气催化净化器。, 燃烧过程中碳
6、的氧化物的控制 控制固定污染源排放的CO的方法很简单，主要是保证燃的充分燃烧。 对于CO2的控制主要是减排。由于CO2的排放因产生温室效应而备受各国重视，联合国有关组织已制定了相应的公约京都议定书，该议定书已于2005年2月16日正式生效，其目标是在2008年至2012年间，将发达国家的二氧化碳等6种温室气体的排放总量在1990年的基础上平均减少5.2，其中欧盟减少8。,气态污染物的净化方法,吸收法 吸附法 冷凝法 膜分离法 催化净化法 燃烧转化法 生物法 电子束法,分离,转化,1、熟悉吸收、吸附、催化净化、燃烧转化、冷凝、生物净化等气态污染物控制技术的基本原理及其适用场合 2、了解相关的设备
7、类型和结构,1.4.2 气体吸收净化,该方法是利用气体混合物中不同组分在吸收剂中溶解度的不同，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技术。分物理吸收法和化学吸收法。捕集效率高、设备简单、投资和运行成本低。, 物理吸收：较简单，可看成是单纯的物理溶解过程；吸收限度取决于气体在液体中的平衡浓度；吸收速率主要取决于污染物从气相转入液相的扩散速度。 化学吸收：吸收过程中组分与吸收剂发生化学反应。吸收限度同时取决于气液平衡和液相反应的平衡条件；吸收速率同时取决于扩散速度和反应速度。 相同点：依据的基本原理以及所采用的吸收设备大致相同。 不同点：化学反应的存在能提高反应速度，使吸
8、收的程度更趋完全。结合大气污染治理工程中所需净化治理的废气，具有气量大，污染物浓度低等特点，实际中多采用化学吸收法。,2008年考题,13,答案：（D）,1.气液平衡,液体,气体,溶质A溶解速度,溶质挥发速度,相际动态平衡,平衡分压, pA* 摩尔分数, yA 摩尔比，YA .,饱和浓度 质量浓度，A 物质的量浓度，cA 摩尔分数，xA 摩尔比，XA,如果温度和总压一定，溶质在液体中的溶解度只取决于溶质在气相的组成。 气-液相平衡关系又称溶解度曲线,（一）气液平衡和亨利定律,2.亨利（Henry）定律 在稀溶液条件下，温度一定，总压不大时， 气体溶质的平衡分压和溶解度成正比：,p*A 溶质在气
9、相中的平衡分压，Pa xA 溶质在液相中的摩尔分数 E 亨利系数，Pa。,亨利系数取决于物系的特性和体系的温度。 亨利系数越大，说明气体越难以溶解于溶剂。 气体在溶剂中的溶解度随着温度的升高是降低的，因此，亨利系数是增大的。 气体在各种条件下的亨利系数通常可以在手册中查到。,物理吸收,（8.2.1）,典型气体在水中的亨利系数,25度时 E (kPa) CO 5.88 106 CO2 1.66 105 H2S 0.552 105 SO2 0.413 104,上述气态物质被水溶解的难易程度？,物理吸收,亨利定律,对于非理想溶液，当总压不高（一般不超过5105Pa）时，温度一定，稀溶液中溶质的溶解度
10、与气相中溶质的平衡分压成正比式中：H、E、m均称为亨利系数，但其单位不同。若cmol/m3，p*Pa，则Hmol/m3Pa；x取摩尔分数，p*Pa，则EPa；y*，x分别为溶质在气相、液相中的摩尔分数m无量纲，又称相平衡常数。,化学吸收的气液平衡,气体溶于液体中，若发生化学反应，则被吸收组分的气液平衡关系应既服从相平衡关系，又应服从化学平衡关系。即有：- 1 设设备吸收组分A与溶液中所含的组分B发生相互反应：,亨利定律关系式：-2 化学平衡关系式： -3,吸收设备的设计,（一）吸收设备的设计计算依据和步骤 1设计计算依据： 单位时间内所处理的气体流量； 气体的组成成分； 被吸收组分的吸收率或净
11、化后气体的浓度； 使用何种吸收液； 吸收操作的工作条件，如工作压力、操作温度等。 其中多数情况下是设计者选定的，但是确定时要考虑到经济效益，取最佳条件。,2设计步骤 （1）吸收剂的选择：吸收剂性能的优劣是决定吸收操作效果的关键之一。要求如下： 对溶质的溶解度大，以提高吸收速度并减少吸收剂的需用量； 对溶质的选择性好，对溶质组分以外的其它组分的溶 解度要很低或基本不吸收；挥发性低,以减少吸收和再生过程中吸收剂的挥发损失 操作温度下吸收剂应具有较低的粘度，且不易产生泡沫以实现吸收塔内良好的气流接触状况；对设备腐蚀性小或无腐蚀性，尽可能无毒；要考虑到价廉，易得，化学稳定性好，便于再生，不易燃烧等经济
12、和安全因素。大气污染治理工程中，常见气态污染物与适宜的吸收剂的组合。,（2）温度和压力： T降低，P升高，则气体溶解度增大。 （3）确定吸收剂的用量根据生产经验，Ls=(1.12)GB(Ls/GB)min;对于低浓度气体的吸收，L=(1.12)G(L/G)min。 （4）根据物料平衡、相平衡、传质速率方程式和反应动 力学方程式确定吸收设备主要尺寸。 （5）压损的计算,1、填料的选择作用：可为气液传质提供良好的传质条件。基本要求： 具有较大的比表面积和良好的润湿性； 有较高的孔隙率（多在0.45-0.95）； 对气流的阻力较小； 填料的尺寸要适当,通常不应大于塔径的1/101/8； 耐腐蚀,机械
13、强度大,造价低,堆积密度小,稳定性好等,（二）填料塔的设计,D取决于处理的气体量Q和适宜的空塔气速u0，即： D塔径，m；Q处理气量，m3/s； u0空塔气速，m/s Q一定时，若u0，D，则动力消耗少，但设备投资高；若u0，D，则动力消耗大，但设备投资少。 u0取值，可由ut确定，u0=0.600.70 ut，其中ut为液泛速率，可从有关手册中查得。,2、塔径的计算,涉及到吸收过程的物料衡算、传质速率方程和相平衡关系。 1.基本计算式,Y,X,dh,对微元填料层作溶质A的物料衡算 ：,微元填料层内的传质速率方程：,dqn经过微元填料层传递的溶质A的量，kmol/s 塔的横截面积，m2 a填料
14、层的有效传质比表面积，m2 / m3,3、填料层高度的计算,将微元填料层物料衡算方程和传质速率方程联立：稳态低浓度吸收：,填料塔的压降：影响动力消耗和正常操作费用。影响压降和液泛气速的因素主要有填料的特性、气体和液体的流量及物理性质等 。目前工程设计中应用最广泛的是埃克特（Eckert）等人提出的填料塔压降、液泛和各种因素之间的关联图。特里包尔对乱堆填料的填料层压降建议公式。,3、填料吸收塔的压力降,气体混合物与适当的多孔性固态接触，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。 该方法广泛应用于化工、冶金、石
15、油、食品、轻工业及高纯气体制备等工业部门，吸附剂具有高的选择性和高的分离效果，能脱除痕量级物质，特别适用于其他方法难以分离的低浓度有害物质和排放标准严格的废气处理。,二、吸附法,（1）适用范围常用于浓度低，毒性大的有害气体的净化，但处理的气体量不宜过大；对有机溶剂蒸汽具有较高的净化效率；当处理的气体量较小时，用吸附法灵活方便。 （2）优点：净化效率高，可回收有用组分，设备简单，易实现自动化控制。 （3）缺点：吸附容量小，设备体积大；吸附剂容量往往有限，需频繁再生，间歇吸附过程的再生操作麻烦且设备利用率低。,1.4.3 气体吸附净化,物理吸附和化学吸附,同一污染物可能在较低温度下发生物理吸附，若温度升高到吸附剂具备足够高的活化能时，发生化学吸附。,
