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1、第七章 气态污染物控制o吸收净化o吸附净化o催化转化o燃烧转化o生物净化1气体扩散o气态污染物脱除过程的单元操作n流体输送n热量传递n质量传递l气体扩散过程气体扩散过程分子扩散分子运动引起湍流扩散流体质点运动引起2第一节 吸收净化o利用吸收剂将混合气体中的一种或多种组分有选择地吸利用吸收剂将混合气体中的一种或多种组分有选择地吸收分离的过程收分离的过程吸收吸收。具有吸收作用的物质。具有吸收作用的物质吸收吸收剂剂；被吸收的组分；被吸收的组分吸收质吸收质。o根据吸收过程中发生化学反应与否，将吸收分为根据吸收过程中发生化学反应与否，将吸收分为物物理吸收理吸收： 化学吸收化学吸收。o吸收净化法吸收净化法
2、：是利用混合气体各组分在吸收剂中溶解度：是利用混合气体各组分在吸收剂中溶解度不同，或与吸收剂中的活性组分发生化学反应，从而将不同，或与吸收剂中的活性组分发生化学反应，从而将有害物从废气中分离出来。有害物从废气中分离出来。o一般来说，化学反应的存在能提高反应速度，并使吸收一般来说，化学反应的存在能提高反应速度，并使吸收的程度更趋于完全。结合大气污染治理工程中所需净化的程度更趋于完全。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，治理的废气，具有气量大，污染物浓度低等特点，实际实际中多采用化学吸收法中多采用化学吸收法。3吸收机理吸收机理4气液平衡o气液平衡气液平衡吸收过
3、程的传质速率吸收过程的传质速率等于解吸过程的传质速率等于解吸过程的传质速率o溶解度溶解度每每100kg水中溶解气体的水中溶解气体的kg数数n气体的溶解度与温度有关，多数气体的气体的溶解度与温度有关，多数气体的溶解度随温溶解度随温度的升高而降低；度的升高而降低； n温度一定时，温度一定时，P总总增大，溶解度增大增大，溶解度增大 5亨利定律o亨利定律n一定温度下，稀溶液中溶质的溶解度与气相中溶质的平衡分压成正比6o双膜理论双膜理论 关于气液两相的物质传递理论，有关于气液两相的物质传递理论，有 “双膜理论双膜理论”（又（又称称“滞留膜理论滞留膜理论”）、）、“溶质渗透理论溶质渗透理论”、“表面更新理
4、表面更新理论论”等，但以双膜理论的应用最广泛。它不仅适用于等，但以双膜理论的应用最广泛。它不仅适用于分析物理吸收过程分析物理吸收过程,也可用来分析伴有化学反应的化也可用来分析伴有化学反应的化学吸收过程。学吸收过程。o基本论点基本论点： （1）在气液两相接触时存在一个相界面。相界面两侧）在气液两相接触时存在一个相界面。相界面两侧分别存在一层稳定的滞留膜层分别存在一层稳定的滞留膜层气膜和液膜。气膜和液膜。吸收机理7（3）两两相相主主体体中中不不存存在在传传质质阻阻力力，仅仅在在薄薄膜膜中中发发生生浓浓度度变变化化；存存在在分分子子扩扩散阻力。散阻力。（4）在在界界面面上上气气液液两两相相呈呈平平衡
5、衡态态，即即在相界面上无扩散阻力在相界面上无扩散阻力；由此可见：由此可见：传质阻力传质阻力来自气膜和液膜来自气膜和液膜传质推动力传质推动力来自可溶组分的分压差和来自可溶组分的分压差和浓度差浓度差o（2）气液主体流速愈大，膜厚度愈薄。质量传递过程）气液主体流速愈大，膜厚度愈薄。质量传递过程为：为：8传质过程o吸收系数的影响因素n吸收质与吸收剂n设备、填料类型n流动状况、操作条件o吸收系数的获取n实验测定；经验公式计算；准数关联计算9物理吸收o填料塔高度计算水吸收水吸收SO2的平衡线和操作线的平衡线和操作线10化学吸收o化学吸收的优点n溶质进入溶剂后因化学反应消耗掉，溶剂容纳的溶质量增多n液膜扩散
6、阻力降低n填料表面的停滞层仍为有效湿表面11化学吸收两分子反应中相界面附近液相内两分子反应中相界面附近液相内A与与B的浓度分布的浓度分布12化学吸收的气液平衡平衡浓度计算13化学吸收速率o吸收速率n物理吸收时n化学吸收时K K1 1未发生化学反应时的液相传质分系数未发生化学反应时的液相传质分系数未发生化学反应时的液相传质分系数未发生化学反应时的液相传质分系数 由于化学反应使吸收速率增强的系数由于化学反应使吸收速率增强的系数由于化学反应使吸收速率增强的系数由于化学反应使吸收速率增强的系数 相当于选取相同的推动力C, 选用不同的传质系数引入增强系数14吸收设备15吸收设备o喷淋塔16吸收设备17吸
7、收设备o填料塔18填填料料塔塔19第二节 吸附净化o吸附n用多孔固体吸附剂将气体（或液体）混合物中的组分浓集于固体表面n吸附质被吸附物质n吸附剂附着吸附质的物质o优点：效率高、可回收、设备简单，易实现自动化控制o缺点：吸附容量小、设备体积大20吸附机理21物理吸附和化学吸附物理吸附化学吸附1.吸附力范德华力；2.不发生化学反应；3.过程快，瞬间达到平衡；4.放热反应；5.吸附可逆；1.吸附力化学键力；2.发生化学反应；3.过程慢；4.升高温度有助于提高速率；5.吸附不可逆；22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23吸附剂
8、o吸附剂需具备的特性n内表面积大n具有选择性吸附作用n高机械强度、化学和热稳定性n吸附容量大n来源广泛，造价低廉n良好的再生性能24常用吸附剂特性吸附剂类型吸附剂类型活性炭活性炭活性氧化活性氧化铝铝硅胶硅胶沸石分子筛沸石分子筛4A5A13x堆堆积积密密度度 /kg/kgm m-3-32006007501000800800800800热热容容/kJ(kgK)-1-10.8361.2540.8361.0450.920.7940.794操操作作温温度度上上限限/K423773673873873873平均孔径平均孔径/15251848224513再再生生温温度度 /K37341347352339342
9、3473573473573473573比比表表面面积积 / /g-1600160021036060025常用吸附剂特性o分子筛特性26气体吸附的影响因素o操作条件n低温有利于物理吸附；高温利于化学吸附n增大气相压力利于吸附l吸附剂性质吸附剂性质比表面积（孔隙率、孔径、粒度等）27气体吸附的影响因素o典型吸附质分子的横截面积28气体吸附的影响因素o吸附质性质、浓度n临界直径吸附质不易渗入的最大直径n吸附质的分子量、沸点、饱和性o吸附剂活性n单位吸附剂吸附的吸附质的量n静活性吸附达到饱和时的吸附量n动活性未达到平衡时的吸附量29常见分子的临界直径分子分子临界直径临界直径/ /分子分子临界直径临界直
10、径/ /氦氦氢氢乙炔乙炔氧氧一氧化碳一氧化碳二氧化碳二氧化碳氮氮水水氨氨氩氩甲烷甲烷乙烯乙烯环氧乙烷环氧乙烷乙烷乙烷甲醇甲醇乙醇乙醇环丙烷环丙烷丙烷丙烷正丁烷正丁烷-正二十二烷正二十二烷2.02.42.42.82.82.83.03.153.83.844.04.254.24.24.44.44.754.894.9丙烯丙烯1-丁烯丁烯2-反丁烯反丁烯1,3-丁二烯丁二烯二氟二氟- -氯甲烷氯甲烷( (CFC-22)-22)噻吩噻吩异丁烷异丁烷- -异二十二烷异二十二烷二氟二氯甲烷二氟二氯甲烷(CFC-12)-12)环己烷环己烷甲苯甲苯对二甲苯对二甲苯苯苯四氯化碳四氯化碳氯仿氯仿新戊烷新戊烷间二甲苯间
11、二甲苯邻二甲苯邻二甲苯三乙胺三乙胺5.05.15.15.25.35.35.585.936.16.76.76.86.96.96.97.17.48.430气体吸附的影响因素o吸附剂再生 溶剂萃取l活性炭吸附活性炭吸附SO2，可用水脱附可用水脱附 置换再生l脱附剂需要再脱附脱附剂需要再脱附 降压或真空解吸l吸附作用吸附作用，再生温度，再生温度 加热再生31吸附剂再生32吸附平衡o当吸附速度脱附速度时，吸附平衡，此时吸附量达到极限值o极限吸附量受气体压力和温度的影响o吸附等温线 33吸附等温线34m单位吸附剂的吸附量单位吸附剂的吸附量P吸附质在气相中的平衡分压吸附质在气相中的平衡分压K,n经验常数经验
12、常数,实验确定实验确定吸附方程式o弗罗德里希（Freundlich）方程（I型等温线中压部分）nlgm对lgP作图为直线35吸附方程式o朗格缪尔（Langmuir）方程（I型等温线）36吸附方程式oBET方程（I、II、III型等温线，多分子层吸附）37吸附速率o吸附过程 吸附 外扩散（气流主体 外表面） 内扩散（外表面 内表面）38吸附速率o外扩散速率o内扩散速率o总吸附速率方程39吸附工艺o固定床40吸附工艺o移动床41吸附工艺o移动床42吸附工艺o流化床43o流化床吸附工艺44固定床吸附计算45固定床吸附计算46固定床吸附计算47固定床吸附计算o保护作用时间L实际曲线与理论曲线的比较1理
13、论线 2实际曲线48固定床吸附计算o同样条件下o定义动力特性49固定床吸附计算o吸附床长度n假定条件o等温吸附o低浓度污染物的吸附o吸附等温线为第三种类型o吸附区长度为常数o吸附床的长度大于吸附区长度50固定床吸附计算o吸附床长度L L0 0吸附区长度吸附区长度吸附区长度吸附区长度WWA A穿透至耗竭的惰性气体通过量穿透至耗竭的惰性气体通过量穿透至耗竭的惰性气体通过量穿透至耗竭的惰性气体通过量WWE E耗竭时的通过量耗竭时的通过量耗竭时的通过量耗竭时的通过量1-1-f f吸附区内的饱和度吸附区内的饱和度吸附区内的饱和度吸附区内的饱和度51吸附器的压力损失1）图解计算52移动床计算o操作线o吸附
14、速率方程53第三节 催化转化o含尘气体通过催化床层发生催化反应，使污染物转化为无害或易于处理的物质o应用n工业尾气和烟气去除SO2和NOxn有机挥发性气体VOCs和臭气的催化燃烧净化n汽车尾气的催化净化54催化净化工艺段间冷却的四层催化床第二级催化床预除尘和水分填充床吸收塔填充床吸收塔来自冶炼厂或硫磺燃烧的富含SO2的尾气水含有约为初始进气SO2浓度3%的尾气含有约为初始 进 气 SO2浓度0.3%的尾气水单级吸收工艺二级吸收工艺SO2单级和二级净化工艺的流程图催化反应：42055055催化净化工艺催化剂：Pt (Pd,过渡金属，稀土)/Al2O3 等56催化净化工艺NOxNH3 filter
15、 Combustor MixerReactorNOx的选择性催化还原（的选择性催化还原（SCR）57催化净化工艺o车用催化转化器58气体催化净化o催化作用n改变反应历程，降低活化能n提高反应速率 （阿累尼乌斯方程）l显著特征显著特征对于正逆反应的影响相同，不改变化学平衡选择性59催化剂o加速化学反应，而本身的化学组成在反应前后保持不变的物质o组成n活性组分 助催化剂 载体60催化剂的性能o活性WW产品质量产品质量产品质量产品质量WWR R催化剂质量催化剂质量催化剂质量催化剂质量t t反应时间反应时间反应时间反应时间61催化剂的性能o稳定性n热稳定性、机械稳定性和化学稳定性n表示方法：寿命n老化
16、o活性组分的流失、烧结、积炭结焦、机械粉碎等n中毒o对大多数催化剂，毒物：HCN、CO、H2S、S、As、Pb62气固催化反应动力学o反应过程n(1)反应物从气流主体-催化剂外表面n(2) 进一步向催化剂的微孔内扩散n(3)反应物在催化剂的表面上被吸附n(4)吸附的反应物转为为生成物n(5)生成物从催化剂表面脱附下来n(6)脱附生成物从微孔向外表面扩散n(7)生成物从外表面扩散到气流主体(1),(7)：外扩散；(2),(6)内扩散 (3),(4),(5)：动力学过程主气流微孔固相催化剂粒子示意图63催化剂反应动力学o催化剂中的浓度分布64催化剂反应动力学65催化剂反应动力学反应速度取决于带反应
17、速度取决于带反应速度取决于带反应速度取决于带反应反应反应反应( (最慢反应最慢反应最慢反应最慢反应) )，其它都达到平衡，其它都达到平衡，其它都达到平衡，其它都达到平衡例：例：例：例：A AB BRRS S表面反应控制表面反应控制表面反应控制表面反应控制吸附或脱附控制吸附或脱附控制吸附或脱附控制吸附或脱附控制A A的吸附：的吸附：的吸附：的吸附：B B的吸附：的吸附：的吸附：的吸附：表面反应：表面反应：表面反应：表面反应：R R的脱附：的脱附：的脱附：的脱附：S S的脱附：的脱附：的脱附：的脱附：66催化反应动力学方程o表面化学反应速率o对于催化床N NA A反应物反应物反应物反应物A A的流
18、量，的流量，的流量，的流量，kmol/hkmol/hN NA0A0反应物反应物反应物反应物A A的初始流量，的初始流量，的初始流量，的初始流量，kmol/hkmol/hV VR R反应气体体积，反应气体体积，反应气体体积，反应气体体积，mm3 3x x转化率转化率转化率转化率L L反应床长度，反应床长度，反应床长度，反应床长度，mmA A反应床截面积，反应床截面积，反应床截面积，反应床截面积，mm2 2Q Q反应气体流量，反应气体流量，反应气体流量，反应气体流量，mm3 3t t接触时间，接触时间，接触时间，接触时间，h hc cA0A0反应物的初始浓度反应物的初始浓度反应物的初始浓度反应物的
19、初始浓度,kmol/m,kmol/m3 367催化反应动力学方程o宏观动力学方程n外扩散的传质速率68催化反应动力学方程o宏观动力学方程n内扩散反应速率69催化反应动力学方程o催化剂有效系数n反应催化剂微孔内浓度分布对反应速率的影响 在内扩散的影响下l催化剂微孔内表面上反应物很低，沿微孔方向降至平催化剂微孔内表面上反应物很低，沿微孔方向降至平衡浓度衡浓度l催化剂内表面积并未充分利用催化剂内表面积并未充分利用l值较小值较小70催化反应动力学方程o催化剂有效系数n实验测定71催化反应动力学方程o催化剂有效系数n一级不可逆反应72内外扩散的影响o外扩散控制n降低催化剂表面反应物浓度，从而降低反应速度
20、n表现因数：KGn消除方法o提高气速，以增强湍流程度，减小边界层厚度o气速提高到一定程度，转化率趋于定值，外扩散影响消除下限流速73内外扩散的影响o内扩散控制n降低催化剂内反应物浓度，从而降低反应速度n表现因数： n消除方法o尽量减小催化剂颗粒大小o粒径减小到一定程度，转化率趋于定值，内扩散影响消除74催化反应器的设计o设计基础n停留时间o决定反应的转化率o由催化床的空间体积、物料的体积流量和流动方式决定75催化反应器的设计o设计基础n反应器的流动模型o活塞流、混合流o实际流态介于两者之间o反应器内每一点的流态各不相同，停留时间各异o不同停留时间的物料在总量中所占的分率具有相应的统计分布停留时
21、间分布函数o工业上，连续釜式反应器理想混合反应器；径高比大的固定床活塞流反应器76催化反应器的设计o设计基础n空间速度o单位时间通过单位体积催化床的反应物料体积77催化反应器的设计o经验计算法o将催化床作为一个整体o利用经验参数设计o通过中间实验确定最佳工艺条件78催化反应器的设计o数学模型法o反应的动力学方程 物料流动方程物料衡算热量衡算o反应热效应小的催化床等温分布计算79催化反应器的设计o数学模型法o转化率较高的工业反应器，温度分布具有明显的轴向温差o轴向等温分布计算80固定床反应器o最主要的气固相催化反应器n优点: o流体接近于平推流，返混小，反应速度较快o固定床中催化剂不易磨损，可长
22、期使用o停留时间可严格控制，温度分布可适当调节，高选择性和转化率n缺点:o传热差(热效应大的反应，传热和温控是难点)o催化剂更换需停产进行81固定床反应器o单层绝热反应器n结构简单，造价低廉，气流阻力小n内部温度分布不均n用于化学反应热效应小的场合82固定床反应器o多段绝热反应器n相邻两段之间引入热交换83固定床反应器o列管式反应器n用于对反应温度要求高，或反应热效应很大的场合l其他反应器其他反应器径向反应器薄层床反应器自热式反应器84反应器类型的选择n根据反应热的大小和对温度的要求，选择反应器的结构类型n尽量降低反应器阻力n反应器应易于操作，安全可靠n结构简单，造价低廉，运行与维护费用经济8
23、5固定床的阻力计算o颗粒固定床，欧根（Ergun）公式：86固定床的阻力计算n实际计算应根据温度和流量的变化，将床层分段计算 阻力与床高和空塔气速的平方成正比，即与截面积的三次方成反比 与粒径成反比 与孔隙率的三次方成反比87烟气脱硫1、湿法烟气脱硫技术目前世界上已开发的湿法烟气脱硫技术，主要有石灰石(石灰)石膏洗涤法、双碱法、海水脱硫、氨吸收法、氧化镁法等。据国际能源机构煤炭研究组织统计，湿法脱硫占世界安装烟气脱硫的机组总容量的85%，其中石灰石法占36.7%，其他湿法脱硫技术约占48.3%。这些装置中，用于燃煤含硫量小于1%的装置占23%，用于燃煤含硫量1%2%的占28%，用于燃煤含硫量大
24、于2%的占48%。以湿法烟气脱硫为主的国家有日本（98%）、美国(92%)、德国(90%)等。88石灰石石灰石石膏湿法烟气脱硫工艺石膏湿法烟气脱硫工艺89过程化学过程化学90化学过程总反应式化学过程总反应式912、喷雾干燥烟气脱硫工艺（1）工艺流程 在吸收剂喷入吸收塔后，一方面吸收剂与烟气中的SO2发生化学反应，生成固体产物；另一方面烟气将热量传递给吸收剂，使之不断干燥，在塔内脱硫反应后形成的产物为干粉，其部分在塔内分离，由锥体出口排出，另一部分随脱硫后烟气进入电除尘器收集，其工艺流程如图所示。 喷雾干燥烟气脱硫工艺流程包括：(1)吸收剂制备；(2)吸收剂浆液雾化；(3)雾粒与烟气的接触混合；
25、(4)液滴蒸发与SO2吸收；(5)灰渣排出；(6)灰渣再循环。其中(2)(4)在喷雾干燥吸收塔内进行。 9293(2)过程化学过程化学（a）化学过程）化学过程 反应步骤及方程式如下所示。反应步骤及方程式如下所示。 生石灰制浆：生石灰制浆： CaO+H 2OCa(OH) 2 SO2被液滴吸收：被液滴吸收： SO2 + H 2OH2SO4 吸收剂与吸收剂与SO2的反应：的反应： Ca(OH) 2+H2SO3CaSO3+2 H 2O 液滴中液滴中Ca SO3过饱和沉淀析出：过饱和沉淀析出： Ca SO3 (aq) Ca SO3 (s) 部分部分Ca SO3 (aq)被溶于液滴中的氧气所氧化生成硫酸钙
26、：被溶于液滴中的氧气所氧化生成硫酸钙： Ca SO3 (aq)+12 O2Ca SO4 (aq) Ca SO4难溶于水，便会迅速沉淀析出固态难溶于水，便会迅速沉淀析出固态Ca SO4 ： Ca SO4 (aq) Ca SO4 (s) 94（b）物理过程在吸收塔内SO2的吸收过程分为两个阶段进行。第一阶段为恒速干燥阶段。第二干燥阶段，即降速干燥阶段。 绝热饱和温度，此温度与塔内瞬时烟气平均温度之差，决定着雾粒的蒸发驱动力。953、炉内喷钙尾部烟气增湿活化脱硫技术炉内喷钙尾部烟气增湿活化脱硫技术 （LIFAC ）（1）工艺流程（2）过程化学96（1 1）工艺流程）工艺流程 97 LIFAC工艺可以
27、分步实施，第一步 通过石灰石粉喷入炉膛可得到约2535的脱硫率。第二步 进行烟气增湿和脱硫灰再循环，使脱硫率可达到75。 （2）过程化学 LIFAC工艺的化学过程分为二个阶段，第一阶段是在炉膛中进行的化学反应；第二阶段是在活化反应器中进行的反应。在活化器内通过喷入雾化水，使烟气增湿，烟气中未反应的CaO与水反应生成在低温下有很高活性的Ca(OH) 2，Ca(OH) 2与烟气中剩余的SO2反应，生成CaSO3，接着部分被氧化成CaSO4。 CaO+H2OCa(OH) 2 Ca(OH) 2SO2CaSO4+H2O CaSO4+2H2O+1/2O2CaSO4+2H2O98烟气脱硝烟气脱硝1、选择性催
28、化还原选择性催化还原(SCR)烟气脱硝技术烟气脱硝技术（1 1） SCR工艺流程工艺流程99100（2）过程化学SCR的化学反应机理比较复杂，但主要的反应是NH3在一定的温度和催化剂的作用下，有选择地把烟气中的NOx还原为N2。 4NH3+4NO+O24N2+6H20 4NH3+2NO2+O23N2+6H20 通过选择合适的催化剂，反应温度可以降低，并且可以扩展到适合电厂实际使用的290430范围。 催化剂有贵金属催化剂和普通金属催化剂之分。贵金属催化剂由于它们和硫反应，并且昂贵，实际上不予采用，而普通催化剂效率不是太高，也比较贵，并且要较高的温度(300-400)。最常用的金属基含有氧化矾、
29、氧化钛。101NH3和NOx在催化剂上的反应机理，其主要过程为：NH3通过气相扩散到催化剂表面；NH3由外表面向催化剂孔内扩散；NH3吸附在活性中心上；NOx从气相扩散到吸附态NH3表面； NH3与NOx反应生成N2和H2O；N2和H2O通过微孔扩散到催化剂表面；N2和H2O扩散到气相主体。 102选择性非催化还原烟气脱硝技术（选择性非催化还原烟气脱硝技术（SNCR)SNCR) 选择性催化还原脱除NOx的运行成本主要受催化剂寿命的影响，一种不需要催化剂的选择性还原过程或许更加诱人，这就是选择性非催化还原(selective non-catalytic reduction，SNCR)脱除NOx技
30、术。该技术是把含有NH3基的还原剂，喷入炉膛温度为8001100的区域，该还原剂迅速热分解成NH3并与烟气中的NOx进行SNCR反应生成N2。103(1)工艺流程 104(2)过程化学 在炉膛9001100oC这一狭窄的温度范围内、在无催化剂作用下，NH3或尿素等氨基还原剂可选择性地还原烟气中的NOx，基本上不与烟气中的O2作用，据此发展了SNCR法。在900l100oC范围内，NH3或尿素还原NOx的主要反应为： NH3为还原剂 4NH3+4NO+024N2+6H2O 尿素为还原剂 (NH4)2CO2NH3+CO NH3+NON2+H2O CO+NON2+CO2 当温度更高时，NH3则会被氧化为NO，即 4NH3+5O24NO+6H2O 实验证明，低于900C时，NH3的反应不完全，会造成所谓的“氨穿透”，而温度过高，NH3氧化为NO的量增加，导致NOx排放浓度增大，所以，SNCR法的温度控制是至关重要的。105
