氣態(tài)污染物的凈化

關(guān)于氣態(tài)污染物的凈化第1頁，共27頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)34分，星期五氣態(tài)污染物的凈化，就是利用化學(xué)、物理及生物等方法，將污染物從廢氣中分離或轉(zhuǎn)化。氣態(tài)污染物的凈化有多種方法，廣泛采用的吸收法、吸附法、燃燒及催化轉(zhuǎn)化法，其他的方法還有冷凝、生物凈化、膜分離及電子輻射-化學(xué)凈化等。氣態(tài)污染物的凈化可采用一種凈化方法，或多種方法聯(lián)合使用。

第2頁，共27頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)34分，星期五第一節(jié)氣態(tài)污染物的吸收凈化方法吸收是利用氣態(tài)污染物對某種液體的可溶性，將氣態(tài)污染物（溶質(zhì)）溶入液相(吸收劑或溶劑)，又稱濕式凈化。吸收分為物理吸收和化學(xué)吸收，前者是簡單的物理溶解過程，后者在吸收過程中氣體組分與吸收劑還發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。由于工業(yè)廢氣往往是氣量大、氣態(tài)污染物含量低、凈化要求高，物理吸收難于滿足要求，化學(xué)吸收常常成為首選的方案。第3頁，共27頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)34分，星期五一、氣液傳質(zhì)的基本原理

1.雙膜理論吸收過程的實(shí)質(zhì)是物質(zhì)由氣相轉(zhuǎn)入液相的傳質(zhì)過程。傳質(zhì)過程是，被吸收組分從氣相主體對流擴(kuò)散到氣膜表面，再以分子擴(kuò)散通過氣膜到達(dá)相界面，進(jìn)入液膜后又以分子擴(kuò)散通過液膜，最后通過對流擴(kuò)散進(jìn)入液相主體，直到氣液兩相完全平衡后傳質(zhì)停止。如果此時(shí)再增加被吸收組分的氣相分壓增加，或降低液相中該組分的濃度，傳質(zhì)繼續(xù)進(jìn)行。

第4頁，共27頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)34分，星期五2．傳質(zhì)速率傳質(zhì)速率是指被吸收氣體組分在單位時(shí)間，通過相界面單位面積傳遞的物質(zhì)量，也稱為吸收速率。傳質(zhì)方程式以總傳質(zhì)量MA(即組分A在t時(shí)間內(nèi)通過F界面的量)來表示強(qiáng)化傳質(zhì)過程的因素有：①提高可吸收組分A的分壓pA或降低溶液中組分A的濃度cA，均可增加傳質(zhì)動力；②增大傳質(zhì)界面F可增加質(zhì)量傳遞，如細(xì)化噴淋的吸收液液滴以增大總傳質(zhì)面積；③延長氣液的接觸時(shí)間t，如通過控制氣流速度來確定；④增大總傳質(zhì)系數(shù)K，即減小傳質(zhì)阻力，可以明顯強(qiáng)化傳質(zhì)過程。

第5頁，共27頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)34分，星期五易溶氣體，傳質(zhì)總阻力幾乎等于氣相傳質(zhì)阻力，即傳質(zhì)阻力主要在氣相，此種情況稱為氣膜控制，其特點(diǎn)是只要?dú)庀嘟M分分壓略為增加，則液相中相應(yīng)的平衡濃度就會增加很多，如水對HCl、NH3的吸收；難溶氣體，傳質(zhì)總阻力幾乎等于液相傳質(zhì)阻力，即傳質(zhì)阻力主要在液相，稱為液膜控制，這種情況即使氣相組分分壓有較大的變化，液相的濃度變化也很小，如用水吸收CO2、O2，N2、CO、H2S等；中等溶解度氣體，氣膜阻力與液膜阻力均不能忽略，稱為兩膜控制，如水對SO2的吸收。第6頁，共27頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)34分，星期五當(dāng)吸收過程為氣膜控制時(shí)，應(yīng)增大氣相湍動程度；當(dāng)吸收為液膜控制時(shí)，應(yīng)增加液相湍流程度，均可增加傳質(zhì)速率。通常，使氣體處于分散相，如采用孔板的板式塔，則液體流動減小液膜阻力，適用于難溶氣體吸收的液膜控制過程；而使液體成為分散相，如噴淋塔將液體高度霧化噴入氣相，則液滴周圍流動氣體的擴(kuò)散阻力較小，更適合于易溶氣體吸收的氣膜控制過程。第7頁，共27頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)34分，星期五（三）化學(xué)吸收1．化學(xué)平衡與相平衡

化學(xué)吸收是指溶質(zhì)被吸收時(shí)，選擇溶劑中某些活性組分進(jìn)行明顯的化學(xué)反應(yīng)，如用堿溶液吸收CO2、SO2、H2S或用各種酸溶液吸收NH3等?；瘜W(xué)吸收過程既服從上述的氣、液相平衡關(guān)系，同時(shí)也服從化學(xué)平衡關(guān)系。它的吸收速率除了與物理吸收過程中被吸收組分在氣膜和液膜中的擴(kuò)散速率有關(guān)外，還與化學(xué)反應(yīng)速率有關(guān)。2.化學(xué)吸收的傳質(zhì)速率化學(xué)吸收與物理吸收相比較，氣相一側(cè)兩者均可用物理吸收的傳質(zhì)速率方程式表示，而化學(xué)吸收相當(dāng)于增大了液相的傳質(zhì)動力和傳質(zhì)分系數(shù)，因此提高了傳質(zhì)速率。

第8頁，共27頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)34分，星期五（四）吸收裝置

吸收裝置主要是塔式容器，應(yīng)滿足下列基本要求：①氣液接觸面大，接觸時(shí)間長；②氣液之間擾動強(qiáng)烈，吸收效率高；③流動阻力小，工作穩(wěn)定；④結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，投資和運(yùn)行維修費(fèi)用低；⑤具有抗腐蝕和防堵塞能力。常用的吸收裝置有填料塔、湍流塔、板式塔、噴淋塔、和文丘里吸收器等。第9頁，共27頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)34分，星期五第二節(jié)氣態(tài)污染物的吸附凈化方法1.吸附現(xiàn)象吸附現(xiàn)象也分為物理吸附和化學(xué)吸附兩種。物理吸附是由固體吸附劑分子與氣體分子間的靜電力或范德華力引起的，兩者之間不發(fā)生化學(xué)作用，是一種可逆過程?；瘜W(xué)吸附是由于固體表面與被吸附分子間的化學(xué)鍵力所引起，兩者之間結(jié)合牢固，不易脫附，該吸附需要一定的活化能，故又稱活化吸附。物理吸附與化學(xué)吸附的主要區(qū)別有：①吸附熱。物理吸附多為放熱過程，其吸附熱較小(102～103J/mo1)，與氣體的液化熱接近，而化學(xué)吸附的吸附熱很大(＞42kJ/mo1)，與化學(xué)反應(yīng)熱相近；②溫度。物理吸附不需要活化能，吸附與脫附速率一般不受溫度的影響；③選擇性。物理吸附與化學(xué)吸附往往同時(shí)發(fā)生，但以某一種吸附為主。如在低溫下，主要是物理吸附，而在較高的溫度下，就可能轉(zhuǎn)為化學(xué)吸附為主。第10頁，共27頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)34分，星期五2.吸附的基本原理（1）吸附平衡。在一定溫度下，吸附質(zhì)與吸附劑充分接觸后，吸附質(zhì)附著于吸附劑上的吸附速度和吸附質(zhì)脫離吸附劑表面的解吸速度相等時(shí)，即吸附質(zhì)在氣相中的濃度與在固相吸附劑表面的濃度達(dá)到動態(tài)平衡而不再改變，稱為吸附平衡。此時(shí)的吸附量和吸附質(zhì)在氣相中的壓力(或濃度)分別稱為平衡吸附量和平衡壓力(或平衡濃度)，是吸附的極限，一定溫度下兩者的關(guān)系可以用吸附等溫方程或吸附等溫曲線來描述。第11頁，共27頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)34分，星期五3.吸附劑工業(yè)吸附劑應(yīng)具備的條件為：①具有巨大內(nèi)表面積、較大的吸附容量的多孔性物質(zhì)；②對不同的氣體分子具有很強(qiáng)的吸附選擇性；③吸附快且再生特性良好；④具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，對酸、堿、水、高溫的適應(yīng)性；用于物理吸附時(shí)要有化學(xué)穩(wěn)定性。⑤價(jià)格低廉，來源廣泛。第12頁，共27頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)34分，星期五工業(yè)上常用的吸附劑有活性炭、硅膠、活性氧化鋁、分子篩、沸石等。（1）活性炭。活性炭是常用的吸附劑。由于它的疏水性，主要用于吸附濕空氣中的有機(jī)溶劑、惡臭物質(zhì)，以及煙氣中的S02、NOx或其它有害氣體。具有比表面積大、吸附及脫附快，性能穩(wěn)定，耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，但具有可燃性，使用溫度一般不超過200℃。（2）硅膠。硅膠具有很強(qiáng)的親水性，它吸附的水分量可達(dá)自身質(zhì)量的50％，吸濕后吸附能力下降，因此常用于含濕量較高氣體的干燥脫水、烴類氣體回收，以及吸附干燥后的有害廢氣。硅膠是將硅酸鈉溶液（水玻璃）用酸處理后得到硅酸凝膠，再經(jīng)水洗、干燥脫水制得的堅(jiān)硬多孔的粒狀無晶形氧化硅。第13頁，共27頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)34分，星期五（3）活性氧化鋁?；钚匝趸X可用于氣體和液體的干燥，石油氣的濃縮、脫硫、脫氫，以及含氟廢氣的治理。含水氧化鋁在嚴(yán)格控制的升溫條件下，加熱脫水便制成多孔結(jié)構(gòu)的活性氧化鋁，具有良好的機(jī)械強(qiáng)度。（4）分子篩。分子篩被廣泛用于廢氣治理中的脫硫、脫氮、含汞蒸氣凈化及其他有害氣體的吸附。它是一種人工合成沸石，具有立方晶體的硅酸鹽，屬于離子型吸附劑。因其孔徑整齊均勻，能選擇性地吸附直徑小于某個(gè)尺寸的分子，故有很強(qiáng)的吸附選擇性。由于分子篩內(nèi)表面積大，因此吸附能力較強(qiáng)。通常，污染物分子較小的選用分子篩，分子較大應(yīng)選用活性炭或硅膠；對無機(jī)污染物宜用活性氧化鋁或硅膠，對有機(jī)蒸氣或非極性分子則用活性炭。第14頁，共27頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)34分，星期五再生的方法：①加熱解吸再生（變溫吸附）。等壓下，一般吸附容量隨溫度升高而減少，故可在低溫下吸附，然后在高溫加熱下吹掃脫附；②降壓或真空解吸（變壓吸附）。恒溫下，吸附容量隨壓力降低而減少，則可采用加壓吸附，減壓或真空下脫附；③溶劑置換再生（變濃度吸附）。對不飽和烯烴類等某些熱敏性吸附質(zhì)，可以采用親合力較強(qiáng)的解吸溶劑進(jìn)行置換，使吸附質(zhì)脫附，然后加熱床層脫附解吸劑，使吸附劑再生。并利用吸附質(zhì)與解吸劑之間的沸點(diǎn)不同，采用蒸餾的方法分離。第15頁，共27頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)34分，星期五第三節(jié)主要?dú)鈶B(tài)污染物的治理技術(shù)

大氣的主要?dú)鈶B(tài)污染物有硫化合物、含氮化合物、碳氧化合物、碳?xì)浠?、鹵素化合物、硫酸煙霧、光化學(xué)煙霧等

一、含二氧化硫廢氣的治理技術(shù)1.干法煙氣脫硫干法煙氣脫硫技術(shù)包括電子束法、脈沖電暈法、荷電干粉噴射法、催化氧化法、活性炭吸附法、和流化床氧化銅法等。第16頁，共27頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)34分，星期五（1）電子束法。電子束脫硫技術(shù)是一種物理與化學(xué)方法相結(jié)合的的高新技術(shù)。它利用電子加速器產(chǎn)生的等離子體氧化煙氣中的SO2（NOx），并與注入的NH3反應(yīng)，生成硫銨和硝銨化肥，實(shí)現(xiàn)脫硫、脫硝目的。在輻射場中，燃煤煙氣中的主要成分O2、H2O(氣)，吸收高能電子的能量，生成大量反應(yīng)活性極強(qiáng)的活性基團(tuán)和氧化性物質(zhì)，如O、OH、O3、H2O，這些氧化性物質(zhì)與氣態(tài)污染物進(jìn)行各種氧化反應(yīng)。脫硫效率≥90％，可同時(shí)脫硫脫硝，投資較低，副產(chǎn)物可用作肥料，無廢渣排放，但運(yùn)行電耗高，運(yùn)行成本還受到肥料市場的直接影響。第17頁，共27頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)34分，星期五（2）氣相催化氧化法。干式氣相催化氧化已實(shí)際應(yīng)用于有色金屬冶煉和鍋爐煙氣脫硫。除塵凈化后的含SO2煙氣進(jìn)入催化轉(zhuǎn)化器，在一定溫度下通過催化劑作用，將SO2氧化為SO3，繼而轉(zhuǎn)化為硫酸加以收集。SO2的氧化反應(yīng)為：實(shí)際上，這是一個(gè)可逆放熱反應(yīng)，因此降低反應(yīng)溫度和提高反應(yīng)壓力有利于反應(yīng)的進(jìn)行。能加速SO2轉(zhuǎn)化反應(yīng)的催化劑很多，鉑的活性最高，但價(jià)格昂貴且易中毒，一般不使用；Cr2O3、Fe2O3等金屬氧化物也具有一定的活性，但使用溫度過高受到限制；只有以SiO2為載體的V2O5價(jià)格便宜又不易中毒，且在最低溫度下(500～550℃)活性最高，目前在硫酸生產(chǎn)被廣泛采用。第18頁，共27頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)34分，星期五2.半干法煙氣脫硫半干法煙氣脫硫技術(shù)包括旋轉(zhuǎn)噴霧干燥法、爐內(nèi)噴鈣增濕活化法等。（1）旋轉(zhuǎn)噴霧干燥法。將石灰Ca(OH)2或Na2CO3等制成的漿液噴入霧化干燥反應(yīng)器，霧化后的堿性液滴吸收煙氣中SO2，同時(shí)煙氣的熱量使液滴干燥形成石膏固體顆粒，再用袋式除塵器將固體顆粒分離。（2）爐內(nèi)噴鈣－爐后增濕活化脫硫。將石灰石粉噴入爐膛中850～1150℃煙溫區(qū)，完成脫硫反應(yīng)之外，在空氣預(yù)熱器后增設(shè)了一個(gè)獨(dú)立的活化反應(yīng)器，在這里噴霧化水或蒸汽使煙氣中未反應(yīng)的CaO增濕活化，進(jìn)行水合反應(yīng)生成Ca(OH)2，接著與煙氣中SO2反應(yīng)生成CaSO3，部分CaSO3進(jìn)一步氧化成CaSO4。煙氣經(jīng)過加水增濕活化和干脫硫灰再循環(huán)，可使總脫硫率達(dá)到75％以上，若將干脫硫灰加水制成灰漿噴入活化器增濕活化，可使總脫硫率超過85％。第19頁，共27頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)34分，星期五3.濕法脫硫第20頁，共27頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)34分，星期五二、含氮氧化物廢氣的治理技術(shù)控制NOx排放的重點(diǎn)是對燃料燃燒過程及其排放物的治理，主要方法有改變?nèi)紵龡l件和廢氣脫硝兩種。廢氣脫硝是NOx控制措施中最重要的方法。廢氣脫硝技術(shù)可分為干法和濕法兩類，與NO的氧化、還原和吸附的特性有關(guān)。干法有氣相還原法、分子篩或活性炭吸附法等，濕法有采用各種液體（水、酸、堿液等）的氧化吸收法。第21頁，共27頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)34分，星期五1.催化還原法催化還原工藝是一種廣泛用于廢氣脫硝的成功的技術(shù)。（1）選擇性催化還原法SCR(SelectiveCatalyticReduction)。該法因其脫除NOx的效率高，一般為80％～90％，還原劑用量少，得到最廣泛應(yīng)用。這種方法是以氨(NH3)作為還原劑噴入廢氣，在較低溫度和催化劑的作用下，將NOx還原成N2和H2O。所謂選擇性是指NH3具有選擇性，它只與NOx進(jìn)行反應(yīng)，而不與氧發(fā)生反應(yīng)。

第22頁，共27頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)34分，星期五2.液體吸收法用水或其他溶液吸收NOx的方法較多，在硝酸廠和金屬表面處理行業(yè)中應(yīng)用廣泛。濕法工藝及設(shè)備簡單、投資少，能夠以硝酸鹽等形式回收NOx中的氮，但由于NO極難溶于水或堿溶液，吸收效率一般不很高。可以采用氧化、還原或絡(luò)合吸收的辦法以提高NO的凈化效果。下面作簡要介紹。（1）水吸收法。水吸收NOx時(shí)，水與NO2反應(yīng)生成硝酸（HNO3）和亞硝酸（HNO2）。生成的HNO2很不穩(wěn)定，快速分解后會放出部分NO。常壓時(shí)NO在水中的溶解度非常低，0℃時(shí)為7.34mL/100g水，沸騰時(shí)完全逸出，它也不與水發(fā)生反應(yīng)。因此常壓下該法效率很低，不適用于NO占總NOx95％的燃燒廢氣脫硝。提高壓力（約0.1MPa）可以增加對NOx的吸收率，通常作為硝酸工廠多級廢氣脫硝的最后一道工序。第23頁，共27頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)34分，星期五（2）酸吸收法。普遍采用的是稀硝酸吸收法。由于NO在12％以上硝酸中的溶解度比在水中大100倍以上，故可用硝酸吸收NOx廢氣。硝酸吸收NOx以物理吸收為主，最適用于硝酸尾氣處理，因?yàn)榭蓪⑽盏腘Ox返回原有硝酸吸收塔回收為硝酸。影響吸收效率的主要因素有：①溫度。溫度降低，吸收效率急劇增大。溫度從38℃降至20℃，吸收率由20％升至80％；②壓力。吸收率隨壓力升高而增大。吸收壓力從0.11MPa升至0.29MPa時(shí)，吸收率由4.3％升至77.5％；③硝酸濃度。吸收率隨硝酸濃度增大呈現(xiàn)先增加后降低的變化，即有一個(gè)最佳吸收的硝酸濃度范圍。當(dāng)溫度為20℃～24℃時(shí)，吸收效率較高的硝酸濃度范圍為15％～30％。此法具有工藝流程簡單，操作穩(wěn)定，可以回收NOx為硝酸，但氣液比較小，酸循環(huán)量較大，能耗較高。由于我國硝酸生產(chǎn)吸收系統(tǒng)本身壓力低，至今未用于硝酸尾氣處理。第24頁，共27頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)34分，星期五（3）堿液吸收法。該法的實(shí)質(zhì)是酸堿中和反應(yīng)。在吸收過程中，首先，NO2溶于水生成硝酸HNO3和亞硝酸HNO