大气实验指示书-2009剖析

大气污染控制工程实验讲义郝吉明段雷段凤魁
清华大学环境科学与工程系
2007年
目录
旋风除尘器、袋式除尘器性能测定实验 (2)
【实验目的】 (2)
【实验原理】 (2)
【实验装置和仪器】 (4)
【实验方法与步骤】 (4)
【思考题】 (5)
吸收法净化气体模拟实验 (6)
【实验目的】 (6)
【实验原理】 (6)
【实验装置和试剂】 (6)
【实验方法与步骤】 (7)
【分析计算】 (7)
【思考题】 (8)
NO的程序升温吸/脱附 (9)
【实验目的】 (9)
【实验原理】 (9)
【实验仪器】 (9)
【实验方法和步骤】 (9)
【实验数据记录】 (10)
【思考题】 (10)
NO的选择性催化还原 (11)
【实验目的】 (11)
【实验原理】 (11)
【实验仪器】 (11)
【实验方法和步骤】 (12)
【实验数据记录】 (12)
【思考题】 (12)
机动车尾气CH
的催化净化 (13)
4
【实验目的】 (13)
【实验原理】 (13)
【实验装置和仪器】 (14)
【实验方法和步骤】 (15)
【实验数据记录】 (16)
【实验结果和讨论】 (17)
旋风除尘器、袋式除尘器性能测定实验
【实验目的】
1. 深入理解旋风除尘器和布袋除尘器的构造及运行机理、过程。

2. 掌握这两种除尘器性能测定的主要内容和方法，并对影响除尘器性能的主要因素有较全面的了解。

3. 掌握对烟气采样仪、毕托管、倾斜压力计等仪器的使用。

【实验原理】
一、旋风除尘器和袋式除尘器
旋风除尘是利用旋转气流产生的离心力使尘粒从气流中分离的装置。

气流作旋转运动时，尘粒在离心力作用下逐步移向外壁，到达外壁的尘粒在气流和重力共同作用下沿壁面落入灰斗。

袋式除尘器是采用纤维织物作为滤料的过滤式除尘器。

气流通过布袋的孔隙时，粉尘被捕集于其上，沉积在滤料上的粉尘可在机械振动作用下从布袋表面除去。

二、采用位置选择
实验中通风管直径比较小，可认为在管内气流速度均匀分布，测量时选取管道中心作为采样点。

三、除尘器处理风量的测定和计算
1. 烟气流速的计算
测量烟气流速的仪器为S 型毕托管和倾斜压力计。

S 型毕托管适用于含尘浓度较大的烟道中，由两根不锈钢管组成，测量端做成方向相反的两个相互平行的开口。

测定时，一个开口面向气流，测得全压，另一个背向气流，测得静压，两者之差为动压。

图1 S 型毕托管构造示意图
由于背向气流开口上吸力影响，所得静压与实际有一些误差，要加以校正。

近似用下列公式计算烟气流速：
P T K V p ⋅=075.0
其中：Kp 为毕托管的校正系数，0.84
T 为烟气底部温度，K
P 为各动压方根平均值，n
P P P P n
+⋯++=
21
测压时，将毕托管与水平设置的倾斜压力计用橡皮管连好，动压值由倾斜压力计读出。

2. 除尘器处理风量计算
S V Q ⋅=
其中：S 为烟道截面积
四、烟气含尘浓度的测定
对污染源排放的烟气颗粒浓度的测定，一般采用从烟道中抽取一定量的含尘烟气，由滤筒收集烟气中颗粒后，根据收集尘粒的质量和抽取烟气的体积求出烟气中尘粒浓度。

为取得有代表性的样品，必须进行等动力采样，即指尘粒进入采样嘴的速度等于该点的气流速度。

采样装置如图2所示。

图2 烟尘采样装置
五、除尘器阻力的测定
使用U 型管压力计测定
六、除尘效率计算
t
v V V
m S Q S Q S i i ⋅==⨯⎪⎪⎭⎫
⎝
⎛-=/%10010
0η
式中：
So 为除尘器出口颗粒物浓度，g/m 3； S i 为除尘器入口颗粒物浓度，g/m 3； Qo 为除尘器出口气体流量，m 3/s ；
Q i为除尘器入口气体流量，m3/s；
m为滤筒采集粉尘质量，g
V为采样体积，m3；
v为气体流速，m/s；
t为采样时间，s；
【实验装置和仪器】
一、实验装置
二、实验仪器
倾斜压力计1台
U型压差计2支
毕托管1支
烟尘采样管1支
烟尘浓度采样仪1台
粉尘添加设备1套
分析天平1台
超细玻璃纤维无焦滤筒若干【实验方法与步骤】
1. 接通电源，启动风机和发尘装置，使实验系统运行达到稳定。

2. 用S型毕托管和倾斜压力计测动压，ABC每点读三个数，计算系统总气量。

3. 用S型毕托管和采样仪测定粉尘浓度，旋风除尘器采样时间为5min，袋式除尘器为10min。

4. 除尘器阻力的测定，在采样的同时，可以由U型压差计读出压降。

5. 改变烟道入口调节阀开启程度为1/2，重复上述步骤。

【思考题】
1. 为什么采用S型毕托管测定气体流量，而不采用标准毕托管（L型）？
2. 通过实验，你对旋风除尘器全效率和阻力随入口气速变化规律得出什么结论？它对除尘器的选择和运行使用有何意义。

3. 用发尘量求得的入口含尘浓度和用等速采样法测得的值，哪个更准确些。

为什么？
4. 试根据实验结果，分析过滤速度对袋式除尘器压力损失及除尘效率的影响。

吸收法净化气体模拟实验
【实验目的】
本实验采用填料吸收塔，用水吸收CO2，通过试验可初步了解用填料塔吸收净化有害气体的研究方法，同时还有助于加深理解在填料塔内气液接触状况及吸收过程的基本原理。

通过实验要达到以下目的：
1. 了解用吸收法净化CO2的效果，进而了解用吸收法净化其他有毒污染气体的方法。

2. 改变水流速度，观察填料塔内的吸收状况。

3. 测定填料塔吸收塔的吸收效率。

【实验原理】
气体吸收是通过气体混合物中一种或多种组分溶解于选定的液体吸收剂，或者与吸收剂中的组分发生选择性化学反应，从而将其从气流中分离出来的操作过程。

能够用吸收法净化的气态污染物主要包括SO2，H2S，HF和NO x等，多采用化学吸收过程，如用碱性溶液或浆液吸收燃烧气体中低浓度SO2的过程。

本次实验采用水来吸收CO2是利用CO2易溶于水的性质，0 ℃时1体积水能溶解1.7体积的CO2，20 ℃时1体积水能溶解0.9体积的CO2。

实验中通过测定吸收前后水中CO2的含量，再根据进气量和物料守恒，即可以近似算出吸收塔的平均净化效率，进而了解吸收效果。

水中CO2的测量采用容量滴定法。

【实验装置和试剂】
一、实验装置
本实验采用直径50mm的玻璃柱作为吸收柱，柱内装填直径5mm的球形玻璃填料，填充高度为300mm。

吸收质为纯二氧化碳，CO2由钢瓶经二次减压阀和转子流量计进入塔底。

气体由下向上经过填料层与液相逆流接触，最后由柱顶放空。

吸收剂为水，水由高位稳压水槽，经调解阀和流量计进入塔顶，再喷洒而下。

吸收后溶液由塔底排出。

实验流程图如图4所示。

二、实验仪器设备
填料塔气体吸收实验仪：CEA-M03型
CO2钢瓶
碘量瓶：250 ml若干
酸式滴定管
移液管：10 ml、25 ml
三、试剂
1. 吸收液：称量1.4 g氢氧化钡[Ba(OH)
2.8H2O] 和0.08 g氯化钡（BaCl.2H2O），溶于800 ml
水中，加入3 ml正丁醇，摇匀，用水稀释至1 L。

此吸收液应在采样前两天配置，密封保存，避免接触空气。

测定时选用上清液。

2. 草酸标准溶液：准确称量0.5637 g草酸，用水溶解至1 L。

此溶液物质的量浓度为4.47×10-3 mol/L，1.00 ml相当于标准状况下0.1 ml二氧化碳。

3. 酚酞指示剂
4. 正丁醇
图4 吸收法净化气体实验装置图
1. CO2钢瓶
2. 二次减压阀
3. 转子流量计
4. 吸收塔
5. 取样仪
6. U型管压力计
7. 转子流量计
8. 高位水槽
【实验方法与步骤】
实验前，首先检查填料塔的进气阀和进水阀，以及CO2的减压阀是否均已关严，然后，打开CO2钢瓶顶上的针阀，将压力调至0.1 MPa，同时，向高位稳压水槽注水，直至溢流管有适量水溢流而出。

然后操作步骤如下：
1. 缓慢开启进水调节阀，控制水流量在20 L/h范围内。

注意调解流量时，一定要保持高位稳压水槽有适量溢流水流出，以保证水压稳定；
2. 缓慢开启进气调节阀，调节CO2的流量在0.1 m3/h；
3. 操作达到稳定状态后，测量塔顶和塔底的水温和气温，同时，测定塔底溶液中CO2的含量；
4. 改变水的流量为40 L/h和60 L/h，重复上述操作。

【分析计算】
一、分析方法
原理：水溶液中的二氧化碳被过量氢氧化钡吸收，生成碳酸钡沉淀，剩余的氢氧化钡用标准草酸溶液滴定至酚酞试剂红色刚褪。

由容量滴定法结果和所取水样的体积，计算溶解在水中的CO 2浓度，操作步骤如下：
1. 从吸收塔的取样仪中取水样20 ml ，用移液管取10 ml 水样放入锥形瓶中，加入30 ml 氢氧化钡吸收液，再加入1-2滴酚酞指示剂。

2. 用草酸标准溶液中和多余的氢氧化钡溶液，记录所用体积。

二、计算
(
)
()0
2133
21047.4/V V V m kmol CO -⨯⨯=
-浓度 式中：V 1为滴定空白消耗草酸标准溶液的体积，ml ；
V 2为滴定样品消耗草酸标准溶液的体积，ml ； V 0为所采水样的体积。

填料塔平均净化效率（η）可由下式近似算出：
()%100,*
,2,1
,⨯⋅⋅-=
g
s l
s A A V C V C C
η
式中：C A,1——塔底CO 2在水中的浓度，kmol/m 3；
C A,2——塔顶CO 2在水中的浓度，kmol/m 3； C*——进气口CO 2在空气中的含量，kmol/m 3； V s,l ——水的流量，m 3/h ； V s,g ——CO 2气体的流量，m 3/h 。

假设CO 2从气阀中出来后和空气以1：1混合，则CO 2在混合气体中的分压约为P *
=0.5P 0根据理想气体状态方程可以求出进气口中CO 2的含量。

实验室温度通常为17.5 ℃，所以近似求得C*=22.3×10-3 kmol/m 3。

【思考题】
1、从实验结果标绘出的曲线，你可以得到那些结论？
2、通过实验，你有什么体会？对实验有何改进意见？
NO的程序升温吸/脱附
【实验目的】
1. 理解气体在固体表面吸附/脱附性质的一般规律；
2. 掌握程序升温脱附（TPD）的实验方法；
3. 了解以TPD方法研究催化剂表面性质的原理。

【实验原理】
气体在固体表面的吸附一般分为物理吸附和化学吸附。

物理吸附时，实验吸附的物质分子与固体表面之间作用力属于范德华力，这种吸附比较弱，且选择性很差，在气－固化学反应中很少起作用。

化学吸附则形成价键作用，具有选择性，与气－固反应，特别是气－固多相催化反应关系密切。

低温时化学吸附很慢，这时物理吸附占优势；当温度逐渐升高时，化学吸附逐渐代替物理吸附而占优势。

固体表面吸附饱和后，气体的吸附状态既有物理吸附，又有化学吸附。

升温脱附时，当固体表面达到一定温度，吸附的气体开始脱附，其脱附速率随温度的增加呈指数增加；但与此同时，吸附剂表面上吸附的气体浓度（覆盖度）逐渐下降，使脱附速率降低，所以TPD谱一般呈峰形。

根据脱附峰的位置及面积，可获得许多固体表面及其与气体反应的信息。

【实验仪器】
NO-NO2-NOx分析仪
气体流量配气系统
温控系统
NO、N2、O2钢气瓶
【实验方法和步骤】
1. 吸附剂样品的制备：采用浸渍法制备Pt/Ba/Al2O3催化剂，作为吸附剂（该步骤助教已完成）；
2. 将0.25 g Pt/Ba/Al2O3催化剂装入石英反应器中，插好热电偶；旋开气瓶阀门，打开配气系统电源；打开真空泵的电源开关，开启NO-NO2-NOx分析仪，设置测量参数；
3. 吸附剂的预处理：以400 ml/min（下同）的总气量通入8 ％O2/N2，常温下30 min升温至500 ℃，在500 ℃恒温下预处理30 min，然后降至常温；
4. 吸附：常温条件下10 min升温至200 ℃，进行恒温吸附，通入500 ppm 的NO/N2吸附15min；
5. 脱附：200 ℃下用N2吹扫，直至尾气中检测不到NO X以去除物理吸附部分；然后从100 ℃
开始，以10 ℃/min的升温速率升至700 ℃，记录不同脱附温度时NO X的浓度；
6. 实验完毕，关闭仪器、系统及气瓶。

【实验数据记录】
样品：重量：吸附温度：吸附时间：
表1 NO吸附数据记录表
表2 NO脱附数据记录表
【思考题】
1. 论述物理/化学吸附的异同
2. 分析实验所得TPD数据谱图（脱附峰位置、脱附量等）
3. 对本实验的意见和建议
NO的选择性催化还原
【实验目的】
1. 熟悉氮氧化物选择性催化还原的原理；
2. 掌握催化剂的活性评价方法和相关仪器设备的使用；
3. 了解移动源氮氧化物治理技术的发展现状和前景。

【实验原理】
氮氧化物种类很多，造成大气污染的主要是NO和NO2，因此通常将两者统称为NO x。

大气中的NO x主要来源于移动源（机动车）和固定源（主要为火力发电厂、工业燃烧装置）两个方面，全球95 %的NO x来源于机动车排放（49 %）和电力排放（46 %）。

随着能源消费的增长和机动车保有量的迅猛增加，大量的石化燃料消耗后所排放到大气中的SO2和NO x等致酸物质越来越多，大气环境污染程度不断加重。

NO x不仅是造成酸雨的原因之一，也是形成近地层大气臭氧污染、二次微细粒污染和地表水富氧化的前提物，由此引起的问题已经与臭氧层破坏、全球气候变化一起成为最为突出的大气环境热点问题。

选择性催化还原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）是目前国际上应用最为广泛的烟气脱硝技术。

该方法主要采用氨(NH3)作为还原剂，将NO X选择性地还原成N2。

NH3具有较高的选择性，在一定温度范围内，它主要与NO发生作用，而不被烟气中的氧所氧化，因而比无选择性的还原剂脱硝效果好。

NH3-SCR的工作原理如下：
4NH3 + 4NO + O2→4N2 + 6H2O （1）
8NH3 + 6NO2→7N2 + 12H2O （2）除了发生以上反应外，在实际过程中随着烟气温度升高还存在如下的副反应：
4NH3 + 3O2→2N2 + 6H2O ( >350℃) （3）
4NH3 + 5O2→4NO + 6H2O ( >350℃) （4）
4NH3+4O2→2N2O+6H2O ( >350℃) （5）在SO2和H2O存在条件下，SCR系统也会在催化剂表面发生如下的不利反应：
SO2 + 1/2O2→SO3（6）
NH3 + SO3 + H2O →NH4HSO4（7）
2NH3 + SO3 + H2O →(NH4)2SO4（8）
SO3 + H2O →H2SO4 （9）可用于NH3-SCR的催化剂主要有贵金属催化剂、分子筛催化剂、活性炭催化剂以及纯氧化物型催化剂。

本实验选取最常用的氧化物型催化剂进行活性测试。

【实验仪器】
烟气分析仪KM-9106
气体流量配气系统
温控系统
浓度为1% 的NO和NH3
高纯N2、3%O2
【实验方法和步骤】
1. 催化剂的制备：采用浸渍法制备氧化物催化剂（该步骤助教已完成）；
2. 将0.5 g催化剂装入石英反应器中，插好热电偶；旋开气瓶阀门，打开配气系统电源；打开真空泵的电源开关，开启烟气分析仪；
3. 旁通的测量，以活性测量中的配气浓度配气后不经过催化剂直接测定NO x的配气浓度；
4. 催化活性测量：从200 ℃开始测量至500 ℃止，升温步宽为50 ℃。

配气条件为：500 ppm NO, 500ppm CH4, 3% O2, N2为平衡气；气体总流量为300 ml/min；
6. 实验完毕，关闭仪器、系统及气瓶。

【实验数据记录】
样品：重量：
旁通气体浓度：NO：NO2：NO x：
【思考题】
1. 相关文献调研，分子筛类、活性炭类、贵金属类及纯氧化物型催化剂各列举一种，并概述它们各自的优缺点；
2. 分析实验所得的活性数据；
3. 对本实验的意见和建议。

机动车尾气CH4的催化净化
【实验目的】
1．了解催化剂制备的常用方法，掌握浸渍法制备负载型催化剂的基本原理；
2．掌握催化剂性能评价的基本原理和方法，熟悉有关实验装置，掌握气相色谱仪的工作原理和基本操作方法；
3. 考察温度和钯负载量对Pd/Al2O3催化剂上甲烷完全氧化反应性能的影响并计算反应的转化率。

【实验原理】
一、机动车排放污染与后处理技术
汽车排放的尾气中含有CO、NO x和未燃烧完全的HC等，这些污染物分散在空气中，造成环境污染，对人的身体十分有害。

随着我国经济的发展，汽车生产量和保有量迅速增加，尤其是在大中城市，汽车尾气已成为城市大气质量恶化的最重要污染源，因此必须对汽车尾气进行治理。

治理的方法有很多种，但目前被广泛采用也是最有效的方法是机外净化，即安装催化净化器，通过核心部分催化剂的催化作用进行净化，其原理是污染物CO、NO x和HC在催化剂表面吸附，发生氧化还原反应，转化成无毒的CO2、H2O及N2，达到净化的目的。

汽车尾气催化剂主要是由载体、水洗涂层和活性组分三部分组成。

目前，广泛采用的在载体是蜂窝状的堇青石，为了使活性物质负载在载体上，常须对载体进行一定的表面处理，即采用氧化铝、氧化锆等涂层材料涂覆载体表面。

经过这种处理后，载体比表面积增大，并且容易使活性组分附着其上。

应用最广分的涂层材料是氧化铝。

尾气催化剂中的关键组分是催化剂活性组分，国际商用催化剂中的主要催化剂成分是铂（Pt）、钯（Pd）、铑（Rh）等贵金属，不同成分的贵金属决定着不同的催化剂特性。

二、催化剂制备
催化剂的性能（活性、选择性和稳定性）不仅取决于催化剂的组分和含量，而且与催化剂制备的方法和工艺条件密切相关。

催化剂制备的常用方法有：沉淀法（包括共沉淀）、溶胶-凝胶法、浸渍法、离子交换法、机械混合法、熔融法和特殊制备方法等。

浸渍法是一种常用的制备负载型金属或金属氧化物催化剂的方法，该方法所制备的催化剂的催化性能不仅与负载的金属或氧化物的种类、含量有关，而且多数情况下还与金属在载体上的分散度及载体的性质有关，此外还受制备方法、溶液的浓度、pH 值和后处理等因素影响。

三、催化剂性能评价
催化剂性能评价的内容包括活性、选择性和寿命三个因素。

催化活性是在实验条件下催化剂促进反应物转化的速率和深度的量度，是衡量催化剂性能的一个非常重要的指标。

但是因准确求出反应速率比较费事，在实际工作中，人们只需要在相同的实验条件下比较一下催化剂的效能，因此往往用反应物的转化率来表示催化剂的活性。

本实验中催化剂的活性用甲烷的转化率来表示，按式（3-1）计算。

4444100%CH CH CH CH -=
⨯初始浓度反应后浓度
转化率初始浓度
公式(3-1)
此外，催化剂的活性和空速结合起来表示才有意义，因此需要介绍一下空速的概念。

空速（Space velocity ）是指单位时间内通过单位质量（或体积）催化剂的反应物的质量（或体积）。

时间一般以小时为单位，当反应物和催化剂的量以质量为单位时，称为重时空速(Weight hourly space velocity ，WHSV)，而以体积为单位时，称为体积空速（Gas hourly space velocity ，GHSV ）。

本实验中统一采用公式（3-2）计算空速。

60v Q M =⨯ 公式(3-2) 式中 ν ——空速，mL·h -1·g -1； Q ——气体流量，mL/min ； M ——催化剂质量，g 。

【实验装置和仪器】
一、实验装置
本实验装置通过模拟机动车尾气组成以及反应环境（例如温度、压力和空速等），利用三效催化剂催化净化机动车尾气中的HC 、CO 和NO x ，以达到降低机动车尾气排放，减少环境污染的目的。

本实验装置由三部分组成：配气系统、反应系统和气体检测系统。

配气系统包括各种气体、气体管路、电磁阀、质量流量计和混气罐等。

反应系统包括固定床管式反
应器、加热炉和程序控温仪。

催化剂反应器为内径9 mm的石英玻璃管，置于管式加热炉中。

加热炉中有电热控温层和石棉保温层，由程序控温仪控制反应温度。

气体检测系统即Agilent 7890A气相色谱仪（Gas Chromatograph）。

试验用GC同时配有FID 和TCD检测器。

用FID检测器（毛细管柱）测定CH4，用TCD检测器（Porapak Q 柱）测定CO、N2、O2。

一定浓度的反应气体经过配气系统配气、混合后进入固定床反应器中进行反应，最后通过气相色谱分析反应产物的组成。

N2
O2
CH4/He
图5 催化剂活性评价系统
二、实验仪器设备
压片仪，电子天平，氮氢空一体机，气相色谱仪（Agilent 7890A）。

三、试剂及气体
γ- Al2O3催化剂，Pd(NO3)2溶液，高纯N2，高纯O2，CH4-He混合气，高纯He（99.99%，载气）。

【实验方法和步骤】
一、Pd/ Al2O3负载型催化剂的制备（已完成，了解制备过程）
实验中所用的催化剂a Pd/Al2O3（a为负载Pd的质量分数，a = 0.5%~2.0%）均采用等体积浸渍法制备。

Pd/Al2O3的制备是先将载体γ-Al2O3（60~80目）浸渍到一定量
的Pd(NO3)2溶液中，静置过夜，之后在80 ℃恒温干燥12 h，空气气氛中500 ℃焙烧4 h得到催化剂粉末。

所制得的催化剂粉末在压片机上以12 Mpa压力压成圆片，再破碎，过筛，选取40~60目筛分用于催化剂活性评价。

二、Pd/ Al2O3的活性评价
催化剂的活性评价在图5所示的装置上进行。

按如下操作步骤进行实验。

(1) 将250 mg催化剂装填于反应管内，并将反应管与管路连接好。

(2) 打开N2，O2和CH4气体，通过质量流量计调节气体流量大小，以达到实验要求的气体总流量150 mL/min，反应气体组成为1% CH4，10% O2，平衡气为氮气。

(3) 设置程序控温仪程序，使反应温度从250℃开始，以2℃/min的速率升温到500℃。

(4) 色谱分析步骤：先打开氮氢空一体机（提供N2、高纯H2和空气），接着通入载气（He气），待各种气体流量达到规定值时，打开7890A GC电源开关，然后启动安捷伦化学工作站，选择已经编好的CH4检测方法，此时色谱仪会自动升温各热源（包括柱温、检测器温度和进样口温度）至程序设定值，待仪器准备就绪，就可以开始进样。

(5) 记录每次进样时反应器的温度，以及GC分析结果中给出的CH4峰面积。

待FID谱图中CH4峰很小或者检测不到时，说明CH4已完全氧化，此时可以停止反应，结束实验。

(6) 实验结束后，停掉反应气体，调出提前编好的关机（SHUT DOWN）方法，降温各热源（柱温、进样口温度和检测器温度），关闭氮氢空一体机电源，待各处温度降下来后（低于50 ℃），退出化学工作站。

关闭GC 7890A电源，最后关载气（He 气）。

【实验数据记录】
样品名称：
质量：体积：总气体流量：
表1 数据记录表
【实验结果和讨论】
1.记录装填催化剂的质量、体积、总气体流速（mL/min），并计算空速；
2.记录室温及升温过程中，GC每次进样时的温度及对应的CH4峰面积，计算CH4
的转化率；
3.作出CH4转化率随时间变化的曲线，并结合其他组的数据分析温度和Pd负载量对
CH4转化率的影响；
4.对实验改进有哪些设想和建议?。