第7章催化法净化气态污染物.pptx
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空气污染控制工程课件第7章 气态污染物控制技术之四催化转化
• 根据催化剂和反应物的物相，催化过程可分为均相催化和非均相催化两类。 9 催化剂和反应物的物相相同，其反应过程称为均相催化； 9 催化剂和反应物的物相不同，其反应过程称为非均相催化。 一般气体净化采用固体催化剂，其反应就是非均相催化反应。
• 根据化学反应不同可分成催化氧化和催化还原两类。
9 催化氧化法净化就是让废气中的污染物在催化剂作用下被氧化成非污染 物或更易于处理的物质。例如将不易溶于水的NO氧化成NO2的活性炭催化 氧化。
催化净化工艺
NH3 filter
Combustor NOx
Mixer
Reactor
NOx的选择性催化还原（SCR）
8NH3 + 6NO2 → 7N2 + 12H2O
4NH3 + 6NO → 5N2 + 6H2O 催化剂200～300℃：Pt (Pd,Fe,Cu,Mn)/Al2O3 (TiO2,V2O5)
产生的反应产物量。
A
=
t
mR ⋅ mS
z 选择性
B
=
反应所得目的产物摩尔数 通过催化剂床层后反应了的反应物摩尔数
×100％
• 稳定性 催化剂的稳定性是指操作过程中保持活力的能力 9 热稳定性、机械稳定性和化学稳定性 9 表示方法：寿命 9 失活的原因 • 老化 – 活性组分的流失、烧结、积炭结焦、机械粉碎等 • 中毒 – 对大多数催化剂，毒物：HCN、CO、H2S、S、As、Pb
ri
'=
±
dN i dVR
• 对于连续增加的气态反应物，在反应过程中物料体积常常发生变化，反应时
间也不易确定，故反应速度改用单位体积内某反应物质量流量的变化率x来表
示.
东南大大气污染控制工程课件07气态污染物控制(空气净化技术)
筛 板 塔
➢ 填料吸收塔的设计
• 塔径的计算
处理气量：根据实际的 工业过程而定。
DT
4Q
V0
• 填料塔高度的计算
空塔速度：一般由填料 塔的液泛速率Vt 确定， 通常取V0=0.60-0.70Vt。
由过程吸收速率NA和对吸收效率的要求来确定。
H
G P
d P PA G 1
AG
PA G 2 N A a
✓气相与液相相同为分散相
▪ 按汽液接触方式分类
✓连续接触式 填料塔、喷淋塔、湍球塔
✓间断接触式
板式塔
➢ 常用吸收塔介绍
要求气液有效接触面积大，气液湍动程度高， 设备压力损失小，结构简单，易操作维修， 投资少，操作费用低等。
• 填料塔
结构简单、便于用耐腐蚀材料制造，气液 接触效果好，压降小。 当烟气中含有悬 浮颗粒时，填料容易堵塞，清理检修时填 料损耗大。
液体以液滴形式分散于气体中
空心（喷嘴式）喷洒吸收器 高气速并流喷洒吸收器
机械喷洒吸收器
▪ 按气液两相界面形成原理分类
✓具有固定相界面的吸收设备 ✓在气液两相流动过程中形成相界面的吸收设备
✓有外部能量引入的吸收设备 ▪ 按汽液分散形式分类
板式塔
✓气相分散、液相连续
喷淋塔、填料塔
✓液相分散、气相连续
文丘里吸收塔
环境工程学
第七章 气态污染物控制 （空气净化技术）
主要内容
• 吸收净化 • 吸附净化 • 催化转化 • 燃烧转化 • 冷凝法 • 生物净化 • 其他空气净化方法
第一节 吸收净化
利用气体混合物中不同组分在吸收剂中溶解 度不同，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。
催化转化法净化气态污染物
• 活性：是指催化剂加速化学反应速率的能力，通常用单位时间 内单位体积（或质量）催化剂在动力学范围内指定的反应条件 下所得到的产品数量来表示。
公式表示为：
式中：A--------催化剂活性， kg/(h.g)； W--------产品质量， kg； t----------反应时间， h； WR-------催化剂质量， g。
催化剂
净化气态污染物对催化剂的要求 ：
• a.高活性：要求催化剂具有去除有害物质的极高效率，因为气体 中所含有害物质浓度低，只有催化剂的活性很高，才能有效地去 除有害物质。
• b.高机械强度：因要处理的气体量往往很大，故要求催化剂具有 能承受流体冲刷压力的强度。
• c.高选择性：要处理的气体中往往成分复杂，因此，要求催化剂 有高的选择性。
NOx还原为N2
Pt 或Pd 0.5% CuCrO2
载体 SiO2 Ni、NiO
Al2O3
Ni或Al2O3 Al2O3
Al2O3-SiO2
Al2O3-SiO2 Al2O3-MgO
Ni Al2O3-SiO2 Al2O3-MgO
助催化剂 K2O或Na2O
Pt0.01%～ 0.015%
固定床反应器
固定床反应器
固定床反应器定义：
• 定义：凡是流体通过不动的固体物料所形成的 床层而进行反应的装置都称作固定床反应器。
• 其中尤以用气态的反应物料通过由固体催化剂 所构成的床层进行反应的气-固相催化反应器占 最主要的地位。
固定床反应器
• 固定床反应器的特点
– 优点: • 流体接近于平推流，返混小，反应速度较快 • 固定床中催化剂不易磨损，可长期使用 • 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
公式表示为：
式中：A--------催化剂活性， kg/(h.g)； W--------产品质量， kg； t----------反应时间， h； WR-------催化剂质量， g。
催化剂
净化气态污染物对催化剂的要求 ：
• a.高活性：要求催化剂具有去除有害物质的极高效率，因为气体 中所含有害物质浓度低，只有催化剂的活性很高，才能有效地去 除有害物质。
• b.高机械强度：因要处理的气体量往往很大，故要求催化剂具有 能承受流体冲刷压力的强度。
• c.高选择性：要处理的气体中往往成分复杂，因此，要求催化剂 有高的选择性。
NOx还原为N2
Pt 或Pd 0.5% CuCrO2
载体 SiO2 Ni、NiO
Al2O3
Ni或Al2O3 Al2O3
Al2O3-SiO2
Al2O3-SiO2 Al2O3-MgO
Ni Al2O3-SiO2 Al2O3-MgO
助催化剂 K2O或Na2O
Pt0.01%～ 0.015%
固定床反应器
固定床反应器
固定床反应器定义：
• 定义：凡是流体通过不动的固体物料所形成的 床层而进行反应的装置都称作固定床反应器。
• 其中尤以用气态的反应物料通过由固体催化剂 所构成的床层进行反应的气-固相催化反应器占 最主要的地位。
固定床反应器
• 固定床反应器的特点
– 优点: • 流体接近于平推流，返混小，反应速度较快 • 固定床中催化剂不易磨损，可长期使用 • 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
《大气污染控制工程》第7章 气态污染物控制技术-催化转化法(61P)
吸附或脱附控制 Aσ A+σ Bσ B+σ Rσ + Sσ Aσ+ Bσ R +σ Rσ S +σ S σ
1、表面化学反应速率
rA
dN A
dVR
dx N A0dx N A0dx dx c A0 对于催化床 rA N A0 dVR AdL Qdt dt
NA－反应物A的流量，kmol/h VR－反应气体体积，m3
2 0 0~2 5 0 ℃ 活性和选择性是催化剂本身最基本的性能指标，是选择和控 C H OC H OH （ 醛 ） 2 乙 C u 350~360℃ 制反应参数的基本依据，二者均可度量催化剂加速化学反应 CH 乙 烯 ） 2 2 HO 2（ h O 3/T 2 Al2O 速度的效果，但反映问题的角度不同。 CHO 2 5 H 1 4 0 ℃ (C 2H 5 )OHO 乙 醚 ） 2（ H O 3P 4 活性：表示催化剂对提高产品产量的作用； 400~500℃ C H C H C HC H （ 丁 烯 ） 2 2 Z n OC / rO 选择性：表示催化剂对提高原料利用率的作用； 3
对于不可逆反应，催化剂颗粒中心处可能的最小反应物浓度为零; 对
于可逆反应，因为化学平衡的限制，中心处的反应物最小浓度不可
能低于它的平衡浓度。 当在催化剂表面生成生成物以后，生成物就由颗粒内部向外扩散，
其浓度分布的趋势则与上述过程相反。
上述步骤中，速度最慢(阻力最大)者，决定着整个过程的总反应速 度，称该步骤为控制步骤(图:不同控制过程反应物A的浓度分布)。
C、催化剂的稳定性
催化剂在化学反应过程中保持活性的能力称为催化剂稳定性。 包括：
第七章—催化法净化气态污染物 大气污染控制工程课件
大气污染控制工程
第七章 催化法净化气态污染物
第七章 催化法净化气态污染物
催化法是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， 或转化成更易处理或回收利用的物质的方法。
化学反应发生在气流与催化剂接触过程中， 反应物和产物无需与主气流分离，使操作过程大 为简化，对不同浓度的污染物均具有较高的去除 率。
s
1
s
[1
tanh(3s )
1
3s
]
ηs为气固相催化反应的催化剂有效系数。
对于等温非一级反应，设： rA kf (cA ) 利用类似的方法可解得： RA s (rA )s
s
1
s
[1
tanh(3s )
1
3s
]
s
R 3
k De
f (cAS)
二、气固相催化反应动力学
席勒模数φs：
➢ 反映反应速率与扩散速率对过程影响程度的 参数。
Vs 0
dVs
建立宏观速率方程的方法是通过对催化剂的
物料衡算和热量衡算，得到颗粒内的反应物浓度 及温度分布表示式，代入本征反应速率方程中， 并由上式积分得到。
二、气固相催化反应动力学
(1) 物料衡算
设球形颗粒的半径为R，处 于连续流动的气流中，气体在颗 粒内的有效扩散系数为De(m2/s)，
(De=Dε0/δ，其中ε0是催化剂空 隙率；δ是微孔形状因子， δ=1～6；D 是考虑了微孔内努森
一、气固相催化反应过程
不同控制过程反应物的浓度分布
二、气固相催化反应动力学
1.本征速率方程
对于一般反应：a A+b B l L+ｍ M
其速率方程的幂指数形式的通式为：
第七章 催化法净化气态污染物
第七章 催化法净化气态污染物
催化法是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， 或转化成更易处理或回收利用的物质的方法。
化学反应发生在气流与催化剂接触过程中， 反应物和产物无需与主气流分离，使操作过程大 为简化，对不同浓度的污染物均具有较高的去除 率。
s
1
s
[1
tanh(3s )
1
3s
]
ηs为气固相催化反应的催化剂有效系数。
对于等温非一级反应，设： rA kf (cA ) 利用类似的方法可解得： RA s (rA )s
s
1
s
[1
tanh(3s )
1
3s
]
s
R 3
k De
f (cAS)
二、气固相催化反应动力学
席勒模数φs：
➢ 反映反应速率与扩散速率对过程影响程度的 参数。
Vs 0
dVs
建立宏观速率方程的方法是通过对催化剂的
物料衡算和热量衡算，得到颗粒内的反应物浓度 及温度分布表示式，代入本征反应速率方程中， 并由上式积分得到。
二、气固相催化反应动力学
(1) 物料衡算
设球形颗粒的半径为R，处 于连续流动的气流中，气体在颗 粒内的有效扩散系数为De(m2/s)，
(De=Dε0/δ，其中ε0是催化剂空 隙率；δ是微孔形状因子， δ=1～6；D 是考虑了微孔内努森
一、气固相催化反应过程
不同控制过程反应物的浓度分布
二、气固相催化反应动力学
1.本征速率方程
对于一般反应：a A+b B l L+ｍ M
其速率方程的幂指数形式的通式为：
《大气污染控制工程》第7章 气态污染物控制技术-催化转化法(61P)
提高反应速率 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
（阿累尼乌斯方程）
定义：凡能加速化学反应速度，而本身的化学组成在反
应前后保持不变的物质。 特点：能降低该反应的活化能，使它进行得比均相时更 快，但是它并不影响化学反应的平衡。
按存在状态：气态、液态和固态。
（ 二 ） 催 化 剂
K
si
s
f (C AS )dS
在内扩散的影响下
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
催化剂内表面积并未充分利用 η值较小
内扩散反应速率
rA K s Si f (C AS C A *)
Ks－反应速率常数；η －催化剂有效系数； Si－单位体积催化剂的内表面积，m2/m3； f－与浓度分布有关的函数。
吸附或脱附控制 Aσ A+σ Bσ B+σ Rσ + Sσ Aσ+ Bσ R +σ Rσ S +σ S σ
1、表面化学反应速率
rA
dN A
dVR
dx N A0dx N A0dx dx c A0 对于催化床 rA N A0 dVR AdL Qdt dt
NA－反应物A的流量，kmol/h VR－反应气体体积，m3
VOCs的催化氧化 催化剂：Pt (Pd钯,过渡金属，稀土)/Al2O3 等
பைடு நூலகம்
催化净化工艺
NOx NH3 filter Reactor
Combustor 燃烧器
Mixer 混合器
NOx的选择性催化还原（SCR）
8 NH 6 NO 7 N 12 H O 3 2 2 2
4 NH 6 NO 5 N 6 H O 3 2 2
（阿累尼乌斯方程）
定义：凡能加速化学反应速度，而本身的化学组成在反
应前后保持不变的物质。 特点：能降低该反应的活化能，使它进行得比均相时更 快，但是它并不影响化学反应的平衡。
按存在状态：气态、液态和固态。
（ 二 ） 催 化 剂
K
si
s
f (C AS )dS
在内扩散的影响下
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
催化剂内表面积并未充分利用 η值较小
内扩散反应速率
rA K s Si f (C AS C A *)
Ks－反应速率常数；η －催化剂有效系数； Si－单位体积催化剂的内表面积，m2/m3； f－与浓度分布有关的函数。
吸附或脱附控制 Aσ A+σ Bσ B+σ Rσ + Sσ Aσ+ Bσ R +σ Rσ S +σ S σ
1、表面化学反应速率
rA
dN A
dVR
dx N A0dx N A0dx dx c A0 对于催化床 rA N A0 dVR AdL Qdt dt
NA－反应物A的流量，kmol/h VR－反应气体体积，m3
VOCs的催化氧化 催化剂：Pt (Pd钯,过渡金属，稀土)/Al2O3 等
பைடு நூலகம்
催化净化工艺
NOx NH3 filter Reactor
Combustor 燃烧器
Mixer 混合器
NOx的选择性催化还原（SCR）
8 NH 6 NO 7 N 12 H O 3 2 2 2
4 NH 6 NO 5 N 6 H O 3 2 2
第7章 气体催化净化方法
汽车尾气的催化净化
催化剂要求
催化剂的活性在高温（ 800~1000 ℃ ）和在低温
（150~200℃）下都比较高，用量要小，可以便于 安装；
催化剂必须具有合适的孔隙结构和颗粒结构，以
使尾气流过的阻力最小；
希望催化器在除去尾气中的烃类和一氧化碳时，
也能除去氧化氮
汽车尾气的催化净化
转化器
汽车尾气的催化净化
选择性催化还原法（SCR）脱氮
催化剂
非贵金属：Cu，Fe，V，Cr，Mn等
影响因素
催化剂活性 反应温度
空速影响
还原剂用量 前处理：除尘，除硫，干燥，预热
选择性催化还原法（SCR）脱氮
流程图
汽车尾气的催化净化
催化还原反应：
NO2 CO NO CO2
催化剂
工业（非电力行业）炉窑 和设施的NOx排放与电力 行业相当， 因为分布广泛， 形式多样，脱硝技术难度 高， 所以，估计其脱硝市 场容量也在千亿元以上。
中国石油大学（北京）
2000年
服务业 居民生活 2.7% 1.7%
交通运输 21.3% 建筑业 0.7%
火力发电 35.8%
工业 30.9%
农业 其他转换 5.3% 1.5%
第七章 气体催化净化方法
催化还原法脱氮 汽车尾气净化
脱臭
催化法去除高浓度SO2废气
氮氧化合物的去除
氮氧化合物的来源与危害 脱氮：
催化还原法
液体吸收法 吸附法
非选择性催化还原法（NSCR）脱氮
H2+NO2—→H2O+NO 2H2+O2—→2H2O 2H2+2NO—→2H2O+N2 CH4+4NO2—→4NO+CO2+2H2O CH4+2O2—→CO2+2H2O CH4+4NO—→CO2+2N2+2H2O CO+NO2—→CO2+NO 2CO+O2—→2CO2
气态污染物控制技术基础
所以，填料层高度的计算涉及物料衡算、传质速率与相 平衡三种关系式的应用。
四、化学吸收 为了增大对气态污染物的吸收率和吸收速
度，多采用化学吸收。 化学吸收是伴有显著化学反应的吸收过程，
被溶解的气体与吸收剂或原先溶于吸收剂中 的其他物质进行化学反应，也可以是两种同 时溶解进去的气体发生化学反应。
化学吸收机理远比物理吸收复杂，而且因 反应系统的情况不同而各有差异。
一、吸附剂 1、吸附剂的性质
硅胶和活性炭的内表面分别高达500和 1000m2/g
适合工业要求的吸附剂，必须具备以下条件：
（1）要具有巨大的内表面，
（2）对不同气体具有选择性的吸附作用。
一般地说，吸附剂对各种吸附组分的吸附能力，随吸附组 分沸点的升高而加大，在与吸附剂相接触的气体混合物中，首 先被吸附的是高沸点的组分。在多数情况下，被吸附组分的沸 点与不被吸附组分（即惰性组分）的沸点相差很大，因而惰性 组分的存在，基本上不影响吸附的进行。
U—喷淋密度，即单位时间内喷淋在单位 塔截面积上的液相体积。【重要概念】
3、界面浓度
气液界面上气相浓度和液相浓度难以用 取样分析法测定，常用作图法和解析法求算。
（1）作图法：稳定传质过程，气液界面两侧 气相传质速率和液相传质速率相等。（见 P19，图7-12）
（2）解析法：稀溶液服从亨利定律，可用解 析法求算。
气体吸收
吸收机理 气液平衡 物理吸收 化学吸收
第七章 气态污染物控制技术基础
第一节 吸收法净化气态污染物 第二节 吸附法净化气态污染物 第三节 催化法净化气态污染物
第一节 吸收法净化气态污染物
一、吸收机理
气体吸收是溶质从气相传 递到液相的相际间传质过程， 对于吸收机理以双膜理论模型 的应用最广。
四、化学吸收 为了增大对气态污染物的吸收率和吸收速
度，多采用化学吸收。 化学吸收是伴有显著化学反应的吸收过程，
被溶解的气体与吸收剂或原先溶于吸收剂中 的其他物质进行化学反应，也可以是两种同 时溶解进去的气体发生化学反应。
化学吸收机理远比物理吸收复杂，而且因 反应系统的情况不同而各有差异。
一、吸附剂 1、吸附剂的性质
硅胶和活性炭的内表面分别高达500和 1000m2/g
适合工业要求的吸附剂，必须具备以下条件：
（1）要具有巨大的内表面，
（2）对不同气体具有选择性的吸附作用。
一般地说，吸附剂对各种吸附组分的吸附能力，随吸附组 分沸点的升高而加大，在与吸附剂相接触的气体混合物中，首 先被吸附的是高沸点的组分。在多数情况下，被吸附组分的沸 点与不被吸附组分（即惰性组分）的沸点相差很大，因而惰性 组分的存在，基本上不影响吸附的进行。
U—喷淋密度，即单位时间内喷淋在单位 塔截面积上的液相体积。【重要概念】
3、界面浓度
气液界面上气相浓度和液相浓度难以用 取样分析法测定，常用作图法和解析法求算。
（1）作图法：稳定传质过程，气液界面两侧 气相传质速率和液相传质速率相等。（见 P19，图7-12）
（2）解析法：稀溶液服从亨利定律，可用解 析法求算。
气体吸收
吸收机理 气液平衡 物理吸收 化学吸收
第七章 气态污染物控制技术基础
第一节 吸收法净化气态污染物 第二节 吸附法净化气态污染物 第三节 催化法净化气态污染物
第一节 吸收法净化气态污染物
一、吸收机理
气体吸收是溶质从气相传 递到液相的相际间传质过程， 对于吸收机理以双膜理论模型 的应用最广。
催化法净化气态污染物
催化法净化气态污染物
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。
催化作用
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。
环境的分类：
按环境性质：自然环境、半自然环境（被人类破坏后的自然 环境）、社会环境。
按环境范围：宇宙环境（星际环境）、地球环境（地理环 境）、区域环境、微环境和内环境
按环境要素：大气环境、水环境(如海洋环境、湖泊环境等)、 土壤环境、生物环境(如森林环境、草原环境等)、地质环境
按环境功能：特定空间环境(如航空、航天的密封舱环境等)、 车间环境(劳动环境)、生活区环境(如后室环境、院落环境等)、 城市环境、区域环境(如流域环境、行政区域环境等)、全球 环境和星际环境等。
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。
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。
催化层厚度一般为50～100mm，催化层前后应酌情 设置导向片，以防止气流偏流。
为提到较高的净化效率，空速可取得小些，一般为 10000h-1以下。
换热器
?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至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至200400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?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
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。
催化作用
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。
环境的分类：
按环境性质：自然环境、半自然环境（被人类破坏后的自然 环境）、社会环境。
按环境范围：宇宙环境（星际环境）、地球环境（地理环 境）、区域环境、微环境和内环境
按环境要素：大气环境、水环境(如海洋环境、湖泊环境等)、 土壤环境、生物环境(如森林环境、草原环境等)、地质环境
按环境功能：特定空间环境(如航空、航天的密封舱环境等)、 车间环境(劳动环境)、生活区环境(如后室环境、院落环境等)、 城市环境、区域环境(如流域环境、行政区域环境等)、全球 环境和星际环境等。
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。
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。
催化层厚度一般为50～100mm，催化层前后应酌情 设置导向片，以防止气流偏流。
为提到较高的净化效率，空速可取得小些，一般为 10000h-1以下。
换热器
?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至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至200400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?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
气态污染物控制技术3
对大多数催化剂，毒物：CO、H2S、S、As、 Pb 、HCN
催化剂表面形态电镜照片
4 气固催化反应动力学
反应过程：7个步骤
(1)反应物从气流主体至催化剂外表面 (2)进一步向催化剂的微孔内扩散 (3)反应物在催化剂的内表面上被吸附 (4)吸附的反应物转化为生成物 (5)生成物从催化剂表面脱附下来 (6)脱附生成物从微孔向外表面扩散 (7)生成物从外表面扩散到气流主体
活性组分：是催化剂主体，单独对化学反应起 催化作用，可作为催化剂单独使用。
助催化剂:本身无活性，但具有提高活性组分 活性的作用。
载体:起承载活性组分作用，使催化剂具有合 适形状与粒度，大的比表面积，增大活性、减 少用量，增加机械强度，延长寿命等。
3 催化剂的性能
活性：是衡量催化剂效能大小的指标。
si
实际反应速率
Ks f (CAS)dS
按外表面反应物浓度计算得到的理论反应速率
0
Ks
f
(CAS )Si
在内扩散的影响下 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 催化剂内表面积并未充分利用 η值较小
催化反应动力学方程
催化剂有效系数
实验测定
计算法
固定床的阻力计算
实际计算应根据温度和流量的变化，将床层分段计
算：
P
f
H ds
v2(1 ) 3
阻力与床高和空塔气速的平方成正比，即与截面积
Байду номын сангаас
的三次方成反比；
与粒径成反比；
与孔隙率的三次方成反比。
改变反应历程，降低活化能； 提高反应速率：
催化剂表面形态电镜照片
4 气固催化反应动力学
反应过程：7个步骤
(1)反应物从气流主体至催化剂外表面 (2)进一步向催化剂的微孔内扩散 (3)反应物在催化剂的内表面上被吸附 (4)吸附的反应物转化为生成物 (5)生成物从催化剂表面脱附下来 (6)脱附生成物从微孔向外表面扩散 (7)生成物从外表面扩散到气流主体
活性组分：是催化剂主体，单独对化学反应起 催化作用，可作为催化剂单独使用。
助催化剂:本身无活性，但具有提高活性组分 活性的作用。
载体:起承载活性组分作用，使催化剂具有合 适形状与粒度，大的比表面积，增大活性、减 少用量，增加机械强度，延长寿命等。
3 催化剂的性能
活性：是衡量催化剂效能大小的指标。
si
实际反应速率
Ks f (CAS)dS
按外表面反应物浓度计算得到的理论反应速率
0
Ks
f
(CAS )Si
在内扩散的影响下 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 催化剂内表面积并未充分利用 η值较小
催化反应动力学方程
催化剂有效系数
实验测定
计算法
固定床的阻力计算
实际计算应根据温度和流量的变化，将床层分段计
算：
P
f
H ds
v2(1 ) 3
阻力与床高和空塔气速的平方成正比，即与截面积
Байду номын сангаас
的三次方成反比；
与粒径成反比；
与孔隙率的三次方成反比。
改变反应历程，降低活化能； 提高反应速率：
第07章 气态污染物控制技术108.ppt
气态污染物
气
液
气相 界 液相
面
气体扩散
气体在气相中的扩散系数（Gilliland 方程）
DAB
1.8
104
[V
T 0.5
0.5
A V
0.5 B
]2
MA
A
[1 MA
1 ]0.5 MB
T－绝对温度，K DAB－扩散系数，cm2/s M－气体的摩尔质量 V －气体在沸点下呈液态时的摩尔体积,cm3/mol
相平衡方程
在工业计算中因气体和液体的量都随吸收过程 进行而不断变化，因此常用X液相中溶质与吸 收剂的摩尔分数和Y气相中溶质与惰性组分的 摩尔分数表示。
Y
1
mX
1 mX
Y y /(1 y) X x /(1 x）
相平衡方程式在吸收操作上的作用
确定了传质的方向： 如某混合气体中某组分的摩尔分率为y，而溶液中该 组分的摩尔分率为x1，当两者混合时，首先确定在该 温度下的m值，然后求出与x1相平衡的y1*＝mx1来， 如果y>y1*该组分将被溶液吸收，反之解吸。
时间内的吸收速率是变
化的
液体主相
吸收机理
3.表面更新模型
➢假定:
各表面微元具有不同的暴露时间,t=0～
各表面元的暴露时间(龄期)符合正态分布
4. 其它模型
➢表面更新模型的修正
气液界面 流体微元
➢基于流体力学的传质模型
➢界面效应模型
液体主相
双膜理论
双膜模型
➢ 气相分传质速率
NA k y ( y A yAi )
x1 1 x1
)
500 ( 0.005
0.1 0 ) /(
0.0027
催化法净化气态污染物
催化法净化气态污染物概述催化法是一种常用的净化气态污染物的方法，通过催化剂的作用，将污染物转化为无害的物质。
该方法在环保和工业领域得到广泛应用，具有高效、低成本和环保等优点。
催化法的原理催化法净化气态污染物的原理是利用催化剂对污染物进行氧化还原反应，将有害气态污染物转化为无害的气体或固体物质。
催化剂的选择和设计对反应效率和选择性有重要影响。
催化剂的分类•金属氧化物催化剂：如氧化铜、氧化锌等，常用于氧化反应。
•金属负载催化剂：将活性金属负载在载体上，如氧化铝、硅胶等。
•生物催化剂：利用微生物或酶类对污染物进行生物降解。
催化法的应用•汽车尾气处理：利用三元催化器将尾气中的一氧化碳、氮氧化物和碳氢化合物转化为二氧化碳、氮气和水。
•工业废气处理：对含硫化氢、苯、甲醛等有机污染物的废气进行处理。
•燃煤废气净化：将燃煤产生的氮氧化物、二氧化硫等转化为无害气体。
催化法的优势•高效：催化反应速度快，能够高效转化污染物。
•环保：采用催化法净化气态污染物，可降低排放的有害物质，保护环境。
•经济：与其他净化方法相比，催化法成本较低，易于操作和维护。
催化法的挑战•催化剂失活：催化剂在长期使用中可能受到中毒、烧结等影响而失活，需要定期更换或再生。
•反应选择性：催化剂的选择和设计会影响反应的选择性，需要在优化设计中克服这一挑战。
•温度和压力控制：部分催化反应需要特定的温度和压力条件才能高效进行。
结论催化法净化气态污染物是一种高效、环保且经济的方法，广泛应用于汽车尾气处理、工业废气净化等领域。
在未来的研究中，应重点关注催化剂的设计和再生技术，以提高反应效率和选择性，实现更清洁的生产和排放。
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大气污染控制工程
第七章 催化法净化气态污染物
第七章 催化法净化气态污染物
催化法特点：
催化法是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 理或回收利用的物质的方法。 化学反应发生在气流与催化剂接触过程中，反应物和 产物无需与主气流分离，使操作过程大为简化，对不同 浓度的污染物均具有较高的去除率。 对废气组成有较高要求，不能有过多不参加反应的颗 粒物质或使催化剂性能降低、寿命缩短的物质。
➢ 载体通常是惰性物质，它具有两种作用：一是提供大的 比表面积，节约主活性物质，提高催化剂的活性；二是 增强催化剂的机械强度、热稳定性及导热性，延长催化 剂的寿命。
➢ 助催剂本身无催化性能，但它的少量加入可以改善催化 剂的某些性能。
二、催化剂
催化剂的性能：活性、选择性和稳定性 活性是指催化剂加速化学反应速率的能力，通常用单位
一、催化作用
催化作用机理 阿累尼乌斯方程：
k=k0exp(-E/RT) 反应速率是随活化能
的降低呈指数规律加快的 ，催化剂加速反应速率正 是通过降低活化能来实现
的 对反应A+B C
反Байду номын сангаас途径
二、催化剂
催化剂的组成
➢ 主活性物质可以单独对反应产生催化作用，一般发生在 主活性物质的表面20～30nm内。
烟气脱硫的催化氧化流程
二、催化还原法净化含NOx废气
烟气脱硝技术 脱硝技术的难点
➢ 处理烟气体积大 ➢ NOx浓度相当低 ➢ NOx的总量相对较大
烟气脱硝技术
大气烟尘、酸雨、温室效应和臭氧层的破坏已成为危害人类 生存的四大杀手； 燃煤烟气中所含的烟尘、二氧化硫、氮氧化物等有害物质是 造成大气污染、酸雨和温室效应的主要根源； 我国已经开展了大规模的烟气脱硫项目， 但烟气脱硝还未大 规模开展； 资料表明：如果不继续加强对烟气中氮氧化物的治理，氮氧 化物的总量及其在大气污染物中所占的比重都将上升，并有可 能取代二氧化硫成为大气中的主要污染物。
第一节 催化作用与催化剂
一、催化作用
催化剂：能够加速化学反应速率或改变化学反应方向 ，而其本身的化学性质和数量在反应前后没有改变的 物质。 催化作用：催化剂在化学反应过程中所起的加速作用 均相催化：催化剂和反应物处于同一相 多相催化：催化剂与反应物处在不同相
对于气态污染物的催化净化而言，催化剂通常是 固体，因而属于气固相催化反应。
二、选择性催化还原法（SCR）
1、工艺原理
在催化剂作用下，向温度为280 ℃ ~420℃的烟气喷入氨，将 NO还原成N2和H2O
•催化转化法去除SO2主要有催化氧化和催化还原两大类； •催化还原是用CO或H2S作还原剂，在催化剂的作用下将 SO2转化成单质硫； •催化氧化又分为液相催化氧化和气相催化氧化。 •液相催化氧化法是利用溶液中的铁或者锰等金属离子， 将SO2直接氧化成硫酸，即：
2SO2 O2 2H2O Fe3 2H2SO4
一、催化法净化含SO2的废气
日本的千代田法烟气脱硫就是利用这一原理开发 出来的。该法将SO2氧化成稀硫酸后，可再与石灰石反 应制成销路较好的副产品——石膏。
千代田法工艺流程图
1一吸收塔； 2一氧化塔；3一储槽； 4—结晶槽； 5—离心机； 6—增稠器；7—母液槽
一、催化法净化含SO2的废气
气相催化氧化法是在接触法制硫酸工艺的基础上发 展起来的，其关键反应是用V2O5作催化剂将SO2氧化SO3。 该法处理含高浓度SO2的烟气，如有色冶炼烟气，已比较 成熟。
CuO、Cr2O3、Mn2O3和稀土类氧 化物
SiO2 Ni、NiO
Al2O3
苯、甲苯氧化为 CO2和H2O
汽车排气中HC和 CO的氧化
Pt、Pd等
CuO、Cr2O3、MnO2 V2O5 4%～7% CuO 3%～7%
Ni或Al2O3 Al2O3
Al2O3-SiO2
NO x
还原为N2
Pt 或Pd 0.5% CuCrO2
二、催化剂
催化净化法选用催化剂的原则： （1）根据污染气体的成分和确定的化学反应选择恰当的催 化剂； （2）催化剂要有很好的活性、选择性、稳定性； （3）选择催化剂还要考虑其经济性。
二、催化剂
常用的几种废气净化剂的组成
用途
主要活性物质
载体
SO2氧化成SO3
HC和CO氧化为CO2 和H2O
V2O5 6%～12% Pt、Pd、Rh
时间内单位体积（或质量）催化剂在动力学范围内指定 的反应条件下所得到的产品数量来表示。 催化剂的选择性是指在几个平行反应中对某个特定反应 的加速能力，常用反应得到的目的产物量与反应物质反 应了的量之比来表示。 催化剂的稳定性是指在催化反应过程中催化剂保持活性 的能力，它包括热稳定性、机械稳定性和抗毒稳定性三 方面，通常用寿命来表示。
烟气脱硝技术
国家环保总局2004年经修改后发布的火电厂大气污染 排放标准(GB13223—2004)对火电厂NOx的排放已做出 限制规定 明确提出新建火电站除满足现行排放标准外 还须预留烟气脱除氮氧化物装置的空间。 相应的排污费征收标准管理办法从2004年7月1日起执 行，每当量氮氧化物征收排污费0.6元(原来是不收)
烟气脱硝技术
废气脱硝是目前发达国家普遍采用的减少NOx排放的方法 选择性催化还原法（Selective catalytic reduction, SCR） 选择性非催化还原法（Selective non-catalytic reduction, SNCR）
SCR的发明权属于美国，日本率先于20世纪70年代实现商业化应用 日本93%以上废气脱硝采用SCR，运行装置超过300套； 德国20世纪80年代引进，并规定发电量50MW以上的电厂都配备SCR； 台湾有100套以上的SCR装置在运行； 大庆石化、川化集团、北京燕山石化、福建漳州电厂也引进SCR装置
Al2O3-SiO2 Al2O3-MgO
Ni
Al2O3-SiO2 Al2O3-MgO
助催化剂 K2O或Na2O
Pt0.01%～0.015%
第二节 催化转化法的应用
催化法净化含SO2的废气 汽车尾气的催化净化 催化还原法净化含NOx废气 石油炼厂的H2S尾气的催化氧化处理回收
一、催化法净化含SO2的废气
第七章 催化法净化气态污染物
第七章 催化法净化气态污染物
催化法特点：
催化法是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 理或回收利用的物质的方法。 化学反应发生在气流与催化剂接触过程中，反应物和 产物无需与主气流分离，使操作过程大为简化，对不同 浓度的污染物均具有较高的去除率。 对废气组成有较高要求，不能有过多不参加反应的颗 粒物质或使催化剂性能降低、寿命缩短的物质。
➢ 载体通常是惰性物质，它具有两种作用：一是提供大的 比表面积，节约主活性物质，提高催化剂的活性；二是 增强催化剂的机械强度、热稳定性及导热性，延长催化 剂的寿命。
➢ 助催剂本身无催化性能，但它的少量加入可以改善催化 剂的某些性能。
二、催化剂
催化剂的性能：活性、选择性和稳定性 活性是指催化剂加速化学反应速率的能力，通常用单位
一、催化作用
催化作用机理 阿累尼乌斯方程：
k=k0exp(-E/RT) 反应速率是随活化能
的降低呈指数规律加快的 ，催化剂加速反应速率正 是通过降低活化能来实现
的 对反应A+B C
反Байду номын сангаас途径
二、催化剂
催化剂的组成
➢ 主活性物质可以单独对反应产生催化作用，一般发生在 主活性物质的表面20～30nm内。
烟气脱硫的催化氧化流程
二、催化还原法净化含NOx废气
烟气脱硝技术 脱硝技术的难点
➢ 处理烟气体积大 ➢ NOx浓度相当低 ➢ NOx的总量相对较大
烟气脱硝技术
大气烟尘、酸雨、温室效应和臭氧层的破坏已成为危害人类 生存的四大杀手； 燃煤烟气中所含的烟尘、二氧化硫、氮氧化物等有害物质是 造成大气污染、酸雨和温室效应的主要根源； 我国已经开展了大规模的烟气脱硫项目， 但烟气脱硝还未大 规模开展； 资料表明：如果不继续加强对烟气中氮氧化物的治理，氮氧 化物的总量及其在大气污染物中所占的比重都将上升，并有可 能取代二氧化硫成为大气中的主要污染物。
第一节 催化作用与催化剂
一、催化作用
催化剂：能够加速化学反应速率或改变化学反应方向 ，而其本身的化学性质和数量在反应前后没有改变的 物质。 催化作用：催化剂在化学反应过程中所起的加速作用 均相催化：催化剂和反应物处于同一相 多相催化：催化剂与反应物处在不同相
对于气态污染物的催化净化而言，催化剂通常是 固体，因而属于气固相催化反应。
二、选择性催化还原法（SCR）
1、工艺原理
在催化剂作用下，向温度为280 ℃ ~420℃的烟气喷入氨，将 NO还原成N2和H2O
•催化转化法去除SO2主要有催化氧化和催化还原两大类； •催化还原是用CO或H2S作还原剂，在催化剂的作用下将 SO2转化成单质硫； •催化氧化又分为液相催化氧化和气相催化氧化。 •液相催化氧化法是利用溶液中的铁或者锰等金属离子， 将SO2直接氧化成硫酸，即：
2SO2 O2 2H2O Fe3 2H2SO4
一、催化法净化含SO2的废气
日本的千代田法烟气脱硫就是利用这一原理开发 出来的。该法将SO2氧化成稀硫酸后，可再与石灰石反 应制成销路较好的副产品——石膏。
千代田法工艺流程图
1一吸收塔； 2一氧化塔；3一储槽； 4—结晶槽； 5—离心机； 6—增稠器；7—母液槽
一、催化法净化含SO2的废气
气相催化氧化法是在接触法制硫酸工艺的基础上发 展起来的，其关键反应是用V2O5作催化剂将SO2氧化SO3。 该法处理含高浓度SO2的烟气，如有色冶炼烟气，已比较 成熟。
CuO、Cr2O3、Mn2O3和稀土类氧 化物
SiO2 Ni、NiO
Al2O3
苯、甲苯氧化为 CO2和H2O
汽车排气中HC和 CO的氧化
Pt、Pd等
CuO、Cr2O3、MnO2 V2O5 4%～7% CuO 3%～7%
Ni或Al2O3 Al2O3
Al2O3-SiO2
NO x
还原为N2
Pt 或Pd 0.5% CuCrO2
二、催化剂
催化净化法选用催化剂的原则： （1）根据污染气体的成分和确定的化学反应选择恰当的催 化剂； （2）催化剂要有很好的活性、选择性、稳定性； （3）选择催化剂还要考虑其经济性。
二、催化剂
常用的几种废气净化剂的组成
用途
主要活性物质
载体
SO2氧化成SO3
HC和CO氧化为CO2 和H2O
V2O5 6%～12% Pt、Pd、Rh
时间内单位体积（或质量）催化剂在动力学范围内指定 的反应条件下所得到的产品数量来表示。 催化剂的选择性是指在几个平行反应中对某个特定反应 的加速能力，常用反应得到的目的产物量与反应物质反 应了的量之比来表示。 催化剂的稳定性是指在催化反应过程中催化剂保持活性 的能力，它包括热稳定性、机械稳定性和抗毒稳定性三 方面，通常用寿命来表示。
烟气脱硝技术
国家环保总局2004年经修改后发布的火电厂大气污染 排放标准(GB13223—2004)对火电厂NOx的排放已做出 限制规定 明确提出新建火电站除满足现行排放标准外 还须预留烟气脱除氮氧化物装置的空间。 相应的排污费征收标准管理办法从2004年7月1日起执 行，每当量氮氧化物征收排污费0.6元(原来是不收)
烟气脱硝技术
废气脱硝是目前发达国家普遍采用的减少NOx排放的方法 选择性催化还原法（Selective catalytic reduction, SCR） 选择性非催化还原法（Selective non-catalytic reduction, SNCR）
SCR的发明权属于美国，日本率先于20世纪70年代实现商业化应用 日本93%以上废气脱硝采用SCR，运行装置超过300套； 德国20世纪80年代引进，并规定发电量50MW以上的电厂都配备SCR； 台湾有100套以上的SCR装置在运行； 大庆石化、川化集团、北京燕山石化、福建漳州电厂也引进SCR装置
Al2O3-SiO2 Al2O3-MgO
Ni
Al2O3-SiO2 Al2O3-MgO
助催化剂 K2O或Na2O
Pt0.01%～0.015%
第二节 催化转化法的应用
催化法净化含SO2的废气 汽车尾气的催化净化 催化还原法净化含NOx废气 石油炼厂的H2S尾气的催化氧化处理回收
一、催化法净化含SO2的废气