大气污染控制学 (8)
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3、冷凝系统的设计计算
10.6吸附法控制VOCs污染
目的要求：了解吸附剂及吸附工艺；
重点：无
授课方式：自学
一、吸附工艺
吸附工艺流程图见图10-13；
二、吸附剂
活性炭吸附VOCs性能最佳；
10.7生物法控制VOCs污染
目的要求：了解生物法控制VOCs污染的原理，掌握生物法处理VOCs污染的工艺；
重点：生物法处理VOCs污染的工艺；
燃烧法或称焚烧法净化时所发生的化学反应主要是燃烧氧化作用及高温下的热分解。因此，这种方法只能适用于净化那些可燃的或在高温下可以分解的有害物质。
由于有机气态污染物燃烧氧化的最终产物是二氧化碳和水，因而用这种方法不能回收到有用的物质，但由于燃烧时放出大量的热，使排气的温度很高，所以可以回收热量。
一、VOCs燃烧转化原理
3、催化燃烧
催化燃烧实际上为完全的催化氧化，即在催化剂作用下，使废气中的有害可燃组分完全氧化为二氧化碳和水。由于绝大部分有机物均具有可燃烧性，因此催化燃烧法已成为净化含碳氢化合物废气的有效手段之一。
与其他种类的燃烧法相比，催化燃烧法具有如下特点：催化燃烧为无火焰燃烧，安全性好；要求的燃烧温度低，故辅助燃料消耗少；对可燃组分浓度和热值限制较小；为使催化剂延长使用寿命，不允许废气中含有尘粒和雾滴。
燃烧反应是放热反应，可用普通的热化学反应方程式来表示，每摩尔燃料燃烧时所放出的热量称为燃烧热，单位为kJ/mol。热化学方程式是进行物料衡算、热量衡算及设计燃烧装置的依据。
二、燃烧工艺
1、直接燃烧
直接燃烧是把废气中可燃有害组分当作燃料直接燃烧。因此，该方法只适用于净化含可燃有害组分浓度较高的废气，或者用于净化有害组分燃烧时热值较高的废气。
VOCs气体由塔顶进入过滤塔，在流动中与已接触挂膜的生物滤料接触而被净化，净化后的气体由塔底排出。定期在塔顶喷淋营养液，为滤料微生物提供养分、水分并调节pH值，营养液呈非连续相，其流向与气体流向相同。
过滤塔的类型：
最初的生物过滤塔采用土壤为过滤介质，随后采用含微生物量较高的堆肥等为滤料。今年来，又开发诸如活性炭等新型介质作为滤料。
1、生物洗涤塔（悬浮生长系统）
工艺流程如图10-17所示，洗涤塔由吸收和生物降解两部分组成。经有机物驯化的循环液由洗涤塔顶部布液装置喷淋而下，与沿塔而上的气相主体逆流接触，使气相中的有机物和氧气转入液相，进入再生器（活性污泥池），被微生物氧化分解，得以降解。该法适用于气相传至速率大于生化反应速率的有机物降解。
第十章挥发性有机污染物控制
挥发性有机物（VOCs）是一类有机化合物的统称，在高温下它们的蒸发速度大，易挥发。
10.1蒸气压及蒸发
10.2VOCs污染预防
目的要求：了解蒸气压及VOCs污染预防基础知识；
重点：无
授课方式：自学
蒸气压是判断有机物是否属于挥发性有机物的主要依据。
VOCs污染控制技术基本上可分为两大类：第一类是改进工艺技术、更换设备和防止泄漏为主的预防性措施；第二类是以末端治理为主的控制性措施。
一、吸收工艺及吸收剂
1、吸收工艺
典型工艺如图10-8所示；
含VOCs的气体由底部进入吸收塔，在上升的过程中与来自塔顶的吸收剂逆流接触而被吸收，被净化后的气体由塔顶排出。吸收了VOCs的吸收剂通过热交换器后，进入气提塔顶部，在温度高于吸收温度或（和）压力低于吸收压力时得以解吸，吸收剂再经过溶剂冷凝器冷凝后进入吸收塔循环利用。解吸出的VOCs气体经过冷凝器、气液分离器后以纯VOCs气体的形式离开气提塔，被进一步回收利用。
洗涤塔的主要作用是为气液两相提供充分接触的机会，使两相间的作用能够有效地进行。
2、生物滴滤塔
生物滴滤塔同时具有悬浮生长系统和附着生长系统的特性。
工艺流程如图10-18所示。VOCs气体由塔底进入，在流动过程中与已接种挂膜的生物滤料接触而被净化，净化后的气体由塔顶排出。
3、生物过滤塔（附着生长系统）
生物过滤塔降解VOCs工艺流程如图10-20所示。
VOCs生物净化过程的实质是附着在滤料介质中的微生物在适宜的环境条件下，利用废气中的有机成分作为碳源和能源，维持其生命活动，并将有机物分解为二氧化碳和水的过程。气相主体中VOCs首先经历由气相到固/液相的传质过程，然后才在固/液相中被微生物降解。
二、生物法处理VOCs工艺
在废气生物处理过程中，根据系统中微生物的存在形式，可将生物处理工艺分成悬浮生长系统和附着生长系统。悬浮生长系统的典型形式有鼓泡塔、喷淋塔及穿孔塔等生物洗涤器。附着生长系统典型形式有土壤、堆肥、填料等材料构成的生物过滤塔。
用于催化燃烧的催化剂多为贵金属铂、钯，这些催化剂活性好，寿命长，使用稳定。目前稀土催化剂的研究已取得一定成效。
三、燃烧工艺性能
10.4吸收（洗涤）法控制VOCs污染
目的要求：了解吸收工艺与吸收剂；
重点：无
授课方式：讲授、自学
溶剂吸收法采用低挥发或不挥发性溶剂对VOCs进行吸收，在利用VOCs分子和吸收剂物理性质的差异进行分离。
一、冷凝原理
物质在不同的温度和压力下，具有不同的饱和蒸气压。对应于废气中有害物质的饱和蒸气下的温度，成为该混合气体的露点温度。也就是说，在一定压力下，某气体物质开始冷凝出现第一个液滴时的温度，即为露点温度，简称为露点。因此，混合气体中有害物质的温度必须低于露点，才能冷凝下来。在衡压下加热液体，液体开始出现第一个气泡时的温度，简称泡点，冷凝温度一般在露点和泡点之间，冷凝温度越接近泡点，则净化程度越高。通常也可用压缩法使气态有害物质在临界温度下临界压力下变成液态，从而除去或回收有害物质，但由于费用较高，目前很少使用。
直接燃烧的设备包括一般的燃烧炉、窑，或通过某种装置将废气导入锅炉作为燃烧气进行燃烧。
直接燃烧法不适于处理低浓度废气。
2、热力燃烧
热力燃烧用于可燃有机物质含量较低的废气的净化处理，工艺流程如图10-6所示。这类废气中可燃有机组分的含量往往很低，本身不能维持燃烧。因此，热力燃烧中，被净化的废气不是作为燃烧所用的燃料，而是在含氧量足够时作为助燃气体，不含氧时则作为燃烧的对象。在进行热力燃烧时一般是需燃烧其他燃料（如煤气、天然气、油等），把废气温度提高到热力燃烧所需的温度，使其中的气态污染物进行氧化，分解成为二氧化碳、水和氮气等。
工艺技术的改进和设备的更新通常是减少VOCs排放的最佳选择。主要包括替换原材料，以减少引入到生产过程中的VOCs总量；改变运行条件，减少VOCs的形成和挥发；更换设备，以减少VOCs泄漏等手段。
10.3燃烧法控制VOCs污染
目的要求：掌握VOCs燃烧转化原理及燃烧工艺；
重点：VOCs燃烧工艺
授课方式：讲授、自学
授课方式：讲授、自学
生物法控制VOCs污染是近年来发展起来的空气污染控制技术，该技术已在德国、荷兰等国家的到规模化应用，有机物去除率大都在90%以上。与常规处理法相比，生物法具有设备简单、运行费用低、较少形成二次污染等优点，尤其在处理低浓度、生物降解性好的气态污染物时更显其经济性。
一、生物法控制VOCs污染的原理
（1）土壤法
以土壤中的胶状颗粒作为滤料，利用其吸附性能和土壤中的细菌、霉菌等微生物的分解作用，将污染物去除的生物过滤工艺。
（2）堆肥法
利用泥炭、堆肥、木屑等为滤料，经熟化后形成一种有利于气体通过的堆肥层，适宜于微生物的生长繁殖。
三、生物法工艺性能比较及其应用前景
1、生物法工艺性能
工艺性能比较见表10-19。
2、使用范围
生物法可处理的有机化合物种类包括：烃类、卤烃、酮类、酯类、乙醚类、醇类等。
本章小结：
二、冷凝设备
两种最通用的冷凝方法是表面冷凝和接触冷凝。表面冷凝的常用设备是壳管式热交换器。典型情况下，冷却剂通过管子流动，而蒸汽在管子外壳冷凝，被冷凝的蒸汽在冷却管上形成液层后被排到收集槽进行储存或处理。在表面冷凝器中，冷凝剂既不与蒸汽接触也不与冷凝物接触。与表面冷凝相反，在接触冷凝中，则是通过直接向气体中喷射冷却液的方法使VOCs气体进行冷凝。
该工艺适用于VOCs浓度较高、温度较低和压力较高的场合。
2、吸收剂
吸收剂必须对被去除的VOCs有较大的溶解性，同时如果需要回收有用的VOCs组分，则回收组分不得和其他组分互溶。
二、吸收设备
10.5冷凝法控制VOCs污染
目的要求：了解冷凝原理；
重点：无
授课方式：讲授、自学
冷凝法利用物质在不同温度下具有不同的饱和蒸气压这一性质，采用降低温度、提高系统的压力或者降低温度又提高压力的方法，使处于蒸汽状态的污染物冷凝并与废气分离。该法特别适用于处理废气体积分数在10-2以上的有机蒸汽。所以冷凝法不适于处理低浓度的有机气体，而常作为其他方法净化高浓度废气的前处理，以降低有机负荷，回收有机物。
1、接触冷凝
接触冷凝是指在接触冷凝器中，被冷凝气体与冷却介质（通常采用冷水）直接接触而使气体中的VOCs组分得以冷凝，冷凝液与冷却介质以废液的形式排除冷却器。接触冷凝有利于强化传热，但冷凝液需进一步处理，常用的冷凝设备有喷射塔、喷淋塔、填料塔和筛板塔。
2、表面冷凝
表面冷凝也称间接冷却，冷却壁把冷凝气与冷凝液分开，因来自百度文库冷凝液组分较为单一，可以直接回收利用。常用的间接冷凝设备有列管冷凝器、翅管空冷冷凝器、喷淋式冷凝器及螺旋板冷凝器。
10.6吸附法控制VOCs污染
目的要求：了解吸附剂及吸附工艺；
重点：无
授课方式：自学
一、吸附工艺
吸附工艺流程图见图10-13；
二、吸附剂
活性炭吸附VOCs性能最佳；
10.7生物法控制VOCs污染
目的要求：了解生物法控制VOCs污染的原理，掌握生物法处理VOCs污染的工艺；
重点：生物法处理VOCs污染的工艺；
燃烧法或称焚烧法净化时所发生的化学反应主要是燃烧氧化作用及高温下的热分解。因此，这种方法只能适用于净化那些可燃的或在高温下可以分解的有害物质。
由于有机气态污染物燃烧氧化的最终产物是二氧化碳和水，因而用这种方法不能回收到有用的物质，但由于燃烧时放出大量的热，使排气的温度很高，所以可以回收热量。
一、VOCs燃烧转化原理
3、催化燃烧
催化燃烧实际上为完全的催化氧化，即在催化剂作用下，使废气中的有害可燃组分完全氧化为二氧化碳和水。由于绝大部分有机物均具有可燃烧性，因此催化燃烧法已成为净化含碳氢化合物废气的有效手段之一。
与其他种类的燃烧法相比，催化燃烧法具有如下特点：催化燃烧为无火焰燃烧，安全性好；要求的燃烧温度低，故辅助燃料消耗少；对可燃组分浓度和热值限制较小；为使催化剂延长使用寿命，不允许废气中含有尘粒和雾滴。
燃烧反应是放热反应，可用普通的热化学反应方程式来表示，每摩尔燃料燃烧时所放出的热量称为燃烧热，单位为kJ/mol。热化学方程式是进行物料衡算、热量衡算及设计燃烧装置的依据。
二、燃烧工艺
1、直接燃烧
直接燃烧是把废气中可燃有害组分当作燃料直接燃烧。因此，该方法只适用于净化含可燃有害组分浓度较高的废气，或者用于净化有害组分燃烧时热值较高的废气。
VOCs气体由塔顶进入过滤塔，在流动中与已接触挂膜的生物滤料接触而被净化，净化后的气体由塔底排出。定期在塔顶喷淋营养液，为滤料微生物提供养分、水分并调节pH值，营养液呈非连续相，其流向与气体流向相同。
过滤塔的类型：
最初的生物过滤塔采用土壤为过滤介质，随后采用含微生物量较高的堆肥等为滤料。今年来，又开发诸如活性炭等新型介质作为滤料。
1、生物洗涤塔（悬浮生长系统）
工艺流程如图10-17所示，洗涤塔由吸收和生物降解两部分组成。经有机物驯化的循环液由洗涤塔顶部布液装置喷淋而下，与沿塔而上的气相主体逆流接触，使气相中的有机物和氧气转入液相，进入再生器（活性污泥池），被微生物氧化分解，得以降解。该法适用于气相传至速率大于生化反应速率的有机物降解。
第十章挥发性有机污染物控制
挥发性有机物（VOCs）是一类有机化合物的统称，在高温下它们的蒸发速度大，易挥发。
10.1蒸气压及蒸发
10.2VOCs污染预防
目的要求：了解蒸气压及VOCs污染预防基础知识；
重点：无
授课方式：自学
蒸气压是判断有机物是否属于挥发性有机物的主要依据。
VOCs污染控制技术基本上可分为两大类：第一类是改进工艺技术、更换设备和防止泄漏为主的预防性措施；第二类是以末端治理为主的控制性措施。
一、吸收工艺及吸收剂
1、吸收工艺
典型工艺如图10-8所示；
含VOCs的气体由底部进入吸收塔，在上升的过程中与来自塔顶的吸收剂逆流接触而被吸收，被净化后的气体由塔顶排出。吸收了VOCs的吸收剂通过热交换器后，进入气提塔顶部，在温度高于吸收温度或（和）压力低于吸收压力时得以解吸，吸收剂再经过溶剂冷凝器冷凝后进入吸收塔循环利用。解吸出的VOCs气体经过冷凝器、气液分离器后以纯VOCs气体的形式离开气提塔，被进一步回收利用。
洗涤塔的主要作用是为气液两相提供充分接触的机会，使两相间的作用能够有效地进行。
2、生物滴滤塔
生物滴滤塔同时具有悬浮生长系统和附着生长系统的特性。
工艺流程如图10-18所示。VOCs气体由塔底进入，在流动过程中与已接种挂膜的生物滤料接触而被净化，净化后的气体由塔顶排出。
3、生物过滤塔（附着生长系统）
生物过滤塔降解VOCs工艺流程如图10-20所示。
VOCs生物净化过程的实质是附着在滤料介质中的微生物在适宜的环境条件下，利用废气中的有机成分作为碳源和能源，维持其生命活动，并将有机物分解为二氧化碳和水的过程。气相主体中VOCs首先经历由气相到固/液相的传质过程，然后才在固/液相中被微生物降解。
二、生物法处理VOCs工艺
在废气生物处理过程中，根据系统中微生物的存在形式，可将生物处理工艺分成悬浮生长系统和附着生长系统。悬浮生长系统的典型形式有鼓泡塔、喷淋塔及穿孔塔等生物洗涤器。附着生长系统典型形式有土壤、堆肥、填料等材料构成的生物过滤塔。
用于催化燃烧的催化剂多为贵金属铂、钯，这些催化剂活性好，寿命长，使用稳定。目前稀土催化剂的研究已取得一定成效。
三、燃烧工艺性能
10.4吸收（洗涤）法控制VOCs污染
目的要求：了解吸收工艺与吸收剂；
重点：无
授课方式：讲授、自学
溶剂吸收法采用低挥发或不挥发性溶剂对VOCs进行吸收，在利用VOCs分子和吸收剂物理性质的差异进行分离。
一、冷凝原理
物质在不同的温度和压力下，具有不同的饱和蒸气压。对应于废气中有害物质的饱和蒸气下的温度，成为该混合气体的露点温度。也就是说，在一定压力下，某气体物质开始冷凝出现第一个液滴时的温度，即为露点温度，简称为露点。因此，混合气体中有害物质的温度必须低于露点，才能冷凝下来。在衡压下加热液体，液体开始出现第一个气泡时的温度，简称泡点，冷凝温度一般在露点和泡点之间，冷凝温度越接近泡点，则净化程度越高。通常也可用压缩法使气态有害物质在临界温度下临界压力下变成液态，从而除去或回收有害物质，但由于费用较高，目前很少使用。
直接燃烧的设备包括一般的燃烧炉、窑，或通过某种装置将废气导入锅炉作为燃烧气进行燃烧。
直接燃烧法不适于处理低浓度废气。
2、热力燃烧
热力燃烧用于可燃有机物质含量较低的废气的净化处理，工艺流程如图10-6所示。这类废气中可燃有机组分的含量往往很低，本身不能维持燃烧。因此，热力燃烧中，被净化的废气不是作为燃烧所用的燃料，而是在含氧量足够时作为助燃气体，不含氧时则作为燃烧的对象。在进行热力燃烧时一般是需燃烧其他燃料（如煤气、天然气、油等），把废气温度提高到热力燃烧所需的温度，使其中的气态污染物进行氧化，分解成为二氧化碳、水和氮气等。
工艺技术的改进和设备的更新通常是减少VOCs排放的最佳选择。主要包括替换原材料，以减少引入到生产过程中的VOCs总量；改变运行条件，减少VOCs的形成和挥发；更换设备，以减少VOCs泄漏等手段。
10.3燃烧法控制VOCs污染
目的要求：掌握VOCs燃烧转化原理及燃烧工艺；
重点：VOCs燃烧工艺
授课方式：讲授、自学
授课方式：讲授、自学
生物法控制VOCs污染是近年来发展起来的空气污染控制技术，该技术已在德国、荷兰等国家的到规模化应用，有机物去除率大都在90%以上。与常规处理法相比，生物法具有设备简单、运行费用低、较少形成二次污染等优点，尤其在处理低浓度、生物降解性好的气态污染物时更显其经济性。
一、生物法控制VOCs污染的原理
（1）土壤法
以土壤中的胶状颗粒作为滤料，利用其吸附性能和土壤中的细菌、霉菌等微生物的分解作用，将污染物去除的生物过滤工艺。
（2）堆肥法
利用泥炭、堆肥、木屑等为滤料，经熟化后形成一种有利于气体通过的堆肥层，适宜于微生物的生长繁殖。
三、生物法工艺性能比较及其应用前景
1、生物法工艺性能
工艺性能比较见表10-19。
2、使用范围
生物法可处理的有机化合物种类包括：烃类、卤烃、酮类、酯类、乙醚类、醇类等。
本章小结：
二、冷凝设备
两种最通用的冷凝方法是表面冷凝和接触冷凝。表面冷凝的常用设备是壳管式热交换器。典型情况下，冷却剂通过管子流动，而蒸汽在管子外壳冷凝，被冷凝的蒸汽在冷却管上形成液层后被排到收集槽进行储存或处理。在表面冷凝器中，冷凝剂既不与蒸汽接触也不与冷凝物接触。与表面冷凝相反，在接触冷凝中，则是通过直接向气体中喷射冷却液的方法使VOCs气体进行冷凝。
该工艺适用于VOCs浓度较高、温度较低和压力较高的场合。
2、吸收剂
吸收剂必须对被去除的VOCs有较大的溶解性，同时如果需要回收有用的VOCs组分，则回收组分不得和其他组分互溶。
二、吸收设备
10.5冷凝法控制VOCs污染
目的要求：了解冷凝原理；
重点：无
授课方式：讲授、自学
冷凝法利用物质在不同温度下具有不同的饱和蒸气压这一性质，采用降低温度、提高系统的压力或者降低温度又提高压力的方法，使处于蒸汽状态的污染物冷凝并与废气分离。该法特别适用于处理废气体积分数在10-2以上的有机蒸汽。所以冷凝法不适于处理低浓度的有机气体，而常作为其他方法净化高浓度废气的前处理，以降低有机负荷，回收有机物。
1、接触冷凝
接触冷凝是指在接触冷凝器中，被冷凝气体与冷却介质（通常采用冷水）直接接触而使气体中的VOCs组分得以冷凝，冷凝液与冷却介质以废液的形式排除冷却器。接触冷凝有利于强化传热，但冷凝液需进一步处理，常用的冷凝设备有喷射塔、喷淋塔、填料塔和筛板塔。
2、表面冷凝
表面冷凝也称间接冷却，冷却壁把冷凝气与冷凝液分开，因来自百度文库冷凝液组分较为单一，可以直接回收利用。常用的间接冷凝设备有列管冷凝器、翅管空冷冷凝器、喷淋式冷凝器及螺旋板冷凝器。