大气污染控制工程教案

第17 次课 2 学时第18 次课 2 学时第19 次课 2 学时第七章气态污染物控制技术基础第一节气体吸收一、吸收机理1. 双膜模型（应用最广）假定：（1）界面两侧存在气膜和液膜,膜内为层流, 传质阻力只在膜内（2）气膜和液膜外湍流流动,无浓度梯度, 即无扩散阻力（3）气液界面上,气液达溶解平衡即:C A i=HP A i（4）膜内无物质积累,即达稳态.2. 渗透模型假定:（1）气液界面上的液体微元不断被液相主体中浓度为C AL的微元置换（2）每个微表面元与气体接触时间都为τ（3）界面上微表面元在暴露时间τ内的吸收速率是变化的3. 表面更新模型假定：（1）各表面微元具有不同的暴露时间,t=0-∞（2）各表面元的暴露时间(龄期)符合正态分布4. 其它模型如：表面更新模型的修正；基于流体力学的传质模型；界面效应模型。

5. 双膜理论（1）双膜模型气相分传质速率N A=k y(y A-y Ai)N A=k y(p A-p Aj)液相分传质速率N A=k x(x Ai- x A)N A=k y(c Aj- c A)总传质速率方程N A=K y(y A- y*A) N A=K x(x A*-x A)N A=K ai(p A-p A*)x AL(2)气液平衡常见气体平衡溶解度亨利定律：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（3）吸收系数吸收系数的不同形式见下图：（4）传质阻力传质阻力－吸收系数的倒数传质阻力＝气相传质阻力＋液相传质阻力（5）传质过程吸收质与吸收剂；设备、填料类型；流动状况、操作条件二、物理吸收吸收过程如图所示：操作线、平衡线吸收推动力见图。

吸收塔的最小液气比见图三、化学吸收1. 化学吸收的优点：（1）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（2）液膜扩散阻力降低（3）填料表面的停滞层仍为有效湿表面两分子反应中相界面附近液相内A与B的浓度分布图第20 次课 2 学时●第二节气体吸附●吸附➢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➢吸附质－被吸附物质➢吸附剂－附着吸附质的物质●优点：效率高、可回收、设备简单●缺点：吸附容量小、设备体积大吸附机理物理吸附和化学吸附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●吸附剂需具备的特性➢内表面积大➢具有选择性吸附作用➢高机械强度、化学和热稳定性➢吸附容量大➢来源广泛，造价低廉➢良好的再生性能常用吸附剂特性：分子筛特性●操作条件➢低温有利于物理吸附；高温利于化学吸附➢增大气相压力利于吸附●吸附质性质、浓度➢临界直径－吸附质不易渗入的最大直径➢吸附质的分子量、沸点、饱和性●吸附剂活性➢单位吸附剂吸附的吸附质的量➢静活性－吸附达到饱和时的吸附量➢动活性－未达到平衡时的吸附量常见分子的临界直径气体吸附的影响因素 吸附剂再生吸附剂再生吸附平衡第23 次课 2 学时注：本页为每次课教案首页第九章氮氧化物污染控制主要内容：1. 氮氧化物的性质及来源2. 燃烧过程中氮氧化物的形成机理3. 低氮氧化物燃烧技术4. 烟气脱硝技术第一节氮氧化物的性质及来源NO x包括：➢N2O、NO、N2O3、NO2、N2O4、N2O5➢大气中NO x主要以NO、NO2的形式存在NO x的性质：➢N2O：单个分子的温室效应为CO2的200倍，并参与臭氧层的破坏➢NO：大气中NO2的前体物质，形成光化学烟雾的活跃组分➢NO2: 强烈刺激性，来源于NO的氧化，酸沉降NO x的来源➢固氮菌、雷电等自然过程（5×108t/a）➢人类活动（5×107t/a）▪燃料燃烧占95％。

主要来自：各种锅炉、焙烧炉、窑炉等的燃烧过程；机动车尾气排放。

▪其他: 硝酸生产和各种硝化过程（如化肥厂）；冶金行业中的炼焦、烧结、冶炼等高温过程；金属表面的硝酸处理。

％以NO形式，其余主要为NO2。

▪95第二节燃烧过程NO x的形成机理形成机理➢1.燃料型NO x燃料中的固定氮生成的NO x➢2.热力型NO x高温下N2与O2反应生成的NO x➢3.瞬时NO低温火焰下由于含碳自由基的存在生成的NO热力型NO x的形成产生NO和NO2的两个重要反应平衡常数和平衡浓度()() 2222N O2NO 11NO O NO22−−→+←−−−−→+←−−上述反应的化学平衡受温度和反应物化学组成的影响；平衡时NO浓度随温度升高迅速增加。

上述数据说明：1) 室温条件下，几乎没有NO 和NO2生成，并且所有的NO 都转化为NO2； 2) 800K 左右，NO 与NO2生成量仍然很小，但NO 生成量已经超过NO2； 3) 常规燃烧温度（>1500K ）下，有可观的NO 生成，但NO2量仍然很小； 4) 平衡时NO 浓度随温度升高而迅速增加； 5) 较低空气过剩系数有利于控制NOx 的形成。

烟气冷却过程中，根据热力学计算，NO x 应主要以NO2的形式存在，但实际90％～95％的NO x 以NO 的形式存在，主要原因在于动力学控制。

➢NO/NO x Ratioboilervehicles nature gas 0.9～1.0 internal comb. engine 0.99～1.0 coal 0.95～1.06# fuel oil0.96～1.0 diesel engine 0.77～1.0热力型NO x 形成的动力学——Zeldovich 模型NO 生成的总速率假定N 原子的浓度保持不变➢ 得到➢ 代入（6）式得425452[O][N ][O][NO][N][NO][O ]k k k k --+=+稳态424552d[N][O][N ][N][NO][O][NO][N][O ]0d k k k k t --=-+-=424525d[NO][O][N ][N][NO][N][O ][O][NO] (6)d k k k k t --=-+-121222N O N O N (4)N O N O O (5)+-+-+⇔++⇔+2O M 2O M (3)+⇔+假定O 原子的浓度保持不变最终得积分得NO 的形成分数Y 与时间t 之间的关系各种温度下形成NO 的浓度－时间分布曲线11(1)(1)exp()c c Y Y Mt +--+=-21/24p,O 21/21/2p,NO 1/21/24p,NO 21/252ed (1)d 2(1)4[N ]()()()[N ][O ][NO]/[NO]Y M Y x CY k K M RT K k K C k Y --=+===1/22e p,NOe 1/2[O ][O]()K RT =2424552452242p,NO 22452d[NO][N ]([NO]/[O ])2[O]d 1([NO]/[O ])2[O][N ]{1[NO]/([N ][O ])}=1([NO]/[O ])k k k k t k k k K k k -----=+-+在各种温度下NO 浓度随时间的变化曲线(N 2／O 2＝40：1)根据泽利多维奇预测结果:压力对M 值影响较弱,温度影响较强,即影响NO 生成总量,也影响NO 生成速率； 在相同停留时间,不同温度下NO 生成速率有显著差别；为减少NO 生成量,可采取降低火焰区温度和后火焰区温度,减少停留时间的途径。

瞬时NO 的形成：碳氢化合物燃烧时，分解成CH 、CH 2和C 2等基团，与N 2发生如下反应火焰中存在大量O 、OH 基团，与上述产物反应：小结：低温火焰中生成的NO 的量明显高于泽氏预测的结果. 因此,低温火焰中形成的NO2222HCN OH CN H O CN O CO NO CN O CO N NH OH N H O NH O NO H N OH NO H N O NO O+→++→++→++→++→++→++→+22222CH N HCN N CH N HCN NH C N 2CN+→++→++→多为瞬时NO；瞬时NO生成量平均为30g/GJ。

燃料型NO x的形成：燃料中的N通常以原子状态与HC结合，C—N键的键能较N ≡N 小，燃烧时容易分解，经氧化形成NO x；火焰中燃料氮转化为NO的比例取决于火焰区NO/O2的比例；燃料中20％～80％的氮转化为NO x。

第24 次课 2 学时第三节低NO x燃烧技术原理控制NO x形成的因素➢空气－燃料比➢燃烧区温度及其分布➢后燃烧区的冷却程度➢燃烧器形状低NO x燃烧技术传统低NO x燃烧技术➢1. 低氧燃烧▪降低NO x的同时提高锅炉热效率▪CO、HC、碳黑产生量增加▪2. 降低助燃空气预热温度➢燃烧空气由27o C 预热到315o C ，NO 排放量增加3 倍3. 烟气循环燃烧采用燃烧产生的部分烟气冷却后,再循环送回燃烧区,起到降低氧浓度和燃烧区温度(主要减少热力型NO x)的作用,以达到减少NO生成量的目的.烟气循环率25%-40%。

4. 两段燃烧技术➢第一段：氧气不足，烟气温度低，NO x生成量很小➢第二段：二次空气，CO、HC完全燃烧，烟气温度低先进的低NO x燃烧技术原理：低空气过剩系数运行技术＋分段燃烧技术➢1. 炉膛内整体空气分级的低NO x直流燃烧器▪炉壁设置助燃空气（OFA，燃尽风）喷嘴▪类似于两段燃烧技术▪要求:▪合理确定燃尽风喷口与最上层煤粉喷口的距离▪燃尽风量要适当▪燃尽风应有足够高的流速,以便能与烟气充分混合.先进的低NO x燃烧技术2. 空气分级的低NO x旋流燃烧器既要控制燃料型NOx和热力型NOx的生成,又要具有较高的燃烧效率. ➢一次火焰区：富燃，含氮组分析出但难以转化➢二次火焰区：燃尽CO、HC等➢3. 空气/燃料分级的低NO x燃烧器➢空气和燃料均分级送入炉膛NO x为氮气。

➢一次火焰区下游形成低氧还原区，还原已生成的➢➢第四节烟气脱硝技术脱硝技术的难点➢处理烟气体积大➢NO x浓度相当低➢NO x的总量相对较大1. 选择性催化还原法（SCR ）➢ 催化剂：贵金属、碱性金属氧化物 ➢ 还原反应➢潜在氧化反应还原剂: NH 3 （常用） 、H 2S 、 CO 反应特点:使氨能有选择的和气体中的NO X 进行反应，而不和氧反应。

常用催化剂:1)贵金属 2)非贵金属的氧化物或盐类 Cu 、Cr 、Fe 、V 、Mn 优点：1） 还原剂基本上不与氧反应，避免了无谓消耗，同时大大减小了反应热，催化床温度变化小易于控制，采用一段流程即可； 2） 催化剂易得，选择余地大；3） 还原剂NH 3相对易得，起燃温度低反应热低，床温通常低于3000C,有利于延长催化剂寿命和降低反应器对材料要求。

32232224NH 5O 4NO 6H O 4NH 3O 2N 6H O +→++→+322232224NH 4NO O 4N 6H O8NH 6NO 7N 12H O++→++→+非选择性催化还原法（SNCR ）➢ 尿素或氨基化合物作为还原剂，较高反应温度 ➢ 化学反应➢➢ 同样，需要控制温度避免潜在氧化反应发生。