第七章 气态污染物控制技术

• 脱硫产物处理方式
–再生法
–脱硫剂的再生使用。 –流程较复杂，运行难度较大，投资和运行费用均较高。
–抛弃法
–设备简单，操作容易，投资及运行费用较低。 –废渣需要占用场地堆放，容易造成二次污染。 –当烟气中SO2浓度较低、脱硫产物无回收价值或投资有限，
且大气污染物排放控制严格时，多采用抛弃法。
• 脱硫剂：钙法（石灰石/石灰法）、氨法、镁
气态污染物控制技术基础
吸收净化 பைடு நூலகம்附净化 催化转化
第一节 吸收净化
利用吸收剂将混合气体中的一种或多种组分有选择地 吸收分离的过程——吸收。 具有吸收作用的物质——吸收剂或者溶剂； 被吸收的组分——吸收质或者溶质。
根据吸收过程中发生化学反应与否，将吸收分为①物 理吸收： ②化学吸收。
吸收净化法：是利用混合气体各组分在吸收剂中溶解 度不同，或与吸收剂中的活性组分发生化学反应，从 而将有害物从废气中分离出来。
半干法：进入湿吸收剂；排出干物质
半方法是指在有液相和气相介入脱硫方法，脱硫产物为干粉 状。半方法的操作温度控制在60－80ºC。
干 法：进入干吸收剂；排出干物质。
干法是指无液相介入完全在干燥状态下进行脱硫的方法。 如向炉内喷干燥的生石灰或石灰石粉末，即脱硫产物为粉状。 干法的操作温度在800－1300ºC。
800
800
800
0.794
0.794
——
873
873
873
4
5
13
再生温度 /K
比表面积 / ㎡·g-1
373～413
600～ 1600
473～523 210～360
393～ 423
600
473～573 ——
473～573 ——
473～573 ——
吸附平衡
当吸附速度＝脱附速度时，吸附平衡，此时吸附 量达到极限值
（4）在界面上气液两相呈平衡态， 即在相界面上无扩散阻力；
由此可见：吸收过程简化为通过气液 两层层流膜的分子扩散，通过此两层 膜的分子扩散阻力就是吸收过程的总 阻力。
传质过程
吸收系数的影响因素
吸收质与吸收剂 设备、填料类型 流动状况、操作条件
吸收系数的获取
实验测定；经验公式计算；准数关联计算
常用吸收系数经验式
水吸收氨（易溶气体吸收）
kga 6.07 104 G0.9L0.39 G、L－气、液相空塔流量
水吸收CO2（难溶气体吸收） kla 2.57 U 0.96 U－喷淋密度，m3/(m2·h)
水吸收SO2（中等溶解气体吸收）
kga 9.81 104 G0.7L0.25; kla a L0.82
4.放热反应；
4.升高温度有助于提高速率；
5.吸附可逆；
5.吸附不可逆；
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
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
(1),(7)：外扩散；(2),(6)内扩散 (3),(4),(5)：动力学过程
主 气 流
微孔 固相
催化剂粒子示意图
第二节 二氧化硫污染控制技术
燃烧前燃料脱硫 燃烧过程脱硫 高浓度二氧化硫尾气的回收与净化 低浓度二氧化硫烟气脱硫
湿 法：进入湿吸收剂；排出湿物质
湿法是利用碱性溶液为脱硫剂，应用吸收原理在气、液、 固三相中进行脱硫的方法，脱硫产物和残液混合在一起，为 稀糊状的流体。湿法脱硫的操作温度在44－55ºC。
水
含有约为初
始浓度进0气.3%S的O2
尾气
水
预除尘 和水分
段间冷却 的四层催
化床
填充 床吸 收塔
第二级 催化床
填充 床吸 收塔
单级吸收工艺 二级吸收工艺
SO2 1/ 2O2 VanadiumSO3 SO3 H2O H2SO4
SO2单级和二级净化工艺的流程图 催化反应：420～550℃
催化净化工艺
有吸附剂粉末，需要加装除尘 设备
30
二、气体吸附
4、吸附工艺与设备计算
➢ 吸附设备与工艺
• 吸附流程与设备选择
气态污染物的排放特征：连续/间歇 排气量大小：
–大——流化床/移动床 –小——旋转床/薄层床 允许的压力损失： –大——流化床/厚层固定床 –小——旋转床/薄层床 净化要求：高——多级流动床吸附器/厚床吸附器
极限吸附量受气体压力和温度的影响 吸附等温线
吸附等温线
3、吸附速率
➢ 吸附过程
二、气体吸附
22
二、气体吸附
3、吸附速率
➢ 物理吸附速率方程
23
二、气体吸附
3、吸附速率
➢ 物理吸附速率方程
24
二、气体吸附
3、吸附速率
➢ 物理吸附速率方程
dMA dt
=
KYap (YA
- YA*) =
KXap(XA* - XA )
VOCs的催化氧化
催化剂：Pt (Pd,过渡金属，稀土)/Al2O3 等
催化净化工艺
NOx Combustor
NH3 filter
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)
ɑ：常数，随温度不同而不同。
吸收设备
吸收设备
喷淋塔
污染气体 入口
搅拌器
清洁气体 出口
水洗喷管
去湿器 浆液喷嘴
循环泵
氧化空气 入口
多孔板
吸收设备
填料塔
第二节 吸附净化
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
31
吸附剂再生
➢ 加热再生
➢ 降压或真空解吸 ➢ 置换再生
脱附剂需要再脱附 ➢ 溶剂萃取
活性炭吸附SO2，可用水脱附
二、气体吸附
4、吸附工艺与设备计算
➢ 固定床吸附器计算
① 固定床吸附器内的浓度分布
33
二、气体吸附
4、吸附工艺与设备计算
➢ 固定床吸附器计算
穿透点：污染物出口浓度达到Cb（曲线3），此时吸附床已经穿透， 吸附剂必须再生。 穿透时间或者保护作用时间：从含污染物的气流开始通入吸附床到产 生穿透的时间
主要烟气脱硫工艺
❖ 1.石灰石/石灰法
➢ 目前应用最广泛的脱硫技术
主要烟气脱硫工艺
❖ 1. 石灰石/石灰法
➢ 影响因素：pH、液气比、钙硫比、气流速度、浆液的固体含量、 SO2浓度、吸收塔结构
废气处理设施运行与管理 培训
一、石灰石（石灰）一石膏法工艺 1.化学原理
传统石灰石（石灰）一石膏法是以石灰石或石灰浆液与烟 气中SO2反应，脱硫产物为石膏，脱硫石膏可以综合利用。 石灰石（石灰）一石膏法脱硫的基本化学原理是：
基本论点：
（1）在气液两相接触时存在一个相界面。相界面两 侧分别存在一层稳定的滞留膜层——气膜和液膜。
（2）气液主体流速愈大，膜厚度愈薄。质量传递过 程为：
吸收质从气相主体湍流扩散 气膜表面分子通过气膜扩散 相界面 分子通过液膜扩散 液膜表面湍流扩散 液相主体
（3）两相主体中不存在传质阻力， 仅在薄膜中发生浓度变化；存在分子 扩散阻力。
石灰石在水中离解后，由于H＋被OH－中和生成H2O,使得 反应平衡向右进行。OH－离子是由水中溶解的石灰石产生 的，鼓入的空气将生成的CO2带走：
废气处理设施运行与管理 培训
一、石灰石（石灰）一石膏法工艺
同时鼓入的空气氧化HSO3－和SO32一 离子，最后生成 石膏沉淀物：
法、钠法、碱铝法、氧化铜/锌法、活性炭法、磷 铵法
• 净化原理：吸收法、吸附法、催化氧化法、
催化还原法
3）目前主要的脱硫工艺
• 石灰石／石膏湿法，80%以上 • 喷雾干燥法 • 炉内喷钙加尾部增湿活化(LIFAC) • 烟气循环流化床法(CFDB) • 电子束辐照烟气脱硫脱氮净化工艺 • 海水洗涤脱硫 • 氨洗涤
34
第三节 催化转化
气体通过催化床层发生催化反应，使污染物 转化为无害或易于处理的物质
应用
工业尾气和烟气去除SO2和NOx 有机挥发性气体VOCs和臭气的催化燃烧净化 汽车尾气的催化净化
催化净化工艺
来自冶炼厂或硫 含 有 约 为 初
磺燃烧的富含 SO2的尾气
始 度3进%的气尾SO气2 浓
25
二、气体吸附
3、吸附速率
➢ 化学吸附速率方程
动力学过程控制：
dM A dt
K
YA (M
MA)
MA m
式中： K——化学平衡常数 M∞——系统平衡时的吸附量，kg/m3
活性炭吸附二氧化硫、二硫化碳、甲苯及氨的吸附速率:
dM A dt
=
k
(M¥ - MA) tn
对上式积分，可得
k, n—常数
ln M¥ = ktn M¥ - MA
26
二、气体吸附
4、吸附工艺与设备计算
➢ 吸附设备与工艺 依据：穿床速度—气体通过吸附器的速度
固定床 流化床 移动床
27
二、气体吸附
(1)固定床吸附器 立式
环式
卧式
28
二、气体吸附
(2)移动床吸附器
29
二、气体吸附
4、吸附工艺与设备计算
➢ 吸附设备与工艺
(3)流化床吸附器
分置在筛孔板上的吸附剂颗粒，在 高速含污染物气体的作用下，强烈 搅动，上下浮沉，保持悬浮的流化 状态。 • 气体流速是固定床的3～4倍 • 传热传质速率快，温度均匀 • 适于连续性、大气量的污染源 • 吸附剂磨损严重，排出气体含
优点：效率高、可回收、设备简单，易实现自动化控制 缺点：吸附容量小、设备体积大
吸附机理
扩散至吸附剂表面
迁移进入吸附剂微孔 吸附剂单层累积
物理吸附和化学吸附
物理吸附
化学吸附
1.吸附力－范德华力；
1.吸附力－化学键力；
2.不发生化学反应；
2.发生化学反应；
3.过程快，瞬间达到平衡； 3.过程慢；
催化剂的性能
活性
A W tWR
选择性
W－产品质量 WR－催化剂质量 t－反应时间
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％
催化剂的性能
稳定性
➢ 热稳定性、机械稳定性和化学稳定性 ➢ 表示方法：寿命 ➢ 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
催化净化工艺
车用催化转化器
气体催化净化
催化作用
➢ 改变反应历程，降低活化能 ➢ 提高反应速率
K A exp( E ) （阿累尼乌斯方程）
RT
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
催化剂
加速化学反应，而本身的化学组成在反应前后 保持不变的物质
组成
➢ 活性组分 ＋ 助催化剂 ＋ 载体
气体的溶解度与温度有关，多数气 体的溶解度随温度的升高而降低；
温度一定时，P总增大，溶解度增大
（H,E,m为亨利系数）
吸收系数
➢ 吸收系数的不同形式（由于吸收推动力表示方法不同， 吸收速率方程式呈现了多种不同的形式，对应地出现 了多种形式的吸收系数。）
吸收机理模型
双膜理论
关于气液两相的物质传递理论，有 “双膜理论” （又称“滞留膜理论”）、“溶质渗透理论”、“表 面更新理论”等，但以双膜理论的应用最广泛。它不 仅适用于分析物理吸收过程,也可用来分析伴有化学 反应的化学吸收过程。
常用吸附剂特性
吸附剂类型
堆积密度 /kg·m-3
热
容
/kJ(kg·K)-1
操作温度上 限/K
平均孔径/Å
活性炭
200～600
0.836～ 1.254 423
15～25
活性氧化 铝
750～ 1000 0.836～ 1.045 773
18～48
硅胶 800 0.92 673 22
沸石分子筛
4A
5A
13x
气固催化反应动力学
反应过程
➢ (1)反应物从气流主体-催化剂外表面 ➢ (2) 进一步向催化剂的微孔内扩散 ➢ (3)反应物在催化剂的表面上被吸附 ➢ (4)吸附的反应物转为为生成物 ➢ (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
一般来说，化学反应的存在能提高反应速度，并使吸 收的程度更趋于完全。结合大气污染治理工程中所需 净化治理的废气，具有气量大，污染物浓度低等特点， 实际中多采用化学吸收法。
吸收机理
1. 气液相平衡
气液平衡－吸收过程的传质速率等 于解吸过程的传质速率
平衡分压-平衡时气相中的组分分压。 平衡溶解度-平衡时液相吸收剂所溶解
组分的浓度，简称溶解度。 溶解度
每100kg水中溶解气体的kg数
c f p
气体的溶解度与温度有关，多数气体的溶解度随温 度的升高而降低；
温度一定时，P总增大，溶解度增大
2. 亨利定律
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
c H p* x p* / E y* m x