第10章 催化转化法法净化气体污染物

第十章 催化转化法净化气态污染物
第一节 催化作用和催化剂
一、催化作用 化学反应速度因加入某种物质而改变，而被加入物质的 数量和性质，在反应终止时不变的作用称为催化作用 催化反应机理 催化作用加快反应速度的原理是由于催化剂的参与，改 变了原来的反应途径。
在无催化剂时，A、B两种物质按照下面的方式进行化学反应： A+B AB
– 相邻两段之间引入热交换
(a)间接换热
(b)直接换热
第十章 催化转化法净化气态污染物
固定床反应器
• 列管式反应器
– 用于对反应温度要求高，或反应热效应很大 的场合

其他反应器
径向反应器 薄层床反应器 自热式反应器
第十章 催化转化法净化气态污染物
反应器类型的选择
– 根据反应热的大小和对温度的要求，选择反应 器的结构类型 – 尽量降低反应器阻力 – 反应器应易于操作，安全可靠 – 结构简单，造价低廉，运行与维护费用经济
第十章 催化转化法净化气态污染物
环境工程中使用的催化剂
• 有害物排放浓度要求很低，催化反应要有 极高效率 • 处理气体量大，催化剂活性要求高，耐冲 刷、压力降低，强度高 • 抗毒性强，化学稳定性高，很好的选择性 • 设备简单，占地少，催化剂便于恢复再生， 无二次污染
第十章 催化转化法净化气态污染物
– 缺点:
• 传热差(热效应大的反应，传热和温控是难点) • 催化剂更换需停产进行
第十章 催化转化法净化气态污染物
固定床反应器
• 单层绝热反应器
– 结构简单，造价低廉，气流阻 力小 – 内部温度分布不均 – 用于化学反应热效应小的场合
第十章 催化转化法净化气态污染物
固定床反应器
• 多段绝热反应器
第十章 催化转化法净化气态污染物
二、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。 d.高稳定性：被处理的气体中通常含有催化剂毒物，因 此要求催化剂抗毒能力强，化学稳定性高，寿命长。 除此，要求催化剂还要有高的热稳定性和比较宽的温 度范围。 e.其它 要求催化剂易于制造、价廉、使用性能好、耐磨、具 有较小的压力降等。
气体催化净化方法
第十章 催化转化法净化气态污染物
• • • • 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
第十章 催化转化法净化气态污染物
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
第十章 催化转化法净化气态污染物
非选择性催化还原法（NSCR）脱氮
二.催化剂
第十章 催化转化法净化气态污染物
1．活性
• 衡量催化剂效能大小的标准。 • 公式表示为： A W
t WR
• • • • • •
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。 工业中，常把产品量换算为转化率X表示
湿式催化氧化法脱硫系统流程图
去烟囱 石灰石
4 3
9
石膏
7
补给水
5 1
8
催化剂
排烟 2
空气
6
优点：工艺简单，运行可靠，设备不易堵塞，并可获得石膏 缺点：液气比较大，40L/m3，设备体积庞大，为耐腐蚀，设备 投资大。
催化还原脱硫化氢
• 液相催化 • Fe/Cu系催化剂（氧化铁，氢氧化铁等） • 制备硫磺
反应器
混合器
废 热 锅 炉
还原剂燃料气
还原剂
选择性催化还原法（SCR）脱氮
•选择性催化还原法脱氮过程中的主要反应有：
–4NH3+6NO—→5N2+6H2O –8NH3+6NO2—→7N2+12H2O
•实际中还会有副反应发生：
–4NH3+3O2—→2N2+6H2O
–2NH3—→N2+3H2
–4NH3+5O2—→4NO+6H2O
汽车尾气的催化净化
•两段串联的汽车排气净化流程
汽车尾气的催化净化
•三效催化剂 将烃类、一氧化碳和NOX同时进行氧化 和还原的催化剂。 还原性：Rh（铑） 氧化性：Pt（铂），Pd（钯） 载体：氧化铝 助催化剂：Ba（钡），La（镧）
恶臭气体的去除
• 恶臭气体的来源与组成
• 恶臭气体的危害 • 恶臭气体的去除
非均相（多相催化）
常用气固相催化体系：接触最重要，分七个步 骤（对比吸附过程）
第十章 催化转化法净化气态污染物
• （一） 组成 • 主活性组分：催化剂主体，可单独作为催化剂； • 助催化剂：（1）本身无活性(2)具有提高活性组分 活性的作用； • 载体：起支撑活性组分的作用，使催化剂具有合 适形状与粒度，从而有大的比表面积，增大催化剂 活性，节约活性组分用量，并有传热、稀释和增强 机械强度作用，可增加延长催化剂使用寿命。 • （二） 催化剂的性能 • 主要指：其活性、选择性和稳定性
反应物反应了的摩尔数 X 100% 通过催化剂床层的反应 物摩尔数
第十章 催化转化法净化气态污染物
2．催化剂的选择性
• 选择性是指若化学反应在热力学上有几个反应方向时， 一种催化剂在一定条件下只对其中的一个反应起加速作 用的特征，表示为： 反应所得目的产物摩尔 数 •
B 通过催化剂床层后反应 的反应物摩尔数 100%
第十章 催化转化法净化气态污染物
当有催化剂K参与时，反应过程发生了变化，即：
A+K AK+B
AK AB+K
由于加入了催化剂，诱发了原反应所没有的中 间反应，使化学反应沿着新途径进行，降低了 反应的活化能，从而大大加快了化学反应速度.
第十章 催化转化法净化气态污染物
催化反应分类
均相
常用液相催化反应体系：接触容易，分离难
•
活性与选择性是催化剂本身最基本的性能指标，是选 择和控制反应参数的基本依据，二者均可度量催化剂加 速化学反应速度的效果，但反映问题的角度不同。 • 活性--------催化剂对提高产品产量的作用； • 选择性-----表示催化剂对提高原料利用率的作用；
第十章 催化转化法净化气态污染物
3．催化剂的稳定性
第十章 催化转化法净化气态污染物
三、催化剂的分类
• 金属元素催化剂（铂，银，钯，铁，铜） • 化合物为主要活性物质（氧化物，硫化物）
第十章 催化转化法净化气态污染物
源自文库
固定床反应器
• 最主要的气固相催化反应器
–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
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
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
第十章 催化转化法净化气态污染物
第三节 环境工程中的催化剂及净化工艺
一．催化净化法的一般工艺 • 催化法治理废气的一般工艺过程包括： • （1) 废气预处理去除催化剂毒物级固体颗粒物（避 免催化剂中毒）； • （2) 废气预热到要求的反应温度（如选择性催化还 原去除NOX废气的预热温度须达200~220OC以上）； • （3）催化反应； • （4）废热和副产品的回收利用等。
第十章 催化转化法净化气态污染物
非选择性催化还原法（NSCR）脱氮
• 催化剂
–Pt，Pd –载体：氧化铝
• 影响因素
–活性
–空间速度
–反应温度 –还原剂用量
非选择性催化还原法（NSCR）脱氮流程图
净气排空 还原剂 燃料气 预热室 尾气 混合器
反应器
废 热 锅 炉
净气
反应器
尾气 预热室
混合器
废 热 锅 炉
SO2 1/ 2O2 SO3
V2O5
干式催化氧化法脱硫系统流程图
排烟囱 电 除 尘 器 灰 锅炉给水 锅炉送风 冷却水
烟气
转 化 器
省煤器
空气 加热器
吸 收 塔 冷却器
湿法催化氧化SO2
• • • • 固液相催化法 多用于处理高浓度SO2尾气净化 催化剂：？？？ 烟气进入前必须除尘，同时增湿冷却到60 ℃ • 用含有Fe3＋稀硫酸吸收SO2
• 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
• 2CO+2NO—→2CO2+N2
第十章 催化转化法净化气态污染物
催化转化：是指废气通过催化剂床层的催 化反应，是其中的污染物转化为无害或易 于处理与回收利用物质的净化方法。 优 点： • ① 对不同浓度的污染物具有很高转化率； • ② 污染物与主气流不需要分离，避免了可 能产生的第二次污染； • ③ 操作过程简化。 缺 点：催化剂较贵，且废气预热需耗一定 能量，这样使净化处理的费用增加。
– 吸附法
– 直接燃烧法 – 催化转化法
– 电子除臭法
– 化学喷剂 – 臭氧氧化 – 生物法
催化燃烧法脱臭
干法催化氧化SO2
• 气固相催化法 • 多用于处理硫酸生产尾气和有色金属烟气 制酸（高浓度SO2，含量大于2％） • 催化剂V2O5（五氧化二钒） • 反应温度400～600℃ • 烟气进入前必须除尘（湿法和干法）、除 砷和氟
• 定义：催化剂在化学反应过程中保持活性的能力。 • 包括：（1）热稳定性；（2）机械稳定性：（3） 抗毒稳定性。 • 影响催化剂寿命的因素主要有：催化剂的老化和中 毒。 • 催化剂的老化：是指催化剂在正常工作条件逐步失 去活性过程。 • 催化剂的中毒：是指反应物中少量杂质使催化活性 迅速下降的现象。
1 NO CO N 2 CO2 2
催化剂
• CO和CH的氧化
汽车尾气的催化净化
• 催化剂要求
– 催化剂的性能必须适于在内燃机旁安装，要求 催化反应器结构简单、重量轻、体积小等； – 催化剂的性能必须适应于经常、大幅度地气体 流量、组成和温度的变化； – 催化剂必须有足够的机械强度，以防由于汽车 行驶的振动和温度的急剧变化而破碎，致使催 化剂的活性降低和堵塞管路；