第十一章 气态污染物的催化净化

（二）NOX的催化净化
１． 该法是利用不同还原剂，在一定的温 度和催化剂作用下，将 NOX 还原为无害的 N2 和H2O。 ２． 按还原剂是否与空气中的 O2 发生反应分 为非选择性还原和选择性还原（用氨作还原 剂对含 NOX 的气体进行催化还原处理，使氨 能有选择的和气体中的 NOX 进行反应，而不 和氧反应)。
X 反应物反应了的摩尔数 100% 通过催化剂床层的反应 物摩尔数
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 100% 通过催化剂床层后反应 的反应物摩尔数




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；
3．催化剂的稳定性




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。
第十一章 气态污染物的催化净化



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。
一．几种主要污染物的催化净化



（一）SO2气体的催化净化 （二）NOX的催化净化 １． 该法是利用不同还原剂，在一定的温度和 催化剂作用下，将 NOX 还原为无害的 N2 和 H2O 。 ２． 按还原剂是否与空气中的O2发生反应分为 非选择性还原和选择性还原（用氨作还原剂对 含 NOX 的气体进行催化还原处理，使氨能有选 择的和气体中的 NOX 进行反应，而不和氧反应。 （三）汽车尾气的催化净化
第四节气态污染物的催化净化工艺
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。



（一）流体在反应器内的流动模型 目前有两种理论模型： ① 活塞流反应器 特点：所有粒子通过反应器的时间完全相同。 ② 理想混合反应器 特点：反应器出口的物料浓度与反应器内完全相同。 如流化床反应器、连续釜反应器 ―――― 理想混合 型； 固定床反应器（尤其径高比大的）―――活塞流型


⑴空间速度：单位时间内单位体积催化剂能处理 的反应混合气体的体积量，即： ⑴
Vsp Qn0 VR
Qn0 ---标况下反应气体初始体积流量，m3/h; VR ----催化床层体积， m3 Vsp---空间速度; h-1 意义： Vsp越大，通过单位体积催化剂的混合物量 越多，生产强度愈大。
二.催化剂



（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
第三节 气固催化反应器及设 计


一．气固催化反应器类型与选择 固定床反应器 优点：催化剂不易磨损，使用寿命长；反应气 体与催化剂接触紧密，转化率高等。 缺点：床层轴向温度不均匀。 分类:（1）绝热式： a.单段式; b.多段式; c.列管式; d.径向式。 （2）换热式。
（二）气固反应器的选择
固定床压力降

欧根等温流动阻力公式
P
2 m Lu 0
1
3
ds

式中：△P------床层压力降，Pa； L---------床高， m； ρ--------气体密度，kg/m3； u0--------空床速度，m/s； ε-------床层空隙率，%； ds-------颗粒的体积表面积平均直径，m； μ-------气体粘度，Pa*s。



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⑵接触时间：反应物通过床层的时间。 若在标况下计算接触时间，即标准接触时间： V ⑶ 1 t R
n0
Vsp
Qn0



⑶催化体积用量： Q n0 VR Q n 0 t no Q 0 t V sp

⑷催化床层高
L VR
1 D 4V 1 D 4

非选择性催化还原法


还原剂: H2、CH4 、合成氨释放气 反应特点: 反应分两步进行 1）脱色反应：2)脱除反应(慢) 常用催化剂: Pt或Pd常以0.5%的Pt或Pd载于氧化铝载体上。 优缺点：
1）燃量消耗量大（耗用于比NOX含量高得多的O2） ；


2)产生大量热，须增设废热锅炉来降低反应气体温 度，同时回收废热。 3）需贵金属作催化剂。 4）投资大。
第一节 催化作用和催化剂




一、催化作用 １．概念：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 ２．机理：通过加入催化剂，改变了反应历程，降 低了反应物活化能，从而达到加快反应速度的目的。 3.两个显著的特征： 1） 催化剂能加速反应速度（正、逆）而不能使平 衡移动； 2） 催化作用具有特殊的选择性。






吸附过程：反应物在催化及表面上被吸附； 表面过程：吸附的反应物在催化剂表面上发 生化学反应（表面反应过程）； 脱附过程：反应产物从催化剂表面上脱附下 来。 上述几步速度最慢（阻力最大）者决定整个 过程的总反应浓度，这一步称为控制步骤
二．气固催化反应动力学方程式：


1.表面化学反应速率方程式（吸附表面反 应及脱附） 2.受内扩散影响的反应速率方程 3.外扩散控制的速率方程 4.气固反应总速率方程
选择性催化还原法


还原剂: NH3 （常用） 、H2S 、 CO 反应特点:： 使氨能有选择的和气体中的NOX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NH3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。
1．活性

衡量催化剂效能大小的标准。 W 公式表示为： A
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
第二节


气固催化反应动力学
一．气固催化反应过程
气固催化反应一般经历如下五个步骤： ①外扩散过程： 反应物从气相主体到催化剂外表 面； ②内扩散过程： 催化剂外表面到微孔内颗粒内表 面吸附反应； ③化学动力学控制过程：颗粒内表面吸附反应产 物离开内表面； ④内扩散： 产物微孔到外表面； ⑤外扩散： 外表面到气相主体
一般原则： 1 １．根据催化剂反应热的大小及催化剂的活性温 度范围，选择合适的结构类型，保证床层温度控制 在许可的范围内。 ２．床层阻力应尽可能的小. ３．在满足温度条件下，应尽量使催化剂装填系数 大，以提高设备利用率， ４．反应器应结构简单，便于操作，且造价低廉， 安全可靠。

二、固定床反应器的计算
（二）固定反应器的计算


计算方法：①经验法；②数学模型法 １．经验法 利用实验或工厂现有装置所得的经验参数 (Vsp,t等)来设计新的反应器的一种方法。 优点：计算简便，设计可靠，应用广泛； 不足之处：要求设计条件与原生产工艺条件或 中间试验条件尽量保持一致。因此，不宜高倍 数放大，且要求中间试验条件要有足够的试生 产规模，否则将导致大的误差。
(三）汽车尾气的催化净化
汽车尾气中的主要污染物有一氧化碳（ CO）、碳 氢化合物（ HC）、NOX、SO2、铅化合物、苯并芘 等。这些污染物对人类及环境的危害都是极其严重 的。因此，目前许多国家将 CO、NOX、SO2 作为主 要污染物列入制定的汽车排气标准中。 经过大量的研究工作，目前汽车尾气的净化方法基 本有如下三种： １． 一段净化法（又称催化还原法）； ２． 二段净化法（又称催化氧化还原法）； ３． 三元净化法。
2 R 2

其中 （空隙率） 1 s
p

ρs,ρp----------催化堆积密度与颗粒密度， Kg/m3
2．数学模型（介绍）
产生发展于20世纪60年代 反应动力学方程 物料流动方程 物料衡算方程 热量衡算方程 四个方程联立求解，从而求出指定条件 下达到规定转化率所需催化剂体积等参 数值。