催化转化法净化气态污染物.ppt

催化转化法净化气态污染物,催化还原法 1.催化还原法净化废气中的氮氧化物 2.催化还原法净化汽车尾气 催化氧化法 高浓度二氧化硫烟气的催化转化 催化燃烧法 催化燃烧法脱臭,催化燃烧法,燃烧法处理高浓度VOC和恶臭化合物很有效，原理是通入过量空气使杂质燃烧，大多数生成二氧化碳和水ClHCl S-SO2 燃烧法分类 1）直接氧化燃烧，温度较高650度,操作简单 但由于废气中有机物浓度较低，空气量很大，为了保证燃烧温度需要添加额外燃料 直接燃烧由于混合不充分等原因，燃烧不完全，燃烧过程中除形成二氧化碳和水外还产生氮氧化物，一氧化碳，致癌的碳氢化合物（辅助反应） 2）催化燃烧法 在催化剂作用下，将废气中的有害物质完全氧化燃烧生成为无害物质，可在低温150-350度下进行，无需添加额外燃料,催化还原法去除氮氧化物,在催化剂的作用下，将氮氧化物还原为无害的氮气 优点：对氮氧化物的去除效率高，且能回收热能 缺点：投资大，运行费用高，消耗氨及燃料气，氮氧化物被还原为无用氮气排放 催化还原法净化氮氧化物，根据还原剂是否和氧气发生反应分为： 非选择性催化还原 选择性催化还原,1.非选择性催化还原,3.1 反应原理 含有氮氧化物的废气，在一定温和催化剂的作用下，与还原剂发生反应，二氧化氮和一氧化氮被还原为氮气，还原剂与废气中的氧气发生反应，生成水或二氧化碳 还原剂？H2,CH4,CO,CnHm及其混合气，如焦炉气，天然气等 反应步骤： 1）脱色反应，将有色NO2还原为无色NO 2）燃烧反应，还原剂与氧气发生燃烧 3）消除反应，NO被还原为N2,非选择性催化还原工艺流程的选择,起燃温度，反应温度 流程的选择取决于反应温度是否超过催化剂所能允许的最高温度 T-反应温度 T1-还原剂起燃温度 (O2)-尾气中氧气体积分数% a-起燃系数，1.05-1.10 b-温升系数，为燃烧掉1%的氧气使反应温度省高值 反应温度催化剂允许温度：两段反应 使尾气中的氧气分别在两个反应器内燃烧，减少反应温度,反应流程图-两段反应,1.在第一段反应器中先完成二氧化氮转化为一氧化氮的脱色反应，并烧掉一部分氧，降低反应温度，使其不超过催化剂允许温度，经废热锅炉回收一部分热量 2.冷却后再与另一部分还原剂燃烧气混合进入第二反应器，将剩余的氧气燃烧完，并进行脱除反应,选择性催化还原,为什么要采用选择性催化还原法？ 使用非催化还原时，必须烧掉尾气中存在的大量氧气（氧气与还原剂发生反应），致使反应温度，催化剂层的温度急剧升高，给工艺带来一定困难，因此选用选择性催化还原 4.1 反应原理 使用氨作为还原剂，由于氨在铂催化剂或者非贵金属催化剂的作用下，只与尾气中的氮氧化物发生反应，不与氧气发生反应，催化反应器内温度较低,如何控制副反应的发生？,工艺中 1）控制反应温度400度以下，只有主反应能够进行 2）选择合适的催化剂，利用催化剂的选择性，使主反应速度大大超过副反应速度,反应温度在350度以上,反应温度在350度以下,第十章 催化转化法净化气态污染物,一 汽车尾气的催化还原净化,汽车尾气的危害！,1）汽车尾气最主要的危害是形成光化学烟雾。汽车尾气中的碳氢化合物和氮氧化合物在阳光作用下发生化学反应，生成臭氧，它和大气中的其它成份结合就形成光化学烟雾。 2）汽车尾气中的氮氧化合物含量较少，但毒性很大。氮氧化合物进入肺泡后，能形成亚硝酸和硝酸，对肺组织产生剧烈的刺激作用，最后造成肺气肿。 3）汽车尾气中的碳氢化合物有200多种。汽车尾气中还发现有32种多环芳烃，包括苯并芘等致癌物质。离公路越近，公路上汽车流量越大，肺癌死亡率越高。 4）汽车尾气中的铅化合物可随呼吸进入血液，并迅速地蓄积到人体的骨骼和牙齿中，它们干扰血红素的合成、引起贫血；损害神经系统，严重时损害脑细胞，引起脑损伤。当儿童血中铅浓度达0.60.8ppm时，会影响儿童的生长和智力发育，甚至出现痴呆症状。铅还能透过母体进入胎盘，危及胎儿。,1.净化原理和方法,汽车尾气组成？ 1）氮氧化物1000-2000cm/m3-燃料在汽缸中高温燃烧 2）一氧化碳5%，碳氢化合物1000cm/m3-燃油燃烧不完全 净化方法 1）改进内燃机结构，燃烧完全，减少有害物质排放 2）使用催化剂将尾气中有害物质去除:在催化剂的作用下，利用尾气中的CO作为还原剂，将氮氧化物还原为氮气，同时CO转化为CO2 3）未完全燃烧的一氧化碳和烃类，在催化剂的作用下，与空气发生氧化作用，生成二氧化碳和水,2.净化用催化剂,2.1 对催化剂的要求 催化反应器安装在内燃机旁，要求结构简单、质量轻、体积小 催化剂要适应气体流量、组成和温度的变化 足够机械强度 催化剂活性在高温和低温条件下都比较高 催化剂具有合适的孔隙结构，使尾气通过时阻力小 汽车尾气中的烃类和一氧化碳通过催化燃烧的方法去除，氮氧化物通过催化还原去除，因此要采用两种催化剂在不同反应条件下进行处理,2.2净化尾气常用催化剂 1）使氮氧化物还原的催化剂为贵金属催化剂和金属氧化物催化剂 2）使一氧化碳和烃类氧化的催化剂为钯催化剂 3）三效催化剂 将烃类、一氧化碳和氮氧化物同时氧化和还原催化剂 在粒状氧化铝载体上涂覆活性组分 在蜂窝状载体上涂覆载有活性组分的氧化铝 活性组分：Pt, Pd-氧化催化剂 Ph-还原催化剂,3.转化器与净化流程,两段转化法：还原段转化器+氧化段转化器 氮氧化物采用催化还原去除，碳氢化合物和一氧化碳采用催化氧化去除，两个催化反应分别在不同的转化器内进行 流程图,两段转化法存在的问题,1. 这种流程是采用部分未完全燃烧的燃料作为氮氧化物的还原剂，增加了燃料的消耗量 2.两个催化床层串联增加了排气阻力 3.还原段转化器是靠一氧化碳和烃类的氧化燃烧来为其反应提供热量，氧化-还原交替进行的方式减少了氮氧化物催化剂的使用寿命,二 高浓度二氧化硫烟气的催化转化,二氧化硫的来源,二氧化硫含量2%以上成为高浓度烟气，主要来自金属冶炼和火力发电厂 二氧化硫含量在2%以下，低浓度烟气，主要来自燃料燃烧,二氧化硫的危害-形成酸雨,由于人类大量使用煤、石油、天然气等化石燃料，燃烧后产生的硫氧化物或氮氧化物，在大气中经过复杂的化学反应，形成硫酸或硝酸气溶胶，或为云、雨、雪、雾捕捉吸收，降到地面成为酸雨。如果形成酸性物质时没有云雨，则酸性物质会以重力沉降等形式逐渐降落在地面上，这叫做干性沉降。 酸雾中的酸性由于没有得到直径大得多的雨滴的稀释，因此它们的酸性要比酸雨强得多。硫酸和硝酸是酸雨的主要成分，约占总酸量的90以上，我国酸雨中硫酸和硝酸的比例约为101。,酸雨的危害 腐蚀建筑物和工业设备； 破坏露天的文物古迹； 损坏植物叶面,导致森林死亡； 使湖泊中鱼虾死亡； 破坏土壤成分,使农作物减产甚至死亡； 饮用污染的地下水,胎儿畸形。,由于使用大量的煤炭，我国SO2的排放量相当庞大，而且呈逐年增加的趋势 1988年，全国SO2总排放量约为1700万吨 1995年，我国SO2的总排放量已达2341万吨/年,超过美国成为世界SO2排放第一大国 世界银行为我国作过简单的计算：每年必须投资60亿美元才能把SO2的排放量稳定在现有的水平上。,1995年，年均降水pH值小于5.6的区域已占到国土面积的40%左右 我国成为继欧洲、北美之后的第三大酸雨区 严重的酸性降水和脆弱的生态系统使我国的经济损失严重，1995年酸雨污染仅给森林和农作物造成的直接经济损失已达到几百亿元。,1.二氧化硫气体污染控制方法,改革工艺流程 高烟囱排放稀释 高烟囱排放含硫烟气是以扩大污染范围来减少局部地面污染的大气SO2污染控制方法，治标不治本 燃料脱硫 烟气脱硫-净化后回收制硫酸,2.燃料脱硫方法,燃烧前脱硫-洁净煤技术 1）洗煤技术-去除含硫矿物 2）煤炭转化技术-气化液化 3）型煤固硫技术-黏胶剂、热压成型（塑性变形）+固硫剂-脱硫效率低 燃烧中脱硫-加入固硫剂（石灰石、白云石）-流化床中应用效率高,3.二氧化硫的催化转化机理,催化还原法 催化氧化法机理 含二氧化硫的烟气进入催化转化反应器后，在一定温度条件下，二氧化硫与氧发生反应生成三氧化硫 放热反应，降低反应温度，反应向右进行，提高转化率，反应过程中，及时释放热量,4.二氧化硫催化转化用催化剂（图示）,铂催化剂活性最高，但价格昂贵，容易中毒；其他金属氧化物要求使用温度高，钒催化剂（V2O5）活性最高，且使用温度低，价格便宜，应用最为广泛 图10-15 几种催化剂的活性比较,钒催化剂（V2O5）,活性组分+助剂+载体 V2O5 K2O SiO2 毒物： 砷化物 1）温度低于550度，砷化物和催化剂活性组分V2O5发生化学反应，破坏其原来状态和性质 2）温度高于550度，砷和V2O5生成挥发性化合物，活性组分挥发含量减少 3）砷被吸附在催化剂表面，堵塞其孔隙结构 氟化物 1）氟化物与载体SiO2生成氟硅氧化物，引起粉化 2）氟化物与载体作用后SiO2析出，覆盖在活性组分表面，阻碍气体和活性组分接触,钒催化剂催化作用机理-降低氧原子之间化学键断裂所需活化能,要使二氧化硫氧化，关键在于使氧化剂-氧分子中两个氧原子之间的化学键断裂，在没有催化剂的作用下，使其断裂消耗能量巨大，二氧化硫氧化活化能为2090kJ/mol 在催化剂作用下，催化剂吸附了氧原子，且催化剂与氧原子结合的牢固程度，远小于与氧原子之间的结合，因此降低了二氧化硫氧化的活化能92-96kJ/mol,催化反应过程,1)氧分子被催化剂表面吸附，氧分子中原子之间的化学键被破坏（控制步骤） 2)催化剂表面从气体中吸附二氧化硫分子 3)催化剂表面的SO2分子与O原子结合生成SO3 4)生成的SO3分子离开催化剂表面进入气相中,5.二氧化硫催化转化流程和设备,5.1二氧化硫催化转化过程对温度的要求 二氧化硫的转化反应为放热反应，必须将反应热从系统中不断导出这样才能使反应既进行得快，又能获得较高的转化率。 反应初期，反应体系离平衡状态较远，宜采用较高温度加快反应速率； 反应后期，反应已接近平衡，故要降低温度使反应向深度发展，获得更高转化率。 温度的改变应在催化剂活性范围内400-600度内进行,5.2二氧化硫催化转化流程的特点（图示） 由于二氧化硫的转化反应为放热反应，在反应器内反应是在绝热条件下进行，反应后气体温度必然升高，不利于转化反应的进行，因此要将气体进行冷却至一定温度后，再进入下一个反应器内进行反应，反应后再通过换热降低气体温度。使转换反应和换热（降温）交替进行，直到达到要求的转化率为止。 5.2二氧化硫催化转化流程的分类-根据换热方法的不同 1）间接换热式 利用经过转化反应的热气体与冷气体进行热交换，既降低转化气体温度，又能加热冷气体使其达到转化反应所需温度 2）直接换热式 将冷气体直接加入转化反应后的热气体当中，待降温后一起进入下一个反应器内进行转化反应 注：只有当烟气中二氧化硫浓度超过7%时使用,5.3间