第十章 催化转化法净化气态污染物-3.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Cl HClS 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NO2 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 10b 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 6 0 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CO23 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10 1 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V2O5K2OSiO2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SO34 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间接