第9章 吸收法净化气体污染物.ppt

第9章吸收法净化气态污染物 内容提要 本章主要介绍气态污染物的基本特性及其净化方法 通过学习 使学习者能了解各种气态污染物的净化原理 净化工艺 净化设备 掌握运行的重要参数条件 可以利用学到的基本理论知识 对各种气态污染物提出可行的控制和处理方法 4 1 1吸收法 吸收是气体混合物中的一种或多种组分溶解于吸收液中 或者与吸收液中的组分进行选择性化学反应 从而将物质从气相中分离出来的操作过程 吸收法应用非常广泛 如原料气的净化 有用组分的回收 产品的制备 气体的净化等 很多有害气体如SO2 NOx HCl HF C H化合物等常用吸收法加以净化 下面就吸收法原理 吸收工艺选择 吸收设备等做一简要介绍 4 1 1 吸收原理 1 亨利定律在一定的温度和压力下 进行气液接触时 混合气体中的可吸收组分通过传质过程进入液相 这个过程称为吸收 吸收进行时 吸收解吸同时进行 经过一段时间 气液两相达到动态平衡 此时气相中吸收质的分压称为平衡分压 液相中所溶解的吸收质浓度称为平衡溶解度 简称溶解度 如果吸收过程不发生明显的化学反应 称为物理吸收 如果吸收质与吸收剂由于化学反应导致吸收 称为化学吸收 在大气污染控制中 由于废气气体量大 成分复杂 仅靠物理吸收难以达到净化要求 因此大多情况下物理吸收和化学吸收同时存在 在一定温度下 当压力不高时 对于稀溶液的吸收过程符合亨利定律 即吸收质在液体中的溶解度与气相中吸收质的平衡分压成正比 表示式为 c H P x P Ey m x上式均称为亨利定律式中c 溶质的平衡浓度kmol m3H 溶解度系数 kmol m3 kPa P 溶质组分在气体中的平衡分压 kPax 溶质在液相中的摩尔分数E 亨利系数 kPay 溶质在气相中的体积分数m 相平衡常数 量纲为一 2 吸收平衡 气液吸收一般遵循双膜理论 如图9 3所示 在吸收过程中 溶质首先由气相主体以涡流扩散方式到达气膜边界 再以分子扩散方式通过气膜到达气液相界面 在界面上溶质不受任何阻力由气相进入液相 然后在液相以分子扩散的方式穿过液膜到达气液膜边界 最后又以涡流扩散的方式转移到液相主体 吸收传质速率方程一般表达式 传质速率 传质推动力 传质系数或 传质速率 传质推动力 传质阻力 显然 传质系数 1 传质阻力 双膜理论吸收过程示意图 溶质组分通过气膜和液膜吸收速率为 NA KG P P KL C C 式中KG 气相吸收总系数 kmol m2 s kPa KL 液相吸收总系数 m s P 与液相浓度相平衡的气相分压 kPa C 与气相分压相平衡的液相浓度 kmol m3 C 溶质的平衡浓度kmol m3P 相平衡的气相压 kPa 式中的 P P 和 C C 是以分压差和浓度差表示的过程总推动力 而1 KG 1 KL则表示吸收过程总阻力 吸收过程的总阻力为气膜阻力与液膜阻力之和 吸收总系数KG KL可以通过实验获取 当气体溶解度很大时 气相传递为控制因素 增大气速对吸收有利 当气体溶解度很小时 液膜阻力为控制因素 增大液体流量 增强湍流程度对吸收有利 吸收设备 1 吸收设备的分类吸收的主要设备包括 板式塔 喷淋塔 填料塔 湍球塔 文丘里吸收器 最常用的是填料塔 其次是板式塔 此外还有喷洒塔和文丘里吸收器 文丘里吸收器是近代使用较多的高效率吸收设备之一 1 填料塔 填料塔的典型结构如图9 15所示 塔内装有支撑板 板上堆放填料层 喷淋的液体通过安装在填料上部的分布器洒向填料 在吸收塔内 气体和液体经常逆流接触 即吸收剂自塔顶向下喷淋 气体从塔底被送入 沿填料间空隙上升 填料的润湿表面作为气液接触的传质表面 常用的填料塔填料种类有拉西环 鲍尔环 鞍形和波纹填料等 为保证填料塔运行稳定 一般要求液体喷淋密度在10m3 m2 h以上 并力求喷淋均匀 填料塔的空塔气速一般为0 3 1 5m s 压降通常为0 15 0 60kPa m填料 液气比为0 5 2 0kg m3 填料塔具有结构简单 便于制造 汽液接触良好 压降较小等优点 缺点是当烟气中含有悬浮颗粒时 填料容易堵塞 清理检修时填料损耗大 图4 2填料塔结构 2 筛板塔筛板塔的结构如图所示 在截面为圆形的塔内 沿塔高装有多层筛板 筛板上开有2 15mm的小孔 开孔率一般为6 25 操作时 气体从下而上经筛孔进入筛板上的液层 塔板上的液层厚度为30mm左右 气液在筛板上交错流动 通过气体的鼓泡进行吸收 气液可以进行逐级的多次接触 操作时一般控制气体通过筛板塔的空塔速度为1 0 2 5m s 气体穿过筛孔的气速约为4 5 12 8m s 每块板的压降为0 8 2 0kPa 筛板塔结构和操作示意图 3 湍流塔 2 吸收设备的选择 吸收设备的选择把握以下原则 1 当气液反应速度非常快 可以优先选用喷淋塔 填料塔等 2 若反应极快 热效应大时 也可以考虑采用筛板吸收塔 3 如果反应物浓度高 可选用文丘里或喷雾塔洗涤器 4 当气液传质速度慢时 需要提供大量的液体 采用鼓泡塔 5 在吸收过程产生固体时 宜选用内部构件少 阻力小 压降小的设备 如泼水轮吸收室等 6 在达到吸收要求的前提下 尽可能选用结构简单 造价低廉 容易操作的设备 在常见的吸收设备中 结构的复杂程度 喷淋吸收塔 填料塔 板式 3 吸收剂的选择 1 吸收剂的选择原则 吸收剂应对混合气体中被吸收组分具有良好的选择性和较大的吸收能力 吸收剂的蒸汽压低 以减少吸收剂损失 避免吸收液成分进入气相 造成新的污染 吸收剂沸点高 熔点低 粘度低 不易起泡 化学性能稳定 腐蚀性小 无毒性 难燃烧 价廉易得 易于解吸再生或综合利用 任何一种吸收剂很难同时满足以上要求 实际上可根据具体情况 权衡各方面因素而定 2 吸收剂的选择 对于物理吸收 要求溶解度大 可以按照相似相溶规律选择吸收剂 即从与吸收质结构相近物质中筛选吸收剂 对于化学吸收过程 可以选择容易与被吸收气体发生反应的物质作吸收剂 对于酸性气体 如CO2 NO2 HF等 可以优先选用碱或碱性盐溶液吸收 水是一种常用的吸收剂 是许多吸收过程的首选对象 用水做吸收剂 主要是靠这些物质在水中溶解度较大的特性 一般在加压和低温下吸收 在降压和升温下解吸 用水作吸收剂的优点是价廉易得 吸收流程 设备和操作都比较简单 缺点是设备庞大 净化效率低 动力消耗大 碱金属钠 钾 铵或碱土金属钙 镁等的溶液 是另一类常用吸收剂 由于这一类吸收剂能与被吸收的气态污染物如SO2 HCl HF NO2等之间发生化学反应 因而使吸收能力大大增加 吸收碱性气体常用各种酸进行吸收 化学吸收的流程较长 设备较多 操作较复杂 吸收剂价格较贵 吸收剂再生困难 能耗和化学品消耗大 因而在选择吸收剂时 要权衡多方面的因素来确定 3 吸收剂的再生吸收剂使用到一定程度 需要处理后再使用 处理的方式 一是通过再生回收副产品后重新使用 如亚硫酸钠法吸收SO2气体 吸收液中的亚硫酸氢钠经加热再生 回收SO2后变为亚硫酸钠重新使用 二是直接把吸收液加工成副产品 如用氨水吸收SO2得到的亚硫酸铵经氧化变为硫酸铵化肥 吸收工艺 吸收法净化气态污染物的工艺配置应考虑以下问题 1 烟气除尘大部分废气往往还含有一定的烟尘 对吸收产生影响 因此 在吸收之前应设置高效的除尘器除去烟尘 除尘器可以采用干式的电除尘器 ESP 或布袋除尘器 FDC 最好是选用湿式除尘 既冷却了高温烟气 又起到除尘的作用 2 烟气的预冷却燃烧排出的烟气温度较高 不适宜直接吸收 而需要降低温度后再完成吸收操作 提高吸收效率 因此需要对烟气进行冷却 冷却烟气的方法有 设置间接冷却器 直接增湿冷却 用预洗涤塔除尘增湿降温等 烟气冷却温度越低 对吸收越有利 但耗能会大幅度增加 造成费用增大 综合考虑各方面的因素 一般高温烟气冷却到333K左右较为适宜 3 设备管道的结垢和堵塞结垢和堵塞是吸收操作不可避免的问题之一 许多气态污染物的吸收净化过程 会产生一些固体物质 必然会出现设备结垢和堵塞问题 解决的方法一般从工艺设计 设备结构 操作控制等方面解决 工艺操作采取的措施包括 控制溶液或料桨中水分的蒸发量 控制溶液的pH值 控制溶液中易于结晶物质不要过饱和 保持溶液有一定的晶种 严格控制进入吸收系统的粉尘量等 设备选择上 优先选择不易结垢和堵塞的吸收器 如减少吸收器内部构件 增加其内部的光滑度 操作上 通过提高流体的流动性和冲击性等减少结垢的发生 4 吸收操作吸收操作是提高吸收效果的关键 采用的气液接触方式有顺流 逆流和错流 采用的操作方式有一次吸收和循环吸收 在一个吸收塔内又分为一段吸收和多段吸收 根据气量大小和净化要求可以采用并联吸收和串联吸收等 5 除雾湿式洗涤系统运行时 在洗涤器内易生成 水雾 酸雾 或 碱雾 随气流排放对烟囱造成腐蚀 产生结垢 排入环境造成环境污染 因此处理后烟气必须选用折流式除雾器 旋风除雾器 丝网除雾器和电除雾器之一进行除雾后再排放 6 气体再加热高温烟气净化后 温度会下降很多 如果吸收后的气体直接排入大气 在一定的气象条件下 将出现 白烟 现象 另一方面 由于烟气温度低 使热力抬升作用减少 扩散能力降低 容易造成局部污染 因此烟气加热后再排放是必要的 处理的办法有 使吸收净化后的烟气与一部分未净化的高温烟气混合 以升高净化后气体的温度 但由于混入大量未净化的烟气 使得气态污染物的排放量增大 相当于降低了洗涤器的净化效率 设置尾部燃烧炉 在炉内燃烧天然气或重油 产生高温燃烧气 再与净化气混合后排放 目前国外的湿式排烟脱硫装置 大多采用此法 7 吸收液的后处理吸收了气态污染物的富液若直接排放 不仅浪费资源 而且会造成环境污染 因而吸收净化气态污染物工艺流程的设置 必须考虑富液的合理处理 处理的目的一是恢复其原有的吸收能力 二是加工成副产品回收 处理方法包括物理分离 化学反应等 以后将针对不同的流程加以论述 1 填空题 1 根据吸收原理 吸收分为吸收和吸收两种 当用NaOH吸收SO2时为吸收 2 常用的吸收装备类型有三