气态污染物控制.ppt

气态污染物控制 一 气态污染物有害的气体污染物进入大气后 使大气在成分 气味 颜色和性质等方面发生变化 危害到生物的健康和动植物的生存 气态污染物控制 气态污染物控制的方法和设备主要有两大类 分离法 是利用污染物与废气中其它组分的物理性质的差异使污染物从废气中分离出来 如 吸收 吸附 冷凝 催化转化 膜分离 转化法 是使废气中污染物发生某些化学反应 把污染物转化成无害物质或易于分离的物质 如 燃烧法 生物处理法 电子束法 吸收净化 吸收是利用气体混合物中不同组分在吸收剂中的溶解度不同 或者与吸收剂发生选择性化学反应 从而将有害组分从气流中分离出来的过程 捕集效率高 设备简单 一次性投资低 广泛地用于气态污染物的处理 例如 SO2 H2S HF NOx等 吸附净化 使气体混合物与适当的多孔性固体接触 利用固体表面存在的未平衡的分子引力或化学键力 把混合物中某一组分或某些组分吸留在固体表面上 达到气体混合物分离的目的 物理吸收 化学吸收 效率高 能回收有用组分 设备简单 操作方便 易于实现自动控制 已广泛地应用于化工 冶金 石油 食品 轻工及高纯气体的制备等部门 冷凝净化 冷凝法是利用气态污染物在不同温度及压力下具有不同的饱和蒸汽压 在降低温度和加大压力下 某些污染物凝结出来 以达到净化或回收的目的 膜分离法 使气体混合物在压力梯度作用下 透过特定薄膜 因不同气体具有不同的透过速度 从而使气体混合物中不同组分达到分离的效果 过程简单 控制方便 操作弹性大 能在常温下工作 目前已用于石油化工 合成氨气中回收氢 天然气体净化 空气中氧的富集 以及CO2的去除与回收等 接触冷凝 表面冷凝 特别适用于处理废气度在10000ppm以上的有机溶剂蒸汽 常作为吸附 燃烧等净化高浓度废气的前处理 催化转化 使气态污染物通过催化剂床层 经历催化反应 转化为无害物质或易于处理和回收利用的物质 如 可以用催化氧化法将SO2转化为SO3以回收硫酸 SO2和NOx均可以用催化还原法净化 净化效率较高 在净化过程中可直接将主气流中的有害物转化为无害物 避免了二次污染 但催化剂价格高 操作要求高 难以回收有用物质 燃烧法 利用氧化燃烧或高温分解的原理把有害气体转化为无害物质的方法 该方法可回收燃烧后产物或燃烧过程中的热量 直接燃烧 热力燃烧 催化燃烧 生物处理法 利用微生物以废气中有机组分作为其生命活动的能源或养分的特性 经代谢降解 转化为简单的无机物 HO2和CO2 或细胞组成物质 主要的处理方法 吸收法 过滤法 电子束照射法 可用于脱除硫氧化物 氮氧化物 污染物的稀释法控制 稀释法就是采用烟囱排放污染物 通过大气的输送和扩散作用降低其 着地浓度 使污染物的地面浓度达到规定的环境质量标准 稀释法控制包括大气扩散和烟囱设计两方面的内容 烟囱排放本身并不减少排入大气污染物的量 但它能使污染物从局部地区转移到大得多的范围内扩散 利用大气的自净能力使地面污染物浓度控制在人们可以接受的范围内 二 气体吸收法1 定义 利用气体混合物中不同组分在吸收剂中的溶解度不同 或吸收剂发生选择性化学反应不同而将气体混合物分离的单元操作 这种方法用于治理气态污染物 技术比较成熟 操作经验丰富 适用性比较强 2 分类 气体吸收可分为物理吸收和化学吸收 物理吸收 溶解的气体不与溶剂中的某成分发生化学反应 化学吸收 溶解的气体与溶剂中的某种成分发生化学反应 导致气体平衡压降低 3 吸收过程的相平衡 1 气液相平衡a 气体在液体中的溶解度b 亨利定律 物理吸收时 常用亨利定律来描述气液相间的相平衡关系 b 亨利定律 物理吸收时 常用亨利定律来描述气液相间的相平衡关系 Pi Ei xi或Pi Hi 1 Ci或Ci HiPi Pi 组分分压PaEi 组分的亨利系数 Paxi 摩尔分数Ci 平衡浓度Hi i气体在溶液中的溶解度系数 mol m3 Pa c 传质吸收过程的判断相平衡过程是质量传递的动态平衡过程 若气相中溶质组分浓度y高于气相平衡时的气相组分平衡浓度 即y yi 则传质过程为吸收过程 反之 y yi 则传质过程为解吸过程 2 化学吸收的气液相平衡如果气体在吸收过程发生了化学反应 那吸收组分的气液相平衡就服从相平衡和化学平衡 亨利定律不再适用 a 双膜理论 气液两相间物质传递过程的理论 适用于物理吸收和气液相反应 气液两相接触时 存在一个相界面 在界面两侧分别存在着层流流动的稳定膜层 溶质必须以分子扩散的方式连续通过这两个膜层 在相界面上 气液两相互成平衡 主体中无浓度梯度存在 浓度梯度全部集中在两个膜层内 这样 整个吸收过程的传质就简化为两个膜层的扩散 对于易溶气体总阻力 气膜阻力 气膜控制对于难溶气体总阻力 液膜阻力 液膜控制对于中性气体总阻力要考虑气膜阻力和液膜阻力 4 吸收液在吸收操作中 选择合适的吸收液非常重要 a 吸收液的选择应从下类因素考虑 增大对有害组分的吸收 减少吸收液的用量 减少吸收液的损失 使其蒸汽压尽量降低 粘度小 比热不大 不起泡 尽可能无毒 难燃 化学稳定性好 来源充足 价格低廉 易再生可重复使用 有利于有害组分的回收利用 尽可能不采用腐蚀性介质 以延长设备寿命 b 常用的吸收剂 水优点 价廉易得 缺点 溶解度随温度变化 碱性吸收液用于与碱起反应的有害气体 酸性吸收液 有机吸收液洗油吸收苯和沥青烟等 5 吸收设备 作用 使气液两相充分接触 以便很好的传递 提供大的接触面 最大限度的减少阻力和增大推动力 结构与湿式除尘器基本相似 三 吸附法1 定义 把气体混合物中的有害组分吸留在固体表面 而达到净化作用 这样分离气体混合物过程叫做 气体吸附 吸附剂 具有吸附作用的固体 吸附质 被吸附的物质 2 吸附过程 分类物理吸附 主要依靠分子间的范德华引力产生 可以单层吸附 也可以多层吸附 在较低温度下发生 化学吸附 靠吸附剂与吸附质之间的化学键力产生 只是单层吸附 吸附剂的再生 当吸附剂达到饱和吸附后 为了重复使用吸附剂或回收有效成分 需要再生 物理吸附 易再生 因为可逆 高温既可脱出吸附质 化学吸附 难再生 即提供吸附能 又提供反应热 吸附装置及流程吸附和再生进行的场所 主要有 固定床 流动床 沸腾床 3 吸附剂 广而言之 所有固体表面都具有吸附作用 但实际上合乎工业要求的吸附剂必须具有 巨大的内表面积 多孔性物质 其外表面只占总表面积的极小一部分 强选择性 高沸点的组分易被吸附 便于再生 价格低廉 易得 化学稳定性好 4 吸附法净化气态污染物的适用范围 对于低浓度气体 净化效率比吸收法高 处理量不宜过大 净化有机溶剂蒸汽 效率较高 当处理量小时 吸附法较灵活方便 5 吸附理论 吸附平衡 是两相平衡 a 平衡 吸附和解吸这一可逆的平衡过程 当二者速度相等时 就达到了吸附平衡 吸附量q 吸附平衡时 单位重量吸附剂上 吸附的吸附质重量 V 溶液或气体的体积LCo Ce 吸附质初始浓度和最终浓度W 吸附剂的投加量g 吸附等温式常用的有 a 朗格缪尔吸附等温式 Longmuir 用于恒温下 均一表面上的单层可逆吸附 q0 吸附剂表面吸满单层时的吸附量g ga 常数 为了计算方便 常改写倒数关系 说明1 q与1 Ce呈直线关系 即可求出q0 a b 弗兰德利希指数函数型经验公式q k Ce1 n或XT k p1 nk 弗兰德利希常数n 1的常数将上式两边取对数lgq lgk 1 n lgCe或lgXT lgk 1 n lgp 则由实验数据可得 lgk与lgCe呈线性关系 斜率为1 n 截距为lgk 吸附速率a 定义 单位重量的吸附剂 或单位体积的吸附层 在单位时间内所吸附的物质量 吸附速率决定了需要净化的混合气体和吸附剂的接触时间 吸附速率取决于吸附剂对吸附质的吸附过程 b 吸附过程 气膜扩散 外扩散 吸附物通过表面气膜达到吸附剂表面 微孔扩散 内扩散 吸附物在吸附剂微孔中扩散 直到扩散到孔深处的吸附剂表面 吸附 在吸附剂表面吸附 四 气 固催化反应1 催化作用在化学反应体系中 加入少量某些物质 可以极大的提高反应速度 在大气污染控制中 反应物均为气体 所得产品也是气体 而所作用的催化剂多为固体 反应属于气 固多相催化反应 吸附 催化步骤 气相中反应物先扩散到催化剂表面上 催化剂吸附一种或几种反应物 吸附的反应物之间进行化学反应 生成物从催化剂表面解吸 生成物离开催化剂扩散到气相中 催化净化工艺 催化净化工艺 催化剂 Pt Pd 过渡金属 稀土 Al2O3等 VOCs的催化氧化 催化净化工艺 催化净化工艺 车用催化转化器 五 可燃气体组分的燃烧1 混合气体的燃烧条件 混合气体的燃烧燃烧的条件 含有O2和可燃组分 且在一定的浓度范围内 具有明火 达到某一点着火点后 产生的热量可以继续引燃周围的混合气体 爆炸极限范围与混合气体的温度 压力 含尘量 流动情况等有关 因此并非一个定值 是一个范围 2020 3 16 47 可编辑 应用实例 硫氧化合物的污染控制工程室内气态污染物控制 硫氧化合物的污染控制工程 我国是以燃煤为主的国家 粉尘 二氧化硫 NOx成为我国大气污染的首要污染物 从目前情况来看 粉尘已通过电除尘器 布袋除尘器 旋风除尘器等得到初步的控制 SO2 NOx已成为首要污染物 而在我国酸降雨中 SO42 NO3 64 1 这说明了SO2是大气污染的罪魁祸首 一 硫的污染物及其治理意义硫的污染物很多 通常指 有机硫 主要存在于原煤中 燃烧后生成SO2H2S 无色有臭鸡蛋味 具有强烈的毒性SO2 SO3 脱除有机硫和H2S的方法有 干法 活性碳法 氧化锌法 分子筛法 羰基S水分解法 物理吸收法 有机硫吸收 湿法化学吸收法 热矸法等 生成新物质SO3易溶于水形成酸雾 处理简单 二 SO2的控制技术目前技术路线分三大类 燃烧前脱硫技术燃烧中脱硫技术燃烧后脱硫技术1 燃烧前脱硫技术 主要指煤的脱硫技术 有化学法 物理法 微生物法 目前应用最广泛的是重力分选法 其他方法仍处于实验室到半工厂化阶段 煤中的S有机硫 与煤中的有机质形成复杂的分子结构 采用物理法难去除 无机硫 主要由FeS 单质S 硫酸盐等组成 物理法的去除率可达40 90 重力分选法 a 原理 利用硫铁矿密度 4 7 5 2 103Kg m3 比煤矸石和煤大得多 在水中与精煤分离 b 工艺流程 水原煤破碎跳汰机旋流器分离泥渣可去掉40 80 的S和60 的灰分 缺点 耗水量大 若煤泥和煤泥水处理不当 易造成二次污染 2 燃烧中的脱硫技术目前应用广泛的有 型煤固S技术和循环流化床技术 型煤固S技术a 原理 在煤中加入固S剂CaO 当型煤燃烧时 CaO与SO2 SO3反应生成CaSO4 从而达到固S目的 固化剂 利用 电石渣 采用 表面富集 多孔活化 脱硫新工艺 制成高温 高效的固化剂 添加剂 无机化工的废渣粘结剂 造纸黑液活化粘土制成在型煤脱硫过程中 生成致密的CaSO4覆盖在CaO颗粒表面 减小颗粒表面的孔隙率 使CaO难以和SO2 O2生成CaSO4 使CaO的利用率大为降低 当T 1000 时 CaSO4分解为SO2 影响固S效果 实践表明 固硫率为40 75 可消减烟尘50 80 致癌物62 NOx减少25 40 节约15 17 的煤 蜂窝型煤就是一种 b 适用范围 中小型锅炉 工业窑炉烟尘中SO2的污染首选技术 c 优点 投资小 运行费用低 固硫降尘效果明显 缺点 提高固硫剂的耐高温性能 循环流化床脱硫技术在床层内加入廉价的脱硫剂 通常是石灰石或白云石 在800 900 的低温燃烧过程中 脱除烟气中的SO2 SO3 达到脱硫目的 原理 将石灰石磨细 1mm 与煤混合 一并加入床内 在燃烧过程中 CaCO3 CaO CO2流化床温度800 900 CaO最具有活性 有良好的比表面积和孔隙率 有利于固硫 CaO SO2 1 2O2CaSO4 T900 CaO表面易烧结 活性降低 影响流化床脱硫率的因素很多 主要有 流化床床温 压力 Ca S比 脱硫剂粒度 脱硫剂类型 空气过剩系数等 Ca S 5时 提高不明显 国外的循环流化床锅炉已达600t h 而我国在130t h以下 研制大容量循环流化床锅炉还有一些问题 最主要的问题是锅炉连续运行时间短 控制系统易出现故障 生产灰渣多 影响综合利用 运贮 3 燃烧后脱硫技术 烟气脱硫技术 烟气脱硫工艺很多 大约有200多种 按用水量的多少可分为 湿法 干法 半干法 按所用脱硫剂的不同可分为 石灰石 石膏法 石灰 石膏法 氢氧化镁法等 按副产物处置方式可分为 抛弃法 回收再利用法 由于我国是人多地少 硫资源缺乏的国家 回收烟气中的SO2 不仅具有经济效益 而且它所带来的社会效益和环境效益也是不可估量的 石灰石 SO2的基本性质天然石灰石的成分SO2在水中的溶解度 吸收原理 气相SO2被水捕集吸收 离解成H SO32 HSO3 向液相中扩散 同时 在吸收塔底部的吸收槽中 CaCO3在酸性环境下溶解 生成Ca2 HCO3 CO32 鼓入足够的空气将SO32 强制氧化成SO42 最终生成CaSO4 2H20 主要化学反应为 SO2 g H2OSO2 l H20SO2 l H20H HSO3 SO32 2H CaCO3 2H Ca2 H2O CO2HSO3 1 2O2SO42 H SO32 1 2O2SO42 Ca2 SO42 2H2OCaSO4 2H20 脱硫系统工艺流程示意图 净化气出口烟气石灰石浆空气石膏处理洗涤塔氧化塔 氧化塔 石灰石 石膏法脱硫系统的发展a 在20世纪70年代 脱氮主体吸收装置一般由三塔一槽组成 即预洗涤塔 洗涤塔 氧化塔和反应中间贮槽组成 在脱硫效率上取得了一定的成功 其流程图为 洗涤塔净化气预洗涤塔石灰石浆烟气HSO3 石膏处理鼓入空气 氧化塔 中间贮槽 b 大约为80年代中期 此法脱硫工艺得到了较深入的研究和不断改进 随着相关设施的技术进步 吸收装置将原有的预洗涤塔和洗涤塔合二为一 取消了中间贮槽 其流程大大简化 投资减小 c 到90年代 吸收装置将三塔合一 提高了塔内烟气速度 缩小了塔径 降低了投资费用 缩小了占地面积 净化气烟气石膏处理石灰石浆鼓入空气 吸收塔内部结构的变迁a 较早的吸收塔采用喷嘴喷雾 其结构为 喷嘴的材料 结构工艺不过关 磨损 腐蚀 堵塞等问题严重 喷雾效果差 脱硫效率差 b 各种填料塔应运而生 例如 拉西环 鲍尔环 丝网 格栅的填料塔 它采用耐腐蚀的非金属材料 气 液传质效果好 但堵塞问题仍然很严重 且塔内结构复杂 维护难 投资高 目前使用的填料塔脱硫的已不多 c 各种板式塔 如筛板塔 穿流栅孔板塔 他们与填料塔相比具有空塔速度高 生产力大 质量小 造价低 易检修等优点 目前广泛应用 介绍两种吸收塔在该法脱硫中 格栅填料塔和喷雾型吸收塔应用较为广泛 a 格栅填料塔塔内放置格栅填料设计时应注意 栅板必须有足够的自由截面 应大于填料层的自由截面 根据截面大小可分为整块和分块式 气体喷射式支撑板对气体和液体提供不同的通道 避免了液体在板上积累 有利于气体的均匀再分配 流程 将石灰石浆液用泵送至溢流型喷嘴上 奖液溢流到各山上 烟气一般为顺流 与液体流向一致 进入吸收塔 在格栅上气流和浆液充分接触传质 完成SO2的吸收过程 从而达到脱硫的目的 优点 采用溢流型喷嘴 循环泵能耗低 喷嘴磨损小 缺点 格栅易被CaSO4 2H20及CaSO3堵塞 须定时清洗 维护费用较高 b 喷雾型吸收塔这是国内外的发展方向 特别是近年来塔内烟气速度得以大幅提高 76m s 因而塔径小 节约了投资 同时由于结构简单 维护方便 不易堵塞 室内气态污染物控制 室内空气污染现状 室内空气污染物种类众多 成分十分复杂 使用的建筑材料 装饰材料 办公设备 以及室内的通风状况和人类自身活动等均对污染物种类和浓度产生影响 从而使得监测结果各异 主要污染物为甲醛 挥发性有机物 VOC 氨 颗粒物 放射性 微生物等 人类活动 燃料燃烧及加热 建筑材料及装饰材料 室外来源 家用电器 室内污染物 甲醛目前生产人造板通常使用以甲醛为主要成分的脲醛树脂的胶粘剂 板材中残留的和未参与反应的甲醛会逐渐向周围环境释放 是形成室内空气中甲醛来源的主体 室内装修所用的墙布 墙纸 化纤地毯 泡沫塑料 油漆和涂料等也都含有甲醛成分并有可能向外界散发的 厨房中的油烟和香烟的烟雾也是甲醛的一个来源 危害 嗅觉异常 呼吸道刺激 发炎 过敏 肺功能异常 肝功能异常 免疫功能异常等方面 其特点是 低浓度致毒 作用时间长 污染源普遍 氨气氨气主要来自于建筑施工中使用的混凝土添加剂 特别是在北方冬季施工过程中 需在混凝土墙体中加入以尿素和氨水为主要原料的防冻剂 这些含有大量氨类物质的添加剂在墙体中随着温度 湿度等环境因素的变化而还原成氨气从墙体中缓慢释放出来 造成室内氨的浓度大量增加 另外 家具涂饰时所用的添加剂和增白剂大部分含有氨水 危害 中毒轻度者 呼吸道炎症 黏膜 咽部充血 水肿 严重者 发生中毒性肺水肿 患者剧烈咳嗽 咳大量粉红色泡沫痰 昏迷等 苯及同系物室内空气苯及同系物主要来自建筑装饰中使用大量的化工原材料 如涂料 填料及各种有机溶剂等 都含有大量的有机化合物 经装修后挥发到室内 特别是各种油漆涂料的添加剂和稀释剂以及溶剂型胶粘剂 另外在生产过程中使用了含苯高的胶粘剂的家具 也释放出大量的苯 用原粉加稀料配制成防水涂料 危害 血液毒性 遗传毒性和致癌性三个方面 可吸入颗粒物来源 室内燃料的燃烧 喷烟 室外和空调系统带入 二次扬尘等 危害 肺炎 肺气肿 肺癌 尘肺 矽肺等病变 毒性粒子还会穿透肺泡组织进入血液随血流至肝 肾 脑 进入骨内 以至危害神经系统 引发人体机能性变化 易患过敏性皮炎及白血病等症 辐射污染建筑材料是室内氡的最主要来源 如花岗岩 砖沙 水泥及石膏之类 特别是含有放射性元素的天然石材 易释放出氡 在地层深处含有铀 镭 钍的土壤 岩石中 存在高浓度的氡 这些氡可以通过地层断裂带 进入土壤和大从房基土壤中析出的气层 建筑物建在上面 氡就会沿着地的裂缝扩散到室内 此外家用电器 电线等产生的电磁场 威胁人们的健康 人的自身污染在人们正常生活的空间里 我国住宅厨房的污染最为严重 是住宅中的主要污染源之一 人们在厨房内进行炊事活动如烧烤 炒菜和火锅带来了油烟污染 一般这些油烟物质主要由NOx CO1 CO2 丙烯醛及致癌物质3 4 苯并芘等组成 严重的危害着人们的身体健康 吸烟害性更大 被动吸烟的危害程度与室内烟雾程度 通风条件及不吸烟者的暴露时间是密切相关的 人体自身新陈代谢及各种生活废弃物的挥发成份也是造成室内空气污染的一个原因 如何辨别室内空气污染1 新装修的家庭和写字楼的房间或者新买的家具有刺眼 刺鼻等刺激性异味 而且超过一年仍然气味不散 2 家里人经常容易患感冒 家里小孩常咳嗽 打喷嚏 免疫力下降 新装修的房子孩子不愿意回家 3 家人常有皮肤过敏