环境工程学(王玉恒)第7-8章

大气污染控制工程,环境工程学,第七章气态污染物控制,吸收净化,吸附净化,催化转化,燃烧转化,冷凝法,生物净化,气态污染物的其他净化方法,利用气体混合物中不同组分在吸收剂中溶解度不同，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。,特点,捕集效率高、设备简单、一次性投资低。,应用,广泛地应用于气态污染物的处理。如SO2、H2S、HF、HCl和NOx等污染物的废气，都可以采用吸收净化。,第一节吸收净化,一.吸收平衡,亨利定律：反应气液相的平衡Pi*:i组分在气相中的分压Xi:i组分在液相中的摩尔分数Ei:亨利系数,亨利定律可写为：,Hi:i组分在溶液中的溶解度系数。,二.吸收速率方程,基本理论：双膜理论界面分为气膜和液膜。,界面传质速率方程符合费克定律,吸收剂的选择,对吸收剂的要求（选择原则）,吸收剂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；,吸收剂的蒸汽压要低，以减少吸收剂损失，避免造成新的污染；,沸点高、融点低、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；,吸收剂选择实例,吸收设备及其计算,吸收设备的分类,按吸收表面形成方式分类,表面吸收器,两相接触表面是静止液面或流动的液膜表面,水平液面的表面吸收器,液膜吸收器,机械膜式吸收器,填料吸收器,鼓泡式吸收器,气体以气泡形式分散于液体吸收剂中,连续鼓泡层吸收器,板式吸收器,活动（浮动）填料吸收器,液体机械搅拌吸收器,喷洒式吸收器,空心（喷嘴式）喷洒吸收器,高气速并流喷洒吸收器,机械喷洒吸收器,液体以液滴形式分散于气体中,按气液两相界面形成原理分类,具有固定相界面的吸收设备,在气液两相流动过程中形成相界面的吸收设备,有外部能量引入的吸收设备,按汽液分散形式分类,气相分散、液相连续,液相分散、气相连续,气相与液相同为分散相,板式塔,喷淋塔、填料塔,文丘里吸收塔,按汽液接触方式分类,连续接触式,间断接触式,填料塔、喷淋塔、湍球塔,板式塔,常用吸收塔介绍,填料塔,要求气液有效接触面积大，气液湍动程度高，设备压力损失小，结构简单，易操作维修，投资少，操作费用低等。,结构简单、便于用耐腐蚀材料制造，气液接触效果好，压降小。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。,湍球塔,气体流速高，处理能力大；设备体积小，吸收效率高。随小球的运动，有一定程度的返混；段数多时阻力较高；塑料小球不能承受高温，使用寿命短，需经常更换。,筛板塔,处理能力大，压降小，在一定的负荷范围内容易操作，塔板效率高及制作安装简单，金属耗量省，造价低。必须维持恒定的操作条件，负荷范围比较窄；小孔径筛孔容易堵塞。,筛板塔,填料吸收塔的设计,塔径的计算,处理气量：根据实际的工业过程而定。,空塔速度：一般由填料塔的液泛速率Vt确定，通常取V0=0.60-0.70Vt。,填料塔高度的计算,由过程吸收速率NA和对吸收效率的要求来确定。,填料吸收塔的压力降,单位填充层内填料的表面积,液泛,塔内气相靠压差自下而上逐板流动，液相靠重力自上而下通过降液管而逐板流动。显然，液体是由低压空间流至高压空间，因此，降液管中的液流必须有足够高度，以克服两板间的压降而流动。当液体流经降液管时，降液管对液流有各种局部阻力，液流量大则阻力也增大，降液管内液面也随之升高。故气液相流量增加都能使降液管内液面升高。当管内液体增加到越过溢流堰顶部时，漫到上层板中去；该层塔板产生积液，并依次上升，这种现象称为液泛，亦称淹塔。此时，塔板压降上升，全塔操作被破坏，操作时应避免液泛发生。,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附在固体表面上。,特点,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。但是吸附容量不高。,应用,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工业部门。,第二节吸附净化,特别是用于其它方法难于分离的低浓度有害物质和排放标准要求严格的废气处理上效果更好。,吸附过程,物理吸附和化学吸附,物理吸附,化学吸附,靠分子间的范德华引力产生,靠吸附剂与吸附质之间的化学键力产生,单分子层吸附或多层吸附,只能单层吸附,吸附剂及其再生,气体净化吸附剂应满足的要求,工业上常用的吸附剂,活性炭、活性氧化铝、硅胶、沸石分子筛等。,具有大的比表面积,具有良好的选择性吸附作用,吸附容量大,具有良好的机械强度和均匀的颗粒尺寸,有足够的热稳定性和化学稳定性,合乎工业要求的吸附剂应满足要求：,有良好的再生性能,来源广泛、价格低廉,纯物理吸附,存在化学反应,将吸附热Q重新转给吸附剂,活化能（解吸附能Ed+反应热Qc）,常用的再生方法,加热解吸再生,降压或真空解吸,置换再生,吸附剂的再生,溶剂萃取,选择合适的溶剂，使吸附质在该溶剂中的溶解性能远大于吸附剂对吸附质的吸附作用，从而将吸附物溶解下来。,吸附装置,固定床、流动床、沸腾床,在空气污染控制中最常用的是将两个以上的固定床组成一个半连续式吸附流程。,回转床吸附器,流化床吸附器,固定床吸附器,吸附平衡与吸附速率,吸附平衡,平衡吸附量,吸附等温线,等温吸附方程,弗伦德利希方程,朗格缪尔方程,BET方程,型等温线,型等温线,型、型等温线,吸附速率,吸附过程,外扩散,内扩散,吸附,总吸附速率是这几个步骤综合的结果,吸附速率方程,外扩散阻力起主要作用,内扩散阻力起主要作用,总吸附速率方程,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。,特点,避免了其它方法可能产生的二次污染，又使操作过程得到简化。对于不同浓度的污染物都具有很高的转化率。,应用,碳氢化合物转化为二氧化碳和水，氮氧化物转化成氮，二氧化硫转化成三氧化硫而加以回收利用，有机废气和臭气的催化燃烧，以及汽车尾气的催化净化等。,第三节催化转化,与其它净化方法的区别：无需使污染物与主气流分离。,缺点,催化剂价格较高，废气预热要消耗一定的能量。,催化作用和催化剂,催化作用,概念：化学反应速率因某物质的加入而改变，但其数量和性质并未改变。,催化剂加速反映速度的实现,催化剂的特性,催化剂,催化剂的组成：主活性物质，载体，助催化剂,催化转化法选用催化剂的原则良好的活性和选择性；足够的机械强度；良好的热稳定性和化学稳定性；经济性,气固催化反应动力学,气固催化反应过程,气固催化反应的七个步骤,外扩散过程,内扩散过程,吸附过程,表面反应过程,脱附过程,内扩散过程,外扩散过程,气固催化反应器及计算,气固催化反应器,固定床、移动床、流化床,应用最广泛,单层绝热反应器,多段绝热器,列管式反应器,适宜反应热效应较小，对温度变化不敏感以及副反应较少的情况。,适宜中等热效应的反应。,适用于床温分布要求很严、反应热特别大的情况。,固定床反应器的计算,数学模型法,经验计算法,空间速度,接触时间,床层高度,所需催化剂体积,固定床的压力降,m：摩擦阻力系数：气体黏度U0：空床速度de：颗粒体积表面积平均直径，,通过热氧化作用将废气中的可燃有害成分转化为无害或易于进一步处理和回收物质；而且还可以消烟、除臭。,特点,工艺简单、操作方便，可回收含烃废气的热能。,应用,广泛用于石油工业、有机化工、食品工业，涂料和油漆的生产、金属漆包线生产、纸浆和造纸、动物饲养场、城市废物的干燥和焚烧处理场等主要含有机污染物的废气治理。,第四节燃烧转化,处理可燃组分含量低的废气时，需预热耗能，应注意热能的回收。,燃烧类型,直接燃烧,热力燃烧,催化燃烧,燃烧过程及装置,直接燃烧,浓度高于爆炸下限的废气可在一般的炉、窑中直接燃烧。,在石油工业和石油化学工业中，主要是“火炬”燃烧。,热力燃烧,燃烧辅助燃料提供预热能量；,高温燃气与废气混合以达到反应温度；,废气在反应温度下充分燃烧。,燃烧过程,优点：可除去有机物及超微细颗粒物，结构简单，占用空间小，维修费用低。,缺点：操作费用高，有回火及火灾的可能性。,催化燃烧,在催化剂存在下，废气中可燃组分能在较低的温度下进行燃烧反应。,优点：操作温度低，燃料耗量低，保温要求不严格，能减少回火及火灾危险。,缺点：催化剂较贵，需要再生，基本建设投资高。大颗粒物及液滴应预先除去，不能用于使催化剂中毒的气体。,热能回收,火炬燃烧的优点,缺点,安全、简单、成本低,不能回收热能,将废气连续通入烟筒，在烟筒末端进行燃烧。,火炬燃烧,热力燃烧,催化燃烧,利用不同物质在不同温度下具有不同饱和蒸汽压这一性质，采用降低系统温度或提高系统压力，使处于蒸汽状态的污染物冷凝并从废气中分离出来。,适用性,不适宜处理低浓度的废气，常作为吸附、燃烧等净化高浓度废气的前处理。,冷凝法,特别适用于处理废气浓度在10000ppm以上的有机溶剂蒸汽。,冷凝原理,露点:一定压力下，气体物质开始冷凝出现第一个液滴时的温度,泡点：一定压力下，液体加热出现第一个气泡的温度,接触冷凝,被冷却的气体与冷却液或冷冻液直接接触。,有利于传热，但冷凝也需进一步处理。,接触冷凝设备,喷射器、喷淋塔、气液接触塔,表面冷凝,表面冷凝设备,列管冷凝器、翅管空冷冷凝器、淋洒式冷凝器、螺旋板冷凝器,蒸汽在间壁上的冷凝形式,膜状冷凝、滴状冷凝,利用微生物的生命活动过程把废气中的气态污染物转化成少害甚至无害的物质。,特点,不需要再生过程和其它高级处理，与其它净化法相比，其处理设备简单，费用也低，并可以达到无害化的目的。,应用,广泛地应用于废气治理工程中，特别是有机废气的净化，如屠宰厂、肉类加工厂、金属铸造厂的臭气处理。,第五节生物净化,缺点,不能回收污染物质，只适用于污染物浓度很低的情况。,废气的生物处理原理,生物处理设备,生物净化废气的方式,生物吸收方法,生物过滤法,先把污染物从气相转移到水中，然后进行废水的微生物处理。,用附着在固体过滤材料表面的微生物来完成。,活性污泥法，微生物悬浮液法,土壤法，堆肥法,生物吸收装置,生物过滤装置,本章小结,1、气态污染物的各种处理方法2、各种处理方法的原理、特点、优缺点、装置的结构、分类3、强调的一些基本概念。,第八章污染物的稀释法控制,影响污染物在大气中扩散的气象因素,烟气抬升高度,污染物落地浓度,烟囱计算,第一节影响污染物在大气中扩散的气象因素,气象的动力因子,风作用：整体输送；冲淡稀释风速廓线（风速随高度的变化曲线）模式：对数率；指数率,对数率,适用中性层结近地条件,K:卡门常数,一般为0.4Z0:地面粗糙度，表8-1u*:摩擦速度m：常数，与大气稳定度、地形有关，表8-2u10：高度10m处的平均风速,指数率,非中性层结,湍流:摩擦层中风的阵性和摆动。机械湍流,热力湍流污染物的扩散主要靠大气湍流的作用。,局地风：局部空气的环流海陆风：海洋或湖泊沿岸，周期24h图8-6山谷风：山区和谷地图8-7，8-8，8-9城市热岛效应：城市比周围地区热的现象图8-10,大气温度层结:气温随高度的分布.两个重要指标:干绝热递减率d,气温递减率,气象的热力因子,由这两者的关系来确定大气稳定度。,对气块而言，为常数,对周围空气而言，不是常数,d递减或超绝热,温度层结的四种类型：,=d中性,=0等温,0气体逆转（逆温）,1、辐射逆温：地面白天加热，大气自下而上变暖；地面夜间变冷，大气自下而上冷却,逆温：温度随高度升高的现象.分接地逆温和上部逆温.,辐射逆温的生消过程,2、下沉逆温：（多在高空大气中，高压控制压内）,3、湍流逆温,4、锋面逆温,大气稳定度及其判据,定义：大气在垂直方向上稳定的程度；反映其是否容易对流定性描述：,不稳定条件下有利于扩散,大气稳定度及其判据,定量判断,气块：环境：,（单位体积块）加速度，将代入上式得：,大气稳定度及其判据,则有判据：,烟流型与大气稳定度的关系,波浪型（不稳）锥型（中性or弱稳）扇型（逆温）爬升型（下稳，上不稳）漫烟型（上逆、下不稳）,（1）帕斯奎尔（Pasquill）分类方法,根据距地面10m高处的风速和辐射状况（云量、云状和日照）来划分,大气稳定度的分类,(2)我国的改进：原来的为，现为/.-93，步骤为：,.查表得出太阳倾角,.计算太阳高度角h0,式中：当地的纬度，deg；当地的经度，deg;t进行观测时的北京时间；太阳倾角，deg，,.太阳辐射等级的确定,表中+3表示强太阳射入辐射，+2表示中等辐射，+1表示弱辐射，0表示射入与射出辐射平衡，-1表示存在弱的地球辐射，-2表示强射出辐射。,.由太阳辐射等级和地面风速（离地10m处的平均风速）确定大气稳定度级别。,第二节烟气抬升高度,抬升高度及影响因素,概念：烟羽：烟气在水平方向的扩散。烟羽抬升高度：烟羽轴线与烟囱口间的距离。有效源高H：烟气所达到的高度。H=Hs+H,影响因素：排放因素、气象因素、下垫面,抬升高度的计算公式,我国国标推荐公式,霍兰德(Holland)公式,博山克特(Bosanguet)公式,布里吉斯(Bvigss)公式,康凯维(Concawa)公式,一、烟气抬升高度H的计算（介绍GB3840-83推荐的计算公式）有效源高HeHsH有风，中性和不稳定条件（1）烟气热释放率Qh2100kJ/s，且烟气温度与环境温度的差值T35K时,n0,n1,n2,分别为烟气热状况与地表状况系数，烟气热释放系数，排气筒高度指数(P476表8-6)。,8-1,（2）1700kJ/sQh2100kJ/s,式中：,H2按8-1计算,（3）Qh1700kJ/s或T像源法实源：像源：,实源的贡献,像源的贡献,实际浓度,二、一般气象条件下的扩散模式,一般气象条件是指风速大于1.0m/s，整个空间具有相同温度层结的情况。,地面轴线浓度,假定y/z=k，并对z求导，令d/dz=0得：,1.高架连续点源,2.地面连续点源,地面高度为0，有效源高为0,令y=0，则得到地面轴向浓度,三、特殊气象条件下的扩散模式,1.上部有逆温层的扩散,逆温层的存在，使污染物难以垂直扩散，在逆温层底和地面之间反射，形成封闭型反射。,对高架点源，需考虑混合层顶的反射作用。设地面与混合层顶全反射，修正后可得:,式中：L混合层厚度，即逆温层高度，mn反射次数，一般取k=45即可满足精度要,1、当xxD时，烟流不受逆温层的影响，可按原式计算,实际计算中可进行简化处理设xD为烟羽边缘刚好达到逆温层底时离烟源的水平距离，则：,2、当x2xD时，可认为浓度在z方向已接近均匀分布，其计算公式可按下式计算：,地面轴线浓度为：,2、熏烟扩散模式熏烟模式主要用以计算日出以后，贴地逆温从下而上消失，逐渐形成混合层（厚度为hf）时，原来积聚在这一层的污染物所造成的高浓度污染。若逆温层高度高于烟