第5章 吸收法净化气态污染物.ppt

大气污染控制工程,第五章吸收法净化气态污染物,第五章吸收法净化气态污染物,根据气体混合物中各组分在液体溶剂中物理溶解度或化学反应活性不同而将混合物分离的一种方法优点：效率高、设备简单、一次投资费用相对较低缺点：需要对吸收后的液体进行处理、设备易受腐蚀,第五章吸收法净化气态污染物,物理吸收：利用气体混合物在所选择的溶剂中溶解度的差异而使其分离的吸收过程化学吸收：伴有显著化学反应的吸收过程。该法使吸收过程推动力增大，阻力减少，吸收效率提高，可处理低浓度气态污染物针对实际工程问题常具有废气量大、污染物浓度低、气体成分复杂和排放标准要求高等特点，大多采用化学吸收法。,第五章吸收法净化气态污染物,本章学习内容：吸收平衡吸收速率吸收设备与设计吸收工艺的配置吸收净化法的应用,第一节吸收平衡,物理吸收平衡化学吸收平衡,一、物理吸收平衡,1.气体组分在液体中的溶解度吸收过程：当混合气体与吸收剂接触时，气相中的可吸收组分向液相进行质量传递的过程。解吸过程：伴随吸收过程发生的液相中吸收组分反过来向气相逸出的质量传递过程。,一、物理吸收平衡,几种常见气体污染物水中溶解度曲线,气体的溶解度在同一系统中一般随温度的升高而减小，随压力的增大而增大。增大气相中该气体的浓度也能使其溶解度增大。,2.亨利定律,一、物理吸收平衡,pA*：气相组分A的分压，Pa；cA：液相中组分A的浓度，mol/m3xA：组分A溶于溶剂中的浓度，摩尔分率；HA、EA：均为亨利系数，单位分别为mol/(m3.Pa)和Pa,二、化学吸收平衡,为了加快净化速率、提高净化效率，实际气态污染物净化过程通常采用化学吸收法。此时，气体溶于液体中，且与液体中某组分发生化学反应，被吸收组分既遵从相平衡关系又遵从化学平衡的关系。,二、化学吸收平衡,则气态污染物A在溶液中的转化过程可表示为：,设气态污染物A与吸收液中所含组分B发生如下反应：,二、化学吸收平衡,气态污染物的总净化量由液相物理吸收量和化学反应消耗量两部分组成:,其中A物理平衡可采用前面介绍的亨利定律近似计算，而A化学消耗可根据化学平衡进行计算。,由亨利定律有：,由化学平衡有：,二、化学吸收平衡,二、化学吸收平衡,由于吸收组分既遵从相平衡关系又遵从化学平衡的关系，式中A就是A物理平衡，在已知化学平衡常数K及反应前后反应物B的浓度变化的情况下可求出生成物M、N的浓度，再由化学反应式可求出A化学消耗及A净化。,第二节吸收速率,物理吸收速率化学吸收速率,一、物理吸收速率,吸收是气态污染物从气相向液相转移的过程，对于吸收机理以双膜理论应用较为普遍。,双膜理论模型,一、物理吸收速率,传质过程：被吸收组分从气相主体通过气膜边界向气膜移动；被吸收组分从气膜向相界面移动；被吸收组分在相界面处溶入液相；溶入液相的被吸收组分从气液相界面向液膜移动；溶入液相的被吸收组分从液膜向液相主体移动。,一、物理吸收速率,在稳态吸收操作中，从气相主体传递到界面吸收质的通量等于从界面传递到液相主体的通量，在界面上无吸收质的积累和亏损。,对于气膜：,NA:被吸收组分A的传质速率，kmol/(m2.s);DAG:组分A在气相中的分子扩散系数，kmol/（m.s.Pa)；ZG:气膜厚度,m；pAG、PAi：气相主体与界面处的分压，Pa；kAG：气相传质系数，kmol/(m2.s.Pa),一、物理吸收速率,对于气膜：,对于液膜：,DAL:组分A在气相中的分子扩散系数，m2/s；ZL:气膜厚度,m；cAL、cAi：液相主体与界面处的浓度，kmol/m3；kAL：液相传质系数，m/s,一、物理吸收速率,组分A在界面位置处于气液平衡状态：稳定吸收过程的总传质速率方程式：,或：,一、物理吸收速率,一、物理吸收速率,在总传质阻力中，若气膜的阻力远远大于液膜阻力，则称为气膜控制；若液膜阻力远远大于气膜阻力，则称为液膜控制。提高物理吸收速率可采取以下措施：（1）提高气液相对运动速度，以减小气膜和液膜的厚度。（2）增大供液量，降低液相吸收浓度，以增大吸收推动力。（3）增加气液接触面积。（4）选用对吸收质溶解度大的吸收剂。,二、化学吸收速率,吸收速率方程,对于典型的气液相反应:,二、化学吸收速率,液相中A的浓度变化(a)物理吸收(b)化学吸收,二、化学吸收速率,化学吸收过程：气相反应物A从气相本体通过气膜向气-液相界面传递。气相反应物A自气-液相界面向液相传递。反应物A在液膜或液相主体中与B发生反应(视反应速率的快慢而定)。反应生成的液相产物留存在液相中(如有气相产物生成则向相界面扩散)。气相产物自相界面通过气膜向气相本体扩散。,二、化学吸收速率,化学吸收法净化气态污染物质一般要求吸收剂在吸收条件下的蒸气压很低或趋于零，化学反应只在液相内发生。在吸收过程中，当传递速率远大于化学反应速率时，实际的过程速率取决于后者，称为动力学控制；反之，如果化学反应速率很快，而传质速率很慢，过程速率主要取决于传质速率的大小，称为扩散控制。,二、化学吸收速率,对化学吸收而言，气膜的传质速率仍可按与物理吸收相同的公式表示。在气液界面处，组分A仍处于平衡状态，可用亨利定律描述。在液膜中的情况，化学吸收和物理吸收却很不相同。对于化学吸收，组分A按分子扩散从气膜扩散至界面溶解后，在液膜内一面进行扩散，一面与吸收剂组分B进行化学反应，若在液膜内未反应完还要转移至液相主体中进行。,二、化学吸收速率,组分B不断地从液相主体扩散到界面附近并与A相遇。A与B在什么位置进行反应取决于反应速率与扩散速率的相对大小。反应进行得愈快，A消耗愈快，则A抵达气液界面后扩散不远便会消耗干净。反之，如果A与B反应较慢，A可能扩散到液相主体仍有大部分未能参加反应。,二、化学吸收速率,化学吸收的速率不但取决于液相的物理性质与流动状态，也取决于化学反应速率。但是由于液相中有化学反应的存在，组分A的浓度cA降低加快，这意味着液膜厚度薄，液膜阻力减小，从而使过程吸收速率提高。,二、化学吸收速率,在过程稳定的情况下，仍可采用费克定律来描述液膜中的吸收情况：若已知组分A在界面处的液相浓度梯度，就可利用上式求得液膜内的过程速率。在液膜内对组分A作物料衡算可得到液相浓度分布规律及梯度。,二、化学吸收速率,在液膜内离界面Z处，取一厚度为dZ的微元，对气体A在微元体内进行物料衡算：A扩散入微元的通量-A扩散出微元的通量=A在微元的反应量,整理得：,二、化学吸收速率,同理对B作物料衡算有：,反应动力学方程：联解上述公式可以获得总速率方程。由于化学动力学方程一般比较复杂，大多数情况下只能给出数值解，但对一些特殊情况有解析解。,吸收设备吸收设备选择吸收设备设计,第三节吸收设备与设计,对吸收设备的要求：气液有效接触面积大气液湍流程度高设备的压力降损失小结构简单，易于操作和维修投资及操作费用低,一、吸收设备,吸收设备的分类,一、吸收设备,按气液相接触形态可分为：气体以气泡形态分散在液相中的鼓泡反应器、搅拌鼓泡反应器和板式反应器液体以液滴状分散在气相中的喷雾、喷射和文氏反应器等（它们主要用于含尘气流的除尘，但在某些特定场合，也可用于处理气态污染物）液体以膜状运动与气相进行接触的填料反应器,按气液分散形式可分为：气相分散、液体连续，如板式塔液相分散、气相连续，如喷淋塔、填料塔气液相同为分散相，如文丘里吸收器,一、吸收设备,工程中用于净化气态污染物的吸收设备最常用的是填料塔，其次是板式塔。此外还有喷淋塔和文丘里吸收器等。,气-液反应器的形式,（a）填料床反应器；(b)板式反应器；(c)降膜反应器；(d)喷雾反应器；(e)鼓泡反应器；（f）搅拌鼓泡反应器；(g)喷射或文氏反应器,一、吸收设备,1.填料床反应器在填料床反应器中，一般气液逆流操作。混合气体由塔底进入，自下而上穿过填料层，从塔顶排出；吸收剂由塔顶通过液体分布器均匀喷淋到填料层中，沿填料表面向下流动，直至从塔底排出塔外。它具有操作适应性好、结构简单、能耐腐蚀等优点，广泛用于带有化学反应的气体净化过程。填料对塔的性能影响很大。,一、吸收设备,2.板式塔反应器板式塔反应器中液体与气体分段逆流接触。吸收液从塔顶进入，借重力流到下一块板，最后从塔底排出。气体向上通过塔板中的各种孔眼，然后鼓泡穿过液体，分离泡沫后到上面的另一塔板，在这一过程中有害气体扩散至气液接触面进入液相被除去。,一、吸收设备,二、吸收设备的选择,吸收设备的选择:强化吸收过程，提高处理效率，降低设备的投资和运行费用。若反应速率很快，过程属扩散控制，要求所选择的吸收设备能产生高的气液湍动和大的气液接触面积，以降低气膜的传质阻力，增大传质面积，从而提高吸收效率，如喷雾塔、填料塔、文丘里吸收器和板式塔等。若化学反应速率很低，过程属动力学控制，要求所选择的吸收设备具有持液量大，气液接触时间长的特点，以使较慢的化学反应有足够的空间和时间进行反应。宜选用鼓泡塔、鼓泡搅拌釜等吸收设备。,几种主要形式化学吸收设备的特性及其适用范围,二、吸收设备的选择,部分吸收过程的膜控制情况,二、吸收设备的选择,三、吸收设备设计,吸收剂用量塔径的计算填料层高度的计算,1.吸收剂用量吸收剂用量取决于适宜的液气比，而适宜的液气比是由设备费和操作费两个因素决定的。工程中，一般取最小液气比的1.12.0倍，即：,三、吸收设备设计,2.塔径计算处理气量qV根据实际的工业过程而定，空塔气速一般由填料塔的液泛速率确定。通常取：=（0.600.75）。,三、吸收设备设计,3.填料层高度计算对于如下化学计量方程式进行的化学吸收过程：,A（g）+bB（l）rR（l）,每吸收1mol组分A要消耗bmol的反应组分B，对填料塔进行物料恒算：,三、吸收设备设计,填料塔物料衡算图,三、吸收设备设计,设Ls、Gs分别是除吸收组分B以外的液相惰性组分流量和除被吸收组分A以外的气相惰性组分流量mol/(m2s)；YA1、YA2分别是塔顶和塔底组分A的气相浓度mol(组分A)/mol(气相惰性组分)；XB1、XB2分别是塔顶和塔底组分B的液相浓度mol(组分B)/mol(液相惰性组分)；L、G分别是液相和气相的总流量mol/(m2.s)；cI、cT分别是液相中惰性组分浓度和液相总浓度(mol/m3)；pI、p分别是气相中惰性组分分压和气相总压(Pa)。则有：,积分上式，得任一截面处组分YA与XB的关系：,三、吸收设备设计,填料层高度H为：,三、吸收设备设计,通常，气态污染物的浓度很低，化学吸附剂的浓度也不高，即pIp,cIcT,故将其带入上式得：,三、吸收设备设计,吸收剂的选择工艺流程设置中的其它问题,第四节吸收工艺的配置,吸收剂的选择原则：对污染有良好的吸收能力与选择性在吸收污染物后形成的富液应成为副产品或无污染液体，或易处理和可再生利用的物质吸收剂蒸气压要低，不易起泡，热化学稳定性好，黏度低，腐蚀性小价廉易得,一、吸收剂的选择,常见气态污染物与适宜的吸收剂,一、吸收剂的选择,二、工艺流程设置中的其它问题,1.除尘有时采取在吸收塔前增设预洗涤塔，采取将吸收置于预洗涤塔之上，两塔合为一体，下段为预洗段，上段为吸收段；有时采用文丘里类型的洗涤器，既除尘，又吸收气态污染物。,2.烟气的预冷却冷却烟气的方法有：（1）直接增湿冷却，即采用水直接喷入烟气管道中增湿降温（2）用预洗涤塔(或预洗涤段)除尘增湿降温烟温过高，不利于吸收操作过程；烟温过低，将带来热交换器面积、冷却负荷太大等问题。一般只将高温烟气冷却到333K左右较为适宜。,二、工艺流程设置中的其它问题,3.结垢和堵塞弄清结垢的机理、影响结垢和造成堵塞的因素，然后有针对性地从工艺设计、设备结构、操作控制等方面着手解决。工艺操作上，控制溶液或料浆中水分的蒸发量，控制溶液pH，控制溶液中易于结晶物质不要过饱和，严格除尘，控制进入吸收系统的尘量。设备结构上设计或选择不易结垢和堵塞的吸收器。,二、工艺流程设置中的其它问题,4.除雾在吸收塔内易存在生成“雾”的问题，雾不仅是水分，它还是一种溶有气态污染物的盐溶液。任何漏到烟囱部分的雾，实际上就是把污染物排入到大气，雾气中所含液滴的直径主要在1060m之间，一般小于10m的液滴不会产生，因而工艺上要对吸收设备提出除雾的要求。,二、工艺流程设置中的其它问题,二、工艺流程设置中的其它问题,5.气体再加热在处理高温烟气的湿式净化中，烟气在洗涤中被冷却增湿，如果排入大气后，在一定的气象条件下，将发生“白烟”。白烟没有充分稀释之前如果回到地面，容易出现较高浓度的污染。防止白烟发生的措施：吸收净化后的烟气与一部分未净化的高温烟气混合，以降低混合气的湿度和升高混合气的温度。设置尾部燃烧炉，在炉内燃烧天然气或重油，产生12731373K的高温燃烧气，再与净化气混合。,吸收法在烟气脱硫中的应用吸收法净化含氮氧化物废气吸收法净化含氟废气,第五节吸收净化法的应用,一、吸收法在烟气脱硫中的应用,1.石灰石/石灰-石膏法烟气脱硫最早实现工业化应用目前实用业绩最多的单项技术优点：技术成熟、运行状况稳定、原材料石灰石分布极广、成本低廉在世界上应用烟气脱硫装置最多的美、德、日三国中，石灰石/石灰-石膏法装置分别占80%、90%、75%以上。,反应原理:,吸收：Ca(OH)2+SO2CaSO31/2H2O+1/2H2OCaCO3+SO2+1/2H2OCaSO31/2H2O+CO2CaSO31/2H2O+SO2+1/2H2OCa(HSO3)2氧化：2CaSO31/2H2O+O2+3H2O2CaSO42H2OCa(HSO3)2+1/2O2+H2OCaSO42H2O+SO2,一、吸收法在烟气脱硫中的应用,石灰（石灰石）-石膏法的工艺流程烟气在冷却塔内用水洗涤降低温度并增湿，同时除去大部分的烟尘。冷却后的烟气进入两级串联的吸收塔用石灰浆液洗涤脱硫，然后经过除沫、升温由烟囱排放。吸收后的含亚硫酸钙和硫酸钙的混合浆液经过氧化，得到的石膏浆料经离心过滤和洗涤得成品石膏。,一、吸收法在烟气脱硫中的应用,石灰石-石膏法烟气脱硫工艺流程简图,一、吸收法在烟气脱硫中的应用,1-锅炉；2-电除尘器；3-待净化烟气；4-净化烟气；5-气-气换热器；6-吸收塔；7-持液槽；8-除雾器；9-氧化用空气；10-工艺过程用水；11-粉状石灰石；12-工艺过程用水；13-粉状石灰石贮仓；14-石灰石中和剂贮箱；15-水力漩流分离器；16-皮带过滤机；17-中间贮箱；18-溢流贮箱；19-维修用塔槽贮箱；20-石膏贮仓；21-溢流废水；22-石膏,石灰石-石膏烟气脱硫系统,系统组成：石灰石制备系统、吸收塔、烟气再热系统、脱硫风机、石膏脱水装置、石膏贮存装置、废水处理系统吸收剂：石灰石储藏量丰富，便宜，是最常用的吸收剂。一般要求石灰石粉90通过325目筛(44m)或250目筛(63m)，并且CaCO3含量大于90。吸收塔：系统的核心装置，要求气液接触面积大，气体的吸收反应良好，压力损失小，并且适用于大容量烟气处理。,一、吸收法在烟气脱硫中的应用,烟气脱硫吸收塔类型（a）喷雾塔；（b）填料塔；（c）气泡喷射反应器；（d）双回路塔,一、吸收法在烟气脱硫中的应用,烟气再加热：烟气经过湿法FGD系统洗涤后，温度降至5060，已低于露点，为了增加烟囱排出烟气的扩散能力，减少可见烟团的出现，许多国家规定了烟囱出口的最低排烟温度。,一、吸收法在烟气脱硫中的应用,一、吸收法在烟气脱硫中的应用,2.海水烟气脱硫工艺利用海水的天然碱度来脱除烟气中SO2的一种湿法烟气脱硫法。该技术基本不产生废弃物，具有技术成熟、工艺简单、系统运行可靠、脱硫效率高和投资运行费用低等特点。,烟气中的SO2与海水接触主要发生以下反应：SO2(g)+H2OH2SO3H+HSO3-HSO3-H+SO32-SO32-+1/2O2SO42-H+与海水中的碳酸盐发生以下反应：CO32-+H+HCO3-HCO3-+H+H2CO3CO2+H2O,一、吸收法在烟气脱硫中的应用,一、吸收法在烟气脱硫中的应用,Flakt-Hydro海水脱硫工艺流程示意图1-烟囱；2-BUF风机；3-吸收塔；4-泵；5-氧化空气吹入装置6-氧化反应槽；7-中和反应槽,主要由烟气系统、供排海水系统、海水恢复系统等组成。,从锅炉排出的烟气经除尘器除尘后，通过GGH冷却降温，以提高吸收塔内的SO2吸收效率，并防止塔的内体受到热破坏，塔的内体最大限度地采用较便宜的防腐材料和轻质填料。冷却后的烟气从塔底送入吸收塔，在吸收塔中与由塔顶均匀喷洒的纯海水(利用电厂循环冷却水)逆向充分接触混合，海水将烟气中SO2吸收生成亚硫酸根离子。净化后的烟气，通过GGH升温后，经高烟囱排入大气。,一、吸收法在烟气脱硫中的应用,吸收SO2后的海水进入曝气池，在曝气池注入大量的海水和空气将SO2氧化成硫酸根离子，至其水质恢复后又流入大海。经脱硫而流回海洋的海水，其硫酸盐成分只稍微提高，当离开排放口一定距离后，这种浓度的差异就会消失。,一、吸收法在烟气脱硫中的应用,3.氨法烟气脱硫氨是一种良好的碱性吸收剂，其碱性强于钙基吸收剂。用氨吸收烟气中的SO2是气液或气气相反应，反应速率快，吸收剂利用率高，吸收设备体积可大大减小。另外，其脱硫副产品硫酸铵在某些地区可作为农用肥料。该法脱硫效率高，对烟气条件变化适应性强，整个系统不产生废水或废渣，能耗低，对安全运行有高可靠性和适用性，因而其应用呈上升趋势。,一、吸收法在烟气脱硫中的应用,氨法烟气脱硫工艺主要由吸收过程和结晶过程组成。在吸收塔中，烟气与氨水吸收剂逆向接触，SO2与氨反应生成亚硫酸铵和硫酸氢铵：SO22NH3H2O(NH4)2SO3(NH4)2SO3SO2+H2O2NH4HSO3在吸收塔底槽，亚硫酸铵被充入的强制氧化空气氧化为硫酸铵：(NH4)2SO3+1/2O2=(NH4)2SO4,一、吸收法在烟气脱硫中的应用,氨法烟气脱硫工艺流程图1-烟囱；2-BUF风机；3-吸收塔；4-喷射器；5-脱水机；6-干燥机；7-过滤器；8-硫酸铵结晶器,一、吸收法在烟气脱硫中的应用,4.喷雾干燥法脱硫,喷雾干燥脱硫是20世纪70年代中期在美国和欧洲发展起来的。该技术在美国的燃煤电站上得到商业应用始于1980年，如今在FGD市场中列第二位。在燃低、中硫煤的地区，有逐渐取代湿法烟气脱硫的趋势。,一、吸收法在烟气脱硫中的应用,化学过程当雾化的石灰浆液在吸收塔中与烟气接触后，浆液中的水分开始蒸发，烟气降温并增湿，在石灰消化槽中产生的Ca(OH)2与SO2反应生成干粉产物。生石灰制浆：CaO+H2OCa(OH)2SO2被液滴吸收：SO2+H2OH2SO3吸收剂与SO2反应：Ca(OH)2+H2SO3CaSO3+2H2O液滴中CaSO3过饱和沉淀析出：CaSO3(aq)CaSO3(s),一、吸收法在烟气脱硫中的应用,被溶于液滴中的氧气所氧化生成硫酸钙：CaSO3(aq)+1/2O2CaSO4(aq)CaSO4难溶于水，便会迅速沉淀析出固态CaSO4：CaSO4(aq)CaSO4(s)在喷雾干燥工艺中，烟气中的其它酸性气体SO3、HCl等也会同时与Ca(OH)2反应，而且SO3和HCl的脱除率高达95，远大于湿法脱硫工艺中SO3和HCl的脱除率。,一、吸收法在烟气脱硫中的应用,工艺流程：喷雾干燥烟气脱硫工艺是利用喷雾干燥的原理，在吸收剂喷入吸收塔后，一方面吸收剂与烟气中的SO2发生化学反应，生成固体产物；另一方面烟气将热量传递给吸收剂，使之不断干燥，在塔内脱硫反应后形成的产物为干粉，其部分在塔内分离，由锥体出口排出，另一部分随脱硫后烟气进入电除尘器收集。,一、吸收法在烟气脱硫中的应用,一、吸收法在烟气脱硫中的应用,工艺过程：（1）吸收剂制备（2）吸收剂浆液雾化（3）雾粒与烟气的接触混合（4）液滴