大气污染控制工程基础知识

2．大气的组成恒定组分：氮N2（78.09%）、氧O2（20.95%）、氩Ar、氖Ne、氦He、氪Kr、氙Xe等组成比例90km以下基本保持不变（由于空气的垂真运动、水平运动以及分子扩散）可变组分：CO2、O3、H2O（0.02～6%）随时间、地点、气象条件等不同而变化（例如，CO2来源于燃料的燃烧、有机体的腐解以及动植物的呼吸等，从总量上来讲，夏天>冬天，陆地>海洋，城市>乡村，在大工业城市CO2含量高达0.05～0.07%）不定组分：由自然因素和人为因素形成的气态物质和悬浮颗粒例如，NO2自然因素：雷雨时产生；人为因素：燃料的燃烧SO2自然因素：火山和温泉的排出物；人为因素：燃料的燃烧关系：恒定组分+可变组分=纯净大气纯净大气－H2O=干洁大气3．大气污染：指由于人类活动或自然过程引起某些物质介入大气中，呈现出足够的浓度，达到了足够的时间，并因此而危害了人体舒适，健康和福利或危害了环境。1）大气污染源（1）燃料的燃烧：冬季取暖—煤烟型污染（2）工业生产过程：如冶金过程形成的烟（3）交通运输：汽车废气、扬起的尘土（4）自然灾害：火山喷发、流星燃烧产生宇宙灰尘。2）大气污染物大气污染物系指由于人类活动或自然过程排入大气的并对人或环境产生有害影响的那些物质。按其存在状态可概括为二大类：气溶胶状态污染物，气体状态污染物①气溶胶状态污染物在大气污染中，气溶胶系指固体粒子，液体粒子或它们在气体介质中的悬浮体。从大气污染控制的角度，按照气溶胶的来源和物理性质，可将其分为如下几种：a粉尘(dust)：粉尘系指悬浮于气体介质中的小固体粒子，能因重力作用发生沉降，但在某一段时间内能保持悬浮状态．它通常是由于固体物质的破碎、研磨、分缎、输送等机械过程，或土壤，岩石的风化等自然过程形成的。粒子的形状往往是不规则的。粒子的尺寸范围，在气体除尘技术中，一般为1—200μm左右．属于粉尘类的大气污染物的种类很多，如粘土粉小，石英粉尘、煤粉、水泥粉尘、各种金属粉尘等．在大气污染控制中，还根据大气中的粉尘(或烟尘)颗粒的大小，将其分为飘尘、降尘和总悬浮微粒．①飘尘：飘尘指大气中粒径小于lOµm的固体颗粒．它能较长期地在大气中飘浮，有时也称浮游粉尘．②降尘：降尘指大气中粒径大于lOµm的固体颗粒。在重力作用下它可在较短时间内沉降到地面。②总悬浮微粒(TSP)：总悬浮微粒系指大气中粒径小于100µm的所有固体颗粒．b烟(fume)：烟一般系指由冶金过程形成的固体粒子的气溶胶。它是由熔融物质挥发后生成的气态物质的冷凝物，在生成过程中总是伴有诸如氧化之类的化学反应。烟的粒子尺寸很小，一般为0.01一lµm左右。产生烟是一种较为普遍的现象，如有色金属冶炼过程中产生的氧化铅烟、氧化锌烟，在核燃料后处理厂中的氧化钙烟等。c飞灰(flyash)：飞灰系指随燃料燃烧产生的烟气飞出的分散得较细的灰分。d黑烟(smoke)：黑烟一般系指由燃料燃烧产生的能见气溶胶．在某些情况下，粉尘、烟、飞灰、黑烟等小固体粒子气溶胶的界限，很难明显区分开，在各种文献特别是工程中，使用得较混乱，根据我国的习惯，一般可将冶金过程或化学过程形成了固体粒子气溶胶称为烟尘；将燃料燃烧过程产生的飞灰和黑烟，在不需仔细区分时，也称为烟尘．在其他情况，或泛指小固体粒子的气溶胶时，则通称粉尘。e雾(fog)：是气体中液滴悬浮体的总称．在气象中指造成能见度小于lkm的小水滴悬浮体。在工程中，雾一般泛指小液体粒子悬浮体，它可能是由于液体蒸汽的凝结，液体的雾化及化学反应等过程形成的，如水雾、酸雾、碱雾、油雾等．②气体状态污染物气体状态污染物是以分子状态存在的污染物，简称气态污染物。气态污染物的种类很多，大部分为无机气体．常见的有五大类：以二氧化硫为主的含硫化合物，以氧化氮和二氧化氮为主的含氮化合物，碳氧化物、碳氢化合物及卤素化合物等，如表1-2所示．对于气态污染物，又可分为一次污染物和二次污染物。一次污染物是指直接从污染源排到大气中的原始污染物质；二次污染物是指由一次污染物与大气中已有组分或几种一次污染物之间经过一系列化学或光化学反应而生成的与一次污染物性质不同的新污染物质。在大气污染中目前受到普遍重视的一次污染物主要有硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)，碳氧化物(CO，CO2)以及碳氢化物(HC)等．受到普遍重视的二次污染物主要是硫酸烟雾(Sulfuroussmog)和光化学烟雾(Photochemicalsmog)。大气污染源的分类：由四种分类法按污染源存在形式：固定污染源、移动污染源；2)按污染源排放方式：高架源、面源、线源3)按污染源排放时间：连续源、间断源、瞬时源；4）按污染源产生类型：工业污染源、家庭炉灶、汽车排气。进行大气质量评价适宜用第一种分法，研究扩散适宜用第二种分法，分析污染物排放时间规律适宜用第三种分法，解决污染物，控制污染物适宜用第四种分法。4大气污染的危害大气污染物侵入人体途径：①表面接触；②食入含有大气污染物的食物；③吸入被污染的空气。危害：①人体健康危害②对植物的危害：叶萎缩、枯烂、吸入到果实中。③局部气候的影响④对金属制品、油漆、涂料、建筑、古物等的危害（重庆长江大桥的桥梁）⑤对臭氧层的破坏原因：超音速飞机排放污染物破坏O3层；氟氯昂——冷冻的添加剂。5大气污染综合防治的定义所谓大气污染的综合防治，实质上就是对多种大气污染控制技术方案的技术可行性、经济合理性、实施可能性和区域适应性等作最优化选择和评价，从而得出最优的控制技术方案和工程措施，达到整个区域的大气环境质量控制目标。1）.规划措施：全面规划、合理布局它的主要任务，一是解决区域的经济和社会发展和环境保护之间的矛盾；二是对已造成的环境污染和环境问题，提出改善和控制污染的最优化方案。因此，做好城市和大工业区的环境规划设计工作，采取区域性综合防治措施，是控制环境污染(包括大气污染)的一个重要途径。现在我国及各工业国家都规定，在兴建大中型工业企业时，要先作环境影响评价，提出环境质量评价报告书，论证该地区是否建厂，应采取的环境保护措施，以及建厂后对未来环境可能造成的影响。2）.管理措施：严格环境管理完整的环境管理体制是由环境立法、环境监测机构和环境保护管理机构三部分组成的。环境法是进行环境管理的依据，它以法律、法令、条例、规定、标准等形式构成一个完整的体系。环境监测是环境管理的重要手段，没有及时、准确和在主要环境领域内完善的监测网，要进行有效的环境管理和监督是不可能的。环境保护管理机构是实施环境管理的领导者和组织者。我国的环境管理体制正在逐步建立和完善。1979年公布了《中华人民共和国环境保护法(试行)》，而后又相继制定了海洋环境保护法(1982年)、水污染防治法(1984年)、森林保护法(1984年)、草原法(1985年)、大气污染防治法(1987年)等法律，以及各种环境保护方面的条例、规定和标准。与此同时，从中央到地方以至各工业企业，也逐步建立了相应的环境保护管理机构及环境监测中心、站、点，为环境法的实施和严格环境管理提供了保证。3）.技术措施(1)改革生产工艺，优先采用无污染的工艺，是防治环境污染的根本途径。(2)严格生产工艺操作，选配合适的原材料，有利于减轻污染或对所产生的污染物进行处理。(3)合理利用能源，改革能源构成，改进燃烧设备和燃烧条件，是节约能源和控制大气污染的重要途径。(4)建立综合性工业基地，开展综合利用，使废气、废水、废渣资源化，减少污染物的总排放量。4）.经济政策(1)保证必要的环境保护设施的投资。(2)对治理环境污染从经济上给予鼓励，如低息长期贷款，对综合利用产品实行利润留成和减免税政策。(3)贯彻“谁污染谁治理”的原则，并把排污收费的制度和行政、法律制裁措施具体化。一般分三种形式：排污收费，赔偿损失和罚款，追究行政责任以致刑事责任。5）.高烟囱扩散稀释采用高烟囱扩散稀释的方法，可以使大气污染物向更高、更广的范围扩散，减轻局部地区大气污染。因为，我们即使是采用最好的气体净化装置，其排气中总会含有少量有害物质，至少是其中惰性气体含量高、小含氧气，所以不能直接排到地面上。目前世界上很多国家都主要采用高烟囱扩散的方法防止SO2污染。但是，这种高烟囱扩散的方法，只能减轻局部地区大气污染，排放污染物绝对量并没有减少，而且烟囱越高造价越高(一般是烟囱的造价与其高度的平方成正比)，所以在实际工作中，还应根据各地区大气污染情况，确定合适的烟囱高度(见第三章)，同时控制污染物的总排放量。6）.绿化造林绿化造林，不仅能美化环境，调节空气温度、湿度及城市小气候，保持水土，防风防沙，而且在净化大气、减低噪声方面也有显著作用。7）.安装废气净化装置在充分考虑环境规划、合理布局、改革燃料、原料及大气和绿地的自净能力的情况下，若污染物排放浓度(或排放量)或地面浓度仍达不到大气环境标准时，则必须安装废气净化装置。对污染源进行治理，安装废气净化装置，是控制大气环境质量的基础，也是实行环境规划等项综合防治措施的前提。6大气环境标准的种类大气环境标准按其用途可分为，有大气环境质量标准、大气污染物排放标准、大气污染控制技术标准及大气污染警报标准等。按其适用范围可分为，国家标准、地方标准和行业标准。1）．大气环境质量标准大气环境质量标准系以保障人体健康和一定的生态环境为目标而对各种污染物在大气环境中的容许含量所作的限制规定。它是进行大气环境质量管理及制订大气污染防治规划和大气污染物排放标准的依据，是环境管理部门的执法依据。2）．大气污染物排放标准大气污染物排放标准系以实现大气环境质量标准为日标，而对从污染源排入大气的污染物容许含量所作的限制规定。它是控制大气污染物的排放量和进行净化装置设计的依据，同时也是环境管理部门的执法依据。大气污染物排放标准可分为国家标准、地方标准和行业标准。3）.污染控制技术标准大气污染控制技术标准是根据污染物排放标准引伸出来的，如燃料、原料使用标准，净化装置选用标准，排气筒高度标准及卫生防护带标准等。它们都是为保证达到污染物排放标准而从某一方面作出的具体技术规定，目的是使生产、设计和管理人员容易掌握和执行。4）．警报标准大气污染警报标准是为保护大气环境不致恶化或根据大气污染发展趋势，预防发生污染事故而规定的污染物含量的极限值。超过这一极限值时就发出警报，以便采取必要的措施。警报标准的制订，主要建立在对人体健康的影响和生物承受限度的综合研究基础之上。二、燃烧与大气污染1燃料1）．燃料的定义：燃料是指在燃烧过程中，能够放出热量，且在经济上可行的物质。应用于固定燃烧装置的主要燃料是煤，燃料油和天然气等常规原料，以及统称为非常规燃料的多种其他原料。2）．燃料的分类：按获得方法分按物态分天然燃料人工燃料固体燃料木柴、煤、油页岩木炭、焦炭、煤粉等液体燃料石油汽油、煤油、柴油、重油气体燃料天然气高炉煤气、发生炉煤气、焦炉煤气煤——煤是最重要的固体燃料，它是一种复杂的物质聚集体。煤的可燃成分主要是由碳，氢及少量的氧，氮和硫等一起构成的有机聚合物。煤中的有机成分和无机成分的含量，因煤的种类和产地的不同而有很大差别．煤的组成测定方法分为工业分析；元素分析两大类。石油——石油是液体燃料的主要来源。原油是天然存在的易流动的液体，比重在0.78至1.00之间。它是多种化合物的混合物，主要由链烷烃、环烷烃和芳香烃等碳氢化合物组成。这些化合物主要含碳和氢，还有少量的硫、氮和氧。天然气——天然气是典型的气体燃料，它的组成一般为甲烷85％、乙烷10％、丙烷3％；含碳更高的碳氢化合物也可能存在于天然气中。天然气还含有碳氢化合物以外的其它组分，如H20、CO2、N2、He和H2S等。非常规燃料——除了煤，石油和天然气等常规燃料外，所有可燃性物质都包括在非常规燃料之列．某些较低级的化石燃料，如泥炭、焦油砂、油页岩，也作为非常规燃料对待。2影响燃料燃烧的主要因素1）．燃烧过程及燃烧产物（1）燃烧的定义：燃烧是可燃混合物的快速氧化过程，并伴随着能量(光和热)的释放，同时使燃烧的组成元素转化成为相应的氧化物。（2）燃料燃烧的产物：完全燃烧：CO2、H2O不完全燃烧：CO2、H2O、CO、黑烟及其他部分氧化产物如果燃料中含有S和N，则会生成SO2和NO空气中的部分N可能被氧化成NOx－热力型NOx2．燃料完全燃烧的条件（三T）a空气条件：提供适量的空气；空气量过大，会降低炉温，增加热损失，空气量少，燃烧不充分b温度条件（Temperature）：达到燃料的着火温度c时间条件（Time）：燃料在燃烧室中的停留时间。燃料在高温区停留时间应超过燃料燃烧所需时间d燃料与空气的混合条件（Turbulence）：燃料与氧充分混合；混合不充分，则导致不完全燃烧；混合程度取决于空气的湍流度。通常把温度、时间和湍流称为燃烧过程的“三T”。3燃料燃烧的理论空气量1）．理论空气量单位量燃料按燃烧反应方程式完全燃烧所需要的空气量称为理论空气量。用表示：Va0，m3/kg可根据燃烧方程式计算求得。建立燃烧化学方化式时，通常假定：a）空气仅是由氮和氧组成的，其体积比为VN2/VO2=79.1／20.9=3.78（摩尔比，体积比）；b)燃料中的固定态氧可用于燃烧；c)燃料中的硫主要被氧化为S02；d)燃料中含氮量较低，热型NOX的生成量较小，在计算理论空气量时可以忽略；e)燃料中氮主要被转化成氮气N2；f）燃料的化学式设为CxHySzOw，其中下标x、y、z、w分别代表碳、氢、硫和氧的原子数。由此可得燃料与空气中氧完全燃烧的化学反应方程式：燃料重量=12x+1.008y+32z+16w则理论空气量Va0=(x+y/4+z—w/2)×（3.78+1）×22.4/（12x+1.008y+32z+16w）m3/kg。例如，煤4~7m3/kg，液体燃料10~11m3/kg2）．空气过剩系数燃料完全燃烧时所需的实际空气量取决于所需的理论空气量和“三T”条件的保证程度。在理想的混合状态下，理论量的空气即可保证完全燃烧。但在实际的燃烧装置中，为使燃料完全燃烧，就必须供给过量的空气．一般把超过理论空气量多供给的空气量称为过剩空气量，并把实际空气量Va与理论空气量Va0之比定义为空气过剩系数α，即通常α>1，α值的大小决定于燃料种类、燃烧装置型式及燃烧条件等因素。部分炉型的空气过剩系数3）．空燃比AF单位质量燃料燃烧所需要的理论空气质量求解：由燃烧方程式直接求得例如，甲烷在理论空气量下的完全燃烧CH4+2O2+7.52N2----->CO2+2H2O+7.52N2空燃比4）．燃烧产生的污染物燃烧可能释放的污染物：CO2、CO、SOx、NOx、CH、烟、飞灰、金属及其氧化物、未燃烧或部分燃烧的燃料、N2等4燃烧过程SOx的形成及控制燃料中硫的氧化机理:燃料中的硫在燃烧过程中与氧反应，主要产物是SO2和SO3，但SO3的浓度相当低，既使在贫燃料状态下，生成的SO3也只占SO2生成量的百分之几。在富燃料状态下，除SO2外，还有一些其它S的氧化物，如SO及其二聚物（SO）2，还有少量一氧化二硫S2O.这些产物化学反应能力强，所以仅在各种氧化反应中以中间体形式出现。燃烧时：故一般主要生成SO2,计算时可忽略SO3。1）SOx的控制初步估算：全球从燃烧系统排入大气的硫化物总量约93×106t/a，其中70%从燃用化石燃料的发电厂排出。进入大气中SOX转化成MeSO4，硫酸烟雾等污染环境必须加以控制。控制的办法有：低硫燃料、燃料脱硫、燃烧过程中脱硫或烟气脱硫等。燃料脱硫a煤炭的固态加工目前选煤工艺普遍应用的是重力分选法（可降低40~90%的S）,此法对有机硫含量较大或精炼还不能达到环保条例的要求。正在研究的新脱硫法有：浮选法、氧化脱硫法、化学浸出法、化学破碎法、细菌脱硫法、微波脱硫法、磁力脱硫及溶剂精炼等工业上应用的很少。型煤固硫是控制SO2的一条经济有效途径。b煤炭的转化煤炭的转化主要是气化、液化。即对煤进行脱硫或加氢改变其原有的碳氢比、使煤转变为清洁的二次燃料。a)煤的气化煤的气化技术发展很快：“第一代”干式排灰的鲁奈加压气化（已商业化）和科柏斯-托切克气化；“第二代”液态排渣气化、Hygas气化、Cogas气化等未商业化；“第三代”处于实验阶段的煤催化气化。气化后的叫煤气：煤气主要是H2、CO、CH4等煤中硫的H2S形式存在，我国规定标准20mg/m3，生产出煤气中H2S含量几百到几千mg/m3。需去除：方法有干法、湿式法。干法的氧化铁系为代表。b)煤的液化煤的液化时耗水量很大，排水含高浓度COD，要求大规模水处理设施。直接液化SRC-Ⅱ法煤的液化分两类间接液化鲁奈气化-弗托合成法重油脱硫重油脱硫常用的方法：在钼、钴和镍等的金属氧化物催化剂作用下，通过高压加氢反应，加断碳与硫的化合键，以氢置换出碳，同时氢与硫作用形成H2S，从重油中分离出来。重油脱硫的困难；要彻底加工燃料，破坏了原来的组织，并产生新的产物：固、液、气态物。硫化床燃烧脱硫硫化床燃烧脱硫具有炉内脱销脱硫的优点，故普遍受到重视。原理：硫化床燃烧是一低温燃烧过程。炉内存在局部还原气氛，热型Nox基本上不产生，因而Nox的气成量减少，硫化床燃烧脱硫常用的脱硫剂是石灰石或白云石。石灰石粉碎至与煤同样的粒度（dp2mm左右）与煤同时加入炉内。在1073—1173K下燃烧：（CaO为多孔）达固硫目的。影响脱硫效率的因素有：沸腾床温度、流化速度、脱硫剂用量等。脱硫剂用量以Ca/S比表示。脱硫率与β和硫化速度的关系：当硫化速率一定时，η随Ca/S的增大而增大；当Ca/S比一定时，η随硫化速度的增加而降低。5我国产生大气污染的原因①燃烧是形成大气污染的主要原因；②交通运输发展迅速；③工业化起点低，生产规模小；④历史欠账多，投资困难大；⑤已有的控制技术应用推广不够空气污染指数的项目：可吸入颗粒物、SO2、NO2、CO、O3空气污染指数的范围：0~500；其中50、100、200分别对应于《环境空气质量标准》中的一、二、三级标准值，500对应于对人体健康产生明显危害的污染水平。颗粒污染物控制技术基础粉尘粒径和粒径分布一粉尘粒径：在实际中，因颗粒大小、形状各异，故表示方法有所不同。一般分为两类：单一粒径：单个粒子的；球形颗粒：d=直径投影径非球形颗粒几何当量径物理当量径1．投影径：指颗粒在显微镜下观察到的粒径。a．面积等分径（martine），指颗粒的投影面积二等分的直线长度，其与所取的方向有关，常采用与底边平行的线作为粒径。b．定向径（feret），指颗粒投影面上两平行切线间的距离。c．长径，不考虑方向的最长径。d．短径，不考虑方向的最短径。2．几何当量径：取颗粒的某一几何量（面积、体积等）相同时的球形颗粒的直径。等投影面积径dA：与颗粒投影面积相同的某一圆面积的直径。等体积径dV：等表面积径dS：体积表面积平均径de：颗粒体积与外表面积相同的圆球的直径。3．物理当量径：取颗粒某一物理量相同时的球形颗粒粒径。自由沉降dt：特定气体中，在重力作用下，密度相同的颗粒因自由沉降而达到的末速度与球形颗粒所达到的末速度相同时的球形颗粒的直径。空气动力径da：在静止的空气中颗粒的沉降速度与密度为1g/cm3的圆球的沉降速度相同时的圆球的直径。单位。斯托克斯径(Stokes)dst。在层流区内（对颗粒的雷诺数Re<2.0）的空气动力径。Vt——颗粒在流体中的终端沉降速度（m/s）d．分割粒径（半分离粒径）d50：即分级效率为50%的颗粒直径。（二）平均粒径对于一个由大小和形状不相同的粒子组成的实际粒子群与一个由均一的球形粒子组成的假想粒子群相比，若两者的粒径全长相同，则称此球形粒子的直径为实际粒子群的平均粒径。表7-1列出了各种方法计算的平均粒径，数值相差很大。P282。一般顺序：d1<ds<dv<d2<d3<d4常用的单一粒径：投影径、等体积径、斯托克斯径、分割粒径dc50、空气动力学径da（是除尘技术中用得最多的）。平均粒径：中位径、众径。二、粒径分布1．定义：粒径分布是指某一粒子群中不同粒径的粒子所占的比例，亦称粒子的分散度。表示方法：个数分布：以粒子的个数所占的比例来表示；表面积分布：以粒子表面积表示；质量分布：以粒子质量表示。2．常见的表示方法（1）频数分布ΔR：它是指粒径dp至（dp+Δdp）之间的粒子质量占粒子群总质量的百分数。见图a。ΔR与选取的粒径间隔的大小有关。（2）频度分布f：是Δdp=1μm时粒子质量占粒子群的或单位粒径间隔宽度时的频率分布百分数。即：其微分定义式：有计算结果可绘出频度分布f的直方图，用粒径间隔中值可绘出频度分布曲线，见图b。最大频度的粒径dom称为众径。(3)筛下累积频率分布D/%：指小于某一粒径dp的尘样质量占尘样总质量的百分数。反之为筛上累积分布R：D=1-R当D=R=50%时的dp位中位径d50。由图可见，筛上分布R对dp之比为负梯度，筛下分布D对dp之比为正值。因此若已知R、D，则或也可这样说：若粒径间隔宽度即取极限，则：即：筛上分布为减函数；筛下分布为增函数。在除尘技术中，筛上累积分布R比使用频度分布更为方便，所以，在一些国家粉尘标准中多用R表示粒径分布。3．粒径分布函数正态分布函数：对称常见的分布函数对数正态分布：dp取对数后服从对称，实际大气中气溶胶、工业粉尘多服从此分布罗率—拉姆勒分布：破碎筛分过程多服从此分布后两者分布为非对称性的。采用某种数学函数来描述粒径分布曲线，更为应用方便。据大量数据的统计结果表明对数正态分布，正态分布以及罗率—拉姆勒（Rosin—Rammler）分布较常用。我们见面介绍下世界上用的较多的R—R分布。R—R分布是：（a）(b)式中：n——分布指数；β、β’——分布系数，并有。对(b)两端两次求对数得：，以lgdp为横坐标，以lg为纵坐标，可的一条直线，其斜率为n。将中位径d50代入(a)式可求得那麽R—R函数表达式为：在R—R坐标纸上绘制的筛上累积分布曲线（R）为直线，并能方便地求出n、β’、d50等。例4-1，自学，粉尘的堆积密度，真密度。第七章气态污染物控制技术基础吸收净化法：是利用废气中各混合组分在选定的吸收剂中溶解度不同，或者其中某一种或多种组分与吸收剂中活性组分发生化学反应，达到将有害物从废气中分离出来，净化废气的目的的一种方法。吸收物理吸收：较简单，可看成是单纯的物理溶解过程。如：水吸收HCL、CO2等。吸收限度取决于气体在液体中的平衡浓度；吸收速率主要取决于污染物从气相转入液相的扩散速度。化学吸附：吸收过程中组分与吸收剂发生化学反应。如：碱液吸收CO2、SO2等；酸液吸收NH3等。吸收限度同时取决于气液平衡和液相反应的平衡条件；吸收速率同时取决于扩散速度和反应速度。异同点：同：两类吸收所依据的基本原理以及所采用的吸收设备大致相同。异：一般来说，化学反应的存在能提高反应速度，并是吸收的程度更趋于完全。结合大气污染治理工程中所需净化治理的废气，具有气量大，污染物浓度低等特点，实际中多采用化学吸收法。本章涉及内容：吸收的基本原理（复习）——主要讨论物理吸收；化学吸收；吸收法净化SO2废气；吸收法净化其它废气。§7-1吸收的基本理论吸收过程的实质是物质由气相转入液相的传质过程。可溶组分在气液两相中的浓度距离操作条件下的平衡愈远，则传质的推动力越大，传质速率也越快，因此我们按气液两相的平衡关系和传质速率来分析吸收过程，掌握吸收操作的规律。气液平衡—亨利定律气体在液体中的溶解度气体的溶解度是在100Kg水中溶解气体的千克数。在恒定的T、P下，使一定量吸收剂与混合气体充分接触后，气、液两相最终可达平衡，此时v吸收=v解吸，这时其中：c——可溶气体在溶液中的浓度(即平衡浓度或饱和浓度)，Kg/m3；p*——被吸收气体在溶液面上的分压（称平衡分压或饱和分压），Kpa。结合书P187，图7-1（几种常见气体SO2、NH3、HCL在水中的平衡溶解度）可知：不同性质的气体在同一温度和压力下的溶解度不同；气体的溶解度与温度有关，多数气体的溶解度随温度的升高而降低；温度一定时，Pe增大，溶解度增大。亨利定律（相平衡方程式）从图7-1中又看出，对于稀溶液，在较低压力下，x—p是通过原点的直线，但在压力偏高时与直线偏差很大，这样在较低压力下，我们就可用“亨利定律”来表示。对于非理想溶液，当总压不高（一般不超过5×105Pa）时，温度一定，稀溶液中溶质的溶解度与气相中溶质的平衡分压成正比，即：①或：②或：③上式中H、E、m均称为亨利系数，但其单位不同。若c取mol/m3，p*取Pa，则H—mol/m3·Pa；x取摩尔分数（无量纲），p*取Pa，则E—Pa；y*，x分别为溶质在气相、液相中的摩尔分数时，m无量纲，又称相平衡常数。亨利定律参数的换算（自学）重点：看书P188，表7-2给出部分气体不同温度水溶液的亨利系数。说明几点：（1）以E表示的亨利系数；（2）随温度升高，E增大；（3）通过比较E，我们可以判断那些气体易溶于水，E越小，该气体越易溶于水。例题：例1：见书P189，例7.1，（自学）设题的目的：如何由已知压强、温度下，某种气体在水中的溶解度数据，求算亨利系数。解题思路：首先求算出p*与x对应的数据组；绘制p*—x曲线；有原点作平衡曲线的切线，其斜率即亨利系数E；结合图指出该溶液服从亨利定律的浓度范围。例2：见书P190，例7.2，推算温度25℃，分压为1.013×105Pa时，CO2在水中的溶解度。解：利用由书中表7-2查得E=1.66×105Kpa，则：由附录7查得25℃下，水的ρL=977Kg/m3，又MCO2=44，于是溶解度：（参考书中推导得到的公式7.9）传质吸收过程的判断亨利定律是吸收工艺操作的理论基础之一，它说明了根据溶质、溶剂的性质在一定温度和压力下，溶质在两相平衡中的关系。（1）根据相平衡的概述，可以判断气液接触时溶质的传质方向，即溶质是由气相传到液相（被吸收），还是从液相传到气相（被解吸）。现以一传质设备来说明传质过程的进行。y1、y2分别表示进、出口气相中溶质的浓度；x1、x2分别表示进、出口液相中溶质的浓度；x2*、y2*分别表示进、出口气、液相中溶质的平衡浓度。气液两相在传质设备中相接触，就会发生质量传递，系统将会自发地向平衡状态变化。若测得y>yi*，则该组分将被溶液吸收——吸收过程；若测得y<yi*，则该组分将从溶液中解吸出来——脱吸过程。同理：x<xi*——吸收过程；x>xi*——脱吸过程。（2）用相平衡方程式还能确定吸收（或解吸）过程进行的限度，从而提出合理的工艺设计要求。仍结合上面传质设备示意图，根据相平衡方程式有：x2*=y1/my2*=mx1因此可以判定无论塔的效率多高或塔身多长，其所得吸收液中该组分的组成x2不可能超过x2*，即：x2≤x2*=y1/m，同理，处理后的排气中该组分y2也不可能低于y2*，即：y2≥y2*=mx1，这样就可以依据进气浓度（组成）和进液浓度（组成）利用相平衡方程式计算出最终吸收浓度和最终排放废气的极限浓度。化学吸收的气液平衡亨利定律只适用于常压或低压下的稀溶液，而且吸收质（被吸收组分）在气相与溶剂中的分子状态应相同，若被溶解的气体分子在溶液中发生化学反应，则此时亨利定律只适用于溶液中发生化学反应的那部分吸收质分子的浓度，而该浓度决定于液相化学反应的平衡条件。气体溶于液体中，若发生化学反应，则被吸收组分的气液平衡关系应既服从相平衡关系，又应服从化学平衡关系。即有：-------------------------------------（1）为讨论方便，设备吸收组分A与溶液中所含的组分B发生相互反应：（通式）有关系式（前提：被吸收组分浓度及各反应组分浓度较低）亨利定律关系式：----------------------------------------（2）化学平衡关系式：-----------------------------------------（3）------------------------------------（4）将（4）代入（2）得：----------------------------（5）下面从几种具体的情况来讨论化学吸收的气液平衡关系：被吸收组分与溶剂的相互作用反应式表示为：被吸收组分A进入液相后的总浓度CA可写成：（7-1）其化学平衡常数（7-2）于是有：（7-3）又若是稀溶液吸收，则遵循亨利定律，即有[A]=HAPA*，代入（9-3），于是有：（7-4）在稀溶液中，B很大可视为常数，且k不随浓度变化，故1+k[B]可视为常数，此时，，即形式上服从亨利定律，但不同的是，表明溶解度系数较HA增大了（1+k[B]）倍，结果使过程有利于气体组分A的吸收。有代表性的：用水吸收氨气.被吸收组分在溶液中离解设反应产物的解离反应式为：吸收平衡时，离解常数为：（7-5）当溶液中无相同离子存在时，[K+]=[A-]，于是有：（7-6）被吸收组分A在溶液中的总浓度为物理溶解量与离解溶解量之和，即：（7-7）对式（9-1）、（9-5）、（9-7）和组分的物料平衡方程式联解得：（7-8）式中：（7-9）将（9-8）代入亨利定律式，则：（7-10）由此可见，对反应产物有解离的化学吸收过程，相平衡方程式与气相组分A在吸收液中总浓度[CA]为非线性关系。被吸收组分与溶剂中活性组分作用这种吸收过程的吸收液中含有未被反应的气体组分A，活性组分B和惰性溶剂，实际环境工程中多数采用此吸收过程，如反应式：设溶剂中活性组分B的起始浓度为CB0，反应达平衡后，转化率为R，则溶液中活性组分B的浓度，而生成物M的平衡浓度为由化学平衡关系得平衡常数：（7-11）又亨利定律[A]=HAPA*，得：（7-12）若物理溶解量可忽略不计，则由上式可得：（7-13）变换为：（7-14）由此可见：①溶液的吸收能力CA*随PA*增大而增大，溶液的吸收能力CA*随k增大而减小。②溶液的吸收能力还受活性组分起始浓度CB0的限制，CA*≤CB0（只能趋近于而不能超过）气相中的分压和温度对化学吸收和物理吸收的影响不同：温度增大，压力增大可改善化学吸收过程（化学吸收）；温度降低，压力增大可改善液体中污染物的溶解度（物理吸收）。吸收过程的物料平衡（一）物料平衡与操作线方程物料平衡是吸收设备计算的基础在一般吸收操作中，应用逆流原理可提高溶剂的使用效率，获得最大的分离效果，所以在此重点讨论逆流操作的物料平衡。另外，在吸收操作中，由于在气、液两相间有物质传递，通过全塔的气液流量都在随时变化。液体因不断吸收可溶组分，其流量不断增大；与此相反，气体流量也不断减少。气液流量作为变量，以它们为基准进行工艺设计是不方便的。然而纯吸收剂和惰性气体这两种载体的流量是不变的，所以在吸收设计中，通常是采用载体流量作为运算的基准，这时气液浓度就以摩尔分子比来表示。逆流吸收时，塔内气液流量和组成变化情况见右图。参数加下标“1”代表浓端；参数加下标“2”代表稀端。图中各符号的意义如下：GB——表示单位时间通过塔任一截面单位面积的惰性气体的量，Kmol/(m2·h)；Ls——表示单位时间通过塔任一截面单位面积纯吸收剂的量，Kmol/(m2·h)；Y、Y1、Y2——分别为在塔的任意截面、塔底和塔顶的气相组成，（Kmol吸收质/Kmol惰性气体）；X、X1、X2——分别为在塔的任意截面、塔底和塔顶的液相组成，（Kmol吸收质/Kmol吸收剂）。对全塔进行物料衡算有：（7-15）若就任意截面与塔底间进行物料衡算有：（7-16）或（7-17）在Y—X图上作式（7-17）的图线为一条直线，直线斜率为L/G，截距为，直线的两端分别反映了塔底（Y1，X1）和塔顶（Y2，X2）的气液两相组成。此直线上任一点的Y、X都对应着吸收塔中某一截面处的气液相组成。吸收操作线斜率L/G称为吸收操作的液气比，物理含义为处理单位惰性气体所消耗的纯吸收剂的量。图吸收操作线和推动力图示操作线方程式的作用说明塔内气液浓度变化情况，更重要的是通过气液情况与平衡关系的对比，确定吸收推动力，进行吸收速率计算，并可确定吸收剂的最小用量，计算出吸收剂的操作用量。操作线与平衡线间的关系，要掌握以下三个方面：在Y—X图上，吸收操作线必须处于平衡线之上。解释：从吸收质气相角度分析，由于吸收过程是可溶组分有气相溶于液相的过程，所以可溶组分在气相中的浓度必定大于其在液相的和气相相平衡的浓度；否则就成为工业废水处理中的“吹脱”处理，而变成一个解吸过程。操作线与平衡线之间的距离反映了吸收推动力的大小如对操作线上任一点M，截交操作线和平衡线的垂直线段就等于推动力（Y-Y*），而截交此同一点的水平线段等于推动力（X*-X），这就是说，在任一塔截面上，气相中可溶组分的浓度比与液相平衡浓度相对应气相平衡浓度大的愈多，则吸收推动力愈大。平衡线与操作线不能相交或相切假如两者相交，就意味着在塔的某一截面处吸收推动力等于零，因此为达到一定的浓度变化，需两相的接触时间为无限长，因而需要的填料层高度为无限大，这种操作情况是不可能实现的。低浓度气体吸收操作线方程式G——表示单位时间通过塔任一截面单位面积的混合气体摩尔流量，Kmol/(m2·s)；L——表示单位时间通过塔任一截面单位面积吸收液摩尔流量，Kmol/(m2·s)；y、y1、y2——分别为在塔的任意截面、塔底和塔顶的混合气体中溶质的摩尔分率，（Kmol溶质/Kmol混合气体）；x、x1、x2——分别为在塔的任意截面、塔底和塔顶的吸收液中溶质的摩尔分率，（Kmol溶质/Kmol吸收液）。当y1<10%时，在溶液内的浓度也很低，则Y≈y，X≈x(因为X=x/(1-x)，Y=y/(1-y))而且通过塔内任意截面混合气体量近似于惰性气体量，即G≈GB，同理L≈Ls，代入公式（7-17），有：（7-18）此即称为低浓度气体吸收操作线方程式，表明对于低浓度气体的吸收，在x—y坐标上绘出的操作线基本上也成直线，其斜率为L/G。（二）最小（最佳）气液比的确定对于一定的气液体系，当温度、压力一定时，平衡关系全部确定，也就是平衡线在Y—X图上的位置是确定的，而操作线的位置则是由操作条件来决定的。在吸收塔设计中要处理的废气流量、进出塔气体溶质浓度（即G、GB、Y1、Y2）均由设计任务而定，吸收剂的种类和进塔浓度X2由设计者决定。因此，只有吸收剂用量Ls及出塔溶液中吸收质浓度x是待机算的。根据物料衡算，Ls与X1之中只有一个是独立的未知量，通常在计算中先确定Ls值，则X1便随之而定了。由于GB属已知条件，因而可通过确定操作线斜率Ls/GB（液气比）来确定Ls。如何确定Ls/GB？（Ls/GB）min的提出。（a）(b)图7-6吸收塔的气液比结合图9-6（a）可见，由于X2、Y2已知，即A点（X2、Y2）位置一定，从A点按斜率Ls/GB引直线终于纵坐标为Y1的某点即为吸收操作线。当减少吸收剂流量Ls时，Ls/GB下降，即操作线斜率变小，出塔吸收液浓度X1减小，如AC—AB—AD线变化趋势所示。当塔底操作点D与平衡线相交时，X1与Y1成平衡，这时理论上吸收液所能达到的最高浓度，以X1*表示，此操作线对应的液气比称为最小液气比，以（Ls/GB）min表示。最小液气比可用作图法求取，具体作法分两种情况：吸收平衡线下凹，如图7-6（a）所示。由Y=Y1作水平线与平衡线相交，交点的横坐标即为X1*，由全塔的物料平衡计算可得：（7-19）吸收平衡线上凸，如图9-6（b）所示。当气液比（Ls/GB）减少到操作线与平衡线相切，尽管塔底两相浓度（X1、Y1）未达到平衡，但切点处达到平衡，此时的气液比即为（Ls/GB）min。理论上吸收液的最大浓度为该切线和Y=Y1水平线交点D的横坐标X1max，此时最小气液比计算式为：（7-20）实际设计中气液比的确定必须满足下列三个原则：操作液气比必须大于最小液气比；就填料塔而言操作液体的喷淋密度（即每平方米的塔截面上每小时的喷淋量，m3/m2·h）应大于为充分润湿填料所必需的最小喷淋密度，一般为3-4m3/m2·h，此时设备的阻力较小。操作气液比的选定应尽可能从设备投资和操作费用两方面权衡考虑，以达到最经济的要求。解释：从设备投资和操作费用间矛盾开展。一方面选择较大的喷淋量，操作线的斜率增大，传质推动力增大，有利于吸收的操作，可减少设备的尺寸和投资；另一方面增大吸收剂用量，动力消耗增大，X1降低，对需回收吸收剂的操作来说，增加了溶液再生的困难，操作费用增加。两方面综合得出气液比的最佳值。首先要求Lmin，然后确定吸收剂操作用量L，在选用一个合适的L/G，根据实际经验，取：L=(1.1-2.0)Lmin。通过上述分析，可利用操作线图，结合考虑吸收液用量来确定吸收液最终浓度和吸收器尺寸等参数，从而选择最佳操作条件。四、伴有化学吸收的吸收动力学（一）双膜理论关于气液两相的物质传递理论，随着工业的进步和发展，目前已有许多学说，诸如“双膜理论”（又称“滞留膜理论”），“溶质渗透理论”，“表面更新理论”等，但在解释吸收过程机理时，目前仍以双膜理论为基础，其应用也最广泛。该理论是刘易斯（WK·Lewis）和怀特曼（W·gWhiaman）提出的，它不仅适用于分析物理吸收过程，也可用来分析伴有化学反应的化学吸收过程。结合双膜理论示意图解释说明“双膜理论”基本论点。图7-7双膜理论示意图直线表示双膜理论模型两相中浓度分布；虚线表示扩散边界层理论模型两相中浓度分布。基本论点：在气液两相接触时，两相间有个相界面。在相界面附近两侧分别存在一层稳定的滞留膜层（不发生对流作用的膜层）——气漠和液膜。气液两个膜层分别将各项主体流与相界面隔开，滞留膜的厚度随各项主体的流速和湍流状态而变，流速愈大，膜厚度愈薄。气液相质量传递过程是：直至达到动态平衡为止。在界面上，气液两相呈平衡态，即液相的界面浓度和界面处的气相组成呈平衡的饱和状态，也可理解为在相界面上无扩散阻力；在两相主体中吸收质的浓度均匀不变，因而不存在传质阻力，仅在薄膜中发生浓度变化；存在分子扩散阻力，两相薄膜中的浓度差等于膜外的气液两相的平均浓度差。通过上述分析可以看出传质的推动力来自可溶组分的分压差和在溶液中该组分的浓度差，而传质阻力主要来自气膜和液膜。（二）吸收传质速率方程吸收速率：气体吸收质在单位时间内通过单位界面而被吸收剂吸收的量。根据双膜理论，在稳定吸收操作中，吸收质的通量（从气相主体传递到界面）等于吸收质的通量（从界面传递到液相主体）。即：吸收速率（吸收指通过气膜）=吸收速率（吸收质通过液膜）1．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/传质阻力由于传质推动力表示方法有多种，因而传质速率方程也有多种表示方法。气相分传质速率方程分传质速率方程式：描述从一相主体流至气液两相接触表面或从两相接触表面至另一相主体流的传质方程式。设组分是浓度为yA的气相传递到浓度为xA的液相中，如图9-8所示。若以PA—PAi或yA—yAi为气相传质推动力，则气相分传质速率方程式为：（7.42）（7.43）式中：PA、PAi——分别表示吸收质A在气相主体和相界面上的分压，Pa；yA、yAi——分别表示吸收质A在气相主体和相界面上的摩尔分率；ky——以为推动力的气相分传质系数，Kmol/（m2·s）；kG——以为推动力的气相分传质系数，Kmol/（m2·s·Pa）（2）液相分传质速率方程以xAi—xA或CAi—CA为液相传质推动力，则液相分传质方程：（7.44）（7.45）式中：xAi、xA——分别表示吸收质A在液相主体和相界面上的摩尔分率；CAi、CA——分别表示吸收质A在液相主体和相界面上的摩尔浓度，Kmol/m3；kx——以为推动力的液相分传质系数，Kmol/（m2·s）；kL——以为推动力的液相分传质系数，m/s。（3）总传质速率方程无论气相分传质速率方程，还是液相分传质速率方程，为计算NA都必须知道kG(ky)、kL（kx）及相界面上的平衡关系。这样，这些方程式的实用价值大大减少，因此，有必要推导出总传质速率方程。以一个相的虚拟浓度与另一相中该组分平衡浓度的浓度差为总传质过程的推动力，则分别得到稳回收过程的气相和液相总传质速率方程式。气相总传质速率方程式：（7.46）（7.47）液相总传质速率方程式：（7.48）（7.49）式中：kAG——以PA—PA*为推动力的气相总传质系数，Kmol/（m2·s·Pa）；ky——以yA—yA*为推动力的气相总传质系数，Kmol/（m2·s）；P*——与液相主体中吸收质浓度CA成平衡的气相虚拟分压，Pa；yA*——与液相主体中吸收质浓度xA成平衡的气相虚拟分压，Pa；kAL——以CA*—CA为推动力的液相总传质系数，m/s；kx——以xA*—xA为推动力的液相总传质系数，Kmol/（m2·s）；xA*——与气相中吸收质浓度yA成平衡的液相虚拟浓度；CA*——与气相中吸收质分压PA成平衡的液相中吸收质的摩尔浓度，Kmol/m3。2．传质系数应注意传质系数与传质推动力相对应。对前面公式9.42，9.44，9.47和气液界面上平衡关系式yAi=mxAi进行数学联解，即可得到气相总传质系数与气液相传质分系数的关系式，即：（7.50）其中：（7.51）同理可得液相总传质系数与气、液相传质分系数的关系式，即：（7.52）其中：（7.53）书P199，表7-3列出各种形式的传质速率方程及传质系数间的换算关系，（学生自己看一下）。3．界面浓度的确定气液界面上气相浓度和液相浓度难以用取样分析法确定，常用作图法和解析法求算。作图法已知气液相传质分系数kx、ky，和某一界面气液相主体中组分A的浓度xA、yA，则通过该点（xA、yA）作斜率为-kx/ky的直线，与平衡线的交点对应的坐标即为界面浓度（xAi、yAi）。解释：（结合推导及图示）稳定传质过程满足：（7.54）所以：（7.55）（7.55）其中xA、yA易测得，若kx、ky已知，则上式在xA、yA坐标系中是一条通过点（xA、yA）而斜率为-kx/ky的直线。（2）解析法联立方程组：求解可得xAi、yAi。书P200，例7.3，自学3．吸收控制步骤因为传质阻力为传质系数的倒数，所以式7.50（针对气相）：Ky为总阻力；ky为在气相主体中的传质阻力；kx为在液相主体中的传质阻力。同理，式7.52针对液相，同样如此。正好体现：根据“双膜”理论，气体吸收传质过程的总阻力等于气相传质阻力和液相传质阻力之和。结合式9.50，式9.52我们发现：在总阻力中，每一项的阻力所占的分数，不仅取决于kx和ky值，而且还取决于相平衡常数平均值m。若m1，m2一定，m大小直接影响不同相中传质阻力分数。现分三种情况进行讨论吸收控制步骤：对于易溶气体组分（结合式7.50）溶质在吸收剂中的溶解度很大，从而m很小，m/kx可以忽略。所以，即有属于气膜传质过程控制。对于难溶气体组分（结合式7.52）m很大，有，属于液膜传质过程控制。对于中等溶解度的气体组分m值适中时，气液两相传质阻力都不可忽略，受气液膜传质过程控制.总之，在选择设备形式及确定操作条件时，应特别注意减小传质阻力，以提高传质速率。<补>参考郭静编，P114，表8-1控制因素举例气膜控制液膜控制双膜控制H2O吸收NH3H2O或弱碱吸收CO2H2O吸收SO2H2O吸收HCLH2O吸收CL2H2O吸收丙酮碱液或氨水吸收SO2H2O吸收O2浓硫酸吸收NO2浓硫酸吸收SO2H2O吸收H2弱碱吸收H2S(三)伴有化学反应的吸收速率（略讲）1．伴有化学反应的吸收速率方程化学吸收比物理吸收具有更快的吸收速率，这是因为被吸收气体组分与吸收剂或吸收剂中活性组分发生化学反应所致。化学反应降低了被吸收气体组分在液相中的游离浓度，相应地增大了传质推动力和传质系数，从而加快了吸收过程的速率。每单位接触面积的气液间化学反应吸收速率方程可用下式表示：（9.56）式中：kL——未发生化学反应时液相传质分系数，亦即物理吸收的液相传质分系数，m/h；β——由于化学反应使吸收速率增强的系数，简称增强系数，其单位无量纲；CAi——气液界面未反应的气体溶质的浓度，Kmol/m3；CAL——在液相中未反应的气体溶质的浓度，Kmol/m3，通常是假定在液相中达到化学平衡状态下求出，反应为可逆反应时，即化学平衡常数k为无穷时，其值为零。（补）增强系数：由于化学吸收增大传质推动力和传质系数，致使吸收过程的速率增强。为了表明其增强的程度，引入“增强系数”的概念。所谓增强系数就是与物理吸收比较，由于化学反应而使传质系数或推动力增加的倍数。反应吸收速率增强系数是与反应级数、反应速率常数、化学平衡常数、液相中各组分的浓度、扩散系数、液相的流动状态等诸多因素相关的较为复杂的一个系数。一般通过联立方程组函数式，用分析法求解较困难，只有在具有某简单形式给出若干假定时，应用膜模型、溶质渗透膜模型和表面更新模型及其它理论才有可能求得解析解或近似解，以及应用计算机得数值求解。本书以膜模型理论进行讨论。（略提）§7-2吸收设备及计算一、吸收设备液体吸收过程是在塔器内进行的。为了强化吸收过程，降低设备的投资和运行费用，要求吸收设备满足以下基本要求：气液之间应有较大的接触面积和一定的接触时间；气液之间扰动强烈，吸收阻力低，吸收效率高；气流通过时的压力损失小，操作稳定；结构简单，制作维修方便，造价低廉；应具有相应的抗腐蚀和防堵塞能力。所以，正确地选择吸收设备的型式是保证经济有效地分离或净化废气的关键。分类：目前，工业上常用的吸收设备的类型主要有表面吸收器、鼓泡式吸收器、喷洒吸收器三大类。在每一大类中还根据吸收器的结构，气液两相接触方式的不同再分成多种型式的吸收器。这将在每一大类吸收设备介绍中给预必要的阐述。1．表面吸收器凡能使气液两相在接触表面（静止液面或流动的液膜表面）上进行吸收操作的设备均属表面吸收器。有水平液面的表面吸收器、液膜吸收器、填料吸收器和机械膜式吸收器。2．鼓泡式吸收器鼓泡式吸收器中气体以气泡形式分散于液体吸收剂中。形式很多，基本上分为以下几类：连续鼓泡式吸收器、板式吸收器、活动（浮动）填料吸收器（湍球塔）、液体机械搅拌吸收器。主要吸收设备有板式塔（如泡罩塔、筛板塔、浮阀塔等），湍球塔（即活动填料塔）等。3．喷洒吸收器该吸收器中液体以液滴形式分散于气体中。分为三类：空心（喷嘴式）喷洒吸收器、高器速并流喷洒吸收器、机械喷洒吸收器。主要吸收设备有喷洒吸收塔、喷射吸收塔和文丘里吸收塔等。参考书P204，表9-4列出了几种主要吸收设备类型及特点。（解释）更详细的参考林肇信主编《大气污染控制工程》。二、吸收设备的设计（一）吸收设备的设计计算依据和步骤1．设计计算依据单位时间内所处理的气体流量；气体的组成成分；被吸收组分的吸收率或净化后气体的浓度；使用何种吸收液；吸收操作的工作条件，如工作压力、操作温度等。其中③④⑤多数情况下是设计者选定的，但是确定时要考虑到经济效益，取最佳条件。2．设计步骤吸收剂的选择：吸收剂性能的优劣是决定吸收操作效果的关键之一。要求：对溶质的溶解度大，以提高吸收速度并减少吸收剂的需用量；对溶质的选择性好，对溶质组分以外的其它组分的溶解度要很低或基本不吸收；挥发性低，以减少吸收和再生过程中吸收剂的挥发损失；操作温度下吸收剂应具有较低的粘度，且不易产生泡沫，以实现吸收塔内良好的气流接触状况；对设备腐蚀性小或无腐蚀性，尽可能无毒；要考虑到价廉，易得，化学稳定性好，便于再生，不易燃烧等经济和安全因素。大气污染治理工程中，常见气态污染物与适宜的吸收剂的组合见表9-5，书P208，结合表中内容，说明以下几点：a．水是常用的吸收剂。常用于净化煤气中的CO2和废气中的SO2、HF、SiF4以及去除NH3和HCL等。优点：加压和低温下吸收，降压和升温下解吸，价廉易得，流程设备简单。缺点：净化效率低，设备庞大，动力消耗大。b．碱金属钠、钾、铵或碱土金属钙、镁等的溶液，也是很有效的吸收剂。它们能与气态污染物SO2、HCL、HF、NOx等发生化学反应，因而吸收能力大大增加，净化效率高，液气比低。例如用水或碱液净化气体中的H2S时，理论值可推算出：H2S在PH=9的碱液中的溶解度为PH=7的中性水的50倍；H2S在PH=10的碱液中的溶解度为PH=7的中性水的500倍。缺点：化学吸收流程长，设备较多，操作也较复杂，吸收剂价格较贵，同时由于吸收能力强，吸收剂不易再生。（2）温度和压力：通常温度降低，压力升高，则气体溶解度增大。实际中，要考虑加压、冷却所需的费用及工艺上造成的经济效益问题。（3）确定吸收剂的用量根据生产经验，Ls=(1.1～2)GB(Ls/GB)min;对于低浓度气体的吸收，L=(1.1～2)G(L/G)min。（4）根据物料平衡、相平衡、传质速率方程式和反应动力学方程式确定吸收设备主要尺寸。（5）压损的计算（二）填料塔的设计（伴有化学吸收过程）填料的选择作用：可为气液传质提供良好的传质条件。基本要求：具有较大的比表面积和良好的润湿性；有较高的孔隙率（多在0.45-0.95）；对气流的阻力较小；填料的尺寸要适当，通常不应大于塔径的1/10～1/8；耐腐蚀，机械强度大，造价低，堆积密度小，稳定性好等。书P209，表9-6（提供）几种填料的特性数据。液泛气体于填料塔的压降液泛气速：是填料塔正常操作气速的上限。当空气气速超过液泛气速时，填料塔持液量迅速增加，压降急剧上升，气体夹带液沫严重，填料塔的正常操作被破坏。填料塔的压降影响动力消耗和正常操作费用。影响压降和液泛气速的因素很多，主要有填料的特性、气体和液体的流量及物理性质等。目前工程设计中应用最广泛的是埃克特（Eckert）等人提出的填料塔压降、液泛和各种因素之间的关联图。见书P210，图9-12，填料塔泛点和压降的通用关联图。填料塔塔径的计算D取决于处理的气体量Q和适宜的空塔气速u0，即：（9.68）D——塔径，m；Q——处理气量，m3/s；u0——空塔气速，m/s。Q一定时，如果空塔气速小，塔径就大，则动力消耗少，但设备投资高；如果空塔气速大，塔径就小，则动力消耗大，但设备投资少。根据生产经验：由ut确定，u0=0.66～0.80ut，其中ut为液泛速率。有关手册中查得。另外需注意，由上式算出的塔径应进行圆整，按照国内压力公称直径（JB—1153—73），Ф<1m，间隔为100mm；Ф>1m，间隔为200mm。最小吸收剂用量Lsmin的计算设化学反应的方程式为：，作物料衡算有：（9.69）对于快速反应与瞬间反应，可忽略不计，吸收最小用量相当于CB1=0时的吸收剂用量，即：（9.70）式中：CA1、CA2——分别为气体入口与出口处溶液中组分A的摩尔浓度，Kmol/m3；CB1、CB2——分别为气体入口与出口处溶液中组分B的摩尔浓度，Kmol/m3；CG1、CG2——分别为气体入口与出口处气体中组分A的摩尔浓度，Kmol/m3。P211，例9.4：一逆流操作的填料塔中，用清水吸收混合气中的氨。混合气流率为300Kmol/m2·h，某氨含量y1=5%，出塔净化器含量y2=0.1%（均为摩尔分率）。操作条件下气液平衡关系服从亨利定律，y=1.2x，实际液气比为最小液气比的2倍，试计算清水用量和出塔氨水浓度x1。解：属于低浓度气体吸收，且气液平衡关系服从亨利定律，则：最小液气比：清水用量：出塔氨水浓度：总评：题型较简单，要求各公式的含义必须明确。伴有化学反应的吸收塔塔高的计算现讨论有化学反应的气液逆流接触型吸收塔的计算，吸收塔内的浓度变化，如图9-13所示。设在液相内进行的反应为。已知：CAL=0，气液相的摩尔流率为GL（Kmol/m2·h）；ρL为吸收液的密度，Kmol/m3；L/ρL为吸收液的体积流率，m3/m2·h。首先对吸收塔任意界面作塔上部的物料平衡，则得下式：（9.71）亦为塔的操作线方程。（推导过程略）塔高可按下式计算：（9.74a）（9.74b）几种情况：（1）传质过程受气相阻力控制时，即PAi=0，则：（9.75）传质过程受液相阻力控制时，PAi=PA，CAi=CA*=PA/H，9.74b中CAi可根据操作线关系由CB求知，由于β也用CB关联式表示，采用图解积分法对9.74b进行塔高计算。气液两相传质阻力均不可忽略（气液两相传质阻力均存在）时，①关系成立，依此，以塔内不同的PA分别求出相应的PAi，再根据式9.74a计算出塔高Z。②化学反应级数可按拟一级反应或近似地按瞬时反应用解析法求解塔高Z，相应计算方法如下：快速不可逆拟一级反应吸收（满足塔底3<γ<(1/2)β∞）。不可逆瞬间反应吸收（塔顶满足γ>10β∞条件）。结合P213，相应部分讲解说明即可！第三节吸收法净化SO2尾气序：有各类污染源排放大气的气态污染物种类繁多，由于本课的课时所限，不能一一介绍其控制工艺，在本节及下节中只就用吸收法净化几种主要气态污染物的工艺给予必要的介绍。一．概述国外防治SO2污染的方法主要有：清洁生产工艺、采用低硫燃料、燃料脱硫、燃料固硫及烟气脱硫等。其中，烟气脱硫居主要地位。含硫的矿物燃料（主要是煤），燃烧后产生的SO2烟气排出，其中SO2含量达到3.5%以上，便可以采用一般接触法，制H2SO4的流程进行反应，既可控制SO2对大气的污染，又可回收硫磺，这里着重讨论的是低浓度（含量在3.5%以下）SO2的控制和回收技术，即所谓烟道脱硫HGP(HueGasDesulfurization)流程，亦有书将排烟中去除SO2的技术简称“排烟脱硫”（FlueGasDesulfurization)。目前烟气脱硫方法有一百多种，可用于工业上的仅有十几种。用于工业装置上的排烟脱硫应注意以下几个原则：（1）工艺原理及流程应简单，装置紧凑，易于操作和管理；（2）具有较高的脱硫效率，能长期连续运转，经济效果好，节省人力，占地面积小；（3）脱硫过程中不产生二次污染物，回收产物应无二次污染；（4）脱硫用的吸收剂价格便宜且又易获得；（5）在工艺方法选择上应尽可能考虑到回收有用的硫资源。烟气脱硫：按应用脱硫剂的形态分a)干法脱硫：采用粉状或粒状吸收剂、吸附剂或催化剂；b)湿法脱硫：采用液体吸收剂洗涤烟气，以除去SO2。优缺点：干法：优-----净化后烟气温度降低很多，从烟囱向大气排出时易扩散，无废水问题；缺-----脱硫率低。湿法：优----脱硫率高，易操作控制；缺----存在废水后处理问题，烟气经洗涤处理后，烟气温度降低较多，不利于高烟囱排放扩散稀释，易造成污染，目前实际中广泛使用的是湿法，因为SO2酸性气体，采用碱液吸收。（2）按烟气脱硫生成物是否回收分a）抛弃法：用碱或碱金属氧化物与SO2起反应产生硫酸盐或亚硫酸盐而作为废料抛弃；b)回收法（再生法）：碱与SO2反应，其产物通常是S或H2SO4，而碱液循环使用，只需补充少量损失的碱。抛弃法：优-----费用低，方便；缺----存在固体废物的堆放问题。回收法：优-----综合利用S资源，避免产生固体废物；缺----费用普遍高于抛弃法。（3）按净化原理（工艺过程原理）分为：吸收法（多为湿法）、吸附法（多为干法）和催化转化法（干法）等。书P217表9-8简单列出了几种主要烟气脱硫方法及特点。表9-9列出了目前火电厂、锅炉烟气、冶炼厂、硫酸厂、钢厂尾气等常用的脱硫方法。吸收法是烟气脱硫方法中的主要方法之一，本节将主要介绍吸收法在锅炉烟气及工艺尾气脱硫S中的应用。二．燃煤锅炉烟气脱硫工艺此类烟气主要特点：含尘量大，温度较高，SO2浓度低，气量大；因而锅炉烟气脱S工艺中加有除尘，调温等于处理过程。目前应用较多的方法有：石灰/石灰石法、氧化镁法、钠碱法、氨吸收法、亚硫酸钠法、柠檬酸钠法等。下面主要介绍石灰/石灰法和氧化镁法。钠碱法的工艺流程与石灰/石灰石法相似，再次不再介绍。（一）石灰/石灰石法石灰石是最早作为废气脱S的吸收剂之一，目前应用较普遍的是湿式石灰/石灰石-石膏法，改进的石灰/石灰石法和喷雾干燥法，最初采用的是干式抛弃法；投资和运行费用低，但存在脱S率低，增加除尘设备的负荷等缺点，近年来重点转向湿式洗涤法和喷雾干燥法。1．湿式石灰/石灰石-石膏法利用石灰或石灰石浆液作为洗涤液吸收净化烟道气中的SO2并副产石膏。优点：吸收剂价廉易得；副产物石膏可回收用作建筑材料；缺点：易发生设备结垢堵塞或磨损设备。解决这个问题最有效的办法是在吸收液中加入添加剂，目前工业上采用添加剂有：氯化钙（CaCl2）、Mg2+、已二酸、氨等。加入添加剂后，不仅能抑制结垢和堵塞现象，而且还能提高吸收效率。（1）反应原理分为吸收和氧化两个工序吸收过程：（2）工艺过程及操作要点a)工艺过程主要有三部分组成：SO2的吸收，固液分离，固体处理。现结和三菱重工业石灰-石膏法工艺流程作简要说明（见书P219，图9-14）。b)影响吸收效率的主要因素1）浆液的PH值有些固体物质在水溶液的溶解度与PH值关系密切见下表所示（补）。在500C不同PH值时和的溶解度PH值浓度/PH值浓度/Ca2+SO32-SO42-Ca2+SO32-SO42-7.06752313204.01120187310726.06805113403.5176341989805.073130312603.0313593759184.584178511792.5577321999873有上表看出PH高时溶解度小，PH低时溶解度大；溶解度随PH变化的变化较小。这样，当石灰石灰浆液的PH低时，溶液中存在较多的又由于石灰石颗粒表面形成一层液膜，其中溶解的使表面形成一层外壳，使表面钙化，抑制其与SO2进行化学反应，同时还造成结垢堵塞。因此，一般应当控制浆液的PH值在6左右。新浆液的PH值一般在8~9之间，而与含S的废气接触后PH迅速下降到7以下，当PH值降到6时下降速度减慢。一般石灰石系统操作时最佳PH值为5.8~6.2；石灰系统操作时最佳PH值为8。b.吸收温度一般来说，低温有利于吸收过程的进行，（因为吸收液面上的SO2平衡分压亦降低有利于吸收）但温度较低时,SO2与CaCO3或Ca(OH)2间的化学反应速度变慢，通常认为吸收温度决定于几个因素，但最主要的是气体进口温度气体，进口温度高则脱S率下降。c.石灰石的粒度石灰石颗粒大小对脱S率及石灰石的利用率均有影响，粒度小，比表面积大，与SO2起反应的效率高，石灰石色利用率大，大粒度太小，则石灰石得粉碎过程消耗的电能太大。一般控制石灰石的粒度在200~300之间。d.流体力学状态（g,l,s三者关系）在SO2吸收洗涤塔内是g-l-s非均相体系，在其中已含有几个相互有关的变数，如洗涤塔的持液量、液气比、气液接触时间、气体流速及循环料浆内固体的浓度。以气液比为例，一般来说，气液比大则SO2地吸收效率高，然而液气比大则气流在吸收塔内的压降损失大，液体输送量大，动能消耗大，经验表明，当液气比大于5.3l/m3时，SO2的脱硫率平均为87%，液气比小于5.3l/m3时，脱S率低于78%。在低密度的栅条填料塔中，气体流速速度在1.6~2.5m/s，液气比宜在0.8~8.2l/m3(标态)之间，当液气比为1.4l/m3，气速为2.4m/s时控制SO2总传质速率ka为1085mol/(m3.h.kpa),此时，过程主要受气膜阻力。e.控制溶液过饱和可以防止系统结垢，最好的方法是在吸收液中加入晶种，以提高足够的沉积表面，使溶解盐优先沉淀其上，可以控制溶液过饱和。f.吸收剂石灰石较石灰容易制备，且在石灰石的洗涤中的氧化速率远大于石灰洗涤；石灰石价廉，处理时较石灰方便便宜且安全。石灰较石灰石更易反应，但在石灰消化过程中，易引起结垢，在石灰浆液中加入石膏晶种，可消除结垢实际应用多采用石灰石。（3）主要设备a)洗涤吸收塔常见的有填料塔、道尔型洗涤器、盘式洗涤器和流动床洗涤器等。要求洗涤器应具有：气液相间的相对速度高，持液量大，气液接触面积大，压降小等特点。b)氧化塔为加快氧化速度，空气必须以微细的气泡方式吹入，因而氧化塔多采用回转圆筒式雾化器，书p221图9-15示意图。此类回转筒的转速为500~1000r/min，其氧化效率（扫描此图）约为40%，较多孔板式高出2倍以上，其没有浆料堵塞的缺点。2．改进的石灰石/石灰湿法脱硫目的是为了克服石灰/石灰石法的结垢和堵塞，以提高二氧化硫的脱除率，开发了加入缓冲剂（如已二酸、硫酸镁等）的石灰/石灰石法。其原理前面内容已有阐述,此处不详讲。3．喷雾干燥法由美国JOY公司和丹麦的NiroAtomizer共同开发，国外多称为Joy/Niro法，是80年代发展起来的新脱硫方法。（1）原理：该方法将吸收剂雾化喷入烟气中，吸收剂为分散相，烟气为分散介质。吸收剂采用石灰乳，雾化分散于烟气中，烟气中二氧化硫即与石灰乳雾滴发生反应生成CaSO3·1/2H2O。在五滴与二氧化硫反应的同时，雾滴中的水分被高温烟气干燥，因此生成物是粉状干料，全游离水分一般在2%以下，然后用除尘器进行气固分离，即达到烟气脱硫的目的。脱硫率达70%-90%。脱硫率与吸收剂的利用率有关，综合考虑两因素，一般控制吸收剂用量=（1.5-2.0）理论用量。（2）特点：喷雾干燥法界于湿法和干法之间，和湿式石灰石/石灰相比具有如下优点：流程简单，设备少，省去了一套处理装置；运行可靠，生产过程中不发生结垢和堵塞现象；只要排气温度适宜，不产生腐蚀；能量消耗低，投资及运行费用小；对烟气量和烟气中二氧化硫浓度的适应性大。（3）工艺流程：见书P222，图9-16。指出一点：吸收液的雾化，二氧化硫的吸收及烟气的干燥都在喷雾干燥器内完成。由于二氧化硫与吸收剂的反应主要发生液滴上，因而吸收剂的雾化状况，烟气同雾滴的接触状况和作用时间对二氧化硫的脱除和吸收剂的利用率有影响。（二）金属氧化法一些金属如Mg、Mn、Zn、Fe、Cu等氧化物可作为二氧化硫的吸收剂。干法：属传统工艺，脱硫率低。湿法：多采用浆液吸收，吸收二氧化硫以后的含亚硫酸盐或亚硫酸氢烟的将液，在较高温度下易分解，可再生出浓二氧化硫气体，便于加工为硫的各种产品。常见的有氧化镁法、氧化锌法、氧化锰法等。氧化镁法多用于净化电厂锅炉烟气；氧化锌法适合锌治理企业的烟气脱硫；氧化锰法可用于无使用价值的低品位软锰矿为原料净化炼铜尾气中的二氧化硫，并得到副产品—锰矿。下面以氧化镁法为例介绍金属氧化物吸收流程。此法具有代表性的工艺有