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第4章 气态污染物的净化技术
　　本章主要介绍气态污染物的净化方法。目前，常用的控制各种气态污染物排放的主要途径是吸收法、吸附法、催化法、燃烧法、冷凝法等。大气中的气体状态污染物又简称为气态污染物，它是以分子状态存在的，常见分子状态的气体污染物为SO2、NOx。通过学习本章，使学习者能了解各种气态污染物的净化方法及净化基本原理、净化工艺、净化设备，掌握低浓度SO2的净化技术，了解NOx的净化方法，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。
学习指南：
4.1气态污染物综合净化技术
4.1.1 吸收法
1. 吸收平衡
亨利定律表明了气体中某种组分的分压与液体中含有该组分的浓度之间的平衡关系，用公式表示为
PA＝ExA
式中 PA——物质A在气相中的平衡分压；
Ex——亨利常数；
A——物质A在液相中的摩尔分数。
2. 吸收过程
　　吸收法净化气态污染物过程就是利用混合气体中各成分在吸收剂中的溶解度不同，或与吸收剂中的组分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。
3. 吸收法的特点
　　 吸收法的优点是几乎可以处理各种有害气体，适用范围很广，并可回收有价值的产品。缺点是工艺比较复杂，吸收效率有时不高，吸收液需要再次处理，否则会造成废水的污染。
4.1.1.1 吸收基本原理
1.预处理
（1）烟气除尘：在吸收前应设置高效除尘器除去烟尘，可以采用干式的电除尘器或布袋除尘器，最好选用湿式除尘这样既可冷却了高温烟气又可起到除尘作用。
4.1.1.2 吸收工艺
（2）烟气预冷却：烟气温度高不利于提高吸收效率。冷却烟气方法有：设置间接冷却器、直接增湿冷却或用预洗涤塔除尘增湿降温等。
2.吸收流程
根据对吸收剂的再生与否，将吸收过程分为非循环过程和循环过程
循环过程气体吸收流程
1--吸收塔 2--解吸塔 3--泵
4--冷却器 5--换热器 6--冷凝器 7--再沸器
4.1气态污染物综合净化技术
3. 后处理
（1）．除雾: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，排放后对环境造成污染。因此需经折流式除雾器、旋风除雾器或丝网除雾器之一进行除雾后再排放。
（2）．液体的后处理：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。
（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。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。
4.1气态污染物综合净化技术
4.1.1.3 常用吸收剂、吸收剂的选择及再生
常用的吸收剂
水是常用的吸收剂，用水可以吸收S02、HF、NH3、HCl及煤气中的CO2等能溶于水的组分，碱金属和碱土金属的盐类、铵盐等能与酸性气体发生化学反应，除去S02、HF、HCl、NOx等组分。硫酸、硝酸等属于酸性吸收剂，可以用来吸收SO3、NOx等。有机吸收剂可以吸收有机废气，如聚乙烯醚、二乙醇胺等。
2. 吸收剂的选择
选择吸收剂的基本原则如下：
（1）有比较适宜的物理性质，如黏度小，低的凝固点，适宜的沸点，比热容不大，不起泡等；同时有低的饱和蒸气压，以减少吸收剂的损失；对有害成分的溶解度要大，以提高吸收效率，减少吸收液用量和设备尺寸。
（2）具有良好的化学性质，如不易燃，热稳定性高，无毒性；同时吸收剂对设备的腐蚀性小，以减少设备费用。
（3）廉价易得，最好能就地取材，易于再生重复使用。
（4）有利于有害物质的回收利用。
3．吸收剂的再生
吸收剂处理的方式①.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②.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。
4.1气态污染物综合净化技术
4.1.1.4 吸收设备
1. 吸收设备的分类
目前工业上常用的吸收设备可分为表面吸收器、鼓泡式吸收器和喷洒式吸收器三大类
类型 设备结构 特点
表 面 吸 收 器 优点：吸收效果比较可靠；对气体变动的适用性强；可用耐腐蚀材料制作，结构简单制作容易；压力损失较小(490Pa／m塔高)。
缺点：当气流过大时发生液泛而不易操作；吸收液中含固体或吸收过程中产生沉淀时，使操作发生困难；填料数量多，质量大，检修不方便。
鼓 泡 式 吸 收 器
优点：塔不易堵塞；压力损失小。其主要缺点是受气流速度影响大，当气流速度过小时，不能发挥应有的效能；当气流速度过大时，吸收效率降低。
优点：结构简单，空塔速度高；气体处理量大；增加塔板数可提高净化效率或者处理浓度较高的气体。缺点：安装要求严格；操作弹性小，气量急剧变化时不能操作；压力损失较大(980—1960Pa／板)。
喷 洒 式 吸 收 器
优点：结构简单、造价低廉、气体压降小，可兼作冷却除尘设备。
缺点：喷嘴易堵塞，不适于用污浊液体作吸收剂。
优点：气体无需风机输送，气体压降小，适于有腐蚀性气体的处理，气液接触效果好。
缺点：需要大量液体吸收剂，液气比10～100L／m3，不适于大气量处理。
优点：体积虽小，处理能力大；可兼作冷却除尘设备，气液接触效果面积大。
缺点：噪声大(喉管部流速40～80m／s)，消耗能量较多(压降大)。
4.1气态污染物综合净化技术
　　吸收设备是实现气相和液相传质的设备，选择时要充分了解生产任务的要求，以便于选择合适的吸收设备。一般可从物料的性质、操作条件和对吸收设备自身的要求三个方面来考虑。
2. 吸收设备的选择
（1）
物料的性质
（2）
操作条件
（3）
对吸收设备的要求
4.1气态污染物综合净化技术
　　在用多孔性固体物质处理气体混合物时，气体中的某一组分或某些组分可被吸引到固体表面并浓集其上，此现象称为吸附。被吸附的气体组分称为吸附质，多孔固体物质称为吸附剂。
4.1.2.1 吸附原理
1. 吸附平衡
当吸附质与吸附剂长时间接触后，终将达到吸附动态的平衡。动态平衡是指单位时间内被固体表面吸附的分子数与逸出的分子数相等。
2. 吸附法的特点
吸附法净化气态污染物的优点：净化效率高；能回收有用组分；设备简单，流程短，易于实现自动控制；无腐蚀性，不会造成二次污染。
3. 吸附类型
根据吸附过程中吸附剂和吸附质之间作用力的不同，可将吸附分为物理吸附和化学吸附。
在吸附过程中，当吸附剂和吸附质之间的作用力是范德华力(或静电引力)时称为物理吸附。
当吸附剂和吸附质之间的作用力是化学键时称为化学吸附。
4.1气态污染物综合净化技术
4.1.1 吸附法
4.1.2.2 吸附工艺
（1）间歇式流程
（2）半连续式流程
（3）连续式流程
4.1气态污染物综合净化技术
4.1.2.3 吸附剂
1. 常用吸附剂的种类
2. 吸附剂的选择
3. 吸附剂的再生
（1）活性炭
（2）活性氧化铝和氧化铝
对吸附剂的基本要求是：大的比表面积和孔隙率；良好的选择性；易于再生；机械强度大，化学稳定性强，热稳定性好：原料来源广泛，价格低廉。
（1）升温再生
（2）降压再生
（3）吹扫再生
（4）置换再生
（5）化学再生
4.1气态污染物综合净化技术
4.1.2.4 吸附设备
1. 固定床吸附器
2. 移动床吸附器
3. 流化床吸附器
立式固定床吸附器
卧式固定床吸附器
移动床吸附器
流化床吸附器
特点：结构简单，制造容易，价格低廉,特别适合于小型、分散、间歇性污染源。吸附和解析交替进行、间歇操作,应用广泛。
特点：①处理气量大，吸附剂可以循环使用；
②适用于稳定，连续、量大的气体净化；
③吸附和脱附连续完成，吸附剂可以循环使用；
④动力和热量消耗大，吸附剂磨损大。
特点：①增大了传质系数②提高了界面的传质速率，使其适于净化大气量的污染废气③吸附床的体积减小④使床层温度分布均匀⑤吸附与再生工艺过程连续化操作。
最大缺点：炭粒经机械磨损造成吸附剂的损耗。
4.1 气态污染物综合净化技术
4.1.2.5 影响吸附因素及适用范围
（1）操作条件的影响
（2）吸附剂性质的影响
（3）吸附质性质的影响
（4）吸附质浓度的影响
（1）操作条件的影响
（2）吸附法处理的气体量不宜过大，当处理的气量小时吸附法更为灵活方便。如防毒面具，就是一个小型吸附器。
（3）吸附法净化有机溶剂蒸气，具有较高的效率，而且还有利于其资源化。
1. 影响吸附因素
2. 适用范围
4.1气态污染物综合净化技术
4.1.3.1 催化转化基本原理
4.1.3 催化转化法
　　催化转化法净化气态污染物是利用催化剂的催化作用，将废气中的有害物质转变为无害物质或易于去除物质的方法。
　　1. 催化转化基本原理
　　设有反应A+B→AB，当受催化剂k的作用时，至少有一个中间反应发生，而k是中间反应物之一，即A+k=kA，最终产物仍为AB，k则恢复到初始的化学状态，即kA+B-→AB+k
K=f·exp(—Ea／RT)
式中 K--反应速度常数，单位随反应级数不同而不同；
f--频率因子，单位与K相同； Ea --活化能，单位：kJ／mol；
R--气体常数，单位：H／(K·m01)； T--绝对温度，单位：K。
由式看出反应速度是随活化能的降低而呈指数加快的
　　2.催化转化的特点
　　第一，催化剂只能加速化学反应速度，对于可逆反应而言，其对正逆反应速度的影响是相同的，因而只能缩短达到平衡的时间，而不能使平衡移动，
也不能使热力学上不可能发生的反应发生。
其二，催化作用有特殊的选择性，这是由
催化剂的选择性决定的。
4.1气态污染物综合净化技术
4.1.3.2 催化转化工艺
1.废气预处理
2.废气预热
3.催化反应温度
4.废热和副产品的回收利用
4.1气态污染物综合净化技术
4.1.3.3 催化剂
催化剂
3.催化剂的选择
2.催化剂的性能
1.催化剂组成
4.催化剂的制备方法
工业用固体催化剂中，主要包含活性物质，除此之外还有助催化剂和载体
（1）．催化剂的活性 （2）．催化剂的选择性 （3）．催化剂的稳定性
①具有极高的净化效率，使用过程中不产生二次污染②有较高的机械强度③具有较高的耐热性和热稳定性④抗毒性强，具有尽可能长的寿命⑤化学稳定性好、选择性高。
制备催化剂的方法是将活性组分负载于载体上。目前常用的负载方法大致可以分为三种，即浸渍法、混捏法和共沉淀法，其中最常用的是浸渍法。
4.1气态污染物综合净化技术
4.1.3.4 催化转化设备
1.反应器类型
2.反应器的选择
（1）单段绝热反应器 （2）多段式绝热反应器
（1）．根据催化反应热的大小及催化剂的活性温度范围，选择合适的结构类型，保证床层温度控制在许可的范围内。
（2）．床层阻力应尽可能小。
（3）.在满足温度条件前提下，应尽量使催化剂装填系数大，以提高设备利用率。
（4）．反应器应结构简单、便于操作、且造价低廉、安全可靠。
4.1气态污染物综合净化技术
4.1.4.1 燃烧法原理
4.1.4 燃烧法
燃烧法是对含有可燃性有害组分的混合气体进行氧化燃烧或高温分解，使有害组分转化为无害物的方法。燃烧法的工艺简单，操作方便，现已广泛应用于石油工业、化工、食品、喷漆、绝缘材料等主要含有碳氢化合物(HC)废气的净化。燃烧法还可以用于CO、恶臭、沥青烟等可燃有害组分的净化。
燃烧法分为直接燃烧、热力燃烧和催化燃烧。
4.1气态污染物综合净化技术
4.1.4.2 燃烧工艺
4.1.4 燃烧法
1.直接燃烧法
直接燃烧是把废气中可燃的有害组分当作燃料直接燃烧，从而达到净化的目的。
4.1气态污染物综合净化技术
4.1.4.2 燃烧工艺
2. 热力燃烧法
　　热力燃烧是利用辅助燃料燃烧放出的热量将混合气体加热到要求温度，使可燃有害组分在高温下分解成为无害物质，以达到净化的目的。
（1）热力燃烧过程 热力燃烧过程可分三步骤：首先是辅助燃料燃烧，其作用是提供热量，以便对废气进行预热；第二步是废气与高温燃气混合并使其达到反应温度；最后是废气中可燃组分被氧化分解，在反应温度下充分燃烧。
（2）热力燃烧条件和影响因素 温度和停留时间是影响热力燃烧的重要因素。对于大部分物质来说，温度在740—820℃，停留时间在此期间0.1～0.3s内可反应完全；大多数的碳氢化合物在590～820℃范围内即可完全氧化，但CO和炭粒则需要较高的温度和较长的停留时间才能燃烧完全。不同的气态污染物，在燃烧炉中完全燃烧所需的温度和停留时间不同。
4.1气态污染物综合净化技术
4.1.4.2 燃烧工艺
4.各类燃烧工艺特点
类型 直接燃烧 热力燃烧 催化燃烧
特 点 ①直接燃烧不需要预热，燃烧的温度在1100℃左右，可烧掉废气中的炭粒②燃烧状态是在高温下滞留短时间的有火焰燃烧，能回收热能；③适于净化可燃有害组分浓度较高或燃烧热值较高的气体。 缺点：只用于高于爆炸下限的气体。 ①需要进行预热，温度范围控制在540—820℃，可以烧掉废气中的炭粒②燃烧状态是在较高温度下停留一定时间的有焰燃烧；③适于各种气体的燃烧，能除去有机物及超细颗粒物；④热力燃烧设备结构简单，占用空间小，维修费用低。 缺点：操作费用高，易发生回火，燃烧不完全产生恶臭。 ①需要预热，温度控制在200～400℃，为无火焰燃烧，安全性好②燃烧温度低，辅助燃料消耗少③对可燃性组分的浓度和热值限制较小，但组分中不能含有尘粒、雾滴和易使催化剂中毒的气体。
缺点：催化剂的费用高。
4.1气态污染物综合净化技术
4.1.4.2 燃烧工艺
3. 催化燃烧法
催化燃烧是指在催化剂存在的条件下，废气中可燃组分能在较低的温度下进行燃烧。
1、催化燃烧基本工艺流程
2、催化燃烧的催化剂和载体
4.1气态污染物综合净化技术
4.1.4.3 燃烧设备
燃烧设备是指为使燃料着火燃烧并将其化学能转化为热能释放出来的设备。
燃烧类型 直接燃烧装置 热力燃烧装置 催化燃烧设备
燃烧设备
特点 优点是安全简单、成本低。 缺点①燃烧后产生大量的烟尘对环境造成二次污染②不能回收热能而造成热辐射。在实际操作中应尽量减少火炬燃烧。 废气与火焰充分接触，均匀混合，净化效率高。适于含氧充足的废气净化。 火焰较长，易于控制，结构简单，但混合较慢，混合度低。燃料种类的适应性强，可用气体燃料及油作燃料；火焰不易熄灭，根据需要调节火焰的大小。 包括预热与燃烧部分。为防止热量散失，对预热段应予以良好保温。
4.1气态污染物综合净化技术
4.1.5.1 冷凝原理和特点
4.1.5 冷凝法
1. 冷凝原理
　　冷凝法是利用物质在不同温度下具有不同的饱和蒸气压的性质，采用降低系统的温度或提高系统的压力，使处于蒸气状态的污染物冷凝并从废气中分离出来的过程。适于净化浓度大的有机溶剂蒸气。还可以作为吸附、燃烧等净化高浓度废气时的预处理，以便减轻这些方法的负荷。
2.冷凝法的特点
①适宜净化高浓度废气，特别是有害组分单纯的废气；
②可以作为燃烧与吸附净化的预处理；
③可用来净化含有大量水蒸气的高温废气；
④所需设备和操作条件比较简单，回收物质纯度高。
4.1气态污染物综合净化技术
4.1.5.2 冷凝法工艺
　　冷凝法处理有害气体多采用降温的方法。加压方法需要专门的设备，操作耗能较高，一般较少采用。降温冷凝的工艺包括直接冷凝和间接冷凝两种
直接冷凝
1-反应槽；2-接触器；3-气液分离器；4-燃烧器
1-反应槽；2-间接换热器；3-储液槽；4-风机；5-燃烧器
4.1气态污染物综合净化技术
间接冷凝工艺
4.1.5.3 冷凝设备
冷凝法采用的冷凝设备主要有表面冷凝器和接触冷凝器两大类
1.表面冷凝器
2.接触冷凝器
4.1气态污染物综合净化技术
　　某集团公司现有30000 m3储油罐一组，该储油罐灌装口在一定的温度和有风条件下，特别是逆温条件下易造成有机废油气逸出产生异味污染，当油料在装卸作业和汽车倒运过程中因为诱导作用有机废油气污染是非常严重的。对当地居民和职工的正常工作、生活、道路造成很大的影响，对当地大气环境造成严重的污染，同时还造成了原材料的大量损失。需要安装有机废气治理回收设备，治理后烟气排放浓度符合国家排放标准。
由于该储油罐挥发有机废气成分复杂，治理难度大，单一的治理技术难以达到排放标准，综合考虑确定的治理工艺为：储油罐—冷凝冷却器—油水分离器—多组分洗涤塔—除雾器—异味吸附塔—达标排放，工艺流程见图
4.1.6 应用实例
经过冷凝、分离、洗涤等工艺过程后，气体中还会有异味产生，为此，在最后又设置了一级由活性炭构成的吸附塔。活性炭是一种多孔结构的物质，其微孔表面积是其体积的400多倍，具有极强的吸附能力，是目前国内外普遍采用的净化技术。经过活性炭吸附净化后的气体可以做到达标排放，吸附剂达到吸附接近饱和时关闭吸附剂再生启闭阀对其进行再生操作。本工程项目应用了气态污染物净化措施中的吸收法、吸附法、冷凝法等技术。
4.1气态污染物综合净化技术
1.填空题
（1）根据吸收原理，吸收分为（ ）吸收和（ ）吸收两种，当NaOH吸收SO2时为（ ）吸收。
（2）吸收流程配置时应考虑的因素包括（ ）、（ ）、（ ）、（ ）、（ ）、（ ）等。
（3）吸收液完成吸收后，处理的方式有两种，一是（ ），二是（ ）。
（4）非循环过程是指对（ ）不进行再循环，而循环过程是指将（ ）循环使用。
（5）根据吸收剂与废气在吸收设备中的流动方向，可将吸收工艺分为（ ）、（ ）和（ ）。
（6）工业上最常用的吸附剂是（ ）。
（7）（ ）吸附器适宜净化大气量污染废气（ ）吸附器适合于小型、分散、间歇性的污染源。
（8）常用吸附剂的再生方法（ ）、（ ）、（ ）。
（9）吸附装置有（ ）、（ ）和（ ）几种类型。；
（10）吸附工艺流程有（ ）、（ ）和（ ）三种形式。
（11）催化剂的组成包括（ ）、（ ）、（ ）。
（12）催化剂的性能由（ ）、（ ）、（ ）等来描述。
（13适合利用催化法净化的污染物是（ ）、（ ）、（ ）等。
(14)火炬燃烧属于( )燃烧。 在操作良好时，火焰呈( )色，在操作不良时，火焰呈( )色。
(15)燃烧法分为( )、( )和( )。
(16)催化燃烧设备有( )和 ( )两大类。
(17)直接燃烧设备有( )、( )、( )等
(18)热力燃烧控制的温度和停留时间分别为( )和( )。
(19)冷凝法用于( )、( )、( )等 气体的净化。
(20)冷凝法常用设备为( )和( )。
(21)冷凝法操作主要通过控制( )来实现。
习题4.1
4.1气态污染物综合净化技术
4.1气态污染物综合净化技术
习题4.1
2.简答
（1）吸收剂选择的要求有哪些？
（2）吸收后烟气排放前为什么加热？
（3）吸附操作应注意的事项有哪些？主要控制的参数包括什么？
（4）吸附法适用的范围？
（5）防止催化剂中毒的措施有哪些？
（6）催化剂中毒的原因是什么？
（7）热力燃烧设备的操作步骤有哪些？
（8）进入催化燃烧器的气体通过预处理除去那些有害成分？

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