第四章 净化气态污染物的方法

第四章 净化气态污染物的方法我们都知道，大气污染物分类为气态污染物和颗粒状污染物，本章是针对于气态污染物的处理方法进行学习。

工程上净化气态污染物的方法主要有以下几种：利用溶液的溶解作用所组成的气体吸收净化；利用固体表面吸附作用的吸附净化；利用某些催化剂的催化转化；有机物的高温焚烧等方法。

§1 吸收法净化气态污染物吸收法净化气态污染物是利用气体混合物中各种成分在吸收剂中的溶解度不同，或者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操作过程。

吸收分为物理吸收和化学吸收两大类。

吸收过程无明显的化学反应时为物理吸收，如用水吸收氯化氢。

用水吸收二氧化碳的感。

吸收过程中伴有明显化学反应时为化学吸收，如用碱液吸收难以达到排放标准，因此大多数采用化学吸收。

吸收法不但能消除气态污染物对大气的污染，而且开可以使其还可以使其转化为有用的产品。

并且还有捕集效率高、设备简单、一次性投资低等优点，因此，广泛用于气态污染物的处理。

如处理含有SO 2、H 2S 、HF 和NO x 等废气的污染物。

一、吸收平衡理论物理吸收时，常用亨利定律来描述气液两相间的平衡，即i i i x E p =* 式中*i p ——i 组分在气相中的平衡分压，Pa ；i x ——i 组分在液相中的浓度，mol%；i E ——i 组分的亨利系数，Pa 。

若溶液中的吸收质（被吸收组分）的含量i c 以千摩尔/米3表示，亨利定律可表示为： i i i H c p =*或i i i p H c =i H ——i 气体在溶液中的溶解度，kmol/m 3·Pa 。

亨利定律适用于常压或低压下的溶液中，且溶质在气相及液相中的分子状态相同。

如被溶解的气体在溶液中发生某种变化（化学反应、离解、聚合等），此定律只适用于溶液中未发生化学变化的那部分溶质的分子浓度，而该项浓度决定于液相化学反应条件。

二、双膜理论吸收是气相组分向液向转移的过程，由于涉及气液两相间的传质，因此这种转移过程十分复杂，现已提出了一些简化模型及理论描述，其中最常用的是双膜理论，它不仅用于物理吸收，也适用于气液相反应。

简单的说就是，假设气相和液相之间接触的部分有气膜和液膜存在，气膜液膜的大小薄厚都是均匀的，一致的。

双膜理论就是研究气液两相在气膜和液膜之间的传播速度的。

有的情况是被吸收组分通过液膜的速度较慢，而通过气膜的速度较快，这时实际上控制其接触的实际上是液膜，被称之为液膜控制；有时被吸收组分通过液膜的速度快，而经过气膜的速度慢，则整个过程是由气膜扩散的时间来控制，被称之为气膜控制。

三、吸收气态污染物工艺配置问题1、吸收剂的选择一般吸收剂的选择原则是：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。

同时吸收剂的蒸气压要低，不宜气泡，热化学稳定性好，粘度低，腐蚀性小，且价廉易得。

但是任何一种吸收剂很难同时满足以上要求，这就需要根据所处理的对象及处理目的，权衡各方面因素而定。

水是常用的吸收剂，例如，用水洗涤煤气中的CO2；洗除废气中的SO2；除去含氟废气中的HF和S i F4；除去废气中的NH3、HCl等。

用水清除这一类气态污染物，主要依据它们在水中溶解度较大的特性。

这些气态污染物在水中的溶解度，一般是随气相中分压的增加，吸收液温度的降低而增大的。

因而理想的操作条件是在加压和低温下进行吸收，在升温和降压下进行解吸。

用水作吸收剂主要是价廉易得，流程、设备和操作都比较简单。

主要缺点是吸收设备庞大，净化效率低，动力消耗大。

碱金属钠、钾、铵或碱土金属钙、镁等的溶液，则是另一类吸收剂。

由于这一类吸收剂能与被吸收的气态污染物SO2、NOx、HF、HCl等之间发生化学反应，因而使吸收能力大大增加，表现在单位体积吸收剂能净化大量废气/由于净化效率高，液气比小，吸收塔的生产强度高，使得技术经济上更加合理。

一般在吸收净化酸性气体污染物SO2、NOx、HF、HCl等时常采用上述碱金属或碱土金属溶液作为吸收剂。

但化学吸收的流程较长，设备较多，操作也较复杂，有的吸收剂不易得到或价格较贵。

另外，吸收剂的吸收能力强，有利于净化气态污染物，但吸收能力强的吸收剂不易再生需消耗较大能量。

因而在选择吸收剂时，要权衡多方面的利弊。

2、工艺流程设置中应考虑的一些问题（1）富液的处理问题用于气态污染物控制的吸收操作，不仅要达到净化废气的目的，还必须使吸收了气态污染物后富液的处理合理。

如将富液排放，这不但浪费了资源，而且更重要的是其中的污染物转入水体造成二次污染，达不到保护环境的目的。

所以，富液是否得到经济合理的处理与利用，往往又成为吸收法净化气态污染物成败的关键之一。

因此，吸收净化气态污染物的流程中，需同时考虑气态污染物的吸收及富液的处理两大部分。

例如，用碳酸钠（或氢氧化钠）碱液处理废气中的SO2，就需同时考虑用加热或减压再生的方法脱除吸收后的富液中的SO2，使吸收剂碱液恢复吸收能力，得以循环使用，同时收集排出的SO2制取硫酸产品，既达到了消除SO2污染，同时又达到了“废物资源化”的目的。

（2）除尘问题某些废气，如燃烧产生的废气中，除含有气态污染物之外，往往还含有一定的烟尘。

在吸收之前，若能专门设置高效的除尘器（如电除尘器），除去烟尘是最理想的。

但这样做太不经济，若能在吸收时考虑清除气态污染物的同时，一同清除烟尘，即是较为理想的。

因为吸收过程也是很好的湿式除尘。

然而湿式除尘的设计与气态污染物脱除的设计要求不大一致，湿式除尘需要相当大的能量输入（压力增大），才能保证细尘与液滴或湿表面碰撞，粘附在上面。

而气态污染物的脱除则受到诸如气体流速、液气比、吸收剂表面积的数量等因素的影响。

因而，有的采取在吸收塔前增设预洗涤塔，在预洗涤塔中有水直接洗涤，既冷却了高温气体，又起到除尘作用；有的为了简化流程，采取将吸收塔置于预洗涤塔之上，两塔合为一体；有的采用文丘里类型的洗涤器，既除尘，又吸收气态污染物。

但文丘里洗涤器除尘性能较好，而对气态污染物的吸收并不是最好，希望研究出能在同一设备中既除尘有能吸收气态污染物的洗涤器，是我们今后努力的方向。

（3）烟气的预冷却问题由于产生过程不同，排出的废气温度差异很大。

例如，锅炉燃烧排出的烟气，通常在423~458K左右，而吸收操作则希望在较低温度下进行。

这就需要在吸收之前将烟气冷却降温。

其方法有：在低温省煤器中间接冷却，虽可回收一部分余热，提高热效率，但所需的换热器太大，同时烟气中的酸回冷却为酸性气体而腐蚀设备；直接增湿冷却，即采用水直接喷入烟气管道中增湿降温，方法虽简单，但要考虑水冲击管壁和形成酸雾腐蚀设备，以及可能造成沉积物阻塞管道和设备，用预洗涤塔降温除尘，是最好的方法，也是目前使用最广泛的方法。

将烟气冷却到何种程度是十分重要的，如果将烟气冷却到接近于冷却水的温度（293~298K），虽可改善洗涤塔的效果，但费用太大。

综合各方面的因素，一般认为将高温烟气冷却到333K左右较为适宜。

（4）结垢和堵塞问题这一现象已成为某些吸收装置能否正常的长期运行的一个关键。

首先要弄清结垢的机理，造成结垢和堵塞的因素，然后针对性地从工艺设计、设备结构、操作控制等方面进行解决。

防止结垢的方法和措施常用的有：工艺操作上，控制溶液或料浆中水分的蒸发量，控制溶液的PH值，控制溶液中易结晶物质不要过饱和，严格除尘，控制进入吸收系统的尘量。

设备结构上设计和选择不易结垢和堵塞的吸收器。

例如，流动床型洗涤器比固定填充床洗涤器不易阻塞和结垢，选择表面光滑，不易腐蚀的材料作吸收器等。

（5）除雾雾不仅仅是水分，还是一种溶有气态污染物的盐溶液。

任何漏到烟囱中的雾，实际上就是把污染物排入大气。

雾气中所含液滴直径主要在10~60μm之间，因而工艺上要对吸收设备提出除雾的要求。

通常加设除沫器。

（6）气体再加热问题在处理高温烟气的湿式净化中，烟气在洗涤塔中被冷却增湿，就此排入大气后，在一定的气象条件下，将发生“白烟”。

由于烟气温度低，使热力抬升作用减小，扩散能力降低，特别是在处理烟气的情况下和某些不利的气象条件下，白烟没有充分稀释之前就已降落到地面，容易出现较高浓度的污染。

防止白烟发生的措施：一是使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体的湿度和升高其温度。

这种措施虽然能防止白烟的发生，但由于未净化烟气的温度不太高，因而需混入大量未净化的烟气，使得气态污染物的排放量增大，相当于大大降低了净化效率。

防止白眼的另一个措施是净化器尾部加设一燃烧炉，在炉内燃烧天然气或重油，产生1273~1373K的高温燃烧气，再与净化气混合。

这种措施简单，且混入的燃烧气量少，吸收器的净化效率降低不大，因而目前国外的湿式排烟脱硫装置大多采用此法。

四、吸收设备1、填料塔2、湍球塔3、筛板塔4、喷洒式吸收器（1）空心喷洒吸收器（2）高气速并流式喷洒吸收器（3）机械喷洒吸收器§2 吸附法净化气态污染物用多孔性固体处理气体混合物，使其中所含的一种或几种组分浓集在固体表面，而与其他组分分开的过程称为吸附。

具有吸附作用的固体称为吸附剂，被吸附到固体表面的物质称为吸附质。

吸附净化的优点是效率高，能回收有用组分，设备简单，操作方便，易于实现自动控制。

但吸附容量一般不高（40%），有待于在技术上进一步提高。

一、吸附过程与吸附剂1、吸附过程根据吸附剂和吸附质之间发生的作用力的性质，通常将吸附分为物理吸附和化学吸附。

（1）物理吸附亦称范德华吸附，是由于吸附剂与吸附质之间的静电力或范德华引力产生的吸附。

物理吸附是一种放热过程，其放热量相当于被吸附气体的升华热，一般为20kJ/mol左右。

物理吸附过程可逆的，当系统的温度升高或被吸附气体压力降低时，被吸附的气体将从固体表面逸出。

在低压下，物理吸附一般为单分子层吸附，当吸附质的气压增大时，也会变成多分子层吸附。

（2）化学吸附亦称活性吸附，是由于吸附剂表面与吸附质分子间的化学反应力导致的吸附。

化学吸附亦为放热过程，但较物理吸附放热量大，其数量相当于化学反应热，一般为84~417kJ/mol。

化学吸附的速率随温度升高而显著增加，宜在较高温度下进行。

化学吸附有很强的选择性，仅能吸附参与化学反应的某些气体，吸附是不可逆过程，且总是单分子层或单原子层吸附。

物理吸附与化学吸附之间没有严格的界限，同一物质在较低温度下可能发生物理吸附，而在较高温度下往往是化学吸附。

2、吸附剂吸附剂必需具备的条件：①有巨大的内表面积；②选择性好，有利于混合气体的分离；③具有足够的机械强度，热稳定性及化学稳定性；④吸附容量大；⑤来源广泛，价格低廉。

常用的吸附剂有如下几种。

（1）活性炭（2）活性氧化铝（3）硅胶（4）沸石分子筛二、吸附理论1、吸附平衡（1）费罗德里希（Freundlich）方程（2）朗格缪尔（Langmuri）等温方程（3）BET方程2、吸附速率（1）吸附速率的控制步骤（2）吸附速率公式三、吸附设备1、吸附设备用于气态污染物控制的吸附设备根据吸附剂在吸附器内的运动状态可分为固定床吸附器、移动床吸附器和沸腾床吸附器。