大气污染控制工程教案设计

第17 次课 2 学时第18 次课 2 学时第19 次课 2 学时第七章气态污染物控制技术基础第一节气体吸收一、吸收机理1. 双膜模型（应用最广）假定：（1）界面两侧存在气膜和液膜,膜为层流, 传质阻力只在膜（2）气膜和液膜外湍流流动,无浓度梯度, 即无扩散阻力（3）气液界面上,气液达溶解平衡即:C A i=HP A i（4）膜无物质积累,即达稳态.2. 渗透模型假定:（1）气液界面上的液体微元不断被液相主体中浓度为C AL的微元置换（2）每个微表面元与气体接触时间都为τ（3）界面上微表面元在暴露时间τ的吸收速率是变化的3. 表面更新模型假定：（1）各表面微元具有不同的暴露时间,t=0-∞（2）各表面元的暴露时间(龄期)符合正态分布4. 其它模型如：表面更新模型的修正；基于流体力学的传质模型；界面效应模型。

5. 双膜理论（1）双膜模型气相分传质速率N A=k y(y A-y Ai)N A=k y(p A-p Aj)液相分传质速率N A=k x(x Ai- x A)N A=k y(c Aj- c A)总传质速率程N A=K y(y A- y*A) N A=K x(x A*-x A)N A=K ai(p A-p A*)x AL(2)气液平衡常见气体平衡溶解度亨利定律：一定温度下，稀溶液中溶质的溶解度与气相中溶质的平衡分压成正比（3）吸收系数吸收系数的不同形式见下图：（4）传质阻力传质阻力－吸收系数的倒数传质阻力＝气相传质阻力＋液相传质阻力（5）传质过程吸收质与吸收剂；设备、填料类型；流动状况、操作条件二、物理吸收吸收过程如图所示：操作线、平衡线吸收推动力见图。

吸收塔的最小液气比见图三、化学吸收1. 化学吸收的优点：（1）溶质进入溶剂后因化学反应消耗掉，溶剂容纳的溶质量增多（2）液膜扩散阻力降低（3）填料表面的停滞层仍为有效湿表面两分子反应中相界面附近液相A与B的浓度分布图第20 次课 2 学时●第二节气体吸附●吸附➢用多固体吸附剂将气体（或液体）混合物中的组分浓集于固体表面➢吸附质－被吸附物质➢吸附剂－附着吸附质的物质●优点：效率高、可回收、设备简单●缺点：吸附容量小、设备体积大吸附机理物理吸附和化学吸附物理吸附和化学吸附•同一污染物可能在较低温度下发生物理吸附•若温度升高到吸附剂具备足够高的活化能时，发生化学吸附●吸附剂需具备的特性➢表面积大➢具有选择性吸附作用➢高机械强度、化学和热稳定性➢吸附容量大➢来源广泛，造价低廉➢良好的再生性能常用吸附剂特性：分子筛特性●操作条件➢低温有利于物理吸附；高温利于化学吸附➢增大气相压力利于吸附●吸附质性质、浓度➢临界直径－吸附质不易渗入的最大直径➢吸附质的分子量、沸点、饱和性●吸附剂活性➢单位吸附剂吸附的吸附质的量➢静活性－吸附达到饱和时的吸附量➢动活性－未达到平衡时的吸附量常见分子的临界直径气体吸附的影响因素 吸附剂再生吸附剂再生吸附平衡第23 次课 2 学时注：本页为每次课教案首页第九章氮氧化物污染控制主要容：1. 氮氧化物的性质及来源2. 燃烧过程中氮氧化物的形成机理3. 低氮氧化物燃烧技术4. 烟气脱硝技术第一节氮氧化物的性质及来源NO x包括：➢N2O、NO、N2O3、NO2、N2O4、N2O5➢大气中NO x主要以NO、NO2的形式存在NO x的性质：➢N2O：单个分子的温室效应为CO2的200倍，并参与臭氧层的破坏➢NO：大气中NO2的前体物质，形成光化学烟雾的活跃组分➢NO2: 强烈刺激性，来源于NO的氧化，酸沉降NO x的来源➢固氮菌、雷电等自然过程（5×108t/a）➢人类活动（5×107t/a）▪燃料燃烧占95％。

主要来自：各种锅炉、焙烧炉、窑炉等的燃烧过程；机动车尾气排放。

▪其他: 硝酸生产和各种硝化过程（如化肥厂）；冶金行业中的炼焦、烧结、冶炼等高温过程；金属表面的硝酸处理。

▪95％以NO形式，其余主要为NO2。

第二节燃烧过程NO x的形成机理形成机理➢1.燃料型NO x燃料中的固定氮生成的NO x➢2.热力型NO x高温下N2与O2反应生成的NO x➢3.瞬时NO低温火焰下由于含碳自由基的存在生成的NO热力型NO x的形成产生NO 和NO 2的两个重要反应平衡常数和平衡浓度上述反应的化学平衡受温度和反应物化学组成的影响； 平衡时NO 浓度随温度升高迅速增加。

()()2222N O 2NO 11NO O NO 22−−→+←−−−−→+←−−上述数据说明：1)室温条件下，几乎没有NO和NO2生成，并且所有的NO都转化为NO2；2)800K左右，NO与NO2生成量仍然很小，但NO生成量已经超过NO2；3)常规燃烧温度（>1500K）下，有可观的NO生成，但NO2量仍然很小；4)平衡时NO浓度随温度升高而迅速增加；5)较低空气过剩系数有利于控制NOx的形成。

烟气冷却过程中，根据热力学计算，NO x应主要以NO2的形式存在，但实际90％～95％的NO x以NO的形式存在，主要原因在于动力学控制。

➢NO/NO x Ratioboiler vehiclesnature gas 0.9～1.0 internal comb. engine 0.99～1.0coal 0.95～1.06# fuel oil 0.96～1.0 diesel engine 0.77～1.0 热力型NO x 形成的动力学——Zeldovich模型NO生成的总速率假定N原子的浓度保持不变➢得到➢代入（6）式得假定O原子的浓度保持不变最终得1/22e p,NOe1/2[O][O]()KRT=2424552452242p,NO22452d[NO][N]([NO]/[O])2[O]d1([NO]/[O])2[O][N]{1[NO]/([N][O])} =1([NO]/[O])k k k kt k kk Kk k-----=+-+425452[O][N][O][NO][N][NO][O]k kk k--+=+稳态424552d[N][O][N][N][NO][O][NO][N][O]0 dk k k kt--=-+-=424525d[NO][O][N][N][NO][N][O][O][NO] (6) dk k k kt--=-+-121222N O N O N (4)N O N O O (5)+-+-+⇔++⇔+2O M2O M (3)+⇔+积分得NO的形成分数Y与时间t 之间的关系各种温度下形成NO的浓度－时间分布曲线在各种温度下NO浓度随时间的变化曲线(N2／O2＝40：1) 根据泽利多维奇预测结果:11(1)(1)exp()c cY Y Mt+--+=-21/24p,O21/21/2p,NO1/21/24p,NO21/252ed(1)d2(1)4[N]()()()[N][O][NO]/[NO]Y M Yx CYk KMRT Kk KCkY--=+===压力对M 值影响较弱,温度影响较强,即影响NO 生成总量,也影响NO 生成速率； 在相同停留时间,不同温度下NO 生成速率有显著差别；为减少NO 生成量,可采取降低火焰区温度和后火焰区温度,减少停留时间的途径。

瞬时NO 的形成：碳氢化合物燃烧时，分解成CH 、CH 2和C 2等基团，与N 2发生如下反应火焰中存在大量O 、OH 基团，与上述产物反应：小结：低温火焰中生成的NO 的量明显高于泽氏预测的结果. 因此,低温火焰中形成的NO 多为瞬时NO ；瞬时NO 生成量平均为30g/GJ 。

燃料型NO x 的形成：燃料中的N 通常以原子状态与HC 结合，C —N 键的键能较N ≡N 小，燃烧时容易分解，经氧化形成NO x ；火焰中燃料氮转化为NO 的比例取决于火焰区NO/O 2的比例； 燃料中20％～80％的氮转化为NO x 。

2222HCN OH CN H O CN O CO NO CN O CO N NH OH N H O NH O NO HN OH NO H N O NO O+→++→++→++→++→++→++→+22222CH N HCN N CH N HCN NH C N 2CN+→++→++→第24 次课 2 学时第三节低NO x燃烧技术原理控制NO x形成的因素➢空气－燃料比➢燃烧区温度及其分布➢后燃烧区的冷却程度➢燃烧器形状低NO x燃烧技术传统低NO x燃烧技术➢1. 低氧燃烧▪降低NO x的同时提高锅炉热效率▪CO、HC、碳黑产生量增加▪2. 降低助燃空气预热温度➢燃烧空气由27o C 预热到315o C ，NO 排放量增加3 倍3. 烟气循环燃烧采用燃烧产生的部分烟气冷却后,再循环送回燃烧区,起到降低氧浓度和燃烧区温度(主要减少热力型NO x)的作用,以达到减少NO生成量的目的.烟气循环率25%-40%。

4. 两段燃烧技术➢第一段：氧气不足，烟气温度低，NO x生成量很小➢第二段：二次空气，CO、HC完全燃烧，烟气温度低先进的低NO x燃烧技术原理：低空气过剩系数运行技术＋分段燃烧技术➢1. 炉膛整体空气分级的低NO x直流燃烧器▪炉壁设置助燃空气（OFA，燃尽风）喷嘴▪类似于两段燃烧技术▪要求:▪合理确定燃尽风喷口与最上层煤粉喷口的距离▪燃尽风量要适当▪燃尽风应有足够高的流速,以便能与烟气充分混合.先进的低NO x燃烧技术2. 空气分级的低NO x旋流燃烧器既要控制燃料型NOx和热力型NOx的生成,又要具有较高的燃烧效率. ➢一次火焰区：富燃，含氮组分析出但难以转化➢二次火焰区：燃尽CO、HC等➢3. 空气/燃料分级的低NO x燃烧器➢空气和燃料均分级送入炉膛NO x为氮气。

➢一次火焰区下游形成低氧还原区，还原已生成的➢➢第四节 烟气脱硝技术脱硝技术的难点➢处理烟气体积大➢NO x 浓度相当低 ➢NO x的总量相对较大1. 选择性催化还原法（SCR ）➢ 催化剂：贵金属、碱性金属氧化物 ➢还原反应➢潜在氧化反应322232224NH 4NO O 4N 6H O8NH 6NO 7N 12H O++→++→+还原剂: NH 3 （常用） 、H 2S 、 CO 反应特点:使氨能有选择的和气体中的NO X 进行反应，而不和氧反应。

常用催化剂:1)贵金属 2)非贵金属的氧化物或盐类 Cu 、Cr 、Fe 、V 、Mn 优点：1） 还原剂基本上不与氧反应，避免了无谓消耗，同时大大减小了反应热，催化床温度变化小易于控制，采用一段流程即可； 2） 催化剂易得，选择余地大；3） 还原剂NH 3相对易得，起燃温度低反应热低，床温通常低于3000C,有利于延长催化剂寿命和降低反应器对材料要求。

32232224NH 5O 4NO 6H O 4NH 3O 2N 6H O+→++→+非选择性催化还原法（SNCR ）➢ 尿素或氨基化合物作为还原剂，较高反应温度 ➢ 化学反应➢➢ 同样，需要控制温度避免潜在氧化反应发生。