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1、北京大学环境科学与工程学院 黄斯乔,大气污染物的吸收净化技术,大气污染物种类多，包括无机物和有机物两大类。 无机气态污染物：硫化物（SO2、SO3、H2等）、含氮化合物（NO2、NO、NH3等）、卤素化合物（C12、HCl、HF、SiF4等）、碳的氧化物（CO、CO2等）、氧化物及过氧化物（O3）等； 有机气态污染物：碳氢化合物（烃、芳烃、稠环芳烃等）、含氧有机物（醛、酮、酚等）、含氮有机物（芳香胺类化合物、腈等）、含硫有机物（硫醇、噻吩、二硫化碳等）、含氮有机物（氯化烃、氯醇、有机氯农药等）等。,大气污染物介绍,吸收净化法定义,吸收：气体混合物中不同组分在吸收剂中溶解度不同，或与吸收剂发生选
2、择性化学反应，将有害组分从气流中分离的过程。 物理吸收：溶解的气体与吸收液不发生明显的化学反应，仅是被吸收的气体组分溶于液体。 例如用洗油吸收烃类蒸汽。 化学吸收：被吸收的气体组分与吸收液发生明显化学反应的吸收过程。 如碱液吸收烟气中的SO2，用水吸收NO2。 气态污染物含量较低，多采用化学吸收法处理。 吸收法优点：捕集效率高、设备简单、一次性投资低。净化含SO2,H2S,HF和NOx等污染物的废气。,在一定温度下，当压力不高时，对于稀溶液的吸收过程符合亨利定律，即吸收质在液体中的溶解度与气相中吸收质的平衡分压成正比。表示式为： c=HP* x=P*/E y*=mx 上式均称为亨利定律 式中
3、c溶质的平衡浓度k molm3 H溶解度系数，kmol(m3kPa) P*溶质组分在气体中的平衡分压， kPa x溶质在液相中的摩尔分数 E亨利系数， kPa y*溶质在气相中的体积分数 m相平衡常数，量纲为一。,吸收净化法原理-亨利定律,相互接触的气液两相之间存在一稳定的相界面，在相界面两侧分别存在两层滞留膜，即气膜和液膜，气膜以外为气相主体，液膜以外为液相主体。 气体的吸收过程： 1、被吸收组分从气相主体通过气膜边界向气膜移动； 2、被吸收组分从气膜向相界面移动； 3、被吸收组分在相界面处溶入液相； 4、溶入液相的被吸收组分从相界面向液膜移动； 5、溶入液相的被吸收组分从液膜向液相主体移动
4、。 传质阻力 1、在相界面处，气液处于平衡状态，无传质阻力存在； 2、在气膜和液膜中，被吸收组分靠扩散作用进行传质，存在气膜阻力和液膜阻力； 3、在气相主体和液相主体中，各组分充分混合，浓度均一，无浓度梯度，无扩散阻力； 4、整个过程的传质阻力等于气膜阻力与液膜阻力之和； 5、传质速率取决于气膜和液膜的分子扩散速率。,吸收法平衡理论-双膜理论,溶质组分通过气膜和液膜吸收速率为： NA=KG(P-P*)=K L(C*-C) 式中KG气相吸收总系数，kmol(m2skPa)； K L液相吸收总系数，ms； P*与液相浓度相平衡的气相分压，kPa； C*与气相分压相平衡的液相浓度，kmolm3。 C
5、溶质的平衡浓度k molm3 P相平衡的气相压，kPa；,吸收法平衡理论-双膜理论,式中的(P-P*) 和(C*-C)是以分压差和浓度差表示的过程总推动力， 而1KG、1K L则表示吸收过程总阻力。 吸收过程的总阻力为气膜阻力与液膜阻力之和。 吸收总系数KG、K L可以通过实验获取。 当气体溶解度很大时，气相传递为控制因素，增大气速对吸收有利。 当气体溶解度很小时，液膜阻力为控制因素，增大液体流量，增强湍流程度对吸收有利。,吸收法平衡理论-双膜理论,吸收法平衡理论-双膜理论,2化学吸收原理 伴有显著的化学反应，较高的选择性和吸收速率，能较彻底除去少量有害气体。 1）化学反应对相平衡的影响 可溶
6、的气态污染物A和吸收剂B发生可逆反应：A+BN。 获得高吸收效率的关键：选择合适的吸收剂使反应进行比较彻底。 2）化学吸收机理 气相中可溶性组分A向两相界面传递，与物理吸收相同； A穿过界面溶于液相； A在液相中传递并与液相中物质B发生反应。,吸收法平衡理论-双膜理论,3）化学反应使吸收速率提高原因 化学吸收过程中，化学反应消耗了进入液相中的溶质，溶质气体的有效溶解度增大而平衡分压降低，增大了吸收过程推动力； 溶质在液膜内扩散的过程中因化学反应而消耗，减小了传质阻力，吸收系数增大。,吸收净化法工艺设备,根据气、液两相界面的接触形式，吸收设备分为表面、鼓泡式和喷洒式吸收器三大类。,1表面吸收器
7、两相接触表面是静止液面或流动的液膜表面。 主要有填料塔、液膜吸收器、水浴吸收器。 1）填料塔按气、液流向分类 逆向流、同向流、错流式。 逆向流填料塔优点：气液接触效果好；各截面推动力大，操作性能稳定；缺点：不适于处理含尘气流，填料层易堵塞。 2）填料 填料主要作用：气液接触提供条件。 要求具备特征：比表面积大、良好的润湿性；有较高的孔隙率（4595）；填料尺寸适当，对气流阻力小；耐腐蚀、机械强度大、造价低、稳定性好。 工业用填料多用实体填料，如拉西环、鲍尔环、马鞍形填料、波纹填料、蜂窝填料等。,吸收净化法工艺设备,逆流填料塔,塔内装有填料，填料表面被吸收液润湿，进行表面吸收。塔内装有支撑板，板
8、上堆放填料层，喷淋的液体通过安装在填料上部的分布器洒向填料。在吸收塔内，气体和液体经常逆流接触，即吸收剂自塔顶向下喷淋，气体从塔底被送入，沿填料间空隙上升，填料的润湿表面作为气液接触的传质表面。常用的填料塔填料种类有拉西环、鲍尔环、鞍形和波纹填料等。,吸收净化法工艺设备,鲍尔环,海尔环,阶梯环,吸收净化法工艺设备,蜂窝填料,陶瓷波纹填料,为保证填料塔运行稳定，一般要求液体喷淋密度在10m3/m2h以上，并力求喷淋均匀。填料塔的空塔气速一般为0.31.5ms，压降通常为0.150.60kPa/m填料，液气比为0.52.0kg/m3。 填料塔具有结构简单、便于制造，汽液接触良好，压降较小等优点。缺
9、点是当烟气中含有悬浮颗粒时，填料容易堵塞，清理检修时填料损耗大。,吸收净化法工艺设备,吸收净化法工艺设备,2鼓泡式吸收器（板式塔） 气体以气泡形式分散于液体吸收剂中。 主要有板式塔，如泡罩塔、筛板塔。 采用气液两相逆流。 板式塔广泛用于气体吸收、除尘等操作。 结构及工作过程： 塔内装有若干层塔板（打孔板，即筛板），吸收液靠重力自塔顶流向塔板，靠圆形或弓形溢流堰在塔板上保持一定的液层，废气以鼓泡或喷射形式穿过板上液层，在塔板上气液相互接触进行传质、传热。,在截面为圆形的塔内，沿塔高装有多层筛板。筛板上开有215mm的小孔，开孔率一般为625。操作时，气体从下而上经筛孔进入筛板上的液层，塔板上的液
10、层厚度为30mm左右，气液在筛板上交错流动，通过气体的鼓泡进行吸收。气液可以进行逐级的多次接触。 操作时一般控制气体通过筛板塔的空塔速度为1.02.5m/s，气体穿过筛孔的气速约为4.512.8m/s，每块板的压降为0.82.0kPa。,吸收净化法工艺设备,吸收净化法工艺设备,3喷洒吸收器（喷淋塔） 喷洒吸收器中液体以液滴形式分散于气体中。 气液两相逆流操作，吸收液通过喷嘴均匀地向下喷洒，气、液吸收通过液滴接触而进行。 主要参数：喷淋密度不小于1020m3/L，可循环用液。 优点：结构简单，投资省； 气体压降小，运行费用低； 可用于高温气体冷却、除尘。 缺点：喷嘴易堵，小球寿命短,填料小球的基
11、本要求： 质轻，耐磨损，耐高温。（聚乙烯、聚丙烯或发泡聚苯乙烯等塑料制成）,吸收净化法工艺设备,吸收设备的选择把握以下原则： （1）当气液反应速度非常快，可以优先选用喷淋塔、填料塔等； （2）若反应极快，热效应大时，也可以考虑采用筛板吸收塔； （3）如果反应物浓度高，可选用喷雾塔洗涤器； （4）当气液传质速度慢时，需要提供大量的液体，采用鼓泡塔。 （5）在吸收过程产生固体时，宜选用内部构件少、阻力小、压降小的设备，如泼水轮吸收室等。 （6）在达到吸收要求的前提下，尽可能选用结构简单、造价低廉、容易操作的设备。在常见的吸收设备中，结构的复杂程度：喷淋吸收塔填料塔板式,吸收设备的选择,（1）吸收剂
12、的选择原则 吸收剂应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； 吸收剂的蒸汽压低，以减少吸收剂损失，避免吸收液成分进入气相，造成新的污染；吸收剂沸点高、熔点低、粘度低，不易起泡； 化学性能稳定，腐蚀性小、无毒性、难燃烧； 价廉易得； 易于解吸再生或综合利用。 任何一种吸收剂很难同时满足以上要求，实际上可根据具体情况，权衡各方面因素而定。,吸收剂的选择,2）吸收剂的选择 对于物理吸收，要求溶解度大，可以按照相似相溶规律选择吸收剂，即从与吸收质结构相近物质中筛选吸收剂； 对于化学吸收过程，可以选择容易与被吸收气体发生反应的物质作吸收剂； 对于酸性气体，如CO2、NO2、HF等，可以优
13、先选用碱或碱性盐溶液吸收； 水是一种常用的吸收剂，是许多吸收过程的首选对象。 用水做吸收剂，主要是靠这些物质在水中溶解度较大的特性，一般在加压和低温下吸收，在降压和升温下解吸。用水作吸收剂的优点是价廉易得、吸收流程、设备和操作都比较简单；缺点是设备庞大、净化效率低、动力消耗大。,吸收剂的选择,碱金属钠、钾、铵或碱土金属钙、镁等的溶液，是另一类常用吸收剂。由于这一类吸收剂能与被吸收的气态污染物如SO2、HCl、HF、NO2等之间发生化学反应，因而使吸收能力大大增加。 吸收碱性气体常用各种酸进行吸收。 化学吸收的流程较长、设备较多、操作较复杂，吸收剂价格较贵，吸收剂再生困难，能耗和化学品消耗大。因
14、而在选择吸收剂时，要权衡多方面的因素来确定。,吸收剂的选择,（3）吸收剂的再生 吸收剂使用到一定程度，需要处理后再使用，处理的方式: 一是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。 二是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。,吸收剂的选择,吸收净化法工艺注意问题,吸收法净化气态污染物的工艺配置应考虑以下问题： 1.烟气除尘 废气含烟尘，吸收前应除去烟尘。 干式电除尘器或布袋除尘器； 湿式除尘最好，冷却和除尘作用兼备。 2.烟气的预冷却 烟气温度高，不宜直接吸收，降温可提高
15、吸收效率。 冷却烟气方法： 设置间接冷却器； 直接增湿冷却； 用预洗涤塔除尘增湿降温。 综合考虑高温烟气冷却到333K左右适宜。,吸收净化法工艺注意问题,3.设备、管道的结垢和堵塞 吸收净化过程产生一些固体物质，导致结垢和堵塞。 解决方法： 工艺操作上，控制水分蒸发量，控制溶液pH值，严格控制进入吸收系统的粉尘量等； 设备选择上，选择不易结垢和堵塞的吸收器，减少吸收器内部构件，增加其内部的光滑度； 操作上，提高流体的流动性和冲击性。 4.吸收操作 吸收操作是提高吸收效果的关键。 气液接触方式：顺流、逆流和错流； 操作方式：一次吸收和循环吸收；一个吸收塔内分为一段吸收和多段吸收；并联吸收和串联吸
16、收等。,吸收净化法工艺注意问题,5.除雾 洗涤器内易生成“水雾”、“酸雾”或“碱雾”，对烟囱造成腐蚀，产生结垢，排入环境造成污染。 解决办法：处理后烟气经过除雾器（折流式、旋风、丝网和电）之后再排放。 6.气体再加热 高温烟气净化后，温度下降很多，直接排入大气，在一定的气象条件下，将出现“白烟”现象； 另外，烟气温度低，热力抬升作用减少、扩散能力降低，容易造成局部污染。,吸收净化法工艺注意问题,加热再排放办法： 净化后烟气与一部分未净化高温烟气混合； 设置尾部燃烧炉：在炉内燃烧天然气或重油，产生高温燃烧气，再与净化气混合后排放。 目前国外的湿式排烟脱硫装置，大多采用此法。 7.吸收液的后处理 吸收气态污染物产生富液，直接排放，浪费资源，造成环境污染。 处理目的：恢复原有的吸收能力； 加工成副产品回收。 处理方法：物理分离、化学反应等。,