第05章吸收净化法.ppt

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1、第五章 吸收法净化气态污染物,气态污染物控制的方法主要有两大类:,分离法：是利用污染物与废气中其它组分的物理性质的差异使之从废气中分离出来，如：,吸收,吸 附,冷 凝,催化转化,膜分离,转化法：是使废气中污染物发生某些化学反应，使之转化成无害物质或易于分离的物质，如：,燃烧法,生物处理法,电子束法,概念：吸收法是根据气体混合物中各组分在液体溶剂中物理溶解度和化学反应活性不同而将混合物分离的一种方法。 特点：优点：效率高、设备简单、一次投资相对较低等；缺点：产生废液、设备易受腐蚀。 分类： 物理吸收 化学吸收,一般来说，化学反应的存在能提高反应速度，并使吸收的程度更趋于完全。结合大气污染治理中所

2、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。,第一节 吸收平衡,一、物理吸收平衡 1、气体组分在液相的吸收 混合气体 吸收 吸收剂 （可吸收组分） 解吸 （液相） 溶解度：在一定的温度和压力下，吸收过程的速率和解吸过程的速率相等时气体溶质在液相中的含量称为该气体的平衡溶解度，在同一系统中随温度的升高而减小，随压力的增大而增大。,气-液相平衡关系曲线 又称溶解度曲线,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，P总增大，溶解度增大,一定温度下，总压不大时（不超过5105Pa），稀溶液中溶质的溶解度与其在气相中平衡分压成正比：,p*A 气相

3、组分A的平衡分压，Pa cA液相中组分A的浓度，mol/m3 xA 溶质在液相中的摩尔分数; HA、E 亨利系数，单位分别为mol/(m3Pa)和Pa。,2、亨利（Henry）定律,典型气体在水中的亨利系数,25时 E (kPa) CO 5.88 106 CO2 1.66 105 H2S 0.552 105 SO2 0.413 104,上述气态物质被水溶解的难易程度？,E越小，该气体越易溶于水。,例：推算温度25，分压为1.013105Pa时，CO2在水中的溶解度(以mol/m3表示),解：利用x=P*/E 查表得25时E=1.66105Kpa，则：,1m3水的物质的量为：5.56104mol

4、，则：,设气态污染物A与吸收液所含组分B发生反应： aA + bB mM + nN,二、化学吸收平衡,气态污染物A在溶液中的转化过程： aA（气） aA（液）+ bB mM + nN 体系中主要存在气液平衡和化学平衡,气态污染物的总净化量 A净化=A物理平衡+A化学消耗 其中 A物理平衡=HAP*A A化学消耗：在达到化学平衡时，根据化学平衡常数K和反应前后某种反应物浓度的变化可以求出生成物浓度，再由化学反应方程式即可求出A化学消耗。 下面讨论几种特殊情况：,1、被吸收组分A 与溶剂相互作用 A（气） A（液）+B（溶剂） M（液） 由亨利定律 A 物理平衡=HAPA* 由化学平衡 A化学消耗

5、=M =K BA物理平衡 故 CA=（1+KB）HAPA*,比较上式发现：由于化学反应使溶解度系数增大至（1+KB）倍。,2、被吸收组分在溶液中离解 A（气） A（液） M+N 则 A物理平衡 =HAPA* A化学消耗=M+=（KA物理平衡 ）0.5 CA=A物理平衡 +A化学消耗 =HAPA*+（KHAPA*） 0.5,3、被吸收组分与溶剂中活性组分作用 如碱液吸收二氧化硫。此时活性组分B的浓度在反应前后不能视为不变。 A （气） A（液）+B（液） M（液） 设溶剂中活性组分的初始浓度为CB0，若平衡转化率为x， 则溶液中组分B的平衡浓度为B=CB0(1x)，而生成物M的平衡浓度为： M=

6、CB0x， CA=A+xCB0,K=M/(AB)=x/A(1x) 又有A=HAPA*，代入上式得 PA*=x/(KHA(1x) 若物理溶解量与化学溶解量相比可忽略，令K1=KHA，表征带有化学反应的气液平衡，得 CAxCB0=CB0K1PA*/(1+K1PA*) CB0,又,第二节 吸收速率,1、双膜理论,一、物理吸收速率,2、吸收过程速率 由费克定律可推出： 对于气膜：NA=kAG(PAGPAi) 对于液膜： NA=kAL(CAiCAL) 式中： NA被吸收组分A的传质速率，kmol/(m2s) PAG、PAi 组分A在气相主体和界面处的分压， Pa CAL、CAiA在液相主体和界面处的浓度

7、，kmol/m3 kAG气相传质系数， kmol/(m2sPa) kAL液相传质系数，m/s,总传质速率方程如下： NA=KAG(PAGPA*) NA=KAL(CA*CAL) 其中：,PA*=CAL/HA CA*=HAPAG,气膜控制：气膜阻力液膜阻力 物理吸收类型 液膜控制：气膜阻力液膜阻力 提高物理吸收过程吸收速率的措施： 1、提高气液相对运动速度，以减小气膜和液膜的厚度； 2、增大供液量，降低液相吸收质浓度，以增大吸收推动力； 3、增大气液接触面积； 4、选用对吸收质溶解度大的吸收剂。,1、化学吸收的优点 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 液膜扩散阻力降低 填料表面的

8、停滞层仍为有效湿表面,湿式脱硫：石灰/石灰石洗涤烟气脱硫 干法脱硫：喷雾干燥烟气脱硫：SO2被雾化的Ca(OH)2浆液或Na2CO3溶液吸收,采用吸收法处理气态污染物时，通常采用化学吸收。,二、化学吸收速率,二、化学吸收速率 2、化学吸收过程 气相反应物A从气相主体经气膜向气液相界面传递； 气相反应物A从气液相界面向液相传递； 反应组分在液膜或液相主体内与反应物相遇发生化学反应； 反应生成的液相产物向液相主体扩散，留存于液相，若生成气相产物则向相界面扩散； 气相产物自相界面向气相主体扩散。(与物理吸收过程有何区别？),第三节 吸收设备与设计,一、吸收设备 对吸收设备的要求 （1）气液有效接触面

9、积大 （2）气液湍动程度高 （3）设备的压力损失小 （4）结构简单，易于操作和维修 （5）投资和操作费用低,分类,填料反应器,板式反应器,1、填料床反应器塔 逆流式填料塔应用最多。吸收剂自塔顶向下喷淋，均匀地流经填料层，气体从塔底被送入，沿填料间空隙上升，填料的润湿表面作气液接触的传质表面。 常用的填料有拉西环、鲍尔环、鞍形填料等。,填料塔优点：结构简单、便于制造，气液接触良好，耐腐蚀等。 缺点：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。,填料塔结构,拉西环,填料的类型,蜂窝填料,陶瓷波纹填料,2、板式反应器,操作时，气体从下而上通过塔板上的各种孔眼，气液在筛板上交错流动，通

10、过气体的鼓泡进行吸收。气液可以进行逐级的多次接触。 塔板主要有筛孔板和泡罩板两种,筛孔板式塔,1、湍球塔 塔内筛板上装有空心或实心小球。气流高速通过筛板时，小球在塔内湍动旋转，相互碰撞，吸收剂自上向下喷淋，多为逆流吸收操作。 湍球塔采用的小球通常由聚乙烯、聚丙烯或发泡聚苯乙烯等塑料制作，也有采用不锈钢的。,湍球塔的优点：气速高，处理能力大，吸收效率高，不易被固体颗粒堵塞。 缺点是阻力较高，塑料小球不能承受高温，使用寿命短，需经常更换。,3、其它吸收设备,2、喷淋塔 （空塔）,用喷嘴将液体喷射成为许多细小的液滴，以增大气-液相的接触面积，完成传质过程。比较典型的设备是空心喷洒吸收器和文丘里吸收器

11、。喷淋塔的结构见下图。 在吸收器中，气体通常是自下而上流动，而液体则是由装在塔顶的喷射器呈喇叭状喷洒。当塔体比较高时，可将喷洒器分层放置，也可以采用组合喷洒方式。 空塔结构简单，造价低廉，阻力小，效率较高（90），因此在火电厂烟气湿法脱硫中得到了广泛的应用。,喷淋塔,二、吸收流程,（1）逆流流程：气液分别由两端逆向流动进入吸收装置的流程称为逆流流程。逆流流程在实际应用中较多，如火电厂湿法烟气脱硫中大多数工艺都采用逆流吸收塔。 （2）并流流程：气液由同一端、按同一方向流动而进入吸收装置的流程称为并流流程。并流流程在实际应用中较少。 （3）错流流程：气体沿水平方向进入吸收装置，吸收液自上而下喷淋，

12、在吸收装置中呈交叉状。,吸收液 吸收液 气体 吸收液 气体 气体 逆流型 并流型 错流型 吸收流程,三、 吸收设备设计,1、吸收剂用量,LS过大，有利于吸收。但动力消耗，吸收剂再生费用，造成大量废水。,LS过小，不利于吸收。不能达到要求。,根据实际经验，一般取：L=(1.12.0)Lmin。,若为低浓度气体吸收，且溶液为稀溶液，则,Ls：单位时间通过任一截面单位面积的吸收剂流量, kmol/(m2s),GB：单位时间通过任一截面单位面积惰性气体流量, kmol/(m2s),Y1，Y2：入口和出口混合气体中吸收质与惰性气体的摩尔比,X2：入口液相中吸收质与吸收剂的摩尔比,X1*：吸收液与进口Y1

13、平衡时吸收质与吸收剂的摩尔比,例：在20，1.013105Pa条件下，填料塔中用水洗涤含8%SO2的烟气。要求净化后塔顶排气中SO2浓度降至1%，净化烟气量为300m3/h。计算逆流吸收过程所需最小液流量。（已知E=0.355104kPa ）,解： 由于低浓度气体吸收，且溶液为稀溶液，其气液关系服从亨利定律.从而最小气液比为：,2、塔径的计算,qv处理气量，m3/s； v0空塔气速，m/s。,2、填料层高度的计算,LSXB1,dh,1,GSYA1,GSYA2,LSXB2,h,GSYA,GS(YA+dYA),LSXB,LS(XB-dXB),H,2,YA1，YA2：塔顶、塔底混合气体中A与惰性气体

14、的摩尔比,XB1，XB2 ：塔顶、塔底液相中A与吸收剂的摩尔比,L，G ：液相、气相的总流量mol/(m2s),CI，CT ：吸收剂浓度、液相总浓度mol/m3,pI，p ：惰性气体分压、气相总压(Pa),任一截面处组分YA与XB的关系,填料塔高度H的计算,第二节 吸收工艺的配置,一、吸收剂的选择,(1) 吸收剂应对溶质组分有较大的溶解度，而对混合气体中的其它组分溶解度甚微，否则不能实现有效的分离。 (2)吸收剂在吸收污染物后形成的富液应成为副产品或无污染液体，或是易处理及再生利用的物质。 (3) 在操作温度下，吸收剂的蒸汽压要低，即挥发度要小，以减少吸收剂的损失量。 (4) 吸收剂的粘度越低

15、，越有助于吸收过程的进行。 (5) 其它 应尽可能无毒性、无腐蚀性、不易起泡、价廉易得，且化学性质稳定。,二、工艺流程设置中的其它问题,（一）烟气除尘 废气含烟尘，吸收前应除去烟尘。 湿式除尘最好，冷却和除尘作用兼备。 （二）烟气的预冷却 烟气温度高，污染物溶解度降低，对吸收不利，降温可提高吸收效率。 冷却烟气方法： 1、设置间接冷却器； 2、直接增湿冷却； 3、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。,吸收法净化气态污染物的工艺配置应考虑以下问题：,（三）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

16、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；,（四）除雾 洗涤器内易生成“水雾”、“盐雾”、“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之后再排放。,高温烟气湿式净化后，烟气被冷却增湿，如直接排入大气，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。,（五）气体再加热,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

17、外的湿式排烟脱硫装置，大多采用此法。,第五节 吸收净化法的应用,一、吸收法在烟气脱硫中的应用 （一）石灰石/石灰石膏法烟气脱硫,是最早实现工业化应用的烟气脱硫技术，也是目前应用最广泛的脱硫技术,SO2+CaO+1/2H2OCaSO31/2H2O SO2+CaCO3+1/2H2OCaSO31/2H2O+CO2 CaSO31/2H2O+SO2 +1/2H2OCa(HSO3)2,1、反应原理,（1）吸收,2CaSO31/2H2O+O2+3H2O 2CaSO42H2O Ca(HSO3)2+0.5O2+3H2O CaSO42H2O+SO2,（2）氧化,2、工艺流程: 石灰石经过破碎、研磨、制成浆液后输送

18、到吸收塔。吸收塔内浆液经循环泵送到喷淋装置喷淋。 烟气从烟道引出后经增压风机增压，进入烟气冷却器冷却后进入吸收塔。烟气在吸收塔中与喷淋的石灰石浆液接触，除掉烟气中的SO2，洁净烟气从吸收塔排出后经烟气加热器加热后排入烟道。 吸收塔内吸收SO2后生成的亚硫酸钙，经氧化处理生成硫酸钙，从吸收塔内排出的硫酸钙经旋流分离（浓缩）、真空脱水后回收利用。,湿法石灰石(石灰)/石膏法烟气脱硫技术系统图,（二）海水烟气脱硫技术,基本原理利用天然海水的碱度（pH 8.0-8.3 ）脱除烟气中SO2 。在脱硫吸收塔内，大量海水喷淋洗涤塔内的烟气，SO2被海水吸收而除去，净化后的烟气经除雾器除雾、烟气换热器加热后排

19、放。 海水脱硫工艺适用于靠海边、用海水作为冷却水、燃用低硫煤的电厂。 该工艺最大问题是烟气脱硫后可能产生的重金属沉积，对海洋环境的影响需要长时间的观察才能得出结论，因此在环境质量比较敏感和环保要求较高的区域需慎重考虑。,烟气中SO2与海水接触发生以下主要反应： SO2(g) + H2O H2SO3 H+ + HSO3- HSO3- H+ + SO32- SO32- + 1/2O2 SO42- 吸收SO2后的海水酸性增强，pH值一般在3左右，需新鲜的碱性海水与之中和，脱硫后海水中的H+与新鲜海水中的碳酸盐发生以下反应： HCO3- + H+ H2CO3 CO2+ H2O 在进行中和反应的同时，需

20、鼓入大量空气进行曝气，其作用主要有：（1）将SO32-氧化成为SO42-；（2）利用机械力将大量CO2赶出，使平衡右移，提高pH ；（3）提高脱硫海水的溶解氧，达标排放。,用碱金属盐或碱类水溶液吸收SO2，后用石灰或石灰石再生 解决结垢问题和提高SO2的利用率,双碱法脱硫技术,Na2CO3+SO2Na2SO3+CO2 2NaOH+SO2Na2SO3+H2O 2Na2SO3+SO2+H2O2NaHSO3,2NaHSO3Ca(OH)2=Na2SO3+CaSO3 2H2O Na2SO3+Ca(OH)2=2NaOH+CaSO3,再生过程（用石灰乳） ：,吸收过程：,双碱法FGD工艺,（三）氨法烟气脱硫

21、 以氨水作为SO2的吸收剂，所产生的副产品为亚硫酸氨,图 氨法烟气脱硫工艺流程,(NH4)2SO3+1/2O2+3H2O (NH4)2SO4,脱硫过程 SO2被雾化的Ca(OH)2浆液或Na2CO3溶液吸收 温度较高的烟气使液滴干燥形成干固体废物 干废物由袋式或电除尘器捕集 设备和操作简单，废物量小，能耗低（湿法的1/21/3),（四）喷雾干燥法烟气脱硫,一种半干法（湿干法）脱硫工艺，采用雾化的脱硫剂浆液进行脱硫，雾滴被蒸发干燥，产物也呈干态。市场份额仅次于湿钙法,1、吸收剂制备；2、吸收和干燥 3、固体捕集；4、固体废物处置,主要过程,二、吸收法净化含氮氧化物废气,吸收法净化氮氧化物按吸收剂

22、可分为：水吸收法，酸吸收法，碱吸收法，氧化吸收法，配位吸收法等。,NO难溶于水，水吸收法不仅不能吸收NO，且放出部分NO。特别不适用于燃烧废气（NO占NOx的95%）脱硝,2NO2+H2O HNO3+HNO2,3HNO2 HNO3+2NO+H2O,1、水吸收法,2、稀硝酸吸收法 NO在稀硝酸中的溶解度比在水中大得多。,三、吸收法净化含氟废气,含氟废气主要是指含HF和SiF4的废气。主要来源于电解铝、炼钢、磷肥、氟塑料生产等行业。其中以电解铝和磷肥工业排放量最大。据测算，每生产一吨铝，要排放1624公斤的氟；生产一吨磷肥排放525公斤氟。,通常采用水、碱性溶液作吸收剂。 HF和SiF4极易溶于水。HF溶于水生成氢氟酸， SiF4溶于水生成氟硅酸和硅胶。 碱吸收法：一般以Na2CO3溶液作吸收剂。用碱水吸收HF或SiF4硅，最后都得到氟化物（NaF或NH4F），再定量地加入偏铝酸钠（NaF溶液中）或硫酸铝和Na2SO4（NH4F溶液中），生成冰晶石。,