第8章-吸收法净化气态污染物.

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,8,章吸收法净化气态污染物,吸收平衡,吸收速率,吸收设备及设计,吸收法应用,吸收是根据气体混合物中各组分在液体溶剂中,物理溶解度差异,或者,化学反应活性,的不同，将污染物从气相中分离出来的一种方法。,什么叫吸收？,物理吸收：物理溶解度差异,吸收的划分：,用水吸收氨气,用水吸收氯化氢,化学吸收：化学反应活性不同,用,Na,2,CO,3,吸收,SO,2,用稀,H,2,SO,4,吸收,NH,3,8.1,吸收平衡,吸收剂,吸收质,吸收,解吸,氨气水系统,常见气体在水中的平衡溶解度,物理吸收平衡亨利定律,当总压不高（一般在,510,5,Pa,）时，在一定温度下，稀溶液中溶质的溶解度与气相中溶质的平衡分压成正比。,亨利定律的适用条件,气体近似为理想气体，液体可看成理想液体（稀溶液）；,系统的压力不太高（,一般在,510,5,Pa,），温度为常压或低压；,吸收质在气相中的分子状态与在液相中的相同；,气体组分与液体不起化学反应。,化学吸收平衡,C,A,=A,物理平衡,+A,化学消耗,被吸收组分与溶剂相互作用；,被吸收组分在溶液中离解；,被吸收组分与溶剂中的活性组分作用。,A,（液）,+ B,（溶剂）,A,（气）,M,（液）,K,被吸收组分与溶剂相互作用,A,（液）,A,（气）,M,+,+ N,-,K,被吸收组分在溶液中离解,A,（液）,+ B,（液）,A,（气）,M,（液）,K,被吸收组分与溶剂中的活性组分作用,c,B0,活性组分的初始浓度；,x,反应达到平衡后的转化率。,小于,1,8.2,吸收机理,分子扩散：,物质在静止的或垂直于浓度梯度方向作层流流动的流体中传递，是由分子运动引起的，称为分子扩散。,湍流扩散：,物质在湍流流体中传递，除了由于分子运动外，更主要的是由于流体中的质点的运动而引起的，称为湍流扩散。,气体的质量传质过程,分子扩散,扩散过程,湍流扩散,气态污染物,A,通过隋性气体,B,运动，用扩散系数,D,AB,表示：,T,绝对温度，,K,；,D,AB,扩散系数，,cm,2,/s,；,M,气体的靡尔质量；,V,气体在沸点下呈液态时的摩尔体积，,cm,3,/mol,；,A,气体的密度，,g/cm,3,。,气体在气相中扩散,修正的吉里兰方程,扩散系数随介质的种类、温度、压强及浓度的不同而变化。,气体扩散速率实验示意图,液态污染物,A,通过气体,B,的扩散,液态污染物,A,实验中，用水浴维持管子,温度与空气相同,液体表面的下降距离,A1,气体,A,的密度，,g/cm,3,。,L,1,液体的初始速度，,cm,；,L,2,液体的最终速度，,cm,；,p,B1,、,p,B2,分别为,L,1,和,L,2,时的空气分压；,t,变化时间，,s,；,实验测定的气体扩散速率计算式,气态污染物,A,通过液体,B,的扩散系数,D,AB,：,B,液体粘度；,溶剂的缔结因数。,溶剂水甲醇乙醇苯乙醚,2.6,1.9,1.5,1.0,1.0,气体在液体中的扩散,非缔合溶剂,缔合溶剂,吸收理论双膜理论,双膜理论,一、,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。,双膜理论,二、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。,双膜理论,三、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。,双膜理论,四、传质推动力：,1,、在气膜内推动力为：,2,、在液膜内推动力为：,物理吸收速率,气膜,N,A,吸收质传质速率，,kmol/(m,2,.s),；,D,AG,吸收质,A,在气相中的分子扩散系数，,kmol/(m.s.Pa),；,Z,G,气膜厚度，,m,。,p,AG,、,p,Ai,分别是吸收质在气相主体和相界面上的分压，,Pa,；,k,AG,以（,p,AG,p,Ai,）为推动力的气相分传质系数，,kmol/(m,2,.s.Pa),。,物理吸收速率,液膜,N,A,吸收质传质速率，,kmol/(m,2,.s),；,D,AL,吸收质,A,在液相中的分子扩散系数，,m,2,/s,；,Z,L,液膜厚度，,m,。,C,AL,、,C,Ai,分别是吸收质在液相主体和相界面处的浓度，,kmol/m,3,；,k,AL,以（,C,Ai,C,AL,）为推动力的液相分传质系数，,m/s,。,c,A,与气相中,A,组分分压成平衡关系的液相中吸收质的摩尔浓度,，,kmol/m,3,；,P,A,*,与液相主体中吸收质浓度成平衡关系的气相虚拟分压，,Pa,；,K,AL,以（,C,A,*,C,AL,）为推动力的气相总传质系数，,kmol/(m,2,.s.Pa),；,K,AG,以（,p,AG,p,A,*,）为推动力的气相总,传质,系数，,kmol/(m,2,.s),。,总传质速率方程,界面浓度,作图法,解析法,A,组分在气相中的摩尔分数用,y,表示；,A,组分在液相中的摩尔分数用,x,表示,.,界面浓度的确定,吸收系数,气相总传质系数与气、液相传质分系数之间的关系,液相总传质系数与气、液相传质分系数之间的关系,控制步骤,控制,动力学控制,扩散控制,液膜控制,气膜控制,化学吸收,化学反应对吸收的影响,溶质进入溶剂后因化学反应而消耗，单位体积溶剂能,容纳的溶质量增多，表现在平衡关系上为溶液的平衡,分压降低，从而使吸收推动力增加。,如果反应进行的很快，使气体刚进入气液相界面就被,消耗殆尽，则溶质在液膜中的扩散阻力大大降低，甚,至为零，导致总吸收系数增大，吸收速率提高。,填料表面有一部分液体停滞不动或流动很慢，在物理,吸收中这部分液体往往被溶质饱和不能再进行吸收，,但在化学吸收中，则要吸收多得多的溶质才能达到饱,和。,两分子反应中相界面附近液相内,A,与,B,的浓度分布,伴有化学反应的吸收速率,1,、气膜传质仍可按与物理吸收的模式计算；,2,、在气液相界面上，组分,A,仍处于平衡状态，可用亨利定律来描述；,3,、在液膜中，组分,A,的吸收不同于物理吸收，它一面进行物理扩散，一面进行化学反应，若在液膜中未反应完，还要进一步转移到液相主体中继续进行。,伴有化学反应，组分,A,浓度降低加快，吸收速率大大提高。,伴有化学反应的吸收速率的表达方式：,物理吸收速率：,化学吸收速率：,极快速不可逆反应,AB,气相主体,气膜,液相主体,液膜,相界面,反应面,P/C,极快速不可逆反应,A=B,气相主体,气膜,液相主体,液膜,相界面,反应面,P/C,极快速不可逆反应,AB,气相主体,气膜,液相主体,液膜,相界面,反应面,P/C,反应类型判定,临界浓度,：,适用,适用,适用,8.3,吸收设备与设计,在气体净化中，吸收装置一般有三种：,填料塔,板式塔,湍球塔,酸雾吸收塔,填料塔,填料塔,塔内填料的作用：,提供足够大的传质面积，使气液两相充分接触，同时又不能造成过大的阻力。,填料是填料塔的核心，直接关系到操作性能的好坏。,优点：结构简单，气液接触好，压力损失小。,缺点：当废气中含有悬浮物时，易堵塞，检修费用较高。,填料的基本要求：,1,、较大的比表面积，良好的湿润性能；,2,、较大的空隙率，较小的阻力，较宽的操作范围；,3,、足够的机械强度，重量轻，耐腐蚀；,4,、成本低廉，来源广泛。,个体填料：,拉西环、鲍尔环、阶梯环、矩形环、鞍环等。,组合填料：,波纹环、整砌环等。,散堆填料,聚丙烯阶梯环,拉西环,塑料鲍尔环,金属鲍尔环,个体填料,规整填料,陶瓷波纹填料,斜管蜂窝填料,整砌填料,斜管填料,组合填料,立体弹性填料,分子筛,特别填料,塔壁效应、,“干填料现象”,1,、液体喷淋密度在,10m,3,/cm,2,以上，要求尽量喷淋均匀；,2,、塔径,/,填料尺寸之比大于,8,；,3,、分段时，每段高度在,3,5,米以下，或根据手册推荐来选择（填料不同）；,4,、填料塔空塔气速范围：,0.3,1.5m/s,；,5,、压力损失范围：,0.15,0.60kPa/m,；,6,、液气比范围：,0.5,2.0kg/kg,。,湍球塔,湿流体填料,废气,吸收液,净气,污水,填料小球的基本要求：,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）,优点：,气流速度高，处理能力大，不易堵塞；,缺点：,小球寿命短，需经常更换，操作费用较大。,板式塔,废气,筛板：开孔率：,6%,25%,空塔气速：,1.0,2.5m/s,气体通过筛板气速：,4.5,12.8m/s,液体流量：,1.5,3.8m,3,/(m,2,.h),压力损失：每块板,0.8,2.0kPa,优点：,处理能力大，压降小，造价低；,缺点：,操作条件要求高，负荷范围窄，小孔易堵塞。,吸收液,净气,污水,塔型选择原则：,物料系统易起泡沫，宜用填料塔；,有悬浮物残渣的物料或易结垢的物料，易用板式塔中大孔径筛板塔，泡罩塔；,高粘性物料，易用填料塔；,腐蚀性物料，易用板式塔中的结构简单的无溢流筛板塔；,对于处理过程是放热的，宜用板式塔。,1,、根据物性：,塔型选择原则：,气膜控制，宜用填料塔，液膜控制，宜用板式塔 ；,液气比较小时，易用板式塔；,伴有化学反应且反应速度不快时，易用板式塔；,塔径小于,800mm,时，宜用填料塔，塔径较大时，宜用填料塔；,2,、根据操作条件：,吸收剂选择原则：,1,、对污染物具有良好的选择性吸收能力；,2,、在吸收污染物后形成的富液应成为副产品或无污染液体，或更易处理和再利用的物质；,3,、吸收剂的蒸汽压要低，不起泡，热化学稳定性好，粘度低，腐蚀性小；,4,、价廉易得。,吸收工艺配置,1,、烟气除尘；,（,预洗涤装置洗涤塔、文丘里洗涤器）,2,、烟气预冷却；,（换热器降温、烟道直接增湿降温、预洗涤器除尘增湿降温）,3,、解决结垢和堵塞问题；,（严格除尘、控制水分的蒸发量、控制,PH,值、控制液相中易于结晶的组分不要过饱和等；流动床洗涤器；材料选择）,4,、除雾；,（,10,60nm,；水分及气态污染物盐液滴）,5,、气体再加热。,（温度过低“白烟”，烟气抬升不够；循环或尾部燃烧炉）,吸收塔的设计,1,、设计依据,单位时间内处理气体流量；,被吸收组分吸收率或净化后气体浓度；,选择合适的吸收剂；,工艺操作条件。,2,、设计步骤：,吸收塔选择；,确定系统温度、压力；,选择吸收剂；,确定吸收剂用量；,确定吸收设备主要尺寸；,压力损失计算。,最小液气比,物料平衡,相平衡,传质速率方程动力学方程,填料塔的设计,选择吸收剂；,选择填料；,确定控制步骤及传质系数；,确定吸收剂用量；,确定设备主要尺寸；,压力损失计算。,液体,气体,8.4,吸收法的应用,1,、吸收法在烟气脱硫中的应用；,2,、吸收法净化含氮废气；,3,、吸收法净化含氟废气。,喷淋塔,填料塔,湿法烟气脱硫,根据世界卫生组织对,60,个国家,1015,年的监测发现，全球污染最严重的,10,个城市中我国就占了,8,个，我国城市大气中二氧化硫和总悬浮微粒的浓度是世界上最高的。,大气环境符合国家一级标准的不到,1%,，,62%,的城市大气中二氧化硫年日平均浓度超过了,3,级标准（,100mg/m,3,）。,全国酸雨面积已占国土资源的,30%,，每年因酸雨和二氧化硫污染造成的损失高达,1100,亿元。,中国酸雨趋势不容乐观,1997,年下半年，世界银行环境经济专家的一份报告指出：中国环境污染的规模居世界首位，大城市的环境污染状况在目前是世界上最严重的，全球大气污染最严重的,20,个城市中有,10,个在中国。,大气中的二氧化硫和氮氧化物与降水溶合成酸雨，现在中国是仅次于欧洲和北美的第三大酸雨区。大气污染严重破坏生态环境和严重危害人体呼吸系统，危害心血管健康，加大癌症发病率，甚至影响人类基因造成遗传疾病。,1990,年,12,月，国务院环委会第,19,次会议通过了,关于控制酸雨发展的意见,1992,年国务院批准在贵州、长沙等九大城市开展征收工业烧煤二氧化硫排污费和酸雨结合防治试点工作,1995,年,8,月，全国人大常委会通过了新修订的,中华人民共和国大气污染防治法,，规定在全国划定酸雨控制区和二氧化硫控制区，并在“两控区”内强化对二氧化硫和酸雨的污染控制,1998,年,1,月，国务院正式批准,酸雨控制区和二氧化硫控制区划分方案,。为了实现两控区的控制目标，国务院文件还具体规定：新建、改造烧煤含硫量大于,1%,的电厂，必须建设脱硫的设施。现有烧煤含硫量大于,1%,的电厂，要在,2010,年前分期分批建成脱硫设施或采取其他相应结果的减排,SO,2,的措施。,我国政府对二氧化硫和酸雨污染的控制及管理措施,烟气脱硫的方法根据物理及化学的基本原理，大体上可分为,吸收法、吸附法、催化法,三种。吸收法是净化烟气中,SO,2,的最重要的且应用最广泛的方法。吸收法烟气脱硫也称为湿法或湿式烟气脱硫。,湿法烟气脱硫的优点是脱硫效率高，设备小，投资省，易操作，易控制，操作稳定，以及占地面积小。,目前常见的湿法烟气脱硫有：,石灰石,/,石灰,石膏法抛弃法、钠洗法、双碱法及氧化镁法等。,湿法烟气脱硫中，,SO,2,和吸收剂的主要化学反应,SO,2,溶于水形成亚硫酸,H,2,O+SO,2,H,2,SO,3,H,+,+HSO,3,-,2H,+,+SO,3,2-,温度升高时，反应平衡向左移动,同水的反应,SO,2,易与碱性物质发生化学反应，形成亚硫酸盐。碱过剩时生成正盐；,SO,2,过剩时形成酸式盐。,2MeOH+SO,2,Me,2,SO,3,+H,2,O,Me,2,SO,3,+SO,2,+H,2,O,2MeHSO,3,Me,2,SO,3,+MeOH,Me,2,SO,4,+H,2,O,亚硫酸盐不稳定，可被烟气中残留的氧气氧化成硫酸盐：,Me,2,SO,3,+1/2O,2,MeSO,4,同碱反应,SO,2,易同弱酸盐反应生成亚硫酸，继之被烟气中的氧气氧化成稳定的硫酸盐。如同石灰石反应：,CaCO,3,+SO,2,+1/2H,2,O CaSO,3,1/2H,2,O+CO,2,2CaSO,3,1/2H,2,O+O,2,+3H,2,O 2CaSO,4,2H,2,O,同弱酸盐反应,SO,2,同氧化剂反应生成,SO,3,：,SO,2,+1/2O,2,SO,3,（,催化剂,）,在催化剂的作用下，可加速,SO,2,氧化成,SO,3,的反应。在水中，,SO,2,经催化剂作用被迅速氧化成,SO,3,，并生成,H,2,SO,4,：,SO,2,+1/2O,2,+H,2,O,H,2,SO,4,(,加热,),同氧化剂反应,金属氧化物，如,MgO,、,ZnO,、,MnO,、,CuO,等，对,SO,2,均有吸收能力，再用加热的方法使吸收剂再生，并得到高浓度的,SO,2,。这里以,MgO,为例加以说明：,MgO+H,2,O,Mg(OH),2,Mg(OH),2,+SO,2,+5H,2,O,MgSO,3,6H,2,O,MgSO,3,6H,2,O,MgSO,3,+6H,2,O,(,加热,),MgSO,3,MgO+SO,2,(,加热,),吸收剂再生后可循环使用，并可回收,SO,2,，达到高浓度的气态,SO,2,。经液化后得到液态,SO,2,。,同金属氧化物的反应,目前二氧化硫减排的主要措施：,1,、,原煤脱硫技术。,可以除去燃煤中大约,40,60,的无机硫。,2,、,优先使用低硫燃料。,如含硫较低的低硫煤和天然气等。,3,、,改进燃煤技术。,减少燃煤过程中二氧化硫和氮氧化物的排放量。例如，液态化燃煤技术，它主要是利用加进石灰石和白云石，与二氧化硫发生反应，生成硫酸钙随灰渣排出。,4,、,烟气脱硫。,目前主要用石灰法，可以除去烟气中,85,90,的二氧化硫气体，脱硫效果好但有时成本较高。例如，在火力发电厂安装烟气脱硫装置的费用，要达电厂总投资的,25,之多。,吸收能力高。,要求对,SO,2,具有较高的吸收能力，以提高吸收速率，减少吸收剂的用量，减少设备体积和降低能耗。,选择性能好。,要求对,SO,2,具有良好的选择性能，对其他组分不吸收或吸收能力很低，确保对,SO,2,具有较高的吸收能力。,挥发性低，无毒，不易燃烧，化学稳定性好，凝固点低，不发泡，易再生，粘度小，比热小。,不腐蚀或腐蚀小，以减少设备投资及维护费用。,来源丰富，容易得到，价格便宜。,便于处理及操作，不易产生二次污染。,湿法烟气脱硫用脱硫剂的要求,Ca O,Ca,（,OH,）,2,CaSO,3,（,1,）湿法烟气脱硫在,燃煤发电厂及中小型燃煤锅炉,上获得广泛的应用，成为当今世界上燃煤发电厂采用的脱硫主导工艺技术。这是由于湿法烟气脱硫效率高、设备小、易控制、占地面积小以及适用于高中低硫煤等。目前，在国内外燃煤发电厂中，湿法烟气硫占总烟气脱硫的,85%,左右，并有逐年增加的趋势。在我国中小型燃煤锅炉中，湿法烟气脱硫占,98%,以上，接近,100%,。,湿法烟气脱硫技术的应用,（,2,）在国内外燃煤发电厂湿法烟气脱硫中，石灰石,/,石灰,石膏法、石灰石,/,石灰,石膏抛弃法烟气脱硫，占烟气脱硫总量的,83%,左右，其中石灰石,/,石灰,石膏法占,45%,以上，并有逐年增加的趋势，而石灰石,/,石灰,石膏抛弃法呈逐年下降的趋势。前者的副产品建筑材料石膏，对环境不造成二次污染。在我国中小型燃煤锅炉上，抛弃法烟气脱硫占主导地位，,SO,2,一般不回收，多以硫酸盐或亚硫酸盐抛弃。,湿法烟气脱硫技术的应用,（,3,）湿法石灰石,/,石灰,石膏烟气脱硫中，由于石灰石来源丰富，价格比石灰低得多，多年来形成了湿法石灰石,石膏烟气脱硫技术，并在国内外燃煤发电厂中获得广泛的应用，其应用量有逐年增加的趋势。,（,4,）湿法石灰石,/,石灰工艺可适用于高中低硫煤种。,（,5,）湿法烟气脱硫技术，尤其是石灰石,/,石灰烟气脱硫技术，除在,燃煤发电厂,获得广泛应用外，在,硫酸工业、钢铁工业、有色冶金工业、石油化工,以及,燃煤工业窑炉,等烟气脱硫中也获得广泛的应用。,湿法烟气脱硫技术的应用,（,6,）美国烟气脱硫工程的基本建设投资费用，占电厂总投资的,1020%,。我国珞璜电厂已运行的,2,台,36,万,KW,机组，湿法石灰石,/,石灰,石膏法烟气脱硫总投资为,2.26,亿元，占电厂同期总投资的,11.15%,，年运行费用为,8319,万元，脱除每吨,SO,2,的费用为,945,元。,可见，削减,SO,2,的排放量，防治大气,SO,2,污染，需要投入大量的资金和人力。因此，实施严格的排放标准，必须以高额的环保投资为代价。,湿法烟气脱硫技术的应用,1,、石灰石,-,石膏湿法,Limestone-Gypsum process,2,、镁法,-Magnesium process,3,、钠法,-Sodium process,4,、氨法,-Ammonium process,5,、海水法,-Sea Water Process,不同烟气脱硫方法的典型工艺流程,石灰法,镁法,钠法,氨法,海水法,加镁石灰法烟气脱硫工艺,由,MgO,和,CaO,根据具体工艺按一定比例配制成脱硫剂，以廉价,CaO,为主要消耗品，又充分利用,MgO,良好的脱硫性能，降低了液气比，同时解决了工艺系统中的结垢问题，实现长期稳定、经济高效的烟气脱硫。 系统一般由,脱硫剂制备系统、吸收氧化系统、副产品处理系统、烟气再热系统,和,控制系统,等组成，具体系统配置取决于工程实际情况。加镁石灰法适用于装机容量,50MW,以上，烟气流量,300,000m3/h,以上的机组。,文丘里除尘脱硫,一体化装置,文丘里洗涤器可单独作为除尘器，也可以同时进行除尘脱硫。其脱硫除尘过程，可分为雾化、凝聚反应和分离除尘（脱水或除雾）三个阶段。第一阶段在文丘里管内进行，第三阶段在分离器内进行，第二阶段则在两者内同时进行。,