第11章

氣態(tài)污染物的其他凈化法

111.1燃燒法

11.1.1燃燒方法概述燃燒凈化法是利用某些廢氣中污染物可以燃燒氧化的特性，將其燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)害或易于進(jìn)一步處理和回收物質(zhì)的方法。該法的主要化學(xué)反應(yīng)是燃燒氧化，少數(shù)是熱分解。由于被處理的廢氣中污染物的濃度、流量及污染物的性質(zhì)不同，燃燒的方式也有不同，可分為以下三種:2直接燃燒:直接燃燒是把可燃的有害氣體當(dāng)燃料來(lái)燃燒的方法，其燃燒溫度一般在1100℃以上。熱力燃燒:熱力燃燒則是利用輔助燃料燃燒所發(fā)生的熱量，把有害氣體的溫度提高到反應(yīng)溫度，使其發(fā)生氧化分解的方法，其溫度一般在760～820℃左右。催化燃燒:為了節(jié)省輔助燃料，利用催化劑使有害氣體在更低溫度（300～450℃）下氧化分解的方法稱為催化燃燒。3熱力燃燒和催化燃燒主要用于可燃組分濃度較低的廢氣，直接燃燒則只能用于可燃組分濃度較高的廢氣。本章僅介紹直接燃燒和熱力燃燒，催化燃燒已在第十章中作了介紹。11.1.2燃燒基本原理

火焰?zhèn)鞑?火焰?zhèn)鞑ダ碚摽煞譃闊醾鞑ダ碚摵妥杂苫B鎖反應(yīng)理論兩類。燃燒反應(yīng)速度與著火溫度

4氧化反應(yīng)速度是燃燒過(guò)程的關(guān)鍵。氧化反應(yīng)速度是溫度和反應(yīng)物濃度的函數(shù)，通?？杀硎緸橹饻囟仁窃谀骋粭l件下開始正常燃燒的最低溫度，即在化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的發(fā)熱速率開始超過(guò)系統(tǒng)的熱損失速率時(shí)的最低溫度。某一條件下的著火溫度高低，取決于過(guò)程中的能量平衡。令燃燒過(guò)程放熱速率為Q1，散熱速率為Q2，則根據(jù)化學(xué)反應(yīng)速度常數(shù)的阿累尼烏斯定律及傳熱原理可有

5燃燒過(guò)程系統(tǒng)的溫度取決于Q1及Q2的相對(duì)大小，但要保證穩(wěn)定的燃燒過(guò)程，不至于在干擾下，著火點(diǎn)移動(dòng)，發(fā)生熄火現(xiàn)象，必須Q1>Q2，即由上式看出：①活化能E較小的可燃物體系易于燃燒，具有較低的著火溫度，如乙烷比甲烷更易著火；②利用催化劑降低燃燒反應(yīng)的E值，可降低著火溫度，提高燃燒反應(yīng)速度，這就是應(yīng)用廣泛的催化燃燒法；

③廢氣中可燃物濃度C過(guò)低時(shí)，不能著火或不易著火，必須添加高濃度輔助燃料，以提高Q1和T，這就是熱力燃燒法；④減少散熱面S或降低傳熱系數(shù)（如采用保溫材料），有利于燃燒穩(wěn)定進(jìn)行，提高初始溫度T0亦有利于著火溫度。

63.爆炸濃度極限

——一定濃度范圍內(nèi)的氧和可燃組分混合物在一個(gè)有限的空間內(nèi)無(wú)控制的燃燒并迅速發(fā)展，會(huì)形成爆炸。

爆炸極限濃度范圍與燃燒極限濃度范圍二者是相同的。它們都有上限和下限兩個(gè)數(shù)值。空氣中含可燃組分濃度低于爆炸下限時(shí)，由于發(fā)熱量不足以達(dá)到著火溫度，不能燃燒，更不會(huì)爆炸；空氣中含可燃組分濃度高于爆炸上限時(shí)，由于氧氣不足，也不能引起燃燒和爆炸。

74.動(dòng)力燃燒、擴(kuò)散燃燒和混合燃燒

可燃物與氧化劑間的燃燒反應(yīng)，包括混合與反應(yīng)兩大步驟，根據(jù)這兩步對(duì)于總?cè)紵^(guò)程影響程度的不同或可燃物與氧化劑混合方式不同，可將燃燒過(guò)程分為動(dòng)力燃燒、擴(kuò)散燃燒及混合燃燒三種。根據(jù)可燃?xì)怏w與空氣的流動(dòng)狀態(tài)，分為層流燃燒與紊流燃燒。

設(shè)燃燒過(guò)程所需全部時(shí)間τE等于可燃物與氧化劑接觸時(shí)間τф和燃燒反應(yīng)時(shí)間τx之和，即

τE＝τф＋τx

（11-6）

若τф<<τx，τE≈τx，即燃燒過(guò)程主要取決于燃燒反應(yīng)時(shí)間，稱為“動(dòng)力燃燒”。

當(dāng)τф>>τx時(shí)，燃燒為擴(kuò)散燃燒。

混合燃燒是介于動(dòng)力燃燒和擴(kuò)散燃燒之間的，這時(shí)燃燒速度既受化學(xué)動(dòng)力學(xué)因素影響，也受流體力學(xué)因素的影響。

811.1.3直接燃燒直接燃燒也稱直接火焰燃燒。直接燃燒的設(shè)備，可以使用一般的爐、窯，也常采用火炬。

火炬是一種敞開式的直接燃燒器，同時(shí)也是排放廢氣的煙筒，俗稱火炬煙囪。

911.1.4熱力燃燒在熱力燃燒中，被處理的廢氣不是直接燃燒的燃料，而是作為助燃?xì)怏w（當(dāng)廢氣中氧含量較高時(shí)）或燃燒對(duì)象（廢氣含氧較低時(shí)）。熱力燃燒主要依靠輔助燃料燃燒產(chǎn)生的熱力，提高廢氣的溫度，使廢氣中烴及其他污染物迅速氧化，轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)害的二氧化碳和水蒸氣。1、熱力燃燒的“三T”條件：反應(yīng)溫度（Temperature）、停留時(shí)間（Time）、湍流（Turbulence）102.熱力燃燒設(shè)備：熱力燃燒爐由兩部分構(gòu)成，一是燃燒器，燃燒輔助燃料以產(chǎn)生高溫燃?xì)?；二是燃燒室，高溫燃?xì)馀c冷廢氣在此充分混合以達(dá)到反應(yīng)溫度，并提供足夠的停留時(shí)間。按照燃燒器不同形式，可將燃燒爐分為配焰燃燒器系統(tǒng)與離焰燃燒器系統(tǒng)。（1）配焰燃燒器系統(tǒng)

（2）離焰燃燒器系統(tǒng)

（3）利用鍋爐燃燒室進(jìn)行熱力燃燒

11圖11-3配焰燃燒器系統(tǒng)

圖11-4使用離焰燃燒器的燃燒爐

123.熱力燃燒設(shè)計(jì)計(jì)算

燃燒爐內(nèi)總停留時(shí)間及燃燒室體積可按下式估算

例11-1有一廢氣，擬用天然氣作輔助燃料，廢氣助燃，熱力燃燒凈化，使用50％過(guò)量的助燃廢氣，廢氣所含可燃組分熱值忽略不計(jì)，其中含氧量與空氣一樣，有關(guān)物理參數(shù)可按空氣計(jì)，反應(yīng)溫度為760℃，燃燒前廢氣溫度為20℃，試估算每?jī)艋?000Nm3廢氣，需用天然氣多少？助燃廢氣與旁通廢氣各占多少？13141511.1.5熱能回收及安全（1）讓從燃燒爐出來(lái)之熱凈化氣與廢氣進(jìn)行熱交換（2）部分循環(huán)熱凈化氣（3）將燃燒后熱凈化氣用于其他需要熱能的地方

圖11-5附有熱回收的熱力燃燒爐1.輔助燃燒器；2.廢氣燃燒室16燃燒法處理含可燃物廢氣時(shí)，保證安全是很重要的，在設(shè)計(jì)和操作中都必須十分重視這個(gè)問題。一般采取的安全措施有：（1）將廢氣中可燃組分的濃度控制在爆炸下限的25％以下（直接燃燒法除外）；（2）設(shè)阻火器，以防止回火；（3）在可能爆炸的容器設(shè)備上需要安設(shè)防爆膜，以便萬(wàn)一發(fā)生爆炸時(shí)可以及時(shí)泄壓，防止或減輕設(shè)備破壞和安全事故；（4）嚴(yán)格執(zhí)行安全操作規(guī)程。如燃燒爐點(diǎn)火以前，必須用空氣吹掃風(fēng)道及爐子，勿使任何可燃?xì)怏w存在或聚集在風(fēng)道和爐子中。在點(diǎn)火升溫以前，還應(yīng)當(dāng)清理爐子、風(fēng)道、換熱器中沉積的油垢、可燃冷凝液體等；（5）燃燒爐采用負(fù)壓操作，這樣高溫燃?xì)夂腿紵煌耆挠泻怏w不致逸出爐外。此外，還應(yīng)根據(jù)具體情況，訂出其他相應(yīng)的安全措施和操作規(guī)程。

1711.2冷凝法

冷凝法利用氣態(tài)污染物在不同溫度及壓力下具有不同的飽和蒸汽壓，在降低溫度或加大壓力下，某些污染物凝結(jié)出來(lái)，以達(dá)到凈化或回收的目的。

各種物質(zhì)在不同溫度下的飽和蒸汽壓P0可以按下式計(jì)算

冷凝潛熱隨溫度的變化可以用沃森方程計(jì)算

1811.2.2冷凝設(shè)備

從氣態(tài)污染物與冷卻劑接觸的方式分，冷凝設(shè)備可以分為直接接觸式冷凝器與表面式冷凝器兩種。在直接接觸式冷凝器里，冷卻劑（冷水或其他冷卻液）與廢氣直接接觸，借對(duì)流和熱傳導(dǎo)，將氣態(tài)污染物的熱量（顯熱和潛熱）傳遞給冷卻劑，達(dá)到冷卻、冷凝的目的。氣體吸收操作本身伴有冷凝過(guò)程，故幾乎所有的吸收設(shè)備都能作為直接接觸式冷凝器。常用的直接冷凝器有噴射器、噴霧塔、填料塔等表面式冷凝器則通過(guò)間壁來(lái)傳遞熱量，達(dá)到冷凝分離的目的，各種型式的列管式換熱器是表面冷凝器的典型設(shè)備，其他還有淋灑式換熱器等。

192011.2.3冷凝計(jì)算

1.冷凝過(guò)程的捕集效率

質(zhì)量流率表示（kg/h）：C1（kg/m3）：CV1（m3/m3）：y1（kg/kg）：

21例11－2某一空氣、辛烷蒸氣混合氣體最初的濃度C1＝0.5kg/m3，由75℃冷凝到20℃，假設(shè)辛烷在末態(tài)是飽和的，并且所有冷凝的辛烷均被捕集，試求捕集效率η。解：先求20℃時(shí)，辛烷的飽和蒸氣壓p2。由有關(guān)手冊(cè)可查得辛烷的正常沸點(diǎn)及臨界數(shù)據(jù)為Tb=399K，Tc=569K，Pc=24.5atm由式（11-10）計(jì)算B值22232.直接接觸式冷凝器

全設(shè)備進(jìn)行能量衡算得冷卻劑（水等）總質(zhì)量流速為

出口端水蒸汽的質(zhì)量流速：243.表面式冷凝器

表面式冷凝器是冷載體與廢氣通過(guò)一間壁傳遞熱量，以達(dá)到冷凝的目的。列管式冷凝器是典型的表面式冷凝器，其傳熱系數(shù)、傳熱面等的計(jì)算，在有關(guān)書籍中已有詳細(xì)介紹，這里不再贅述。

2511.3膜分離法

膜凈化法是利用固體膜或液體膜作為一種滲透介質(zhì)，廢氣中各組分由于分子量大小不同或荷電、化學(xué)性質(zhì)不同，透過(guò)膜的能力不同，而得以分離開來(lái)，從而達(dá)到脫除有害物或回收有價(jià)值物的目的。膜凈化法可以用來(lái)凈化煤氣中的H2S。這種膜還可以用來(lái)凈化含CO2氣體，該成果已被成功應(yīng)用于空間技術(shù)，以除去人造衛(wèi)星座艙中的CO2。

優(yōu)點(diǎn)：分離因子大，分離效果好；節(jié)省能量；操作簡(jiǎn)單，控制方便，操作彈性大。膜種類：固體膜（高分子聚合物、多孔陶瓷、多孔玻璃、多孔金屬等）；液體膜。固體膜又可分為非多孔膜和多孔膜。

2611.3.1氣體分離膜的特性參數(shù)

滲透系數(shù)K

在一定溫度下，對(duì)每種膜－氣體體系來(lái)說(shuō)滲透系數(shù)K為一常數(shù)，它表示了膜對(duì)氣體的滲透能力。

分離系數(shù)α

分離系數(shù)α是用來(lái)評(píng)價(jià)膜對(duì)混合氣體的分離能力的。

溶解度系數(shù)S

氣體的溶解度系數(shù)S描寫膜收集氣體的能力。

2711.3.2氣體膜分離機(jī)理

多孔膜

多孔膜的孔徑較大(>50埃),但用于氣體分離的多孔膜，孔徑必須與氣體分子的平均自由程λ差不多，或者更小。擴(kuò)散分離機(jī)理。

非多孔膜氣體透過(guò)非多孔膜時(shí)，可用溶解擴(kuò)散機(jī)理來(lái)解釋。非對(duì)稱膜非對(duì)稱膜是將一極薄的（0.1～1）的致密層支撐在多孔的底材上而形成的復(fù)合膜。一般認(rèn)為，氣體通過(guò)非對(duì)稱膜的遷移行為有幾種情況：①氣體通過(guò)致密層時(shí)，溶解于膜中并在致密皮層中擴(kuò)散；②通過(guò)皮層下部微孔過(guò)渡區(qū)時(shí)的Knudsen流動(dòng)（即分子流動(dòng)）；③通過(guò)多孔的支撐層時(shí)的粘性流動(dòng)。

2811.3.3氣體膜分離設(shè)備

（1）Prism氣體分離器

（2）平板旋卷式膜分離器

圖11-13Prism分離器結(jié)構(gòu)示意圖圖11-14

Separex公司旋卷式氣體分離器的膜片組件2911.4生物凈化法

11.4.1微生物凈化氣態(tài)污染物的原理

生物凈化有機(jī)廢氣的歷程，一般認(rèn)為有以下三步：①有機(jī)廢氣首先與水（液相）接觸，由于有機(jī)污染物在氣相和液相的濃度差，以及有機(jī)物溶于液相的溶解性能，使得有機(jī)污染物從氣相進(jìn)入到液相（或者固體表面的液膜內(nèi)）；②進(jìn)入液相或固體表面生物層（或液膜）的有機(jī)物被微生物吸收（或吸附）；③進(jìn)入微生物細(xì)胞的有機(jī)物在微生物代謝過(guò)程中作為能源和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被分解、轉(zhuǎn)化成無(wú)害的化合物。

3011.4.2凈化工藝與設(shè)備1.生物洗滌塔（也稱生物吸收法）

圖11-15生物洗滌塔系統(tǒng)312.生物濾池（1）土壤過(guò)濾

（2）堆肥過(guò)濾

圖11－16生物濾池系統(tǒng)

323.生物滴濾池由生物滴濾池和貯水槽構(gòu)成，生物滴濾池內(nèi)充以粗碎石、塑料、陶瓷等一類不具吸附性的填料，填料表面是微生物體系形成的幾毫米后的生物膜。

圖11-16生物滴濾池系統(tǒng)3311.5高能電子活化氧化法

由電子束照射法或高壓脈沖電暈等離子體法產(chǎn)生的高能電子撞擊煙氣中O2、H2O等分子后，可生成大量反應(yīng)活性極強(qiáng)的自由基或自由原子OH、HO2、O、O3等，煙氣中SO2、NO被自由基或自由電子氧化成SO3、NO2、N2O5，進(jìn)而與H2O作用生成H2SO4和HNO3，這些酸與事先注入的NH3反應(yīng)生成硫銨和硝銨氣溶膠微粒，微粒被收集作為化肥。

3411.6光催化與分解凈化法

1.光催化凈化法近年來(lái)，人們利用二氧化鈦在常溫下所具備的深度光催化氧化有機(jī)污染物、光照滅菌和自清潔等功能，逐步將其應(yīng)用到空氣凈化、衛(wèi)生保健、廢水處理等環(huán)保領(lǐng)域中，開發(fā)出了諸如光催化空氣凈化器、自清潔抗菌衛(wèi)生瓷磚、自清潔玻璃等多用途的二氧化鈦光催化產(chǎn)品。光催化方法用于環(huán)境污染的治理具有以下特點(diǎn)：①可利用太陽(yáng)能