环境工程基础(课堂PPT).ppt

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,*,本节内容,3.,4,气态污染物控制技术,3.,4.1,气态污染物种类与性质,3.,4.2,气态污染物一般净化方法,3.,4.3 SO,2,去除技术,3.,4.4 NO,X,去除技术,3.,4.5 VOC,去除技术,1,3.,4.1,气态污染物种类与性质,种类：,SO2,、,NO,X,、,HC,、,CO,、,VOC,、。,酸碱性：,SO,2,气体呈酸性，,NH3,气体呈碱性,溶解性：,SO,2,、,NO,X,水,氧化还原性：,CO,、碳氢化合物、,VOC,等呈还原性，,NO,X,呈氧化性。,可吸附性：,HCVOC,活性炭,说明：,HC,烃类；,VOC（versatile organic carbon),挥发性有机物,2,3.,4.2,气态污染物一般净化方法,1,、冷凝法,2,、燃烧法,3,、吸收法,4,、吸附法,5、催化转化法,3,1、冷凝法,利用物质在不同温度下具有不同饱和蒸汽压的性质，对气体进行冷却，使处于蒸汽状态的有害物质冷凝成液体，从废气中分离出来，达到净化的目的。,适于高浓度有害气体的去除,常作为吸收、吸附、燃烧灯净化过程的前处理,4,2、燃烧法,利用氧化燃烧或高温分解的原理，把有害气体转化为无害气体的方法。,直接燃烧法,催化燃烧法,适用于可燃或高温分解的物质,不能回收有用物质，但可回收热量,5,3 吸收法,原理：利用污染物,在吸收液中的溶解性,气液平衡原理,常见污染气体的,平衡溶解度（右图）,6,4、吸附法,利用某些多孔性固体吸附剂来吸附去除有害气体的方法。,常用的气体吸附剂有：,活性碳,分子筛,活性氧化铝,吸附过程：物理吸附、化学吸附（反应）,常用作深度净化,7,5,、催化转化法,含污染物气体通过催化床层发生催化反应，使污染物转化为无害或易于处理的物质。,应用：,工业尾气和烟气去除,SO,2,和,NO,x,有机挥发性气体,VOCs,和臭气的催化燃烧净化,汽车尾气的催化净化,8,3.,4.3 SO,2,去除技术,1,、,SO,2,产生源,2,、源头控制,3,、燃烧中同步控制,4,、末端治理,A,、吸收法,B,、催化转化法,C,、吸附法,9,1、,SO,2,产生源,人类使用的化石燃料都含有一定量的硫，燃料燃烧时，其中的硫大部分转化为,SO,2,人为活动是,SO,2,大量排放的主要原因。,大部分的控制方法可用以下反应表示：,10,硫氧化物的污染,早期,局地环境中二氧化硫的浓度升高,近,100,年来,二氧化硫等酸性气体导致的酸沉降,最近,二氧化硫等气态污染物形成的二次微细粒子,11,硫循环与硫排放,12,13,我国,SO,2,排放的行业特点,14,控制技术,燃烧前常规脱硫技术：,煤炭洗选：物理洗煤、化学洗煤、微生物洗煤,煤炭气化、液化,燃烧中脱硫技术:,型煤技术,循环流化床燃烧,燃烧后脱硫技术:,烟气脱硫,15,2、燃烧前脱硫技术,1.,煤炭洗选技术,同原煤相比，可节能10%左右，可减少二氧化硫排放量40-60%。,洗选煤方法可分为物理法、微生物法和化学法。广泛采用物理法中的重介质、跳汰和浮选技术。,16,重介质法是利用密度介于煤和矸石之间的液体作为分选介质进行选煤，分选介质通常采用磁铁矿粉与水配制成的悬浮液。,跳汰选煤是利用被选煤在上下波动的变速脉动将相对密度不同的煤和矸石分开。,浮选是利用煤和矸石的颗粒亲水性及疏水性的差异，将其在浮选液中分开。,我国以物理选煤为主，跳汰占59%、重介质占23%、浮选占14%。,17,燃烧前脱硫技术,2.,煤炭的转化,煤的气化,采用空气、氧气、,CO,2,和水蒸气作为气化剂，在气化炉内反应生成不同组分不同热值的煤气,移动床、流化床和气流床三种方法,煤的液化,通过化学加工转化为液态烃燃料或化工原料等液体产品,直接液化和间接液化,18,燃烧前脱硫技术,3.,重油脱硫,在催化剂作用下通过高压加氢反应，切断碳与硫的化学键，使氢与硫作用形成,H,2,S,从重油中分离,直接脱硫和间接脱硫,19,3、燃烧中脱硫技术,1.型煤加工技术,型煤是用煤粉搀加少量固硫剂加工压制成具有一定强度和形状的煤制品,型煤有民用型煤和工业型煤两类；,型煤固硫率一般在50%左右，并可节煤和减少烟尘排放,20,燃烧中脱硫技术,2.流化床燃烧技术,流化床燃烧是把燃料煤和吸附剂（石灰石或白云石）加入燃烧室的床层中，从炉底鼓风使床层悬浮，形成湍流混合进行燃烧。,主要特点是：,(1)燃烧温度低温范围,NO,X,的生成量仅为煤粉炉的1/3-1/4,可将石灰石粉直接混入煤粒脱硫,(2)燃料适应性强,床内97-98%为惰性物料，热容量大，可燃用劣质燃料，燃烧效率达95-99%,(3)燃烧强度大，床内传热能力强。,(4)可用较低成本在燃烧过程中实现脱硫，同时降低,NO,X,排放。,21,流化床燃烧脱硫,流化床脱硫的化学过程,脱硫剂：石灰石（,CaCO,3,）、白云石（,CaCO,3,MgCO,3,）,炉内化学反应,流化床燃烧方式为脱硫提供了理想的环境,CaSO,4,的摩尔体积大于,CaCO,3,，由于孔隙堵塞，,CaO,不可能完全转化为,CaSO,4,22,流化床燃烧脱硫,23,4、燃烧后脱硫,燃烧设施直接排放的,SO,2,浓度通常为,10,-4,10,-3,数量级。,由于,SO2,浓度低，烟气流量大，烟气脱硫通常比较昂贵。,世界上目前应用最广泛的石灰石灰石脱硫技术,占烟气脱硫装机容量的80%以上。,其它烟气脱硫技术：催化转化吸收技术（适合高浓度、低尘尾气），吸附脱硫技术（低尘）。,24,石灰石灰石湿法吸收脱硫,吸收剂:石灰石或石灰浆液。,反应原理,25,石灰/石灰石湿法工艺流程,吸收剂,储槽,石灰石研磨,制浆,石灰制浆,含尘,烟气再热器,去烟囱,固液,分离,第二级,固液分离,固体废物,26,石灰/石灰石湿法烟气脱硫,吸收的正常工作范围:,石灰石 石灰,PH,值 5.8-6.2 8,液气比,l/m3 10.4 5.6,浆液浓度,%12-15 12,钙硫比 1.3 1.1,气速（米秒）2.4-3 2.4-3,SO,2,脱除率 70-75%90-95%,27,石灰/石灰石湿法烟气脱硫,影响运行的主要因素:,脱硫率;反应剂利用率,结垢和堵塞;腐蚀和磨损,脱硫渣利用,脱硫渣成分(干燥后),石灰石脱硫 石灰脱硫,CaCO,3,335,CaSO,3,.2H,2,O 58 73,CaSO,4,.2H,2,O 9 11,Ca(OH),2,-11,28,石灰/石灰石法烟气脱硫,结垢种类,蒸发结垢,Ca(OH),2,和,CaCO,3,沉积或结晶,CaSO,3,CaSO,4,结晶,防止结垢措施,控制,PH,值(过低软垢,过高硬垢),高液气比(降低过饱和度,冲刷),晶种(减少设备结垢),循环池鼓氧强制氧化(降低,SO,4,2-,浓度),29,石灰/石灰石湿法烟气脱硫,改进的石灰/石灰石法烟气脱硫,添加剂要求:有缓冲作用,酸度在碳酸和亚硫酸间，如:己二酸,作用:,提高脱硫率:抑制液体界面上,pH,下降，促进吸收。,减少结垢:己二酸钙可溶。,30,其它,湿,法烟气脱硫技术,双碱法,用碱金属盐类(,K,Na),或碱溶液吸收,SO,2,用石灰或石灰石再生吸收脱硫回流液得硫酸钙沉淀,再生液返回系统循环使用.,如:,Na,2,CO,3,和石灰双碱,一般,Na,补充量为0.05,mol/molSO,2,反应：,再生：,Na,2,CO,3,：,31,半干法烟气脱硫,喷雾干燥吸收法脱硫技术,于七十年代中期在美国开发,优点:,脱硫产物呈干态，无需除雾器及烟气再热器；,不产生微量金属元素污染的废水,设备不易腐蚀,投资费用低,缺点：,吸收剂采用石灰浆，费用较高；,吸收剂利用率低,Ca/S=1.5,效率80%,用于高硫煤时经济性差,32,喷雾干燥吸收法烟气脱硫,工艺流程:,石灰,球磨机,浆槽,循环灰 水,预消化器,吸收塔,ESP,干灰,烟气,烟囱,33,喷雾干燥吸收法烟气脱硫,化学过程:,生石灰制浆：,SO,2,被液滴吸收：,吸收剂与,SO,2,的反应：,液滴中过饱和沉淀析出：,部分(液)被溶于液滴中的氧气所氧化：,34,喷雾干燥吸收法烟气脱硫,喷雾干燥法,Ca/S,比值一般为1.52.0,典型脱硫渣成分:,飞灰,64-79%,CaSO,3,.2H,2,O 14-24%,CaSO,4,.2H,2,O 2.1-4%,Ca(OH),2,1.2-5%,当固体废物中未反应的吸收剂量小于5%时，固体废物是无害的,可采用与飞灰相同的处理处置方法（见颗粒污染物去除方法）。,35,干法烟气脱硫技术,炉内喷钙尾部增湿法，在80年代开始应用;,吸收剂在炉膛出口喷入，避免了吸收剂的烧死失活，,Ca/S,在2以上时，脱硫率可达60%;,工艺系统简单，脱硫费用低；,炉内喷钙工艺特别适用于老锅炉的改造。,36,炉内喷钙尾部增湿法,脱硫原理,在第一阶段,石灰石粉用气力喷射到炉膛的上方、温度9001250的区域。,CaCO,3,CaO+CO,2,CaO+SO,2,+O,2,CaSO,4,CaO+SO,3,CaSO,4,在第二阶段,烟气在活化器中喷入雾化水,进行增湿。烟气中未反应的,CaO,与水反应形成含湿的,Ca(OH),2,颗粒或浆滴,与烟气中剩余的,SO,2,反应。,CaO+H,2,O,Ca(OH),2,Ca(OH),2,+SO,2,+H,2,O+1/2O,2,CaSO,4,+H,2,O,37,炉内喷钙尾部增湿法流程,石灰石,主粉仓,计量仓,锅炉,活化器,ESP,38,烟气脱硫工艺的综合比较,主要涉及因素,脱硫效率,钙硫比,脱硫剂利用率,脱硫剂的来源,脱硫副产品的处理处置,对锅炉原有系统的影响,对机组运行方式适应性的影响,占地面积,流程的复杂程度,动力消耗,工艺成熟度,39,燃煤二氧化硫污染控制技术综合评价,评价指标,1.,技术成熟度。依脱硫技术目前所处的开发阶段，分为实验室，中试，示范和商业化四个阶段,2.,技术性能。包括脱硫效率，处理能力，技术复杂程度，占地情况，再热需要及副产品利用等，反映技术的综合性能,3.,环境特性。环境特性根据处理后烟气的,SO,2,排放量与排放标准比较进行评价,4.,经济性。选用技术的总投资和,SO,2,单位脱硫成本为综合经济性的评价指标,40,燃烧前和燃烧中技术,综合评价,41,烟气脱硫技术,技术综合评价,42,5.,高浓度,SO,2,尾气的回收和净化,冶炼厂、硫酸厂和造纸厂等工业，,SO,2,浓度通常,2,40,化学反应式,反应,1,为放热反应，温度低时转化率高,工业上一般采用多层催化床层,43,催化转化脱硫净化工艺,段间冷却的四层催化床,第二级,催化床,预除尘和水分,填充床吸收塔,填充床吸收塔,来自冶炼厂或硫磺燃烧的富含,SO,2,的尾气,水,含有约为初始进气,SO,2,浓度,3%,的尾气含有约为初始进气,SO,2,浓度,0.3%,的尾气,水,单级吸收工艺,二级吸收工艺,SO,2,单级和二级净化工艺的流程图,催化反应：,420,550,44,吸附法,SO,2,是一种以被吸附的气体，常用的吸附剂是活性碳，活性炭具有催化转化功能。,吸附机理：,第一步，物理吸附（无水蒸汽与氧气存在）,第二步，化学反应（需要氧气与水蒸汽存在）,反应式：,活性碳脱附再生方法：,加热再生：,洗涤再生,45,NO,X,去除技术,1,、,NO,X,产生源,2,、燃烧控制,3,、末端治理,A,、催化还原法,B,、吸附法,C,、吸收法,46,NO,X,的来源,NOx,包括,N,2,O、NO、N,2,O,3,、NO,2,、N,2,O,4,、N,2,O,5,大气中,NO,x,主要以,NO、NO,2,的形式存在,NO,x,的来源,固氮菌、雷电等自然过程（5,10,8,t/a）,人类活动（5,10,7,t/a）,燃料燃烧占 90,95以,NO,形式，其余主要为,NO,2,由于人类活动处于集中空间范围，显示污染特性。,47,48,NO,X,的性质,N,2,O：,单个分子的温室效应为,CO,2,的200倍，并参与臭氧层的破坏。,NO：,大气中,NO,2,的前体物质，是形成光化学烟雾的活跃组分。,NO,2,:,硝酸酐，有强烈刺激性，来源于,NO,的氧化，是酸沉降的重要组成之一。,49,燃烧过程,NOx,的形成机理形成机理,燃料型,NOx,燃料中的固定氮生成的,NOx,热力型,NOx,高温下,N,2,与,O,2,反应生成的,Nox,瞬时,NOx,低温火焰下由于含碳自由基的存在生成的,NOx,50,NO,X,的主要形成机理,热力型,NO,X,的形成,产生,NO,和,NO,2,的两个重要反应,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。,控制,NO,x,形成的主要因素,空气燃料比（控制过氧量）,燃烧区温度及其分布,51,燃烧控制：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,52,传统低,NO,x,燃烧技术,2.,降低助燃空气预热温度,燃烧空气由,27,o,C,预热到,315,o,C,，,NO,排放量增加,3,倍,53,传统低,NO,x,燃烧技术,3.,烟气循环燃烧,降低氧浓度和燃烧区温度主要减少热力型,NO,x,54,传统低,NO,x,燃烧技术,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。,55,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.,炉膛内整体空气分级的低,NO,x,直流燃烧器,炉壁设置助燃空气（燃尽风）喷嘴,类似于两段燃烧技术56,先进的低,NO,x,燃烧技术,2.,空气分级的低,NO,x,旋流燃烧器,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,57,先进的低,NO,x,燃烧技术,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,一次火焰区下游形成低氧还原区，还原已生成的,NO,x,58,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,59,烟气脱硝技术,1.,选择性催化还原法（,SCR,）,氨作为还原剂,催化剂：贵金属、碱性金属氧化物,还原反应,潜在氧化反应,60,SCR,脱硝技术流程,61,SCR,烟气脱硝的温度影响,62,烟气脱硝技术,2.,选择性非催化还原法（,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,63,烟气脱硝技术,3.,吸收法,碱液吸收,必须首先将一半以上的,NO,氧化为,NO,x,NO/NO,2,1,效果最佳,64,吸收法烟气脱硝,强硫酸吸收,65,烟气脱硝技术,4.,吸附法,吸附剂：活性炭、分子筛、硅胶、含氨泥煤,NOx,和,SO,2,联合控制技术,吸附剂：浸渍碳酸钠的,-Al2O3,反应式,再生：天然气、,CO,66,NO,X,控制技术经济比较,LNB-,低氮氧化物燃烧,AOFA-,改进燃尽风法,SCR-,选择性催化还原,SNCR-,选择性非催化还原,67,3.,4.5,VOC,去除技术,1,、,VOC,来源与性质,2,、源头控制,A、,替代原料及工艺,B、,呼吸损耗控制,3,、末端治理,A,、冷凝法,B,、燃烧法,C、,微生物净化法,D,、吸收,E、,吸附法,68,VOC,概念,VOC（Volatile organic compound）,中文名,“,挥发性有机物,”,是指各种有机化合物的气体，如烃、醇、酚、醛、酯、多环及杂环化合物的气体，这些有机气体很多都具有毒性，同时是造成环境恶臭的主要来源。,69,70,防止泄漏为主的预防性措施,替换原材料,改变运行条件,更换设备等,末端治理为主的控制性措施,VOC,控制技术可分为两类,71,VOCs,控制技术,72,源头控制溶剂替代,73,呼吸（转移）损耗的概念,充入、呼吸和排空损耗,呼吸损耗容积变化使容器产生,“,吸进和呼出,”,导致的有机物损耗,74,转移损耗控制方法,浮顶罐，用于储存大量的高挥发性的液体。用于密封的浮顶盖浮在液面上，使液面以上没有空隙。液体注入或流出时顶盖随之上下浮动，避免上面所讲述的呼吸损耗。,75,转移损耗控制方法阶段1控制,76,转移损耗控制方法阶段2控制,77,末端治理,A,冷凝法,适于废气体积分数10,-2,以上的有机蒸气,常作为其它方法的前处理,78,B,燃烧法,直接燃烧,适用于可燃有害组分浓度较高或热值较高的废气,设备：燃烧炉、窑、锅炉,温度1100,o,C,左右,火炬燃烧：产生大量有害气体、烟尘和热辐射，应尽量避免,79,B,燃烧法,热力燃烧,适于低浓度废气的净化,温度低，,540,820,o,C,必要条件：温度、停留时间、湍流混合,80,催化氧化净化工艺,催化剂：,Pt(Pd,过渡金属，稀土,)/Al,2,O,3,等,VOCs,的催化氧化,优点：,无火焰燃烧，安全性好,温度低：300450,o,C，,辅助燃料消耗少,对可燃组分浓度和热值限制少,81,82,C,吸,收（洗涤）法,83,吸收工艺,吸收剂的要求,对被去除的,VOCs,有较大的溶解性,蒸气压低,易解吸,化学稳定性和无毒无害性,分子量低,84,D,吸,附法,85,吸附工艺,活性炭吸附,VOCs,的性能最佳,亦有部分,VOCs,不易解吸，不宜用活性炭吸附,86,E,微生物净化,原理,微生物将有机成分作为碳源和能源，并将其分解为,CO,2,和,H,2,O,工艺,87,生物洗涤塔（悬浮生长系统）,88,生物滴滤塔,89,3.,4.6,汽车污染及控制简介,汽车污染物来源及种类,燃料使用,燃料气体挥发,HC,燃烧过程,碳烟、,CO,、,HC,SO,2,、,NO,x,90,汽油车行驶工况与排放,1.怠速,减速时,CO,HC,排放高,浓度约为:,CO:1.0-6%;HC:400-3000ppm,NOx:10-100ppm,2.,加速,定速时NOx,高,浓度约为:,NOx:1000-4000ppm,CO:0.5-3.0%;HC:200-600ppm,加速时,碳烟约为:0.005,g/m3,91,柴油车行驶工况与排放,1.,CO,总是很低,约0.1%,2.减速,怠速时,HC,相对较高,浓度约为400,ppm,此时,NOx,较低,约为30-70,ppm,3.,加速,定速时,NO,x,高,浓度约为:,NOx:800-2500ppm,此时,HC:90-200ppm,4.,加速时碳烟最高,约为0.30,g/m3,92,主要控制技术,前处理:无铅汽油(0.013,g/L),低硫汽油和柴油(1200,ppm-50ppm),废气再循环(,EGR):20%,循环,降低,NO,x,约60%,但油耗增加3%,机内控制:发动机设计,表面积/容积 越小越好;电子控制技术;多气门技术,机外控制技术:热反应器,催化反应器(氧化,还原-三效),93,改进点火系统,电控燃油,喷射系统,94,废气再循环(,EGR),95,三效催化净化技术(,TWC),同时净化3种污染物:,CO,HC,NO,x,只能在很窄的空燃比窗口工作:闭环电控燃油喷射技术,96,三效催化净化技术(,TWC),主要使用贵金属+陶瓷载体,Pt,Rd,Pd,寿命要求80000-160000,km,防中毒很关键!,97,