第十章 催化轉(zhuǎn)化法凈化氣態(tài)污染物-3.ppt

催化轉(zhuǎn)化法凈化氣態(tài)污染物 催化還原法1 催化還原法凈化廢氣中的氮氧化物2 催化還原法凈化汽車尾氣催化氧化法高濃度二氧化硫煙氣的催化轉(zhuǎn)化催化燃燒法催化燃燒法脫臭 催化燃燒法 燃燒法處理高濃度VOC和惡臭化合物很有效 原理是通入過量空氣使雜質(zhì)燃燒 大多數(shù)生成二氧化碳和水Cl HClS SO2燃燒法分類1 直接氧化燃燒 溫度較高 650度 操作簡單 但由于廢氣中有機(jī)物濃度較低 空氣量很大 為了保證燃燒溫度需要添加額外燃料 直接燃燒由于混合不充分等原因 燃燒不完全 燃燒過程中除形成二氧化碳和水外還產(chǎn)生氮氧化物 一氧化碳 致癌的碳?xì)浠衔?輔助反應(yīng) 2 催化燃燒法在催化劑作用下 將廢氣中的有害物質(zhì)完全氧化燃燒生成為無害物質(zhì) 可在低溫150 350度下進(jìn)行 無需添加額外燃料 催化還原法去除氮氧化物 在催化劑的作用下 將氮氧化物還原為無害的氮?dú)鈨?yōu)點(diǎn) 對(duì)氮氧化物的去除效率高 且能回收熱能缺點(diǎn) 投資大 運(yùn)行費(fèi)用高 消耗氨及燃料氣 氮氧化物被還原為無用氮?dú)馀欧糯呋€原法凈化氮氧化物 根據(jù)還原劑是否和氧氣發(fā)生反應(yīng)分為 非選擇性催化還原 選擇性催化還原 1 非選擇性催化還原 3 1反應(yīng)原理含有氮氧化物的廢氣 在一定溫和催化劑的作用下 與還原劑發(fā)生反應(yīng) 二氧化氮和一氧化氮被還原為氮?dú)?還原劑與廢氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng) 生成水或二氧化碳還原劑 H2 CH4 CO CnHm及其混合氣 如焦?fàn)t氣 天然氣等反應(yīng)步驟 1 脫色反應(yīng) 將有色NO2還原為無色NO2 燃燒反應(yīng) 還原劑與氧氣發(fā)生燃燒3 消除反應(yīng) NO被還原為N2 非選擇性催化還原工藝流程的選擇 起燃溫度 反應(yīng)溫度流程的選擇取決于反應(yīng)溫度是否超過催化劑所能允許的最高溫度T 反應(yīng)溫度T1 還原劑起燃溫度 O2 尾氣中氧氣體積分?jǐn)?shù) a 起燃系數(shù) 1 05 1 10b 溫升系數(shù) 為燃燒掉1 的氧氣使反應(yīng)溫度省高值反應(yīng)溫度催化劑允許溫度 兩段反應(yīng)使尾氣中的氧氣分別在兩個(gè)反應(yīng)器內(nèi)燃燒 減少反應(yīng)溫度 反應(yīng)流程圖 兩段反應(yīng) 1 在第一段反應(yīng)器中先完成二氧化氮轉(zhuǎn)化為一氧化氮的脫色反應(yīng) 并燒掉一部分氧 降低反應(yīng)溫度 使其不超過催化劑允許溫度 經(jīng)廢熱鍋爐回收一部分熱量2 冷卻后再與另一部分還原劑燃燒氣混合進(jìn)入第二反應(yīng)器 將剩余的氧氣燃燒完 并進(jìn)行脫除反應(yīng) 選擇性催化還原 為什么要采用選擇性催化還原法 使用非催化還原時(shí) 必須燒掉尾氣中存在的大量氧氣 氧氣與還原劑發(fā)生反應(yīng) 致使反應(yīng)溫度 催化劑層的溫度急劇升高 給工藝帶來一定困難 因此選用選擇性催化還原4 1反應(yīng)原理使用氨作為還原劑 由于氨在鉑催化劑或者非貴金屬催化劑的作用下 只與尾氣中的氮氧化物發(fā)生反應(yīng) 不與氧氣發(fā)生反應(yīng) 催化反應(yīng)器內(nèi)溫度較低 如何控制副反應(yīng)的發(fā)生 工藝中1 控制反應(yīng)溫度400度以下 只有主反應(yīng)能夠進(jìn)行2 選擇合適的催化劑 利用催化劑的選擇性 使主反應(yīng)速度大大超過副反應(yīng)速度 反應(yīng)溫度在350度以上 反應(yīng)溫度在350度以下 第十章催化轉(zhuǎn)化法凈化氣態(tài)污染物 一汽車尾氣的催化還原凈化 汽車尾氣的危害 1 汽車尾氣最主要的危害是形成光化學(xué)煙霧 汽車尾氣中的碳?xì)浠衔锖偷趸衔镌陉柟庾饔孟掳l(fā)生化學(xué)反應(yīng) 生成臭氧 它和大氣中的其它成份結(jié)合就形成光化學(xué)煙霧 2 汽車尾氣中的氮氧化合物含量較少 但毒性很大 氮氧化合物進(jìn)入肺泡后 能形成亞硝酸和硝酸 對(duì)肺組織產(chǎn)生劇烈的刺激作用 最后造成肺氣腫 3 汽車尾氣中的碳?xì)浠衔镉?00多種 汽車尾氣中還發(fā)現(xiàn)有32種多環(huán)芳烴 包括苯并芘等致癌物質(zhì) 離公路越近 公路上汽車流量越大 肺癌死亡率越高 4 汽車尾氣中的鉛化合物可隨呼吸進(jìn)入血液 并迅速地蓄積到人體的骨骼和牙齒中 它們干擾血紅素的合成 引起貧血 損害神經(jīng)系統(tǒng) 嚴(yán)重時(shí)損害腦細(xì)胞 引起腦損傷 當(dāng)兒童血中鉛濃度達(dá)0 6 0 8ppm時(shí) 會(huì)影響兒童的生長和智力發(fā)育 甚至出現(xiàn)癡呆癥狀 鉛還能透過母體進(jìn)入胎盤 危及胎兒 1 凈化原理和方法 汽車尾氣組成 1 氮氧化物1000 2000cm m3 燃料在汽缸中高溫燃燒2 一氧化碳5 碳?xì)浠衔?000cm m3 燃油燃燒不完全凈化方法1 改進(jìn)內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu) 燃燒完全 減少有害物質(zhì)排放2 使用催化劑將尾氣中有害物質(zhì)去除 在催化劑的作用下 利用尾氣中的CO作為還原劑 將氮氧化物還原為氮?dú)?同時(shí)CO轉(zhuǎn)化為CO23 未完全燃燒的一氧化碳和烴類 在催化劑的作用下 與空氣發(fā)生氧化作用 生成二氧化碳和水 2 凈化用催化劑 2 1對(duì)催化劑的要求 催化反應(yīng)器安裝在內(nèi)燃機(jī)旁 要求結(jié)構(gòu)簡單 質(zhì)量輕 體積小 催化劑要適應(yīng)氣體流量 組成和溫度的變化 足夠機(jī)械強(qiáng)度 催化劑活性在高溫和低溫條件下都比較高 催化劑具有合適的孔隙結(jié)構(gòu) 使尾氣通過時(shí)阻力小 汽車尾氣中的烴類和一氧化碳通過催化燃燒的方法去除 氮氧化物通過催化還原去除 因此要采用兩種催化劑在不同反應(yīng)條件下進(jìn)行處理 2 2凈化尾氣常用催化劑1 使氮氧化物還原的催化劑為貴金屬催化劑和金屬氧化物催化劑2 使一氧化碳和烴類氧化的催化劑為鈀催化劑3 三效催化劑將烴類 一氧化碳和氮氧化物同時(shí)氧化和還原催化劑 在粒狀氧化鋁載體上涂覆活性組分 在蜂窩狀載體上涂覆載有活性組分的氧化鋁活性組分 Pt Pd 氧化催化劑Ph 還原催化劑 3 轉(zhuǎn)化器與凈化流程 兩段轉(zhuǎn)化法 還原段轉(zhuǎn)化器 氧化段轉(zhuǎn)化器氮氧化物采用催化還原去除 碳?xì)浠衔锖鸵谎趸疾捎么呋趸コ?兩個(gè)催化反應(yīng)分別在不同的轉(zhuǎn)化器內(nèi)進(jìn)行流程圖 兩段轉(zhuǎn)化法存在的問題 1 這種流程是采用部分未完全燃燒的燃料作為氮氧化物的還原劑 增加了燃料的消耗量2 兩個(gè)催化床層串聯(lián)增加了排氣阻力3 還原段轉(zhuǎn)化器是靠一氧化碳和烴類的氧化燃燒來為其反應(yīng)提供熱量 氧化 還原交替進(jìn)行的方式減少了氮氧化物催化劑的使用壽命 二高濃度二氧化硫煙氣的催化轉(zhuǎn)化 二氧化硫的來源 二氧化硫含量2 以上成為高濃度煙氣 主要來自金屬冶煉和火力發(fā)電廠二氧化硫含量在2 以下 低濃度煙氣 主要來自燃料燃燒 二氧化硫的危害 形成酸雨 由于人類大量使用煤 石油 天然氣等化石燃料 燃燒后產(chǎn)生的硫氧化物或氮氧化物 在大氣中經(jīng)過復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng) 形成硫酸或硝酸氣溶膠 或?yàn)樵?雨 雪 霧捕捉吸收 降到地面成為酸雨 如果形成酸性物質(zhì)時(shí)沒有云雨 則酸性物質(zhì)會(huì)以重力沉降等形式逐漸降落在地面上 這叫做干性沉降 酸霧中的酸性由于沒有得到直徑大得多的雨滴的稀釋 因此它們的酸性要比酸雨強(qiáng)得多 硫酸和硝酸是酸雨的主要成分 約占總酸量的90 以上 我國酸雨中硫酸和硝酸的比例約為10 1 酸雨的危害 腐蝕建筑物和工業(yè)設(shè)備 破壞露天的文物古跡 損壞植物葉面 導(dǎo)致森林死亡 使湖泊中魚蝦死亡 破壞土壤成分 使農(nóng)作物減產(chǎn)甚至死亡 飲用污染的地下水 胎兒畸形 由于使用大量的煤炭 我國SO2的排放量相當(dāng)龐大 而且呈逐年增加的趨勢(shì)1988年 全國SO2總排放量約為1700萬噸1995年 我國SO2的總排放量已達(dá)2341萬噸 年 超過美國成為世界SO2排放第一大國世界銀行為我國作過簡單的計(jì)算 每年必須投資60億美元才能把SO2的排放量穩(wěn)定在現(xiàn)有的水平上 1995年 年均降水pH值小于5 6的區(qū)域已占到國土面積的40 左右我國成為繼歐洲 北美之后的第三大酸雨區(qū)嚴(yán)重的酸性降水和脆弱的生態(tài)系統(tǒng)使我國的經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重 1995年酸雨污染僅給森林和農(nóng)作物造成的直接經(jīng)濟(jì)損失已達(dá)到幾百億元 1 二氧化硫氣體污染控制方法 改革工藝流程高煙囪排放稀釋高煙囪排放含硫煙氣是以擴(kuò)大污染范圍來減少局部地面污染的大氣SO2污染控制方法 治標(biāo)不治本燃料脫硫煙氣脫硫 凈化后回收制硫酸 2 燃料脫硫方法 燃燒前脫硫 潔凈煤技術(shù)1 洗煤技術(shù) 去除含硫礦物2 煤炭轉(zhuǎn)化技術(shù) 氣化液化3 型煤固硫技術(shù) 黏膠劑 熱壓成型 塑性變形 固硫劑 脫硫效率低燃燒中脫硫 加入固硫劑 石灰石 白云石 流化床中應(yīng)用效率高 3 二氧化硫的催化轉(zhuǎn)化機(jī)理 催化還原法催化氧化法機(jī)理含二氧化硫的煙氣進(jìn)入催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)器后 在一定溫度條件下 二氧化硫與氧發(fā)生反應(yīng)生成三氧化硫放熱反應(yīng) 降低反應(yīng)溫度 反應(yīng)向右進(jìn)行 提高轉(zhuǎn)化率 反應(yīng)過程中 及時(shí)釋放熱量 4 二氧化硫催化轉(zhuǎn)化用催化劑 圖示 鉑催化劑活性最高 但價(jià)格昂貴 容易中毒 其他金屬氧化物要求使用溫度高 釩催化劑 V2O5 活性最高 且使用溫度低 價(jià)格便宜 應(yīng)用最為廣泛圖10 15幾種催化劑的活性比較 釩催化劑 V2O5 活性組分 助劑 載體V2O5K2OSiO2毒物 砷化物1 溫度低于550度 砷化物和催化劑活性組分V2O5發(fā)生化學(xué)反應(yīng) 破壞其原來狀態(tài)和性質(zhì)2 溫度高于550度 砷和V2O5生成揮發(fā)性化合物 活性組分揮發(fā)含量減少3 砷被吸附在催化劑表面 堵塞其孔隙結(jié)構(gòu)氟化物1 氟化物與載體SiO2生成氟硅氧化物 引起粉化2 氟化物與載體作用后SiO2析出 覆蓋在活性組分表面 阻礙氣體和活性組分接觸 釩催化劑催化作用機(jī)理 降低氧原子之間化學(xué)鍵斷裂所需活化能 要使二氧化硫氧化 關(guān)鍵在于使氧化劑 氧分子中兩個(gè)氧原子之間的化學(xué)鍵斷裂 在沒有催化劑的作用下 使其斷裂消耗能量巨大 二氧化硫氧化活化能為2090kJ mol在催化劑作用下 催化劑吸附了氧原子 且催化劑與氧原子結(jié)合的牢固程度 遠(yuǎn)小于與氧原子之間的結(jié)合 因此降低了二氧化硫氧化的活化能92 96kJ mol 催化反應(yīng)過程 1 氧分子被催化劑表面吸附 氧分子中原子之間的化學(xué)鍵被破壞 控制步驟 2 催化劑表面從氣體中吸附二氧化硫分子3 催化劑表面的SO2分子與O原子結(jié)合生成SO34 生成的SO3分子離開催化劑表面進(jìn)入氣相中 5 二氧化硫催化轉(zhuǎn)化流程和設(shè)備 5 1二氧化硫催化轉(zhuǎn)化過程對(duì)溫度的要求二氧化硫的轉(zhuǎn)化反應(yīng)為放熱反應(yīng) 必須將反應(yīng)熱從系統(tǒng)中不斷導(dǎo)出這樣才能使反應(yīng)既進(jìn)行得快 又能獲得較高的轉(zhuǎn)化率 反應(yīng)初期 反應(yīng)體系離平衡狀態(tài)較遠(yuǎn) 宜采用較高溫度加快反應(yīng)速率 反應(yīng)后期 反應(yīng)已接近平衡 故要降低溫度使反應(yīng)向深度發(fā)展 獲得更高轉(zhuǎn)化率 溫度的改變應(yīng)在催化劑活性范圍內(nèi)400 600度內(nèi)進(jìn)行 5 2二氧化硫催化轉(zhuǎn)化流程的特點(diǎn) 圖示 由于二氧化硫的轉(zhuǎn)化反應(yīng)為放熱反應(yīng) 在反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)是在絕熱條件下進(jìn)行 反應(yīng)后氣體溫度必然升高 不利于轉(zhuǎn)化反應(yīng)的進(jìn)行 因此要將氣體進(jìn)行冷卻至一定溫度后 再進(jìn)入下一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行反應(yīng) 反應(yīng)后再通過換熱降低氣體溫度 使轉(zhuǎn)換反應(yīng)和換熱 降溫 交替進(jìn)行 直到達(dá)到要求的轉(zhuǎn)化率為止 5 2二氧化硫催化轉(zhuǎn)化流程的分類 根據(jù)換熱方法的不同1 間接換熱式利用經(jīng)過轉(zhuǎn)化反應(yīng)的熱氣體與冷氣體進(jìn)行熱交換 既降低轉(zhuǎn)化氣體溫度 又能加熱冷氣體使其達(dá)到轉(zhuǎn)化反應(yīng)所需溫度2 直接換熱式將冷氣體直接加入轉(zhuǎn)化反應(yīng)后的熱氣體當(dāng)中 待降溫后一起進(jìn)入下一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)注 只有當(dāng)煙氣中二氧化硫濃度超過7 時(shí)使用 5 3間接