有机废气处理技术.docx

1、有机废气处理技术当气体中含有较多的有回收价值的有机气态污染时，通过冷凝回收这些污染物是最好的方法。当尾气被水饱和时，为了消灭反烟，有时也用冷凝的方法将水蒸气冷凝下来，单纯通过冷凝往往不能将污染物脱除至规定的要求，除非使用冷冻剂。一般使用室温水作为冷却剂的冷凝器是吸附或燃烧的很好的预处理装置。一、冷凝原理1冷凝自然界的冷凝现象诸如：盛夏季节，清晨所见到的花草上的露珠；厨房自来水管外面一层湿漉漉的水膜；外出归来人室后眼镜上的水雾等。所谓冷凝就是当热流体放出热量时，温度没有变化，而使流体从气相变为液相。冷凝回收的方法就是将蒸气从空气中冷却凝成液体，并将液体收集起来，加以利用。从空气中冷凝蒸气的方法，

2、可以是移去热量即冷却，也可以是增加压力，使蒸气在压缩时凝出来。而在空气净化方面通常只用冷却的方法，很少使用压缩的方法。2饱和蒸气压与温度的关系所谓蒸气压就是物质从液相逃逸到气相中的能力。蒸气压与蒸气物质本身的性质、温度及蒸气的浓度有关。以冷却的方法将空气中的蒸气凝成液体，其极限就是指冷却温度下的饱和蒸气，而饱和蒸气压就是指纯物质在指定温度下逃逸到气相中的最大能力。如图131所示，是某些物质的饱和蒸气压与温度的关系曲线。图131 某些物质的饱和蒸气压与温度的关系曲线不同温度下的饱和蒸气压p0可按下式计算： (131) 式中 p0指定开尔文温度T下的饱和蒸气压，133322Pa；T有机溶剂的温度，

3、K；A，B与物质性质有关的常数。表131是一些常见有机溶剂的A，B值。例1 求苯、甲苯和二硫化碳在室温为20时的饱和蒸气压。解 由式(131)可算出苯：由表131，A1731，B7783所以p075133322Pa(75mmHg)查图131可知，两种方法得出的数值相近。甲苯：由表131，A1901，B7837所以p022133322Pa(22mmHg)查图131与甲苯曲线对照，数值相近。二硫化碳：查表131，A1446，B7410所以p0298133322Pa(298mmHg)查图131与二硫化碳曲线对照数值相近。由于蒸气的温度愈高，则其对应的饱和蒸气压愈高，通过降低温度把热量移去，可使气相回

4、到液相。可见冷凝作用的极限是饱和蒸气压下的温度。二、冷凝回收的极限与适用范围1蒸气压与蒸气浓度的关系对应于空气中某种有机蒸气的分压(蒸气压)为饱和蒸气压下的温度，即为该空气混合气体的露点温度。例如，空气中的CS2蒸气压为600133322Pa(600mmHg)时，查图中CS2曲线可知，其露点为40，同样，在上述例题中也可以反算。空气中苯蒸气压为75133322Pa(75mmHg)时的露点温度是20，空气中甲苯蒸气分压为22133322Pa(22mmHg)时的露点温度也是20，对于这样的空气蒸气混合气体，只有将其冷却到露点温度下，才能将蒸气部分冷凝下来。空气中能凝结下来的，也就是能被净化下来的有

5、害蒸气量，受到冷却温度的限制，即对应于冷却温度下的饱和蒸气压的有害溶剂仍留在空气气相中。这也就是前面所述的：冷凝净化温度是以冷却温度的饱和蒸气压为极限。如果已知混合气体在温度t()时所含有害蒸气分压p133322Pa(pmmHg)，则空气中的蒸气浓度可按下式计算：亦即 (132)式中 C空气中有害蒸气的浓度，gm3； p空气中有害蒸气的分压，133322Pa； t混合气体的温度，； 混合气体的流量，m3h； M有害蒸气的相对分子质量。例2 按前例计算苯、甲苯和二硫化碳在20时的饱和蒸气浓度。解 20时苯的饱和蒸气压75133322Pa(75mmHg)，苯的相对分子质量M=78，代人公式(72)

6、得同理：20时甲苯的饱和蒸气压=22133322Pa(22mmHg)，甲苯的相对分子质量M=92，得：同理：20时二硫化碳的290133322Pa(290mmHg)，相对分子质量为76，得：从上例中可以看出，将空气与蒸气的混合气体冷却到20，在空气中有320gm3的苯、110gm3的甲苯或者1203gm3的二硫化碳凝结不出来，也就是不能被除掉。这些数值说明以冷凝回收法将尾气冷却到20，不仅距离卫生标准的要求相差太远，而且也达不到废气的排放标准。按照我国大气污染物排放标准。即使以120m高的烟囱排放，规定的二硫化碳允许排放量为110kgh，允许排放的流量只能是11010001203914m3h，

7、即使冷却到0、15，它的饱和蒸气压分别为135133322Pa(135mmHg)、65133322Pa(65mmHg)，废气中仍含有560gm3、270gm3的二硫化碳，其允许排放的流量也只有196m3h、405m3h，这说明冷凝回收法一般只做为含较高浓度尾气时的前处理，而不用作最后净化。上述也可以说明，冷凝回收的关键是冷却温度。冷却温度越低，净化程度愈高。 2冷凝回收的适用范围及特点 冷凝回收只适用于蒸气状态的有害物质，多用于回收空气中的有机溶剂蒸气。冷凝方法本身可以达到很高的净化程度，但是净化要求愈高，则需冷却的温度愈低，所用的费用也就愈大。因此，只有空气中所含蒸气浓度比较高时，冷凝回收才

8、能比较有效。而对于一般冷却水能达到的低温度来说，冷凝的净化程度也是有一定限度的。 冷凝回收法的优点是所需设备和操作条件比较简单，回收得到的物质比较纯净，其缺点是净化程度受温度影响很大。常温常压下，净化程度受到很大限制。冷凝回收仅适用于蒸气浓度较高的情况下，因此，冷凝回收往往用做吸附、燃烧等净化设施的前处理，以减轻这些复杂、昂贵的主要措施的负荷，或预先回收可以利用的物质，这也是冷凝回收一般仅用做前处理的净化措施的原因。至于作为极为重要的净化方法的吸收操作，则往往本身就伴随有冷凝过程，几乎所有的洗涤器都可作为接触冷凝设备。 冷凝回收还适用于处理含有大量水蒸气的高温废气，在这种情况下，由于大量水蒸气

9、的凝结，废气中有害组分可以部分溶解在冷凝液中，这样不但可以减少气体流量，对下一步的燃烧、吸附、袋滤或高烟囱排放等净化措施也是十分有利的。例如，有的人造纤维厂对于纺丝工序散放的含有大量水蒸气及CS2、H2S的废气，就是用大量冷却水冷却，有害组分冷凝稀释于冷却水中，尾气再经高烟囱排放。 在冷凝操作过程中，用来吸收被冷凝物质热量的工作介质称为冷却剂。常用的冷却剂为冷水和空气，它们均是稳定且易得到的物质。 作为冷却剂的水比空气应用更广，它的优点是比热容和给热系数大，并且能冷却到更低的温度，通常的冷却水(自来水、河水或井水等)的初温度依地区条件和季节而变化，一般为425，为避免溶解在水中的盐类析出而在换

10、热器传热面上形成垢，因此，要求冷却水的终温一般不得超过4050。 如果要求将物料冷却到510，或更低的温度，就必须采用低温冷却剂。如冰、冷冻盐水和各种低温蒸发的液态冷冻剂等。 三、冷凝操作流程 用于冷凝回收的冷却方法，可分为直接冷凝和间接冷凝两种。 直接冷凝是冷却与被冷凝物质在换热器内直接接触进行冷凝的过程。这种冷凝传热迅速，但只能用在冷却剂混入被冷凝物质后，并不影响被冷凝物质质量的情况下，如用水将空气或乙炔冷却。 间接冷凝是流体与冷却剂间的热量传递是通过间壁(传热面)进行的，这种方法是工业上应用最广泛的一种。图132是用间接冷凝法处理含有高温臭味废气的流程，废气中含有6099的水蒸气，温度近

11、100，经表面冷凝器的间接冷却，水蒸气凝结，不凝气则抽至燃烧炉去最后处理，这样，经过冷凝器，可使废气体积减少95以上，同时废气中所含的有害物质被冷凝，还可以进一步冷却，而另外一些可能溶解在冷凝液中。图132 高温臭味残气处理流程示意 图133则用的是接触冷凝器，冷凝液和夹带的气体一起排入一个密闭的热水池中，不凝气体靠重力分开通向燃烧炉处理。图133 热有机液体储罐上的冷凝回收示意 由于冷凝液被大量冷却水所稀释，所以用直接冷却方法比间接冷却方法除去空气污染物要多，一般多用于有害物不加回收或含有污染物的冷却水不需另行处理的场合。在某些情况下，必须应用间接冷却法防尘防毒技术：第十六章 有害气体的燃烧

12、净化法第二节 热力燃烧的原理热力燃烧一般用于处理废气中含可燃组分浓度较低的情况。它和直接燃烧的区别就在于直接燃烧的废气由于本身含有较高浓度的可燃组分，它可以直接在空气中燃烧。热力燃烧则不同，废气中可燃组分的浓度很低，燃烧过程中所放出的热量不足以满足燃烧过程所需的热量。因此，废气本身不能作为燃料，只能作为辅助燃料燃烧过程中的助燃气体，在辅助燃料燃烧的过程中，将废气中的可燃组分销毁。与直接燃烧相比，热力燃烧所需要的温度一般较低，通常为540820。一、热力燃烧的基本理论(一)火焰传播理论在热力燃烧过程中，一般认为，只有燃烧室的温度维持在760820，驻留时间为05s时，有机物的燃烧才能比较完全。而

13、达到这个温度范围是依靠火焰传播过程来实现的。火焰传播的理论分为两大类。1热传播理论这类理论认为：火焰传播是依靠燃烧时所放出的热量加热周围的气体，使其达到燃烧所需要的温度而实现的。因此，能否实现火焰传播主要与三个方面的因素有关：混合气体中的含氧量；混合气体中含有可燃组分的浓度；辅助燃料燃烧过程中所放出的热量。当燃烧过程中放出的热量不足以使周围的气体达到燃烧所需要的温度，火焰自然不能向外传播；当助燃废气中的含氧量不足，燃烧过程难以进行，火焰也不能传播出去。例如：丙烷气体在空气当中很容易燃烧，但在氧和氮各占12和88的气体中，丙烷燃烧非常困难。此外，混合气体中可燃组分的浓度与火焰能否传播有着紧密的联

14、系。浓度过低，燃烧过程不能实现；浓度过高时，由于没有足够的氧而使得废气不能在正常的着火温度下产生燃烧反应，因而火焰也得不到传播。人们将这种能够维持火焰传播的浓度范围称为爆炸极限。使用燃烧法处理各种有机废气的过程中，爆炸极限的范围是至关重要的。2自由基连锁反应理论该种理论认为：在燃烧室中，火焰之所以能够进行很快的氧化反应，就是因为火焰中存在着大量活性很大的自由基。由于自由基是具有不饱和价的自由原子或原子团，极易同其他的原子或自由基发生连续的连锁反应，而使得火焰得以传播。1970年西里和鲍曼提出甲烷燃烧反应的历程如下。从以上的这个历程中可以看出，由于火焰的存在，使得自由基大量产生，所产生的自由基加

15、速了废气中可燃组分的销毁速度。在以上的这些自由基中，是一个很重要的自由基，它主要靠水分在火焰中解离而产生。在热力燃烧的过程中，的速度往往很慢，但如在混合气体中存在着OH，则其反应为的速度远远大于前一个反应，从而使得对人体危害严重的CO很快销毁了。(二)混合气体的爆炸极限燃烧本身是伴有光和热产生的剧烈的氧化反应，为了使这种氧化反应能够在燃烧室的每一点进行彻底，混合气体中可燃组分的浓度必须在一定的浓度范围之内，以形成火焰，维持燃烧，在一个有限的空间内形成气体爆炸。将这一浓度范围的下限称为爆炸下限、上限称为爆炸上限。表161列出了有机蒸气与空气混合在20、101325Pa下的爆炸极限范围。爆炸极限本

16、身并不是一个定值，它与混合气体的温度、压力及湿度有关。此外，还与混合气体的流速、设备的形状有关。对于几种有机蒸气与空气混合的爆炸极限，可按下式进行计算： (161)式中 ai混合气体中组分i的含量，； Ai混合气体中组分i的爆炸极限。热力燃烧，一般指利用燃烧辅助燃料所产生的火焰提高混合气体的温度，将废气中的可燃组分氧化或销毁。因此，产生火焰不是目的，而是一种提供热量的手段。在这种手段下，只要能够保证合适的温度，废气中的可燃组分就会得到销毁。此外，在热力燃烧过程中废气主要走两路，一路作为辅助燃料燃烧时的助燃气体。另一路作为与高温燃气混合的旁通废气，混合以后的气体温度要达到能使可燃组分销毁的温度。

17、在整个燃烧室中，热量不仅来自于辅助燃料的燃烧，在销毁可燃组分的过程中也会产生热量。一般而言，对于大多数的碳氢化合物，每1爆炸下限(LEL)在燃烧时放出的热量可以使温度升高153。因此，这部分热量也是不容忽视的。在一般的热力燃烧的工程中，为防止燃烧过程中的爆炸和回火，废气中可燃组分的含量应控制在25LEL以下。表162列出了部分可燃气体在爆炸下限时的热值。(三)热力燃烧机理热力燃烧的机理大致可以分为以下三个步骤。(1)辅助燃料的燃烧提高热量；(2)废气与高温燃气混合达到反应温度；(3)废气中可燃组分氧化反应保证废气于反应温度时所需要的驻留时间。具体的流程如图161所示。图161 热力燃烧流程然而

18、，在整个热力燃烧的过程中，是否用废气作为助燃气体，要视废气中的含氧量的多少而定，当废气中的含氧量足够燃烧过程中的需氧量时，可以使部分废气作为助燃气体；当不够时，则应以空气作为助燃气体，废气全部旁通。此外，辅助燃料用量的多少与废气的初始温度有很大关系。如废气的初温低，消耗的辅助燃料就多；初温较高，消耗的辅助燃料就少。因此，在工程设计中，利用燃烧过程中产生的预热废气可以节约大量的辅助燃料。图162就是这一思想很好的体现。图162 带能量(热量)回收装置的热燃烧炉低温废气在热回收换热器中得到预热，然后进入燃烧室与高温燃气混合燃烧，燃烧完毕之后从燃烧室流出进入换热器，对其他的低温废气预热，最后从烟道排

19、出。(四)热力燃烧的“三T”条件“三T”条件指的是反应温度(Reaction Temperature)、驻留时间(Residential Time)、湍流混合(Turbulence Mix)。掌握“三T”条件对于热力燃烧的过程是至关重要的。 1反应温度对热力燃烧的影响这里所指的反应温度并不是反应可以进行的温度，而是反应速度可达到要求时的温度。换句话讲，就是在一定的区域内，可燃组分的销毁达到设计要求所需要的温度。这就要求反应的速度足够快。提高温度，反应就会加速。例如，一个充分混合的系统在9822时也许能在03s内完成某一反应过程，而在7044时，则可能要3s时间才能完成同一反应。2驻留时间对热力

20、燃烧的影响任何化学反应(燃烧也是一种化学反应)都要经历一定的时间，可燃组分的销毁也是一样。尽管反应绝不会达到100的完全程度，但如果反应时间充分，那么不完全反应程度是微不足道的。这个时间是指反应物以某种形式进行混合后在一定温度下所维持的时间。就燃烧反应时间而言，其变化范围在小于110s至几秒之间，因反应温度和反应物混合程度而异。从图163可以看出，当反应温度为6489时，驻留时间为0001s，销毁率为10；驻留时间01s时，销毁率一下子上升到88。由此可见，驻留时间对热力燃烧的效果影响很大。图163 温度和时间对可燃组分氧化速率的影响3湍流混合对于热力燃烧的影响任何一种化学反应，反应能够发生的

21、前提条件是反应的分子间首先要发生碰撞。不能发生碰撞的分子之间自然不会发生反应。湍流混合的目的，实际上就是要增大可燃组分的分子与氧分子或自由基的碰撞机会，使其处于分子接触的水平，以保证所要求的销毁率。否则，即使有足够的反应温度和驻留时间，但由于没有足够的碰撞机会，照样不会达到预期的销毁率。这一点，从反应速率常数与分子碰撞系数的关系式中也可以看出： (162) 式中 K反反应速度常数；K碰分子碰撞系数；K质传质系数。当K碰增加时，K反也会增加，从而使得反应速率增加。“三T”条件之间是具有内在联系的，改变其中的任何一个条件，其他两项都可以得到相应的改变。如提高反应温度，使得反应速度加快，就可以适当地

22、降低驻留时间和湍流强度。然而，在这“三T”条件中，延长驻留时间会使设备体积增大；提高反应温度会使辅助燃料的消耗增加。因此，最经济的方法就是改善湍流混合情况，以增大分子接触的机会。这就需要在设计燃烧室的时候充分注意其内部的结构。二、热力燃烧炉的结构图164为热力燃烧典型的工业装置。从图中可以看出，一个热力燃烧装置主要由两部分组成：燃烧器，其作用是燃烧辅助燃料以产生高温燃气；燃烧室，其作用是保证废气和高温燃气充分混合并反应的空间。针对不同的要求和火焰燃烧的情况，燃烧器和燃烧室有各种不同的结构。图164 热燃烧装置(一)配焰式燃烧系统图165为配焰式燃烧器系统，其工艺特点是：燃烧器将火焰配布成为许多

23、布点成线的小火焰，废气从火焰周围流过去，迅速达到湍流混合。因此可以看出，该种燃烧有火焰分散、混合程度高、燃烧净化效率高等特点。但当废气贫氧，废气中含有易沉积的油焦或颗粒物。辅助燃料为油料时，这种系统都不适用。图165 配焰燃烧器系统1配焰式燃烧器根据燃烧结构的不同，该种形式的燃烧器又可分为火焰成线式燃烧器(见图166)、多烧嘴式燃烧器(见图167)和格栅式燃烧器(见图168)。图166 火焰成线式的燃烧器(带侧挡板)图167 多烧嘴式燃烧器系统图168 格栅式燃烧器火焰成线式燃烧器的辅助燃料气从下部管子引入，作为助燃气体的废气从V形板侧面的小孔引入，旁通废气从V形板与侧挡板间的缝隙引入。这就是

24、该种燃烧器的特点。当压力降为392266Pa(40mmH2O)时，该种燃烧器形成的火焰短而稳定，湍流混合程度较好。多烧嘴式燃烧器的辅助燃料气从后面引入，废气分为两路，助燃气体和旁通气体的量通过调节d的大小来控制。该种燃烧器的助燃较好，与火焰成线式相比，不易熄火。但湍流混合不够理想。因此，在燃烧室中应增设挡板或其他措施，提高混合程度。格栅式燃烧器的辅助燃料气从底部分配管引入，废气从下部引入，该种燃烧器湍流混合较好，适用于废气流量较为稳定的情况。但如压力调节不当，会发生熄火情况。2配焰式燃烧室针对配焰式燃烧器的结构，其燃烧室要注意解决以下的问题。(1)燃烧器的安装位置 为保证温度分布均匀，反应完全

25、，燃烧器应安置在断面流速尽可能分布均匀的端处，而不要放置在涡流地带。(2)燃烧室截面积 为保证足够的湍流程度，应满足：矩形截面时：圆形截面时：式中 Q标总体积流量； D当当量直径； D直径； A截面积。(3)燃烧室内设置挡板 由于燃烧室的边壁效应或燃烧器的结构形式，都有可能产生局部混合不好，为避免这种现象，应在火焰冲击范围以外装设挡板，以提高湍流混合的程度。表163反映了有无挡板之间的差别。(二)离焰式燃烧系统图169是一个离焰式燃烧系统装置示意。这种燃烧系统的特点是高温燃气与废气的混合是分离开的，而不像配焰系统那样将火焰与废气一起分成许多小股。所以，就混合效果来讲，不如配焰系统。但是离焰式燃

26、烧器又具有以下优点：由于火焰较长，不易熄火，辅助燃料既可以使用燃料油，又可使用燃料气(见图1610)，燃料气与助燃气体的流速可调幅度大，工作压力范围宽。图169 使用离焰燃烧器的燃烧炉图1610 油气两用燃烧器因此，在克服离焰式燃烧系统混合问题上，出现许多方法。(1)在图1611中，燃烧过程中火焰喷射产生的抽力将废气引入，然后在联管处充分混合，克服了混合速度慢的问题。图1611 轴向火焰的喷射混合(2)让废气与火焰径向进入燃烧室，增强横向混合速度，利用这一点改善混合情况。(3)在燃烧室内设置挡板(见图1612)增加湍流强度，提高混合速度。但要注意正确放置挡板。否则不仅不能改善混合情况，还会造成

27、死角，恶化混合情况，降低燃烧室的有效体积，减少驻留时间。第四节 吸附剂和吸附装置的选择 对于一定的生产任务，吸附质的性质与浓度是已经确定了的，也就是说不容选择。需要选择的因素主要是吸附剂的选择、吸附装置及吸附流程的选择。为了达到任务规定的净化要求，净化效率的确定也必须在设计时解决。 一、吸附剂的选择 吸附剂的性质，直接影响吸附效率，因此，在吸附设计中必须根据任务的规定选择合适的吸附剂。 吸附剂选择总的原则是根据前面所述的工业上对常用吸附剂的要求，再结合具体的生产任务进行选择。在吸附设计中，吸附剂的选择一般需要经过下列步骤。 1初选 根据吸附质的性质、浓度和净化要求以及吸附剂的来源等因素，初步选

28、出几种吸附剂。 (1)根据吸附质的性质选择 吸附质的性质包括极性和分子的大小。若为非极性的大分子物质，首选的应是活性炭。因为活性炭属于非极性吸附剂，且内部具有范围较广的大小孔径，可以吸附直径变化范围很宽的非极性吸附质，如大多数有机蒸气。若吸附质为极性小分子物质，则应考虑极性吸附剂，如硅胶、分子筛、活性氧化铝等。 (2)根据气体的浓度和净化要求选择 对于浓度高但要求净化效率不高的场合，就应尽可能地采用廉价的吸附剂，以降低生产成本。对于浓度较低但净化要求高的场合，就应该考虑用吸附能力比较强的吸附剂。对于气体浓度高、且净化效率要求也高的场合，应考虑先采用廉价吸附剂处理，然后再采用吸附力强的吸附剂处理

29、的二级吸附处理方法或应用吸附剂浸渍的方法。 (3)根据吸附剂的来源选择 在综合考虑以上诸因素的基础上，尽量选择一些价廉，易得，且近距离能解决的吸附剂。 2活性实验 利用小型装置，对初选出的几种吸附剂进行活性实验，实验所用吸附质气体应是任务规定的待净化气体。通过实验，再筛选出其中几种活性较好的吸附剂，做进一步实验。 3寿命实验 在中型装置中，对几种活性较好的吸附剂进行寿命和脱附性能的实验。实验气体仍必须是待处理的气体，实验条件应是生产时的操作条件，所用的脱附方式也必须是生产中选定的。这样经过吸附脱附再生反复多次循环，确定每种吸附剂的使用寿命。 4全面评估 对初选的几种吸附剂，综合活性、寿命等实验，再结合价格、运费等指标进行全面评估，最后选出一种既较适用，价格又相对便宜的吸附剂。 吸附剂的选择是一项复杂烦琐的工作，需要仔细认真地进行。 二、吸附装置的选择 吸附装置是吸附系统的核心，工业上所使用的吸附装置共三大类，即固定床、移