挥发性有物污染控制.ppt

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1、第十章 挥发性有机物污染控制,1.蒸气压及蒸发2.VOCs（volatile organic compounds）污染预防3.VOCs污染控制方法和工艺了解VOCs的性质、排放及其污染预防措施 掌握燃烧、吸收、冷凝、吸附、生物等技术控制VOCs污染的原理、工艺和设备 能简单计算VOCs的蒸气压、排放量以及各类控制技术的关键参数,建议学时数：3学时,第十章 挥发性有机物污染控制,1.蒸气压及蒸发2.VOCs（volatile organic compounds）污染预防3.VOCs污染控制方法和工艺：燃烧法、吸收法、冷凝法、吸附法、生物法,挥发性有机物的概念,是指在常温下饱和蒸汽压大于约70Pa

2、，常压下沸点小于260的液体或固体有机化合物，碳原子数小于12的大多数有机物都是VOCs任何能参加气相光化学反应的有机化合物；世界卫生组织定义：熔点低于室温，沸点范围在50260之间的挥发性有机化合物的总称。部分常见对人体健康有影响的VOCs：苯、酚、丙酮、硝基苯、三氯乙烯、苯并a芘、二硫化碳、氯乙烯、乙腈、四氯化碳,第一节 蒸气压与蒸发,蒸气压是判断有机物是否属于挥发性有机物的主要依据温度越高，蒸气压越大,蒸气压,空气中VOCs的含量低，可视为理想气体，拉乌尔定律（气相中的蒸汽压与其液相中的摩尔分率的关系）,蒸气压,查图101克劳休斯克拉佩龙（ClausiusClapyron）方程,挥发与溶

3、解,Ps大气压,挥发与溶解,VOCs在水中的溶解度也与排放和控制有密切关系。从表105中看出大部分VOCs微溶于水。,VOCs排放,第二节 VOCs污染预防,VOCs控制技术可分为两类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,VOCs控制技术,VOCs替代,工艺改革,非挥发性溶剂工艺取代挥发性溶剂工艺，如流化床粉剂涂料和紫外平版印刷术石油及石化生产过程：回收利用放空气体,泄漏损耗及控制,充入、呼吸和排空损耗,充入、呼吸和排空损耗,充入、呼吸和排空导致的VOCs排放（容器排出的空气与VOCs的混合物体积）X（混合物中VOCs浓度）,kg,kg/m3,V-体

4、积变化量,充入、呼吸和排空损耗,充入：V加入液体的容积。呼吸损耗呼吸损耗温度变化使容器产生“吸进和呼出”而导致的有机物损耗白天呼出，夜晚吸进可通过在容器出口附加的蒸气保护阀来控制,充入、呼吸和排空损耗,呼吸损耗由两部分组成：由于温度变化造成的体积变化液体的体积增加气体的体积增加容器体积的增加。由于温度变化造成蒸汽压变化，摩尔数变化造成的体积变化,充入、呼吸和排空损耗,排空：摩尔数变化造成的体积变化：,0,汽油的转移和呼吸损耗,汽油50余种碳氢化物和其他痕量物质，C8H17,汽油已挥发部分所占的百分比/%,剩余液体的蒸汽压,汽油的转移和呼吸损耗,转移损耗控制方法,浮顶罐，用于储存大量的高挥发性的

5、液体。用于密封的浮顶盖浮在液面上，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。但是这种密封方式（一般采用有弹性的橡胶薄盖，类似于汽车上的雨刷）并不是完美的，仍然会有密封损失。这张草图没有给出防雨雪装置和其他的细节。,转移损耗控制方法阶段1控制,加油,呼吸加油,转移损耗控制方法阶段2控制,呼吸加油,第三节 VOCs控制方法和工艺,燃烧法吸收（洗涤）法冷凝法吸附法生物法,一、燃烧法（Combustion）,适用于可燃或在高温下可以分解的物质不能回收有用物质，但可回收热量燃烧反应：主要是燃烧氧化作用及高温下的氧化（热）分解 。如：,1、VOCs燃烧原理及动力学,燃烧

6、动力学单位时间VOCs减少量,VOCs燃烧原理及动力学,VOCs燃烧原理及动力学,例：试计算燃烧温度分别为538、649和760oC时，去除废气中99.9%的苯所需的时间。解：假设燃烧反应为一级，即n=l，对式（10-8）积分，得 当T=5380C时，由表10-8，得k=0.00011/s，代入式（10-9），得 同理可求得T=649、7600C时所需的燃烧时间分别为49s、0.2s。,VOCs燃烧原理及动力学,燃烧与爆炸对混合气体的组成浓度而言，可燃的混合气体就是爆炸性混合气体，燃烧极限浓度范围爆炸极限浓度范围多种可燃气体与空气混合，爆炸极限范围,2、燃烧工艺,直接燃烧：直接火焰燃烧，把废气

7、中可燃的有害组分当成燃料直接燃烧，适用于可燃有害组分浓度较高或热值较高的废气燃烧最终产物CO2,H2O,N2设备：燃烧炉、窑、锅炉温度1100oC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,燃烧工艺,热力燃烧（Thermal Combustion)氧化分解）：用于可燃有害组分浓度较低的废气本身不能维持燃烧，需燃烧其它燃料把废气温度提高到热力燃烧所需的温度，使其中的气态污染物进行氧化。如果废气中含有足够的氧可以用部分废气使辅助燃料燃烧助燃废气，其余叫做旁路废气。适于低浓度废气的净化温度低，540820oC必要条件：温度、停留时间、湍流混合,燃烧工艺,热力燃烧（Thermal Com

8、bustion)专门的燃烧装置：分配焰燃烧系统：离焰燃烧器系统。,VOC,炉,VOC,VOC,辅助燃料,辅助燃料,燃烧工艺,热力燃烧,燃烧工艺,催化燃烧（Catalytic Combustion）（催化氧化）：在催化剂的作用下，使废气中的有害可燃组分完全氧化为CO2和H2O。,燃烧工艺,具有热回收装置的催化燃烧器,催化燃烧装置,燃烧工艺,催化燃烧优点：无火焰燃烧，安全性好温度低：300450oC，辅助燃料消耗少对可燃组分浓度和热值限制少注意：气体预热，预处理。 催化剂多为贵金属、稀土催化剂，载体：陶瓷、不锈钢、三氧化二铝。,燃烧工艺,思考题：比较说明三种主要的燃烧法控制VOCs的优缺点，它们各

9、适用于何种情况？作业：10.2、10.3,二、吸收（洗涤）法（Absorption）,1、吸收工艺：由 吸收塔和气提塔组成，气体在吸收塔中被吸收剂吸收后进入热交换器加热后进入气提塔温度高于吸收温度或压力低于吸收压力VOCs解吸， 吸收剂冷凝后进入吸收塔循环使用。,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 液相,吸收设备,主要设计指标液气比（式740）塔径塔高,吸收设备,主要设计指标塔径：填料塔截面积：气体体积流量空塔速度液泛速度：填料塔正常操作的上限，当空塔气速超过液泛气速时，压降急剧上升，气体夹带液沫严重，填料塔正常操作被破坏。空塔气

10、速取0.75液泛速度。,吸收设备,主要设计指标液泛速度的求法：半经验方程：,或根据生产条件规定出可允许的压力降,吸收设备,主要设计指标塔高：填料层高度用式746，747。 工业用吸收塔，传质单元高度取1.51.8m，每段塔高不超过6米。,冷凝法（Condensation）,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,冷凝原理,相平衡：,冷凝原理,冷凝温度处于露点和泡点温度之间越接近泡点，净化程度越高,露点温度：对应于废气中有害物质饱和蒸汽压下的温度，称为该组分气体的露点温度，即一定压力下，某气体开始凝结出第一个液滴时的温度。多组分气体：开始气态中各组分：假设压力为P时的露点为

11、t，查出各组分平衡常数Ki、满足： 。,泡点温度：在衡压下加热液体，液体开始蒸发时的温度。多组分 开始液态中：假设压力为P时的泡点为t，查出各组分平衡常数Ki、满足：,t为系统的露点温度,t为系统的泡点温度,冷凝计算,压力P，温度t，进料中i组分的摩尔分率zi，计算液化率f、冷凝后气液组成xi、yi,冷凝计算,解法1：指定工艺条件P、t求f及mi。查出P，t条件下的mi，再假设一个f，带入式（10-19）求出xi 再用 验证f; 或带入式（1020）用 验证。解法2：指定f，由泡点定义知f=1, 露点定义f=0，先求出露点温度和泡点温度。f=1 带入式（10-19）求出xi 设泡点温度tf=0

12、 带入式（10-20）求出yi设露点温度t在露点和泡点之间设一个冷凝温度，并查出mi，其余同方法1。一般yi也会告诉。,冷凝计算,冷凝热：冷凝时移出的热量进料热未凝气中VOC排出热 冷凝液排出热,冷凝类型和设备,接触冷凝被冷凝气体与冷却介质直接接触喷射塔、喷淋塔、填料塔、筛板塔,冷却水量计算： 式1022GW、G、Gg冷却水量、气体有害物冷凝量和排出的废气量Cw、Cp、Cp冷却水、气体有害物凝结液、排出的废气的比热t1、t2气体进、出口温度tw、tm冷却水进、出口温度。,净化效率,冷凝类型和设备,冷凝系统的设计,给定脱除效率或出口浓度确定冷凝温度（根据出口分压查图1012）冷凝温度 冷凝剂类型

13、计算冷凝器的热负荷热负荷热传递系数 传热面积冷凝器尺寸,脱除部分,冷凝系统设计,冷凝器的热负荷(kJ/h)：冷凝器面积：冷却水量：,热量的组成：被冷凝VOCs的放热：未被冷凝VOCs的放热：不能冷凝空气的放热：Te气体进口温度q气体流量m3/min，No,m 、Ni,m （式1025），Nm= Ni,m No,m,三、吸附法（Adsorption）,吸附工艺,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,吸附工艺,吸附容量利用波拉尼曲线（查图1014）估算低压时：fs用饱和蒸汽压代；f用分压代,查图1014得：Q,单位吸附剂吸附量：,吸附工艺,多组分吸附过程

14、各组分均等吸附于活性炭上挥发性强的物质被弱的物质取代分子量较大的吸附取代低分子量的，需要吸附床长度加长；,保护作用时间按沸点低易挥发难吸附的组分A算。在L3组分A的气相浓度按A加B:,PA*PB*,A,B,A,B,活性炭的吸附热,物理吸附吸附热凝缩热+润湿热估算式,生物法（Biological Oxidation）,原理微生物将有机成分作为碳源和能源，并将其分解为CO2和H2O,工艺,生物洗涤塔（悬浮生长系统）,洗涤塔为多孔板式塔和鼓泡塔，主要作用为让气液两相充分接触。该法适用于气相传质速率大于生化反应速率。先被液体吸收再被降解。,生物滴滤塔,微生物附着生长于固体介质表面，气体自下而上， 在流

15、动过程中与接种挂膜的生物滤料接触被净化。形成双膜，先经过水膜再到生物膜，生物膜较厚时，脱落更新。,生物滴滤塔,生物膜内降解的数学模型（吸收生物降解）微元物料平衡费克定律+米门公式,CO2,生物滴滤塔,液膜内传递的数学模型太复杂，建立简化模式。,vs,液膜与生物膜交界面处的通量N*，浓度c*,用式1032得在生物膜中的Y向的通量： 式1036,层流速度分布,生物滴滤塔,建立z内滤液塔物料衡算方程：气相差液相差传入生物的量（式1037） 再将式1036代入用c*=Khc 液膜中浓度梯度较小,1039,生物滴滤塔,VOCs降解简化模型气相浓度随生物膜厚度L和填料高度z的变化 滤塔生成CO2的简化模型

16、：,Rc理论CO2生成量与VOCs降解量之比甲苯C7H87CO2 Rc=744923.348,生物过滤塔（附着生长系统）,气体由塔顶进入过滤塔，在流动过程中与已接种挂膜的生物滤料接触而被净化，净化后气体由塔低排出，由水、含水微生物膜、含水膜的滤料介质组成的液/固相，水只是滞留在生物膜表面或内层中，用于生物生成和自身代谢，而非VOCs溶剂。气体被吸附到液/固相中，被生物降解成CO2，H2O。,生物过滤塔,生物过滤塔（附着生长系统）,生物降解模型：是由吸附效应和生物降解效应两部分组成。,1）降解速率：液/固相中,生物过滤塔（附着生长系统）,2）液/固相中物料衡算方程式： 累积量传递量反应量,生物降

17、解模型,生物过滤塔（附着生长系统）,3）传递模型： 流进流出（扩散与流速）累积相际传递取极限令Z0得：,生物过滤塔（附着生长系统）,3）传递模型： 系统处于平衡时，液相浓度表示成气相浓度，Km=污染物在液/固相的质量污染物在气相中的质量。,生物过滤塔（附着生长系统）,3）传递模型：,同理将上面三个公式代入式1056积分得 CO2浓度见公式105759，,生物过滤塔（附着生长系统）,生物法工艺比较,VOCs控制工艺的应用,控制装置的基本应用,VOCs控制工艺的比较,环境和能源因素,VOCs控制工艺的二次污染问题,VOCs控制的二次污染问题,思考题：比较不同的生物法控制VOCs污染工艺，它们各适用于什么情况？作业：10.4、10.5,