有机废气处理技术教材.pdf

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， 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， 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p075× 133322Pa(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p022× 133322Pa(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p0298× 133322Pa(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 600× 133322Pa(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75× 133322Pa(75mmHg) 时的 露点温度是 20，空气中甲苯蒸气分压为22× 133322Pa(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 p× 133322Pa(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75× 133322Pa(75mmHg) ，苯的相对 分子质量 M=78，代人公式 (72)得 同理： 20时甲苯的饱和蒸气压=22×133322Pa(22mmHg) ，甲苯的相对 分子质量 M=92，得： 同理： 20时二硫化碳的290×133322Pa(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110kg h， 允许排放的流量只能是110×100012039 14m3h， 即使冷却到 0、 15，它的饱和蒸气压分别为135×133322Pa(135mmHg) 、 65× 133322Pa(65mmHg) ，废气中仍含有 560g m3、270gm3 的二硫化碳， 其允许排放的流量也只有196m3 h、405m3 h，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540 820。 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。 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，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 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 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，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 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、移动床和流化床。 其中以固定床应用最为广泛。 但不论是哪一类吸附装置， 在进行气体净化设计时，必须考虑基本要求。 1吸附装置设计的基本要求 (1)吸附装置出口排气必须达到排放标准这是对吸附装置的最起码要 求。 按照目前的规定，各类气态污染物的排放浓度必须达到国家环保局颁布的大 气污染物综合排放标准 (GBl6297 1996) 的规定，如果地方政府还有更严格的 规定，还必须执行地方政府的规定。 1996 标准的规定对过去的标准进行了修订， 提出了更严格的标准， 今后随着可持续发展战略的实施，国家还会对标准进行更 严格的修订，因此，在设计吸附装置时应随时注意排放标准的要求。 (2)设备选型要面向生产实际设备选型要考虑实际生产中的规模、排气 量、排污方式 (连续或间歇，均匀排放还是非均匀排放)、污染物的物化特性、回 收还是进一步处理等因素， 正确选择吸附装置和吸附工艺系统，尤其对一些特殊 污染物或特殊要求的场合。 选择工艺系统时还应考虑生产的发展，留有适当的余 地。 (3)尽可能采用先进技术通过改进设备结构，使吸附装置能保持在最佳 状态下运行，使所设计的吸附系统处理能力大、效率高、收益大。 (4)认真考虑经济因素所设计的吸附装置和系统尽可能 地简化，易于安装、维修，使用寿命长，同时要使系统操作简 便，易于管理，以节省投资及运行费用。 2吸附装置的类型 (1)固定床吸附系统固定床，顾名思义，它是将吸附剂固定在某一部位 上，在其静止不动的情况下进行吸附操作的。它多为圆柱形设备， 在内部支撑的 格板或孔板上放置吸附剂，使处理的气体通过它，吸附质被吸附在吸附剂上。 固定床的应用较多见。如果只需短期处理气流，那么通常只需一个吸附 装置，当然这要以吸附周期之间有足够的时间间隔，以便进行吸附剂的再生。 然 而，由于通常要求待处理气体连续流动，因此必须采用能按这种方式操作的一个 或多个装置。 用来从气流中除去污染物最普通的吸附系统形式，是由许多固定床 装置组成的， 这些装置以一定的顺序进行吸附操作和再生操作，以使气流保持连 续。如果间歇操作和分批操作切实可行，则简单的单床层吸附就足够了，这时吸 附阶段和再生阶段可交替进行。然而，由于大多数工业应用要求连续操作，因此 经常采用双吸附床或三吸附床系统，其中一个或两个吸附床分别进行再生，其余 的进行吸附。典型的双吸附床和三吸附床系统如图153 和图 154 所示。 图 153 双吸附床吸附系统 图 154 三吸附床吸附系统 固定床吸附器也存在一些缺点。 间歇操作为使气流连续，操作必然不断地周期性切换，为此必须配 置较多的进出口阀门， 操作十分麻烦。 即使实现了自动化操作， 控制程序也比较 复杂。 需设有备用设备即当一部分吸附器进行吸附时，要有一部分吸附床 进行再生；这些吸附床中的吸附剂即处于非生产状态。即使处于生产中的设备里， 为了保证吸附区的高度有一定的富余，也需要放置多个实际需要的吸附剂，因而 总吸附剂用量增多。 吸附剂层导热性差吸附时产生的吸附热不易导出，操作时容易出现 局部床层过热。 另外，再生时加热升温和冷却降温都很不容易，因而延长了再生 的时间。 热量利用率低对于采用厚床层，压力损失也较大，因此，能耗增加。 (2)固定床吸附器固定床吸附系统的核心装置是固定床吸附器。目前使 用的固定床吸附器有立式、卧式、环式三种类型。 立式固定床吸附器立式固定床吸附器如图155 所示。分上流和下 流式两种。吸附剂装填高度以保证净化效率和一定的阻力降为原则，一般取 0520m。床层直径以满足气体流量和保证气流分布均匀为原则。处理腐蚀 性气体时应注意采取防腐蚀措施，一般是加装内衬。 立式固定床吸附器适合于小 气量浓度高的情况。 图 155 立式固定床吸附器 1砾石； 2卸料孔； 3，6网；4装料孔； 5废气及空气入口； 7脱 附气排出； 8安全阀接管； 9顶盖； 10重物； 11刚性环； 12外壳； 13吸附剂； 14支撑环； 15栅板； 16净气出口； 17粱； 18视镜； 19冷凝排放及供水； 20扩散器； 21吸附器底； 22梁支架； 23扩散器水蒸气接管 卧式固定床吸附器卧式固定床吸附器适合处理气量大、浓度低的气 体，其结构如图 156 所示。 图 156 卧式固定床吸附器 1壳体； 2供水； 3人孔； 4安全阀接管； 5挡板； 6蒸汽进口； 7 净化气体出口； 8装料口； 9吸附剂； 10卸料口； 11砾石层； 12支脚： 13填料底座； 14 支架； 15蒸汽及热空气出入口 卧式固定床吸附器为一水平摆放的圆柱形装置，吸附剂装填高度为 0 5 10m，待净化废气由吸附层上部或下部入床。卧式固定床吸附器的优点是处理 气量大、压降小，缺点是由于床层截面积大，容易造成气流分布不均。因此在设 计时特别注意气流均布的问题。 环式固定床吸附器环式固定床吸附器又称径向固定床吸附器，其结 构比立式和卧式吸附器复杂，如图157 所示。吸附剂填充在两个同心多孔圆 筒之间，吸附气体由外壳进入，沿径向通过吸附层，汇集到中心筒后排出。 图 157 环式吸附器 1支脚； 2废气及冷热空气入口； 3吸附剂筒底支座； 4壳体； 5，6多孔外筒和内筒； 7顶盖； 8视孔； 9装料口； 10补偿料斗； 11安全阀接管； 12吸附剂； 13吸附剂筒底座； 14卸料口； 15器底； 16净化器出口及脱附水蒸气入口；17脱附时排气口 环式固定床吸附器结构紧凑，吸附截面积大、阻力小，处理能力大，在 气态污染物的净化上具有独特的优势。目前使用的环式吸附器多使用纤维活性炭 作吸附材料， 用以净化有机蒸气。 实际应用上多采用数个环式吸附芯组合在一起 的结构设计，自动化操作。 (3)移动床吸附器移动床吸附器的优点在于其结构可以使气、固相连续 稳定地输入和输出， 还可以使气、 固两相接触良好， 不致发生沟流和局部不均匀 现象。由于气、固两相均处于移动状态，所以克服了固定床局部过热的缺点。其 操作是连续的， 用同样数量的吸附剂可以处理比固定床多得多的气体，因此对处 理量比较大的气体的操作，选用移动床较好。但是，移动床有它的固有缺点。主 要是由于吸附剂处在移动状态下，磨损消耗大，且结构复杂，设备庞大。设备投 资和运行费用均较高。 工业上应用的典型移动床吸附器是超吸附塔(见图 158)，设备高近 30m，由塔体和流态化粒子提升装置两部分组成。吸附剂采用硬质活性炭。活性 炭经脱附、 再生及冷却后继续下降用于吸附。在吸附塔内， 吸附与脱附是顺序进 行的。在吸附段，待处理的气体由吸附段的下部(即塔体中上部 )进入，与从塔顶 下来的活性炭逆流接触并把吸附质吸附下来，处理过的气体经吸附段顶部排出。 吸附了吸附质的活性炭继续下降，经过增浓段到达汽提段。 在汽提段的下部通入 热蒸汽，使活性炭上的吸附质进行脱附，经脱附后， 含吸附质的气流一部分由汽 提段顶部作为回收产品 (底部产品 )回收，有一部分继续上升，到达增浓段。在增 浓段蒸汽中所含的吸附质被由吸附段下来的活性炭进一步吸附，等于使这部分活 性炭的 “ 浓度” 又增加了。活性炭经过汽提，大部分吸附质都被脱附，为了使之更 彻底地脱附再生， 在汽提段下面又加设了一个提取器，使活性炭的温度进一步提 高，一是为了干燥目的， 二是为了使活性炭更好地再生。经过再生的活性炭到达 塔底，由提升器将其返回塔顶，于是完成了一个循环过程。在实际操作中，过程 连续不断地进行，气体和固体的流速得到很好的控制。 图 158 超吸附塔结构 近年来在移动床中有使用极性吸附剂如分子筛作吸附剂的，用于净化极 性气体如 H2S 等，结果也相当满意。 (4)流化床吸附器用于气态污染物治理的流化床吸附工艺是20 世纪 60 年代发展起来的， 是固体流态化技术在气态污染物净化方面的具体应用。流化床 是由气体和固体吸附剂组成的两相流装置。之所以称为流化床， 是因为固体吸附 剂在与气体的接触中， 由于气体速度较大使固体颗粒处于流化状态。由于流化床 的运动形式，使它具有许多独特的优点。 由于流体与固体的强烈扰动，大大强化了气固传质； 由于采用小颗粒吸附剂，使单位体积中吸附剂表面积增大； 固体的流态化，优化了气固的接触，提高了界面的传质速率，从而强 化了设备的生产能力， 由于流化床采用了比固定床大得多的气速，因而可以大大 减少设备投资； 由于气体和固体同处于流化状态，不仅可使床层温度分布均匀，而且 可以实现大规模的连续生产。 当吸附剂需要再生时，可采用如图159 所示的流化床吸附器。该吸附 器由吸附塔、旋风分离器、吸附提升管、通风机、冷凝冷却器、吸附质储槽等部 分组成。吸附塔按各段所起作用的不同分为吸附段、预热段和再生段。 图 159 带再生的多层流化床吸附装置 1脱附器； 2吸附器； 3分配板； 4料斗； 5空气提升机构； 6冷 却器 需净化的气体由吸附塔的中部送入，与筛板上的吸附剂颗粒接触进行传 质。气流穿过筛孔的速度应略大于吸附剂颗粒的悬浮速度，使吸附剂颗粒在筛板 上处于悬浮状态。 这样既使传质更加充分， 又使吸附剂能逐渐自溢流管流下。相 邻两塔板上的溢流管相互错开， 以使吸附剂在各层板上均布。 净气由塔顶进入旋 风分离器， 将气流带出的少量吸附剂颗粒分离下来，再回到吸附塔内。 运转一定 时期后，可将旋风分离器收回的吸附剂粉末移 走，而补入新吸附剂。 吸附剂由塔顶加入，沿塔向下流动，在各层塔板上形成吸附剂层，吸附 剂层的工作高度由溢流堰高度决定。 吸附了吸附质的吸附剂从最下一层塔板降落 到预热段，经间接加热后进入脱附再生段， 脱附后的吸附质进入冷凝冷却器进行 冷却，其中的部分吸附质被冷凝成液体，进入储槽。 未凝气体中还含有部分吸附 质，又回到吸附段。 脱附再生后的吸附剂自塔下部进入吸附剂提升管，再送入吸附塔上部重 新使用。 在流化床吸附塔中，塔板称为气流分布板，是流化床装置的最重要部件， 它对于流化质量的影响极为重要。设计好的分布板使气流分布均匀，吸附剂颗粒 产生平稳的流化状态。同时还可防止正常操作时物料的下漏、磨损和小孔堵塞。 多层流化床吸附器采用多块气体分布板，以抑制床内气体与固体颗粒的返混，改 善停留时间分布，提高吸附效率。常用的几种气流分布板的结构形式如图1510 所示。 图 1510 几种气流分布板的结构 流化床吸附器由于气流速度大，与移动床相比，具有更大的处理能力， 但能耗更高，对吸附剂的机械强度要求也更高。 三、吸附器净化效率的计算与选择 从理论上讲，要求吸附器的净化效率愈高愈好。然而，要想达到理想的 净化效率， 千方面需要庞大的吸附设备和很长的气、固接触时间， 另一方面需要 采用高强吸附能力的吸附剂。 这将使设备投资和运行费用大大增加。这在实际上 往往是不可行的，而且对于大部分场合也并不是完全必要的。 吸附器净化效率是由吸附器的入口气体浓度，即污染气体的浓度和吸附 器的穿透浓度决定的， 设污染气体浓度为y0， 污染物穿透吸附床时的浓度为yB， 吸附器的吸附效率可由下式计算： 对于一定的处理任务， y0 是已经确定了的，而净化效率的高低就取决于 yB 的选择。对于一定的吸附器，yB 愈低，净化效率会愈高，但是吸附剂的利用 率就会降低。 为了充分利用吸附剂， 尽可能地延长吸附床的吸附时间，往往希望 确定出较高的 yB。 但 yB 的选定是受环境保护法规规定的该污染物排放浓度限制 的。因此，在实际吸附器设计时，一般是在满足环保法规的前提下，尽可能地提 高 yB 值，以达到充分利用吸附剂的目的，从而降低处理成本。