有害气体的燃烧净化.ppt

第三章 有害气体的燃烧净化,1、有哪些有害物质可以用燃烧法来处理？2、燃烧法有几种？其条件和设备分别是什么？,二氧化硫、氟化氢、氯氧化物、汞蒸气、铅烟、苯、沥青烟、硫酸雾、铬酸雾、氯气、一氧化碳等,有害气体的燃烧净化的特点,直接燃烧法,（1）有害废气当作燃料直接烧掉（2）有害废气中可燃组分含量高33472kJm3（3）可燃组分浓度低的有害气体,热力燃烧法,（1）可燃的有害气体的浓度提高到反应温度（2）可燃有机质含量较低的废气的净化处理，热值在3765675312kJm3（3）配焰燃烧炉和离焰燃烧炉（540-820）,催化燃烧法,（1）利用催化剂使可燃的有害气体在较低温度下进行氧化分解（2）立式和卧式催化燃烧炉，炉中设有催化剂床层和预热燃烧器（300-450）,第二节 热力燃烧原理,一有关燃烧的几个概念（一）燃烧与热力燃烧,燃烧是可燃物跟助燃物（氧化剂）发生的一种发光发热的剧烈的氧化反应.,燃烧的必要条件是可燃物、助燃剂、着火能源三者缺一不可。,燃烧的充分条件是：1、可燃物与助燃物达到一定比例2、助燃物达到一定浓度（空气中氧气浓度低于14%，在常压下不起燃）3、超过最小点火能或超过一定强度的升温明火源4、满足了燃烧所需要的燃烧诱导期。,热力燃烧是指把废气温度提高到可燃气态污染物的温度，使其进行完全氧化分解的过程。由于废气中含有的可燃气态污染物浓度较低，需要燃烧辅助燃料提高废气的温度。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。,热力燃烧过程包括：辅助燃料燃烧以提供热量；废气与高温燃气混合达到反应温度；保持废气在反映温度下有足够的停留时间已使其中的可燃气态污染物氧化分解,如果废气含有足够的氧，应用一部分废气助燃辅助燃料，以降低辅助燃料的消耗。在供氧充分的情况下反应温度、停留时间和湍流混合等三个要素，即温度（Temperature）、时间（Time）、湍流（Turbulent）的“三T”条件，为热力燃烧完全的必要条件。热力燃烧可用于净化各种可燃气体。能否燃烧完全的必要条件，热力燃烧可用于净化各种可燃气体。能否充分回收余热，往往决定该法的实用价值。,（二）混合气体的燃烧与爆炸,燃烧与爆炸的区别,（三）爆炸极限浓度范围,可燃物质(可燃气体、蒸气和粉尘)与空气(或氧气)必须在一定的浓度范围内均匀混合，形成预混气，遇着火源才会发生爆炸，这个浓度范围称为爆炸极限，或爆炸浓度极限。,爆炸与燃烧的区别只是在产生的压力和传播速度的不同，对大多数可燃气体而言，在某一点着火后，会迅速传播开来，在有控制的条件下就形成火焰，维持着燃烧。在一个有限空间内，可燃气体迅速蔓延并无法控制的情况下，则形成气体爆炸。一般将燃烧的浓度范围视为爆炸的极限浓度。,上限：只着不炸 下限：不着不炸,注:(1)可燃性混合物能够发生爆炸的最低浓度和最高浓度，分别称为爆炸下限和爆炸上限，这两者有时亦称为着火下限和着火上限。(2)在低于爆炸下限时不爆炸也不着火；在高于爆炸上限不会发生爆炸，但会着火。(3)这是由于前者的可燃物浓度不够，过量空气的冷却作用，阻止了火焰的蔓延；而后者则是空气不足，导致火焰不能蔓延的缘故。(4)当可燃物的浓度大致相当于反应当量浓度时，具有最大的爆炸威力(即根据完全燃烧反应方程式计算的浓度比例)。,爆炸极限的表示爆炸极限的单位气体爆炸极限的单位气体或蒸气的爆炸极限的单位，是以在混合物中所占体积的百分比()来表示的，如氢与空气混合物的爆炸极限为475。可燃粉尘的爆炸极限是以混合物中所占体积的质量比gm3来表示的，例如铝粉的爆炸极限为40gm3。,（四）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。,注:(1)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；(2)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。(3)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。(4)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。,的历程如下:1970年西里和鲍曼提出甲烷燃烧反应,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。,第二节 热力燃烧的原理,（一）热力燃烧的机理热力燃烧过程中，一般认为，只有燃烧室的温度维持在760820度，驻留时间为0.5s时，有机物的燃烧才能比较完全。达到上述温度范围的途径：依靠火焰传播过程来实现的。,注：（1）产生火焰不是目的，而是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者销毁。（2）热力燃烧中废气的用途：一是作为辅助燃料燃烧时的助燃气体；一是作为高温燃气混合的旁通废气，混合后的气体温度要达到能使可燃组分销毁的温度。（3）利用废气燃烧时放出的热量。,3）热力燃烧机理三个步骤：（1）辅助燃料的燃烧提高热量（2）废气与高温燃气的燃烧达到反应温度（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,4）热力燃烧的“三T”条件含义：反应温度Reaction Temperature驻留时间Residential Time湍流混合Turbulence Mix,（二）热力燃烧的条件,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。,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。,注：“三T”条件之间具有内在联系，改变其一其他两个都可以得到改变。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。最经济的方法是改善湍流混合的情况。,第三节 热力燃烧炉,1 结构组成燃烧器：燃烧辅助燃料以产生高温燃气燃烧室：保证废气和高温燃气充分混合并反应的空间热量回收与排烟装置：工艺流程图：,典型热力燃烧系统,配焰式燃烧系统（分类、优缺点、设计问题？）,离焰式燃烧系统（分类、优缺点、设计问题？）,典型热力燃烧系统（1）配焰式燃烧系统工艺特点：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，迅速达到湍流混合。优点：火焰分散，混合程度高、净化效率高等特点。缺点：但是当废气贫氧，废气中含有易沉积的油焦或颗粒物。不适用于辅助燃料为油料的情况。,配焰式燃烧器分类：根据燃烧结构的不同，该种形式的燃烧器分为：火焰成线式燃烧器、多烧嘴式燃烧器、隔栅式燃烧器。,各种形式燃烧器的特点火焰成线式：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。,多烧嘴式：辅助燃料从从后面引入，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。助燃效果好，与火焰成线式相比，不易熄火，但是湍流混合效果 不够理想。解决办法：增设挡板。,隔栅式：辅助燃料从底部分配管引入，废气从下部引入。湍流混合度比较好。适用于废气量比较稳定的情况。,设计问题配焰式燃烧室燃烧器的安装位置 燃烧器应安装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燃烧室内设挡板的问题燃烧室截面积,(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。,第三节 热力燃烧炉,下图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。,一、配焰式燃烧系统图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。,这种系统都不适用以下情况：1、当废气贫氧；2、废气中含有易沉积的油焦或颗粒物；3、辅助燃料为油料时；4、有增加熄火趋势，要注意解决。,（二）设计问题为了适应配焰燃烧器的结构原理，解决旁通废气混合的问题，需要考虑燃烧器的安装方位、燃烧室截面积和挡板等问题。,(1)燃烧器的安装方位 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。表反映了有无挡板之间的差别。,(二)离焰式燃烧系统 右图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，燃料气与助燃气体的流速可调幅度大，工作压力范围宽。,使用离焰燃烧器的燃烧炉,油气两用燃烧器,创新的燃烧系统,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。,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,在燃烧室内设置挡板增加湍流强度，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 催化燃烧原理,一、概述 催化技术在化学工业、石化工业、食品工业等行业得到广泛应用，在化学工业中催化过程占全部化学过程的80%以上，随着环境污染的加剧以及环境保护的要求，催化技术在废气净化工程中也得到广泛应用。,（一）环保催化剂的一般要求1、极高的净化效率2、处理量大3、抗毒能力强、化学稳定性高、选择性好4、高强度、高稳定性5、净化设备结构简单、投资低6、要求不产生二次污染,(二)成功应用的领域1、排烟脱硫2、固定发生源烃类净化催化剂3、氮氧化物催化剂4、恶臭物质净化催化剂5、汽车排气净化催化剂,二、催化燃烧原理 催化燃烧是借助催化剂在低温下(200400)下，实现对有机物的完全氧化，因此，能耗少，操作简便，安全，净化效率高，在有机废气特别是回收价值不大的有机废气净化方面，比如化工，喷漆、绝缘材料、漆包线、涂料生产等行业应用较广，已有不少定型设备可供选用。,(2)催化作用机理催化作用的机理是一个很复杂的问题，这里仅做简介。在一个化学反应过程中，催化剂的加入并不能改变原有的化学平衡，所改变的仅是化学反应的速度，而在反应前后，催化剂本身的性质并不发生变化。那么，催化剂是怎样加速了反应速度呢了?既然反应前后催化剂不发生变化，那么催化剂到底参加了反应没有?实际上，催化剂本身参加了反应，正是由于它的参加，使反应改变了原有的途径，使反应的活化能降低，从而加速了反应速度。例如反应A+BC是通过中间活性结合物(AB)过渡而成的，即：A+BABC,(3)催化燃烧的工艺组成不同的排放场合和不同的废气，有不同的工艺流程。但不论采取哪种工艺流程，都由如下工艺单元组成。,废气预处理为了避免催化剂床层的堵塞和催化剂中毒，废气在进入床层之前必须进行预处理，以除去废气中的粉尘、液滴及催化剂的毒物。预热装置预热装置包括废气预热装置和催化剂燃烧器预热装置。因为催化剂都有一个催化活性温度，对催化燃烧来说称催化剂起燃温度，必须使废气和床层的温度达到起燃温度才能进行催化燃烧，因此，必须设置预热装置。但对于排出的废气本身温度就较高的场合，如漆包线、绝缘材料、烤漆等烘干排气，温度可达300以上，则不必设置预热装置。,预热装置加热后的热气可采用换热器和床层内布管的方式。预热器的热源可采用烟道气或电加热，目前采用电加热较多。当催化反应开始后，可尽量以回收的反应热来预热废气。在反应热较大的场合，还应设置废热回收装置，以节约能源。预热废气的热源温度一般都超过催化剂的活性温度。为保护催化剂，加热装置应与催化燃烧装置保持一定距离，这样还能使废气温度分布均匀。从需要预热这一点出发，催化燃烧法最适用于连续排气的净化，若间歇排气，不仅每次预热需要耗能，反应热也无法回收利用，会造成很大的能源浪费，在设计和选择时应注意这一点。,催化燃烧装置一般采用固定床催化反应器。反应器的设计按规范进行，应便于操作，维修方便，便于装卸催化剂。,在进行催化燃烧的工艺设计时，应根据具体情况，对于处理气量较大的场合，设计成分建式流程，即预热器、反应器独立装设，其间用管道连接。对于处理气量小的场合，可采用催化焚烧炉(见图1613)，把预热与反应组合在一起，但要注意预热段与反应段间的距离。在有机物废气的催化燃烧中，所要处理的有机物废气在高温下与空气混合易引起爆炸，安全问题十分重要。因而，一方面必须控制有机物与空气的混合比，使之在爆炸下限；另一方面，催化燃烧系统应设监测报警装置和有防爆措施。,（二）催化氧化的转化率与驻留时间1、催化氧化的转化率 这里的转化率可以理解为净化效率。碳氢化合物的催化氧化受许多因素的影响，包括催化剂（类型、数量、活性）、操作温度、可燃组分化学组成及浓度、废气通过催化剂床层的速度等等。,催化炉燃烧所需催化剂数量的多少，主要取决于废气中有害组分要求的净化效率，而不是最后净化气中有害组分的浓度。实验表明，催化剂床层中任何一点的氧化反应均为一级反应，即该点的氧化速率与该点浓度成正比。,2、驻留时间在催化剂研究中，称为驻留时间或接触时间。指反应气体通过催化剂床层中自由空间所需要的时间。接触时间越短，表示同样体积的催化剂处理的废气越多，所以它是表示催化剂处理能力的参数之一。有一个反映催化剂处理能力的参数，称为空间速度SV(Space Velocity）通常以每单位体积催化剂，没，每小时通过的气体体积（换算至标准状态）计算，空间速度值越高，表示催化剂的处理能力越大。,线速度，指反应气体在反应条件下通过催化剂床层自由截面积的速度。,（三）有效速率常数K效的经验数据1、催化过程机理（1）反应物自气流向固体界面内扩散。（2）反应物在催化剂孔内的扩散。（3）反应物在催化剂内表面上的吸附。（4）在催化剂内表面上进行反应。（5）反应生成物在催化剂内表面上的脱附（6）生成物在催化剂孔内扩散（7）生成物从固体气流界面向气流的扩散,2、催化转化的有效速率常数,三、催化燃烧的影响因素（一）催化剂性能的影响,