當(dāng)氣體中含有較多的有回收價(jià)值的有機(jī)氣態(tài)污染時(shí)，通過(guò)冷凝回收這些污染物是最好的方法。當(dāng)尾氣被水飽和時(shí)，為了消滅反煙，有時(shí)也用冷凝的方法將水蒸氣冷凝下來(lái)，單純通過(guò)冷凝往往不能將污染物脫除至規(guī)定的要求，除非使用冷凍劑。一般使用室溫水作為冷卻劑的冷凝器是吸附或燃燒的很好的預(yù)處理裝置。

一、冷凝原理1．冷凝自然界的冷凝現(xiàn)象諸如：盛夏季節(jié)，清晨所見(jiàn)到的花草上的露珠；廚房自來(lái)水管外面一層濕漉漉的水膜；外出歸來(lái)人室后眼鏡上的水霧等。所謂冷凝就是當(dāng)熱流體放出熱量時(shí)，溫度沒(méi)有變化，而使流體從氣相變?yōu)橐合唷＠淠厥盏姆椒ň褪菍⒄魵鈴目諝庵欣鋮s凝成液體，并將液體收集起來(lái)，加以利用。從空氣中冷凝蒸氣的方法，可以是移去熱量即冷卻，也可以是增加壓力，使蒸氣在壓縮時(shí)凝出來(lái)。而在空氣凈化方面通常只用冷卻的方法，很少使用壓縮的方法。2．飽和蒸氣壓與溫度的關(guān)系所謂蒸氣壓就是物質(zhì)從液相逃逸到氣相中的能力。蒸氣壓與蒸氣物質(zhì)本身的性質(zhì)、溫度及蒸氣的濃度有關(guān)。以冷卻的方法將空氣中的蒸氣凝成液體，其極限就是指冷卻溫度下的飽和蒸氣，而飽和蒸氣壓就是指純物質(zhì)在指定溫度下逃逸到氣相中的最大能力。如圖13—1所示，是某些物質(zhì)的飽和蒸氣壓與溫度的關(guān)系曲線。圖13－1

某些物質(zhì)的飽和蒸氣壓與溫度的關(guān)系曲線不同溫度下的飽和蒸氣壓p0可按下式計(jì)算：(13—1)

式中

p0——指定開(kāi)爾文溫度T下的飽和蒸氣壓，×133．322Pa；T——有機(jī)溶劑的溫度，K；A，B——與物質(zhì)性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。表13—1是一些常見(jiàn)有機(jī)溶劑的A，B值。[例1]

求苯、甲苯和二硫化碳在室溫為20℃時(shí)的飽和蒸氣壓。解

由式(13—1)

可算出苯：由表13—1，A＝1731，B＝7．783所以p0＝75×133．322Pa(75mmHg)查圖13—1可知，兩種方法得出的數(shù)值相近。甲苯：由表13—1，A＝1901，B＝7．837所以p0＝22×133．322Pa(22mmHg)查圖13—1與甲苯曲線對(duì)照，數(shù)值相近。二硫化碳：查表13—1，A＝1446，B＝7．410所以p0＝298×133．322Pa(298mmHg)查圖13—1與二硫化碳曲線對(duì)照數(shù)值相近。由于蒸氣的溫度愈高，那么其對(duì)應(yīng)的飽和蒸氣壓愈高，通過(guò)降低溫度把熱量移去，可使氣相回到液相。可見(jiàn)冷凝作用的極限是飽和蒸氣壓下的溫度。二、冷凝回收的極限與適用范圍1．蒸氣壓與蒸氣濃度的關(guān)系對(duì)應(yīng)于空氣中某種有機(jī)蒸氣的分壓(蒸氣壓)為飽和蒸氣壓下的溫度，即為該空氣混合氣體的露點(diǎn)溫度。例如，空氣中的CS2蒸氣壓為600×133．322Pa(600mmHg)時(shí)，查圖中CS2曲線可知，其露點(diǎn)為40℃，同樣，在上述例題中也可以反算。空氣中苯蒸氣壓為75×133．322Pa(75mmHg)時(shí)的露點(diǎn)溫度是20℃，空氣中甲苯蒸氣分壓為22×133．322Pa(22mmHg)時(shí)的露點(diǎn)溫度也是20℃，對(duì)于這樣的空氣蒸氣混合氣體，只有將其冷卻到露點(diǎn)溫度下，才能將蒸氣局部冷凝下來(lái)。空氣中能凝結(jié)下來(lái)的，也就是能被凈化下來(lái)的有害蒸氣量，受到冷卻溫度的限制，即對(duì)應(yīng)于冷卻溫度下的飽和蒸氣壓的有害溶劑仍留在空氣氣相中。這也就是前面所述的：冷凝凈化溫度是以冷卻溫度的飽和蒸氣壓為極限。如果混合氣體在溫度t(℃)時(shí)所含有害蒸氣分壓p×133．322Pa(pmmHg)，那么空氣中的蒸氣濃度可按下式計(jì)算：亦即

(13—2)式中

C——空氣中有害蒸氣的濃度，g／m3；

p——空氣中有害蒸氣的分壓，×133．322Pa；

t——混合氣體的溫度，℃；

υ——混合氣體的流量，m3／h；

M——有害蒸氣的相對(duì)分子質(zhì)量。[例2]

按前例計(jì)算苯、甲苯和二硫化碳在20℃時(shí)的飽和蒸氣濃度。解

20℃時(shí)苯的飽和蒸氣壓＝75×133．322Pa(75mmHg)，苯的相對(duì)分子質(zhì)量M=78，代人公式(7—2)得同理：20℃時(shí)甲苯的飽和蒸氣壓=22×133．322Pa(22mmHg)，甲苯的相對(duì)分子質(zhì)量M=92，得：同理：20℃時(shí)二硫化碳的＝290×133．322Pa(290mmHg)，相對(duì)分子質(zhì)量為76，得：從上例中可以看出，將空氣與蒸氣的混合氣體冷卻到20℃，在空氣中有320g／m3的苯、110g／m3的甲苯或者1203g／m3的二硫化碳凝結(jié)不出來(lái)，也就是不能被除掉。這些數(shù)值說(shuō)明以冷凝回收法將尾氣冷卻到20℃，不僅距離衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的要求相差太遠(yuǎn)，而且也達(dá)不到廢氣的排放標(biāo)準(zhǔn)。按照我國(guó)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。即使以120m高的煙囪排放，規(guī)定的二硫化碳允許排放量為110kg／h，允許排放的流量只能是110×1000／1203＝9．14m3／h，即使冷卻到0℃、－15℃，它的飽和蒸氣壓分別為135×133．322Pa(135mmHg)、65×133．322Pa(65mmHg)，廢氣中仍含有560g／m3、270g／m3的二硫化碳，其允許排放的流量也只有196m3／h、405m3／h，這說(shuō)明冷凝回收法一般只做為含較高濃度尾氣時(shí)的前處理，而不用作最后凈化。上述也可以說(shuō)明，冷凝回收的關(guān)鍵是冷卻溫度。冷卻溫度越低，凈化程度愈高。

2．冷凝回收的適用范圍及特點(diǎn)

冷凝回收只適用于蒸氣狀態(tài)的有害物質(zhì)，多用于回收空氣中的有機(jī)溶劑蒸氣。冷凝方法本身可以到達(dá)很高的凈化程度，但是凈化要求愈高，那么需冷卻的溫度愈低，所用的費(fèi)用也就愈大。因此，只有空氣中所含蒸氣濃度比擬高時(shí)，冷凝回收才能比擬有效。而對(duì)于一般冷卻水能到達(dá)的低溫度來(lái)說(shuō)，冷凝的凈化程度也是有一定限度的。

冷凝回收法的優(yōu)點(diǎn)是所需設(shè)備和操作條件比擬簡(jiǎn)單，回收得到的物質(zhì)比擬純潔，其缺點(diǎn)是凈化程度受溫度影響很大。常溫常壓下，凈化程度受到很大限制。冷凝回收僅適用于蒸氣濃度較高的情況下，因此，冷凝回收往往用做吸附、燃燒等凈化設(shè)施的前處理，以減輕這些復(fù)雜、昂貴的主要措施的負(fù)荷，或預(yù)先回收可以利用的物質(zhì)，這也是冷凝回收一般僅用做前處理的凈化措施的原因。至于作為極為重要的凈化方法的吸收操作，那么往往本身就伴隨有冷凝過(guò)程，幾乎所有的洗滌器都可作為接觸冷凝設(shè)備。

冷凝回收還適用于處理含有大量水蒸氣的高溫廢氣，在這種情況下，由于大量水蒸氣的凝結(jié)，廢氣中有害組分可以局部溶解在冷凝液中，這樣不但可以減少氣體流量，對(duì)下一步的燃燒、吸附、袋濾或高煙囪排放等凈化措施也是十分有利的。例如，有的人造纖維廠對(duì)于紡絲工序散放的含有大量水蒸氣及CS2、H2S的廢氣，就是用大量冷卻水冷卻，有害組分冷凝稀釋于冷卻水中，尾氣再經(jīng)高煙囪排放。

在冷凝操作過(guò)程中，用來(lái)吸收被冷凝物質(zhì)熱量的工作介質(zhì)稱(chēng)為冷卻劑。常用的冷卻劑為冷水和空氣，它們均是穩(wěn)定且易得到的物質(zhì)。

作為冷卻劑的水比空氣應(yīng)用更廣，它的優(yōu)點(diǎn)是比熱容和給熱系數(shù)大，并且能冷卻到更低的溫度，通常的冷卻水(自來(lái)水、河水或井水等)的初溫度依地區(qū)條件和季節(jié)而變化，一般為4～25℃，為防止溶解在水中的鹽類(lèi)析出而在換熱器傳熱面上形成垢，因此，要求冷卻水的終溫一般不得超過(guò)40～50℃。

如果要求將物料冷卻到5～10℃，或更低的溫度，就必須采用低溫冷卻劑。如冰、冷凍鹽水和各種低溫蒸發(fā)的液態(tài)冷凍劑等。

三、冷凝操作流程

用于冷凝回收的冷卻方法，可分為直接冷凝和間接冷凝兩種。

直接冷凝是冷卻與被冷凝物質(zhì)在換熱器內(nèi)直接接觸進(jìn)行冷凝的過(guò)程。這種冷凝傳熱迅速，但只能用在冷卻劑混入被冷凝物質(zhì)后，并不影響被冷凝物質(zhì)質(zhì)量的情況下，如用水將空氣或乙炔冷卻。

間接冷凝是流體與冷卻劑間的熱量傳遞是通過(guò)間壁(傳熱面)進(jìn)行的，這種方法是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的一種。圖13－2是用間接冷凝法處理含有高溫臭味廢氣的流程，廢氣中含有60％～99％的水蒸氣，溫度近100℃，經(jīng)外表冷凝器的間接冷卻，水蒸氣凝結(jié)，不凝氣那么抽至燃燒爐去最后處理，這樣，經(jīng)過(guò)冷凝器，可使廢氣體積減少95％以上，同時(shí)廢氣中所含的有害物質(zhì)被冷凝，還可以進(jìn)一步冷卻，而另外一些可能溶解在冷凝液中。圖13－2

高溫臭味殘氣處理流程示意

圖13—3那么用的是接觸冷凝器，冷凝液和夾帶的氣體一起排入一個(gè)密閉的熱水池中，不凝氣體靠重力分開(kāi)通向燃燒爐處理。圖13－3

熱有機(jī)液體儲(chǔ)罐上的冷凝回收示意

由于冷凝液被大量冷卻水所稀釋?zhuān)杂弥苯永鋮s方法比間接冷卻方法除去空氣污染物要多，一般多用于有害物不加回收或含有污染物的冷卻水不需另行處理的場(chǎng)合。在某些情況下，必須應(yīng)用間接冷卻法防塵防毒技術(shù)：第十六章

有害氣體的燃燒凈化法第二節(jié)

熱力燃燒的原理熱力燃燒一般用于處理廢氣中含可燃組分濃度較低的情況。它和直接燃燒的區(qū)別就在于直接燃燒的廢氣由于本身含有較高濃度的可燃組分，它可以直接在空氣中燃燒。熱力燃燒那么不同，廢氣中可燃組分的濃度很低，燃燒過(guò)程中所放出的熱量缺乏以滿(mǎn)足燃燒過(guò)程所需的熱量。因此，廢氣本身不能作為燃料，只能作為輔助燃料燃燒過(guò)程中的助燃?xì)怏w，在輔助燃料燃燒的過(guò)程中，將廢氣中的可燃組分銷(xiāo)毀。與直接燃燒相比，熱力燃燒所需要的溫度一般較低，通常為540～820℃。一、熱力燃燒的根本理論(一)火焰?zhèn)鞑ダ碚撛跓崃θ紵^(guò)程中，一般認(rèn)為，只有燃燒室的溫度維持在760～820℃，駐留時(shí)間為0．5s時(shí)，有機(jī)物的燃燒才能比擬完全。而到達(dá)這個(gè)溫度范圍是依靠火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。火焰?zhèn)鞑サ睦碚摲譃閮纱箢?lèi)。1．熱傳播理論這類(lèi)理論認(rèn)為：火焰?zhèn)鞑ナ且揽咳紵龝r(shí)所放出的熱量加熱周?chē)臍怏w，使其到達(dá)燃燒所需要的溫度而實(shí)現(xiàn)的。因此，能否實(shí)現(xiàn)火焰?zhèn)鞑ブ饕c三個(gè)方面的因素有關(guān)：①混合氣體中的含氧量；②混合氣體中含有可燃組分的濃度；③輔助燃料燃燒過(guò)程中所放出的熱量。當(dāng)燃燒過(guò)程中放出的熱量缺乏以使周?chē)臍怏w到達(dá)燃燒所需要的溫度，火焰自然不能向外傳播；當(dāng)助燃廢氣中的含氧量缺乏，燃燒過(guò)程難以進(jìn)行，火焰也不能傳播出去。例如：丙烷氣體在空氣當(dāng)中很容易燃燒，但在氧和氮各占12％和88％的氣體中，丙烷燃燒非常困難。此外，混合氣體中可燃組分的濃度與火焰能否傳播有著緊密的聯(lián)系。濃度過(guò)低，燃燒過(guò)程不能實(shí)現(xiàn)；濃度過(guò)高時(shí)，由于沒(méi)有足夠的氧而使得廢氣不能在正常的著火溫度下產(chǎn)生燃燒反響，因而火焰也得不到傳播。人們將這種能夠維持火焰?zhèn)鞑サ臐舛确秶Q(chēng)為爆炸極限。使用燃燒法處理各種有機(jī)廢氣的過(guò)程中，爆炸極限的范圍是至關(guān)重要的。2．自由基連鎖反響理論該種理論認(rèn)為：在燃燒室中，火焰之所以能夠進(jìn)行很快的氧化反響，就是因?yàn)榛鹧嬷写嬖谥罅炕钚院艽蟮淖杂苫Ｓ捎谧杂苫蔷哂胁伙柡蛢r(jià)的自由原子或原子團(tuán)，極易同其他的原子或自由基發(fā)生連續(xù)的連鎖反響，而使得火焰得以傳播。1970年西里和鮑曼提出甲烷燃燒反響的歷程如下。從以上的這個(gè)歷程中可以看出，由于火焰的存在，使得自由基大量產(chǎn)生，所產(chǎn)生的自由基加速了廢氣中可燃組分的銷(xiāo)毀速度。在以上的這些自由基中，是一個(gè)很重要的自由基，它主要靠水分在火焰中解離而產(chǎn)生。在熱力燃燒的過(guò)程中，的速度往往很慢，但如在混合氣體中存在著OH，那么其反響為的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前一個(gè)反響，從而使得對(duì)人體危害嚴(yán)重的CO很快銷(xiāo)毀了。(二)混合氣體的爆炸極限燃燒本身是伴有光和熱產(chǎn)生的劇烈的氧化反響，為了使這種氧化反響能夠在燃燒室的每一點(diǎn)進(jìn)行徹底，混合氣體中可燃組分的濃度必須在一定的濃度范圍之內(nèi)，以形成火焰，維持燃燒，在一個(gè)有限的空間內(nèi)形成氣體爆炸。將這一濃度范圍的下限稱(chēng)為爆炸下限、上限稱(chēng)為爆炸上限。表16—1列出了有機(jī)蒸氣與空氣混合在20℃、101325Pa下的爆炸極限范圍。爆炸極限本身并不是一個(gè)定值，它與混合氣體的溫度、壓力及濕度有關(guān)。此外，還與混合氣體的流速、設(shè)備的形狀有關(guān)。對(duì)于幾種有機(jī)蒸氣與空氣混合的爆炸極限，可按下式進(jìn)行計(jì)算：

(16—1)式中

ai——混合氣體中組分i的含量，％；

Ai——混合氣體中組分i的爆炸極限。熱力燃燒，一般指利用燃燒輔助燃料所產(chǎn)生的火焰提高混合氣體的溫度，將廢氣中的可燃組分氧化或銷(xiāo)毀。因此，產(chǎn)生火焰不是目的，而是一種提供熱量的手段。在這種手段下，只要能夠保證適宜的溫度，廢氣中的可燃組分就會(huì)得到銷(xiāo)毀。此外，在熱力燃燒過(guò)程中廢氣主要走兩路，一路作為輔助燃料燃燒時(shí)的助燃?xì)怏w。另一路作為與高溫燃?xì)饣旌系呐酝◤U氣，混合以后的氣體溫度要到達(dá)能使可燃組分銷(xiāo)毀的溫度。在整個(gè)燃燒室中，熱量不僅來(lái)自于輔助燃料的燃燒，在銷(xiāo)毀可燃組分的過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生熱量。一般而言，對(duì)于大多數(shù)的碳?xì)浠衔铮?％爆炸下限(LEL)在燃燒時(shí)放出的熱量可以使溫度升高15．3℃。因此，這局部熱量也是不容無(wú)視的。在一般的熱力燃燒的工程中，為防止燃燒過(guò)程中的爆炸和回火，廢氣中可燃組分的含量應(yīng)控制在25％LEL以下。表16—2列出了局部可燃?xì)怏w在爆炸下限時(shí)的熱值。(三)熱力燃燒機(jī)理熱力燃燒的機(jī)理大致可以分為以下三個(gè)步驟。(1)輔助燃料的燃燒——提高熱量；(2)廢氣與高溫燃?xì)饣旌稀竭_(dá)反響溫度；(3)廢氣中可燃組分氧化反響——保證廢氣于反響溫度時(shí)所需要的駐留時(shí)間。具體的流程如圖16－1所示。圖16－1

熱力燃燒流程然而，在整個(gè)熱力燃燒的過(guò)程中，是否用廢氣作為助燃?xì)怏w，要視廢氣中的含氧量的多少而定，當(dāng)廢氣中的含氧量足夠燃燒過(guò)程中的需氧量時(shí)，可以使局部廢氣作為助燃?xì)怏w；當(dāng)不夠時(shí)，那么應(yīng)以空氣作為助燃?xì)怏w，廢氣全部旁通。此外，輔助燃料用量的多少與廢氣的初始溫度有很大關(guān)系。如廢氣的初溫低，消耗的輔助燃料就多；初溫較高，消耗的輔助燃料就少。因此，在工程設(shè)計(jì)中，利用燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的預(yù)熱廢氣可以節(jié)約大量的輔助燃料。圖16—2就是這一思想很好的表達(dá)。圖16—2

帶能量(熱量)回收裝置的熱燃燒爐低溫廢氣在熱回收換熱器中得到預(yù)熱，然后進(jìn)入燃燒室與高溫燃?xì)饣旌先紵紵戤呏髲娜紵伊鞒鲞M(jìn)入換熱器，對(duì)其他的低溫廢氣預(yù)熱，最后從煙道排出。(四)熱力燃燒的“三T”條件“三T”條件指的是反響溫度(ReactionTemperature)、駐留時(shí)間(ResidentialTime)、湍流混合(TurbulenceMix)。掌握“三T”條件對(duì)于熱力燃燒的過(guò)程是至關(guān)重要的。1．反響溫度對(duì)熱力燃燒的影響這里所指的反響溫度并不是反響可以進(jìn)行的溫度，而是反響速度可到達(dá)要求時(shí)的溫度。換句話講，就是在一定的區(qū)域內(nèi)，可燃組分的銷(xiāo)毀到達(dá)設(shè)計(jì)要求所需要的溫度。這就要求反響的速度足夠快。提高溫度，反響就會(huì)加速。例如，一個(gè)充分混合的系統(tǒng)在982．2℃時(shí)也許能在0．3s內(nèi)完成某一反響過(guò)程，而在704．4℃時(shí)，那么可能要3s時(shí)間才能完成同一反響。2．駐留時(shí)間對(duì)熱力燃燒的影響任何化學(xué)反響(燃燒也是一種化學(xué)反響)都要經(jīng)歷一定的時(shí)間，可燃組分的銷(xiāo)毀也是一樣。盡管反響絕不會(huì)到達(dá)100％的完全程度，但如果反響時(shí)間充分，那么不完全反響程度是微缺乏道的。這個(gè)時(shí)間是指反響物以某種形式進(jìn)行混合后在一定溫度下所維持的時(shí)間。就燃燒反響時(shí)間而言，其變化范圍在小于1／10s至幾秒之間，因反響溫度和反響物混合程度而異。從圖16－3可以看出，當(dāng)反響溫度為648．9℃時(shí)，駐留時(shí)間為0．001s，銷(xiāo)毀率為10％；駐留時(shí)間0．1s時(shí)，銷(xiāo)毀率一下子上升到88％。由此可見(jiàn)，駐留時(shí)間對(duì)熱力燃燒的效果影響很大。圖16－3

溫度和時(shí)間對(duì)可燃組分氧化速率的影響3．湍流混合對(duì)于熱力燃燒的影響任何一種化學(xué)反響，反響能夠發(fā)生的前提條件是反響的分子間首先要發(fā)生碰撞。不能發(fā)生碰撞的分子之間自然不會(huì)發(fā)生反響。湍流混合的目的，實(shí)際上就是要增大可燃組分的分子與氧分子或自由基的碰撞時(shí)機(jī)，使其處于分子接觸的水平，以保證所要求的銷(xiāo)毀率。否那么，即使有足夠的反響溫度和駐留時(shí)間，但由于沒(méi)有足夠的碰撞時(shí)機(jī)，照樣不會(huì)到達(dá)預(yù)期的銷(xiāo)毀率。這一點(diǎn)，從反響速率常數(shù)與分子碰撞系數(shù)的關(guān)系式中也可以看出：

(16—2)

式中

K反——反響速度常數(shù)；K碰——分子碰撞系數(shù)；K質(zhì)——傳質(zhì)系數(shù)。當(dāng)K碰增加時(shí)，K反也會(huì)增加，從而使得反響速率增加。“三T”條件之間是具有內(nèi)在聯(lián)系的，改變其中的任何一個(gè)條件，其他兩項(xiàng)都可以得到相應(yīng)的改變。如提高反響溫度，使得反響速度加快，就可以適當(dāng)?shù)亟档婉v留時(shí)間和湍流強(qiáng)度。然而，在這“三T”條件中，延長(zhǎng)駐留時(shí)間會(huì)使設(shè)備體積增大；提高反響溫度會(huì)使輔助燃料的消耗增加。因此，最經(jīng)濟(jì)的方法就是改善湍流混合情況，以增大分子接觸的時(shí)機(jī)。這就需要在設(shè)計(jì)燃燒室的時(shí)候充分注意其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。二、熱力燃燒爐的結(jié)構(gòu)圖16—4為熱力燃燒典型的工業(yè)裝置。從圖中可以看出，一個(gè)熱力燃燒裝置主要由兩局部組成：燃燒器，其作用是燃燒輔助燃料以產(chǎn)生高溫燃?xì)猓蝗紵遥渥饔檬潜ＷC廢氣和高溫燃?xì)獬浞只旌喜⒎错懙目臻g。針對(duì)不同的要求和火焰燃燒的情況，燃燒器和燃燒室有各種不同的結(jié)構(gòu)。圖16－4

熱燃燒裝置(一)配焰式燃燒系統(tǒng)圖16—5為配焰式燃燒器系統(tǒng)，其工藝特點(diǎn)是：燃燒器將火焰配布成為許多布點(diǎn)成線的小火焰，廢氣從火焰周?chē)鬟^(guò)去，迅速到達(dá)湍流混合。因此可以看出，該種燃燒有火焰分散、混合程度高、燃燒凈化效率高等特點(diǎn)。但當(dāng)廢氣貧氧，廢氣中含有易沉積的油焦或顆粒物。輔助燃料為油料時(shí)，這種系統(tǒng)都不適用。圖16－5

配焰燃燒器系統(tǒng)1．配焰式燃燒器根據(jù)燃燒結(jié)構(gòu)的不同，該種形式的燃燒器又可分為火焰成線式燃燒器(見(jiàn)圖16—6)、多燒嘴式燃燒器(見(jiàn)圖16—7)和格柵式燃燒器(見(jiàn)圖16—8)。圖16－6

火焰成線式的燃燒器(帶側(cè)擋板)圖16－7

多燒嘴式燃燒器系統(tǒng)圖16－8

格柵式燃燒器火焰成線式燃燒器的輔助燃料氣從下部管子引入，作為助燃?xì)怏w的廢氣從V形板側(cè)面的小孔引入，旁通廢氣從V形板與側(cè)擋板間的縫隙引入。這就是該種燃燒器的特點(diǎn)。當(dāng)壓力降為392．266Pa(40mmH2O)時(shí)，該種燃燒器形成的火焰短而穩(wěn)定，湍流混合程度較好。多燒嘴式燃燒器的輔助燃料氣從后面引入，廢氣分為兩路，助燃?xì)怏w和旁通氣體的量通過(guò)調(diào)節(jié)d的大小來(lái)控制。該種燃燒器的助燃較好，與火焰成線式相比，不易熄火。但湍流混合不夠理想。因此，在燃燒室中應(yīng)增設(shè)擋板或其他措施，提高混合程度。格柵式燃燒器的輔助燃料氣從底局部配管引入，廢氣從下部引入，該種燃燒器湍流混合較好，適用于廢氣流量較為穩(wěn)定的情況。但如壓力調(diào)節(jié)不當(dāng)，會(huì)發(fā)生熄火情況。2．配焰式燃燒室針對(duì)配焰式燃燒器的結(jié)構(gòu)，其燃燒室要注意解決以下的問(wèn)題。(1)燃燒器的安裝位置

為保證溫度分布均勻，反響完全，燃燒器應(yīng)安置在斷面流速盡可能分布均勻的端處，而不要放置在渦流地帶。(2)燃燒室截面積

為保證足夠的湍流程度，應(yīng)滿(mǎn)足：矩形截面時(shí)：圓形截面時(shí)：式中

Q標(biāo)——總體積流量；

D當(dāng)——當(dāng)量直徑；

D——直徑；

A——截面積。(3)燃燒室內(nèi)設(shè)置擋板

由于燃燒室的邊壁效應(yīng)或燃燒器的結(jié)構(gòu)形式，都有可能產(chǎn)生局部混合不好，為防止這種現(xiàn)象，應(yīng)在火焰沖擊范圍以外裝設(shè)擋板，以提高湍流混合的程度。表16—3反映了有無(wú)擋板之間的差異。(二)離焰式燃燒系統(tǒng)圖16—9是一個(gè)離焰式燃燒系統(tǒng)裝置示意。這種燃燒系統(tǒng)的特點(diǎn)是高溫燃?xì)馀c廢氣的混合是別離開(kāi)的，而不像配焰系統(tǒng)那樣將火焰與廢氣一起分成許多小股。所以，就混合效果來(lái)講，不如配焰系統(tǒng)。但是離焰式燃燒器又具有以下優(yōu)點(diǎn)：由于火焰較長(zhǎng)，不易熄火，輔助燃料既可以使用燃料油，又可使用燃料氣(見(jiàn)圖16—10)，燃料氣與助燃?xì)怏w的流速可調(diào)幅度大，工作壓力范圍寬。圖16－9

使用離焰燃燒器的燃燒爐圖16－10

油氣兩用燃燒器因此，在克服離焰式燃燒系統(tǒng)混合問(wèn)題上，出現(xiàn)許多方法。(1)在圖16—11中，燃燒過(guò)程中火焰噴射產(chǎn)生的抽力將廢氣引入，然后在聯(lián)管處充分混合，克服了混合速度慢的問(wèn)題。圖16－11

軸向火焰的噴射混合(2)讓廢氣與火焰徑向進(jìn)入燃燒室，增強(qiáng)橫向混合速度，利用這一點(diǎn)改善混合情況。(3)在燃燒室內(nèi)設(shè)置擋板(見(jiàn)圖16—12)增加湍流強(qiáng)度，提高混合速度。但要注意正確放置擋板。否那么不僅不能改善混合情況，還會(huì)造成死角，惡化混合情況，降低燃燒室的有效體積，減少駐留時(shí)間。第四節(jié)

吸附劑和吸附裝置的選擇

對(duì)于一定的生產(chǎn)任務(wù)，吸附質(zhì)的性質(zhì)與濃度是已經(jīng)確定了的，也就是說(shuō)不容選擇。需要選擇的因素主要是吸附劑的選擇、吸附裝置及吸附流程的選擇。為了到達(dá)任務(wù)規(guī)定的凈化要求，凈化效率確實(shí)定也必須在設(shè)計(jì)時(shí)解決。

一、吸附劑的選擇

吸附劑的性質(zhì)，直接影響吸附效率，因此，在吸附設(shè)計(jì)中必須根據(jù)任務(wù)的規(guī)定選擇適宜的吸附劑。

吸附劑選擇總的原那么是根據(jù)前面所述的工業(yè)上對(duì)常用吸附劑的要求，再結(jié)合具體的生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行選擇。在吸附設(shè)計(jì)中，吸附劑的選擇一般需要經(jīng)過(guò)以下步驟。

1．初選

根據(jù)吸附質(zhì)的性質(zhì)、濃度和凈化要求以及吸附劑的來(lái)源等因素，初步選出幾種吸附劑。

(1)根據(jù)吸附質(zhì)的性質(zhì)選擇

吸附質(zhì)的性質(zhì)包括極性和分子的大小。假設(shè)為非極性的大分子物質(zhì)，首選的應(yīng)是活性炭。因?yàn)榛钚蕴繉儆诜菢O性吸附劑，且內(nèi)部具有范圍較廣的大小孔徑，可以吸附直徑變化范圍很寬的非極性吸附質(zhì)，如大多數(shù)有機(jī)蒸氣。假設(shè)吸附質(zhì)為極性小分子物質(zhì)，那么應(yīng)考慮極性吸附劑，如硅膠、分子篩、活性氧化鋁等。

(2)根據(jù)氣體的濃度和凈化要求選擇

對(duì)于濃度高但要求凈化效率不高的場(chǎng)合，就應(yīng)盡可能地采用廉價(jià)的吸附劑，以降低生產(chǎn)本錢(qián)。對(duì)于濃度較低但凈化要求高的場(chǎng)合，就應(yīng)該考慮用吸附能力比擬強(qiáng)的吸附劑。對(duì)于氣體濃度高、且凈化效率要求也高的場(chǎng)合，應(yīng)考慮先采用廉價(jià)吸附劑處理，然后再采用吸附力強(qiáng)的吸附劑處理的二級(jí)吸附處理方法或應(yīng)用吸附劑浸漬的方法。

(3)根據(jù)吸附劑的來(lái)源選擇

在綜合考慮以上諸因素的根底上，盡量選擇一些價(jià)廉，易得，且近距離能解決的吸附劑。

2．活性實(shí)驗(yàn)

利用小型裝置，對(duì)初選出的幾種吸附劑進(jìn)行活性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)所用吸附質(zhì)氣體應(yīng)是任務(wù)規(guī)定的待凈化氣體。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，再篩選出其中幾種活性較好的吸附劑，做進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。

3．壽命實(shí)驗(yàn)

在中型裝置中，對(duì)幾種活性較好的吸附劑進(jìn)行壽命和脫附性能的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)氣體仍必須是待處理的氣體，實(shí)驗(yàn)條件應(yīng)是生產(chǎn)時(shí)的操作條件，所用的脫附方式也必須是生產(chǎn)中選定的。這樣經(jīng)過(guò)吸附—脫附—再生反復(fù)屢次循環(huán)，確定每種吸附劑的使用壽命。

4．全面評(píng)估

對(duì)初選的幾種吸附劑，綜合活性、壽命等實(shí)驗(yàn)，再結(jié)合價(jià)格、運(yùn)費(fèi)等指標(biāo)進(jìn)行全面評(píng)估，最后選出一種既較適用，價(jià)格又相對(duì)廉價(jià)的吸附劑。

吸附劑的選擇是一項(xiàng)復(fù)雜煩瑣的工作，需要仔細(xì)認(rèn)真地進(jìn)行。

二、吸附裝置的選擇

吸附裝置是吸附系統(tǒng)的核心，工業(yè)上所使用的吸附裝置共三大類(lèi)，即固定床、移動(dòng)床和流化床。其中以固定床應(yīng)用最為廣泛。但不管是哪一類(lèi)吸附裝置，在進(jìn)行氣體凈化設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮根本要求。

1．吸附裝置設(shè)計(jì)的根本要求

(1)吸附裝置出口排氣必須到達(dá)排放標(biāo)準(zhǔn)

這是對(duì)吸附裝置的最起碼要求。按照目前的規(guī)定，各類(lèi)氣態(tài)污染物的排放濃度必須到達(dá)國(guó)家環(huán)保局公布的《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)(GBl6297—1996)》的規(guī)定，如果地方政府還有更嚴(yán)格的規(guī)定，還必須執(zhí)行地方政府的規(guī)定。1996標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定對(duì)過(guò)去的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，提出了更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，今后隨著可持續(xù)開(kāi)展戰(zhàn)略的實(shí)施，國(guó)家還會(huì)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行更嚴(yán)格的修訂，因此，在設(shè)計(jì)吸附裝置時(shí)應(yīng)隨時(shí)注意排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。

(2)設(shè)備選型要面向生產(chǎn)實(shí)際

設(shè)備選型要考慮實(shí)際生產(chǎn)中的規(guī)模、排氣量、排污方式(連續(xù)或間歇，均勻排放還是非均勻排放)、污染物的物化特性、回收還是進(jìn)一步處理等因素，正確選擇吸附裝置和吸附工藝系統(tǒng)，尤其對(duì)一些特殊污染物或特殊要求的場(chǎng)合。選擇工藝系統(tǒng)時(shí)還應(yīng)考慮生產(chǎn)的開(kāi)展，留有適當(dāng)?shù)挠嗟亍?/p>

(3)盡可能采用先進(jìn)技術(shù)

通過(guò)改良設(shè)備結(jié)構(gòu)，使吸附裝置能保持在最正確狀態(tài)下運(yùn)行，使所設(shè)計(jì)的吸附系統(tǒng)處理能力大、效率高、收益大。

(4)認(rèn)真考慮經(jīng)濟(jì)因素

所設(shè)計(jì)的吸附裝置和系統(tǒng)盡可能地簡(jiǎn)化，易于安裝、維修，使用壽命長(zhǎng)，同時(shí)要使系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便，易于管理，以節(jié)省投資及運(yùn)行費(fèi)用。

2．吸附裝置的類(lèi)型

(1)固定床吸附系統(tǒng)

固定床，顧名思義，它是將吸附劑固定在某一部位上，在其靜止不動(dòng)的情況下進(jìn)行吸附操作的。它多為圓柱形設(shè)備，在內(nèi)部支撐的格板或孔板上放置吸附劑，使處理的氣體通過(guò)它，吸附質(zhì)被吸附在吸附劑上。

固定床的應(yīng)用較多見(jiàn)。如果只需短期處理氣流，那么通常只需一個(gè)吸附裝置，當(dāng)然這要以吸附周期之間有足夠的時(shí)間間隔，以便進(jìn)行吸附劑的再生。然而，由于通常要求待處理氣體連續(xù)流動(dòng)，因此必須采用能按這種方式操作的一個(gè)或多個(gè)裝置。用來(lái)從氣流中除去污染物最普通的吸附系統(tǒng)形式，是由許多固定床裝置組成的，這些裝置以一定的順序進(jìn)行吸附操作和再生操作，以使氣流保持連續(xù)。如果間歇操作和分批操作切實(shí)可行，那么簡(jiǎn)單的單床層吸附就足夠了，這時(shí)吸附階段和再生階段可交替進(jìn)行。然而，由于大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用要求連續(xù)操作，因此經(jīng)常采用雙吸附床或三吸附床系統(tǒng)，其中一個(gè)或兩個(gè)吸附床分別進(jìn)行再生，其余的進(jìn)行吸附。典型的雙吸附床和三吸附床系統(tǒng)如圖15—3和圖15—4所示。圖15—3

雙吸附床吸附系統(tǒng)圖15－4

三吸附床吸附系統(tǒng)

固定床吸附器也存在一些缺點(diǎn)。①間歇操作

為使氣流連續(xù)，操作必然不斷地周期性切換，為此必須配置較多的進(jìn)出口閥門(mén)，操作十分麻煩。即使實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化操作，控制程序也比擬復(fù)雜。②需設(shè)有備用設(shè)備

即當(dāng)一局部吸附器進(jìn)行吸附時(shí)，要有一局部吸附床進(jìn)行再生；這些吸附床中的吸附劑即處于非生產(chǎn)狀態(tài)。即使處于生產(chǎn)中的設(shè)備里，為了保證吸附區(qū)的高度有一定的充裕，也需要放置多個(gè)實(shí)際需要的吸附劑，因而總吸附劑用量增多。③吸附劑層導(dǎo)熱性差

吸附時(shí)產(chǎn)生的吸附熱不易導(dǎo)出，操作時(shí)容易出現(xiàn)局部床層過(guò)熱。另外，再生時(shí)加熱升溫和冷卻降溫都很不容易，因而延長(zhǎng)了再生的時(shí)間。④熱量利用率低

對(duì)于采用厚床層，壓力損失也較大，因此，能耗增加。

(2)固定床吸附器

固定床吸附系統(tǒng)的核心裝置是固定床吸附器。目前使用的固定床吸附器有立式、臥式、環(huán)式三種類(lèi)型。①立式固定床吸附器

立式固定床吸附器如圖15—5所示。分上流和下流式兩種。吸附劑裝填高度以保證凈化效率和一定的阻力降為原那么，一般取0．5～2．0m。床層直徑以滿(mǎn)足氣體流量和保證氣流分布均勻?yàn)樵敲础Ｌ幚砀g性氣體時(shí)應(yīng)注意采取防腐蝕措施，一般是加裝內(nèi)襯。立式固定床吸附器適合于小氣量濃度高的情況。圖15－5

立式固定床吸附器1－礫石；2－卸料孔；3，6－網(wǎng)；4－裝料孔；5－廢氣及空氣入口；7－脫附氣排出；8－平安閥接管；9－頂蓋；10－重物；11－剛性環(huán)；12－外殼；13－吸附劑；14－支撐環(huán)；15－柵板；16－凈氣出口；17－粱；18－視鏡；19－冷凝排放及供水；20－擴(kuò)散器；21－吸附器底；22－梁支架；23－擴(kuò)散器水蒸氣接管②臥式固定床吸附器

臥式固定床吸附器適合處理氣量大、濃度低的氣體，其結(jié)構(gòu)如圖15—6所示。圖15－6

臥式固定床吸附器1－殼體；2－供水；3－人孔；4－平安閥接管；5－擋板；6－蒸汽進(jìn)口；7－凈化氣體出口；8－裝料口；9－吸附劑；10－卸料口；11－礫石層；12－支腳：13－填料底座；14－支架；15－蒸汽及熱空氣出入口

臥式固定床吸附器為一水平擺放的圓柱形裝置，吸附劑裝填高度為0．5～1．0m，待凈化廢氣由吸附層上部或下部入床。臥式固定床吸附器的優(yōu)點(diǎn)是處理氣量大、壓降小，缺點(diǎn)是由于床層截面積大，容易造成氣流分布不均。因此在設(shè)計(jì)時(shí)特別注意氣流均布的問(wèn)題。③環(huán)式固定床吸附器

環(huán)式固定床吸附器又稱(chēng)徑向固定床吸附器，其結(jié)構(gòu)比立式和臥式吸附器復(fù)雜，如圖15—7所示。吸附劑填充在兩個(gè)同心多孔圓筒之間，吸附氣體由外殼進(jìn)入，沿徑向通過(guò)吸附層，聚集到中心筒后排出。圖15－7

環(huán)式吸附器1－支腳；2－廢氣及冷熱空氣入口；3－吸附劑筒底支座；4－殼體；5，6－多孔外筒和內(nèi)筒；7－頂蓋；8－視孔；9－裝料口；10－補(bǔ)償料斗；11－平安閥接管；12－吸附劑；13－吸附劑筒底座；14－卸料口；15－器底；16－凈化器出口及脫附水蒸氣入口；17－脫附時(shí)排氣口

環(huán)式固定床吸附器結(jié)構(gòu)緊湊，吸附截面積大、阻力小，處理能力大，在氣態(tài)污染物的凈化上具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前使用的環(huán)式吸附器多使用纖維活性炭作吸附材料，用以?xún)艋袡C(jī)蒸氣。實(shí)際應(yīng)用上多采用數(shù)個(gè)環(huán)式吸附芯組合在一起的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，自動(dòng)化操作。

(3)移動(dòng)床吸附器

移動(dòng)床吸附器的優(yōu)點(diǎn)在于其結(jié)構(gòu)可以使氣、固相連續(xù)穩(wěn)定地輸入和輸出，還可以使氣、固兩相接觸良好，不致發(fā)生溝流和局部不均勻現(xiàn)象。由于氣、固兩相均處于移動(dòng)狀態(tài)，所以克服了固定床局部過(guò)熱的缺點(diǎn)。其操作是連續(xù)的，用同樣數(shù)量的吸附劑可以處理比固定床多得多的氣體，因此對(duì)處理量比擬大的氣體的操作，選用移動(dòng)床較好。但是，移動(dòng)床有它的固有缺點(diǎn)。主要是由于吸附劑處在移動(dòng)狀態(tài)下，磨損消耗大，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備龐大。設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用均較高。

工業(yè)上應(yīng)用的典型移動(dòng)床吸附器是超吸附塔(見(jiàn)圖15—8)，設(shè)備高近30m，由塔體和流態(tài)化粒子提升裝置兩局部組成。吸附劑采用硬質(zhì)活性炭。活性炭經(jīng)脫附、再生及冷卻后繼續(xù)下降用于吸附。在吸附塔內(nèi)，吸附與脫附是順序進(jìn)行的。在吸附段，待處理的氣體由吸附段的下部(即塔體中上部)進(jìn)入，與從塔頂下來(lái)的活性炭逆流接觸并把吸附質(zhì)吸附下來(lái)，處理過(guò)的氣體經(jīng)吸附段頂部排出。吸附了吸附質(zhì)的活性炭繼續(xù)下降，經(jīng)過(guò)增濃段到達(dá)汽提段。在汽提段的下部通入熱蒸汽，使活性炭上的吸附質(zhì)進(jìn)行脫附，經(jīng)脫附后，含吸附質(zhì)的氣流一局部由汽提段頂部作為回收產(chǎn)品(底部產(chǎn)品)回收，有一局部繼續(xù)上升，到達(dá)增濃段。在增濃段蒸汽中所含的吸附質(zhì)被由吸附段下來(lái)的活性炭進(jìn)一步吸附，等于使這局部活性炭的“濃度”又增加了。活性炭經(jīng)過(guò)汽提，大局部吸附質(zhì)都被脫附，為了使之更徹底地脫附再生，在汽提段下面又加設(shè)了一個(gè)提取器，使活性炭的溫度進(jìn)一步提高，一是為了枯燥目的，二是為了使活性炭更好地再生。經(jīng)過(guò)再生的活性炭到達(dá)塔底，由提升器將其返回塔頂，于是完成了一個(gè)循環(huán)過(guò)程。在實(shí)際操作中，過(guò)程連續(xù)不斷地進(jìn)行，氣體和固體的流速得到很好的控制。圖15－8

超吸附塔結(jié)構(gòu)

近年來(lái)在移動(dòng)床中有使用極性吸附劑如分子篩作吸附劑的，用于凈化極性氣體如H2S等，結(jié)果也相當(dāng)滿(mǎn)意。

(4)流化床吸附器

用于氣態(tài)污染物治理的流化床吸附工藝是20世紀(jì)60年代開(kāi)展起來(lái)的，是固體流態(tài)化技術(shù)在氣態(tài)污染物凈化方面的具體應(yīng)用。流化床是由氣體和固體吸附劑組成的兩相流裝置。之所以稱(chēng)為流化床，是因?yàn)楣腆w吸附劑在與氣體的接觸中，由于氣體速度較大使固體顆粒處于流化狀態(tài)。由于流化床的運(yùn)動(dòng)形式，使它具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。①由于流體與固