工业废气治理的技术分类与应用

工业废气治理是一项系统性工程，主要包括：减少污染物产生和散发；污染物收集、处理；捕集物/反应产物的利用或妥善处置等。根据工业废气排放量、温度、浓度及本身物理化学性质的不同，其治理方法各不相同。总体而言，工业废气治理技术主要分为物理治理技术、化学治理技术和生物治理技术三大类，具体见表6-2。

表6-2 工业废气治理技术

可以看到，废气治理技术种类繁多，此处仅对部分废气治理方法做一阐述。

（1）燃烧 燃烧法又称“热破坏法”，是通过热氧化作用将废气中的可燃有害成分转化为无害或易于进一步处理和回收的方法。该法适用于含有碳氢化合物、一氧化碳、沥青烟、黑烟等有害物质的废气。燃烧法主要有直接火焰燃烧、热力燃烧和催化燃烧三种。

1）直接火焰燃烧法是一种将废气中的可燃组分当做燃料直接燃烧的方法，适用于净化含可燃组分浓度较高的废气。石化行业中的火炬气燃烧就是将废气通入烟囱，在烟囱末端进行燃烧。直接火焰燃烧法安全简单，但不能回收热能。

2）热力燃烧是利用废气中组分的易燃性质进行处理的一种方法。废气进入燃烧室后，在足够温度、过量空气、湍流的条件下进行完全燃烧，从而使有害组分在高温下分解成无害物质（二氧化碳和水等）。热力燃烧的效果主要决定于燃烧的温度、停留时间、废气在炉膛内的湍流程度。

3）催化燃烧是热力燃烧的改进与发展，通过催化剂的引入，可有效降低氧化温度，减少能源消耗和燃烧烟气中的大气污染物。常用的催化剂有贵金属催化剂（铂、镤及其合金），过渡金属催化剂（铜、铬、锰、镍等），金属氧化物催化剂等。催化燃烧法具有操作温度低、燃料消耗量低、反应速度快、反应器容积小等优点，但由于有机废气中常出现杂质，很容易引起催化剂中毒。另外，催化剂常只针对特定类型的化合物，因此催化燃烧的广泛应用在一定程度上受到了限制。

（2）冷凝 冷凝法是利用物质在不同温度下具有不同饱和蒸气压这一性质，采用降温、加压的方法，使气态的污染物冷凝而与废气分离。冷凝法适用于处理高浓度有机废气，常作为吸附、燃烧等方法净化高浓度废气的前处理和预处理。该法能回收有机溶剂，工艺流程简单，但需要制冷设备，能耗较高。

（3）吸收 吸收法对是根据有机物相似相溶的原理，通常用高沸点、低蒸汽压、低挥发性或不挥发性溶剂对气相污染物进行吸收，再利用污染物组分与吸收剂之间物理性质的差异进行分离的气相污染物控制技术。

常见的吸收设备有填料塔（图6-1）、旋转喷雾塔、洗涤吸收塔等。影响吸收法去除效率的因素主要有机物在溶剂中的溶解度、有机物在气体中的浓度、气体的温度、液气比和接触的面积。吸收法具有设备简单、捕集效率高、一次性投资低等优点，但吸收后的吸收溶液需进一步处理，有可能造成二次污染。常用吸收剂见表6-3。

图6-1 填料塔

表6-3 常用吸收剂

（4）吸附 由于固体表面上存在着未平衡和未饱和的分子引力或化学键力，当固体表面与气体接触时，就能吸引气体分子，使其聚集在固体表面并保持其上。吸附法就是利用固体表面的这种性质，使废气与大表面多孔性固体物质接触，将废气中的有害组分吸附在固体表面上，使其与气体混合物分离，达到净化目的。

吸附技术常用的吸附剂有：颗粒活性炭、活性炭纤维、沸石、分子筛、多孔粘土矿石、活性氧化铝及硅胶等，其中又以颗粒活性炭、含高锰酸钾的活性氧化铝及改性颗粒活性炭最常用。

活性炭是用烟煤、褐煤、果壳或木屑等原料经炭化、活化制成的黑色多孔颗粒，由微晶碳和无定形碳构成，含有数量不等的灰分。其最大的特点是具有发达的孔隙结构和巨大的比表面积，吸附性能良好，具有足够的化学稳定性、机械强度，耐酸、耐碱、耐热，不溶于水和有机溶剂，使用失效后容易再生。活性炭能有效的吸附净化那些大分子量的化合物（如苯系物、氯仿等），但对于甲醛之类的小分子量物质的净化效果一般，必须采用含高锰酸钾的活性氧化铝及改性颗粒活性炭。(www.xing528.com)

活性炭改性方法分为表面物理结构特性改性、表面化学性质改性以及电化学改性三种。表面物理结构特性改性方法主要有：①物理法：先对原料进行炭化处理以去除其中的可挥发成分，使之生成富炭的固体热解物，然后用合适的氧化性气体（如水蒸气、二氧化碳、氧气或空气）对炭化物进行活化处理，通过开孔、扩孔和创造新孔，形成发达的空隙结构；②化学法：利用有碱金属、碱土金属的氢氧化物、无机盐类、酸类等化学物质使活性炭进一步炭化和活化，从而创造出更加丰富的微孔。表面化学性质改性方法主要有：a.氧化改性：利用强氧化剂（硝酸、硫酸、盐酸和臭氧等）在适当的温度下对活性炭表面的官能团进行氧化处理，从而提高表面的含氧酸性基团的含量，增强表面的极性；b.还原改性：在适当温度下通过用还原剂（氢气、氨水等）对表面官能团进行改性，提高碱性基团的相对含量，增强表面的非极性，从而提高活性炭对非极性物质的吸附性能；c.负载杂原子和化合物改性：通过活性炭的还原性和吸附性，使金属离子在活性炭表面上吸附，再利用活性炭的还原性，将金属离子还原成单质或低价态的离子，通过金属或金属离子对被吸附物较强的结合力，从而增加活性炭对被吸附物的吸附性能。电化学改性是通过改变电压，使活性炭表面的带电性发生变化，从而改变其化学性质来达到改变活性炭的吸附性能。

吸附法的净化效率较高，特别是对低浓度气体仍具有很强的净化能力。吸附法是治理废气中挥发性有机物最常用的技术。但是由于吸附剂的吸附容量有限，吸附剂的再生利用会增加操作费用，因此一般不用于处理高浓度的废气。吸附剂再生主要有热再生、降压再生、通气吹扫再生、置换脱附再生、化学再生等方式。

（5）催化转化 催化转化法是利用催化剂的催化作用，使废气中的污染物通过催化剂床层，转化为无害物质或是易于处理和回收利用的物质的方法。催化作用的基本特征在于加速化学反应速度，对化学反应具有定向作用（选择性），这种有选择性地加速化学反应速度的效能起源于催化剂表面上的活性中心对反应物分子的化学吸附。

催化剂由活性中心、载体（分散负载活性组分的支撑物）、助催化剂（改善催化剂活性及热稳定性的添加剂）等组成。活性中心的结构具有一定的几何规则性，只有当反应分子的结构与之几何对应时才能被吸附而形成活化络合物，使其化学键松弛而有利于形成相应结构的新键。常见的催化剂有颗粒状（包括无定形、球形和条状等）、片形、网状和整体蜂窝状等。一般来说，颗粒状催化剂容易加工，与气流接触紧密，装卸简单，结构灵活多变，但由于颗粒本身多孔而影响传热，在颗粒层之间有着显著的温差，容易导致局部过热。其他成型催化剂在床温分布和阻力两个方面都得到了不同程度的改善，较适用于热效应大的场合。

催化转化主要有催化氧化和催化还原两种类型。催化转化一般在气固相催化反应器中完成，工业上常用的有固定床、移动床及流化床等。

催化转化法净化效率高，与前面介绍的吸收法和吸附法有一处根本的不同，即一般无需使污染物与主气流分离而将它直接转化为无害物，因而避免了其他方法容易产生的二次污染，并使操作过程得到简化。但催化剂价格往往比较昂贵，操作要求高。目前，催化转化法已经成功应用于烟气脱硫、脱硝和有机气体净化等方面。

光催化净化是基于光催化剂在紫外线照射下具有的氧化还原能力而净化污染物。光催化氧化技术的反应机理为：半导体粒子具有能带结构，由填满电子的低能价带和空的高能导带构成，价带和导带之间存在禁带。当用能量等于或大于禁带宽度的光照射半导体时，价带上的电子被激发跃迁到导带，在价带上产生空穴，并在电场作用下分离并迁移到粒子表面光生空穴因具有极强的得电子能力，而具有很强的氧化能力，能将其表面吸附的OH-和水分子氧化成氧化性极强的·OH自由基，再通过与污染物之间的羟基加和、取代、电子转移等方式将污染物最终降解为二氧化碳和水。

光催化氧化技术的重点在于催化剂以及载体的选择。光催化剂属半导体材料，包括TiO₂、ZnO、Fe₂O₃、CdS和WO₃等。其中TiO₂具有良好的抗光腐蚀性和催化活性，而且性能稳定，价廉易得，无毒无害，是目前公认的最佳光催化剂。常见的载体有二氧化硅、氧化铝、沸石、活性炭等。

影响光催化净化的主要因素有：反应条件（气体流量、氧气含量、水含量、光强）和TiO₂结构与性质（晶型、粒径、表面积、焙烧条件）。通过在半导体表面负载贵金属、半导体的金属离子掺杂、半导体的表面敏化、复合半导体和半导体与黏土交联等方式可以提高光催化作用的能力。

光催化氧化技术具有广谱性、经济性、消毒杀菌等优点。研究表明，光催化氧化可以使大多数烷烃、芳香烃、卤代烃、醇、醛和酮等有机物降解，还可以使有机酸发生脱碳反应，在去除废气中的挥发性有机物方面具有广阔的应用前景。此外，光催化氧化技术还可用于废气中二氧化硫和氮氧化物的降解（烟气脱硫脱硝），这一方法解决了分离与回收难的问题，所用载体如玻璃、金属板、海沙、沸石、多孔硅胶等材料也廉价易得。由于光催化氧化分解污染物要经过许多中间步骤，生成有害中间产物，因此也有研究将光催化方法与其他方法联用，如光催化与吸附或臭氧氧化分解组合方法。采用光催化与吸附组合方法处理废气中的挥发性有机物，可利用活性炭的吸附能力使挥发性有机物浓集到一特定环境，从而提高了光催化氧化反应速率，而且可以吸附中间副产物使其进一步被光催化氧化，达到完全净化。目前，臭氧-光催化联用技术的研究还主要集中在液相中有机物的去除，对废气中污染物的去除还不多。

（6）激活转化

1）等离子体。等离子体是除固体、液体和气体之外的第四种物质存在形态，是由电子、离子、自由基和中性粒子组成的导电性流体，整体保持电中性。根据粒子温度的差异，等离子体可分为热平衡等离子体（热等离子体）和非平衡等离子体（低温等离子体）。热平衡等离子体主要用作高温热源，非平衡等离子体则具有工业上可利用的特殊的物理性质。

非平衡等离子体的产生方法很多，常见的有电子束照射法和气体放电法。电子束照射法是利用电子加速器产生的高能电子束，直接照射待处理气体，通过高能电子与气体中的氧分子及水分子碰撞，使之离解、电离，形成非平衡等离子体，继而与污染物进行反应，使之氧化去除。该法一次性投资和运行费用相对较低，但是目前电子束照射法用于产生高能电子束的电子枪价格昂贵，电子枪及靶窗的寿命短，此外X射线的屏蔽与防护问题也不易解决。气体放电法产生非平衡等离子体的种类较多，按电极结构和供能方式的差异，可将气体放电方法分为：电晕放电、介质阻挡放电和表面放电等。这些放电方式有一个共同的特点，就是均能在较高的气体压力（常压）下形成非平衡等离子体。影响非平衡等离子体净化效果的因素主要有：脉冲电晕的特性、反应器结构形式（电晕极结构、反应器直径、反应器外筒材料、反应器长度的影响、电晕线间距）和气体特性。

根据等离子体区是否填充了颗粒物，可将等离子体反应器分为空腔式和填充式两种类型：①空腔式反应器：被处理气体通过相对较宽的等离子体区，中间没有绝缘介质。根据电极结构形式，又可分为线-筒式和线-板式。这些反应器都是从电除尘器发展而来的，不同之处是非平衡等离子体反应器大多采用高压纳秒级脉冲或者高压纳秒级脉冲叠加直流供电，以便提供高浓度的等离子体；②填充式反应器：填充式反应器是一种以不同绝缘介质为填充物的放电反应器，所用填充介质主要是BaTiO₃、SrTiO₃、TiO₂和Al₂O₃等，其中TiO₂和Al₂O₃在一定的反应条件下还可充当催化剂的作用。在这种反应器中，被处理气体通过相对较窄的等离子体区，当在反应器上施加高压脉冲或交变电压时，颗粒会被部分极化，在颗粒与颗粒的接触点附近将形成强电场，导致该处附近的气体发生局部放电而形成非平衡等离子体空间，当有机物分子通过此空间时很容易被氧化降解。与空腔式等离子体反应器相比，填充式反应器的能耗高、气体阻力比较大。

与其他污染物治理技术相比，等离子体法具有处理流程短、效率高、能耗低、适用范围广等特点。该法最先应用于烟气脱硫、脱硝，利用等离子体技术去除烟气中的二氧化硫和氮氧化物效率较高，而且产物是高质化肥，易于收集，无废液处理和腐蚀结垢等问题。近年来，该技术还应用于多种挥发性有机物的净化。

2）微波降解技术。微波降解技术是指微波辐射后产生高温，废气中的污染物在高温中分解或还原成无害物质。有学者对微波降解技术治理燃煤烟气中的二氧化硫、氮氧化物进行了研究，利用易吸收微波射频能的活性炭为还原剂制成炭床，常温下将二氧化硫、氮氧化物通过炭床吸附到饱和后，再进行微波加热，吸附的二氧化硫、氮氧化物分别被炭还原为单质硫和氮气，而炭转化为二氧化碳，氮氧化物去除率达到98%。与传统的湿式石灰法相比，微波脱硫脱硝克服了前者工艺复杂、处理效率低、腐蚀设备、二次污染等缺点。