大气污染控制工程作业习题解答20130115.doc

作业习题解答第二章 燃烧与大气污染2.1 已知重油元素分析结果如下：C：85.5% H：11.3% O：2.0% N：0.2% S：1.0%，试计算：1）燃油1kg所需理论空气量和产生的理论烟气量； 2）干烟气中SO2的浓度和CO2的最大浓度； 3）当空气的过剩量为10%时，所需的空气量及产生的烟气量。2.1 解：1kg燃油含：重量（g） 摩尔数（g） 需氧数（g）C 855 71.25 71.25H 1132.5 55.25 27.625S 10 0.3125 0.3125H2O 22.5 1.25 0N元素忽略。1）理论需氧量 71.25+27.625+0.3125=99.1875mol/kg设干空气O2：N2体积比为1：3.78，则理论空气量99.18754.78=474.12mol/kg重油。即474.1222.4/1000=10.62m3N/kg重油。烟气组成为CO271.25mol，H2O 55.25+11.25=56.50mol，SO20.1325mol，N23.7899.1875=374.93mol。理论烟气量 71.25+56.50+0.3125+374.93=502.99mol/kg重油。即502.9922.4/1000=11.27 m3N/kg重油。2）干烟气量为502.9956.50=446.49mol/kg重油。SO2百分比浓度为，空气燃烧时CO2存在最大浓度。3）过剩空气为10%时，所需空气量为1.110.62=11.68m3N/kg重油，产生烟气量为11.267+0.110.62=12.33 m3N/kg重油。2.2 普通煤的元素分析如下：C65.7%；灰分18.1%；S1.7%；H3.2%；水分9.0%；O2.3%。（含N量不计）1）计算燃煤1kg所需要的理论空气量和SO2在烟气中的浓度（以体积分数计）；2）假定烟尘的排放因子为80%，计算烟气中灰分的浓度（以mg/m3表示）；3）假定用硫化床燃烧技术加石灰石脱硫。石灰石中含Ca35%。当Ca/S为1.7（摩尔比）时，计算燃煤1t需加石灰石的量。2.2 解：相对于碳元素作如下计算：%（质量） mol/100g煤 mol/mol碳C 65.7 5.475 1H 3.2 3.2 0.584S 1.7 0.053 0.010O 2.3 0.072 0.013灰分 18.1 3.306g/mol碳水分 9.0 1.644g/mol碳故煤的组成为CH0.584S0.010O0.013，燃料的摩尔质量（包括灰分和水分）为。燃烧方程式为n=1+0.584/4+0.0100.013/2=1.14951）理论空气量；SO2在湿烟气中的浓度为2）产生灰分的量为 烟气量（1+0.292+0.010+3.781.1495+1.644/18）1000/18.2622.4103=6.826m3/kg灰分浓度为mg/m3=2.12104mg/m33）需石灰石/t煤2.5 干烟道气的组成为：CO211%（体积），O28%，CO2%，SO2120106（体积分数），颗粒物30.0g/m3（在测定状态下），烟道气流流量在700mmHg和443K条件下为5663.37m3/min，水气含量8%（体积）。试计算：1）过量空气百分比；2）SO2的排放浓度（）；3）在标准状态下（1atm和273K），干烟道体积；4）在标准状态下颗粒物的浓度。2.5 解：1）N2%=111%8%2%0.012%=78.99%由大气污染控制工程P46 （211）空气过剩2）在测定状态下，气体的摩尔体积为；取1m3烟气进行计算，则SO2120106m3，排放浓度为。3）。4）。2.9 解：（1）102.23t, (2)42.178t, 3.25t.第四章 大气扩散浓度估算模式4.3 某污染源排出SO2量为80g/s，有效源高为60m，烟囱出口处平均风速为6m/s。在当时的气象条件下，正下风方向500m处的，试求正下风方向500m处SO2的地面浓度。4.3解：由大气污染控制工程P88（49）得4.4 在题4.3所给的条件下，当时的天气是阴天，试计算下风向x=500m、y=50m处SO2的地面浓度和地面最大浓度。4.4解：阴天稳定度等级为D级，利用大气污染控制工程P95表44查得x=500m时。将数据代入式48得。4.5 某一工业锅炉烟囱高30m，直径0.6m，烟气出口速度为20m/s，烟气温度为405K，大气温度为293K，烟囱出口处风速4m/s，SO2排放量为10mg/s。试计算中性大气条件下SO2的地面最大浓度和出现的位置。4.5解：由霍兰德公式求得，烟囱有效高度为。由大气污染控制工程P89 （410）、（411）时，。取稳定度为D级，由表44查得与之相应的x=745.6m。此时。代入上式。4.9某烧结厂烧结机的SO2的排放量为180g/s，在冬季下午出现下沉逆温，逆温层底高度为360m，地面平均风速为3m/s，混和层内的平均风速为3.5m/s。烟囱有效高度为200m。试计算正下风方向2km和6km处SO2的地面浓度。4.9解：设大气稳定度为C级。当x=2km时，xDx2xD时，计算结果表明，在xD=x23.5质量频率/%0.10.49.520.020.015.011.08.55.55.54.00.80.2分级效率/%83047.56068.575818689.59598991005.9解：。5.15 某种粉尘真密度为2700kg/ m3，气体介质（近于空气）温度为433K，压力为101325Pa，试计算粒径为10和500的尘粒在离心力作用下的末端沉降速度。已知离心力场中颗粒的旋转半径为200mm，该处的气流切向速度为16m/s。5.15解：在给定条件下。当dp=10，粉尘颗粒处于Stokes区域：。dp=500，粉尘颗粒处于牛顿区：。因此。经验证，Rep=1307500，假设成立。第六章 除尘装置6.5 试确定旋风除尘器的分割粒径和总效率，给定粉尘的粒径分布如下：平均粒径dp/m1 5 10 20 30 40 50 60 60 重量百分数（%）3 20 15 20 16 10 6 3 7 已知气体粘度210-5Pas，颗粒比重2.9，旋风除尘器气体入口速度15m/s，气体在旋风除尘器内的有效旋转圈数为5次；旋风除尘器直径3m，入口面积76cm2。 解：由=210-5Pas查附录6，空气温度T=273+60=333K。 由涡流指数公式： =1- =1-0.4341.05 =0.54 已知：D=3m，取排气管直径de=1.5m，取内、外涡旋交界圆柱的直径d0=0.7 de。 由式：=常数 15常数 = 则=26.4m/s 旋风除尘器气体入口速度15m/s，入口面积76cm2，处理气量为0.114m3/s。r0和h0分别为交界圆柱面的半径和高度。气体在旋风除尘器内的有效旋转圈数为Ne=5次，排气管下缘至锥顶的高度h0=5为2.58m =0.71.5/2=0.525m。取hi=3D=30.3=0.9m, =, 令=2.9103kg/m3， =, =, W=0.76m，Vc=15m/s，代入上式得dc=11.78。由式 令=50%，N=5，Vc=15m/s，=2.9103kg/m3，W=0.76m，代入上式得dc=11.78。 计算各粒径粉尘分级效率，由此得总效率 取hi=3D=30.3=0.9m =0.19810-4 =0.19810-4m =19.8m由雷思一利希特模式计算其它粒子的分级效率= 以为例，则 =1-0.905 =9.5% 其他类推： d: 1 5 20 20 30 40 50 60 60 i/% 9.5 24.6 35.9 50.2 59.7 66.5 71.8 75.9 75.9 gi/% 3 20 15 20 16 10 6 3 7 总=gii=48.7%答：旋风除尘器的分割粒径dc=19.8m，总效率为48.7%。6.8 欲设计一个用于取样的旋风分离器，希望在入口气速为20m/s时，其空气动力学分割直径为1。1）估算该旋风分离器的筒体外径；2）估算通过该旋风分离器的气体流量。6.8 解：因，故1000 ；由题意，当。取，N=10，代入上式，解得Wi=5.5。根据一般旋风除尘器的尺寸要求，D0=4Wi=2.2cm；H2 Wi=1.1cm。气体流量Q=A.V=H.W.Vc=1.21103m3/s6.12 板间距为25cm的板式电除尘器的分割直径为0.9，使用者希望总效率不小于98%，有关法规规定排气中含尘量不得超过0.1g/m3。假定电除尘器入口处粉尘浓度为30g/m3，且粒径分布如下：质量百分比范围/%02020404060608080100平均粒径/3.58.013.019.045.0并假定德意希方程的形式为，其中捕集效率；K经验常数；d颗粒直径。试确定：1）该除尘器效率能否等于或大于98%；2）出口处烟气中尘浓度能否满足环保规定；3）能否满足使用者需要。6.12 解：1）由题意dp=3.5，dp=8.0，dp=13.0，故2），则=0.42g/m30.1g/m3。不满足环保规定和使用者需要。6.19 水以液气比12L/m3的速率进入文丘里管，喉管气速116m/s，气体粘度为1.845105Pa.s，颗粒密度为1.789g/cm3，平均粒径为1.2，f取0.22。求文丘里管洗涤器的压力损失和穿透率。6.19 解：坎宁汉修正6.20 设计一个带有旋风分离器的文丘里洗涤器，用来处理锅炉在1atm和510.8K条件下排出的气流，其流量为7.1m3/s，要求压降为152.4cmH2O，以达到要求的处理效率。估算洗涤器的尺寸。6.20解：设气液比1L/m3，dp=1.2，f=0.25。在1atm与510.K下查得。由可解得v=121.6m/s。故喉管面积，DT=272mm。取喉管长度300mm，通气管直径D1=544mm。，则，（取D2=600mm）。6.27 除尘器系统的处理烟气量为10000m3/h，初始含尘浓度为6g/m3，拟采用逆气流反吹清灰袋式除尘器，选用涤纶绒布滤料，要求进入除尘器的气体温度不超过393K，除尘器压力损失不超过1200Pa，烟气性质近似于空气。试确定：1）过滤速度；2）粉尘负荷；3）除尘器压力损失；4）最大清灰周期；5）滤袋面积；6）滤袋的尺寸（直径和长度）和滤袋条数。6.27 解：1）过滤气速估计为vF=1.0m/min。2）除尘效率为99%，则粉尘负荷。3）除尘器压力损失可考虑为为清洁滤料损失，考虑为120Pa；故。4）因除尘器压降小于1200Pa，故即最大清灰周期。5）。6）取滤袋d=0.8m，l=2m。，取48条布袋。第七章 气态污染物控制技术基础7.3 用乙醇胺（MEA）溶液吸收H2S气体，气体压力为20atm，其中含0.1%H2S（体积）。吸收剂中含0.25mol/m3的游离MEA。吸收在293K进行。反应可视为如下的瞬时不可逆反应：。已知：kAla=108h1，kAga=216mol/m3.h.atm，DAl=5.4106m2/h，DBl=3.6106m2/h。试求单位时间的吸收速度。7.3 解：20C时H2S E=0.489105kPa，分压20atm0.1%=2.03kPa。P*=Ex，x=P*/E=4.15105，故C*H2S=2.31mol/m3。H=C/P*=2.3/（2.03103）=1.14103mol/（m3.Pa）=115mol/（m3.atm）由。7.4 在吸收塔内用清水吸收混合气中的SO2，气体流量为5000m3N/h，其中SO2占5%，要求SO2的回收率为95%，气、液逆流接触，在塔的操作条件下，SO2在两相间的平衡关系近似为Y*=26.7X，试求：1）若用水量为最小用水量的1.5倍，用水量应为多少？2）在上述条件下，用图解法求所需的传质单元数。7.4 解：GB=50000.95=4750m3N/h。Y1=0.053，；。因此用水量Ls=25.4GB1.5=1.81105m3N/h。由图解法可解得传质单元数为5.6。7.5 某吸收塔用来去除空气中的丙酮，吸收剂为清水。入口气体流量为10m3/min，丙酮含量为11%（摩尔），要求出口气体中丙酮的含量不大于2%（摩尔）。在吸收塔操作条件下，丙酮水的平衡曲线（1atm和299.6K）可表示为。1）试求水的用量，假设用水量取为最小用水量1.75倍；2）假设气相传质单元高度（以m计）。其中G和L分别为气、液相的流量（以kg/m2.h表示），试计算所需要的高度。7.5 解：GB=100.89=8.9m3/min，Y1=0.124，Y2=0.02。作出最小用水时的操作线，xmax=0.068。故，Ls=1.531.758.9=23.8m3/min。图解法可解得传质单元数为3.1。Hy=2.393.1=7.4m。7.10 在直径为1m的立式吸附器中，装有1m高的某种活性炭，填充密度为230kg/m3，当吸附CHCl3与空气混合气时，通过气速为20m/min，CHCl3的初始浓度为30g/m3，设CHCl3蒸汽完全被吸附，已知活性炭对CHCl3的静活性为26.29%，解吸后炭层对CHCl3的残留活性为1.29%，求吸附操作时间及每一周期对混合气体的处理能力。7.10解： ，。7.12 利用活性炭吸附处理脱脂生产中排放的废气，排气条件为294K，1.38105Pa，废气量25400m3/h。废气中含有体积分数为0.02的三氯乙烯，要求回收率99.5%。已知采用的活性炭的吸附容量为28kg三氯乙烯/100kg活性炭，活性炭的密度为577kg/m3，其操作周期为4h，加热和解析2h，备用1h，试确定活性炭的用量和吸附塔尺寸。7.12 解：三氯乙烯的吸收量V=2.541040.0299.5%=505.46m3/h，M=131.5。由理想气体方程得因此活性炭用量；体积。7.20 把处理量为250mol/min的某一污染物引入催化反应器，要求达到74%的转化率。假设采用长6.1m，直径3.8cm的管式反应器，求所需要催化剂的质量和所需要的反应管数目。假定反应速度可表示为：RA=0.15（1xA）mol/（kg催化剂.min）。催化剂堆积密度为580kg/m3。7.20 解：反应管转化率为xA时，反应速度为RA=0.15（1xA）mol/（kg催化剂.min）。根据单管物料平衡可列出如下方程：其中，Q单位为mol/min。数据代入并整理得，对等式两边积分，即，解得Q=0.447mol/min。反应管数目：250/0.447560个。作业习题解答第八章 硫氧化物的污染控制第8章 1，2，38.1 某新建电厂的设计用煤为：硫含量3%，热值26535kJ/kg。为达到目前中国火电厂的排放标准，采用的SO2排放控制措施至少要达到多少的脱硫效率？8.1解：要达到火电厂大气污染物排放标准GB13223-2011中广东新建电厂锅炉二氧化硫的排放标准100mg/m3。3%硫含量的煤烟气中SO2体积分数取0.3%。则每立方米烟气中含SO2；因此脱硫效率为。8.4 一冶炼厂尾气采用二级催化转化制酸工艺回收SO2。尾气中含SO2为7.8%、O2为10.8%、N2为81.4%（体积）。如果第一级的SO2回收效率为98%，总的回收效率为99.7%。计算：1）第二级工艺的回收效率为多少？2）如果第二级催化床操作温度为420。C，催化转化反应的平衡常数K=300，反应平衡时SO2的转化率为多少？其中，。8.4 解：1）由，解得。2）设总体积为100，则SO27.8体积，O210.8体积，N281.4体积。经第一级催化转化后余SO20.156体积，O26.978体积，N281.4体积。设有x体积SO2转化，则总体积为。因此，由此解得x=1.6103；故转化率为8.8 石灰石（CaCO3）法洗涤脱硫采用喷雾塔设计，如果喷嘴产生雾滴的平均直径为3mm，假定操作按表85的典型工况进行，试计算：1）液滴相对与塔壁的沉降速度是多少？2）如果气体进口温度为180。C，离开塔顶时下降到55。C，计算雾滴的水分蒸发率？假定雾滴可近似视为水滴。3）脱硫液每经过一次喷雾塔，有多少分率的CaCO3发生了反应？8.8 解：1）取平均温度为，此时气体密度（分子量取30）。显然雾滴处于牛顿区，因气体流速为3m/s，则液滴相对塔壁的沉降速度为6.73m/s。2）工况条件：液气比9.0L/m3，Ca/S=1.2，并假设SO2吸收率为90%。在117.5。C下，水汽化热2212.1kJ/kg，空气比热1.025kJ/（kg.K）由（18055）1.0250.94=2212.1m，解得m=0.054kg，因此水分蒸发率。3）CaCO3反应分率为。第九章 固定源氮氧化物污染控制9.1 某座1000MW的火电站热效率为38%，基于排放系数，计算下述三种情况NOx的排放量（t/d）：1）以热值为25662 kJ/kg的煤为燃料；2）以热值为42000kJ/kg 10000kcal/kg的重油为燃料；3）以热值为37380kJ/kg 8900kcal/m3的天然气为燃料。9.1 解：1）设每天需燃煤Mt，则有M2566210310338%=1000106243600解得M=8.8576103t。取NOx平均排放系数12kg/t煤，则每日排放NOx量约为；2）同理M4200010310338%=1000106243600，M=5413.1t。取重油密度为0.8103kg/m3，折合体积约为6766.4m3，去排放系数12.5kg/m3，则每日排放NOx约为3）3738010338%V=1000106243600，解得V=6.07106m3。每日排放NOx量约为。9.4 假定煤的元素组成以重量百分比计为：氢3.7，碳75.9，硫0.9，氮0.9，氧4.7，其余的为灰分。当空气过剩系数20%条件下燃烧时，假定燃烧为完全燃烧。如果不考虑热力型NOx的生成，若燃料中氮1）20%，2）50%，转化为NO，试求烟气中NO的浓度。9.4解：考虑1kg燃煤含氢37g，碳759g，硫9g，氮9g，氧47g。烟气中含CO263.25mol，含H2O 18.5mol，含SO20.28mol。因此需O2 239247=2281g 约71.3mol，则引入N2268.2mol。若空气过剩20%，则烟气中O2为0.271.3=14.26mol，N2 268.2+53.6+9/28=322.1mol。即若不考虑N转化，则烟气中含CO263.25mol，H2O18.5mol，SO20.28mol，O214.26mol，N2322.1mol。1）N2转化率20%，则NO浓度为（体积分数）2）N2转化率50%，则NO浓度为（体积分数）9.10 燃油锅炉的NOx排放标准为230106（体积分数），假定油的化学组成C10H20Nx，当空气过剩50%时发生完全燃烧。当燃料中50%的氮转化为NOx，忽略热力型NOx时，为满足排放标准，氮在油中的最大含量为多少？9.10解：燃烧1mol C10H20Nx，产生10molCO2，10molH2O，需O215mol，引入N2量153.78=56.7mol。空气过剩50%，则总氮气量为56.71.5=85.05mol，O2量为7.5mol。由题意，102.552.310-4=0.5x(1-2.310-4)解得x=0.0472因此氮在油中的最大含量为。9.11 欲从燃烧烟气中用氨去除NOx，假定实际的反应为反应（917）和（918），烟气中NO占NOx总量的90%，其余的为NO2。按习题91的三种情况，若去除90%以上的NOx，每天各需要多少吨氨？假定氨的残留量为5106（体积分数）。9.11解：1）以热值为6110kcal/kg的煤为燃料，每日排放NOx量约107t，其中NO210.7t，NO96.3t。反应方程式为： 解得x=2889kmol，y=279kmol生成N2，H2O因此残留氨量为（3133+4752）5106=0.04kmol，可忽略。故每天消耗氨的量为（2889+279）17/103=53.9t。2）以热值为10000kcal/kg的重油为燃料，每日排放NOx量约85t，其中NO28.5t，NO76.5t。反应方程式为： 解得x=2295kmol，y=222kmol生成N2，H2O因此残留氨量为（2489+3776）5106=0.03kmol，可忽略。故每天消耗氨的量为（2295+222）17/103=42.8t。3）以热值为8900kcal/m3的天然气为燃料，每日排放NOx量约38.2t，其中NO23.8t，NO34.4t。反应方程式为： 解得x=1032kmol，y=99kmol生成N2，H2O因此残留氨量为（1119+1696）5106=0.01kmol，可忽略。故每天消耗氨的量为（1032+99）17/103=19.2t。9.13 第十章 挥发性有机物污染控制10.2解：由Antoine方程可分别计算得到40。C时苯的蒸汽压P1=0.241atm；甲苯的蒸汽压P2=0.078atm。因此，。10.3 计算20。C时，置于一金属平板上1mm厚的润滑油蒸发完毕所需要的时间。已知润滑油的密度为1g/cm3，分子量为400g/mol，蒸汽压约为1.333104Pa，蒸发速率为。10.3解：列式，故10.4 利用溶剂吸收法处理甲苯废气。已知甲苯浓度为10000mg/m3，气体在标准状态下的流量为20000m3/h，处理后甲苯浓度为150mg/m3，试选择合适的吸收剂，计算吸收剂的用量、吸收塔的高度和塔径。10.4解：取温度为100oF=310.8K进口甲苯浓度：1m3气体中含1000mg，则体积为，即浓度为2772ppm。同理可计算出口甲苯浓度为41.6ppm。Air Pollution Control EngineeringP366 Example10.14选择C14H30作吸收剂，但本题出口甲苯浓度过低，分压41.6106atm，小于C14H30 100oF时分压47106ppm，因此不能选择C14H30，而应该选择蒸汽压更低的吸收剂，此处选择C16H34，在100 oF下蒸汽压约 10106atm，分子量M=226。，取xi bottom=0.8x=0.814.30.002772=0.032，因此。又G=20000m3/h=784.3kmol/h=13.93lb/s=28.8lbmol/min。故L=0.085G=0.08528.8=2.45lbmol/min，即吸收剂用量251.2kg/min。由CRC Handbook of Chemistry查得100 oF下，C16H34 ，。；代入中解得。由取75%，则G=0.56lb/ft2.s，故，。传质单元数H/P=0.07/1=0.07，HG/PL=0.07/0.085=0.824，1HG/PL=0.176。代入上式解得N=13.3。10.5 采用活性碳吸附法处理含苯废气。废气排放条件为298K、1atm，废气量20000m3/h，废气中含有苯的体积分数为3.0103，要求回收率为99.5%。已知活性炭的吸附容量为0.18kg（苯）/kg（活性炭），活性炭的密度为580kg/m3，操作周期为吸附4小时，再生3小时，备用1小时。试计算活性炭的用量。10.5解：废气中苯的含量y1=200003.0103=60m3/h，由气体方程得。根据去除要求，实际去除量为m=191.599.5%=190.5kg/h则一个周期所需活性炭量为，体积10.8