大气污染控制工程课后题剖析.doc

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。
【解】：
1kg燃油含：
重量（g） 摩尔数（g） 需氧数（g）
C 855 71.25 71.25
H 113－2.5 55.25 27.625（转化为氧，即原料中含有氧，20g，相当于0.625molO2，转化为H为2.5g）
S 10 0.3125 0.3125
H2O 22.5 1.25 0
N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99.1875×4.78=474.12mol/kg重油。
即474.12×22.4/1000=10.62m3N/kg重油。
烟气组成为CO271.25mol，H2O 55.25+11.25=56.50mol，SO20.1325mol，N23.78×99.1875=374.93mol。
理论烟气量 71.25+56.50+0.3125+374.93=502.99mol/kg重油。即502.99×22.4/1000=11.27 m3N/kg重油。
2）干烟气量为502.99－56.50=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1.1×10.62=11.68m3N/kg重油，
产生烟气量为11.267+0.1×10.62=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。
【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 1
H 3.2 3.2 0.584
S 1.7 0.053 0.010
O 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+0.010－0.013/2=1.1495
1）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+3.78×1.1495+1.644/18）×1000/18.26×22.4×10－3=6.826m3/kg
灰分浓度为mg/m3=2.12×104mg/m3
3）需石灰石/t煤
第三章：大气污染气象学
3.2 在铁塔上观测的气温资料如下表所示，试计算各层大气的气温直减率：，，，，，并判断各层大气稳定度。
高度 Z/m
1.5
10
30
50
气温 T/K
298
297.8
297.5
297.3
【解】：
，不稳定
，不稳定
，不稳定
，不稳定
，不稳定。
3.7 用测得的地面气温和一定高度的气温数据，按平均温度梯度对大气稳定度进行分类。
测定编号
1
2
3
4
5
6
地面温度/。C
21.1
21.1
15.6
25.0
30.0
25.0
高度/m
458
763
580
2000
500
700
相应温度/。C
26.7
15.6
8.9
5.0
20.0
28.0
【解】：
，故，逆温；
，故，稳定；
，故，不稳定；
，故，不稳定；
，故，不稳定；
，故逆温。
第四章：大气扩散浓度估算模式
4.1 污染源的东侧为峭壁，其高度比污染源高得多。设有效源高为H，污染源到峭壁的距离为L，峭壁对烟流扩散起全反射作用。试推导吹南风时高架连续点源的扩散模式。当吹北风时，这一模式又变成何种形式？
【解】：
吹南风时以风向为x轴，y轴指向峭壁，原点为点源在地面上的投影。若不存在峭壁，则有
现存在峭壁，可考虑为实源与虚源在所关心点贡献之和。
实源
虚源
因此+

=
刮北风时，坐标系建立不变，则结果仍为上式。
4.2 某发电厂烟囱高度120m，内径5m，排放速度13.5m/s，烟气温度为418K。大气温度288K，大气为中性层结，源高处的平均风速为4m/s。试用霍兰德、布里格斯（x<=10Hs国家标准GB/T13201－91中的公式计算烟气抬升高度。
【解】：
霍兰德公式
。
布里格斯公式
且x<=10Hs。此时 。
按国家标准GB/T13201－91中公式计算，
因QH>=2100kW，Ts－Ta>=130K>35K。

（发电厂位于城市近郊，取n=1.303，n1=1/3，n2=2/3）
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。
【解】：
由《大气污染控制工程》P88（4－9）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。
【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 （4－10）、（4－11）
时，。
取稳定度为D级，由表4－4查得与之相应的x=745.6m。
此时。代入上式。
第五章：颗粒污染物控制技术基础
5.1 根据以往的分析知道，由破碎过程产生的粉尘的粒径分布符合对数正态分布，为此在对该粉尘进行粒径分布测定时只取了四组数据（见下表），试确定：1）几何平均直径和几何标准差；2）绘制频率密度分布曲线。
粉尘粒径dp/
0～10
10～20
20～40
>40
质量频率g/%
36.9
19.1
18.0
26.0
【解】：
在对数概率坐标纸上作出对数正态分布的质量累积频率分布曲线，
读出d84.1=61.0、d50=16.0、d15。9=4.2。。
作图略。
5.5 根据对某旋风除尘器的现场测试得到：除尘器进口的气体流量为10000m3N/h，含尘浓度为4.2g/ m3N。除尘器出口的气体流量为12000 m3N/h，含尘浓度为340mg/ m3N。试计算该除尘器的处理气体流量、漏风率和除尘效率（分别按考虑漏风和不考虑漏风两种情况计算）。
【解】：
气体流量按P141（5－43）；
漏风率P141（5－44）；
除尘效率：
考虑漏风，按P142（5－47）
不考虑漏风，按P143（5－48）
5.7 有一两级除尘系统，已知系统的流量为2.22m3/s，工艺设备产生粉尘量为22.2g/s，各级除尘效率分别为80%和95%。试计算该处尘系统的总除尘效率、粉尘排放浓度和排放量。
【解】：
按《大气污染控制工程》P145（5－58）

粉尘浓度为，排放浓度10（1－99%）=0.1g/m3；
排放量2.22×0.1=0.222g/s。
5.8 某燃煤电厂除尘器的进口和出口的烟尘粒径分布数据如下，若除尘器总除尘效率为98%，试绘出分级效率曲线。

粉尘间隔/
<0.6
0.6~0.7
0.7~0.8
0.8~1.0
1~2
2~3
3~4
质量频率 /%
进口g1
2.0
0.4
0.4
0.7
3.5
6.0
24.0
出口g2
7.0
1.0
2.0
3.0
14.0
16.0
29.0

粉尘间隔/
4~5
5~6
6~8
8~10
10~12
20~30
质量频率 /%
进口g1
13.0
2.0
2.0
3.0
11.0
8.0
出口g2
6.0
2.0
2.0
2.5
8.5
7.0
【解】：
按《大气污染控制工程》P144（5－52）（P=0.02）计算，如下表所示：
粉尘间隔/
<0.6
0.6~0.7
0.7~0.8
0.8~1.0
1~2
2~3
3~4
质量频率 /%
进口g1
2.0
0.4
0.4
0.7
3.5
6.0
24.0
出口g2
7.0
1.0
2.0
3.0
14.0
16.0
29.0

93
95
90
91.4
92
94.7
97.6

粉尘间隔/
4~5
5~6
6~8
8~10
10~12
20~30
其他
质量频率 /%
进口g1

13.0
2.0
2.0
3.0
11.0
8.0
24.0
出口g2
6.0
2.0
2.0
2.5
8.5
7.0
0

99.1
98
98
98.3
98.5
98.2
100
据此可作出分级效率曲线。
5.11 欲通过在空气中的自由沉降来分离石英（真密度为2.6g/cm3）和角闪石（真密度为3.5g/cm3）的混合物，混合物在空气中的自由沉降运动处于牛顿区。试确定完全分离时所允许的最大石英粒径与最小角闪石粒径的最大比值。
【解】：设最大石英粒径dp1，最小角闪石粒径dp2。由题意，
故。
5.12 直径为200、真密度为1850kg/m3的球形颗粒置于水平的筛子上，用温度293K和压力101325Pa的空气由筛子下部垂直向上吹筛上的颗粒，试确定：1）恰好能吹起颗粒时的气速；2）在此条件下的颗粒雷诺数；3）作用在颗粒上的阻力和阻力系数。
【解】：
在所给的空气压强和温度下，。dp=200时，
考虑采用过渡区公式，按《大气污染控制工程》P150（5－82）：

，符合过渡区公式。
阻力系数按P147（5－62）。阻力按P146（5－59）
。
第六章：除尘装置
6.1 在298K的空气中NaOH飞沫用重力沉降室收集。沉降至大小为宽914cm，高457cm，长1219cm。空气的体积流速为1.2m3/s计算能被100%捕集的最小雾滴直径。假设雾滴的比重为1.21。
【解】：
计算气流水平速度。设粒子处于Stokes区域，取。按《大气污染控制工程》P162（6－4）

即为能被100%捕集的最小雾滴直径。
6.10 在气体压力下为1atm，温度为293K下运行的管式电除尘器。圆筒形集尘管直径为0.3m，L=2.0m，气体流量0.075m3/s。若集尘板附近的平均场强E=100kV/m，粒径为1.0的粉尘荷电量q=0.3×10－15C，计算该粉尘的驱进速度w和电除尘效率。
【解】：
驱进速度按《大气污染控制工程》P187（6－33）
。
，Q=0.075m3/s，代入P1886－34）

6.26 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。
【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。
第九章：固定源氮氧化物污染控制
9.9 典型的大型燃煤工业锅炉氮氧化物排放系数为8kg/t。假定煤的组成与习题9－4相同，烟气中氧浓度为6%，试计算烟气中NOx的浓度。
【解】：
取1kg煤计算，排放NOx约8g，在常规燃烧温度下，近似认为NO2浓度很小，NOx均以NO存在。
1kg煤中，含C759g，H37g，N9g，S9g，O47g。充分燃烧后，生成CO263.25mol，H2O18.5mol，SO20.28mol，NO0.267mol。需O22333－47=2286g，约71.4mol。
引入N2。燃烧本身过程中产生N2。
即在O2恰好耗尽时烟气含CO263.25mol，H2O18.5mol，SO20.28mol，NO0.267mol，N2269.0mol。
由题意，空气过剩，设过剩空气量为xmol，则，由此解得x=140.5mol。
故NOx浓度为（体积分数）。
9.11 欲从燃烧烟气中用氨去除NOx，假定实际的反应为反应（9－17）和（9－18），烟气中NO占NOx总量的90%，其余的为NO2。按习题9－1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5×10－6（体积分数）。
【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）×5×10－6=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）×5×10－6=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）×5×10－6=0.01kmol，可忽略。
故每天消耗氨的量为（1032+99）×17/103=19.2t。

第八章：硫氧化物的污染控制