大气污染控制工程教(学)案

1、第一章绪论（1学时）教学重点：大气的结构和组成，大气污染物及其来源，环境空气质量标准，空气污染指数。教学难点：大气污染物及其来源。教学要求：掌握大气的结构和组成，大气污染发生和发展过程，大气污染物及其来源，空气污染指数；了解环境空气质量标准，国内外大气污染控制现状教学内容：人是完全靠空气生存的，成年人平均每天约需1Kg粮食和2Kg水，但对空气的需求就大得多，每天约13.6Kg（合10ml）。若三者都断绝供应，引起死亡的首先是空气，要是空气中混进有毒害的物质，则毒物随空气不断地被吸入肺部，通过血液遍布全身，对人体健康直接产生危害。大气污染对人的影响不同于土壤和水的污染，它不仅时间长且范围广（较多

2、是地域性的，也有全球性的）。地球上发生的八大“公害事件”，其中五起是因大气污染造成的。当然，空气污染的原因不只是人类的活动，还有像森林、火灾和火山爆发一类的天然事件。不过后者通常在空气污染中起次要作用。1.1大气与大气污染、大气的结构和组成1、大气圈随地球引力而转的大气层叫大气圈。大气圈的最外层的界限是很难确切划分的，但大气也不能认为是无限的。在地球场内受引力而旋转的气层高度可达10?000Km有的学者就以10?000Km作为大气圈的最外层。一般情况下认为，从地球表面到1?0001?400Km的气层作为大气圈的厚度，超出1?400Km以外气体非常稀薄，就是宇宙空间了。大气圈中的空气分布是不均匀

3、的，海平面上的空气最稠密。在近地层的大气层里，气体的密度随高度的上升而迅速的变稀。但是在4001?400Km大气层里空气是渐渐变稀薄的。大气圈的总质量约为6000万亿吨，约为地球质量的百万分之一。大气的构造：根据大气圈中大气组成状况及大气在垂直高度上的温度变化，划分大气圈层的结构如下图：约2000Km以上18Km从地球表面向上，大约到90Km高度，大气的主要成分氧和氮的组成比例几乎无什么变化，具有这样特性的大气层叫均质大气层（简称均质层）。在均质层以上和外围空间的大气层，其气体的组成随高度升高有很大变化，这个圈层叫非均质层。在均质层中，根据气体的温度沿地球表面垂直方向的变化分为：对流层、平流层

4、、中间层、电离层、散逸层。各层特点：对流层：1）相对于整个大气圈厚度而言很薄，按最厚处计，占总厚度的69%,占总质量的75%在这一层中除了有纯净的干空气以外，还含有一定量的水蒸气，适度的温度对人和动植物的生存起到重要的作用。2）般情况下，温度自地表面向高空递减，0.65C/上升100米。在对流层中，由于太阳的辐射以及下垫面特性和大气环流的影响，使得在该层中出现极其复杂的自然现象，有时形成易于扩散的气象特征，有时形成对生态系统产生有危害的逆温气象条件，雨、雪、霜、雾、雷电等自然现象也都出现在这一层。3）大气有较强的对流运动，大气污染也主要发生在这一层，特别是在靠近地面1-2Km的近地层更易造成污

5、染。近地层的大气污染物的扩散能力主要取决于当时的气象条件。4）温度、湿度等各要素水平分布不均匀。平流层：1）在这一层里气体的温度差随高度上升有缓慢的增加，30-35Km,T=-55C。然后上升（气温）较快，这是因为在该层中的臭氧强烈吸收太阳紫外线所致。2）几乎不存在水蒸汽和尘埃，一般处于平流运动。3）大气很干燥，没有云、雨等现象，是飞机理想的飞行区域。中间层：气温随高度增加迅速降低，有强烈的垂直对流运动。电离层：气温随高度增加迅速上升，空气处于高度电离状态，发电报是靠这层反射回来。散逸层：气体温度很低，气体粒子能克服地球引力而逸向星际空间。星际空间内每m空间有数十个离子存在。研究重点：对流层，

6、平流层2、大气组成大气（空气）从自然科学角度来看，空气和大气常常作为同义词，二者没有实质性的差别。但在研究近地层的空气污染规律及对空气质量进行评价时，为便于说明问题，有时两个名词分别使用。一般对于居住在室内或特指某个地方（如车间、厂区等）供动植物生存的气体习惯上称为空气。在大气物理、大气气象、自然地理以及环境科学研究中，常常是以大区域或全球性的气流作为研究对象，因此，就常用大气一词。大气是一个多种气体的混合物，有混合气体、水气和悬浮微粒组成，可分为：恒定组分：Q（20.95%）、2（78.09%）、氩（0.93%）惰性气体。上述组分的比例在地球表面上任何地方几乎是可以看作不变的。可变组分：CQ

7、、水蒸汽、03这些组分在大气中的含量是随季节、气象的变化以及人们的生产、生活活动的影响而发生变化。不定组分：第一环境问题引起的：由自然界的火山爆发、森林火灾、海啸、地震等暂时性灾难所引起的。污染物有尘埃、SH2S、燃料完全燃烧的条件燃料完全燃烧的条件是适量的空气、足够的温度、必要的燃烧时间、燃料与空气的充分混合。（1）空气条件：按燃烧不同阶段供给相适应的空气量。（2）温度条件：只有达到着火温度，才能与氧化合而燃烧。着火温度：在氧存在下可燃质开始燃烧必须达到的最低温度。（3）时间条件：燃料在燃烧室中的停留时间是影响燃烧完全程度的另一基本因素。燃料在高温区的停留时间应超过燃料燃烧所需时间。（4）燃

8、烧与空气的混合条件：燃料与空气中氧的充分混合是有效燃烧的基本条件。在大气污染物排放量最低条件实现有效燃烧的四个因素：空气与燃料之比、温度、时间、湍流度。（三T）3发热量及热损失发热量单位量燃料完全燃烧产生的热量。即反应物开始状态和反应物终了状态相同情况下（常温298K,101325Pa）的热量变化值，称为燃料的发热量，单位是KJ/Kg。（固体）KJ/m3（气体）。发热量有高位、低位之分。高位：包括燃料燃烧生成物中水蒸汽的汽化潜热，Q低位：指燃料燃烧生成物中水蒸汽仍以气态存在时，完全燃烧释放的热量。-根据煤的工业分析数据计算。煤的发热量Y注意：煤中H有两种形态可燃氢（参根据燃料的关I加燃烧）、自

9、由氢。结合氢（与O2）系分析数据计算自由氢与CS结合需应用基来表明组成注：干燥基（上标d）可燃基（上标b）应用基（上标a）排烟热损失：热损失为612%不完全燃烧热损失：化学不完全燃烧、机械不完全燃烧。散热损失：由设备管道温度高于周围空气温度造成热损失。4、燃烧产生的污染物硫的SOx随温度变化不大，主要是煤中S。粉尘：随温度的增高、不变、降低而变化。CO及HC化合物烟：随温度的增高、不变、降低而变化。NOx随温度的增高、不变、降低而变化。二、燃料燃烧的理论空气量i理论空气量（V*）所需要的氧一般从空气中获得。单位量燃料按燃烧反应方程式完全燃烧所需的空气量称为理论空气量。理论空气量（1）可由燃烧反

10、应方程式获得气体燃料(2)经验公式（由热值）固体燃料va1.01Q0.54187液体燃料vao0.85Q241870QQi12561KJ/m3Va0.8754187Qi12561KJ/m30Va1.07-Q0.254187天然气（式2.17）建立燃烧化学方程式时，假定:1）空气仅由N2和O组成，气体积比为79/21=3.76;2）燃料中的固态氧可用于燃烧；3）燃料中的硫被氧化成SQ;4）计算理论空气量时忽略NO的生成量；S、O的原子S、O的原子5）燃料的化学时为GH/SzQW，其中下标x、y、z、w分别代表C、数。完全燃烧的化学反应方程式：ywywyywCXHySzOwxzO23.76xzN2

11、xCO?H2OzSQ3.76xzN2Qy4242222Q代表燃烧热理论空气量：Q代表燃烧热理论空气量：V*-4wz/12x1.008y232z16wy106.6x-43m/kgz/12x1.008y32z16w23.66.0褐煤般煤的理论空气量Va47m3/kg%58.5无烟煤910烟煤煤炉:高炉:4.55.5液化气:2.970.78.849.0111.412.1液体燃料（燃料油）的V?1011m3/kg空气过剩系数a世纪空气量Va与理论空气量Va0之比为空气过剩系数aVa,a0通常a1Va空燃比（AF）定义：单位质量燃料燃烧所需的空气质量，它可由燃烧方程直接求得。例：某燃烧装置采用重油作燃料

12、，重油成分分析结果如下（按质量）C:88.3%,H:9.5%,S:1.6%，灰分：0.10%。试确定燃烧1kg重油所需的理论空气量。解：以1kg重油燃烧为基础，则：重量（g）摩尔数（mol）需氧量（mol）C88373.5873.58H9547.523.75S160.50.5H2O0.50.02780理论需氧量为：73.58+23.75+0.5=97.83mol/kg重油假定空气中N2与Q的摩尔比为3.76（体积比）则，理论空气量为：1465.67mol/kg重油即重油10002.3烟气体积及污染物排放量计算（1学时）一、烟气体积计算理论烟气体积在理论空气量下，燃料完全燃烧所生成的烟气体积称为

13、理论烟气体积以Vfg0表示，烟气成分主要是CO、SO、N2和水蒸气。干烟气：除水蒸气以外的成分称为干烟气；湿烟气：包括水蒸气在内的烟气。Vg=V干烟气+V水蒸气V理水蒸气=V燃料中氢燃烧后的水蒸气+V燃料中所给+V理论空气量带入的实际烟气体积Vfg0Vg=Vfg0+（a-1）Va0烟气体积和密度的校正燃烧产生的烟气其T、P总高于标态（273K、1atm）故需换算成标态。大多数烟气可视为理气，故可应用理气方程。设观测状态下：标态下：（Tn、成分主要是CO、SO、N2和水蒸气。干烟气：除水蒸气以外的成分称为干烟气；湿烟气：包括水蒸气在内的烟气。Vg=V干烟气+V水蒸气V理水蒸气=V燃料中氢燃烧后的

14、水蒸气+V燃料中所给+V理论空气量带入的实际烟气体积Vfg0Vg=Vfg0+（a-1）Va0烟气体积和密度的校正燃烧产生的烟气其T、P总高于标态（273K、1atm）故需换算成标态。大多数烟气可视为理气，故可应用理气方程。设观测状态下：标态下：（Tn、（Ts、Ps下）烟气的体积为Ms，密度为pPN下）标态下体积为:VnVs标态下密度为:PNS烟气的体积为Vn,密度为pPsTnPnTsPnTs耳TNNo应指出，美国、日本和国际全球监测系统网的标准态是298K、1atm在作数据比较时应注意。2.过剩空气较正因为实际燃烧过程是有过剩空气的，所以燃烧过程中的实际烟气体积应为理论烟气体积与过剩空气量之和

15、。用奥氏烟气分析仪测定烟气中的CO2O2和CO的含量，可以确定燃烧设备在运行中烟气成分和空气过剩系数。空气过剩系数为a=实际空气量a一理论空气量Q的过剩系数m过剩空气中设燃烧是完全燃烧，过剩空气中的氧只以C1mO21m3.67N2CO2PQ形式存在，燃烧产物用下标P表示，O2PN2P假设空气只有02、N2分别为21%79%则空气中总氧量为N2P0.266N2P79理论需氧量:所以a10.266N2PQpO2P若燃烧完全0.266N2PO2P02P若燃烧不完全产生O.266N2PO2PCO须校正，即从测得的过剩氧中减O2p0.5COpCO氧化为CO所需的Oa1O.266N2PO2P0.5COp各

16、组分的量均为奥氏分析仪所测得的百分数。二、污染物排放量的计算例2对例1给定的重油，若燃料中硫会转化为SOX（其中SQ占97%），试计算空气过剩系数a=1.20时烟气中SO及SO的浓度，以ppm表示，并计算此时烟气中CO的含量，以体积百分比表示。解：由例1可知，理论空气量条件下烟气组成（mol）为：CQ:73.58H2O47.5+0.0278SQ:0.5NX：理论烟气量：73.58+0.5+(47.5+0.0278)+(97.833.76)=489.45mol/kg重油即489.45224=10.96m3N/kg重油1000空气过剩系数a=1.2时，实际烟气量为：113.05m3N/Kg重油其中

17、10.43为理论空气量，即1Kg重油完全燃烧所需理论空气量。烟气中SQ的体积为22.410000.0109m3N/Kg烟气中SO3的体积为.50.0322.410003.36104m3N/Kg所以，烟气中SO、SO的浓度分别为：CsqCsq史竺10613.05835.25ppm43.3610“61013.0525.75ppm当a=1.2时，干烟气量为:22411.985m3N/Kg100064898564898510013.75%所以干烟气中CO的含量以体积计为:CQ体积为：224373581000648mN/Kg重油例3:已知某电厂烟气温度为473K,压力为96.93Kpa,湿烟气量Q=10

18、400rr/min,含水汽6.25%(体积)，奥萨特仪分析结果是：CQ占10.7%,Q占8.2%,不含CQ污染物排放的质量流量为22.7Kg/min。污染物排放的质量速率(以t/d表示)污染物在烟气中浓度烟气中空气过剩系数校正至空气过剩系数a=1.8时污染物在烟气中的浓度。解：(1)污染物排放的质量流量为：“Kg60minhd1000Kg(2)测定条件下的干空气量为：Qd1040010.06259750m3/min测定状态下干烟气中污染物的浓度：22.763C1062328.2mg/m39750标态下的浓度：CnPnT2328.2空色必PTn34217.0mg/mN96.93273(3)空气过

19、剩系数：12p0.268N2PO2P校正至a=1.8条件下的浓度：(3)空气过剩系数：12p0.268N2PO2P校正至a=1.8条件下的浓度：1.6134217.01.6133778.9mg/m3N1.82.4燃烧过程中污染物的形成与控制(1学时)、燃烧中硫氧化物的形成燃料中的硫在燃烧过程中与氧反应，主要产物是SO和SO,但SO的浓度相当低，既使在贫燃料状态下，生成的SO也只占SQ生成量的百分之几。在富燃料状态下，除SQ外，还有一些其它S的氧化物，如SO及其二聚物(SO2,还有少量一氧化二硫SO.这些产物化学反应能力强，所以仅在各种氧化反应中以中间体形式出现。燃烧时:SO2SO22SO202

20、2SO3此时并非含氧量越高，故一般主要生成SO,计算时可忽略SO。越完全，温度越高,SO2越稳定燃烧过程中硫氧化物、颗粒污染物、氮氧化物和其它污染物的形成与控制第三章大气污染气象学基础（2学时）教学重点：主要气象要素，大气的热力过程，大气的运动和风速廓线模式。教学难点：大气稳定度，逆温，风速廓线模式。教学要求：掌握大气的热力过程、大气稳定度、逆温和风速廓线模式。教学内容：3.1大气圈结构与气象要素（0.5学时）一、影响大气污染的主要气象要素气象要素（因子）：表示大气状态和物理现象的物理量。1、气温:2、气湿：空气湿度是反映空气中水汽含量和空气潮湿程度的一个物理量，常用的表示方法有：绝对湿度、水

21、蒸气压力、体积百分比、含湿量、相对湿度、露点等。3、风a）定义：什么是风？空气水平方向的流动叫风。b）形成：风主要由于气压的水平分布不均匀而引起的，而气压的水平分布不均是由湿度分布不均造成。风的形成除热力原因外，还有动力原因，自然界的风是由于这两种原因综合作用的结果，但只要有温差存在，空气就不会停止运动。c）风的度量风的特性用风向与风速表示，它是一向量。风的大小有叫风速：在单位时间内，空气水平流动的距离，m/s。风向：分为16方位，4、云云是发生在高空的水汽凝结现象。形成的基本条件：水蒸汽和使水蒸汽达到饱和凝结的环境。云的分类：高云：离地面5000m以上，冰晶构成；中云：离地面25005000

22、m间，过冷的微小水滴及冰晶构成；低云：离地面2500m以下，由微小水滴和冰晶构成。云量：云量是指云遮蔽天空的成数。将天空分为十份。这十分中被云所遮盖的成数称为云量。如在云层中还有少量空隙（空隙总量不到天空的1/20）记为10；当天空无云或云量不到1/20时，云量为0。国外云量与我国云量间的关系，国际云量1.25我国云量总云量：指所有云遮蔽天空的成数，不论云的层次和高度。低云量：低云的云掩盖天空的成数。云量的纪录：一般云量/低云量的形式记录，如10/7。云高：指云底距地面的垂直距离，以米为单位。5、能见度在当时的天气情况下，正常人的眼睛所能看到的最大距离叫能见度。能见就是能把目标物的轮廓从它的天

23、空背景上分辨出来，为了知道能见距离的远近，首先必须选择若干固定的目标物，量出他们距测点的距离。能见度的大小反应了大气的混浊程度，反应出大气中杂质的多少。3.2大气的热力过程（1学时）一、太阳辐射太阳的辐射能是地球表面和大气的唯一能量来源，地面和大气获得辐射能增热的同时，本身放出热辐射而冷却，所以大气内部始终存在着冷与暖的变化，冷、暖在某种意义上讲决定着空气的干湿与降水，决定着低气压的分布，影响着大气的运动，也就影响了排放至大气的污染物质的扩散稀释。大气的热力过程，大气稳定度，逆温的形成与类型3.3大气的运动和风（0.5学时）大气水平运动，大气边界层风随高度变化，风速廓线模式，大气的湍流运动，地

24、方性风场。第四章大气污染物扩散模式（6学时）教学重点：湍流统计理论（正态分布理论），高斯扩散模式，扩散参数，各种气象条件下的扩散模式，烟气抬升高度。教学难点：高斯扩散模式和扩散参数的确定。教学要求：掌握高斯扩散模式及其常见形式，能够根据地形、背景浓度以及风向、风速、温度层结等气象因素及模式计算大气污染物浓度，可以根据不同要求估算烟筒高度，并对厂址选择提出初步方案。教学内容：湍流扩散的基本理论（1学时）梯度输送理论，湍流统计理论（正态分布理论），相似理论。高斯扩散模式（1学时）高斯模式的假设条件，高架连续点源扩散的高斯模式。污染物浓度的估算方法（2学时）地面浓度，地面轴线浓度，地面轴线最大浓度，

25、扩散参数的确定。特殊气象条件下的扩散模式（0.5学时）小风、静风、熏烟条件下的扩散模式，扩散参数的确定。城市及山区的扩散模式（0.5学时）烟囱高度的设计和厂址的选择（1学时）烟囱有效源高，烟气抬升高度，厂址的选择。第五章除尘技术基础与除尘设备（8学时）教学重点：粉尘的粒径分布和物理性质，净化装置性能的表示方法，颗粒捕集的理论基础，教学难点：除尘设备工作原理。颗粒捕集的理论基础，除尘设备工作原理。教学要求：掌握粉尘的粒径分布、净化装置性能的表示方法、颗粒捕集的理论和各种除尘设备的工作原理，能够计算除尘设备的净化效率。教学内容：5.1粉尘粒径与粒径分布（1学时）一、粉尘粒径1定义：在实际中，因颗粒

26、大小、形状各异，故表示方法有所不同。一般分为两类:单一粒径：单个粒子的；球形颗粒：d=直径平均粒径：粒子群的。）单一粒径单一粒径分成投影径非球形颗粒-几何当量径dA1/24Ap1/21.128Ap物理当量径1投影径：指颗粒在显微镜下观察到的粒径。面积等分径（martine）,指颗粒的投影面积二等分的直线长度，其与所取的方向有关,常采用与底边平行的线作为粒径。定向径（feret长径，不考虑方向的最长径。短径，不考虑方向的最短径。2.几何当量径：取颗粒的某一几何量（面积、体积等）相同时的球形颗粒的直径。等投影面积径dA：与颗粒投影面积相同的某一圆面积的直径。颗粒投影面积Ap4dA等体积径dv：dV

27、等表面积径ds：ds16Vp31.243VpVp石d；颗粒的外表面积Spd2d.体积表面积平均径de：颗粒体积与外表面积相同的圆球的直径。de6VpSp物理当量径：取颗粒某一物理量相同时的球形颗粒粒径。自由沉降dt:特定气体中，在重力作用下，密度相同的颗粒因自由沉降而达到的末速度与球形颗粒所达到的末速度相同时的球形颗粒的直径。空气动力径da：在静止的空气中颗粒的沉降速度与密度为1g/cm3的圆球的沉降速度相同时的圆球的直径。单位m（g/cm3）2mAf弋表。斯托克斯径（Stokes）dst。在层流区内（对颗粒的雷诺数Re2.0）的空气动力径。dst18VtVt颗粒在流体中的终端沉降速度（m/s

28、)d.分割粒径（半分离粒径）d50:即分级效率为50%的颗粒直径。（二）平均粒径对于一个由大小和形状不相同的粒子组成的实际粒子群与一个由均一的球形粒子组成的假想粒子群相比，若两者的粒径全长相同，则称此球形粒子的直径为实际粒子群的平均粒径。表7-1列出了各种方法计算的平均粒径，数值相差很大。P282。一般顺序：d1dsdvd2d3p则有:UsJm/s18(3-3)由上式可见Vtd2,若dp小，则Vt就小，故小颗粒就难分离。若将雷诺数Rep=1代入,可求出尘粒沉降时的临界粒径dcoRepdpUc得dp(3-4)代入（5-2）得：dc2.633般说来方程式3-3应用于粒径小于50卩m的球形尘粒，小于

29、般说来方程式3-3应用于粒径小于50卩m的球形尘粒，小于100卩m得尘粒误差也不大。工业粉尘粒径大致为1100卩m粒径小于5卩m的尘粒实际沉降速度要比Stocks定律预示的大，需修正。故dpw5卩m的尘粒：Us=cUsStocksc为修正系数，在空气中温度为20C,压强为1atm时，c10.172dp6.021104Tdpdp为口mo在其它温度下，Kc值就变化，Kc1二、旋风除尘器旋风除尘器是利用旋转气流产生的离心力使尘粒从气流中分离的，用来分离粒径大于10卩m的尘粒。（一）、工作原理1除尘器内气流与尘粒的运动气流从宏观上看可归结为三个运动：外涡旋、内涡旋、上涡旋。普通旋风器由筒体、锥体、排出

30、管等部分组成，见图5-3。含尘气流由进口沿切线方向进入除尘器后，沿器壁由上而下作旋转运动，这股旋转向下的气流称为外涡旋（外涡流）外涡旋到达锥体底部转而沿轴心向上旋转，最后经排出管排出。这股向上旋转的气流称为内涡旋（内涡流）。外涡旋和内涡旋的旋转方向相同，含尘气流作旋转运动时，尘粒在惯性离心力推动下移向外壁，到达外壁的尘粒在气流和重力共同作用下沿壁面落入灰斗。气流从除尘器顶部向下高速旋转时，顶部压力下降，一部分气流会带着细尘粒沿外壁面旋转向上，到达顶部后，在沿排出管旋转向下，从排出管排出。这股旋转向上的气流称为上涡旋。旋风分离器内气流运动是很复杂的，除切向和轴向运动外，还有径向运动。在这里，上涡

31、旋不利于除尘。如何减少上涡旋，降低底部的二次夹带及出口室气流旋转所消耗的动力，成为当前改进旋风器的主要问题。V出=1530m/s对同样流量的气流而言，旋风分离器比重力沉降室小得多，但动力消耗多。2.气流的速度切向速度Vt:用球形皮托管测定。切向速度分布见书P290,图7-9。外涡旋：Vt随半径r的减小而增大，在内外涡旋的交界面上Vt最大，交界面半径ro衣（0.660.65）rp,邙为排出管半径。内涡旋：Vt随半径r的减小而减小。某一断面上的切向速度分布规律为：Vtrn常数外旋：n=0.5，有Vtr2c内旋：n=-1,有Vt/r常数内外交界面：n=0,有Vt=常数，最大，对应直径为Di,Di=（

32、0.61.0）De（排气管直径）。径向速度Vr:假设内外涡旋的交界面是圆柱面，外涡旋均匀通过该柱面进入内涡旋，那麽认为气流通过此圆柱面时的平均速度就是外涡旋气流的平均径向速度Vr。VrQ/FQ处理气体量；F假想圆柱面表面积。轴向速度二、临界粒径与压降分级效率为50%勺粉尘粒径为半分离直径或切割直径dc50。临界粒径dcp愈小，除尘效率愈高。除尘器内的压力分布见图5-4,尘粒在旋风器中受到两个力的作用：离心力ft:ftVt2mr6d向心力fd：fd3VrdpVt3(Rep在交界面上尘粒有三种情况:ftfd移向外壁fdft移向内壁ft=fd进去50%出来50%即除尘效率为50%为什麽忽略了粉尘的质

33、量呢？因为重力等于为什麽忽略了粉尘的质量呢？因为重力等于mg离心力Ft设Vt=30m/s，r=0.1m，重力Vdrg90001900离心力远远大于重力，故重力可9.8忽略。临界粒径：dcp，dcp18Vry0V。2ft=fd12r得：0假想圆柱面半径2阻力:V222gE阻力系数一般而言：dp(100%)2-3dp(50%)缺乏实验数据时，可用下式表示:缺乏实验数据时，可用下式表示:KA.Dd：p、LHPnTnPTPnK常数，等于2040;A进口面积，axb;L筒体长度;H锥体长度；dpp排出管直径。三、电除尘器气体除尘从广义上来说可以分为机械方法和电气方法两大类。机械的方法包括基本上依靠惯性力

34、和机械力回收粒子的一切方法在内，如重力沉降法、离心分离法、气体洗涤法、介质过滤法等等。电气的方法就是电除尘。它与一切机械方法的区别在于作用在悬浮粒子上的使粒子与气体分离的力。特点：1分离的作用力直接施之于粒子本身，这种力是由电场中粉尘荷电引起的库仑力，而机械方法大多把作用力作用在整个气体。2直接作用的结果使得电除尘器比其它除尘器所需功率最少，气流阻力最小。处理31000m/h的气体，耗电度，P=100lOOOPa。3它既不象重力沉降法或惯性法那样只限于回收粗粒子，也不象介质过滤法或洗涤法那样受到气体运动阻力的限制，能回收微型范围的细小粒子。（mm左右的）4除尘效率高，一般在95-99%。处理气

35、量大，可应用于高温、高压，具有克服气体和粒子腐蚀的能力。连续操作并可自动化，故广泛应用于许多方面。（国外）冶金领域：铜、铅、锌冶炼厂，贵金属回收（回收金）；钢铁工业方面；水泥生产方面；化学工业和工艺过程方面；燃料煤气的脱焦；煤烟的除尘；炭黑的回收；造纸厂中的应用；电力生产中的应用；电子工业的空气净化等等。由于除尘器的主要缺点是设备庞大，消耗钢材多，初投资大，要求安装和运行管理技术较高，故目前我国电除尘的应用还不太普遍。（一）、原理电除尘是何种装置呢？概括而言，电除尘是利用强电场使气体发生电离，气体中的粉尘荷电在电场力的作用下，使气体中的悬浮粒子分离出来的装置。这种装置由许多不同的型式，但最基本

36、的组成部分都是一对电极（高电位的放电电极和接地的收尘电极），简单模式见书P6-2。除尘过程大致就是这样一过程，两电极间加一电压。一对电极的电位差必须大得使放电极周围产生电晕（常常加直流），高电压使含尘气体通过这对电极之间时，形成气体离子（正离子、负离子）这些负离子迅速向集尘极运动，并且由于同粒子相撞而把电荷转移给它们粉尘荷电，然后与粒子上的电荷互相作用的电场就使它们向收尘电极漂移，并沉积在集尘电极上，形成灰尘层。当集尘电极表面粉尘沉集到一定厚度后，用机械振打等方法将沉集的粉尘层清除掉落入灰斗中。用电除尘的方法分离气体中的悬浮离子，需四个步骤：气体电离；粉尘荷电；粉尘沉集；清灰。（二）、分类按结

37、构不同可作不同的分类，现从4个方面介绍：（1）按集尘电极型式可分为管式和板式电除尘器管式：极线沿着垂直的管状集尘电极的中心线悬挂，适用于气体量较小的情况，一般采用湿式清灰方式。板式：在互相平行的板式收尘电极的中间悬挂垂直的极线。板式可采用湿式清灰方式，但绝大多数采用干式清灰方式。（2）按气流流动方式分为立式和卧式电除尘器在工业废气除尘中，卧式板式电除尘器是应用最广泛的一种，我国1972年提出的系列化设计SHW型就属此类。（3）按粉尘荷电区和分离区的空间布置不同分为单区和双区电除尘单区：粉尘荷电和分离沉降都在同一空间区域内进行。双区：现有一组电极使粉尘荷电，然后另一组电极供给静电力，使带电粒子沉

38、降。典型的双区除尘器多用于空调方面。国外有将它应用于工业废气净化方面的。按沉集粉尘的清灰方式可分为湿式和干式电除尘器5.6除尘装置净化效率(1学时)除尘装置的捕集效率代表装置捕集粉尘效果的重要指标。有以下几种表示：1总捕集效率nT：nt指在同一时间内净化装置去除污染物的量与进入装置的污染物量之百分比。见下图：如图：入o气体流量Q(m3/s);污染物流量G(g/s);污染物浓度G(g/m3)。净化GcG+GTcG。装置捕集的污染物流量G(g/s)有100%1GGe100%.G0G=CQQeGe100%T1Q0G0出口相应的为Q,Ge,CeoG0=Q,Qe与状态有关，5常换算成标准状态(0C,1.

39、013x10Pa)下干气体流量表示，并加脚标“N若装置不漏风,CeNQeNC0NQ0N100%Q萨Qn1CeNCN实际上净化装置常有漏风,CeN100%ni、n2、k漏风系数串联使用净化装置：设每一级的捕集效率为总效率：T1111213净化器的性能还可用令一指标表示：即通过率PPGe100%100%1GoCONQoN2.除尘装置的分级捕集效率除尘装置的总除尘效率的高低，往往与粉尘粒径大小由很大关系。为了表示除尘效率与粒径间的关系，提出分级效率的概念与粒径间的关系，提出分级效率的概念di。定义：指除尘装置对某一粒径dpi或粒径间隔dp至dpi+dp内粉尘的除尘效率。Gc100%G0a.由分级效率

40、求总除尘效率tndiRdiitndiRdiiigiiR为频数分布b.若分级效率以iidp的函数形式给出，入口粒径分布以累计分布函1数(Di)或频度分布fi=fi(dp)形式给出。idDijfjddp由总效率求分级效率i1釦Gl岂1RiF2ip21RiRi111RiR2iR2RiRiGRiGG2R?iRis3g3iig3i1S2g21P巫因为g同理i邑1pf2isgpgisgpg1idpf1if1i因为g1ig3i所以i1pig2i-g3iPig2i1P-ig2iig3ig3ig3i1啦i1g3ig3ing3iPg2i门p921第六章气态污染物控制技术基础(4学时)教学重点：气体吸收、吸附和催化

41、的基本原理、工艺流程和操作条件，吸收剂、吸附剂和催化剂的选择。教学难点：气体吸收、吸附和催化的基本原理。教学要求：掌握气体吸收、吸附和催化的基本原理，吸收剂、吸附剂和催化剂的选择的原则；了解各操作单元的工艺流程和操作设备的基本计算。教学内容：6.1吸收法(1学时)吸收净化法：是利用废气中各混合组分在选定的吸收剂中溶解度不同，或者其中某一种或多种组分与吸收剂中活性组分发生化学反应，达到将有害物从废气中分离出来，净化废气的目的的一种方法。一、吸收机理吸收过程的实质是物质由气相转入液相的传质过程。可溶组分在气液两相中的浓度距离操作条件下的平衡愈远，则传质的推动力越大，传质速率也越快。关于气液两相的物

42、质传递理论，随着工业的进步和发展，目前已有许多学说，诸如“双膜理论”(又称“滞留膜理论”)，“溶质渗透理论”，“表面更新理论”等，但在解释吸收过程机理时，目前仍以双膜理论为基础，其应用也最广泛。该理论是刘易斯(WKLewis)和怀特曼(W-gWhiamar)提出的，它不仅适用于分析物理吸收过程，也可用来分析伴有化学反应的化学吸收过程。结合双膜理论示意图解释说明“双膜理论”基本论点。直线表示双膜理论模型两相中浓度分布；虚线表示扩散边界层理论模型两相中浓度分布。基本论点：在气液两相接触时，两相间有个相界面。在相界面附近两侧分别存在一层稳定的滞留膜层(不发生对流作用的膜层)一一气膜和液膜。气液两个膜

43、层分别将各项主体流与相界面隔开，滞留膜的厚度随各项主体的流速和湍流状态而变，流速愈大，膜厚度愈薄。气液相质量传递过程是：吸收质从气相主体湍流扩散气膜表面分子通过气膜扩散相界面分子铜鼓液膜扩散分子铜鼓液膜扩散液膜表面湍流扩散液相主体直至达到动态平衡为止。在界面上，气液两相呈平衡态，即液相的界面浓度和界面处的气相组成呈平衡的饱和状态，也可理解为在相界面上无扩散阻力；在两相主体中吸收质的浓度均匀不变，因而不存在传质阻力，仅在薄膜中发生浓度变化；存在分子扩散阻力，两相薄膜中的浓度差等于膜外的气液两相的平均浓度差。通过上述分析可以看出传质的推动力来自可溶组分的分压差和在溶液中该组分的浓度差，而传质阻力主

44、要来自气膜和液膜。（二）吸收传质速率方程吸收速率：气体吸收质在单位时间内通过单位界面而被吸收剂吸收的量。根据双膜理论，在稳定吸收操作中，吸收质的通量（从气相主体传递到界面）等于吸收质的通量（从界面传递到液相主体）。即：吸收速率（吸收指通过气膜）=吸收速率（吸收质通过液膜）NakGPpklCiC1吸收传质速率方程一般表达式：传质速率=传质推动力x传质系数或：传质速率=传质推动力/传质阻力，显然：传质系数=1/传质阻力由于传质推动力表示方法有多种，因而传质速率方程也有多种表示方法。（1）气相分传质速率方程分传质速率方程式：描述从一相主体流至气液两相接触表面或从两相接触表面至另一相主体流的传质方程式

45、。设组分是浓度为y的气相传递到浓度为Xa的液相中，如图9-8所示。气相液相yAiXAiAL图9-8气液两相间的传质过程图PP为相界面，0C为平衡线NakyyAyAi(7.42)NakGPAPAi(7.43)式中:Pa、a、PAi分别表示吸收质A在气相主体和相界面上的分压，Pa;yAi分别表示吸收质A在气相主体和相界面上的摩尔分率；若以PaPa或yAyAi为气相传质推动力，则气相分传质速率方程式为:G以PaPAi为推动力的气相分传质系数，Kmol/（sPa）以yAyAi为推动力的气相分传质系数，Kmol/（s）;m。kGDAGZ其中Dag吸收质A在气相中的分子扩散系数，Kmol/msKPa;Zg

46、为气液厚度，（2）液相分传质速率方程以XAiXA或QiG为液相传质推动力，则液相分传质方程：NakxXA,Xa(7.44)NAkLCAiCA(7.45)式中：XAi、Xa分别表示吸收质A在液相主体和相界面上的摩尔分率；CAi、CA分别表示吸收质A在液相主体和相界面上的摩尔浓度，Kmol/m3;2kx以XAiXA为推动力的液相分传质系数，Kmol/(ms);kl以Ca,Ca为推动力的液相分传质系数，m/s。kLDalZl其中Dal吸收质A在液相中的分子扩散系数，m2/s;Zl为液膜厚度，m。(3)总传质速率方程无论气相分传质速率方程，还是液相分传质速率方程，为计算N都必须知道kky)、kL(kx

47、)及相界面上的平衡关系。这样，这些方程式的实用价值大大减少，因此，有必要推导出总传质速率方程。以一个相的虚拟浓度与另一相中该组分平衡浓度的浓度差为总传质过程的推动力，则分别得到稳回收过程的气相和液相总传质速率方程式。气相总传质速率方程式：NakAGPaPa(7.46)NakyYay*A(7.47)液相总传质速率方程式：NakALCACa(7.48)NakxxAXA(7.49)式中：kAG以PaPa*为推动力的气相总传质系数，Kmol/(mbsPa);ky以yAyA*为推动力的气相总传质系数，Kmol/(nfs);P*与液相主体中吸收质浓度G成平衡的气相虚拟分压，Pa;yA*与液相主体中吸收质浓

48、度xa成平衡的气相虚拟分压，Pa;kAL以CA*O为推动力的液相总传质系数，m/s;kx以xa*xa为推动力的液相总传质系数，Kmol/(vas);xa*与气相中吸收质浓度yA成平衡的液相虚拟浓度;C*与气相中吸收质分压Pa成平衡的液相中吸收质的摩尔浓度，Kmol/m3。二、气液平衡1、气液相平衡关系式对于非理想溶液，当总压不高(一般不超过5x105Pa)时，温度一定，稀溶液中溶质的溶解度与气相中溶质的平衡分压成正比，即：cHp*或:xp*E或:或:y*mx2、吸收系数应注意传质系数与传质推动力相对应。对前面公式9.42,9.44,9.47和气液界面上平衡关系式yAi=mxai进行数学联解，即

49、可得到气相总传质系数与气液相传质分系数的关系式，即：其中:1mkykx(7.50)mAiXAim*xyAiy*mXAiXXAiX(7.51)同理可得液相总传质系数与气、液相传质分系数的关系式，即:11mkykx(7.52)其中：myyAiyX*yAiXAi（7.53）ymyAimAi、吸收动力学（一）物理吸收和化学吸收（1）物理吸收:较简单，可看成是单纯的物理溶解过程。如:水吸收HCLCO等。吸收限度取决于气体在液体中的平衡浓度；吸收速率主要取决于污染物从气相转入液相的扩散速度。（2）化学吸收：吸收过程中组分与吸收剂发生化学反应。如：碱液吸收CO、SO等；酸液吸收NH等。吸收限度同时取决于气液

50、平衡和液相反应的平衡条件；吸收速率同时取决于扩散速度和反应速度。（3）异同点：同：两类吸收所依据的基本原理以及所采用的吸收设备大致相同。异：一般来说，化学反应的存在能提高反应速度，并是吸收的程度更趋于完全。结合大气污染治理工程中所需净化治理的废气，具有气量大，污染物浓度低等特点，实际中多采用化学吸收法。（二）物理吸收在一般吸收操作中，应用逆流原理可提高溶剂的使用效率，获得最大的分离效果，所以在此重点讨论逆流操作的物料平衡。另外，在吸收操作中，由于在气、液两相间有物质传递，通过全塔的气液流量都在随时变化。液体因不断吸收可溶组分，其流量不断增大；与此相反，气体流量也不断减少。气液流量作为变量，以它

51、们为基准进行工艺设计是不方便的。然而纯吸收剂和惰性气体这两种载体的流量是不变的，所以在吸收设计中，通常是采用载体流量作为运算的基准，这时气液浓度就以摩尔分子比来表示。逆流吸收时，塔内气液流量和组成变化情况见右图。”代表稀端。图中各符号的意义如下:gb表示单位时间通过塔任一截面单位面积的惰性气体的量，Ls表示单位时间通过塔任一截面单位面积纯吸收剂的量，丫丫1、丫2分别为在塔的任意截面、塔底和塔顶的气相组成，性气体）；X、X、X2X、X、X22Kmol/(mh);2Kmol/(mh);(Kmol吸收质/Kmol惰（Kmol吸收质/Kmol吸对全塔进行物料衡算有:Gb丫！丫2LSX1X2(7-15)

52、分别为在塔的任意截面、塔底和塔顶的液相组成，收剂）。若就任意截面与塔底间进行物料衡算有:GbYLSX1X(7-16)(7-17)在YX图上作式（7-17）的图线为一条直线，直线斜率为L/G,截距为Y-i丄X1,G直线的两端分别反映了塔底（丫1,X1）和塔顶（YX2）的气液两相组成。此直线上任一点的丫、X都对应着吸收塔中某一截面处的气液相组成。吸收操作线斜率L/G称为吸收操作的液气比，物理含义为处理单位惰性气体所消耗的纯吸收剂的量。图吸收操作线和推动力图示（三）化学吸收化学吸收比物理吸收具有更快的吸收速率，这是因为被吸收气体组分与吸收剂或吸收剂中活性组分发生化学反应所致。化学反应降低了被吸收气体

53、组分在液相中的游离浓度，相应地增大了传质推动力和传质系数，从而加快了吸收过程的速率。每单位接触面积的气液间化学反应吸收速率方程可用下式表示：NkLCAiCAL（9.56）式中：kL未发生化学反应时液相传质分系数，亦即物理吸收的液相传质分系数，m/h;3由于化学反应使吸收速率增强的系数，简称增强系数，其单位无量纲；CAi气液界面未反应的气体溶质的浓度，Kmol/m3;Cal在液相中未反应的气体溶质的浓度，Kmol/m3,通常是假定在液相中达到化学平衡状态下求出，反应为可逆反应时，即化学平衡常数k为无穷时，其值为零。（补）增强系数：由于化学吸收增大传质推动力和传质系数，致使吸收过程的速率增强。为了

54、表明其增强的程度，引入“增强系数”的概念。所谓增强系数就是与物理吸收比较，由于化学反应而使传质系数或推动力增加的倍数。反应吸收速率增强系数是与反应级数、反应速率常数、化学平衡常数、液相中各组分的浓度、扩散系数、液相的流动状态等诸多因素相关的较为复杂的一个系数。一般通过联立方程组函数式，用分析法求解较困难，只有在具有某简单形式给出若干假定时，应用膜模型、溶质渗透膜模型和表面更新模型及其它理论才有可能求得解析解或近似解，以及应用计算机得数值求解。本书以膜模型理论进行讨论。四、吸收设备液体吸收过程是在塔器内进行的。为了强化吸收过程，降低设备的投资和运行费用，要求吸收设备满足以下基本要求：（1）气液之

55、间应有较大的接触面积和一定的接触时间；（2）气液之间扰动强烈，吸收阻力低，吸收效率高；气流通过时的压力损失小，操作稳定；（3）结构简单，制作维修方便，造价低廉；（4）应具有相应的抗腐蚀和防堵塞能力。所以，正确地选择吸收设备的型式是保证经济有效地分离或净化废气的关键。分类：目前，工业上常用的吸收设备的类型主要有表面吸收器、鼓泡式吸收器、喷洒吸收器三大类。在每一大类中还根据吸收器的结构，气液两相接触方式的不同再分成多种型式的吸收器。这将在每一大类吸收设备介绍中给预必要的阐述。1表面吸收器凡能使气液两相在接触表面（静止液面或流动的液膜表面）上进行吸收操作的设备均属表面吸收器。有水平液面的表面吸收器、

56、液膜吸收器、填料吸收器和机械膜式吸收器。2鼓泡式吸收器鼓泡式吸收器中气体以气泡形式分散于液体吸收剂中。形式很多，基本上分为以下几类：连续鼓泡式吸收器、板式吸收器、活动（浮动）填料吸收器（湍球塔）、液体机械搅拌吸收器。主要吸收设备有板式塔（如泡罩塔、筛板塔、浮阀塔等），湍球塔（即活动填料塔）等。3喷洒吸收器该吸收器中液体以液滴形式分散于气体中。分为三类：空心（喷嘴式）喷洒吸收器、高器速并流喷洒吸收器、机械喷洒吸收器。主要吸收设备有喷洒吸收塔、喷射吸收塔和文丘里吸收塔等。6.2吸附法（2学时）吸附过程，吸附理论，吸附剂，吸附设备及其计算方法。6.3催化法（1学时）催化剂，催化作用原理，反应的物化过

57、程及动力学，气固催化反应设备等。第七章气态污染物控制技术基础吸收1.传质吸收过程的判断亨利定律是吸收工艺操作的理论基础之一，它说明了根据溶质、溶剂的性质在一定温度和压力下，溶质在两相平衡中的关系。（1）根据相平衡的概述，可以判断气液接触时溶质的传质方向，即溶质是由气相传到液相（被吸收），还是从液相传到气相（被解吸）。现以一传质设备来说明传质过程的进行。yi、y2分别表示进、出口气相中溶质的浓度；Xi、X2分别表示进、出口液相中溶质的浓度；X2*、y2*分别表示进、出口气、液相中溶质的平衡浓度。%排气y2、y2*排液X2、X2*排液X2、X2*传质设备气液两相在传质设备中相接触，就会发生质量传递

58、，系统将会自发地向平衡状态变化。若测得yyi*，则该组分将被溶液吸收一一吸收过程；若测得yyi*，则该组分将从溶液中解吸出来一一脱吸过程。同理：XXi*脱吸过程。（2）用相平衡方程式还能确定吸收（或解吸）过程进行的限度，从而提出合理的工艺设计要求。仍结合上面传质设备示意图，根据相平衡方程式有：X2*=yi/my2*=mxi因此可以判定无论塔的效率多高或塔身多长，其所得吸收液中该组分的组成X2不可能超过X2*，即：X2y2*=mxi，这样就可以依据进气浓度（组成）和进液浓度（组成）利用相平衡方程式计算出最终吸收浓度和最终排放废气的极限浓度。化学吸收的气液平衡亨利定律只适用于常压或低压下的稀溶液，

59、而且吸收质（被吸收组分）在气相与溶剂中的分子状态应相同，若被溶解的气体分子在溶液中发生化学反应，则此时亨利定律只适用于溶液中发生化学反应的那部分吸收质分子的浓度，而该浓度决定于液相化学反应的平衡条件。气体溶于液体中，若发生化学反应，则被吸收组分的气液平衡关系应既服从相平衡关系，又应服从化学平衡关系。即有：CaA物理平衡A化学平衡（1）为讨论方便，设备吸收组分A与溶液中所含的组分B发生相互反应：（通式）aAgaA|bBcCdD有关系式（前提：被吸收组分浓度及各反应组分浓度较低）亨利定律关系式:亨利定律关系式:HaPa化学平衡关系式:cdCD.abABcdCDbk（4）代入（2）得:DdPaHaC

60、Bbk(2)(3)(4)(5)下面从几种具体的情况来讨论化学吸收的气液平衡关系:1.被吸收组分与溶剂的相互作用Ag反应式表示为:kAlBMl被吸收组分A进入液相后的总浓度CAAMCAAM(7-1)其化学平衡常数MCA(7-2)(7-3)于是有:又若是稀溶液吸收，则遵循亨利定律，即有A=HaFA*，代入（9-3）,于是有:Pa(7-4)在稀溶液中，B很大可视为常数，且k不随浓度变化，故1+kB可视为常数,H/1.HaA的吸收。pACa，即形式上服从亨利定律，但不同的是HaHa1kB此时,表明溶解度系数较H增大了（1+kB）倍，结果使过程有利于气体组分有代表性的：用水吸收氨气2.被吸收组分在溶液中