大气污染控制工程郝吉明第三版课后答案郝吉明.doc 50页

'大气污染控制工程课后答案（第三版）主编：郝吉明马广大王书肖目录第一章概论第二章燃烧与大气污染第三章大气污染气象学第四章大气扩散浓度估算模式第五章颗粒污染物控制技术基础第六章除尘装置第七章气态污染物控制技术基础第八章硫氧化物的污染控制第九章固定源氮氧化物污染控制第十章挥发性有机物污染控制第十一章城市机动车污染控制 第一章概论1.1干结空气中N2、O2、Ar和CO2气体所占的质量百分数是多少？解：按1mol干空气计算，空气中各组分摩尔比即体积比，故nN2=0.781mol，nO2=0.209mol，nAr=0.00934mol，nCO2=0.00033mol。质量百分数为，；，。1.2根据我国的《环境空气质量标准》的二级标准，求出SO2、NO2、CO三种污染物日平均浓度限值的体积分数。解：由我国《环境空气质量标准》二级标准查得三种污染物日平均浓度限值如下：SO2：0.15mg/m3，NO2：0.12mg/m3，CO：4.00mg/m3。按标准状态下1m3干空气计算，其摩尔数为。故三种污染物体积百分数分别为：SO2：，NO2：CO：。1.3CCl4气体与空气混合成体积分数为1.50×10－4的混合气体，在管道中流动的流量为10m3N、/s，试确定：1）CCl4在混合气体中的质量浓度（g/m3N）和摩尔浓度c（mol/m3N）；2）每天流经管道的CCl4质量是多少千克？解：1）（g/m3N）c（mol/m3N）。2）每天流经管道的CCl4质量为1.031×10×3600×24×10－3kg=891kg1.4成人每次吸入的空气量平均为500cm3，假若每分钟呼吸15次，空气中颗粒物的浓度为200/m3，试计算每小时沉积于肺泡内的颗粒物质量。已知该颗粒物在肺泡中的沉降系数为0.12。解：每小时沉积量200×（500×15×60×10－6）×0.12=10.81.5设人体肺中的气体含CO为2.2×10－4，平均含氧量为19.5%。如果这种浓度保持不变，求COHb浓度最终将达到饱和水平的百分率。解：由《大气污染控制工程》P14（1－1），取M=210，COHb饱和度1.6 设人体内有4800mL血液，每100mL血液中含20mL氧。从事重体力劳动的人的呼吸量为4.2L/min，受污染空气中所含CO的浓度为10－4。如果血液中CO水平最初为：1）0%；2）2%，计算血液达到7%的CO饱和度需要多少分钟。设吸入肺中的CO全被血液吸收。解：含氧总量为。不同CO百分含量对应CO的量为：2%：，7%：1）最初CO水平为0%时；2）最初CO水平为2%时1.7粉尘密度1400kg/m3，平均粒径1.4，在大气中的浓度为0.2mg/m3，对光的折射率为2.2，计算大气的最大能见度。解：由《大气污染控制工程》P18（1－2），最大能见度为。 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）C85571.2571.25H113－2.555.2527.625S100.31250.3125H2O22.51.250N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，H2O55.25+1.25=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=11.27m3N/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=12.33m3N/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C65.75.4751H3.23.20.584S1.70.0530.010O2.30.0720.013灰分18.13.306g/mol碳水分9.01.644g/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/m33）需石灰石/t煤2.3煤的元素分析结果如下S0.6%；H3.7%；C79.5%；N0.9%；O4.7%；灰分10.6%。在空气过剩20%条件下完全燃烧。计算烟气中SO2的浓度。解：按燃烧1kg煤计算重量（g）摩尔数（mol）需氧数（mol）C79566.2566.25H31.12515.56257.78S60.18750.1875H2O52.8752.940设干空气中N2：O2体积比为3.78：1，所需理论空气量为4.78×（66.25+7.78+0.1875）=354.76mol/kg煤。理论烟气量CO266.25mol，SO20.1875mol，H2O15.5625+2.94=18.50molN2总计66.25+`8.50+0.1875+280.54=365.48mol/kg煤实际烟气量365.48+0.2×354.76=436.43mol/kg煤，SO2浓度为。2.4某锅炉燃用煤气的成分如下：H2S0.2%；CO25%；O20.2%；CO28.5%；H213.0%；CH40.7%；N252.4%；空气含湿量为12g/m3N，，试求实际需要的空气量和燃烧时产生的实际烟气量。解：取1mol煤气计算H2S0.002mol耗氧量0.003molCO20.05mol0CO0.285mol0.143molH2（0.13-0.004）mol0.063molCH40.007mol0.014mol共需O20.003+0.143+0.063+0.014=0.223mol。设干空气中N2：O2体积比为3.78：1，则理论干空气量为0.223×（3.78+1）=1.066mol。取，则实际干空气1.2×1.066mol=1.279mol。空气含湿量为12g/m3N，即含H2O0.67mol/m3N，14.94L/m3N。故H2O体积分数为1.493%。故实际空气量为。烟气量SO2：0.002mol，CO2：0.285+0.007+0.05=0.342mol，N2：0.223× 3.78+0.524=1.367mol，H2O0.002+0.126+0.014+1.298×1.493%+0.004=0.201mol故实际烟气量0.002+0.342+1.367+0.201+0.2×1.066=2.125mol2.5干烟道气的组成为：CO211%（体积），O28%，CO2%，SO2120×10－6（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。解：1）N2%=1－11%－8%－2%－0.012%=78.99%由《大气污染控制工程》P46（2－11）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SO2120×10－6m3，排放浓度为。3）。4）。2.6煤炭的元素分析按重量百分比表示，结果如下：氢5.0%；碳75.8%；氮1.5%；硫1.6%；氧7.4%；灰8.7%，燃烧条件为空气过量20%，空气的湿度为0.0116molH2O/mol干空气，并假定完全燃烧，试计算烟气的组成。解：按1kg煤进行计算重量（g）摩尔数（mol）需氧数（mol）C75863.1763.17H40.7520.37510.19S160.50.5H2O83.254.6250需氧63.17+10.19+0.5=73.86mol设干空气中N2：O2体积比为3.78：1，则干空气量为73.86×4.78×1.2=423.66mol，含水423.66×0.0116=4.91mol。烟气中：CO263.17mol；SO20.5mol；H2O4.91+4.625+20.375=29.91mol；N2：73.86×3.78=279.19mol；过剩干空气0.2×73.86×4.78=70.61mol。实际烟气量为63.17+0.5+29.91+279.19+70.61=443.38mol其中CO2；SO2；H2O；N2。 O2。2.7运用教材图2－7和上题的计算结果，估算煤烟气的酸露点。解：SO2含量为0.11%，估计约1/60的SO2转化为SO3，则SO3含量，即PH2SO4=1.83×10－5，lgPH2SO4=-4.737。查图2－7得煤烟气酸露点约为134摄氏度。2.8燃料油的重量组成为：C86%，H14%。在干空气下燃烧，烟气分析结果（基于干烟气）为：O21.5%；CO600×10－6（体积分数）。试计算燃烧过程的空气过剩系数。解：以1kg油燃烧计算，C860g71.67mol；H140g70mol，耗氧35mol。设生成COxmol，耗氧0.5xmol，则生成CO2（71.67－x）mol，耗氧（71.67－x）mol。烟气中O2量。总氧量，干空气中N2：O2体积比为3.78：1，则含N23.78×（106.67+24.5x）。根据干烟气量可列出如下方程：，解得x=0.306故CO2%：；N2%：由《大气污染控制工程》P46（2－11）空气过剩系数 第三章大气污染气象学3.1一登山运动员在山脚处测得气压为1000hPa，登山到达某高度后又测得气压为500hPa，试问登山运动员从山脚向上爬了多少米？解：由气体静力学方程式，大气中气压随高度的变化可用下式描述：（1）将空气视为理想气体，即有可写为（2）将（2）式带入（1），并整理，得到以下方程：假定在一定范围内温度T的变化很小，可以忽略。对上式进行积分得：即（3）假设山脚下的气温为10。C，带入（3）式得：得即登山运动员从山脚向上爬了约5.7km。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/m1.5103050气温T/K298297.8297.5297.3解：，不稳定，不稳定，不稳定，不稳定，不稳定。3.3在气压为400hPa处，气块温度为230K。若气块绝热下降到气压为600hPa处，气块温度变为多少？解：， 3.4试用下列实测数据计算这一层大气的幂指数m值。高度Z/m1020304050风速u/m.s－13.03.53.94.24.5解：由《大气污染控制工程》P80（3－23），，取对数得设，，由实测数据得x0.3010.4770.6020.699y0.06690.11390.14610.1761由excel进行直线拟合，取截距为0，直线方程为：y=0.2442x故m＝0.2442。3.5某市郊区地面10m高处的风速为2m/s，估算50m、100m、200m、300m、400m高度处在稳定度为B、D、F时的风速，并以高度为纵坐标，风速为横坐标作出风速廓线图。解：，，。稳定度D，m=0.15，，。稳定度F，m=0.25，， 风速廓线图略。3.6一个在30m高度释放的探空气球，释放时记录的温度为11.0。C，气压为1023hPa。释放后陆续发回相应的气温和气压记录如下表所给。1）估算每一组数据发出的高度；2）以高度为纵坐标，以气温为横坐标，作出气温廓线图；3）判断各层大气的稳定情况。测定位置2345678910气温/。C9.812.014.015.013.013.012.61.60.8气压/hPa10121000988969909878850725700解：1）根据《AirPollutionControlEngineering》可得高度与压强的关系为将g=9.81m/s2、M=0.029kg、R=8.31J/(mol.K)代入上式得。当t=11.0。C，气压为1023hPa；当t=9.8。C，气压为1012hPa，故P=（1023+1012）/2=1018Pa，T=（11.0+9.8）/2=10.4。C=283.4K，dP=1012-1023=－11Pa。因此，z=119m。同理可计算其他测定位置高度，结果列表如下：测定位置2345678910气温/。C9.812.014.015.013.013.012.61.60.8气压/hPa10121000988969909878850725700高度差/m89991011635362902711299281高度/m119218319482101813071578287731582）图略3），不稳定；，逆温；，逆温；，逆温；，稳定； ，稳定；，稳定；，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123456地面温度/。C21.121.115.625.030.025.0高度/m4587635802000500700相应温度/。C26.715.68.95.020.028.0解：，故，逆温；，故，稳定；，故，不稳定；，故，不稳定；，故，不稳定；，故逆温。3.8确定题3.7中所给的每种条件下的位温梯度。解：以第一组数据为例进行计算：假设地面大气压强为1013hPa，则由习题3.1推导得到的公式，代入已知数据（温度T取两高度处的平均值）即，由此解得P2=961hPa。由《大气污染控制工程》P72（3－15）可分别计算地面处位温和给定高度处位温： ，，故位温梯度=同理可计算得到其他数据的位温梯度，结果列表如下：测定编号123456地面温度/。C21.121.115.625.030.025.0高度/m4587635802000500700相应温度/。C26.715.68.95.020.028.0位温梯度/K/100m2.220.27－0.17－0.02－1.021.423.9假如题3.7中各种高度处的气压相应为970、925、935、820、950、930hPa，确定地面上的位温。解：以第一组数据为例进行计算，由习题3.1推导得到的公式，设地面压强为P1，代入数据得到：，解得P1=1023hPa。因此同理可计算得到其他数据的地面位温，结果列表如下：测定编号123456地面温度/。C21.121.115.625.030.025.0高度/m4587635802000500700相应温度/。C26.715.68.95.020.028.0地面压强/hPa102310121002104010061007地面位温/。C292.2293.1288.4294.7302.5297.4 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4.4解：阴天稳定度等级为D级，利用《大气污染控制工程》P95表4－4查得x=500m时。将数据代入式4－8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。解：阴天稳定度等级为D级，利用《大气污染控制工程》P95表4－4查得x=500m时。将数据代入式4－8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。 4.6地面源正下风方向一点上，测得3分钟平均浓度为3.4×10－3g/m3，试估计该点两小时的平均浓度是多少？假设大气稳定度为B级。解：由《大气污染控制工程》P98（4－31）（当，q=0.3）4.7一条燃烧着的农业荒地可看作有限长线源，其长为150m，据估计有机物的总排放量为90g/s。当时风速为3m/s，风向垂直于该线源。试确定线源中心的下风距离400m处，风吹3到15分钟时有机物的浓度。假设当时是晴朗的秋天下午4：00。试问正对该线源的一个端点的下风浓度是多少？解：有限长线源。首先判断大气稳定度，确定扩散参数。中纬度地区晴朗秋天下午4：00，太阳高度角30～35。左右，属于弱太阳辐射；查表4-3，当风速等于3m/s时，稳定度等级为C，则400m处。其次判断3分钟时污染物是否到达受体点。因为测量时间小于0.5h，所以不必考虑采样时间对扩散参数的影响。3分钟时，污染物到达的距离，说明已经到达受体点。有限长线源距离线源下风向4m处，P1=－75/43.3=－1.732，P2=75/43.3=1.732；。代入上式得。端点下风向P1=0，P2=150/43.3=3.46，代入上式得4.8某市在环境质量评价中，划分面源单元为1000m×1000m，其中一个单元的SO2排放量为10g/s，当时的风速为3m/s，风向为南风。平均有效源高为15m。试用虚拟点源的面源扩散模式计算这一单元北面的邻近单元中心处SO2的地面浓度。解：设大气稳定度为C级，。当x=1.0km，。由《大气污染控制工程》P106（4－49） 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。解：设大气稳定度为C级。当x=2km时，xD2xD时，，计算结果表明，在xD<=x<=2xD范围内，浓度随距离增大而升高。4.10某硫酸厂尾气烟囱高50m，SO2排放量为100g/s。夜间和上午地面风速为3m/s，夜间云量为3/10。当烟流全部发生熏烟现象时，确定下风方向12km处SO2的地面浓度。由所给气象条件应取稳定度为E级。查表4－4得x=12km处，。，。4.11某污染源SO2排放量为80g/s，烟气流量为265m3/s，烟气温度为418K，大气温度为293K。这一地区的SO2本底浓度为0.05mg/m3，设，，m=0.25，试按《环境空气质量标准》的二级标准来设计烟囱的高度和出口直径。解：按《大气污染控制工程》P91（4－23）由P80（3－23） 按城市及近郊区条件，参考表4－2，取n=1.303，n1=1/3，n2=2/3，代入P91（4－22）得。《环境空气质量标准》的二级标准限值为0.06mg/m3（年均），代入P109（4－62）＝解得于是Hs>=162m。实际烟囱高度可取为170m。烟囱出口烟气流速不应低于该高度处平均风速的1.5倍，即uv>=1.5×1.687×1700.25=9.14m/s。但为保证烟气顺利抬升，出口流速应在20~30m/s。取uv=20m/s，则有，实际直径可取为4.0m。4.12试证明高架连续点源在出现地面最大浓度的距离上，烟流中心线上的浓度与地面浓度之比值等于1.38。解：高架连续点源出现浓度最大距离处，烟流中心线的浓度按P88（4－7）（由P89（4－11））而地面轴线浓度。因此，得证。 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/0～1010～2020～40>40质量频率g/%36.919.118.026.0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。5.2根据下列四种污染源排放的烟尘的对数正态分布数据，在对数概率坐标纸上绘出它们的筛下累积频率曲线。污染源质量中位直径集合标准差平炉0.362.14飞灰6.84.54水泥窑16.52.35化铁炉60.017.65解：绘图略。5.3已知某粉尘粒径分布数据（见下表），1）判断该粉尘的粒径分布是否符合对数正态分布；2）如果符合，求其几何标准差、质量中位直径、个数中位直径、算数平均直径及表面积－体积平均直径。粉尘粒径/0～22～44～66～1010～2020～40>40浓度/0.812.2255676273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，读出质量中位直径d50（MMD）=10.3、d84.1=19.1、d15。9=5.6。。按《大气污染控制工程》P129（5－24）；P129（5－26）；P129（5－29）。5.4对于题5.3中的粉尘，已知真密度为1900kg/m3，填充空隙率0.7，试确定其比表面积（分别以质量、净体积和堆积体积表示）。解：《大气污染控制工程》P135（5－39）按质量表示 P135（5－38）按净体积表示P135（5－40）按堆积体积表示。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12000m3N/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）5.6对于题5.5中给出的条件，已知旋风除尘器进口面积为0.24m2，除尘器阻力系数为9.8，进口气流温度为423K，气体静压为－490Pa，试确定该处尘器运行时的压力损失（假定气体成分接近空气）。解：由气体方程得按《大气污染控制工程》P142（5－45）。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/<0.60.6~0.70.7~0.80.8~1.01~22~33~4质量频率进口g12.00.40.40.73.56.024.0 /%出口g27.01.02.03.014.016.029.0粉尘间隔/4~55~66~88~1010~1220~30质量频率/%进口g113.02.02.03.011.08.0出口g26.02.02.02.58.57.0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/<0.60.6~0.70.7~0.80.8~1.01~22~33~4质量频率/%进口g12.00.40.40.73.56.024.0出口g27.01.02.03.014.016.029.093959091.49294.797.6粉尘间隔/4~55~66~88~1010~1220~30其他质量频率/%进口g113.02.02.03.011.08.024.0出口g26.02.02.02.58.57.0099.1989898.398.598.2100据此可作出分级效率曲线。5.9某种粉尘的粒径分布和分级除尘效率数据如下，试确定总除尘效率。平均粒径/0.251.02.03.04.05.06.07.08.010.014.020.0>23.5质量频率/%0.10.49.520.020.015.011.08.55.55.54.00.80.2分级效率/%83047.56068.575818689.5959899100解：按《大气污染控制工程》P144（5－54）。5.10计算粒径不同的三种飞灰颗粒在空气中的重力沉降速度，以及每种颗粒在30秒钟内的沉降高度。假定飞灰颗粒为球形，颗粒直径分别为为0.4、40、4000，空气温度为387.5K，压力为101325Pa，飞灰真密度为2310kg/m3。解：当空气温度为387.5K时。当dp=0.4时，应处在Stokes区域。首先进行坎宁汉修正：，，。则，。 当dp=4000时，应处于牛顿区，。，假设成立。当dp=0.4时，忽略坎宁汉修正，。经验证Rep<1，符合Stokes公式。考虑到颗粒在下降过程中速度在很短时间内就十分接近us，因此计算沉降高度时可近似按us计算。dp=0.4h=1.41×10－5×30=4.23×10－4m；dp=40h=0.088×30=2.64m；dp=4000h=17.35×30=520.5m。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。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）。5.13欲使空气泡通过浓盐酸溶液（密度为1.64g/m3，粘度1×10－4Pa.s），以达到干燥的目的。盐酸装在直径为10cm、高12m的圆管内，其深度为22cm，盐酸上方的空气处于298K和101325Pa状态下。若空气的体积流量为127L/min，试计算气流能够夹带的盐酸雾滴的最大直径。解：圆管面积。据此可求出空气与盐酸雾滴相对速度 。考虑利用过渡区公式：代入相关参数及us=0.27m/s可解得dp=66。，符合过渡区条件。故能被空气夹带的雾滴最大直径为66。5.14试确定某水泥粉尘排放源下风向无水泥沉降的最大距离。水泥粉尘是从离地面4.5m高处的旋风除尘器出口垂直排出的，水泥粒径范围为25～500，真密度为1960kg/m3，风速为1.4m/s，气温293K，气压为101325Pa。解：粒径为25，应处于Stokes区域，考虑忽略坎宁汉修正：。竖直方向上颗粒物运动近似按匀速考虑，则下落时间，因此L=v.t=1.4×122m=171m。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。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=1307>500，假设成立。 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。6.2直径为1.09的单分散相气溶胶通过一重力沉降室，该沉降室宽20cm，长50cm，共18层，层间距0.124cm，气体流速是8.61L/min，并观测到其操作效率为64.9%。问需要设置多少层可能得到80%的操作效率。解：按层流考虑，根据《大气污染控制工程》P163（6－5），因此需要设置23层。6.3有一沉降室长7.0m，高12m，气速30cm/s，空气温度300K，尘粒密度2.5g/cm3，空气粘度0.067kg/(kg.h)，求该沉降室能100%捕集的最小粒径。解：，符合层流区假设。6.4气溶胶含有粒径为0.63和0.83的粒子（质量分数相等），以3.61L/min的流量通过多层沉降室。给出下列数据，运用斯托克斯定律和坎宁汉校正系数计算沉降效率。L=50cm，，W=20cm，h=0.129cm，，n=19层。解：设空气温度为298K，首先进行坎宁汉修正：，，。故 。用同样方法计算可得0.83粒子的分级效率为0.864。因此总效率6.5试确定旋风除尘器的分割直径和总效率，给定粉尘的粒径分如下：平均粒径范围/0~11~55~1010~2020~3030~4040~5050~60>60质量百分数/%32015201610637已知气体粘度为2×10－5，颗粒比重为2.9，旋风除尘器气体入口速度为15m/s，气体在旋风除尘器内的有效旋转圈数为5次；旋风除尘器直径为3m，入口宽度76cm。解：按《AirPollutionControlEngineering》公式。令=50%，N=5，Vc=15m/s，=2.9×103kg/m3，W=0.76m，，代入上式得dc=11.78。利用《大气污染控制工程》P170（6－18）计算各粒径粉尘分级效率，由此得总效率6.6某旋风除尘器处理含有4.58g/m3灰尘的气流（），其除尘总效率为90%。粉尘分析试验得到下列结果。粒径范围/捕集粉尘的质量百分数/%逸出粉尘的质量百分数/%0~50.576.05~101.412.910~151.94.515~202.12.120~252.11.525~302.00.730~352.00.535~402.00.440~452.00.3>4584.01.11）作出分级效率曲线；2）确定分割粒径。解：根据《大气污染控制工程》P144（5－53）（P=0.1）计算分级效率，结果如下表所示：粉尘间隔/0~55~1010~1515~2020~2525~3030~3535~4040~45>45 质量频率/%捕集g30.51.41.92.12.12.02.02.02.084.0出口g276.012.94.52.11.50.70.50.40.31.15.5949.4179.1790.0092.6596.2697.3097.8398.3699.85据此可作出分级效率曲线。由上表可见，5～10去除效率为49.41。因此在工程误差允许范围内，dc=7.5。6.7某旋风除尘器的阻力系数为9.9，进口速度15m/s，试计算标准状态下的压力损失。解：据《大气污染控制工程》P169（6－13）。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。解：根据《AirPollutionControlEngineering》P258公式。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；H＝2Wi=1.1cm。气体流量Q=A.V=H.W.Vc=1.21×10－3m3/s6.9含尘气流用旋风除尘器净化，含尘粒子的粒径分布可用对数正态分布函数表示，且Dm=20，。在实际操作条件下该旋风除尘器的分割直径为5，试基于颗粒质量浓度计算该除尘器的总除尘效率。解：按《大气污染控制工程》P170（6－18）；。dg=20，，代入上式，利用Matlab积分可得。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P188（6－34）。6.11利用一高压电除尘器捕集烟气中的粉尘，已知该电除尘器由四块集尘板组成，板高和板长均为366cm，板间距24.4cm，烟气体积流量2m3/s；操作压力为1atm，设粉尘粒子的驱进速度为12.2cm/s。试确定：1）当烟气的流速均匀分布时的除尘效率；2）当供入某一通道的烟气为烟气总量的50%，而其他两个各供入25%时的除尘效率（参考图6－27）。解：1）Q’=2/3=0.667m3/s，S=3.662=13.4m2，。2），查图6－27得Fv=1.75故。6.12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/%0~2020~4040~6060~8080~100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。解：1）由题意dp=3.5，dp=8.0，dp=13.0，故2），则=0.42g/m3>0.1g/m3。不满足环保规定和使用者需要。 6.13某板式电除尘器的平均电场强度为3.4kV/cm，烟气温度为423K，电场中离子浓度为108个/m3，离子质量为5×10－26kg，粉尘在电场中的停留时间为5s。试计算：1）粒径为5的粉尘的饱和电荷值；2）粒径为0.2的粉尘的荷电量；3）计算上述两种粒径粉尘的驱进速度。假定：1）烟气性质近似于空气；2）粉尘的相对介电系数为1.5。解：1）由《大气污染控制工程》P183（6－31）电场荷电为扩散荷电按P184（6－32）计算，与电场荷电相比很小，可忽略。因此饱和电荷值3.04×10－16C。2）电场荷电为扩散荷电与电场荷电相比很小，可忽略，故粉尘荷电量4.86×10－19C。3）取dp=5时，；dp=0.2时，。6.14图6－49汇总了燃煤电厂用电除尘器的捕集性能。对于煤的含硫量为1%、除尘效率为99.5%的情况，试计算有效驱进速度we。 解：查图得集气板面积约1000m3.（1000m3/min）－1。根据，0.995=1－exp（－wi）解得wi=5.30m/min。6.15电除尘器的集尘效率为95%，某工程师推荐使用一种添加剂以降低集尘器上粉尘层的比电阻，预期可使电除尘器的有效驱进速度提高一倍。若工程师的推荐成立，试求使用该添加剂后电除尘器的集尘效率。解：，故，因此。6.16烟气中含有三种粒径的粒子：10、7和3，每种粒径粒子的质量浓度均占总浓度的1/3。假定粒子在电除尘器内的驱进速度正比于粒径，电除尘器的总除尘效率为95%，试求这三种粒径粒子的分级除尘效率。解：设3种粒子的分级效率分别为、、，则因此，，。6.17对于粉尘颗粒在液滴上的捕集，一个近似的表达式为。其中M是碰撞数的平方根，R=dp/dD，对于密度为2g/cm3的粉尘，相对于液滴运动的初速度为30m/s，流体温度为297K，试计算粒径为1）10；2）50的粉尘在直径为50、100、500的液滴上的捕集效率。解：1）粉尘粒径dp=10当液滴直径为50时，R=0.2；碰撞数，。由给出计算公式可得同理可得液滴直径为100、500时捕集效率为42.6％、10.1%。2）dp=50用同样方法计算可得颗粒在直径为50、100、500的液滴上捕集效率分别为0、10.2%、25.0％。6.18一个文丘里洗涤器用来净化含尘气体。操作条件如下：L=1.36L/m3，喉管气速为83m/s，粉尘密度为0.7g/cm3方程，烟气粘度为2.23×10－5Pa.s，取校正系数0.2，忽略Cc，计算除尘器效率。烟气中粉尘的粒度分布如下：粒径/质量百分数/%<0.10.010.1~0.50.210.5~1.00.781.0~5.013.0 5.0~10.016.010.0~15.012.015.0~20.08.0>20.050.0解：按《大气污染控制工程》P211（6－53）由（6－55）粒径小于0.1所占质量百分比太小，可忽略；粒径大于20.0，除尘效率约为1；因此故。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1.845×10－5Pa.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。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。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）。6.21直径为2mm的雨滴以其终末沉降速度穿过300m厚的大气近地层，大气中含有粒径为3的球形颗粒，颗粒的质量浓度为80。1）每个雨滴下降过程中可以捕集多少颗粒？2）由于捕集这些颗粒，雨滴的质量增加了百分之几？解：由《AirPollutionControlEngineering》P3009.48式。通过P293Figure9.18读取。取，雨滴Db=2mm，处于牛顿区，利用《大气污染控制工程》P150（5－83）。因此，。从Figure9.18读出=0.11（Cylinder）。故M=。而液滴本身。故质量增加了1.98×10－4%。6.22以2.5mm/h的速率发生了大面积降雨，雨滴的平均直径为2mm，其捕集空气中的悬浮颗粒物的效率为0.1，若净化空气中90％的悬浮颗粒物，这场雨至少要持续多长时间？解：由《AirPollutionControlEngineering》公式。代入已知数据，即需持续半天左右的时间。6.23安装一个滤袋室处理被污染的气体，试估算某些布袋破裂时粉尘的出口浓度。已知系统的操作条件：1atm，288K，进口处浓度9.15g/m3，布袋破裂前的出口浓度0.0458g/m3，被污染气体的体积流量14158m3/h，布袋室数为6，每室中的布袋数100，布袋直径15cm，系统的压降1500Pa，破裂的布袋数为2。解：设破裂2个布袋后气体流量分配不变，近似求得出口浓度如下：。因此。6.24某袋式除尘器在恒定的气流速度下运行30min。此期间处理烟气70.8m3，系统的最初和最终的压降分别为40Pa和400Pa，假如在最终压力下过滤器再操作1小时，计算另外的气体处理量。解：设恒定速度v1，则，。 若在400Pa压降下继续，则解此微分方程得Q2=90.1m3。6.25利用清洁滤袋进行一次实验，以测定粉尘的渗透率，气流通过清洁滤袋的压力损失为250Pa，300K的气体以1.8m/min的流速通过滤袋，滤饼密度1.2g/cm3，总压力损失与沉积粉尘质量的关系如下。试确定粉尘的渗透率（以m2表示），假如滤袋面积为100.0cm2。61266677490099010621152M/kg0.0020.0040.0100.020.0280.0340.042解：当T=300K时，，v=1.8m/min=0.03m/s。，。利用所给数据进行线性拟和，，即，Kp=3.53×10－12m2。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。6.27据报道美国原子能委员会曾运用2m深的沙滤床捕集细粒子，卡尔弗特建议用下式估算细粒子的穿透率。。其中：Z=在气流方向上床的长度；vs=气体的表面流速；Dpa=细粒子的空气动力学直径；沙滤床的孔隙率；Dc=沙滤床的沙粒的直径；气体的粘度。1）若dpa=0.5，Dc=1.0mm，vs=6cm/s，0.3，试估算沙滤床的捕集效率；2）欲获得99.9%以上的捕集效率，床的厚度至少应多厚？3）推导该效率方程式。解：1）将已知数据代入所给公式，2）由可得z>=3.23m。3）由《AirPollutionControlEngineering》公式，穿透率取Wi=0.25Dc，而N=0.5Z/Dc，Vc=Vs/，，代入上式（近似取）6.28图6－50表明滤料的粉尘负荷和表面过滤气速对过滤效率的影响。当粉尘负荷为140g/m2时，试求： 1）对于图中显示的四种过滤气速，分别求相应的过滤效率；2）假定滤饼的孔隙滤为0.3，颗粒的真密度为2.0g/cm3，试求滤饼的厚度；3）当烟气中含尘初始浓度为0.8g/m3时，对于图中最低部的曲线，至少应操作多长时间才能达到上述过滤效率？解：1）过滤气速为3.35m/min效率过滤气速为1.52m/min效率过滤气速为0.61m/min效率过滤气速为0.39m/min效率2）由2.0×（1－0.3）xp=140×10－4，xp=0.01cm；3）由（0.8－0.0006）×0.39t=140，t=449min=7.5h。 第七章气态污染物控制技术基础7.1某混合气体中含有2%（体积）CO2，其余为空气。混合气体的温度为30。C，总压强为500kPa。从手册中查得30。C时在水中的亨利系数E=1.88×10－5kPa，试求溶解度系数H及相平衡常数m，并计算每100g与该气体相平衡的水中溶有多少gCO2。解：由亨利定律P*=Ex，500×2%=1.88×105x，x=5.32×10－5。由y*=mx，m=y*/x=0.02/5.32×10－5=376。因x=5.32×10－5很小，故CCO2=2.96mol/m3。100g与气体平衡的水中约含44×100×5.32×10－5/18=0.013g。7.220。C时O2溶解于水的亨利系数为40100atm，试计算平衡时水中氧的含量。解：在1atm下O2在空气中含量约0.21。0.21=4.01×104x解得O2在水中摩尔分数为x=5.24×10－6。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=108h－1，kAga=216mol/m3.h.atm，DAl=5.4×10－6m2/h，DBl=3.6×10－6m2/h。试求单位时间的吸收速度。解：20》C时H2SE=0.489×105kPa，分压20atm×0.1%=2.03kPa。P*=Ex，x=P*/E=4.15×10－5，故C*H2S=2.31mol/m3。H=C/P*=2.3/（2.03×103）=1.14×10－3mol/（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。解：GB=5000×0.95=4750m3N/h。Y1=0.053，；。因此用水量Ls=25.4GB×1.5=1.81×105m3N/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。解：GB=10×0.89=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=1.53×1.75×8.9=23.8m3/min。图解法可解得传质单元数为3.1。。Hy=2.39×3.1=7.4m。7.6某活性炭填充固定吸附床层的活性炭颗粒直径为3mm，把浓度为0.15kg/m3的CCl4蒸汽通入床层，气体速度为5m/min，在气流通过220min后，吸附质达到床层0.1m处；505min后达到0.2m处。设床层高1m，计算吸附床最长能够操作多少分钟，而CCl4蒸汽不会逸出？解：利用公式，将已知数据代入，解得因此。7.7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。解：，。7.8在温度为323K时，测得CO2在活性炭上吸附的实验数据如下，试确定在此条件下弗罗德里希和朗格谬尔方程的诸常数。单位吸附剂吸附的CO2体积（cm3/g）气相中CO2的分压（atm）3015126738149351046解：XTcm3/gPatmlgXTlgPP/V3011.47700.0335121.7080.3010.0396731.8260.4770.0458141.9090.6020.0499351.9690.6990.05410462.0170.7780.058 依据公式，对lgXT~lgP进行直线拟合：，即K=30，n=1.43；依据公式，对P~P/V进行直线拟合：，即Vm=200，B=0.173。7.9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，1.38×105Pa，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。解：三氯乙烯的吸收量V=2.54×104×0.02×99.5%=505.46m3/h，M=131.5。由理想气体方程得因此活性炭用量；体积。7.10尾气中苯蒸汽的浓度为0.025kg/kg干空气，欲在298K和2atm条件下采用硅胶吸附净化。固定床保护作用时间至少要90min。设穿透点时苯的浓度为0.0025kg/kg干空气，当固定床出口尾气中苯浓度达0.020kg/kg干空气时即认为床层已耗竭。尾气通过床层的速度为1m/s（基于床的整个横截面积），试决定所需要的床高。已知硅胶的堆积密度为625kg/m3，平均粒径Dp=0.60cm，平均表面积a=600m2/m3。在上述操作条件下，吸附等温线方程为：Y*=0.167X1.5。式中Y*=kg苯/kg干空气，X=kg苯/kg硅胶。假定气相传质单元高度解：Y1=0.025kg苯/kg干空气，，Y2=0，X2=0。故操作线方程为X=11.28Y。当Y=Yb=0.0025kg苯/kg干空气时，X=11.28×0.0025=0.0282kg苯/kg硅胶。Y*=0.167×0.02821.5=0.0008kg苯/kg干空气。，由此可求得近似值；同时， 由此求得f的近似值，列表如下：YY*Yb=0.00250.0008588.080000.9000.00500.0022361.901.1841.1840.19900.80.16920.16920.00750.0041294.930.8212.0050.33710.70.10350.27270.01000.0063272.240.7092.7140.45630.60.07750.35020.01250.0088273.370.6823.3960.57090.50.06310.41330.01500.0116296.120.7124.1080.69060.40.05390.46710.01750.0146350.460.8084.9160.82650.30.04760.5147Ye=0.02000.0179475.001.0325.9481.00000.20.04340.5580NOG=5.948，f=0.5580；2atm，298K时，=2.37kg/m3，因此，故HOG=；因此吸附区高度为H2=HOG.NOG=0.07041×5.948=0.419m。对单位横截面积的床层，在保护作用时间内吸附的苯蒸汽量为（0.025－0）×2.37×60×90＝320（kg苯/m2）而吸附床饱和区吸附苯蒸汽量吸附床未饱和区吸附苯蒸汽量因此总吸附量解得H=2.05m，此即所需要的最小床高。7.11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（1－xA）mol/（kg催化剂.min）。催化剂堆积密度为580kg/m3。解：反应管转化率为xA时，反应速度为RA=－0.15（1－xA）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：250/0.447＝560个。7.12为减少SO2向大气环境的排放量，一管式催化反应器用来把SO2转化为SO3。其反应方程式为：2SO2+O2－>2SO3总进气量是7264kg/d，进气温度为250。C，二氧化硫的流速是227kg/d。假设反应是绝热进行且二氧化硫的允许排放量是56.75kg/d。试计算气流的出口温度。SO2反应热是171.38kJ/mol，热容是0.20J/(g.K)。解：由得。 第八章硫氧化物的污染控制8.1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？解：火电厂排放标准700mg/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8.2某电厂采用石灰石湿法进行烟气脱硫，脱硫效率为90%。电厂燃煤含硫为3.6%，含灰为7.7%。试计算：1）如果按化学剂量比反应，脱除每kgSO2需要多少kg的CaCO3；2）如果实际应用时CaCO3过量30%，每燃烧一吨煤需要消耗多少CaCO3；3）脱硫污泥中含有60%的水分和40%CaSO4.2H2O，如果灰渣与脱硫污泥一起排放，每吨燃煤会排放多少污泥？解：1）m=1.5625kg2）每燃烧1t煤产生SO2约，约去除72×0.9=64.8kg。因此消耗CaCO3。3）CaSO4.2H2O生成量；则燃烧1t煤脱硫污泥排放量为，同时排放灰渣77kg。8.3一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，。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=1.6×10－3；故转化率为 8.4通常电厂每千瓦机组容量运行时会排放0.00156m3/s的烟气（180。C，1atm）。石灰石烟气脱硫系统的压降约为2600Pa。试问：电厂所发电中有多少比例用于克服烟气脱硫系统的阻力损失？假定动力消耗＝烟气流率×压降/风机效率，风机效率设为0.8。解：动力消耗，即约0.51%用于克服阻力损失8.5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8－5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？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（180－55）×1.025×0.94=2212.1m，解得m=0.054kg，因此水分蒸发率。3）CaCO3反应分率为。8.6在双碱法烟气脱硫工艺中，SO2被Na2SO3溶液吸收。溶液中的总体反应为：Na2SO3+H2O+SO2+CO2－>Na++H++OH－+HSO3－+SO32－+HCO3－+CO32－在333K时，CO2溶解和离解反应的平衡常数为：，溶液中钠全部以Na+形式存在，即[Na]=[Na+]；溶液中含硫组分包括，[S]=[SO2.H2O]+[HSO3－]+[SO32－]。如果烟气的SO2体积分数为2000×10－6，CO2的浓度为16%，试计算脱硫反应的最佳pH。解：在373K时，Khs=0.41，Ks1=6.6×10－3，Ks2＝3.8×10－8。[Na]－[S]=[Na+]－[SO2.H2O]－[HSO3－]－[SO32－]=[OH－]－[H+]+[SO32－]+2[CO32－]+[HCO3－]－[SO2.H2O]，，。 代入得代入不同的[H+]浓度，可得pH在4～5时[Na]－[S]接近于0。因此脱硫最佳pH值4～5。8.7根据表8－5中所列的石灰石湿法烟气脱硫的典型操作条件，试计算：1）脱硫液每循环经过一次洗涤塔，单位体积脱硫液中溶解了多少摩尔的SO2；2）如果脱硫液进入洗涤塔时的pH为5，则其流出洗涤塔时的pH为多少。假定浆滴在洗涤塔中的停留时间较短（通常为3～4s），CaCO3尚未发生反应。解：工况条件：液气比9.0L/m3，Ca/S=1.2，并假设SO2吸收率为90%。因此，单位体积（1.0L）通过烟气1/9m3，可吸收SO2。取温度T=373K，则Khs=0.147，Ks1=0.0035，Ks2=2.4×10－8。进水PSO2=4.0×10－4atm，[SO2.H2O]=PSO2.Khs=5.88×10－5，[HSO3－]=Ks1[SO2.H2O]/[H+]=0.0206，[SO32－]=；则反应后[S]’=[SO2.H2O]+[HSO3－]+[SO32－]+0.018=0.0387此时PSO2’=4.0×10－3atm，[SO2.H2O]’=5.88×10－4且物料守恒得[SO2.H2O]’+[HSO3－]’+[SO32－]’=0.0387由上述方程可解得[H+]=5.4×10－5，pH=4.27 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6110kcal/kg的煤为燃料；2）以热值为10000kcal/kg的重油为燃料；3）以热值为8900kcal/m3的天然气为燃料。解：1）设每天需燃煤Mt，则有M.6110×103×103×4.18×38%=1000×106×24×3600解得M=8.9×103t。取NOx平均排放系数12kg/t煤，则每日排放NOx量约为；2）同理M.10000×103×103×4.18×38%=1000×106×24×3600，M=5439t。取重油密度为0.8×103kg/m3，折合体积约为6800m3，去排放系数12.5kg/m3，则每日排放NOx约为3）8900×103×4.18×38%V=1000×106×24×3600，解得V=6.1×106m3。每日排放NOx量约为。9.2大型燃煤工业锅炉的NOx排放系数可取为8kg/t，试计算排烟中NOx的浓度。假定烟气中O2的浓度为6%，煤的组成见例2－2。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C772g，H52g，N12g，S26g，O59g，灰分为79g。充分燃烧后，生成CO264.3mol，H2O26mol，SO20.812mol，NO0.267mol。需O22504－59=2445g，约76.4mol。引入N2。燃烧本身过程中产生N2。即在O2恰好耗尽时烟气含CO264.3mol，H2O26mol，SO20.812mol，NO0.267mol，N2287.7mol。由题意，空气过剩，设过剩空气量为xmol，则，由此解得x=152mol。故NOx浓度为（体积分数）。9.3气体的初始组成以体积计为8.0%CO2、12%H2O、75%N2和5%O2。假如仅考虑N2与O2生成NO的反应，分别计算下列温度条件下NO的平衡浓度。1）1200K；2）1500K；3）2000K。解：1）1200K下，Kp=2.8×10－7。设有xN2转化为NO，则解得x=0.00512；故NO平衡浓度为（体积分数）2）1500K时，同理解得x=0.032，故NO平衡浓度为（体积分数）3）2000K时，解得x=0.190，故NO平衡浓度为0.0038。 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。解：考虑1kg燃煤含氢37g，碳759g，硫9g，氮9g，氧47g。烟气中含CO263.25mol，含H2O18.5mol，含SO20.28mol。因此需O22392－47=2281g约71.3mol，则引入N2268.2mol。若空气过剩20%，则烟气中O2为0.2×71.3=14.26mol，N2268.2+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）9.5基于第二节给出的动力学方程，对于t=0.01、0.04和0.1s，估算[NO]/[NO]e的比值，假定M=70，C=0.5。试问M=70所对应的温度是多少？以K表示。解：按《大气污染控制工程》P361（9－13）将M=70，C=0.5代入当t=0.01s时，解得Y=0.313；当t=0.04s时，解得Y=0.811；当t=0.1s时，解得Y=0.988。由，取P=1atm，将M=70代入得T=2409K。9.6对于M=50和M=30重复上面的计算。]解：M=50M=309.7对于反应N2+O2－>2NO，平衡常数可表示为：。根据现有的数据，可以得到kf=9×1014exp[－13500/(RT)]和kb=4.1×1013exp[－91600/(RT)]。按表9－3中的温度，计算平衡常数K，并与表中的数据比较。解：（R=1.987cal/mol.K）。将所给温度代入公式计算K值，列表如下：T（K）30010001200150020002500Kp（计算值）5.3×10－317.0×10－92.7×10－71.0×10－54.0×10－43.5×10－3Kp（表中值）10－307.5×10－92.8×10－71.1×10－54.0×10－43.5×10－3 9.8计算组成为95%N2和5%O2的烟气达到平衡时，原子态O的浓度。假定平衡时的温度为1）2000K；2）2200K；3）2400K。解：假设O浓度很小，平衡时O2的浓度仍可近似认为5％。利用O2分解的平衡反应式及《大气污染控制工程》P360（9－11）式求解：。因反应前后分子个数不同，平衡常数有量纲，公式中浓度单位为mol/m3，即1）2000K时，Kp,o=6.63×10－4，平衡时故2）2200K时，Kp,o=2.68×10－3，平衡时故3）2400K时，Kp,o=8.60×10－3，，平衡时故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）。9.10燃油锅炉的NOx排放标准为230×10－6（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？解：燃烧1molC10H20Nx，产生10molCO2，10molH2O，需O215mol，引入N2量56.4mol。空气过剩50%，则总氮气量为56.4×1.5=84.6mol，O2量为7.5mol。由题意，，解得x=0.052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（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。9.12烟气中NOx的浓度经常以体积分数（10－6）表示，为了计算NOx排放总量，通常将其转化为kgNO2/GJ表示。试导出一个通用的转化公式，需引进的变量应尽可能少。若已知甲烷在10%过剩空气下燃烧时NOx的浓度为300×10－6，利用你导出的公式，将NOx的浓度转化为kgNO2/GJ。解：甲烷燃烧方程式为：取1mol甲烷进行计算，则理论耗氧量为2mol，生成CO21mol，H2 O2mol。当空气过剩10%时，烟气中还含有O20.2mol，N2。故烟气总体积3+8.32+0.2=11.52mol。其中，NOx量折合成NO2为：46×11.52×300×10－6=1.59×10－4kg。甲烷燃烧热值为802.3kJ/mol，故浓度转化结果为：。通用公式的推导：假设燃料组成为CxHyOzNmSt（适用于大部分燃料），空气过剩系数为，燃料的热值Q（kJ/mol）。燃烧方程为，故取1mol燃料进行计算，则产生CO2xmol，H2Oy/2mol，SO2tmol，N2m/2mol。耗氧（x+t+y/4-z/2）mol，考虑空气过剩系数，引入氮气3.76（x+t+y/4-z/2）mol，剩余O2（－1）（x+t+y/4-z/2）mol。因此烟气总体积为(x+y/2+t+m/2)+3.76（x+t+y/4-z/2）+（－1）（x+t+y/4-z/2）mol。若产生NOx（以NO2计）浓度为F，则生成NO2质量为0.046F[(x+y/2+t+m/2)+3.76（x+t+y/4-z/2）+（－1）（x+t+y/4-z/2）]kg因此浓度转化结果为kgNO2/GJ将x=1，y=4，z=0，m=0，t=0，Q=802.3kJ/mol，，F=300×10－6代入上式可得题目所给甲烷燃烧时的结果为0.197kgNO2/GJ，与计算结果吻合。 第十章挥发性有机物污染控制10.1查阅有关资料，绘制CO2蒸汽压随温度变化曲线，接合CO2物理变化特征对曲线进行分析说明。解：见《大气污染控制工程》P379图10－1。10.2估算在40。C时，苯和甲苯的混合液体在密闭容器中同空气达到平衡时，顶空气体中苯和甲苯的摩尔分数。已知混合液中苯和甲苯的摩尔分数分别为30%和70%。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1.333×10－4Pa，蒸发速率为。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。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。《AirPollutionControlEngineering》P366Example10.14选择C14H30作吸收剂，但本题出口甲苯浓度过低，分压41.6×10－6atm，小于C14H30100oF时分压47×10－6ppm，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100oF下蒸汽压约10×10－6atm，分子量M=226。，取xibottom=0.8x=0.8×14.3×0.002772=0.032，因此。又G=20000m3/h=784.3kmol/h=13.93lb/s=28.8lbmol/min。故L=0.085G=0.085×28.8=2.45lbmol/min，即吸收剂用量251.2kg/min。由CRCHandbookofChemistry查得100oF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=0.824，1－HG/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3.0×10－3，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。解：废气中苯的含量y1=20000×3.0×10－3=60m3/h，由气体方程得。根据去除要求，实际去除量为m’=191.5×99.5%=190.5kg/h则一个周期所需活性炭量为，体积10.6利用冷凝—生物过滤法处理含丁酮和甲苯混合废气。废气排放条件为388K、1atm、废气量20000m3/h，废气中甲苯和丁酮体积分数分别为0.001和0.003，要求丁酮回收率大于80%，甲苯和丁酮出口体积分数分别小于3×10-5和1×10-4，出口气体中的相对湿度为80%，出口温度低于40。C，冷凝介质为工业用水，入口温度为25。C，出口为32。C，滤料丁酮和甲苯的降解速率分别为0.3和1.2kg/m3.d，阻力为150mmH2O/m。比选设计直接冷凝—生物过滤工艺和间接冷凝—生物过滤工艺，要求投资和运行费用最少。10.7丙烷充分燃烧时，要供入的空气量为理论量的125%，反应式为：。问燃烧100mol丙烷需要多少摩尔空气？解：实际需O21.25×5×100=625mol，空气量625/0.21=2976mol。 第十一章城市机动车污染控制11.1设某汽车行驶速度为80km/h时，4缸发动机的转速为2000r/min，已知该条件下汽车的油耗为8L/100km，请计算每次燃烧过程喷入发动机气缸的汽油量。解：汽车行驶100km耗时若发动机转速为2000r/min，则1min内喷油1000次，1.25h内喷油7500次。故每次喷入气缸油量单缸喷入。11.2在冬季CO超标地区，要求汽油中有一定的含氧量，假设全部添加MTBE（CH3OC4H9）；要达到汽油中（C8H17）重量比2.7%的含氧要求，需要添加多少百分比的MTBE？假设两者密度均为0.75g/cm3；含氧汽油的理论空燃比是多少？解：设MTBE添加质量x，C8H17含量为y，则解得。设燃料100g，则含C8H1785.15g，C5H12O14.85g由解得n1=1.27mol解得n2=9.23mol则需O21.27+9.23=10.5mol，则含N23.76×10.5=39.5mol。空气质量10.5×32+39.5×39.5=1442g，则空燃比AF=14.42。11.3发动机燃烧过程如图11－29所示，请计算汽缸内燃烧前，燃烧刚开始时，以及燃烧全部完成后的气体温度。已知：汽油发动机的压缩比为7，在理论空燃比下工作，转速为2000r/min，燃烧过程为上止点前后各15。C区间。解：燃烧前取温度为293K，由开始燃烧时，按《AirPollutionControlEngineering》P48613.11式：通常取85%的升高温度，则T3=T2+2016×0.85=2352K燃烧完成同样取85%，则T4=T2+2559×0.85=2813K。11.4试解释污染物形成与空燃比关系图（图11－5）中NOx为何成圆拱状？解：NOx在高温时易生成，而理论空燃比附近燃烧充分，温度较高，因此NOx产生量最大。11.51）用与11.3相似的方法估算发动机的排气温度（大约在上止点TDC之后90度）；2）实际排气温度比上述计算值要低，在怠速情况下，虽然其空燃比与满负荷时基本相同，但排气温度却低很多，为什么? 解：怠速时可燃混合气处于空气过剩系数小于1的状态，残余废气系数较大；发动机转速低，气缸压缩比小，燃烧很不充分，易形成失火；壁面淬熄效应对火焰迅速冷却，因此造成温度下降。11.6由燃油蒸发控制装置控制的两个HC排放源是：1）燃油泵和化油器；2）化油器和空气滤清器；3）空气滤清器和燃油箱；4）燃油箱和化油器。解：4）燃油箱和化油器（《大气污染控制工程》P448）11.7在汽油喷射系统中，汽油喷进空气是在：1）各燃烧室；2）进气歧管；3）化油器；4）排气管。解：2）进气歧管（《大气污染控制工程》P442）11.8减少发动机燃烧室表面积可以：1）减少废气中HC含量；2）增加废气中HC含量；3）减少废气中NOx的含量；4）以上都不是。解：1）减少废气中HC含量123456789'