大气污染治理工程习题集.doc

第一章 概论1.2 根据我国的环境空气质量标准求SO2、NO2、CO三种污染物二级标准日平均质量浓度限值的体积分数。 解：由表16查得三种污染物二级标准（日平均质量浓度）为： SO2 NO2 CO Cm(mg/m3) 0.15 0.08 4.00 以SO2为例计算体积分数 Cv= =0.05310-6 =0.05310-4% 同理得： SO2 NO2 CO 体积百分数（%） 0.05310-4% 0.03910-4% 3.2010-4%1.3 CCl4气体和空气混合成体积百分数为1.510-2%的混合气体，在管道中流量为10m3/s，试确定。 （1）CCl4在混合气体中的质量浓度Cm（单位g/m3）和浓度C（单位mg/mol）。 （2）每天流经管道的CCl4质量是多少kg 解：已知 1.510-2%=1.510-4 （1）Cm= Cm=1.510-415410-3=2.3110-5kg/mol （2）已知：1d=86400s 每天流经管道的CCl4质量： 1.031010-386400=889.92kg/d1.4 成人每次吸入的空气量平均为500cm3，假如每分钟呼吸15次，空气颗粒物的质量浓度为200g/m3。试计算每小时沉积于肺泡上的颗粒物质量。已知颗粒物在肺泡上的沉积系数为0.12。 解：成人每次吸入空气量：500cm3=5.010-4m3 每小时吸入空气量：5.010-4m31560=0.45m3/h 每小时吸入颗粒物量：0.45200=90g/h 沉积在肺泡上颗粒物量：900.12=10.8g/h第二章 燃烧与大气污染2.1 已知重油元素分析结果为：C：85.5% H：11.3% O：2.0% N：0.2% S：1.0% 试计算：燃烧1kg重油所需的理论空气量和产生的理论烟气量；干烟气中SO2的质量浓度和CO2的最大质量浓度；当空气的过剩量为10%时，所需的空气量及产生的烟气量。 解： 已知1kg重油中各成分的含量如下： 质量/g 摩尔数/mol（按原子数计） 需氧数/mol C 855 71.25 71.25 H 113 112.10 28.25 N 2 0.143 0 S 10 0.3125 0.3125 O 20 1.25 -0.625 所需理论氧气量为： 71.25+28.25+0.3125-0.625 =99.188mol/kg重油 需要的理论空气量为： 99.188（1 + 3.7） =472.13mol/kg重油 即： 472.1322.4/1000 =10.58m3/kg重油（标态） 理论空气量条件下的烟气组成（mol）为： CO2：71.25 H2O：56.5 SOx：0.3125 N2：99.1883.76 理论烟气量为： 71.25+56.5+0.3125+99.1883.76 =501.01mol/kg重油 501.0122.4 10-3 =11.22m3/kg重油 干烟气量为：501.01-56.5 =444.51mol/kg重油 即： 444.5122.410-3 =9.96m3/kg重油。 SO2量为：0.31250.97 =0.3031mol/kg重油（认为S的生成物中SO2占97%） 干烟气中SO2的质量浓度为： 0.303110-6/444.51 =681.87 =1948mg/m3 假设C全部生成CO2，则CO2的量为71.25mol/kg重油。 CO2的最大质量浓度为： 当空气过剩10%时，空气过剩系数=1.1 则实际的空气量为： 10.581.1=11.64m3/kg重油 实际烟气量为： 3/kg重油2.5 某燃油锅炉尾气，NO排放标准为287.5mg/m3，若燃油的分子式为C10H20Nx，在50%过剩空气条件下完全燃烧，燃料中的氮50%转化为NO，不计大气中N2转变生成的NO。计算在不超过排放标准情况下，燃料油中氮的最高质量分数。 解：以1molC10H20Nx燃烧为基础，则 需氧量（mol）：10+ 理论空气量（mol）：4.76 实际空气量（mol）:1.54.76 在理论空气量下产生的理论烟气体积为： CO2：10mol，H2O：10mol、NO：，N2：3.76 理论烟气量（mol）为：10+10+ 实际烟气量（mol）为：（76.4+1.69x）+0.5 =112.1+2.285x NO的浓度： x0.048 即燃料油中N的最大允许含量为： 2.6 某燃油锅炉每小时耗油4.8t，油的低位发热量Q1=40614kJ/kg，=1.3，安装有省油器=0.15，求该锅炉每小时排放的烟气量。 解：（1）由式2.14计算理论空气量 （2）由式2.24求每kg油燃烧产生的烟气量 =1.11 =15.38（m3/kg）（标态） （3）每小时产生的烟气量 15.384800 =73824m3/h（标态） 第三章 污染气象学基础知识3.1 在高塔下测得下列气温资料，试计算各层大气的气温直减率：r1.5-10、r10-30、r30-50、r30-50、r1.5-50，并判断各层大气稳定度。高度Z/m1.5103050气温T/K298297.8297.5297.3 解：已知r=-T/Z rd=0.98K/100m 以r1.5-10为例计算 r1.5-10=-(297.8-298)/(10-1.5)=0.0235K/m=2.35K/100m 因为r1.5-10rd ，所以大气不稳定 总的计算结果及判断列于下表。r1.5-10r10-30r30-50r1.5-30r1.5-502.351.51.01.751.44不稳定不稳定中性不稳定不稳定3.2 某石油精炼厂自平均有效源高60m处排放的SO2质量为80g/s，有效源高处的平均风速为6m/s，试估算冬季阴天正下风方向距烟囱500m处地面上的SO2浓度。解：根据题设条件，由表3-8查得稳定度级别为D，由表3-9查得 y=35.3m z=18.1m C（x,0,0,H）= = =2.7310-5g/m3 =2.7310-2mg/m33.3 据估计，某燃烧着的垃圾堆以3g/s的速率排放氮氧化物。在风速为7m/s的阴天夜里，源的正下风方向3km处的平均浓度是多少？假设这个垃圾堆是一个无有效源高的地面点源。 解：根据题设条件， 由表38查得，稳定度级别为D，由表39 查得y=173m z=79.1m C（3000,0,0,0）= =9.9710mg/m33.6 某厂烟囱有源高为150m，SO2排放量为151g/s。夜间及上午地面风速为4m/s，夜间云量3/10，若清晨烟流全部发生熏烟现象，试估算下风向16km处的地面轴线浓度。 解：夜间=4m/s，云量=3/10时，由表38查得稳定度级别为E级，由E级和X=16km查表39得y=544m z=100m则求得： Lf=H+2z=150+2100=350m yf=y+H/8=544+150/8=563m =0.046mg/m33.7 某城市火电厂的烟囱高100m，出口内径5m。出口烟气流速12.7m/s，温度100，流量250m3/s。烟囱出口处的平均风速4m/s，大气温度20，试确定烟气抬升高度及有效高度。 解：（取Pa=1013.3hPa） =0.351013.325080/373.15 =19008.7kJ/s 由表36取城市远郊区n0=0.332，n1=3/5，n2=2/5 =0.33219008.73/51002/5/4 =193.3m H=Hs+H =100+193.3 =293.3m第四章 除尘技术基础4.3 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、质量中位径、粒数中位径、算术平均直径及体积表面积平均直径。 粒径间隔/m0224466101020204040质量m/g0.812.2255676273 解：（1）以02m为例计算： mo=m =200g g0-2=m/m0100% =0.8/200100% =0.4% f0-2/dp=0.4%/2 =0.2%m-1 ln =0 计算结果列表如下：粒径间隔/m组中点/mg(%)f%m-1lndpG(%)R(%)0210.40.200.499.62436.13.11.106.593.546512.56.31.6119.081.06108287.02.0847.053.0102015383.82.7185.015.020403013.50.683.4098.51.5401.5100 （2）根据数据作图得出符合对数正态分布 由图知：dp(R=84.1%)=3.7m, d50=8.6m dp(R=15.9%)=20.1m 几何标准差 d50=d50exp(31n2g)，所以d50=3.9m d1=d50exp(0.5lng)=3.9exp(0.5ln2.36)=5.6m dvs=dexp(2.51n2) = 3.9exp(2.5ln22.36) =7.2m4.4 对于题4.3中的粉尘，已知真密度为1900kg/m3，粒子卡门形状系数为0.65，填充空隙率为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：真实体积：= = 堆积体积：= 3 质量体积：m= =6.7103cm2/g4.5 试计算下列条件下，球形粉尘粒子在静止空气中的沉降阻力： （1）； （2）； （3）； 解：由题给空气温度，查附录6，当t=20时，=1.8110-5pa.s， =1.20kg/m3,t=100时，=2.1g10-5pa.s，=0.947kg/m3 （1）若雷诺数Rep1，在斯托克斯区 由式4.26，us= 由式4.12，Rep=dp u/ = 假设正确。由式4.14 =2.5910-9(N) （2）当dp=40m时 由4.26 us= Rep= = =3.2710-10(N) (3)当dp=1.0m时 由式4.27，us= = =3.110-5m/s 其中由式4.18计算C=1+kn = = =516.4m/s = =8.9310-8m =8.9310-2m kn=2/d =28.93/1.0 =0.179 C=1+0.179 =1.225 = =1.3510-41 = =5.210-15(N)4.7 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%。试计算该除尘系统的总除尘效率、粉尘排放浓度和排放量。 解：=1-（1-1）（1-2） =1-（1-80%）（1-95%） =99% 已知：C1N=22.2/2.22 =10g/m3 代入式= 99%= 排放浓度C2N=0.1g/m3 排放量为：S2=C2NQ =0.12.22=0.222g/s第五章 机械式除尘器5.1 在298K的空气中NaOH飞沫用重力沉降室收集。其大小为宽914cm，高457cm，长1219cm。空气的体积流量为1.2m3/s。计算能被100%捕集的最小雾滴的直径。假设雾滴的比重为1.21。 解：在298K和1atm下，干空气粘度=1.8110-5Pas。能被100% 捕集的最小雾滴的直径为： = =17.1910-6m =17.19m5.2 一直径为10.9m的单分散相气溶胶通过一重力沉降室，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%。问需要设置多少层才能得到80%的操作效率。 解：多层沉降室的除尘效率公式为： = 则 即 n+1=22.42 n=21.2 取n=22 即需设置22层隔板才能得到80%的操作效率。5.3 有一沉降室长7.0m，高1.2m，气速30cm/s，空气温度300K，尘粒密度2.5g/cm3 ,空气粘度0.067kg/(mh)，求该沉降室能100%捕集的最小粒径。 解：该沉降室能100%捕集的最小粒径为： = =2.6510-5m =26.5m5.5 一气溶胶含有粒径为0.63m和0.83m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肯宁汉校正系数计算沉降效率。L=50cm，=1.05g/cm3，W=20cm，hi=0.129cm，=1.8210-4g/cms，n=19层 解：=1.8210-4g/cms =1.8210-410-3kg/10-2ms =1.8210-5Pas 气溶胶粒径分别为0.63m,0.83m，均4584.014.0 （1）作出分级效率曲线： （2）确定分割粒径。 解：（1） =计算结果如下 粒径m 05 510 1015 1520 2025 2530 3035 3540 4045 45 I(%) 0.056 0.49 0.79 0.90 0.93 0.96 0.97 0.98 0.98 0.98依上图画出分级效率曲线如下： （2）由图得dc=7.6m5.8 某旋风除尘器的阻力系数=9.8，进口速度15m/s，试计算标准状态下的压力损失。 解：由附录6查得标态下气体密度=1.293kg/m3 = =1425.5Pa 第六章 湿式除尘器6.1 对于粉尘颗粒在液滴上捕集，一个近似的表达式为： 其中M是碰撞数N1的平方根。R=dp/dD。对于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（1）10m；(2)5.0m的粉尘在直径为50，100，500m的液滴上捕集效率。 解：以dp=10m，dD=50m为例计算 R= dp/dD =10/50 =0.2 因为颗粒粒径大于5m，所以C可忽略 斯托克斯准数：S1= = =736.6 NI = St/2 = 736.6/2 = 368.3 M = （Nt）1/2 = (368.3)1/2 = 19.2 = =49.7% 计算结果列表如下：dpdD50 100 500 1049.7% 57.5% 90% 5.050.01% 64.4% 96.8%6.3 水以液气比1.2L/m3的速率进入文丘里管，喉管气速116m/s，气体粘度为1.84510-5PaS，颗粒密度p=1.78g/cm3，平均粒径dP=1.2m，f取0.22。求文丘里管的压力损失和穿透率。 解：P=-1.0110-1uf2（QL/QF） =-1.0110-1（11600）21.210-3 =-1630.9Pa 由6-8式得P=exp =exp =1.5% 第七章 袋式除尘器7.1 袋式除尘器处理烟气量为3600m3/h，过滤面积为1000m2，初始浓度为8g/m3，捕集效率为99%，已知清洁滤布阻力系数=6107/m，烟气粘度=1.8410-5Pas，要求滤袋压力损失不超过1300Pa，集尘层的平均阻力系数=8108m/kg，试确定清灰周期和清灰后的压力损失。 解：（1）过滤速度：f=Q/60A =3600/(601000) =0.06m/min 清洁滤袋的压力损失：Po=ouf =61071.8410-50.06 =66.24Pa Pd=1300-66 =1234Pa 由式7.11得 t = = = 2910.8min 即清灰周期为2910.8min，显然不合理。 （2）取过滤面积为100m2，则 uf = Q/60A =3600/(60100) =0.6m/min 清洁滤袋的压力损失： Po=ouf =61071.8410-50.6 =662.4Pa Pd=1300-662.4 =637.6Pa 由式7.11得 t = = =15min 7.3 用袋式除尘器净化含尘浓度为12g/m3的烟气，已知烟尘的比表面平均径dp=0.5m，烟尘密度=3g/cm3，过滤速度uf=1m/min，利用短纤维滤布，当过滤时间为23min时，烟尘负荷增至m=0.2kg/m2，求此时集尘层的阻力损失及平均捕集效率。 解：Pd= =Page: 22 =2741Pa 通过除尘器23min后的粉尘若全部被捕集，则： m=Ciuft=1210-3123=0.276kg/m2 而实际烟尘负荷m=0.2kg/m2 =7.4 用袋式除尘器处理含尘烟气。过滤面积A=2000m2,处理气量Q=3000m3/min，烟气含尘浓度Co=10g/m3，除尘效率=99%。已知清洁滤布的阻力系数o=4107/m，清洁滤布的阻力损失Po=100Pa。在过滤20min时，集尘层的平均阻力系数=2109m/kg，求此时带有烟尘滤布的总阻力损失。 解：过滤速度：uf = Q/A = 3000/2000 = 1.5m/min = 0.025m/s Po=ouf = = =1010-5Pas 由Pd=uCit =21091010-5（0.025）21010-399%6020 =1485Pa P=Po+Pd =1585Pa=1272/(602)第十章 吸附法净化气态污染物10.1 常压和30下，用活性炭吸附回收某厂废气中的丙酮蒸气，废气中丙酮含量为11.6%（体积计），若其吸附等温线符合朗格缪尔方程（A=0.80，B=0.2510-3）试求：（1）活性炭的饱和吸附量；（2）若废气量为1000m3/h（操作状态），要吸附其中丙酮的99%需要多少kg活性炭？（3）用饱和蒸气脱附，直至离开的气流中丙酮含量降至0.16%(体积计)，丙酮的回收率是多少？ 解：由题意，其朗格缪尔方程式为： = 则活性炭的饱和吸附量为0.8g丙酮/g活性炭 需要吸附的丙酮量为 =4.6258 =268kg/h 活性炭需要量为： 丙酮入气含量为11.6%，出口含量为1.6%， 则其回收率为 =98.6%10.2 在308K等温条件下，总压Po=1.013105Pa，用活性炭吸附含有丙酮蒸气（空气中）的吸附平衡实验数据如下：对比压力P/Po0.0150.040.050.100.200.300.400.600.85吸附容量g(丙酮)/g（炭）0.2350.410.470.570.670.710.740.770.80 试绘出等温吸附线，并判断等温吸附类型。可用那种理论解释？并求出描述该吸附过程数学方程中的A、B值。 解：平衡实验数据如下：P/103Pa 1.52 4.05 5.07 10.13 20.26 30.39 40.52 60.78 86.11 XT 0.235 0.41 0.47 0.57 0.67 0.71 0.74 0.77 0.80 依题所给平衡数据，绘出等温吸附线。 10.2 图由图形可知符合朗氏等温线，即可用朗氏方程式描述。 任取曲线上两点q(4.05103、0.41)和s(40.52103、0.74)求朗氏等温吸附方程式XT=中的A、B值。将朗氏方程变换成下列形式，并代入两点数值。 A=XT+（XT/P）（1/B） A=0.41+(0.41/4.05103)(1/B) A=0.74+(0.74/40.52103)(1/B) 解上述方程得：A=0.81 B=0.2510-310.3 下表是lg活性炭在0及不同分压下吸附氮气毫升数（标准状态）。试按表中数据作出朗格谬尔等温吸附线，并确定活性炭吸附剂单分子层铺盖满时，所吸附氮气的体积VM及吸附系数B。 P/Pa 523.96 1730.52 3058.41 4534.28 7496.70 V/ml 0.987 3.043 5.082 7.047 10.31 解：朗氏等温吸附方程为： = 计算式中及P的值列入下表： P/V 530.86 568.69 601.81 643.43 727.13 P 523.96 1730.52 3058.41 4534.28 7496.70 根据以上实验数据作图得： 斜率1/Vm=0.025 截矩 1/Bvm=522.5 求得B=20900 Vm=40.09ml10.4 某CCL4车间产生CCL4蒸汽，车间内CCL4敞露面积5m2，车间内风速0.7m/s，试求室温下CCL4蒸汽的产生量。 解：G=（5.38+4.1u） （已知F=5m2 M=154 u=0.7m/s 且查表104得 A=33914 B=8.004） 解：根据log =- =- =2.06 则： CCL4蒸汽产生量：G=（5.38+4.10.7）114.85 =59.77kg/h10.5 用活性氧化铝作吸附剂的固定床吸附器，床层直径1.1m，处理气量为0.245m3/s，吸附剂为柱形，直径dp3mm，柱高4.2m，填充空隙率为0.55，气体吸附温度为20，试计算气体通过吸附床压降为多少？ 解：查得20，101.325kPa下空气密度1.2kg/m3，动力粘度为1.810-5PdS，此时气速 u=0.258m/s代入式（10.30） =220.24 P=220.244.2=924.99Pa 第十一章 气态污染物的催化净化11.1 用氨催化还原法治理硝酸车间排放含有NOx的尾气。尾气排放量为13000m3/h（标态），尾气中含有NOx为0.28%、N2为95%、H2O为1.6%，使用的催化剂为5mm球形粒子，反应器入口温度为493K，空速为18000h-1，反应温度为533K，空气速度为1.52m/s。求： （1）催化固定床中气固相的接触时间； （2）催化剂床层体积； （3）催化床床层层高； （4）催化剂床层的阻力。 提示：在尾气中N2的含量很高，在计算时可取用N2的物理参数直接计算。在533K时N2=2.7810-5Pas，N2=1.25kg/m3,=0.92。 解：接触时间tno= = =5.610-5h 床层体积VR= = =0.72m3 床层高度：由式f= = =2.38m2 即，得D2=9.50m2 代入下式L= = =3.79m 床层阻力雷诺准数 Rem= = =4272 摩擦阻力系数： =1.79 计算压降 = =402.75Pa11.2 为减少SO2排放，拟用一催化剂将SO2转化为SO3。已知：进入催化器的总气量为7320kg/d，SO2的质量流速为230kg/d，进气温度为250。假如反应是绝热反应，并要求不大于SO2的允许排放量56.75kg/d，试计算气流出口温度为多少。SO2氧化成SO3的反应热Q是171667J/mol，废气热容是3.475J/(gK)。 解：因为反应为绝热反应所以qB=0 反应后混合气体质量：反应式为SO2+1/202=SO3 反应的SO2量：230-56.75=173.25kg/d 所以产生的SO3量：173.2580/64=216.56kg/d 则反应后混合气体流量：7320-230+56.7+216.56=7363.31kg/d 代入式11.29NrCpmdT=NToYAOdXA(-HR) 7363.313.475dT=7320320/7320dXA(-171667/64) 25587.5dT=616928.28dXA 且XAf=(230-56.75)/230=75.33% 代入上式并两边积分得： （T出-250）25587.51