北京大学环境工程概论第五章空气污染2

1、5.8 室内空气质量模型式中V-房间体积，m3；C-污染物浓度，g/m3；Q-空气进入房间的速率， m3/s；Ca-室外空气中污染物浓度， g/m3；E-从空气污染源进入房间内的污染物排放速率，g/s；k-污染物的反应速率常数，s-1。第五章 空气污染1上述方程式的一般解为：部分污染物的衰减速率常数见下表：235.9 固定源的空气污染控制5.9.1 气态污染物(1) 吸收作用根据吸收作用原理制造的控制设备，可将污染物从气相转移至液相。这是一个气体溶于液体的传质过程。溶解过程可能会伴有与液体中成分间的化学反应发生。传质是一个扩散过程，污染物气体从高浓度处移向低浓度处。污染物气体的去除由三个步骤完

2、成：（1）污染气体扩散至液体表面；（2）穿过气液界面(溶解)；（3）溶解气体离开界面扩散进入液体。4喷雾室，喷雾塔或喷雾柱是用来吸收污染气体的两种装置。喷雾室：利用液滴来吸收气体。喷雾塔：利用液体薄膜作为吸收介质。不论利用哪种类型的装置，污染物在液体中的溶解度必须相当高。若以水作溶质，对NH3、C12及SO2等少数无机气体的去除会受到限制。洗尘器的吸收效率较低，但具有能同时去除颗粒物的优点。喷雾塔效率较高，但易被颗粒物质堵塞。5非反应性溶液的吸收量受污染物的分压控制。污染控制系统中的稀溶液，其分压与溶液中气体浓度的关系，可用亨利定律(Henrys law)表示： Pg KHCequil式中：P

3、g 溶液中溶质在气相中的平衡分压，kPa； KH 亨利常数， kPam3/g； Cequil 液相中污染气体的浓度，g/m3。该公式表明：当溶液中积累的污染物增加时，其气体分压也必然增加，否则污染物会从液体释放出来。当液体将污染物从气相中除去时，即当气体被净化时，其分压降低，但这与所期望发生的情形正好相反。6解决此问题最简单的方法是使气体和液体向相反方向流动，称为逆向流。这样，高浓度气体被吸收进入具有高污染物浓度的液体，低浓度气体将被吸收进入具有低污染物浓度的液体。逆向流吸收柱的质量平衡图。其质量平衡方程式为：式中：Gm1和Gm2为进入和流出吸收柱的总气体(空气加上污染物)流量，kg或mol/

4、h；y1和y2为柱人口和柱出口处气相中污染物的摩尔分数；Lm1和Lm2为进入和流出吸收柱的总液体(溶剂加上被吸收的污染物)流量，kg或mol/h；x1和x2为柱人口和柱出口处液相中污染物的摩尔分数。7气体流速、液体流速和塔高为设计填充塔的三个重要参数，这三个参数间相互关联。若考虑吸收塔中的一微分高度dZ，如“图6-25”所示，则质量传递的界面面积可定义为： 质量传递面积=AdZ式中： 单位填充体积的表面积；A 柱的截面积。可用下列微分方程式来描述气体i进入溶液的质量传递速率Ni：式中：Ky 气体的总传质系数；y和y* 污染物在气相摩尔分数和在液相中的摩尔分数。 第i种气体的传质速率是：NiAd

5、Z而质量等于气流通过微分高度dZ时气相所损失的质量： 损失的质量d(Gmy)8单位面积的质量流速Gm和摩尔比Y：并注意有：式中Gc是不含污染物时载气的质量流量。令传递的质量等于损失的质量，得到：或者：吸收塔中任一位置的传质推动力（y-y*）可以写成：y-y* = (1-y*)-(1-y)定义：dZ的表达式可以转化为：9传质单元高度Hog：传质单元数Nog：吸收塔柱高：Zt = Hog Nog对于遵循亨利定律的稀溶液，总的气体传质单元数可按下式求得：式中，y1，y2为吸收柱入口和出口处气相中污染物的摩尔分数；m为由亨利定律作出的平衡曲线的斜率，m=y*/x*（摩尔分数），无单位；x2为污染物在吸

6、收柱液相中的摩尔分数；A = mQg/Ql， Qg和Ql分别为气体或液体的流速，kg或mol/(h或m2)。10Example：利用下列所给数据，计算将空气中NH3的浓度由0.10kg/m3降至0.0005kg/m3所需填充柱的高度。柱直径：3.00m，操作温度20.0，操作压力：101.325 kPa，Hg= 0.438m，Hl = 0.250m，Qg=Ql=10.0kg/s；吸收液为不含NH3的水溶液。Solution：已知NH3的相对分子质量为17.030，并假设空气的相对分子质量为28.970，先将单位换成摩尔分数。25C空气密度为1.185kg/m3，操作温度为20C，所以20时的空

7、气密度为：1.185kg/m3（298/293）=1.20kg/m311计算在吸收柱入口处的摩尔分数y1：利用同样的方法可求得吸收柱出口处的摩尔分数y2=0.000706。因为吸收液不含NH3，所以其摩尔分数为x2=0。以摩尔分数为单位的亨利常数需要通过实验数据求得。从化工手册中可以查到下列数据：将上表中每一个数值转换为摩尔分数，x*对y*作图(星号*表示在稳定状态下)，则直线的斜率为m。12下面说明如何求得第一个x*和y*值。已知总压为101.325 kPa，H2O的相对分子质量为18.015，当每100kg H2O中溶有15kgNH3时：利用四对x*和y*值，通过最小二乘线形回归法求得直线

8、的斜率为m=1.068。以摩尔为单位的A值，可由下式求出：气体传递单元数为：13气体传递单元的高度为 Hog = 0.438m + 0.66410.250m = 0.6040m吸收柱的高度为： Zt = 0.6040m 12.5545 = 7.5832m 8m。由于物质在吸收柱内既不会产生也不会消失，所以进入和离开吸收柱的NH3质量必须相等。在等温稳定状态(即气态与液态中NH3进出的速率相等)，则可利用质量平衡方程式求解出x1。计算求得x1 = 0.08734，经换算得NH3浓度为90300mg/L。该例说明：在解决空气污染问题的同时，却产生了严重的水污染问题。142. 吸附作用吸附是气体结合

9、到固体上去的质量传递过程，是一种表面现象。气体(吸附质)进入固体(吸附剂)的孔隙中但并未进入其晶格内。吸附过程可能是物理过程，也可能是化学过程。物理吸附的实质是一种物理过程，一般没有选择性，在吸附过程中没有电子转移，没有化学键的生成与破坏，没有原子重排等，主要是范德华引力起作用。化学吸附实质上是一种化学反应，具有选择性，在化学吸附过程中，气体和固体表面发生了化学反应。吸附过程中，经常将吸附剂置于压力容器中的固定床里。活性炭、分子筛、硅胶和活性氧化铝是最普遍使用的吸附剂。活性氧化铝为多孔性的水合氧化铝。15这些吸附剂的共同特点是：经过处理后每单位体积具有极大的“活性”表面积，可有效地吸附碳氢化合

10、物等污染物，此外还可用于吸附H2S和SO2气体。特殊形式的分子筛也可用于吸附NO2。除活性炭外，上述吸附剂的共同缺点是对水有优先选择性吸附作用，即在吸收水分后才开始吸附污染物。因此在将这些吸附剂用于处理气体之前，需先去除其中的水分。所有的吸附剂在一定的高温下(活性炭为150C，分子筛600C，硅胶为400C，活性氧化铝为500C)会发生变化。在这些温度下，其吸附能力很弱。实际上就是吸附剂活性再生的温度。16恒温下，污染物被吸附的量与平衡压力的关系曲线，称为吸附等温线(adsorption isotherm)。由Langmuir导出的公式，可很好地描述气体物质的吸附：将上式改写为： 以Cg*/W

11、 对Cg*作图，可得到一直线，其斜率为b/a，截距等于1/a。在吸收柱里，被收集的污染物可连续地通过流动的液体带走，得到去除。与之相反，在吸附过程中被收集的污染物将滞留在吸附床中。当吸附床中污染物浓度达到饱和时，污染物便开始释放出来，这种现象称为“穿透”（breakthrough）。W：单位质量吸附剂所吸附气体的质量，kg/kg； a, b：由实验确定的常数；Cg*：气体污染物的平均浓度，g/m3。17典型的穿透曲线：18为了进行连续操作，需要两个吸附床，使吸附与再生同时进行。再生过程中被释放出来的浓缩气体通常作为挥手产品再返回到生产过程中。吸附床在出现穿透现象之前所能运行的时间是一个关键因素

12、。穿透时间可按下列公式计算：一般情况下，吸附床高度Zt的计算与吸收柱高度计算方法相同。Nog可以通过积分求得：Zt：吸附床的高度，m；：吸附区的宽度，m；vf：吸附区的速度，m/sCg* ：langmuir方程式中的平衡浓度；C：操作曲线上的点对应的浓度值。19吸附区的宽度与吸附等温线的形状有关。吸附区的速度可根据吸收系统的特性来计算：3. 燃烧当气流中的污染物可被氧化成惰性气体时，燃烧是一种可行的污染控制方案。CO和CxHy就属于这类污染物。选择直接火焰燃烧法的两个条件为：(1) 气流的能量密度必须 3.7MJ/m3。这时，点火后气体可自行维持燃烧，低于此值则需提供辅助燃料。(2) 燃烧后不

13、产生有毒的副产物。在某些情况下，燃烧副产物可能比原来的污染体毒性更大。例如燃烧三氯乙烯会产生光气(光气在第一次世界大战中被当作毒气使用)。s：吸附剂的填充密度g：气体的密度，kg/m3Ac：吸附床的截面积，m220能量值低于3.7MJ/m3的气体，可利用一些催化剂来帮助氧化燃烧。传统方法中催化剂置于类似于吸附床的床体内。常用活性催化剂是铂或钯的化合物，使用陶瓷作载体。使用催化剂除价格昂贵外，其主要缺点是微量的硫和铅的化合物会使催化剂中毒。5.9.2 烟气脱硫烟气脱硫(flue gas desulfurization，FGD)系统分为两大类：非再生型与再生型。非再生型是指用于脱硫的试剂用完后就扔

14、弃。再生型则是指脱硫试剂可再生后重新利用。从所建立的系统个数和大小来看，非再生系统占优势。非再生系统目前已建有9种工业性的非再生系统。这些系统脱硫的化学原理为：利用石(CaO)、烧碱(NaOH)、苏打灰(Na2CO3)或氨(NH3)与烟气中的二氧化硫进行化学应，以达到脱硫的目的。21利用石灰/石灰石的烟气脱硫系统，将SO2转化为亚硫酸盐，总反应式可表示如下： SO2+CaCO3 CaSO3+CO2 SO2+Ca(OH)2 CaSO3+H2O当分别使用石灰或石灰石时，部分亚硫酸盐会与烟气中的氧气反应形成硫酸盐： CaSO3 + O2 CaSO4尽管总的反应很简单，但其化学反应过程却相当复杂。石灰

15、与石灰石的选择、石灰石的种类、石灰煅烧和熟化的方法均会影响吸收装置中气体-液体-固体三相间的反应。湿式除尘系统中所使用的吸收器主要有：文丘里除尘器/吸收器、固定填充床除尘器、盘塔及喷塔等。22干式喷雾烟气脱硫系统由一个或多个喷雾干燥器和颗粒收集器组成。所用的试剂是熟石灰浆或生石灰浆。石灰是最常用的试剂，有时也使用苏打灰。在喷雾干燥器中试剂以液滴状喷入烟气内，试剂液滴吸收SO2同时被干燥。理想的情况是液滴在接触干燥器的器壁之前已被完全干燥。在滴状试剂的蒸发过程中，烟气流会变得潮湿，但尚未被水蒸气饱和。这就是干燥式喷雾烟气脱硫与湿式除尘烟气脱硫二者间最大的区别。潮湿的气流与颗粒物质(飞灰、烟气脱硫

16、反应产物和未反应的试剂)被烟气带到位于喷雾干燥器下游的颗粒收集器。235.9.3 氮氧化物控制技术空气中几乎所有的氮氧化物(NOx)污染均是由燃烧造成的。它们产生于燃料中含氮物质的氧化、燃气中的氧分子与氮气在温度为1600K以上发生的反应、燃气中的氮气与碳氢自由基的反应。NOx的控制技术分为两类：一类是在燃烧过程防止NOx的生成，即预防；另一类是将燃烧过程中产生的NOx转化成氮气和氧气，即后燃烧。（1）预防其基本原理为降低燃烧区域的火焰温度，减少NOx的生成。有9种方法可用来降低火焰温度： 操作温度减到最小； 切断燃料； 减少过剩的空气量； 烟道气回流； 稀燃料燃烧； 分段燃烧； 用低NOx燃

17、烧器； 二次燃烧；水/蒸汽注入。24调整燃烧器，使燃烧在燃烧区的最低温度下进行，可减少燃料消耗和NOx生成。利用含氮量较低或可在较低温度下燃烧的燃料可降低NOx的生成。减少过剩空气量、进行烟气回流的目的主要是通过减小氧气浓度来降低火焰温度。与此相反，在稀燃料燃烧过程中，引入过量的空气是为了冷却火焰。分段燃烧是将部分燃料和所有的燃气注入第一级燃烧区，过量空气所造成的低火焰温度限制了NOx的生成。水/蒸汽的注入因降低火焰温度而减少了NOx的排放。25（2）后燃烧有3种过程可将NOx转化为氮气：选择性催化还原（SCR）、选择性非催化还原（SNCR）以及非选择性催化还原（NSCR）。（I）SCR过程：

18、使用催化剂床（通常是将V-Ti或Pt催化剂负载于沸石上）和无水的NH3。在燃烧后，将NH3注入催化剂床的上游， NOx与NH3反应生成氮气和水。（II）SNCR过程：在适当温度下（8701090C），将NH3或尿素注入烟气中，尿素首先转变成NH3，然后与氮氧化物反应生成氮气和水。（III）NSCR过程：使用类似于应用在汽车中的三向催化剂，除了可以控制NOx之外，还可以将碳氢化合物和一氧化碳转变成CO2和水。265.9.4 颗粒污染物1、旋风除尘器对于直径大于10m的颗粒，可选择旋风除尘器收集。含颗粒物的气体经螺旋运动被加速，颗粒产生离心力，从而从旋转的气体中被抛出，撞击到除尘器的器壁上。然后滑

19、落到底部被收集起来。27标准式旋风分离器的比例图：28对于不同尺寸的颗粒的收集效率可由Lapple提出的经验式和经验图求得：d0.5：去除直径，收集效率为50%的颗粒直径；：气体粘度，Pas；B：入口宽度，m；H：入口高度，m；P：颗粒密度，kg/m3；Qg：气体流速，m3/s；：有效旋转圈数。式中可以由下式求得： = /H(2L1+L2)其中L1及L2分别代表圆柱及圆锥的高度。见“图6-31”旋风分离器的比例图。29Example：确定具有下列特性的“标准”旋风分离器对密度为800kg/m3、直径为10m颗粒的收集效率：旋风分离器圆筒直径=0.5m，气流速率=4.0m3/s，气体温度=25C

20、。Solution：根据标准旋风分离器的比例，可计算出以下各量：B=0.250.5m=0.13m；H=0.50.5m=0.25m；L1=L2=2 0.5m=1.0m。旋转圈数为： = /H(2L1+L2) = 37.7。由气体温度查得气体粘度为18.5Pas。则去除直径为：d0.5=2.41m。30该尺寸颗粒所占的比例：d/d0.5=10m/2.41m=4.15由“图6-32”可查得，收集效率约为95%。当旋风分离器的直径减小时，收集效率会增加，然而压力也会随之增加，使得气体通过旋风分离器所需的动力增加。采用多个旋风除尘器并联，可在不增加动力消耗的情况下提高收集效率。旋风除尘器对于直径为1m或

21、更小颗粒的收集并非十分有效。312、过滤器过滤器可有效控制粒径小于5 m的颗粒。一般使用的过滤器有两种类型：深床过滤器和袋式除尘器。过滤器的集尘机理包括：颗粒大于纤维之间的空隙时的筛选或筛滤作用、纤维本身的拦截作用以及颗粒与纤维间的静电吸引力。当纤维上形成一层灰尘滤块时，筛滤是最主要的机理。滤袋可由天然或人造纤维制成。人造纤维的特点是价格低，对温度和化学试剂有较强的耐受性，纤维直径小，广泛用作过滤材料。滤袋使用寿命为l5年，一般为2年。滤袋直径为0.10.35m，长210m。滤袋以下角作支撑，开口端通过轴环固定，排列成朗但彼此间分隔开。32逆气流袋式除尘器的工作方式是将气体直接导入袋中，颗粒物

22、质以类似于真空吸尘袋那样的方式被收集。倒换气流方向可清洁滤袋，逆流气流加上滤袋内陷使已收集的粉尘块落人漏斗形收集器底部。脉冲式的袋式除尘器，设计成框架结构，这些框架用于支撑滤袋颗粒物质被收集在滤袋外。按脉冲方式向滤袋中注入压缩空气，引起滤袋突然膨胀而使粉尘块脱落。袋式除尘器已获得广泛的工业应用。目前滤袋的材质有较好的耐热性，所以在烟气净化方面得到较广泛的应用。例如棉质和羊毛纤维滤袋，在持续的90100C以上的温度无法使用，但玻璃纤维滤袋可在260C以上使用。33在所有的颗粒控制设备中，只有在过滤法中有可能添加吸附介质，以同时去除气相污染物。滤袋的尺寸大小取决于气体流速与滤布面积的比值(m3/s

23、)/m2滤布面积。注意气体流速与滤布面积比值的单位为速度单位(m/s)。对于传统的纺织纤维滤袋，该比值的平均值为0.01(m3/s)/m2。3 湿式除尘器当被收集的颗粒为潮湿、高温或具腐蚀性时，无法使用纤维过滤器，此时可采用湿式除尘器。湿式除尘器的典型应用包括滑石粉尘、磷酸雾、铸造熔炉粉尘、钢铁熔炉烟尘等排放的控制。湿式除尘器的种类相当多，可用简单的喷雾室去除较粗的颗粒。文丘里除尘器和旋风式除尘器的结合使用，对较细微粒有很高的去除效率。34湿式除尘器的主要操作原理为收集液的液滴速度与污染物颗粒速度不同，当颗粒撞击进入液滴时，液滴-颗粒复合体仍持续悬浮在气流中，被位于下游的收集器去除。由于液滴会

24、使颗粒尺寸增大，所以，与没有液滴时相比，除尘器的效率提高。由Johnstone、Field和Tassler等人提出的下列方程式普遍用于计算除尘效率：式中：-效率；-相关系数，m3气体/m3液体；R-液体流速，m3/m3气体； -惰性碰撞参数。惰性碰撞参数与颗粒、液滴的大小和气体速率之间的关系为C：Cunnigham校正因子，无量纲；P：颗粒的密度，kg/m3；vg：喉管中气体的速率，m/s；dP：颗粒的直径，m；dd：液滴的直径，m；：气体的粘度，Pas。35Cunnigham校正因子说明细小的颗粒不遵循斯托克斯沉降公式，它们倾向于在气体分子间“滑行”，使拖曳系数(CD)降低，从而使颗粒的沉降

25、速度比预期的快。当颗粒的粒径小于1m时，这种现象更为明显。Cunnigham校正因子可用下列方程式近似估算：式中，T-热力学温度，K；dP-颗粒直径， m。Example：假设飞灰颗粒的密度为700kg/m3，且最小粒径为10m。试以粒径为函数，表示具有下列特性的湿式除尘器的除尘效率。文丘里除尘器的特性：喉管截面积=1.00m2；气体流速94.40m3/s ；气体温度150C；液体流速=0.13m3/s；系数200；液滴直径100m。36Solution：首先计算最小颗粒的Cunnigham校正因子，以判断含dp项是否需要保留： C =1+6.2110-4 423/10 = 1+0.0263由

26、此可知，对所有大于10m的颗粒而言，其含dp项的值很小，所以我们可使用近似值C1。喉管中的气体流速：vg=Qg/At=94.4/1.00=94.4m/s；式中A为喉管截面积。从气体温度(150C) 可查得气体的粘度为25.2Pas。求含有dp(单位用m)项的除尘效率：R = 0.13m3/94.40m3气体。由此得到用颗粒的粒径来表示的除尘效率的函数为：37 4静电除尘器利用颗粒的静电沉降作用，可高效率地从热的气流中收集干燥颗粒。静电除尘器通常由金属平板和电线交替排列组成。如图所示。38在金属板与电线间形成强大的直流电压(3075kV)，导致在金属板与电线间产生离子场图6-36(a)。当载有颗

27、粒物的气流通过金属板与电线之间时，离子附着到颗粒上并使之带负电荷图6-36(b)。带负电荷的颗粒于是向带正电荷的金属板迁移并附着于板上图6-36(c)。以一定的时间间隔敲击收集板，则聚结成片的颗粒会脱落进入漏斗状的收集器中。39与袋式除尘器不同，在静电除尘器的净化过程中，平板间的气流不停止。静电除尘器中的气体速度应保持低于1.5m/s，以使颗粒有足够的时间迁移，这样，凝结的颗粒片的沉降速度足以保证其在离开除尘器之前，落入漏斗状的收集器中。经典的计算静电除尘效率的公式，由Deutsch提出：式中，A-金属板收集面积，m2；w-颗粒的迁移速率，m/s；Qg-气体流速，m3/s。颗粒的迁移速率是静电引力的函数，可用下列方程式描述：式中，q-电荷，库仑；Ep-电场强度，V/m；r-颗粒半径，m；C - Cunnigham校正因子。40静电除尘器操作中的一个问题值得特别注意。化石燃料燃烧所排放的气体中，携带的颗粒物质通常称为飞灰(flyash)。静电除尘器通常用于收集飞灰。使用静电除尘器收集飞灰时，在操作中应特