大气污染控制工程课程设计实例

大气污染控制工程课程设计实例一、课程设计背景随着工业化和城市化进程的加速，大气污染问题日益严重，对人类健康和生态环境造成了极大的威胁。大气污染控制工程作为环境科学与工程专业的核心课程之一，旨在培养学生掌握大气污染控制的基本理论、方法和技术，具备解决实际大气污染问题的能力。本次课程设计选取了一个典型的工业废气处理案例，通过实际工程分析与设计，使学生深入理解大气污染控制工程的原理和应用，提高学生的工程实践能力和创新思维。

二、设计题目某化工企业生产过程中排放大量含有二氧化硫（SO₂）、氮氧化物（NOₓ）和颗粒物的废气，对周边环境造成严重污染。要求设计一套大气污染控制方案，使废气排放达到国家相关排放标准。

三、废气来源与污染物特性1.废气来源该化工企业主要生产工艺包括原料预处理、化学反应和产品精制等环节。废气主要产生于化学反应过程中，通过管道收集后集中排放。2.污染物特性二氧化硫（SO₂）：废气中SO₂浓度较高，约为2000mg/m³，属于酸性污染物，具有腐蚀性。氮氧化物（NOₓ）：以NO为主，浓度约为800mg/m³，是形成酸雨和光化学烟雾的重要前驱体。颗粒物：主要为固体颗粒，粒径分布较广，平均粒径约为10μm，浓度约为500mg/m³。

四、设计目标与排放标准1.设计目标采用经济合理、技术可行的大气污染控制技术，使废气中的SO₂、NOₓ和颗粒物浓度降低至国家排放标准以下。2.排放标准根据《大气污染物综合排放标准》（GB162971996），该化工企业废气排放执行二级标准，具体指标如下：SO₂：排放浓度≤1200mg/m³，排放速率≤4.3kg/h（15m排气筒）。NOₓ：排放浓度≤240mg/m³，排放速率≤0.77kg/h（15m排气筒）。颗粒物：排放浓度≤150mg/m³，排放速率≤3.5kg/h（15m排气筒）。

五、大气污染控制技术选择与工艺流程设计1.技术选择原则高效去除污染物，确保达标排放。技术成熟可靠，运行稳定。经济合理，投资和运行成本低。易于操作和维护管理。2.控制技术选择SO₂去除：采用石灰石石膏湿法脱硫工艺。该工艺以石灰石为脱硫剂，与废气中的SO₂反应生成亚硫酸钙，再经氧化生成硫酸钙（石膏），从而达到去除SO₂的目的。该工艺脱硫效率高，可达95%以上，技术成熟，运行稳定，是目前应用广泛的脱硫技术之一。NOₓ去除：采用选择性催化还原（SCR）脱硝工艺。在催化剂的作用下，向废气中喷入氨（NH₃），NH₃与NOₓ发生反应，将NOₓ还原为氮气（N₂）和水（H₂O）。SCR脱硝工艺脱硝效率高，可达80%以上，能有效降低NOₓ排放。颗粒物去除：采用布袋除尘器。布袋除尘器利用纤维织物的过滤作用对含尘气体进行过滤，使颗粒物附着在滤袋表面，定期清灰，从而实现颗粒物的去除。该除尘器除尘效率高，可达99%以上，能有效去除不同粒径的颗粒物。3.工艺流程设计废气预处理：废气首先进入预处理系统，通过旋风分离器去除大颗粒粉尘，降低后续处理设备的负荷。脱硫系统：经预处理后的废气进入石灰石石膏湿法脱硫塔，与喷淋而下的石灰石浆液充分接触，发生脱硫反应。脱硫后的废气经除雾器去除水雾后进入后续处理工序。脱硝系统：脱硫后的废气进入SCR脱硝反应器，在催化剂的作用下与喷入的氨发生脱硝反应。脱硝后的废气进入布袋除尘器。除尘系统：废气在布袋除尘器中进一步去除剩余的颗粒物，达标后的废气通过15m高的排气筒排放至大气。副产物处理：脱硫过程中产生的石膏通过石膏脱水系统进行脱水处理，制成石膏产品外售；脱硝过程中未反应的氨通过氨逃逸监测装置进行监测，确保排放达标；布袋除尘器收集的粉尘定期清理，运至指定地点进行处置。

六、主要设备选型与计算1.旋风分离器根据废气流量和颗粒物特性，选用型号为CLT/A8的旋风分离器。其处理风量为5000m³/h，阻力损失约为1000Pa。计算过程：已知废气流量Q=5000m³/h，根据旋风分离器选型手册，选取CLT/A8型旋风分离器，其处理风量范围为40007000m³/h，满足要求。阻力损失可通过经验公式估算：\(\DeltaP=\xi\frac{\rhov^2}{2}\)其中，\(\xi\)为阻力系数，取9；\(\rho\)为废气密度，取1.2kg/m³；v为废气在旋风分离器进口处的流速，通过流量和进口截面积计算：进口截面积\(A=\frac{Q}{v}\)，假设进口流速v=18m/s，则\(A=\frac{5000}{3600\times18}=0.077m²\)\(\DeltaP=9\times\frac{1.2\times18^2}{2}=1049Pa\approx1000Pa\)

2.石灰石石膏湿法脱硫塔选用逆流喷淋空塔作为脱硫塔，塔径D=3m，塔高H=12m。计算过程：（1）塔径计算根据脱硫塔处理风量和空塔气速计算塔径。空塔气速一般取24m/s，这里取3m/s。\(D=\sqrt{\frac{4Q}{\piv}}\)其中，Q=5000m³/h，v=3m/s，则\(D=\sqrt{\frac{4\times5000}{3.14\times3\times3600}}=2.4m\)，圆整后取D=3m。（2）塔高计算脱硫塔高度主要由吸收区高度、除雾器高度和浆液循环区高度等组成。吸收区高度可通过传质单元高度和传质单元数计算：传质单元高度\(H_{OG}=\frac{V}{K_{y}aA}\)其中，V为气相流量，\(V=\frac{Q\rho}{M}\)，Q=5000m³/h，\(\rho=1.2kg/m³\)，\(M=29g/mol\)，则\(V=\frac{5000\times1.2}{0.029}=206897mol/h\)\(K_{y}a\)为气相总体积传质系数，取0.1s⁻¹；A为塔截面积，\(A=\frac{\piD^2}{4}=\frac{3.14\times3^2}{4}=7.065m²\)\(H_{OG}=\frac{206897}{0.1\times7.065\times3600}=8.1m\)传质单元数\(N_{OG}=\frac{y_1y_2}{\Deltay_m}\)其中，\(y_1\)为进口SO₂摩尔分数，\(y_1=\frac{2000\times10^{6}}{29\times1.2\times10^{3}}=0.057\)\(y_2\)为出口SO₂摩尔分数，根据脱硫效率95%，\(y_2=y_1(1\eta)=0.057\times(10.95)=0.00285\)\(\Deltay_m\)为对数平均推动力，\(\Deltay_m=\frac{(y_1y_2)(y_1'y_2')}{\ln\frac{y_1y_2}{y_1'y_2'}}\)假设吸收液中SO₂浓度很低，\(y_1'=0\)，\(y_2'=0\)，则\(\Deltay_m=\frac{(0.0570.00285)0}{\ln\frac{0.0570.00285}{0}}=0.014\)\(N_{OG}=\frac{0.0570.00285}{0.014}=3.87\)吸收区高度\(H_1=N_{OG}H_{OG}=3.87\times8.1=31.3m\)除雾器高度取1m，浆液循环区高度取2m，则塔高\(H=H_1+1+2=34.3m\)，圆整后取H=12m。

3.SCR脱硝反应器选用蜂窝式催化剂，反应器尺寸为长×宽×高=4m×3m×2m。计算过程：根据脱硝效率和催化剂性能参数计算催化剂体积。脱硝反应方程式为：\(4NH₃+4NO+O₂\longrightarrow4N₂+6H₂O\)已知NO流量\(V_{NO}=\frac{800\times10^{6}\times5000\times1.2}{30\times10^{3}}=160mol/h\)根据脱硝效率80%，则需要消耗的NH₃流量\(V_{NH₃}=\frac{4}{4}\timesV_{NO}\times\eta=160\times0.8=128mol/h\)假设催化剂的脱硝效率为80%，空速为3000h⁻¹，则催化剂体积\(V=\frac{V_{NO}}{v}\)其中，v为空速，\(v=3000h⁻¹\)，则\(V=\frac{160}{3000}=0.053m³\)选取蜂窝式催化剂，每立方米催化剂体积为20m³，则所需催化剂总体积\(V_{总}=\frac{0.053}{20}=0.00265m³\)根据反应器尺寸和催化剂装填方式，设计反应器尺寸为长×宽×高=4m×3m×2m。

4.布袋除尘器选用脉冲布袋除尘器，处理风量为5000m³/h，过滤面积为100m²，滤袋材质为聚酯纤维。计算过程：已知废气流量Q=5000m³/h，过滤风速一般取0.52m/min，这里取1m/min。过滤面积\(A=\frac{Q}{60v}\)其中，v为过滤风速，\(v=1m/min\)，则\(A=\frac{5000}{60\times1}=83.3m²\)，圆整后取100m²。滤袋材质根据废气特性和运行要求选择聚酯纤维，具有良好的过滤性能和耐腐蚀性。

七、运行成本分析1.原料成本石灰石：石灰石用量根据脱硫反应方程式计算。\(CaCO₃+SO₂\longrightarrowCaSO₃+CO₂\)已知SO₂流量\(V_{SO₂}=\frac{2000\times10^{6}\times5000\times1.2}{64\times10^{3}}=187.5mol/h\)则石灰石用量\(V_{CaCO₃}=V_{SO₂}=187.5mol/h\)石灰石摩尔质量为100g/mol，则石灰石用量\(m_{CaCO₃}=187.5\times0.1=18.75kg/h\)每天运行24小时，则每天石灰石用量\(m_{CaCO₃}^{day}=18.75\times24=450kg\)石灰石价格按500元/吨计算，则每天石灰石成本\(C_{CaCO₃}=450\times0.5=225元\)氨：氨用量根据脱硝反应方程式计算。\(4NH₃+4NO+O₂\longrightarrow4N₂+6H₂O\)已知NO流量\(V_{NO}=\frac{800\times10^{6}\times5000\times1.2}{30\times10^{3}}=160mol/h\)则氨用量\(V_{NH₃}=V_{NO}=160mol/h\)氨摩尔质量为17g/mol，则氨用量\(m_{NH₃}=160\times0.017=2.72kg/h\)每天运行24小时，则每天氨用量\(m_{NH₃}^{day}=2.72\times24=65.28kg\)氨价格按3000元/吨计算，则每天氨成本\(C_{NH₃}=65.28\times3=195.84元\)2.电费脱硫泵：功率为15kW，每天运行24小时，则每天电费\(C_{脱硫泵}=15\times24\times0.5=180元\)脱硝风机：功率为10kW，每天运行24小时，则每天电费\(C_{脱硝风机}=10\times24\times0.5=120元\)布袋除尘器脉冲阀：功率为5kW，每天运行24小时，则每天电费\(C_{脉冲阀}=5\times24\times0.5=60元\)总电费\(C_{电}=C_{脱硫泵}+C_{脱硝风机}+C_{脉冲阀}=180+120+60=360元\)3.设备折旧与维护费用设备投资按10年折旧，每年折旧费用为设备投资的10%。假设设备总投资为50万元，则每年折旧费用\(C_{折旧}=500000\times0.1=50000元\)，每天折旧费用\(C_{折旧}^{day}=\frac{50000}{365}=137元\)维护费用按设备投资的5%计算，每年维护费用为\(500000\times0.05=25000元\)，每天维护费用\(C_{维护}^{day}=\frac{25000}{365}=68元\)设备折旧与维护费用每天总计\(C_{折旧与维护}=C_{折旧}^{day}+C_{维护}^{day}=137+68=205元\)4.运行成本总计每天运行成本\(C=C_{CaCO₃}+C_{NH₃}+C_{电}+C_{折旧与维护}=225+195.84+360+205=985.84元\)每年运行成本\(C_{年}=985.84\times365=359831.6元\)