1、5.8 室內空氣質量模型式中V-房間體積，m3；C-污染物濃度，g/m3；Q-空氣進入房間的速率， m3/s；Ca-室外空氣中污染物濃度， g/m3；E-從空氣污染源進入房間內的污染物排放速率，g/s；k-污染物的反應速率常數，s-1。第五章 空氣污染1上述方程式的一般解為：部分污染物的衰減速率常數見下表：235.9 固定源的空氣污染控制5.9.1 氣態污染物(1) 吸收作用根據吸收作用原理制造的控制設備，可將污染物從氣相轉移至液相。這是一個氣體溶于液體的傳質過程。溶解過程可能會伴有與液體中成分間的化學反應發生。傳質是一個擴散過程，污染物氣體從高濃度處移向低濃度處。污染物氣體的去除由三個步驟完

2、成：（1）污染氣體擴散至液體表面；（2）穿過氣液界面(溶解)；（3）溶解氣體離開界面擴散進入液體。4噴霧室，噴霧塔或噴霧柱是用來吸收污染氣體的兩種裝置。噴霧室：利用液滴來吸收氣體。噴霧塔：利用液體薄膜作為吸收介質。不論利用哪種類型的裝置，污染物在液體中的溶解度必須相當高。若以水作溶質，對NH3、C12及SO2等少數無機氣體的去除會受到限制。洗塵器的吸收效率較低，但具有能同時去除顆粒物的優點。噴霧塔效率較高，但易被顆粒物質堵塞。5非反應性溶液的吸收量受污染物的分壓控制。污染控制系統中的稀溶液，其分壓與溶液中氣體濃度的關系，可用亨利定律(Henrys law)表示： Pg KHCequil式中：P

3、g 溶液中溶質在氣相中的平衡分壓，kPa； KH 亨利常數， kPam3/g； Cequil 液相中污染氣體的濃度，g/m3。該公式表明：當溶液中積累的污染物增加時，其氣體分壓也必然增加，否則污染物會從液體釋放出來。當液體將污染物從氣相中除去時，即當氣體被凈化時，其分壓降低，但這與所期望發生的情形正好相反。6解決此問題最簡單的方法是使氣體和液體向相反方向流動，稱為逆向流。這樣，高濃度氣體被吸收進入具有高污染物濃度的液體，低濃度氣體將被吸收進入具有低污染物濃度的液體。逆向流吸收柱的質量平衡圖。其質量平衡方程式為：式中：Gm1和Gm2為進入和流出吸收柱的總氣體(空氣加上污染物)流量，kg或mol/

4、h；y1和y2為柱人口和柱出口處氣相中污染物的摩爾分數；Lm1和Lm2為進入和流出吸收柱的總液體(溶劑加上被吸收的污染物)流量，kg或mol/h；x1和x2為柱人口和柱出口處液相中污染物的摩爾分數。7氣體流速、液體流速和塔高為設計填充塔的三個重要參數，這三個參數間相互關聯。若考慮吸收塔中的一微分高度dZ，如“圖6-25”所示，則質量傳遞的界面面積可定義為： 質量傳遞面積=AdZ式中： 單位填充體積的表面積；A 柱的截面積。可用下列微分方程式來描述氣體i進入溶液的質量傳遞速率Ni：式中：Ky 氣體的總傳質系數；y和y* 污染物在氣相摩爾分數和在液相中的摩爾分數。 第i種氣體的傳質速率是：NiAd

5、Z而質量等于氣流通過微分高度dZ時氣相所損失的質量： 損失的質量d(Gmy)8單位面積的質量流速Gm和摩爾比Y：并注意有：式中Gc是不含污染物時載氣的質量流量。令傳遞的質量等于損失的質量，得到：或者：吸收塔中任一位置的傳質推動力（y-y*）可以寫成：y-y* = (1-y*)-(1-y)定義：dZ的表達式可以轉化為：9傳質單元高度Hog：傳質單元數Nog：吸收塔柱高：Zt = Hog Nog對于遵循亨利定律的稀溶液，總的氣體傳質單元數可按下式求得：式中，y1，y2為吸收柱入口和出口處氣相中污染物的摩爾分數；m為由亨利定律作出的平衡曲線的斜率，m=y*/x*（摩爾分數），無單位；x2為污染物在吸

6、收柱液相中的摩爾分數；A = mQg/Ql， Qg和Ql分別為氣體或液體的流速，kg或mol/(h或m2)。10Example：利用下列所給數據，計算將空氣中NH3的濃度由0.10kg/m3降至0.0005kg/m3所需填充柱的高度。柱直徑：3.00m，操作溫度20.0，操作壓力：101.325 kPa，Hg= 0.438m，Hl = 0.250m，Qg=Ql=10.0kg/s；吸收液為不含NH3的水溶液。Solution：已知NH3的相對分子質量為17.030，并假設空氣的相對分子質量為28.970，先將單位換成摩爾分數。25C空氣密度為1.185kg/m3，操作溫度為20C，所以20時的空

7、氣密度為：1.185kg/m3（298/293）=1.20kg/m311計算在吸收柱入口處的摩爾分數y1：利用同樣的方法可求得吸收柱出口處的摩爾分數y2=0.000706。因為吸收液不含NH3，所以其摩爾分數為x2=0。以摩爾分數為單位的亨利常數需要通過實驗數據求得。從化工手冊中可以查到下列數據：將上表中每一個數值轉換為摩爾分數，x*對y*作圖(星號*表示在穩定狀態下)，則直線的斜率為m。12下面說明如何求得第一個x*和y*值。已知總壓為101.325 kPa，H2O的相對分子質量為18.015，當每100kg H2O中溶有15kgNH3時：利用四對x*和y*值，通過最小二乘線形回歸法求得直線

8、的斜率為m=1.068。以摩爾為單位的A值，可由下式求出：氣體傳遞單元數為：13氣體傳遞單元的高度為 Hog = 0.438m + 0.66410.250m = 0.6040m吸收柱的高度為： Zt = 0.6040m 12.5545 = 7.5832m 8m。由于物質在吸收柱內既不會產生也不會消失，所以進入和離開吸收柱的NH3質量必須相等。在等溫穩定狀態(即氣態與液態中NH3進出的速率相等)，則可利用質量平衡方程式求解出x1。計算求得x1 = 0.08734，經換算得NH3濃度為90300mg/L。該例說明：在解決空氣污染問題的同時，卻產生了嚴重的水污染問題。142. 吸附作用吸附是氣體結合

9、到固體上去的質量傳遞過程，是一種表面現象。氣體(吸附質)進入固體(吸附劑)的孔隙中但并未進入其晶格內。吸附過程可能是物理過程，也可能是化學過程。物理吸附的實質是一種物理過程，一般沒有選擇性，在吸附過程中沒有電子轉移，沒有化學鍵的生成與破壞，沒有原子重排等，主要是范德華引力起作用。化學吸附實質上是一種化學反應，具有選擇性，在化學吸附過程中，氣體和固體表面發生了化學反應。吸附過程中，經常將吸附劑置于壓力容器中的固定床里。活性炭、分子篩、硅膠和活性氧化鋁是最普遍使用的吸附劑。活性氧化鋁為多孔性的水合氧化鋁。15這些吸附劑的共同特點是：經過處理后每單位體積具有極大的“活性”表面積，可有效地吸附碳氫化合

10、物等污染物，此外還可用于吸附H2S和SO2氣體。特殊形式的分子篩也可用于吸附NO2。除活性炭外，上述吸附劑的共同缺點是對水有優先選擇性吸附作用，即在吸收水分后才開始吸附污染物。因此在將這些吸附劑用于處理氣體之前，需先去除其中的水分。所有的吸附劑在一定的高溫下(活性炭為150C，分子篩600C，硅膠為400C，活性氧化鋁為500C)會發生變化。在這些溫度下，其吸附能力很弱。實際上就是吸附劑活性再生的溫度。16恒溫下，污染物被吸附的量與平衡壓力的關系曲線，稱為吸附等溫線(adsorption isotherm)。由Langmuir導出的公式，可很好地描述氣體物質的吸附：將上式改寫為： 以Cg*/W

11、 對Cg*作圖，可得到一直線，其斜率為b/a，截距等于1/a。在吸收柱里，被收集的污染物可連續地通過流動的液體帶走，得到去除。與之相反，在吸附過程中被收集的污染物將滯留在吸附床中。當吸附床中污染物濃度達到飽和時，污染物便開始釋放出來，這種現象稱為“穿透”（breakthrough）。W：單位質量吸附劑所吸附氣體的質量，kg/kg； a, b：由實驗確定的常數；Cg*：氣體污染物的平均濃度，g/m3。17典型的穿透曲線：18為了進行連續操作，需要兩個吸附床，使吸附與再生同時進行。再生過程中被釋放出來的濃縮氣體通常作為揮手產品再返回到生產過程中。吸附床在出現穿透現象之前所能運行的時間是一個關鍵因素

12、。穿透時間可按下列公式計算：一般情況下，吸附床高度Zt的計算與吸收柱高度計算方法相同。Nog可以通過積分求得：Zt：吸附床的高度，m；：吸附區的寬度，m；vf：吸附區的速度，m/sCg* ：langmuir方程式中的平衡濃度；C：操作曲線上的點對應的濃度值。19吸附區的寬度與吸附等溫線的形狀有關。吸附區的速度可根據吸收系統的特性來計算：3. 燃燒當氣流中的污染物可被氧化成惰性氣體時，燃燒是一種可行的污染控制方案。CO和CxHy就屬于這類污染物。選擇直接火焰燃燒法的兩個條件為：(1) 氣流的能量密度必須 3.7MJ/m3。這時，點火后氣體可自行維持燃燒，低于此值則需提供輔助燃料。(2) 燃燒后不

13、產生有毒的副產物。在某些情況下，燃燒副產物可能比原來的污染體毒性更大。例如燃燒三氯乙烯會產生光氣(光氣在第一次世界大戰中被當作毒氣使用)。s：吸附劑的填充密度g：氣體的密度，kg/m3Ac：吸附床的截面積，m220能量值低于3.7MJ/m3的氣體，可利用一些催化劑來幫助氧化燃燒。傳統方法中催化劑置于類似于吸附床的床體內。常用活性催化劑是鉑或鈀的化合物，使用陶瓷作載體。使用催化劑除價格昂貴外，其主要缺點是微量的硫和鉛的化合物會使催化劑中毒。5.9.2 煙氣脫硫煙氣脫硫(flue gas desulfurization，FGD)系統分為兩大類：非再生型與再生型。非再生型是指用于脫硫的試劑用完后就扔

14、棄。再生型則是指脫硫試劑可再生后重新利用。從所建立的系統個數和大小來看，非再生系統占優勢。非再生系統目前已建有9種工業性的非再生系統。這些系統脫硫的化學原理為：利用石(CaO)、燒堿(NaOH)、蘇打灰(Na2CO3)或氨(NH3)與煙氣中的二氧化硫進行化學應，以達到脫硫的目的。21利用石灰/石灰石的煙氣脫硫系統，將SO2轉化為亞硫酸鹽，總反應式可表示如下： SO2+CaCO3 CaSO3+CO2 SO2+Ca(OH)2 CaSO3+H2O當分別使用石灰或石灰石時，部分亞硫酸鹽會與煙氣中的氧氣反應形成硫酸鹽： CaSO3 + O2 CaSO4盡管總的反應很簡單，但其化學反應過程卻相當復雜。石灰

15、與石灰石的選擇、石灰石的種類、石灰煅燒和熟化的方法均會影響吸收裝置中氣體-液體-固體三相間的反應。濕式除塵系統中所使用的吸收器主要有：文丘里除塵器/吸收器、固定填充床除塵器、盤塔及噴塔等。22干式噴霧煙氣脫硫系統由一個或多個噴霧干燥器和顆粒收集器組成。所用的試劑是熟石灰漿或生石灰漿。石灰是最常用的試劑，有時也使用蘇打灰。在噴霧干燥器中試劑以液滴狀噴入煙氣內，試劑液滴吸收SO2同時被干燥。理想的情況是液滴在接觸干燥器的器壁之前已被完全干燥。在滴狀試劑的蒸發過程中，煙氣流會變得潮濕，但尚未被水蒸氣飽和。這就是干燥式噴霧煙氣脫硫與濕式除塵煙氣脫硫二者間最大的區別。潮濕的氣流與顆粒物質(飛灰、煙氣脫硫

16、反應產物和未反應的試劑)被煙氣帶到位于噴霧干燥器下游的顆粒收集器。235.9.3 氮氧化物控制技術空氣中幾乎所有的氮氧化物(NOx)污染均是由燃燒造成的。它們產生于燃料中含氮物質的氧化、燃氣中的氧分子與氮氣在溫度為1600K以上發生的反應、燃氣中的氮氣與碳氫自由基的反應。NOx的控制技術分為兩類：一類是在燃燒過程防止NOx的生成，即預防；另一類是將燃燒過程中產生的NOx轉化成氮氣和氧氣，即后燃燒。（1）預防其基本原理為降低燃燒區域的火焰溫度，減少NOx的生成。有9種方法可用來降低火焰溫度： 操作溫度減到最小； 切斷燃料； 減少過剩的空氣量； 煙道氣回流； 稀燃料燃燒； 分段燃燒； 用低NOx燃

17、燒器； 二次燃燒；水/蒸汽注入。24調整燃燒器，使燃燒在燃燒區的最低溫度下進行，可減少燃料消耗和NOx生成。利用含氮量較低或可在較低溫度下燃燒的燃料可降低NOx的生成。減少過剩空氣量、進行煙氣回流的目的主要是通過減小氧氣濃度來降低火焰溫度。與此相反，在稀燃料燃燒過程中，引入過量的空氣是為了冷卻火焰。分段燃燒是將部分燃料和所有的燃氣注入第一級燃燒區，過量空氣所造成的低火焰溫度限制了NOx的生成。水/蒸汽的注入因降低火焰溫度而減少了NOx的排放。25（2）后燃燒有3種過程可將NOx轉化為氮氣：選擇性催化還原（SCR）、選擇性非催化還原（SNCR）以及非選擇性催化還原（NSCR）。（I）SCR過程：

18、使用催化劑床（通常是將V-Ti或Pt催化劑負載于沸石上）和無水的NH3。在燃燒后，將NH3注入催化劑床的上游， NOx與NH3反應生成氮氣和水。（II）SNCR過程：在適當溫度下（8701090C），將NH3或尿素注入煙氣中，尿素首先轉變成NH3，然后與氮氧化物反應生成氮氣和水。（III）NSCR過程：使用類似于應用在汽車中的三向催化劑，除了可以控制NOx之外，還可以將碳氫化合物和一氧化碳轉變成CO2和水。265.9.4 顆粒污染物1、旋風除塵器對于直徑大于10m的顆粒，可選擇旋風除塵器收集。含顆粒物的氣體經螺旋運動被加速，顆粒產生離心力，從而從旋轉的氣體中被拋出，撞擊到除塵器的器壁上。然后滑

19、落到底部被收集起來。27標準式旋風分離器的比例圖：28對于不同尺寸的顆粒的收集效率可由Lapple提出的經驗式和經驗圖求得：d0.5：去除直徑，收集效率為50%的顆粒直徑；：氣體粘度，Pas；B：入口寬度，m；H：入口高度，m；P：顆粒密度，kg/m3；Qg：氣體流速，m3/s；：有效旋轉圈數。式中可以由下式求得： = /H(2L1+L2)其中L1及L2分別代表圓柱及圓錐的高度。見“圖6-31”旋風分離器的比例圖。29Example：確定具有下列特性的“標準”旋風分離器對密度為800kg/m3、直徑為10m顆粒的收集效率：旋風分離器圓筒直徑=0.5m，氣流速率=4.0m3/s，氣體溫度=25C

20、。Solution：根據標準旋風分離器的比例，可計算出以下各量：B=0.250.5m=0.13m；H=0.50.5m=0.25m；L1=L2=2 0.5m=1.0m。旋轉圈數為： = /H(2L1+L2) = 37.7。由氣體溫度查得氣體粘度為18.5Pas。則去除直徑為：d0.5=2.41m。30該尺寸顆粒所占的比例：d/d0.5=10m/2.41m=4.15由“圖6-32”可查得，收集效率約為95%。當旋風分離器的直徑減小時，收集效率會增加，然而壓力也會隨之增加，使得氣體通過旋風分離器所需的動力增加。采用多個旋風除塵器并聯，可在不增加動力消耗的情況下提高收集效率。旋風除塵器對于直徑為1m或

21、更小顆粒的收集并非十分有效。312、過濾器過濾器可有效控制粒徑小于5 m的顆粒。一般使用的過濾器有兩種類型：深床過濾器和袋式除塵器。過濾器的集塵機理包括：顆粒大于纖維之間的空隙時的篩選或篩濾作用、纖維本身的攔截作用以及顆粒與纖維間的靜電吸引力。當纖維上形成一層灰塵濾塊時，篩濾是最主要的機理。濾袋可由天然或人造纖維制成。人造纖維的特點是價格低，對溫度和化學試劑有較強的耐受性，纖維直徑小，廣泛用作過濾材料。濾袋使用壽命為l5年，一般為2年。濾袋直徑為0.10.35m，長210m。濾袋以下角作支撐，開口端通過軸環固定，排列成朗但彼此間分隔開。32逆氣流袋式除塵器的工作方式是將氣體直接導入袋中，顆粒物

22、質以類似于真空吸塵袋那樣的方式被收集。倒換氣流方向可清潔濾袋，逆流氣流加上濾袋內陷使已收集的粉塵塊落人漏斗形收集器底部。脈沖式的袋式除塵器，設計成框架結構，這些框架用于支撐濾袋顆粒物質被收集在濾袋外。按脈沖方式向濾袋中注入壓縮空氣，引起濾袋突然膨脹而使粉塵塊脫落。袋式除塵器已獲得廣泛的工業應用。目前濾袋的材質有較好的耐熱性，所以在煙氣凈化方面得到較廣泛的應用。例如棉質和羊毛纖維濾袋，在持續的90100C以上的溫度無法使用，但玻璃纖維濾袋可在260C以上使用。33在所有的顆粒控制設備中，只有在過濾法中有可能添加吸附介質，以同時去除氣相污染物。濾袋的尺寸大小取決于氣體流速與濾布面積的比值(m3/s

23、)/m2濾布面積。注意氣體流速與濾布面積比值的單位為速度單位(m/s)。對于傳統的紡織纖維濾袋，該比值的平均值為0.01(m3/s)/m2。3 濕式除塵器當被收集的顆粒為潮濕、高溫或具腐蝕性時，無法使用纖維過濾器，此時可采用濕式除塵器。濕式除塵器的典型應用包括滑石粉塵、磷酸霧、鑄造熔爐粉塵、鋼鐵熔爐煙塵等排放的控制。濕式除塵器的種類相當多，可用簡單的噴霧室去除較粗的顆粒。文丘里除塵器和旋風式除塵器的結合使用，對較細微粒有很高的去除效率。34濕式除塵器的主要操作原理為收集液的液滴速度與污染物顆粒速度不同，當顆粒撞擊進入液滴時，液滴-顆粒復合體仍持續懸浮在氣流中，被位于下游的收集器去除。由于液滴會

24、使顆粒尺寸增大，所以，與沒有液滴時相比，除塵器的效率提高。由Johnstone、Field和Tassler等人提出的下列方程式普遍用于計算除塵效率：式中：-效率；-相關系數，m3氣體/m3液體；R-液體流速，m3/m3氣體； -惰性碰撞參數。惰性碰撞參數與顆粒、液滴的大小和氣體速率之間的關系為C：Cunnigham校正因子，無量綱；P：顆粒的密度，kg/m3；vg：喉管中氣體的速率，m/s；dP：顆粒的直徑，m；dd：液滴的直徑，m；：氣體的粘度，Pas。35Cunnigham校正因子說明細小的顆粒不遵循斯托克斯沉降公式，它們傾向于在氣體分子間“滑行”，使拖曳系數(CD)降低，從而使顆粒的沉降

25、速度比預期的快。當顆粒的粒徑小于1m時，這種現象更為明顯。Cunnigham校正因子可用下列方程式近似估算：式中，T-熱力學溫度，K；dP-顆粒直徑， m。Example：假設飛灰顆粒的密度為700kg/m3，且最小粒徑為10m。試以粒徑為函數，表示具有下列特性的濕式除塵器的除塵效率。文丘里除塵器的特性：喉管截面積=1.00m2；氣體流速94.40m3/s ；氣體溫度150C；液體流速=0.13m3/s；系數200；液滴直徑100m。36Solution：首先計算最小顆粒的Cunnigham校正因子，以判斷含dp項是否需要保留： C =1+6.2110-4 423/10 = 1+0.0263由

26、此可知，對所有大于10m的顆粒而言，其含dp項的值很小，所以我們可使用近似值C1。喉管中的氣體流速：vg=Qg/At=94.4/1.00=94.4m/s；式中A為喉管截面積。從氣體溫度(150C) 可查得氣體的粘度為25.2Pas。求含有dp(單位用m)項的除塵效率：R = 0.13m3/94.40m3氣體。由此得到用顆粒的粒徑來表示的除塵效率的函數為：37 4靜電除塵器利用顆粒的靜電沉降作用，可高效率地從熱的氣流中收集干燥顆粒。靜電除塵器通常由金屬平板和電線交替排列組成。如圖所示。38在金屬板與電線間形成強大的直流電壓(3075kV)，導致在金屬板與電線間產生離子場圖6-36(a)。當載有顆

27、粒物的氣流通過金屬板與電線之間時，離子附著到顆粒上并使之帶負電荷圖6-36(b)。帶負電荷的顆粒于是向帶正電荷的金屬板遷移并附著于板上圖6-36(c)。以一定的時間間隔敲擊收集板，則聚結成片的顆粒會脫落進入漏斗狀的收集器中。39與袋式除塵器不同，在靜電除塵器的凈化過程中，平板間的氣流不停止。靜電除塵器中的氣體速度應保持低于1.5m/s，以使顆粒有足夠的時間遷移，這樣，凝結的顆粒片的沉降速度足以保證其在離開除塵器之前，落入漏斗狀的收集器中。經典的計算靜電除塵效率的公式，由Deutsch提出：式中，A-金屬板收集面積，m2；w-顆粒的遷移速率，m/s；Qg-氣體流速，m3/s。顆粒的遷移速率是靜電引力的函數，可用下列方程式描述：式中，q-電荷，庫侖；Ep-電場強度，V/m；r-顆粒半徑，m；C - Cunnigham校正因子。40靜電除塵器操作中的一個問題值得特別注意。化石燃料燃燒所排放的氣體中，攜帶的顆粒物質通常稱為飛灰(flyash)。靜電除塵器通常用于收集飛灰。使用靜電除塵器收集飛灰時，在操作中應特