四川大学考研复习笔记大气污染控制工程考研笔记(doc)讲课教案.doc

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大气污染控制工程
（四川大学考研复习笔记）
主要考点分布：
第3章 基础知识
第4章 机械式除尘器
第5章 电除尘器
第6章 过滤式除尘器
第8章 吸收法净化气态污染物
第9章 吸附法净化气态污染物
第10章催化法净化气态污染物

题目分布（章）：
只出计算题：4、5
只出简答题：3、6、11、15
计算和简答：8、9、10

重点章节：4.1、5.4、8.3、9.4、10.3
难点章节：8.2、8.3、9.4
复习大纲：
全面掌握大气污染的来源、途径和机理（包括基本概念、基本理论、基本技能）、大气污染控制的原理、方法
掌握颗粒物的粒径分布及其他物理性质、净化装置的性能指标
了解除尘器的类型，包括各种干式和湿式除尘器
掌握机械、湿式、电除尘器作原理及区别。
掌握物理吸收的机理；掌握化学吸收与吸收计算；重点掌握双膜理论传质计算及填料塔的设计计算，气态污染物的催化净化。
理解和掌握全球气候变化、臭氧层破坏和酸雨污染问题
（往往会出一道全面型论述题，要求全面把握书本及实践知识，要求至少全面阅读教材两遍）

笔记正文
第三章（出简答题或公式推导）
粒径分布的表示方法有表格法、图形法和函数法。
重点：粉尘的粒径和粒径分布、频率分布、筛上频度分布、筛下累计统计。粉尘的物理性质、粉尘的真密度、堆积密度。
除尘装置的性能、除尘效率（总效率、分级效率）
粉尘粒径和粒径分布
一、粉尘粒径
1．一般分为两类：
单一粒径：单个粒子的； 球形颗粒：d=直径
平均粒径：粒子群的。
一）单一粒径
单一粒径分成 投影径

非球形颗粒 几何当量径

物理当量径
1．投影径：指颗粒在显微镜下观察到的粒径。
a．面积等分径（martine），指颗粒的投影面积二等分的直线长度，其与所取的方向有关，常采用与底边平行的线作为粒径。
b．定向径（feret），指颗粒投影面上两平行切线间的距离。

c．长径，不考虑方向的最长径。
d．短径，不考虑方向的最短径。
2．几何当量径：取颗粒的某一几何量（面积、体积等）相同时的球形颗粒的直径。
a． 等投影面积径dA：与颗粒投影面积相同的某一圆面积的直径（一下雷同）。
b． 等体积径dV：
c． 等表面积径dS：
d． 体积表面积平均径de：
3．物理当量径：取颗粒某一物理量相同时的球形颗粒粒径。
a． 自由沉降dt：特定气体中，在重力作用下，密度相同的颗粒因自由沉降而达到的末速度与球形颗粒所达到的末速度相同时的球形颗粒的直径。
b． 空气动力径da：在静止的空气中颗粒的沉降速度与密度为1g/cm3的圆球的沉降速度相同时的圆球的直径。单位。
c． 斯托克斯径(Stokes)dst。（重点考点）
在层流区内（对颗粒的雷诺数Re<2.0）的空气动力径。
Vt——颗粒在流体中的终端沉降速度（m/s）
d．分割粒径（半分离粒径）d50：即分级效率为50%的颗粒直径。（重点考点）

对于一个由大小和形状不相同的粒子组成的实际粒子群与一个由均一的球形粒子组成的假想粒子群相比，若两者的粒径全长相同，则称此球形粒子的直径为实际粒子群的平均粒径。

粒径分布是指某一粒子群中不同粒径的粒子所占的比例，亦称粒子的分散度。
表示方法：个数分布：以粒子的个数所占的比例来表示；
表面积分布：以粒子表面积表示；
质量分布：以粒子质量表示。
常见的表示方法
（1）频数分布ΔR：它是指粒径dp至（dp+Δdp）之间的粒子质量占粒子群总质量的百分数。见图a。 ΔR与选取的粒径间隔的大小有关。
（2）频度分布f：是Δdp=1μm时粒子质量占粒子群的或单位粒径间隔宽度时的频率分布百分数。即： 其微分定义式：
有计算结果可绘出频度分布f的直方图，用粒径间隔中值可绘出频度分布曲线，见图b。
最大频度的粒径dom称为众径。

(3)筛下累积频率分布D/%：指小于某一粒径dp的尘样质量占尘样总质量的百分数。

反之为筛上累积分布R：D=1-R
当D=R=50%时的dp位中位径d50。由图可见，筛上分布R对dp之比为负梯度，筛下分布D对dp之比为正值。因此若已知R、D，则
或也可这样说：若粒径间隔宽度即取极限，则：
即：筛上分布为减函数；筛下分布为增函数。
在除尘技术中，筛上累积分布R比使用频度分布更为方便，所以，在一些国家粉尘标准中多用R表示粒径分布。
装置效率（重点容易出公式推导）
除尘装置的捕集效率代表装置捕集粉尘效果的重要指标。有以下几种表示：
1．总捕集效率ηT：ηT指在同一时间内净化装置去除污染物的量与进入装置的污染物量之百分比。
见下图：

如图：λ0气体流量Q0（m3/s）；污染物流量G0（g/s）；污染物浓度C0（g/m3）。
出口相应的为Qe，Ge，Ce。
净化装置捕集的污染物流量Gc（g/s）有 G0= Ge+Gc
∵G=CQ
∴
∵Q0, Qe与状态有关，
∴常换算成标准状态（0℃，1.013×105Pa）下干气体流量表示，并加脚标“N”

若装置不漏风，QON=QeN

实际上净化装置常有漏风，
k——漏风系数
串联使用净化装置：设每一级的捕集效率为η1、η2、… ηn
总效率：
净化器的性能还可用令一指标表示：即通过率P

2．除尘装置的分级捕集效率
除尘装置的总除尘效率的高低，往往与粉尘粒径大小由很大关系。为了表示除尘效率与粒径间的关系，提出分级效率的概念。
定义：指除尘装置对某一粒径dPi或粒径间隔dPi至dPi+Δdp内粉尘的除尘效率。

a． 由分级效率求总除尘效率
ΔR为频数分布
若分级效率以 的函数形式给出，入口粒径分布以累计分布函数（Di）或频度分布fi=fi(dp)形式给出。
b. 由总效率求分级效率

机械式除尘器（出计算题）
4.1重力沉降室（只在本节出题）
重力沉降室是通过重力从气流中分离尘粒的。其结构如图所示。

沉降室可能是所有空气污染控制装置中最简单和最粗糙的装置。就其本身的特点而论，有广泛的用途。能用于分离颗粒分布中的大颗粒，在某些情况下，其本身就是能进行适当的污染控制，它的主要用途是对更有效的控制装置作为一种初筛选装置。在大颗粒特别多的地方，沉降室能除掉颗粒分布中的大量大颗粒，这些颗粒如不除掉，就要堵塞其它控制装置。
(一) 原理：利用含尘气体中的颗粒受重力作用而自然沉降的原理。含尘气流进入沉降室后，引流动截面积扩大，流速迅速下降，气流为层流，尘粒在重力作用下缓慢向灰斗沉降。
a．沉降速度
由第三章可知，悬浮在空气中的尘粒在重力作用下降落时，起初作加速运动，但当空气的阻力增大到使尘粒所受的合力为零时，它就开始作匀速下降，尘粒的降落速度达到最大恒定速度，该速度即为沉降速度us。
层流区：雷诺数Rep≤1，对球形粒子而言：
（6-2）
当介质为空气时ρp>>ρ则有： （6-3）
由上式可见Vt,若dp小，则Vt就小，故小颗粒就难分离。
若将雷诺数Rep=1代入，可求出尘粒沉降时的临界粒径dc。
得
代入（6-2）得： （6-4）
一般说来方程式6-3应用于粒径小于50μm的球形尘粒，小于100μm得尘粒误差也不大。工业粉尘粒径大致为1—100μm，粒径小于5μm的尘粒实际沉降速度要比Stocks定律预示的大，需修正。故dp≤5μm的尘粒：us=c·us·Stocks
c为修正系数，在空气中温度为20℃，压强为1atm时，
dp为μm。
在其它温度下，Kc值就变化，
（二） 重力沉降室的设计
假设通过重力沉降室断面的水平气流的速度V分布式均匀的，呈层流状态；入口断面上粉尘分布均匀（即每个颗粒以自己的沉降末端速度沉降，互不影响）；在气流流动方向上尘粒和气流速度相等，就可得到除尘设计的简单模式。
1．沉降时间和（最小粒径时的）沉降速度
尘粒的沉降速度为Vt，沉降室的长、宽、高分别为L、W、H，要使沉降速度为Vt的尘粒在沉降室内全部去除，气流在沉降室内的停留时间
t（）应大于或等于尘粒从顶部沉降到灰斗的时间（），即：

将 代入上式，可求出沉降室能100%捕集的最小粒径dmin

上式是在理想状况下得到的，实际中常出现反混现象，工程上常用36代替式中的18，这样理论和实践更接近。室内的气流速度u应根据尘粒的密度和粒径确定。常取0.3—0.5m/s，一般取0.2—2m/s。
沉降室的设计：概括1.沉降时间,2.沉降速度(按要求沉降的最小颗粒)
2．沉降室尺寸
先按算出捕集尘粒的沉降速度us，在假设沉降室内的气流速度V和沉降室高度H（或宽度W），而后求沉降室的长度和宽度（或高度）。
Q=WHV=WLVt
沉降室长度：
沉降室宽度： Q为处理气流量，m3/s
（三）沉降室的结构
重力除尘一般是让气流慢慢地通过结构简单而体积较大的除尘室，这样可为颗粒提供落入底部灰斗的机会。颗粒需要降落的距离可通过在除尘室中放置一些水平隔板而缩短。
类型：重力沉降室可放置导流板，以改变气流的方向，以产生惯性作用，也可利用鱼鳞板、百叶窗以产生惯性作用。有单层沉降室，有多层沉降式（平行的放置一些隔板）。折流板式沉降室（垂直的折流板安装在沉降室的顶部，惯性作用力会增强颗粒的重力作用。当气流被绕过折流板底部的时候，由于气流路径上这段弯曲部分的惯性作用，颗粒被分离下来。
四、实际性能和测试
沉降式的实际性能几乎从不进行实验测量或测试，在最好的情况下，这种装置也只能作为气体的初级净化，除去最大和最重的颗粒。沉降室的除尘效率约为40—70%，仅用于分离dp>50μm的尘粒。穿过沉降室的颗粒物必须用其它的装置继续捕集。
优点：结构简单、投资少、易维护管理、压损小（50—130Pa）。
缺点：占地面积大、除尘效率低。
1．设计要求
（1）．保证粉尘能沉降，L足够长；
（2）．气流在沉降室的停留时间要大于尘粒沉降所需的时间。
（3）．能100%沉降的最小粒径 （重点）
2．设计的主要内容
根据粒径dp算出1）Vt；2）初始确定：V、H,，根据求长度L。
3）根据进气量Q求宽度B，Q=VBH.
电除尘器（出计算题）

5.4粒子的捕集（只在本节出题）
一、 驱进速度
在电场中粉尘的运动主要受静电力和空气动力支配。
静电力 Ep——粒子所处位置的集尘电场强度，V/m
空气动力主要是由于粉尘和气体之间的相对运动所引起的阻力按斯托克斯公式计算：
二力相等时，即F1=F2时，尘粒就达到一个极限速度或终末速度：

ω称为尘粒的驱进速度。从式中可看出，驱进速度ω与尘粒的荷电量、粒径、电场强度及气体的粘性有关，其方向与电场方向一致，垂直于集尘电极表面。因尘粒的荷电量取决于两种荷电机制，故可根据粒径大小确定以哪种荷电方式为主，可得以下驱进速度公式：
较大尘粒： （场荷电的饱和电荷值代入即得）
小于0.2μm的尘粒以扩散荷电方式为主，按怀特公式计算掂量，但这时的空气阻力Fa因分子减产生滑移而减小，需用肯宁输—斯托克斯修正系数c加以修正，得下式： 按此式计算的驱进速度仅是尘粒的平均驱进速度的近似值，因为电场中各点的场强并不相同，荷电量的计算值是近似的，此外，气流、粉尘特性等的影响也未考虑进去。
二、 捕集效率方程式（多依奇方程式）（重点）
电除尘器捕集效率与粉尘性质、场强、气流速度、气体性质及除尘器结构等因素有关，所以严格地从理论上推导捕集效率方程式是困难的，必须作一定的假设。关于捕集效率方程式由许多专家从理论上进行了研究，并推导出了计算式，下面我们介绍两个：
1． 多依奇（Deutsch）方程式：
于1922年提出，他在推导过程中作了一系列假设，主要有：
① 电除尘器中的气流为紊流状态，通过除尘器任一横断面的粉尘浓度是均匀分布的；
② 进入除尘器的粉尘立刻达到了饱和荷电；
③ 忽略电风、气流分布不均匀、二次扬尘等的影响。
在此介绍一下紊流状态：在工业生产中应用的电除尘器皆处于紊流区域内。在紊流状态下，较小尘粒运动主要取决于空气动力特性。它们的运动轨道无法准确预计，但在集尘极板附近的边界层中，由于摩擦使紊流减弱了，每一尘粒都有一垂直于集尘极板的速度分量ω，其大小与气流速度v具有相同的数量集，因而在时间间隔t内，在离极板为ωt的气流层内的粉尘皆能尘降到长度为L的集尘极表面上。

推导过程如下：

设气体流向为x，气体和粒子的流速皆为v（m/s），气体流量Q(m3/s)，粒子浓度为c(g/m3)，流动方向上每单位长度的集尘板面积a(m2/m)，总集尘极板面积Ac（m2），极板长度为L(m)，流动方向上的横截面积为A（m2），粒子驱进速度为ω（m/s），则在dt时间内于dx空间捕集的粒子质量为：
由于vdt=dx ，代入上式得：
将其从除尘器入口（浓度为Ci）到出口（浓度为C0）进行积分，并考虑Fv=Q ,对上式积分，则得到理论捕集方程式：

因为 Fv=Q ， aL=A，代入上式得：
多依奇方程式：（重点）
线板式电除尘器：
L——电场长度；
S——电晕线与集尘板距离；
V——气流速度。
对半径为b的圆管式电除尘器：
多依奇方程式概括地描述了效率与集尘极板表面积，气体流量和粉尘驱进速度之间的关系，指明了提高电除尘器捕集效率的途径，因而被广泛应用在电除尘器的性能分析和设计中
如果粒子比电阻过低，即导电能力强，则带负电的粒子到达集尘极后，不但未将负离子转移到集尘极上进行电性中和而被捕集，反而立刻放出所带负电荷、获得正电荷。若正电荷形成的斥力大于粒子的粘附力，则沉积的粒子又被排斥到气流中，形成重返气流，造成粒子沿着极板表面跳动着前进，最后被气流带出除尘器。石墨、炭黑和金属粉末等都属于这种低阻型粉尘。
反之，若粒子比电阻过高，即导电性差，如水泥、铅、锌等，则称高阻型粉尘。这种粉尘到达集尘极后释放电荷很慢，并残留着部分电荷，这不但会排斥随后而至的带有同性电荷的粒子，影响其沉降，而且引起粉尘层空隙中的气体被电离，发生电晕放电。这种在集尘极上产生电晕放电的现象称为反电晕。另外，电晕产生正离子和负电子，正离子穿过极间区域向电晕极运动，会使集尘场强减弱，粒子所带负电荷部分被正离子中和，粒子电荷减少，因而削弱了粒子的沉降，捕集效率显著降低。（09年简答题）
第6章 过滤式除尘器（只在前两节出简答题）
袋式除尘器捕集尘粒的过程一般可分为两个阶段。最初是含尘气体通过清洁滤布，这时主要靠滤布纤维捕集尘粒。由于清洁滤布的空隙相对较大，故除尘效率较低。其后，随着捕集粉尘量的不断增加，部分尘粒嵌入滤布空隙，部分粉尘覆盖在滤布表面形成粉尘初层。此时，含尘气体的过滤主要靠粉尘层进行，除尘效率大大提高。随着粉尘层的累积、加厚，滤袋两侧压差会逐步加大，通流面积缩小，流速提高，甚至带走部分已沉积颗粒，使分离效率反而下降。因此待粉尘层达到一定厚度时，必须进行清灰，以保证除尘器的长期稳定运行。
袋式除尘器捕集粉尘时，主要是靠粉尘通过布袋时产生的筛分、碰撞、粘附、扩散、静电、重力等效应来捕集的。（01年考点）
过滤速度及过滤比负荷是表示袋式除尘器捕集尘粒的重要技术经济指标。
若过滤速度过高，积在滤料上的粉尘层会被压实，阻力损失急剧增加，由于滤料两侧的压差增加，使粉尘压入滤料内部，甚至穿过滤料混入排出气体，导致出口含尘浓度增加，这种情况在滤料刚清完灰时最为明显。过滤速度过高还会导致滤料上粉尘层的迅速形成，使清灰频率增加。
当过滤速度较低时，阻力损失相对较低，捕集效率相应提高，但过滤面积随之增大，占地面积和一次性投资都会增加。
因此，过滤速度的选择要综合粉尘的性质、滤料种类及清灰方式等因素来确定。
一般而言，当过滤的粉尘较细时，过滤风速应取较小值，反之则应取较大值；此外，当含尘浓度较大时，滤速应取小些，反之则应取大些。（03年考点）
对粒径为0.2~0.4um的粉尘，滤料在不同积尘状态下，其过滤效率都最低。这是因为这一粒径范围的尘粒刚好处于惯性与拦截捕集作用的下限，扩散捕集作用的上限。因此，该粒径的尘粒是最难捕集的。（06年考点）

第七章：（本章大致了解即可）湿式除尘是利用洗涤液来捕集粉尘，利用粉尘与液滴的碰撞及其它作用来使气体净化的方法。
特点（优点）：
① 不仅可除粉尘，还可净化气体；
② 效率较高，粉尘粒径较小；
③ 体积小，占地面积小；
④ 能处理高温、高湿的气流。
缺点：
① 有泥渣；
② 防冻设备（冬天）；
③ 易腐蚀设备；动力消耗大。
第8章 吸收法净化气态污染物（重点）
本章前三节全部是重点！第二节是难点！要整体全面把握！
第9章 吸附法净化气态污染物（重点）
气体在固体表面上的吸附分为物理吸附和化学吸附，两者的吸附机理是完全不同的：
物理吸附的原因是分子间的引力。特征为：1、固体表面与被吸附的气体之间不发生化学反应。2、对吸附的气体没有选择性，可吸附一切气体。3、既可以是单分子层吸附。也可以形成多分子层吸附。4、吸附过程为放热过程，因此低温有利于物理吸附。
化学吸附的原因是化学键力。体征为：1、具有明显的选择性。2、单分子层吸附。3、吸附热量大。4、被吸附分子的结构发生变化而活性升高。5、吸附速率随温度升高而增加。6、是不可逆吸附。
注：另外本章有一个重点就是179页2.固定床穿透时间的计算！
曾在02年03年06年都考过！书上这部分都要好好看！（重点）
第10章催化法净化气态污染物（重点）
催化净化法选用催化剂的原则是：应根据污染气体的成分和确定的化学反应来选择恰当的催化剂，催化剂要求有很好的活性和选择性、足够的机械强度、良好的热稳定性和化学稳定性。另外还要考虑其经济性。
催化剂的加入，诱发了原反应所没有的中间反应，使化学反应沿着新的途径进行。新的反应历程往往包括一系列的基元反应，而在每个基原反应中，由于反应分子与催化剂生成了不稳定的活化络合物，反应分子的化学键发生松弛，使得其活化能大大低于原反应活化能，因而化学方应速度明显加快。
催化剂的作用除能加快化学反应速度外，还具有以下两个特征：
1、 催化剂只能缩短反应达到平衡的时间，而不能使平衡移动，更不能是热力学上不可能发生的反应发生。
2、 催化剂作用具有特殊的选择性。对同种催化剂而言，在不同的化学反应中可以表现出明显不同的活性；而对相同的反应物来说，选择不同的催化剂可以得到不同的产物。
气固相催化反应的过程分为以下七个步骤：1、反应物从气流主体向催化剂外表面扩散（外扩散过程）；2、反应物由催化剂外表面沿微孔方向向催化剂内部扩散（内扩散过程）；3、反应物在催化剂的表面上被吸附（吸附过程）；4、吸附的反应物发生化学反应，转化成反应生成物（表面反应过程）：5、反应生成物从催化剂表面上脱附（脱附过程）；6、脱附的生成物从微孔向外扩散到催化剂的外表面（内扩散过程）；7、生成物从催化剂表面扩散到主气流中被带走（外扩散过程）。
上述7个步骤可以归纳成三个过程：1、7为外扩散过程，主要受气流状况的影响；2、6为内扩散过程，主要受微孔结构的影响；3、4、5都与表面化学有关，统称为表面化学反应过程，主要受化学反应和催化剂性质、温度、气体压强等因素的影响。
显然，催化反应的速度由这7步中最慢的一步决定，这一步称为速度控制步骤。
弄清了反应过程的控制步骤，对选择催化剂的宏观结构（颗粒度、比表面、孔径分布等）及反应条件有很大帮助。对于外扩散和内扩散控制过程，只能从传质的角度考虑改善过程的速度，如改变多孔催化剂的内部结构或改变主气流的速度和床层高度等。对于化学动力学控制过程，则只能用改变温度等办法来提高反应速度。
本章第3节催化反应器及其设计出计算题。重点看会习题第8题！

补充内容：
　　 大气污染的分类
　　 按照大气污染的范围来分，大致可分为四类：①局部地区污染，指局限于小范围的大气污染，如受到某些烟囱排气的直接影响；②地区性污染，指涉及一个地区的大气污染，如工业区及其附近地区或整个城市大气受到污染；③广域污染，指涉及比一个地区或大城市更广泛地区的大气污染；④全球性污染，指涉及全球范围(或国际性)的大气污染。
我国大气污染物主要来源是燃料燃烧。从全国范围看，我国大气污染仍以煤烟型污染为主，大气污染物主要是烟尘和SO2；但由于城市机动车数量的剧增，一些大城市的大气污染已呈现出以机动车尾气污染为主的趋势。
能使地球大气增温的微量组分称为温室气体，主要有CO2、CH4、N2O、CFC3（氟里昂）等。这些微量气体主要吸收7500-13000nm间的长波辐射，使地球的温度上升，即产生温室效应。
主要大气污染物：TSP、PM10、PM2.5、SO2、NOX、CO、CO2、
有机化合物、硫酸烟雾、光化学烟雾
来源 化石燃料燃烧、各种工业过程、生活、交通、自然灾害等。
危害 危害途径：表面接触、吸入、食入
主要危害：1）对人体健康的影响，2）对植物的影响，3）对器物和材料的影响，4）对能见度和气候的影响。
影响微生物讲解的主要环境因素：温度、PH、溶解氧、湿度
温度：在适宜的温度范围内，随着温度的升高，微生物的代谢速率和生长速率均可相应提高，到达最高值后温度再提高对微生物有致死作用。
PH：过高或过低对微生物生长都不利，主要表现为：1、PH变化引起微生物体表面的电荷改变，进而影响微生物对营养元素的吸收：2、影响培养基中有机化合物的离子化作用，从而影响这些物质进入细胞；3、酶的活性降低，影响微生物细胞内的生物化学过程；4、降低微生物对高温的抵抗力。
溶解氧：充氧效果与好样微生物的生长成正相关性；兼性微生物具有脱氢酶和氧化酶，既可以在无氧条件下也可在有氧条件下生存；厌氧微生物只有在无氧条件下才能生存，他们进行发酵或无氧呼吸。
湿度：首先他控制氧的水平，决定是耗氧还是厌氧条件。其次，大多数微生物的生命活动都需要水，而且只有溶解于水相中的污染物才可能被微生物所降解。（03年考点）
废弃净化系统的组成（五部分）及作用：
组成：废弃收集装置、输送管道、净化设备、风机、排气筒。
作用：望文生义即可。

只供学习与交流