《环境工程学》课程作业及答案解读.doc

第一次作业1. 根据我国的环境空气质量标准的二级标准，求出SO2、NO2、CO三种污染物日平均浓度限值的体积分数。解：由我国环境空气质量标准二级标准查得三种污染物日平均浓度限值如下：SO2：0.15mg/m3，NO2：0.12mg/m3，CO：4.00mg/m3。按标准状态下1m3干空气计算，其摩尔数为。故三种污染物体积百分数分别为：SO2：，NO2：CO：。2. CCl4气体与空气混合成体积分数为1.50104的混合气体，在管道中流动的流量为10m3N、/s，试确定：1）CCl4在混合气体中的质量浓度（g/m3N）和摩尔浓度c（mol/m3N）；2）每天流经管道的CCl4质量是多少千克？解：1）（g/m3N） c（mol/m3N）。2）每天流经管道的CCl4质量为1.03110360024103kg=891kg3.已知重油元素分析结果如下：C：85.5% H：11.3% O：2.0% N：0.2% S：1.0%，试计算：1）燃油1kg所需理论空气量和产生的理论烟气量； 2）干烟气中SO2的浓度和CO2的最大浓度； 3）当空气的过剩量为10%时，所需的空气量及产生的烟气量。解：1kg燃油含：重量（g） 摩尔数（g） 需氧数（g）C 855 71.25 71.25H 1132.5 55.25 27.625S 10 0.3125 0.3125H2O 22.5 1.25 0N元素忽略。1）理论需氧量 71.25+27.625+0.3125=99.1875mol/kg设干空气O2：N2体积比为1：3.78，则理论空气量99.18754.78=474.12mol/kg重油。即474.1222.4/1000=10.62m3N/kg重油。烟气组成为CO271.25mol，H2O 55.25+11.25=56.50mol，SO20.1325mol，N23.7899.1875=374.93mol。理论烟气量 71.25+56.50+0.3125+374.93=502.99mol/kg重油。即502.9922.4/1000=11.27 m3N/kg重油。2）干烟气量为502.9956.50=446.49mol/kg重油。SO2百分比浓度为，空气燃烧时CO2存在最大浓度。3）过剩空气为10%时，所需空气量为1.110.62=11.68m3N/kg重油，产生烟气量为11.267+0.110.62=12.33 m3N/kg重油。4. 普通煤的元素分析如下：C65.7%；灰分18.1%；S1.7%；H3.2%；水分9.0%；O2.3%。（含N量不计）1）计算燃煤1kg所需要的理论空气量和SO2在烟气中的浓度（以体积分数计）；2）假定烟尘的排放因子为80%，计算烟气中灰分的浓度（以mg/m3表示）；3）假定用硫化床燃烧技术加石灰石脱硫。石灰石中含Ca35%。当Ca/S为1.7（摩尔比）时，计算燃煤1t需加石灰石的量。解：相对于碳元素作如下计算：%（质量） mol/100g煤 mol/mol碳C 65.7 5.475 1H 3.2 3.2 0.584S 1.7 0.053 0.010O 2.3 0.072 0.013灰分 18.1 3.306g/mol碳水分 9.0 1.644g/mol碳故煤的组成为CH0.584S0.010O0.013，燃料的摩尔质量（包括灰分和水分）为。燃烧方程式为n=1+0.584/4+0.0100.013/2=1.14951）理论空气量；SO2在湿烟气中的浓度为2）产生灰分的量为 烟气量（1+0.292+0.010+3.781.1495+1.644/18）1000/18.2622.4103=6.826m3/kg灰分浓度为mg/m3=2.12104mg/m33）需石灰石/t煤5.干烟道气的组成为：CO211%（体积），O28%，CO2%，SO2120106（体积分数），颗粒物30.0g/m3（在测定状态下），烟道气流流量在700mmHg和443K条件下为5663.37m3/min，水气含量8%（体积）。试计算：1）过量空气百分比；2）SO2的排放浓度（）；3）在标准状态下（1atm和273K），干烟道体积；4）在标准状态下颗粒物的浓度。解：1）N2%=111%8%2%0.012%=78.99%由大气污染控制工程P46 （211）空气过剩2）在测定状态下，气体的摩尔体积为；取1m3烟气进行计算，则SO2120106m3，排放浓度为。3）。4）。第二次作业1. 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、质量中位直径、个数中位直径、算数平均直径及表面积体积平均直径。粉尘粒径/0224466101020204040浓度/0.812.2255676273解：在对数概率坐标纸上作出对数正态分布的质量累积频率分布曲线，读出质量中位直径d50（MMD）=10.3、d84.1=19.1、d15。9=5.6。按大气污染控制工程P129（524）；P129（526）；P129（529）。2. 根据对某旋风除尘器的现场测试得到：除尘器进口的气体流量为10000m3N/h，含尘浓度为4.2g/ m3N。除尘器出口的气体流量为12000 m3N/h，含尘浓度为340mg/ m3N。试计算该除尘器的处理气体流量、漏风率和除尘效率（分别按考虑漏风和不考虑漏风两种情况计算）。解：气体流量按P141（543）；漏风率P141（544）；除尘效率：考虑漏风，按P142（547）不考虑漏风，按P143（548）3.对于题2中给出的条件，已知旋风除尘器进口面积为0.24m2，除尘器阻力系数为9.8，进口气流温度为423K，气体静压为490Pa，试确定该处尘器运行时的压力损失（假定气体成分接近空气）。解：由气体方程得按大气污染控制工程P142（545）。4. 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%。试计算该处尘系统的总除尘效率、粉尘排放浓度和排放量。解：按大气污染控制工程P145（558）粉尘浓度为，排放浓度10（199%）=0.1g/m3；排放量2.220.1=0.222g/s。5. 某燃煤电厂除尘器的进口和出口的烟尘粒径分布数据如下，若除尘器总除尘效率为98%，试绘出分级效率曲线。粉尘间隔/0.60.60.70.70.80.81.0122334质量频率 /%进口g12.00.40.40.73.56.024.0出口g27.01.02.03.014.016.029.0粉尘间隔/45566881010122030质量频率 /%进口g113.02.02.03.011.08.0出口g26.02.02.02.58.57.0解：按大气污染控制工程P144（552）（P=0.02）计算，如下表所示：粉尘间隔/23.5质量频率/%0.10.49.520.020.015.011.08.55.55.54.00.80.2分级效率/%83047.56068.575818689.5959899100解：按大气污染控制工程P144（554）。7.计算粒径不同的三种飞灰颗粒在空气中的重力沉降速度，以及每种颗粒在30秒钟内的沉降高度。假定飞灰颗粒为球形，颗粒直径分别为为0.4、40、4000，空气温度为387.5K，压力为101325Pa，飞灰真密度为2310kg/m3。解：当空气温度为387.5K时。当dp=0.4时，应处在Stokes区域。首先进行坎宁汉修正：，。则，。当dp=4000时，应处于牛顿区，。，假设成立。当dp=0.4时，忽略坎宁汉修正，。经验证Rep500，假设成立。5. 直径为1.09的单分散相气溶胶通过一重力沉降室，该沉降室宽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%。问需要设置多少层可能得到80%的操作效率。解：按层流考虑，根据大气污染控制工程P163（65），因此需要设置23层。6. 有一沉降室长7.0m，高12m，气速30cm/s，空气温度300K，尘粒密度2.5g/cm3，空气粘度0.067kg/(kg.h)，求该沉降室能100%捕集的最小粒径。解：，符合层流区假设。7.气溶胶含有粒径为0.63和0.83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坎宁汉校正系数计算沉降效率。L=50cm，W=20cm，h=0.129cm，n=19层。解：设空气温度为298K，首先进行坎宁汉修正：，。故。用同样方法计算可得0.83粒子的分级效率为0.864。因此总效率 8.某旋风除尘器处理含有4.58g/m3灰尘的气流（），其除尘总效率为90%。粉尘分析试验得到下列结果。粒径范围/捕集粉尘的质量百分数/%逸出粉尘的质量百分数/%050.576.05101.412.910151.94.515202.12.120252.11.525302.00.730352.00.535402.00.440452.00.34584.01.11）作出分级效率曲线；2）确定分割粒径。解：根据大气污染控制工程P144（553）（P=0.1）计算分级效率，结果如下表所示：粉尘间隔/05510101515202025253030353540404545质量频率 /%捕集g30.51.41.92.12.12.02.02.02.084.0出口g276.012.94.52.11.50.70.50.40.31.15.59 49.41 79.17 90.00 92.65 96.26 97.30 97.83 98.36 99.85 据此可作出分级效率曲线。由上表可见，510去除效率为49.41。因此在工程误差允许范围内，dc=7.5。9. 含尘气流用旋风除尘器净化，含尘粒子的粒径分布可用对数正态分布函数表示，且Dm=20，。在实际操作条件下该旋风除尘器的分割直径为5，试基于颗粒质量浓度计算该除尘器的总除尘效率。解：按大气污染控制工程P170（618）；。dg=20，代入上式，利用Matlab积分可得。10. 利用一高压电除尘器捕集烟气中的粉尘，已知该电除尘器由四块集尘板组成，板高和板长均为366cm，板间距24.4cm，烟气体积流量2m3/s；操作压力为1atm，设粉尘粒子的驱进速度为12.2cm/s。试确定：1）当烟气的流速均匀分布时的除尘效率；2）当供入某一通道的烟气为烟气总量的50%，而其他两个各供入25%时的除尘效率（参考图627）。解：1）Q=2/3=0.667 m3/s，S=3.662=13.4m2，。2），查图627得Fv=1.75故。11.板间距为25cm的板式电除尘器的分割直径为0.9，使用者希望总效率不小于98%，有关法规规定排气中含尘量不得超过0.1g/m3。假定电除尘器入口处粉尘浓度为30g/m3，且粒径分布如下：质量百分比范围/%02020404060608080100平均粒径/3.58.013.019.045.0并假定德意希方程的形式为，其中捕集效率；K经验常数；d颗粒直径。试确定：1）该除尘器效率能否等于或大于98%；2）出口处烟气中尘浓度能否满足环保规定；3）能否满足使用者需要。解：1）由题意dp=3.5，dp=8.0，dp=13.0，故2），则=0.42g/m30.1g/m3。不满足环保规定和使用者需要。12.对于粉尘颗粒在液滴上的捕集，一个近似的表达式为。其中M是碰撞数的平方根，R=dp/dD，对于密度为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，试计算粒径为1）10；2）50的粉尘在直径为50、100、500的液滴上的捕集效率。解：1）粉尘粒径dp=10当液滴直径为50时，R=0.2；碰撞数，。由给出计算公式可得同理可得液滴直径为100、500时捕集效率为42.6、10.1%。2）dp=50用同样方法计算可得颗粒在直径为50、100、500的液滴上捕集效率分别为0、10.2%、25.0。13. 一个文丘里洗涤器用来净化含尘气体。操作条件如下：L=1.36L/m3，喉管气速为83m/s，粉尘密度为0.7g/cm3方程，烟气粘度为2.23105Pa.s，取校正系数0.2，忽略Cc，计算除尘器效率。烟气中粉尘的粒度分布如下：粒径/质量百分数/%20.050.0解：按大气污染控制工程P211（653）由（655）粒径小于0.1所占质量百分比太小，可忽略；粒径大于20.0，除尘效率约为1；因此故。6.21 直径为2mm的雨滴以其终末沉降速度穿过300m厚的大气近地层，大气中含有粒径为3的球形颗粒，颗粒的质量浓度为80。1）每个雨滴下降过程中可以捕集多少颗粒？2）由于捕集这些颗粒，雨滴的质量增加了百分之几？解：由Air Pollution Control EngineeringP300 9.48式 。通过P293 Figure 9.18读取。取，雨滴Db=2mm，处于牛顿区，利用大气污染控制工程P150（583）。因此，。从Figure 9.18读出=0.11（Cylinder）。故M=。而液滴本身。故质量增加了1.98104%。15. 利用清洁滤袋进行一次实验，以测定粉尘的渗透率，气流通过清洁滤袋的压力损失为250Pa，300K的气体以1.8m/min的流速通过滤袋，滤饼密度1.2g/cm3，总压力损失与沉积粉尘质量的关系如下。试确定粉尘的渗透率（以m2表示），假如滤袋面积为100.0cm2。61266677490099010621152M/kg0.0020.0040.0100.020.0280.0340.042解：当T=300K时，v=1.8m/min=0.03m/s。，。利用所给数据进行线性拟和，即，Kp=3.531012m2。16. 据报道美国原子能委员会曾运用2m深的沙滤床捕集细粒子，卡尔弗特建议用下式估算细粒子的穿透率。其中：Z=在气流方向上床的长度；vs=气体的表面流速；Dpa=细粒子的空气动力学直径；沙滤床的孔隙率；Dc=沙滤床的沙粒的直径；气体的粘度。1）若dpa=0.5，Dc=1.0mm，vs=6cm/s，0.3，试估算沙滤床的捕集效率；2）欲获得99.9%以上的捕集效率，床的厚度至少应多厚？3）推导该效率方程式。解：1）将已知数据代入所给公式，2）由 可得z=3.23m。3）由Air Pollution Control Engineering公式，穿透率取Wi=0.25Dc，而N=0.5Z/Dc，Vc=Vs/，代入上式 （近似取）12