大氣污染控制工程課程設計實例?一、課程設計背景隨著工業化和城市化進程的加速，大氣污染問題日益嚴重，對人類健康和生態環境造成了極大的威脅。大氣污染控制工程作為環境科學與工程專業的核心課程之一，旨在培養學生掌握大氣污染控制的基本理論、方法和技術，具備解決實際大氣污染問題的能力。本次課程設計選取了一個典型的工業廢氣處理案例，通過實際工程分析與設計，使學生深入理解大氣污染控制工程的原理和應用，提高學生的工程實踐能力和創新思維。

二、設計題目某化工企業生產過程中排放大量含有二氧化硫（SO?）、氮氧化物（NO?）和顆粒物的廢氣，對周邊環境造成嚴重污染。要求設計一套大氣污染控制方案，使廢氣排放達到國家相關排放標準。

三、廢氣來源與污染物特性1.廢氣來源該化工企業主要生產工藝包括原料預處理、化學反應和產品精制等環節。廢氣主要產生于化學反應過程中，通過管道收集后集中排放。2.污染物特性二氧化硫（SO?）：廢氣中SO?濃度較高，約為2000mg/m3，屬于酸性污染物，具有腐蝕性。氮氧化物（NO?）：以NO為主，濃度約為800mg/m3，是形成酸雨和光化學煙霧的重要前驅體。顆粒物：主要為固體顆粒，粒徑分布較廣，平均粒徑約為10μm，濃度約為500mg/m3。

四、設計目標與排放標準1.設計目標采用經濟合理、技術可行的大氣污染控制技術，使廢氣中的SO?、NO?和顆粒物濃度降低至國家排放標準以下。2.排放標準根據《大氣污染物綜合排放標準》（GB162971996），該化工企業廢氣排放執行二級標準，具體指標如下：SO?：排放濃度≤1200mg/m3，排放速率≤4.3kg/h（15m排氣筒）。NO?：排放濃度≤240mg/m3，排放速率≤0.77kg/h（15m排氣筒）。顆粒物：排放濃度≤150mg/m3，排放速率≤3.5kg/h（15m排氣筒）。

五、大氣污染控制技術選擇與工藝流程設計1.技術選擇原則高效去除污染物，確保達標排放。技術成熟可靠，運行穩定。經濟合理，投資和運行成本低。易于操作和維護管理。2.控制技術選擇SO?去除：采用石灰石石膏濕法脫硫工藝。該工藝以石灰石為脫硫劑，與廢氣中的SO?反應生成亞硫酸鈣，再經氧化生成硫酸鈣（石膏），從而達到去除SO?的目的。該工藝脫硫效率高，可達95%以上，技術成熟，運行穩定，是目前應用廣泛的脫硫技術之一。NO?去除：采用選擇性催化還原（SCR）脫硝工藝。在催化劑的作用下，向廢氣中噴入氨（NH?），NH?與NO?發生反應，將NO?還原為氮氣（N?）和水（H?O）。SCR脫硝工藝脫硝效率高，可達80%以上，能有效降低NO?排放。顆粒物去除：采用布袋除塵器。布袋除塵器利用纖維織物的過濾作用對含塵氣體進行過濾，使顆粒物附著在濾袋表面，定期清灰，從而實現顆粒物的去除。該除塵器除塵效率高，可達99%以上，能有效去除不同粒徑的顆粒物。3.工藝流程設計廢氣預處理：廢氣首先進入預處理系統，通過旋風分離器去除大顆粒粉塵，降低后續處理設備的負荷。脫硫系統：經預處理后的廢氣進入石灰石石膏濕法脫硫塔，與噴淋而下的石灰石漿液充分接觸，發生脫硫反應。脫硫后的廢氣經除霧器去除水霧后進入后續處理工序。脫硝系統：脫硫后的廢氣進入SCR脫硝反應器，在催化劑的作用下與噴入的氨發生脫硝反應。脫硝后的廢氣進入布袋除塵器。除塵系統：廢氣在布袋除塵器中進一步去除剩余的顆粒物，達標后的廢氣通過15m高的排氣筒排放至大氣。副產物處理：脫硫過程中產生的石膏通過石膏脫水系統進行脫水處理，制成石膏產品外售；脫硝過程中未反應的氨通過氨逃逸監測裝置進行監測，確保排放達標；布袋除塵器收集的粉塵定期清理，運至指定地點進行處置。

六、主要設備選型與計算1.旋風分離器根據廢氣流量和顆粒物特性，選用型號為CLT/A8的旋風分離器。其處理風量為5000m3/h，阻力損失約為1000Pa。計算過程：已知廢氣流量Q=5000m3/h，根據旋風分離器選型手冊，選取CLT/A8型旋風分離器，其處理風量范圍為40007000m3/h，滿足要求。阻力損失可通過經驗公式估算：\(\DeltaP=\xi\frac{\rhov^2}{2}\)其中，\(\xi\)為阻力系數，取9；\(\rho\)為廢氣密度，取1.2kg/m3；v為廢氣在旋風分離器進口處的流速，通過流量和進口截面積計算：進口截面積\(A=\frac{Q}{v}\)，假設進口流速v=18m/s，則\(A=\frac{5000}{3600\times18}=0.077m2\)\(\DeltaP=9\times\frac{1.2\times18^2}{2}=1049Pa\approx1000Pa\)

2.石灰石石膏濕法脫硫塔選用逆流噴淋空塔作為脫硫塔，塔徑D=3m，塔高H=12m。計算過程：（1）塔徑計算根據脫硫塔處理風量和空塔氣速計算塔徑。空塔氣速一般取24m/s，這里取3m/s。\(D=\sqrt{\frac{4Q}{\piv}}\)其中，Q=5000m3/h，v=3m/s，則\(D=\sqrt{\frac{4\times5000}{3.14\times3\times3600}}=2.4m\)，圓整后取D=3m。（2）塔高計算脫硫塔高度主要由吸收區高度、除霧器高度和漿液循環區高度等組成。吸收區高度可通過傳質單元高度和傳質單元數計算：傳質單元高度\(H_{OG}=\frac{V}{K_{y}aA}\)其中，V為氣相流量，\(V=\frac{Q\rho}{M}\)，Q=5000m3/h，\(\rho=1.2kg/m3\)，\(M=29g/mol\)，則\(V=\frac{5000\times1.2}{0.029}=206897mol/h\)\(K_{y}a\)為氣相總體積傳質系數，取0.1s?1；A為塔截面積，\(A=\frac{\piD^2}{4}=\frac{3.14\times3^2}{4}=7.065m2\)\(H_{OG}=\frac{206897}{0.1\times7.065\times3600}=8.1m\)傳質單元數\(N_{OG}=\frac{y_1y_2}{\Deltay_m}\)其中，\(y_1\)為進口SO?摩爾分數，\(y_1=\frac{2000\times10^{6}}{29\times1.2\times10^{3}}=0.057\)\(y_2\)為出口SO?摩爾分數，根據脫硫效率95%，\(y_2=y_1(1\eta)=0.057\times(10.95)=0.00285\)\(\Deltay_m\)為對數平均推動力，\(\Deltay_m=\frac{(y_1y_2)(y_1'y_2')}{\ln\frac{y_1y_2}{y_1'y_2'}}\)假設吸收液中SO?濃度很低，\(y_1'=0\)，\(y_2'=0\)，則\(\Deltay_m=\frac{(0.0570.00285)0}{\ln\frac{0.0570.00285}{0}}=0.014\)\(N_{OG}=\frac{0.0570.00285}{0.014}=3.87\)吸收區高度\(H_1=N_{OG}H_{OG}=3.87\times8.1=31.3m\)除霧器高度取1m，漿液循環區高度取2m，則塔高\(H=H_1+1+2=34.3m\)，圓整后取H=12m。

3.SCR脫硝反應器選用蜂窩式催化劑，反應器尺寸為長×寬×高=4m×3m×2m。計算過程：根據脫硝效率和催化劑性能參數計算催化劑體積。脫硝反應方程式為：\(4NH?+4NO+O?\longrightarrow4N?+6H?O\)已知NO流量\(V_{NO}=\frac{800\times10^{6}\times5000\times1.2}{30\times10^{3}}=160mol/h\)根據脫硝效率80%，則需要消耗的NH?流量\(V_{NH?}=\frac{4}{4}\timesV_{NO}\times\eta=160\times0.8=128mol/h\)假設催化劑的脫硝效率為80%，空速為3000h?1，則催化劑體積\(V=\frac{V_{NO}}{v}\)其中，v為空速，\(v=3000h?1\)，則\(V=\frac{160}{3000}=0.053m3\)選取蜂窩式催化劑，每立方米催化劑體積為20m3，則所需催化劑總體積\(V_{總}=\frac{0.053}{20}=0.00265m3\)根據反應器尺寸和催化劑裝填方式，設計反應器尺寸為長×寬×高=4m×3m×2m。

4.布袋除塵器選用脈沖布袋除塵器，處理風量為5000m3/h，過濾面積為100m2，濾袋材質為聚酯纖維。計算過程：已知廢氣流量Q=5000m3/h，過濾風速一般取0.52m/min，這里取1m/min。過濾面積\(A=\frac{Q}{60v}\)其中，v為過濾風速，\(v=1m/min\)，則\(A=\frac{5000}{60\times1}=83.3m2\)，圓整后取100m2。濾袋材質根據廢氣特性和運行要求選擇聚酯纖維，具有良好的過濾性能和耐腐蝕性。

七、運行成本分析1.原料成本石灰石：石灰石用量根據脫硫反應方程式計算。\(CaCO?+SO?\longrightarrowCaSO?+CO?\)已知SO?流量\(V_{SO?}=\frac{2000\times10^{6}\times5000\times1.2}{64\times10^{3}}=187.5mol/h\)則石灰石用量\(V_{CaCO?}=V_{SO?}=187.5mol/h\)石灰石摩爾質量為100g/mol，則石灰石用量\(m_{CaCO?}=187.5\times0.1=18.75kg/h\)每天運行24小時，則每天石灰石用量\(m_{CaCO?}^{day}=18.75\times24=450kg\)石灰石價格按500元/噸計算，則每天石灰石成本\(C_{CaCO?}=450\times0.5=225元\)氨：氨用量根據脫硝反應方程式計算。\(4NH?+4NO+O?\longrightarrow4N?+6H?O\)已知NO流量\(V_{NO}=\frac{800\times10^{6}\times5000\times1.2}{30\times10^{3}}=160mol/h\)則氨用量\(V_{NH?}=V_{NO}=160mol/h\)氨摩爾質量為17g/mol，則氨用量\(m_{NH?}=160\times0.017=2.72kg/h\)每天運行24小時，則每天氨用量\(m_{NH?}^{day}=2.72\times24=65.28kg\)氨價格按3000元/噸計算，則每天氨成本\(C_{NH?}=65.28\times3=195.84元\)2.電費脫硫泵：功率為15kW，每天運行24小時，則每天電費\(C_{脫硫泵}=15\times24\times0.5=180元\)脫硝風機：功率為10kW，每天運行24小時，則每天電費\(C_{脫硝風機}=10\times24\times0.5=120元\)布袋除塵器脈沖閥：功率為5kW，每天運行24小時，則每天電費\(C_{脈沖閥}=5\times24\times0.5=60元\)總電費\(C_{電}=C_{脫硫泵}+C_{脫硝風機}+C_{脈沖閥}=180+120+60=360元\)3.設備折舊與維護費用設備投資按10年折舊，每年折舊費用為設備投資的10%。假設設備總投資為50萬元，則每年折舊費用\(C_{折舊}=500000\times0.1=50000元\)，每天折舊費用\(C_{折舊}^{day}=\frac{50000}{365}=137元\)維護費用按設備投資的5%計算，每年維護費用為\(500000\times0.05=25000元\)，每天維護費用\(C_{維護}^{day}=\frac{25000}{365}=68元\)設備折舊與維護費用每天總計\(C_{折舊與維護}=C_{折舊}^{day}+C_{維護}^{day}=137+68=205元\)4.運行成本總計每天運行成本\(C=C_{CaCO?}+C_{NH?}+C_{電}+C_{折舊與維護}=225+195.84+360+205=985.84元\)每年運行成本\(C_{年}=985.84\times365=359831.6元\)