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大气污染课后详解9章 - 图文

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第九章 固定源氮氧化物污染控制9

某座1000MW的火电站热效率为38%,基于排放系数,计算下述三种情况NOx的排放量(t/d):

1)以热值为6110kcal/kg的煤为燃料;2)以热值为10000kcal/kg的重油为燃料; 3)以热值为8900kcal/m3的天然气为燃料。 解:

1)设每天需燃煤Mt,则有×103×103××38%=1000×106×24×3600 解得M=×103t。取NOx平均排放系数12kg/t煤,则每日排放NOx量约为

8.9?103?12?107t; 3102)同理×103×103××38%=1000×106×24×3600,M=5439t。

取重油密度为×103kg/m3,折合体积约为6800m3,去排放系数12.5kg/m3,则每日排放NOx约为

6800?12.5?85.0t 3103)8900×103××38%V=1000×106×24×3600,解得V=×106m3。

6.1?106?6.25?38.2t。 每日排放NOx量约为3310?10

大型燃煤工业锅炉的NOx排放系数可取为8kg/t,试计算排烟中NOx的浓度。假定烟气中O2的浓度为6%,煤的组成见例2-2。 解:

取1kg煤计算,排放NOx约8g,在常规燃烧温度下,近似认为NO2浓度很小,NOx均以NO存在。 1kg煤中,含C772g,H52g,N12g,S26g,O59g,灰分为79g。充分燃烧后,生成,H2O26mol,,。需O22504-59=2445g,约。 引入N2

0.7914?76.4?287.4mol。燃烧本身过程中产生N2(12??8)/28?0.3mol。 0.21300.21x?0.06,由此解得x=152mol。

379.1?x即在O2恰好耗尽时烟气含,H2O26mol,,,。 由题意,空气过剩,设过剩空气量为xmol,则故NOx浓度为

0.267?5.0?10?4(体积分数)。

379.1?152

气体的初始组成以体积计为%CO2、12%H2O、75%N2和5%O2。假如仅考虑N2与O2生成NO的反应,分别计算下列温度条件下NO的平衡浓度。 1)1200K;2)1500K;3)2000K。 解:

(2x)2?2.8?10?7 1)1200K下,Kp=×10。设有xN2转化为NO,则

(75?x)(5?x)-7

解得x=;故NO平衡浓度为

2?0.00512?1.02?10?4(体积分数)

100(2x)2?1.1?10?5 解得x=,故NO平衡浓度为 2)1500K时,同理

(75?x)(5?x)0.032?2?6.4?10?4(体积分数)

100(2x)2?4.0?10?4 解得x=,故NO平衡浓度为。 3)2000K时,

(75?x)(5?x)

假定煤的元素组成以重量百分比计为:氢,碳,硫,氮,氧,其余的为灰分。当空气过剩系数20%条件下燃烧时,假定燃烧为完全燃烧。如果不考虑热力型NOx的生成,若燃料中氮1)20%,2)50%,转化为NO,试求烟气中NO的浓度。 解:

考虑1kg燃煤含氢37g,碳759g,硫9g,氮9g,氧47g。烟气中含,含H2O ,含。因此需O2 2392-47=2281g 约,则引入。

若空气过剩20%,则烟气中O2为×=,N2 ++9/28=。 即若不考虑N转化,则烟气中含,,,,。

0.2?9/14?3.1?10?4(体积分数)

418.40.5?9/142)N2转化率50%,则NO浓度为?7.7?10?4(体积分数)

418.41)N2转化率20%,则NO浓度为

基于第二节给出的动力学方程,对于t=、和,估算[NO]/[NO]e的比值,假定M=70,C=。试问M=70所对应的温度是多少以K表示。 解:

按《大气污染控制工程》P361(9-13)(1?Y) 将M=70,C=代入 当t=时 (1?Y)(1?Y)当t=时 (1?Y)(1?Y)当t=时 (1?Y)(1?Y)由M?5.7?10TP15?11.51.51.5?0.5C?1(1?Y)C?1?exp(?Mt)

?e?0.7,解得Y=; ?e?2.8,解得Y=; ?e?7,解得Y=。

?0.5?0.51/2exp(?58400),取P=1atm,将M=70代入得T=2409K。 T

对于M=50和M=30重复上面的计算。] 解:

?t?0.01s,(1?Y)1.5(1?Y)?0.5?e?0.5,Y?0.232?1.5?0.5?e?2.0,Y?0.686 M=50?t?0.04s,(1?Y)(1?Y)?t?0.1s,(1?Y)1.5(1?Y)?0.5?e?5,Y?0.955?

?t?0.01s,(1?Y)1.5(1?Y)?0.5?e?0.3,Y?0.144?1.5?0.5?e?1.2,Y?0.487 M=30?t?0.04s,(1?Y)(1?Y)?t?0.1s,(1?Y)1.5(1?Y)?0.5?e?3,Y?0.824? 对于反应N2+O2->2NO,平衡常数可表示为:K?[NO]2/[N2][O2]?kf/kb。根据现有的数据,可以得到kf=9×1014exp[-13500/(RT)]和kb=×1013exp[-91600/(RT)]。按表9-3中的温度,计算平衡常数K,并与表中的数据比较。 解:

9?101443400K?exp(?) (R=)。将所给温度代入公式计算K值,列表如下:

RT4.1?1013T(K) 300 -31 -30 1000 ×10×10-9 -9 1200 ×10×10-7 -7 1500 ×10×10-5 -5 2000 ×10×10-4 -4 2500 ×10×10-3 -3 Kp(计算值) ×10Kp(表中值) 10

计算组成为95%N2和5%O2的烟气达到平衡时,原子态O的浓度。假定平衡时的温度为1)2000K;2)2200K;3)2400K。 解:

假设O浓度很小,平衡时O2的浓度仍可近似认为5%。利用O2分解的平衡反应式O2?2O及《大气污染控制工程》P360(9-11)式求解:[Oe]?/2[O2]1eKP,O(RT)1/2。因反应前后分子个

数不同,平衡常数有量纲,公式中浓度单位为mol/m3,即

1)2000K时,Kp,o=×104,平衡时[O2]e?-

0.05?0.305mol/m3

0.0224?2000/273故[Oe]?

/2[O2]1eKP,O(RT)1/2?0.305?6.63?10?48.314?2000?2.84?10-6mol/m3

2)2200K时,Kp,o=×103,平衡时[O2]e?-

0.05?0.277mol/m3

0.0224?2200/273故[Oe]?

/2[O2]1eKP,O(RT)1/2?0.277?2.68?10?38.314?2200?1.04?10-5mol/m3

3)2400K时,Kp,o=×103,,平衡时[O2]e?故[Oe]?/2[O2]1eKP,O-

0.05?0.254mol/m3

0.024?2400/273(RT)1/2?0.254?8.60?10?38.314?2400?3.07?10-5mol/m3

典型的大型燃煤工业锅炉氮氧化物排放系数为8kg/t。假定煤的组成与习题9-4相同,烟气中氧浓度为6%,试计算烟气中NOx的浓度。 解:

取1kg煤计算,排放NOx约8g,在常规燃烧温度下,近似认为NO2浓度很小,NOx均以NO存在。

1kg煤中,含C759g,H37g,N9g,S9g,O47g。充分燃烧后,生成,,,。需O22333-47=2286g,约。 引入N2

0.7914?71.4?268.8mol。燃烧本身过程中产生N2(9??8)/28?0.19mol。 0.2130即在O2恰好耗尽时烟气含,,,,。

由题意,空气过剩,设过剩空气量为xmol,则故NOx浓度为

0.21x?0.06,由此解得x=。

351.3?x0.267。 ?5.43?10?4(体积分数)

351.3?140.5

燃油锅炉的NOx排放标准为230×106(体积分数),假定油的化学组成C10H20Nx,当空气过剩50%时发生完全燃烧。当燃料中50%的氮转化为NOx,忽略热力型NOx时,为满足排放标准,氮在油中的最大含量为多少 解:

燃烧1mol C10H20Nx,产生10molCO2,10molH2O,需O215mol,引入N2量。 空气过剩50%,则总氮气量为×=,O2量为。

0.5x?230?10?6,解得x=

20?84.6?0.5x?7.50.052?14因此氮在油中的最大含量为?100%?0.52%。

0.052?14?120?20由题意,

欲从燃烧烟气中用氨去除NOx,假定实际的反应为反应(9-17)和(9-18),烟气中NO占NOx总量的90%,其余的为NO2。按习题9-1的三种情况,若去除90%以上的NOx,每

天各需要多少吨氨假定氨的残留量为5×106(体积分数)。 解:

1)以热值为6110kcal/kg的煤为燃料,每日排放NOx量约107t,其中,。反应方程式为:

4NH3?4NO?O2?4N2?6H2O 8NH3?6NO2?7N2?12H2O

86?4644?30?? 33y0.9?10.7?10x0.9?96.3?10解得x=2889kmol,y=279kmol

生成N2(2889?7612?279)?3133kmol,H2O(?2889??279)?4752kmol 848-

因此残留氨量为(3133+4752)×5×106=,可忽略。

故每天消耗氨的量为(2889+279)×17/103=。

2)以热值为10000kcal/kg的重油为燃料,每日排放NOx量约85t,其中,。反应方程式为:

4NH3?4NO?O2?4N2?6H2O 8NH3?6NO2?7N2?12H2O

86?4644?30? ?33yx0.9?76.5?100.9?8.5?10解得x=2295kmol,y=222kmol 生成N2(2295?7612?222)?2489kmol,H2O(?2295??222)?3776kmol 848-

因此残留氨量为(2489+3776)×5×106=,可忽略。

故每天消耗氨的量为(2295+222)×17/103=。

3)以热值为8900kcal/m3的天然气为燃料,每日排放NOx量约,其中,。反应方程式为:

4NH3?4NO?O2?4N2?6H2O 8NH3?6NO2?7N2?12H2O

86?4644?30? ?33y0.9?3.8?10x0.9?34.4?10解得x=1032kmol,y=99kmol 生成N2(1032?7612?99)?1119kmol,H2O(?1032??99)?1696kmol 848-

因此残留氨量为(1119+1696)×5×106=,可忽略。

故每天消耗氨的量为(1032+99)×17/103=。

烟气中NOx的浓度经常以体积分数(106)表示,为了计算NOx排放总量,通常将其转化为kgNO2/GJ表示。试导出一个通用的转化公式,需引进的变量应尽可能少。若已知甲烷在

10%过剩空气下燃烧时NOx的浓度为300×106,利用你导出的公式,将NOx的浓度转化为kgNO2/GJ。 解:

甲烷燃烧方程式为:CH4?2O2?CO2?2H2O

取1mol甲烷进行计算,则理论耗氧量为2mol,生成CO21mol,H2O2mol。当空气过剩10%时,烟气中还含有,N2

0.79?2.2?8.32mol。故烟气总体积3++=。 0.21-

其中,NOx量折合成NO2为:46××300×106=×104kg。 甲烷燃烧热值为mol,故浓度转化结果为:

1.59?10?4kgNO2/GJ?0.198kgNO2/GJ。

802.3?10?6

通用公式的推导:

假设燃料组成为CxHyOzNmSt(适用于大部分燃料),空气过剩系数为?,燃料的热值Q(kJ/mol)。 燃烧方程为CxHyOzNmSt?(x?t?yz11?)O2?xCO2?yH2O?tSO2?mN2,故 4222取1mol燃料进行计算,则产生CO2xmol,H2Oy/2mol,SO2tmol,N2m/2mol。耗氧

(x+t+y/4-z/2)mol,考虑空气过剩系数,引入氮气?(x+t+y/4-z/2)mol,剩余O2 (?-1)(x+t+y/4-z/2)mol。因此烟气总体积为 (x+y/2+t+m/2)+ ?(x+t+y/4-z/2)+(?-1)(x+t+y/4-z/2)mol。 若产生NOx(以NO2计)浓度为F,则生成NO2质量为 0.046F[(x+y/2+t+m/2)+ ?(x+t+y/4-z/2)+(?-1)(x+t+y/4-z/2)]kg 因此浓度转化结果为

0.046F[(x+y/2+t+m/2)+( 4.76??1)(x+t+y/4-z/2)]kgNO2/GJ -6Q?10将x=1,y=4,z=0,m=0,t=0,Q=mol,??1.1,F=300×106代入上式可得题目所给甲烷燃烧时的结果为 kgNO2/GJ,与计算结果吻合。

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第九章固定源氮氧化物污染控制9某座1000MW的火电站热效率为38%,基于排放系数,计算下述三种情况NOx的排放量(t/d):1)以热值为6110kcal/kg的煤为燃料;2)以热值为10000kcal/kg的重油为燃料;3)以热值为8900kcal/m3的天然气为燃料。解:1)设每天需燃煤Mt,则有×1
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