大氣污染控制工程課程設(shè)計(jì)實(shí)例?一、課程設(shè)計(jì)背景隨著工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加速，大氣污染問題日益嚴(yán)重，對(duì)人類健康和生態(tài)環(huán)境造成了極大的威脅。大氣污染控制工程作為環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)的核心課程之一，旨在培養(yǎng)學(xué)生掌握大氣污染控制的基本理論、方法和技術(shù)，具備解決實(shí)際大氣污染問題的能力。本次課程設(shè)計(jì)選取了一個(gè)典型的工業(yè)廢氣處理案例，通過實(shí)際工程分析與設(shè)計(jì)，使學(xué)生深入理解大氣污染控制工程的原理和應(yīng)用，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維。

二、設(shè)計(jì)題目某化工企業(yè)生產(chǎn)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(duì)周邊環(huán)境造成嚴(yán)重污染。要求設(shè)計(jì)一套大氣污染控制方案，使廢氣排放達(dá)到國家相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)。

三、廢氣來源與污染物特性1.廢氣來源該化工企業(yè)主要生產(chǎn)工藝包括原料預(yù)處理、化學(xué)反應(yīng)和產(chǎn)品精制等環(huán)節(jié)。廢氣主要產(chǎn)生于化學(xué)反應(yīng)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(xué)煙霧的重要前驅(qū)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(shè)計(jì)目標(biāo)與排放標(biāo)準(zhǔn)1.設(shè)計(jì)目標(biāo)采用經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的大氣污染控制技術(shù)，使廢氣中的SO?、NO?和顆粒物濃度降低至國家排放標(biāo)準(zhǔn)以下。2.排放標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB162971996），該化工企業(yè)廢氣排放執(zhí)行二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，具體指標(biāo)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(shù)選擇與工藝流程設(shè)計(jì)1.技術(shù)選擇原則高效去除污染物，確保達(dá)標(biāo)排放。技術(shù)成熟可靠，運(yùn)行穩(wěn)定。經(jīng)濟(jì)合理，投資和運(yùn)行成本低。易于操作和維護(hù)管理。2.控制技術(shù)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(yīng)生成亞硫酸鈣，再經(jīng)氧化生成硫酸鈣（石膏），從而達(dá)到去除SO?的目的。該工藝脫硫效率高，可達(dá)95%以上，技術(shù)成熟，運(yùn)行穩(wěn)定，是目前應(yīng)用廣泛的脫硫技術(shù)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(fā)生反應(yīng)，將NO?還原為氮?dú)猓∟?）和水（H?O）。SCR脫硝工藝脫硝效率高，可達(dá)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(duì)含塵氣體進(jìn)行過濾，使顆粒物附著在濾袋表面，定期清灰，從而實(shí)現(xiàn)顆粒物的去除。該除塵器除塵效率高，可達(dá)99%以上，能有效去除不同粒徑的顆粒物。3.工藝流程設(shè)計(jì)廢氣預(yù)處理：廢氣首先進(jìn)入預(yù)處理系統(tǒng)，通過旋風(fēng)分離器去除大顆粒粉塵，降低后續(xù)處理設(shè)備的負(fù)荷。脫硫系統(tǒng)：經(jīng)預(yù)處理后的廢氣進(jìn)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(fā)生脫硫反應(yīng)。脫硫后的廢氣經(jīng)除霧器去除水霧后進(jìn)入后續(xù)處理工序。脫硝系統(tǒng)：脫硫后的廢氣進(jìn)入SCR脫硝反應(yīng)器，在催化劑的作用下與噴入的氨發(fā)生脫硝反應(yīng)。脫硝后的廢氣進(jìn)入布袋除塵器。除塵系統(tǒng)：廢氣在布袋除塵器中進(jìn)一步去除剩余的顆粒物，達(dá)標(biāo)后的廢氣通過15m高的排氣筒排放至大氣。副產(chǎn)物處理：脫硫過程中產(chǎn)生的石膏通過石膏脫水系統(tǒng)進(jìn)行脫水處理，制成石膏產(chǎn)品外售；脫硝過程中未反應(yīng)的氨通過氨逃逸監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保排放達(dá)標(biāo)；布袋除塵器收集的粉塵定期清理，運(yùn)至指定地點(diǎn)進(jìn)行處置。

六、主要設(shè)備選型與計(jì)算1.旋風(fēng)分離器根據(jù)廢氣流量和顆粒物特性，選用型號(hào)為CLT/A8的旋風(fēng)分離器。其處理風(fēng)量為5000m3/h，阻力損失約為1000Pa。計(jì)算過程：已知廢氣流量Q=5000m3/h，根據(jù)旋風(fēng)分離器選型手冊(cè)，選取CLT/A8型旋風(fēng)分離器，其處理風(fēng)量范圍為40007000m3/h，滿足要求。阻力損失可通過經(jīng)驗(yàn)公式估算：\(\DeltaP=\xi\frac{\rhov^2}{2}\)其中，\(\xi\)為阻力系數(shù)，取9；\(\rho\)為廢氣密度，取1.2kg/m3；v為廢氣在旋風(fēng)分離器進(jìn)口處的流速，通過流量和進(jìn)口截面積計(jì)算：進(jìn)口截面積\(A=\frac{Q}{v}\)，假設(shè)進(jìn)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(jì)算過程：（1）塔徑計(jì)算根據(jù)脫硫塔處理風(fēng)量和空塔氣速計(jì)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(jì)算脫硫塔高度主要由吸收區(qū)高度、除霧器高度和漿液循環(huán)區(qū)高度等組成。吸收區(qū)高度可通過傳質(zhì)單元高度和傳質(zhì)單元數(shù)計(jì)算：傳質(zhì)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(zhì)系數(shù)，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(zhì)單元數(shù)\(N_{OG}=\frac{y_1y_2}{\Deltay_m}\)其中，\(y_1\)為進(jìn)口SO?摩爾分?jǐn)?shù)，\(y_1=\frac{2000\times10^{6}}{29\times1.2\times10^{3}}=0.057\)\(y_2\)為出口SO?摩爾分?jǐn)?shù)，根據(jù)脫硫效率95%，\(y_2=y_1(1\eta)=0.057\times(10.95)=0.00285\)\(\Deltay_m\)為對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力，\(\Deltay_m=\frac{(y_1y_2)(y_1'y_2')}{\ln\frac{y_1y_2}{y_1'y_2'}}\)假設(shè)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(qū)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(huán)區(qū)高度取2m，則塔高\(yùn)(H=H_1+1+2=34.3m\)，圓整后取H=12m。

3.SCR脫硝反應(yīng)器選用蜂窩式催化劑，反應(yīng)器尺寸為長(zhǎng)×寬×高=4m×3m×2m。計(jì)算過程：根據(jù)脫硝效率和催化劑性能參數(shù)計(jì)算催化劑體積。脫硝反應(yīng)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(jù)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(shè)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(jù)反應(yīng)器尺寸和催化劑裝填方式，設(shè)計(jì)反應(yīng)器尺寸為長(zhǎng)×寬×高=4m×3m×2m。

4.布袋除塵器選用脈沖布袋除塵器，處理風(fēng)量為5000m3/h，過濾面積為100m2，濾袋材質(zhì)為聚酯纖維。計(jì)算過程：已知廢氣流量Q=5000m3/h，過濾風(fēng)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(fēng)速，\(v=1m/min\)，則\(A=\frac{5000}{60\times1}=83.3m2\)，圓整后取100m2。濾袋材質(zhì)根據(jù)廢氣特性和運(yùn)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(yùn)行成本分析1.原料成本石灰石：石灰石用量根據(jù)脫硫反應(yīng)方程式計(jì)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(zhì)量為100g/mol，則石灰石用量\(m_{CaCO?}=187.5\times0.1=18.75kg/h\)每天運(yùn)行24小時(shí)，則每天石灰石用量\(m_{CaCO?}^{day}=18.75\times24=450kg\)石灰石價(jià)格按500元/噸計(jì)算，則每天石灰石成本\(C_{CaCO?}=450\times0.5=225元\)氨：氨用量根據(jù)脫硝反應(yīng)方程式計(jì)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(zhì)量為17g/mol，則氨用量\(m_{NH?}=160\times0.017=2.72kg/h\)每天運(yùn)行24小時(shí)，則每天氨用量\(m_{NH?}^{day}=2.72\times24=65.28kg\)氨價(jià)格按3000元/噸計(jì)算，則每天氨成本\(C_{NH?}=65.28\times3=195.84元\)2.電費(fèi)脫硫泵：功率為15kW，每天運(yùn)行24小時(shí)，則每天電費(fèi)\(C_{脫硫泵}=15\times24\times0.5=180元\)脫硝風(fēng)機(jī)：功率為10kW，每天運(yùn)行24小時(shí)，則每天電費(fèi)\(C_{脫硝風(fēng)機(jī)}=10\times24\times0.5=120元\)布袋除塵器脈沖閥：功率為5kW，每天運(yùn)行24小時(shí)，則每天電費(fèi)\(C_{脈沖閥}=5\times24\times0.5=60元\)總電費(fèi)\(C_{電}=C_{脫硫泵}+C_{脫硝風(fēng)機(jī)}+C_{脈沖閥}=180+120+60=360元\)3.設(shè)備折舊與維護(hù)費(fèi)用設(shè)備投資按10年折舊，每年折舊費(fèi)用為設(shè)備投資的10%。假設(shè)設(shè)備總投資為50萬元，則每年折舊費(fèi)用\(C_{折舊}=500000\times0.1=50000元\)，每天折舊費(fèi)用\(C_{折舊}^{day}=\frac{50000}{365}=137元\)維護(hù)費(fèi)用按設(shè)備投資的5%計(jì)算，每年維護(hù)費(fèi)用為\(500000\times0.05=25000元\)，每天維護(hù)費(fèi)用\(C_{維護(hù)}^{day}=\frac{25000}{365}=68元\)設(shè)備折舊與維護(hù)費(fèi)用每天總計(jì)\(C_{折舊與維護(hù)}=C_{折舊}^{day}+C_{維護(hù)}^{day}=137+68=205元\)4.運(yùn)行成本總計(jì)每天運(yùn)行成本\(C=C_{CaCO?}+C_{NH?}+C_{電}+C_{折舊與維護(hù)}=225+195.84+360+205=985.84元\)每年運(yùn)行成本\(C_{年}=985.84\times365=359831.6元\)