大气污染控制工程课后题答案解析.docx
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大气污染控制工程课后题答案解析.docx
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大气污染控制工程课后题答案解析
1。
1干结空气中N2、O2、Ar和CO2气体所占的质量百分数是多少?
解:
按1mol干空气计算,空气中各组分摩尔比即体积比,故nN2=0。
781mol,nO2=0.209mol,nAr=0.00934mol,nCO2=0.00033mol。
质量百分数为
,;
.
1。
2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:
。
1。
3CCl4气体与空气混合成体积分数为1。
50×10-4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。
031×10×3600×24×10-3kg=891kg
1。
4成人每次吸入的空气量平均为500cm3,假若每分钟呼吸15次,空气中颗粒物的浓度为200/m3,试计算每小时沉积于肺泡内的颗粒物质量。
已知该颗粒物在肺泡中的沉降系数为0。
12.
解:
每小时沉积量200×(500×15×60×10-6)×0。
12=10。
8
1.5设人体肺中的气体含CO为2.2×10-4,平均含氧量为19。
5%。
如果这种浓度保持不变,求COHb浓度最终将达到饱和水平的百分率。
解:
由《大气污染控制工程》P14(1-1),取M=210
COHb饱和度
1.6设人体内有4800mL血液,每100mL血液中含20mL氧。
从事重体力劳动的人的呼吸量为4.2L/min,受污染空气中所含CO的浓度为10-4。
如果血液中CO水平最初为:
1)0%;2)2%,计算血液达到7%的CO饱和度需要多少分钟。
设吸入肺中的CO全被血液吸收。
解:
含氧总量为。
不同CO百分含量对应CO的量为:
2%:
7%:
1)最初CO水平为0%时;
2)最初CO水平为2%时
1.7粉尘密度1400kg/m3,平均粒径1。
4,在大气中的浓度为0。
2mg/m3,对光的折射率为2.2,计算大气的最大能见度.
解:
由《大气污染控制工程》P18(1-2),最大能见度为
。
2。
1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)
C85571.2571。
25
H113-2。
555。
2527。
625
S100.31250。
3125
H2O22。
51。
250
N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。
1875×4。
78=474.12mol/kg重油。
即474.12×22。
4/1000=10。
62m3N/kg重油。
烟气组成为CO271。
25mol,H2O55.25+11。
25=56。
50mol,SO20。
1325mol,N23.78×99。
1875=374.93mol。
理论烟气量71。
25+56。
50+0.3125+374。
93=502。
99mol/kg重油。
即502.99×22。
4/1000=11。
27m3N/kg重油.
2)干烟气量为502。
99-56。
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1.1×10.62=11。
68m3N/kg重油,
产生烟气量为11。
267+0。
1×10。
62=12.33m3N/kg重油。
2.2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
C65。
75.4751
H3。
23。
20.584
S1。
70。
0530.010
O2.30.0720.013
灰分18.13。
306g/mol碳
水分9。
01。
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。
010-0。
013/2=1。
1495
1)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。
78×1。
1495+1。
644/18)×1000/18。
26×22。
4×10-3=6。
826m3/kg
灰分浓度为mg/m3=2。
12×104mg/m3
3)需石灰石/t煤
2.3煤的元素分析结果如下S0。
6%;H3。
7%;C79。
5%;N0.9%;O4.7%;灰分10。
6%。
在空气过剩20%条件下完全燃烧。
计算烟气中SO2的浓度。
解:
按燃烧1kg煤计算
重量(g)摩尔数(mol)需氧数(mol)
C79566。
2566.25
H31。
12515.56257。
78
S60。
18750。
1875
H2O52.8752.940
设干空气中N2:
O2体积比为3.78:
1,
所需理论空气量为4.78×(66。
25+7。
78+0。
1875)=354。
76mol/kg煤。
理论烟气量CO266.25mol,SO20。
1875mol,H2O15。
5625+2。
94=18.50mol
N2
总计66。
25+`8.50+0.1875+280。
54=365。
48mol/kg煤
实际烟气量365。
48+0。
2×354.76=436。
43mol/kg煤,SO2浓度为。
2.4某锅炉燃用煤气的成分如下:
H2S0。
2%;CO25%;O20。
2%;CO28.5%;H213。
0%;CH40.7%;N252.4%;空气含湿量为12g/m3N,,试求实际需要的空气量和燃烧时产生的实际烟气量.
解:
取1mol煤气计算
H2S0。
002mol耗氧量0。
003mol
CO20。
05mol0
CO0。
285mol0.143mol
H2(0。
13—0。
004)mol0.063mol
CH40。
007mol0。
014mol
共需O20。
003+0。
143+0。
063+0.014=0。
223mol。
设干空气中N2:
O2体积比为3。
78:
1,则理论干空气量为0.223×(3。
78+1)=1。
066mol。
取,则实际干空气1。
2×1。
066mol=1。
279mol。
空气含湿量为12g/m3N,即含H2O0。
67mol/m3N,14.94L/m3N。
故H2O体积分数为1。
493%。
故实际空气量为.
烟气量SO2:
0.002mol,CO2:
0.285+0.007+0。
05=0。
342mol,N2:
0。
223×3。
78+0。
524=1.367mol,H2O0。
002+0。
126+0.014+1。
298×1。
493%+0。
004=0。
201mol
故实际烟气量0.002+0。
342+1。
367+0.201+0.2×1.066=2.125mol
2.5干烟道气的组成为:
CO211%(体积),O28%,CO2%,SO2120×10-6(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%=1-11%-8%-2%-0。
012%=78.99%
由《大气污染控制工程》P46(2-11)
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SO2120×10-6m3,排放浓度为
.
3)。
4)。
2。
6煤炭的元素分析按重量百分比表示,结果如下:
氢50%;碳75.8%;氮1。
5%;硫1。
6%;氧7。
4%;灰8。
7%,燃烧条件为空气过量20%,空气的湿度为0。
0116molH2O/mol干空气,并假定完全燃烧,试计算烟气的组成。
解:
按1kg煤进行计算
重量(g)摩尔数(mol)需氧数(mol)
C75863.1763。
17
H40.7520.37510.19
S160.50.5
H2O83。
254。
6250
需氧63.17+10。
19+0。
5=73.86mol
设干空气中N2:
O2体积比为3.78:
1,则干空气量为73。
86×4.78×1。
2=423。
66mol,
含水423。
66×0。
0116=4。
91mol.
烟气中:
CO263。
17mol;SO20。
5mol;H2O4.91+4。
625+20.375=29。
91mol;
N2:
73。
86×3。
78=279.19mol;过剩干空气0。
2×73。
86×4。
78=70.61mol。
实际烟气量为63.17+0.5+29.91+279。
19+70。
61=443.38mol
其中CO2;SO2;
H2O;N2.
O2。
2。
7运用教材图2-7和上题的计算结果,估算煤烟气的酸露点。
解:
SO2含量为0。
11%,估计约1/60的SO2转化为SO3,则SO3含量
,即PH2SO4=1.83×10-5,lgPH2SO4=-4。
737。
查图2-7得煤烟气酸露点约为134摄氏度。
2。
8燃料油的重量组成为:
C86%,H14%。
在干空气下燃烧,烟气分析结果(基于干烟气)为:
O21。
5%;CO600×10-6(体积分数).试计算燃烧过程的空气过剩系数。
解:
以1kg油燃烧计算,
C860g71.67mol;
H140g70mol,耗氧35mol。
设生成COxmol,耗氧0。
5xmol,则生成CO2(71.67-x)mol,耗氧(71.67-x)mol。
烟气中O2量.
总氧量,干空气中N2:
O2体积比为3。
78:
1,则含N23.78×(106。
67+24。
5x)。
根据干烟气量可列出如下方程:
,解得x=0.306
故CO2%:
;
N2%:
由《大气污染控制工程》P46(2-11)
空气过剩系数
3。
1一登山运动员在山脚处测得气压为1000hPa,登山到达某高度后又测得气压为500hPa,试问登山运动员从山脚向上爬了多少米?
解:
由气体静力学方程式,大气中气压随高度的变化可用下式描述:
(1)
将空气视为理想气体,即有
可写为
(2)
将
(2)式带入
(1),并整理,得到以下方程:
假定在一定范围内温度T的变化很小,可以忽略.对上式进行积分得:
即(3)
假设山脚下的气温为10。
C,带入(3)式得:
得
即登山运动员从山脚向上爬了约5.7km.
3.2在铁塔上观测的气温资料如下表所示,试计算各层大气的气温直减率:
,,,,,并判断各层大气稳定度。
高度Z/m
1。
5
10
30
50
气温T/K
298
297.8
297。
5
297。
3
解:
,不稳定
,不稳定
,不稳定
不稳定
不稳定.
3.3在气压为400hPa处,气块温度为230K。
若气块绝热下降到气压为600hPa处,气块温度变为多少?
解:
3.4试用下列实测数据计算这一层大气的幂指数m值。
高度Z/m
10
20
30
40
50
风速u/m.s-1
3.0
3。
5
3.9
4.2
4。
5
解:
由《大气污染控制工程》P80(3-23),,取对数得
设,,由实测数据得
x
0。
301
0。
477
0。
602
0。
699
y
0.0669
0。
1139
0。
1461
0.1761
由excel进行直线拟合,取截距为0,直线方程为:
y=0。
2442x
故m=0.2442。
3。
5某市郊区地面10m高处的风速为2m/s,估算50m、100m、200m、300m、400m高度处在稳定度为B、D、F时的风速,并以高度为纵坐标,风速为横坐标作出风速廓线图.
解:
,
。
稳定度D,m=0.15
,
,
.
稳定度F,m=0。
25
,
风速廓线图略。
3。
6一个在30m高度释放的探空气球,释放时记录的温度为11.0。
C,气压为1023hPa。
释放后陆续发回相应的气温和气压记录如下表所给。
1)估算每一组数据发出的高度;2)以高度为纵坐标,以气温为横坐标,作出气温廓线图;3)判断各层大气的稳定情况。
测定位置
2
3
4
5
6
7
8
9
10
气温/。
C
9.8
12.0
14。
0
15。
0
13.0
13.0
12。
6
1。
6
0。
8
气压/hPa
1012
1000
988
969
909
878
850
725
700
解:
1)根据《AirPollutionControlEngineering》可得高度与压强的关系为
将g=9.81m/s2、M=0。
029kg、R=8.31J/(mol。
K)代入上式得。
当t=11。
0。
C,气压为1023hPa;当t=9.8.C,气压为1012hPa,
故P=(1023+1012)/2=1018Pa,T=(11。
0+9.8)/2=10。
4。
C=283。
4K,dP=1012—1023=-11Pa。
因此,z=119m.
同理可计算其他测定位置高度,结果列表如下:
测定位置
2
3
4
5
6
7
8
9
10
气温/.C
9.8
12。
0
14.0
15.0
13.0
13。
0
12.6
1。
6
0。
8
气压/hPa
1012
1000
988
969
909
878
850
725
700
高度差/m
89
99
101
163
536
290
271
1299
281
高度/m
119
218
319
482
1018
1307
1578
2877
3158
2)图略3),不稳定;
,逆温;
,逆温;
,逆温;
稳定;
,稳定;
,稳定;
稳定。
3.7用测得的地面气温和一定高度的气温数据,按平均温度梯度对大气稳定度进行分类。
测定编号
1
2
3
4
5
6
地面温度/。
C
21.1
21.1
15。
6
25。
0
30。
0
25.0
高度/m
458
763
580
2000
500
700
相应温度/.C
26。
7
15。
6
8。
9
5。
0
20。
0
28。
0
解:
故,逆温;
,故,稳定;
,故,不稳定;
,故,不稳定;
,故,不稳定;
,故逆温。
3。
8确定题3。
7中所给的每种条件下的位温梯度。
解:
以第一组数据为例进行计算:
假设地面大气压强为1013hPa,则由习题3。
1推导得到的公式,代入已知数据(温度T取两高度处的平均值)即
,由此解得P2=961hPa。
由《大气污染控制工程》P72(3-15)可分别计算地面处位温和给定高度处位温:
,
故位温梯度=
同理可计算得到其他数据的位温梯度,结果列表如下:
测定编号
1
2
3
4
5
6
地面温度/。
C
21。
1
21。
1
15。
6
25.0
30。
0
25。
0
高度/m
458
763
580
2000
500
700
相应温度/.C
26.7
15.6
8。
9
5.0
20.0
28.0
位温梯度/
K/100m
2。
22
0。
27
-0。
17
-0.02
-1。
02
1.42
3。
9假如题3。
7中各种高度处的气压相应为970、925、935、820、950、930hPa,确定地面上的位温.
解:
以第一组数据为例进行计算,由习题3。
1推导得到的公式,设地面压强为P1,代入数据得到:
,解得P1=1023hPa。
因此
同理可计算得到其他数据的地面位温,结果列表如下:
测定编号
1
2
3
4
5
6
地面温度/.C
21.1
21。
1
15.6
25.0
30。
0
25。
0
高度/m
458
763
580
2000
500
700
相应温度/。
C
26。
7
15。
6
8.9
5。
0
20。
0
28.0
地面压强/hPa
1023
1012
1002
1040
1006
1007
地面位温/.C
292.2
293。
1
288。
4
294。
7
302。
5
297.4
4.1污染源的东侧为峭壁,其高度比污染源高得多。
设有效源高为H,污染源到峭壁的距离为L,峭壁对烟流扩散起全反射作用。
试推导吹南风时高架连续点源的扩散模式。
当吹北风时,这一模式又变成何种形式?
解:
吹南风时以风向为x轴,y轴指向峭壁,原点为点源在地面上的投影。
若不存在峭壁,则有
现存在峭壁,可考虑为实源与虚源在所关心点贡献之和。
实源
虚源
因此+
=
刮北风时,坐标系建立不变,则结果仍为上式.
4。
2某发电厂烟囱高度120m,内径5m,排放速度13。
5m/s,烟气温度为418K.大气温度288K,大气为中性层结,源高处的平均风速为4m/s。
试用霍兰德、布里格斯(x〈=10Hs)、国家标准GB/T13201-91中的公式计算烟气抬升高度。
解:
霍兰德公式
.
布里格斯公式
且x〈=10Hs.此时。
按国家标准GB/T13201-91中公式计算,
因QH>=2100kW,Ts-Ta>=130K>35K。
(发电厂位于城市近郊,取n=1。
303,n1=1/3,n2=2/3)
4.3某污染源排出SO2量为80g/s,有效源高为60m,烟囱出口处平均风速为6m/s。
在当时的气象条件下,正下风方向500m处的,试求正下风方向500m处SO2的地面浓度。
解:
由《大气污染控制工程》P88(4-9)得
4。
4解:
阴天稳定度等级为D级,利用《大气污染控制工程》P95表4-4查得x=500m时。
将数据代入式4-8得
.
4。
4在题4.3所给的条件下,当时的天气是阴天,试计算下风向x=500m、y=50m处SO2的地面浓度和地面最大浓度。
解:
阴天稳定度等级为D级,利用《大气污染控制工程》P95表4-4查得x=500m时。
将数据代入式4-8得
。
4.5某一工业锅炉烟囱高30m,直径0.6m,烟气出口速度为20m/s,烟气温度为405K,大气温度为293K,烟囱出口处风速4m/s,SO2排放量为10mg/s。
试计算中性大气条件下SO2的地面最大浓度和出现的位置.
解:
由霍兰德公式求得
,烟囱有效高度为。
由《大气污染控制工程》P89(4-10)、(4-11)
时,.
取稳定度为D级,由表4-4查得与之相应的x=745.6m。
此时。
代入上式。
4。
6地面源正下风方向一点上,测得3分钟平均浓度为3。
4×10-3g/m3,试估计该点两小时的平均浓度是多少?
假设大气稳定度为B级。
解:
由《大气污染控制工程》P98(4-31)
(当,q=0.3)
4。
7一条燃烧着的农业荒地可看作有限长线源,其长为150m,据估计有机物的总排放量为90g/s。
当时风速为3m/s,风向垂直于该线源。
试确定线源中心的下风距离400m处,风吹3到15分钟时有机物的浓度。
假设当时是晴朗的秋天下午4:
00。
试问正对该线源的一个端点的下风浓度是多少?
解:
有限长线源。
首先判断大气稳定度,确定扩散参数。
中纬度地区晴朗秋天下午4:
00,太阳高度角30~35.左右,属于弱太阳辐射;查表4-3,当风速等于3m/s时,稳定度等级为C,则400m处。
其次判断3分钟时污染物是否到达受体点。
因为测量时间小于0。
5h,所以不必考虑采样时间对扩散参数的影响。
3分钟时,污染物到达的距离,说明已经到达受体点。
有限长线源
距离线源下风向4m处,P1=-75/43。
3=-1。
732,P2=75/43。
3=1.732;。
代入上式得
。
端点下风向P1=0,P2=150/43。
3=3.46,代入上式得
4。
8某市在环境质量评价中,划分面源单元为1000m×1000m,其中一个单元的SO2排放量为10g/s,当时的风速为3m/s,风向为南风。
平均有效源高为15m。
试用虚拟点源的面源扩散模式计算这一单元北面的邻近单元中心处SO2的地面浓度。
解:
设大气稳定度为C级,.
当x=1.0km,.由《大气污染控制工程》P106(4-49)
4。
9某烧结厂烧结机的SO2的排放量为180g/s,在冬季下午出现下沉逆温,逆温层底高度为360m,地面平均风速为3m/s,混和层内的平均风速为3。
5m/s。
烟囱有效高度为200m。
试计算正下风方向2km和6km处SO2的地面浓度.
解:
设大气稳定度为C级。
当x=2km时,xD x=xD时,,代入《大气污染控制工程》P88(4-9)得 x=2xD时,,代入P101(4-36)得 ; 通过内插求解 当x=6km〉2xD时,, 计算结果表明,在xD<=x<=2xD范围内,浓度随距离增大而升高。 4。 10某硫酸厂尾气烟囱高50m,SO2排放量为100g/s。 夜间和上午地面风速为3m/s,夜间云量为3/10。 当烟流全部发生熏烟现象时,确定下风方向12km处SO2的地面浓度. 由所给气象条件应取稳定度为E级。 查表4-4得x=12km处,。 。 4。 11某污染源SO2排放量为80g/s,烟气流量为265m3/s,烟气温度为418K,大气温度为293K.这一地区的SO2本底浓度为0.05mg/m3,设,,m=0。 25,试按《环境空气质量标准》的二级标准来设计烟囱的高度和出口直径。 解: 按《大气污染控制工程》P91(4-23) 由P80(3-23) 按城市及近郊区条件,参考表4-2,取n=1.303,n1=1/3,n2=2/3,代入P91(4-22)得 。 《环境空气质量标准》的二级标准限值为0.06mg/m3(年均),代入P109(4-62) = 解得 于是Hs>=162m。 实际烟囱高度可取为170m.
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