第一章燃烧与大气污染

主要的大气污染物，例如烟尘、NOx和SO2等，源于燃料燃烧。本章侧重介绍燃料燃烧过程的基本原理，污染物的产生量计算和排放的烟气体积的计算，以及如何控制燃烧过程以便减少污染物的产生量，为后续污染物的控制奠定基础。

●1.1大气污染源

      本节主要介绍大气污染物的来源。来源可分为自然源和人为源，但控制是以人为源为主。着重介绍源强基本控制方程，基于对排放因子的理解，从宏观上确定污染源强。

●1.2煤的工业分析

本节主要介绍燃料的分类、两大性质（热值和化学组成）以及煤的工业分析。煤的工业分析包括测定煤中水分、灰分、挥发分和固定碳，这是评价工业用煤的主要指标。

●1.3煤的元素分析

煤的元素分析旨在用化学方法测定去掉外部水分的煤中主要成分碳、氢、氧、氮和硫等的含量。比较了碳和氢的热值，氧存在的优势与劣势，并重点分析了硫的分类及转化比例。

●1.4燃料完全燃烧的条件

要使燃料完全燃烧，必须具备四个条件：空气条件、温度条件、时间条件和混合条件。本节重点分析了空气条件，空气过多或不足各有哪些利弊，为下节课的学习奠定基础。

●1.5理论空气量与实际空气量

燃料燃烧所需要的氧，一般是从空气中获得，按照燃烧方程式计算出来的空气量为理论空气量，它由燃料的组成决定。但在实际燃烧过程中，“3T”条件不可能达到理想化程度，因此为使燃料完全燃烧，必须供给过量的空气，即实际空气量。它的求算可借助于空气过剩系数。

●1.6燃烧污染物的排放因子

燃烧方式的不同对燃烧产物的生成量有很大影响。本节从固定源和移动源两方面，重点阐述了污染物的排放因子的影响因素，为污染物排放清单的建立打下基础。

●1.7烟气体积的计算

本节主要讲解理论烟气体积和实际烟气体积的计算。理论烟气体积可通过人数方程式计算，并且它是实际烟气体积计算的基础。实际烟气体积的计算分为完全燃烧和不完全燃烧两种情况，但两者的计算都要基于燃烧前后氮气的量不变和借助于奥萨特气体分析仪来完成。
实际烟气体积是确定烟气中污染物浓度的基础，并且它也为后续净化设备的设计提供理论依据。

第二章大气污染气象学

从污染源排放到大气中污染物的传输和扩散过程，与污染源本身特性、气象条件、地面特征和周围地区建筑物分布等因素皆有密切关系。特别是与气象条件的关系更为密切，随着风速、风向、大气湍流运动、气温垂直分布及大气稳定度等气象因素的变化，污染物在大气中的扩散稀释情况千差万别，所造成的污染程度有很大不同。
      因此，为了有效控制大气污染，除应采取各种综合防治措施外，还应充分利用大气对污染物的扩散和稀释能力。

●2.1主要气象要素

本节主要介绍了四种气象要素对污染物在大气中扩散稀释的影响。关于风，要能够识别风玫瑰图；关于气温，要清楚气象学上标准气温的测法；关于气压，要掌握静力学方程；关于气湿，重点掌握相对湿度和露点的概念，并能结合实际灵活运用。

●2.2大气稳定度的判别

大气中近地层气温的变化是决定大气稳定度或湍流扩散能力最重要的因素。描述这种变化的参量有气温直减率和干绝热直减率。并根据两者之间的关系，判定大气稳定度。

第三章颗粒污染物控制技术基础

充分认识粉尘颗粒的大小等物理特性，是研究颗粒的分离、沉降和捕集机理以及选择、设计和使用除尘装置的基础。本章在讨论颗粒的粒径分布、密度、荷电性和导电性等物理特性及除尘装置性能表示方法的基础上，对粉尘颗粒在各种力场中的空气动力学行为——分离、沉降、捕集等进行介绍。

●3.1颗粒物的粒径

本节着重介绍颗粒物粒径的重要性以及粒径的确定方法。众多方法中，着重介绍沉降法确定的Stokes直径和空气动力学当量直径。并由此拓展到颗粒物在不同介质沉降中的差异本质。

●3.2粒径分布的基本参量

粒径分布是指不同粒径范围内的颗粒的个数或质量所占的比例。除尘技术中多采用粒径的质量分布。本节主要讲解描述粒径分布的三个基本参量：频率、筛下累积频率和频率密度。重点揭示三者之间的关系并能根据图形互相求算。

●3.3对数正态分布

本节主要介绍粒径分布的函数表达——对数正态分布。在讲解几何平均直径的基础上，通过与正态分布相对比，重点讲解对数正态分布的表达形式和两个特征量：几何平均直径和几何标准偏差。

●3.4粉尘的物理性质（1）

本节主要介绍的是颗粒物物理性质中的密度、安息角和滑动角以及含水率。明确了实际工程应用中，真密度和堆积密度的选取，安息角与滑动角对设备设计的作用，以及含水率对捕集性能的影响。

●3.5粉尘的物理性质（2）

本节重点讲解了粉尘物理性质中的荷电性和导电性。两种物理性质均和电除尘器的运行密切相关。从电除尘器的结构和运行过程入手，明确了荷电性和导电性的意义，它们如何影响电除尘器性能的。为后续电除尘器的学习打下基础。

●3.6除尘器的技术指标

评价净化装置性能的技术指标包括处理气体流量、净化效率和压力损失。本节以净化效率为主，着重讲解总除尘效率和分级除尘效率的互相求算。

●3.7Stokes阻力定律

作用在运动颗粒上的流体阻力，对所有捕集过程来说都是最基本的作用力。本节着重讲述流体阻力的影响因素，公式的表达，尤其是颗粒运动处于层流区时的Stokes阻力定律。在后续各种除尘器除尘原理的学习中，Stokes阻力定律贯穿始终。

●3.8坎宁汉校正

当颗粒尺寸小到与气体分子平均自由程大小差不多时，颗粒开始脱离与气体分子接触，颗粒运动发生所谓“滑动”。这时，相对颗粒来说，气体不再具有连续流体介质的特性，流体阻力将变小。为了对这种滑流运动进行修正，可以将坎宁汉校正系数C引入Stokes阻力定律。本节分析了影响C的因素，以及对于很小的粒子如果不进行校正，阻力计算会产生很大的误差。

●3.9阻力导致的减速运动

本节以喷雾器喷液滴这个具体的实例，采用任务驱动式教学方法，结合牛顿第二定律，颗粒物在相对运动方向上只受阻力的前提下，推导了运动速度随时间的变化以及停止距离的表达。结合实例，深入浅出。

●3.10惯性碰撞

本节以子弹打靶为切入点，把颗粒物当成子弹，把捕集体当成靶子，研究颗粒物被捕集的惯性碰撞机理。着重讨论了影响惯性碰撞捕集效率的三个因素：雷诺数、惯性碰撞参数和附着率。结合惯性碰撞的分级除尘效率曲线，确定了分级除尘效率确定的过程。

第四章除尘装置

从气体中去除或捕集固态或液态微粒的设备称为除尘装置或除尘器。根据主要除尘机理，目前常用的除尘器可分为：机械除尘器、电除尘器、袋式除尘器和湿式除尘器。本章分别介绍以上四种常用除尘装置的工作原理、结构及性能。

●4.1层流式重力沉降室

依靠重力捕集颗粒物的装置称为重力沉降室，属于机械式除尘器的一种。根据气流的流动状况，可以将重力沉降室分为层流式的和湍流式的。本节重点讲解了层流式重力沉降室。在气流流动为柱塞流的假设前提下，结合沉降室纵剖面，采用高度的比值确定了分级除尘效率以及能100%捕集的最小颗粒物的粒径。

●4.2湍流式重力沉降室

湍流式重力沉降室假设气流为湍流状态，水平方向上颗粒物浓度逐渐降低，垂直方向上完全返混。仍然借助沉降室的纵剖面，从微分的角度入手，通过积分最终确定整个沉降室的分级除尘效率。并通过分级除尘效率曲线，比较了三种流动模式下效率的差别。

●4.3旋风除尘器的气流运动

旋风除尘器是利用旋转气流产生的离心力使尘粒从气流中分离的装置。旋风除尘器内气流的运动是分析除尘机理的基础。本节着重讲解切向运动和径向运动的速度表达。切向运动速度服从涡流定律，径向运动速度一定要借助假想的圆柱面来完成。

●4.4 旋风除尘器的除尘效率

本节从分析假想圆柱面上颗粒物的运动入手，计算颗粒物所受的离心力和阻力。结合两者大小，确定颗粒是否能被捕集。当离心力和阻力相等时，除尘效率为50%，从而确定分割直径。再由经验公式计算分级除尘效率。口诀“除尘效率要计算，分割直径是关键。经验公式来帮忙，离心力阻力走在前。”可以作为本节内容的核心总结。

●4.5旋风除尘器专项练习

基于旋风除尘器中气流和粒子的流动状态非常复杂，并且公式繁多不易理解，所以本节内容为习题课。通过对一道求算分割直径和压力损失的例题的分析，使学生建立起理解知识的框架，并通过对计算结果的分析，比较了重力沉降室和旋风除尘器的除尘效率。

●4.6电除尘器的工作原理

虽然在实践中电除尘器的种类和结构形式繁多，但都基于相同的工作原理。其原理设计悬浮粒子荷电、带电粒子在电场内迁移和捕集，以及将捕集物从集尘表面清除三个基本过程。本节着重讲述高压直流电晕条件下的电晕放电、颗粒物迁移的驱进速度以及振打清灰过程。

●4.7荷电机理

颗粒物荷电机理有电场荷电和扩散荷电两种。高压直流电晕条件下产生了大量的初级电子、次级电子和负离子，它们在向正极迁移的同时，由于和颗粒物的运动方向相互垂直，所以会碰上颗粒从而使颗粒物荷电，这叫做电场荷电，以大粒子为主。定向运动的同时，电子和负离子也在做热运动式的扩散运动，由于扩散而是颗粒物荷电称作扩散荷电，以小粒子为主。
另外，电除尘器中还会出现异常荷电现象，包括反电晕和电晕闭塞，主要讲解它们产生的原因和消除措施。

●4.8德意希公式

本节内容主要推导了描述电除尘器分级除尘效率的德意希方程，以及影响除尘效率的因素分析。德意希方程的假设条件与推导过程和湍流式重力沉降室极为相似，建议学生对比理解。运行参数驱进速度和设计参数比集尘板表面积会影响除尘效率，由此总结出增大除尘效率的途径。

●4.9电除尘器的结构

电除尘器的结构形式有管式和板式两种，其中工业应用中板式电除尘更为常见。板式电除尘的结构包括集尘极、电晕极、气流分布板和供电设备4部分。本节着重讲解气流分布板存在的意义以及气流分布不均匀对除尘性能的影响。

●4.10袋式除尘器

袋式除尘器属于过滤式除尘器的一种，一般采用纤维织物做滤料，在工业尾气的除尘方面应用较广。本节着重讲解（1）袋式除尘原理，即真正起过滤作用的是滤料表面形成的粉尘层，而非滤料本身。（2）袋式除尘的分级除尘效率是时刻变化的，有一个正常工作的区间。（3）滤料的选择要求。为了保证除尘效果，滤料要有一定的厚度、强度、容尘量和耐温性，不能光滑，不能有弹性。

●4.11湿式除尘器

为了使学生清楚湿式除尘的框架，首先介绍湿式除尘系统的三大核心过程，即气液接触、气液分离和液固分离。
湿式除尘过程中，液气比、压力损失、气体流速和分割直径是表征湿式除尘性能最主要的参数，并且各个参数间互相关联。
文丘里洗涤器是湿式除尘中效率最高的最常用的除尘装置。通过对文丘里结构的讲解，嵌入除尘机理，尤其是喉管的作用。

第五章气态污染物控制技术

从废气中去除气态污染物，控制气态污染物向大气的排放，常常设计气体吸收、气体吸附气体催化转化等单元操作。因此，本章对这三种单元操作的基本原理和工艺设备作一概要介绍，并在此基础上，讲述了SO2的烟气脱硫工艺和回收硫酸工艺，氮氧化物的形成机理、低氮氧化物燃烧技术和烟气脱硝中的SCR工艺。

●5.1吸收机理

气体吸收实际上是吸收质分子从气相向液相的相际间质量传质过程。在一定温度和压力下，吸收传质速率等于解吸传质速率时，气液两相就达到了平衡，平衡分压和平衡溶解度之间的关系可以用亨利定律来描述。
对于吸收机理的解释以双膜理论模型应用较广。双膜模型的四个基本要点是建立吸收速率方程的基础。吸收速率=吸收系数*吸收推动力。气相分传质速率、液相分传质速率和总传质速率都相同。

●5.2吸收操作线方程

在吸收塔塔底与任一截面之间或者塔顶与任一截面之间，通过物料衡算，即气相中减少的吸收质的量就等于液相中增加的，可以建立吸收操作线方程。方程描述的是吸收塔内任一截面上，吸收质在气相和在液相中的摩尔分率之间的关系。操作线是一条线段，它的两个端点分别代表塔底和塔顶，操作线的斜率叫做液气比，表征吸收剂摩尔流量与惰性气体摩尔流量之比。

●5.3液气比

吸收操作线的斜率称作液气比，表征吸收剂的摩尔流量与惰性气体摩尔流量之比。通常在工业应用中，由液气比可以确定吸收剂的用量。液气比通常为最小液气比的1.5倍，最小液气比可以通过吸收操作线和吸收平衡线共同确定。当吸收操作线与吸收平衡线相交或相切时，对应的斜率即为最小液气比。公示的表达可结合图形来表示。

●5.4吸收设备与吸收工艺

工业上常用的吸收设备有喷淋塔和填料塔。在喷淋塔中，为了使气流分布更加均匀和增大气液接触面积，塔底会设置气流分布板。同时液相通过喷嘴喷出，也是为了增大气液接触面积。净化后的气体排出之前要进行除雾，以避免对后续设备的腐蚀。
填料塔与喷淋塔最大的区别在于使用的不是气流分布板而是填料，其他结构基本相同。
吸收工艺中，除了吸收塔，还必须配备的其他设施有除尘器和烟气冷却装置GGH。同时控制好溶液pH，防止过饱和引起的结构和堵塞。

●5.5吸附设备

根据吸附质与吸附剂之间的流动关系，可以把吸附床分为固定床、移动床和流化床。这三种吸附床层各有自己的优缺点，实际工业应用中要结合污染源的实际情况（如污染气体量、排放的连续性等）作出合理选择。其中，由于移动床和逆流吸收塔的两相流动关系相同，所以两者的分析极为相似。

●5.6固定吸附床的设计

在不同时间内吸附床不同截面处气流中污染物的浓度分布是固定吸附床设计的前提。当吸附床穿透时设备运行的时间称为保护作用时间，它是希洛夫公式中最基本的参量。结合希洛夫曲线中的理想线和实际曲线，明确希洛夫方程中各参量的物理意义，通过实验数据描绘出希洛夫曲线，即可确定吸附床层的长度。

●5.7催化设备与催化工艺

根据催化剂与气流之间的流动关系，催化设备可分为固定床和流化，各有其优缺点。在选择催化设备时，要考虑反应热的大小、反应对温度的敏感性、要求的压力损失等因素。
催化工艺的应用非常广泛，本节着重介绍催化氧化SO2回收制酸工艺、催化氧化VOCs工艺和催化还原NOx的SCR工艺。

●5.8喷雾干燥法

含高浓度SO2的烟气可以回收制酸，但低浓度尾气回收制酸得不偿失，所以要采取烟气脱硫。烟气脱硫工艺按照脱硫的状态可以分为湿法、干法和半干法。本节着重讲解了湿法代表石灰石/石灰法的工艺流程和半干法的代表喷雾干燥法。喷雾干燥法从工艺流程、优缺点和影响因素三方面做了详细介绍。

●5.9热力型NOx形成的热力学

大气中氮氧化物种类繁多，但从大气污染控制的角度来讲，主要是控制NO和NO2。本节从影响可逆反应平衡的温度和化学组成两个角度，详细分析了热力型NOx形成的热力学。由热力学数据可知，升高温度和氧气增多有利于NO的形成，降低温度有利于NO2的形成。

●5.10低NOx燃烧技术与SCR

在我国，氮氧化物的控制施行的是前端控制加末端控制，即共同分担式控制。前端控制指的是燃烧中控制，本节内容从低氧燃烧、降低助燃空气预热温度 、烟气循环燃烧和分段燃烧四个方面阐述了低NOx燃烧技术；末端控制指的是烟气脱硝，本节内容着重讲解了选择性催化还原SCR工艺。主要以氨作还原剂，安装在空气预热器之前，将NO和NO2还原为氮气和水。