大气污染课后详解9章

第九章 固定源氮氧化物污染控制9

9.1 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M.6110×103×103×4.18×38%=1000×106×24×3600 解得M=8.9×103t。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M.10000×103×103×4.18×38%=1000×106×24×3600，M=5439t。

取重油密度为0.8×103kg/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）8900×103×4.18×38%V=1000×106×24×3600，解得V=6.1×106m3。

6.11066.2538.2t。 每日排放NOx量约为331010

9.2 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CO264.3mol，H2O26mol，SO20.812mol，NO0.267mol。需O22504－59=2445g，约76.4mol。 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CO264.3mol，H2O26mol，SO20.812mol，NO0.267mol，N2287.7mol。 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

9.3 气体的初始组成以体积计为8.0%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：

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(2x)21）1200K下，Kp=2.8×10。设有xN2转化为NO，则2.8107

(75x)(5x)－7

解得x=0.00512；故NO平衡浓度为

20.005121.02104（体积分数）

100(2x)22）1500K时，同理1.1105 解得x=0.032，故NO平衡浓度为

(75x)(5x)0.03226.4104（体积分数）

100(2x)23）2000K时，4.0104 解得x=0.190，故NO平衡浓度为0.0038。

(75x)(5x)

9.4 假定煤的元素组成以重量百分比计为：氢3.7，碳75.9，硫0.9，氮0.9，氧4.7，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CO263.25mol，含H2O 18.5mol，含SO20.28mol。因此需O2 2392－47=2281g 约71.3mol，则引入N2268.2mol。

若空气过剩20%，则烟气中O2为0.2×71.3=14.26mol，N2 268.2+53.6+9/28=322.1mol。 即若不考虑N转化，则烟气中含CO263.25mol，H2O18.5mol，SO20.28mol，O214.26mol，N2322.1mol。

0.29/143.1104（体积分数）

418.40.59/147.7104（体积分数） 2）N2转化率50%，则NO浓度为

418.41）N2转化率20%，则NO浓度为

9.5 基于第二节给出的动力学方程，对于t=0.01、0.04和0.1s，估算[NO]/[NO]e的比值，假定M=70，C=0.5。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=0.5代入 当t=0.01s时 (1Y)(1Y)当t=0.04s时 (1Y)(1Y)当t=0.1s时 (1Y)(1Y)由M5.710TP1511/2C1(1Y)C1exp(Mt)

1.50.5e0.7，解得Y=0.313； e2.8，解得Y=0.811；

1.50.51.50.5e7，解得Y=0.988。

58400)，取P=1atm，将M=70代入得T=2409K。 Texp(

9.6 对于M=50和M=30重复上面的计算。]

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解：

t0.01s,(1Y)1.5(1Y)0.5e0.5,Y0.232M=50t0.04s,(1Y)1.5(1Y)0.5e2.0,Y0.686

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M=30t0.04s,(1Y)1.5(1Y)0.5e1.2,Y0.487

t0.1s,(1Y)1.5(1Y)0.5e3,Y0.8249.7 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=4.1×1013exp[－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=1.987cal/mol.K）。将所给温度代入公式计算K值，列表

RT4.11013如下： T（K） 300 －31 －30 1000 7.0×107.5×10－9 －9 1200 2.7×102.8×10－7 －7 1500 1.0×101.1×10－5 －5 2000 4.0×104.0×10－4 －4 2500 3.5×103.5×10－3 －3 Kp（计算值） 5.3×10Kp（表中值） 10

9.8 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=6.63×104，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=2.68×103，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

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3）2400K时，Kp,o=8.60×103，，平衡时[O2]e－

0.050.254mol/m3

0.0242400/273故[Oe]/2[O2]1eKP,O(RT)1/20.2548.601038.31424003.0710－5mol/m3

9.9 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CO263.25mol，H2O18.5mol，SO20.28mol，NO0.267mol。需O22333－47=2286g，约71.4mol。 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CO263.25mol，H2O18.5mol，SO20.28mol，NO0.267mol，N2269.0mol。 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=140.5mol。

351.3x0.2675.43104（体积分数）。

351.3140.5

－

9.10 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56.4mol。 空气过剩50%，则总氮气量为56.4×1.5=84.6mol，O2量为7.5mol。

0.5x230106，解得x=0.052

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

0.0521412020由题意，

9.11 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，

－6

每天各需要多少吨氨？假定氨的残留量为5×10（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NO210.7t，NO96.3t。反应方程式为：

4NH34NOO24N26H2O 8NH36NO27N212H2O

44308646 x0.996.3103y0.910.7103精彩文档

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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=0.04kmol，可忽略。

故每天消耗氨的量为（2889+279）×17/103=53.9t。

2）以热值为10000kcal/kg的重油为燃料，每日排放NOx量约85t，其中NO28.5t，NO76.5t。反应方程式为：

4NH34NOO24N26H2O 8NH36NO27N212H2O

44308646 x0.976.5103y0.98.5103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=0.03kmol，可忽略。

故每天消耗氨的量为（2295+222）×17/103=42.8t。 3）以热值为8900kcal/m3的天然气为燃料，每日排放NOx量约38.2t，其中NO23.8t，NO34.4t。反应方程式为：

4NH34NOO24N26H2O 8NH36NO27N212H2O

44308646 x0.934.4103y0.93.8103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=0.01kmol，可忽略。

故每天消耗氨的量为（1032+99）×17/103=19.2t。

－

9.12 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O20.2mol，N2

其中，NOx量折合成NO2为：46×11.52×300×106=1.59×104kg。 甲烷燃烧热值为802.3kJ/mol，故浓度转化结果为：

－

－

0.79故烟气总体积3+8.32+0.2=11.52mol。 2.28.32mol。

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1.59104kgNO2/GJ0.198kgNO2/GJ。 6802.310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3.76（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)+ 3.76（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)+ 3.76（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=802.3kJ/mol，1.1，F=300×10题目所给甲烷燃烧时的结果为0.197 kgNO2/GJ，与计算结果吻合。

－6

代入上式可得

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