环保工程师考点精析及训练

1.气象要素、大气结构和组成

（1）气象要素 表示大气状态的物理量和物理现象称为气象要素。与空气污染有关的主要气象要素有：气温、气压、气湿、风向、风速、云况和能见度等。

影响污染物在大气中的气象要素有两个方面：气象的动力因子和气象的热力因子。

1）气象的动力因子

①风。气象上把水平方向上的空气运动称为风，垂直方向的空气运动称为升降气流。风是矢量，有大小和方向。

②湍流。在边界层内，存在大气的无规则运动，称为大气湍流。湍流表现为风速的脉动和风向的摆动，湍流引发的扩散比分子扩散快10⁵～10⁶倍。一般平均风速越大，则湍流越强。

2）气象的热力因子

①气温的垂直变化。干绝热直减率：干气团绝热上升或下降单位高度（通常为100m）的温度变化量称为干绝热直减率，用γ_d表示，单位为K/100m。即

如果g=9.81m/s²，c_p=1.005J/（kg·K），则γ_d=0.98K/100m，通常取γ_d=1K/100m。干空气或未饱和湿空气每上升100m，温度下降1K。

气温直减率。大气环境中，气温T随高度Z的变化称为气温直减率，用γ表示。

根据气温与高度的变化关系作图得到温度层结曲线，简称为温度层结。根据形状不同，温度层结分为以下四类：

γ>γ_d，气温随高度增加而递减，称为正常分布层结或递减层结。

γ=γ_d，气温直减率接近于绝热直减率，称为中性层结。

γ=0，气温不随高度变化，称为等温层结。

γ<0，气温随着高度增加而升高，称为逆温层结。

大气稳定度。在垂直方向上大气稳定的程度，即是否易于发生对流。

大气稳定度的判定方法是：

γ>γ_d，大气不稳定。

γ=γ_d，大气中性。

γ<γ_d，大气稳定。

气象学上，一般将大气稳定度分成A、B、C、D、E、F六级，其中A代表最不稳定，F代表最稳定。大气稳定度与风速和太阳辐射有密切关系。

②逆温。大气温度随高度增加而升高的现象，逆温层结是强稳定的大气层结，不利于污染物的扩散。

按照形成机理，逆温可以分为辐射逆温、下沉逆温、平流逆温、湍流逆温及锋面逆温，其中以辐射逆温最常见。

在晴朗无云或少云、风力不大的夜晚，地面辐射冷却很快，贴近地面的大气温度下降最多，而高层大气冷却慢，造成温度自下而上的增加，称为辐射逆温。

辐射逆温层的产生是有规律的，一般只在夜间形成，早晨随着太阳不断加热地表，地面温度上升，逆温自下而上逐渐消失，一般在上午完全消失。

辐射逆温在陆地上常年可见，但以冬季最强。冬季晴朗无云和微风的白天，由于地面辐射超过太阳辐射，也能产生逆温。

③烟流形状与大气稳定度的关系。不同的大气稳定度条件下，烟流形状大致有波浪形、锥形、扇形、爬升形和漫烟形五种，如图14-49所示。

a.波浪形。当γ>0，γ>γ_d，全层不稳定，烟流呈波浪形，污染物扩散情况良好。地面最大浓度距离烟囱较近，落地浓度较高，对附近居民有害。

b.锥形。γ>0，γ=γ_d，大气处于中性或弱稳定状态，扩散速度和落地浓度比波浪形低，污染物输送得较远。这种烟形多发生在阴天中午或冬季夜间。

c.扇形。当烟流出口处于逆温层中，即γ-γ_d<-1时，烟流垂直方向扩散很少，像一条带子飘向远方，从上面看，烟流呈扇形。若烟囱高，则对近处地面危害小，对远方造成污染；若烟囱低，将造成近处地面的严重污染。这种烟形多发生在晴天的夜间或早晨。

d.爬升形（屋脊形）。排出口上方，γ>0，γ>γ_d，大气不稳定；排出口下方，γ-γ_d<-1，大气稳定。此时，污染物只向上扩散，如果不与建筑物、丘陵相遇，不会造成对地面的严重污染，一般日落后出现。

图14-49 烟流形状与大气稳定度的关系

图14-50 大气结构

e.漫烟形（熏烟形）。排出口上方，大气稳定，即γ-γ_d<-1；排出口下方，大气不稳定，即γ>0，γ>γ_d。污染物发生向下方的强烈扩散，造成地面严重污染，许多烟雾事件都是在此条件下形成，多发生在冬季日出前后。

（2）大气结构 自然地理学将受地心引力而随地球旋转的大气层称为大气圈，具体来讲，大气圈是指从地面到大约1400km高度处的大气层。按照气温分布，大气圈可以分为对流层、平流层、中间层、热层和散逸层，如图14-50所示。

1）对流层。对流层是大气圈最低的一层。对流层厚度在赤道处为16～17km，在中纬度为10～12km，两极为8～9km。对流层集中了大气质量的3/4和几乎全部水蒸气。层内大气温差较大，每升高100m，大气温度平均下降约0.65℃，因此空气对流强烈。对流层内温度、压力和湿度水平分布不均匀，形成了风、雪、雨、霜、雾等复杂的天气现象。

2）平流层。从对流层顶到50～55km高处，大气对流运动微弱，垂直混合很少，称为平流层。

3）中间层。从平流层顶到85km高处，由于处于热层和平流层之间，因此得名。气温随着高度增加而减少，大气对流强烈，垂直混合作用显著。

4）热层。从中间层到800km高处，气体分子被宇宙射线和紫外线大量电离，产生电子和离子，因此称为电离层。电离层内温度随高度增加而升高。

5）散逸层。从热层往上的大气统称为散逸层，是大气的最外层。因为此时空气极为稀薄，气温非常高，空气粒子高速运行，能逃逸地球的吸引力进入太空，因此又称为逃逸层。

（3）大气组成 大气的组成可以分为三部分：干燥清洁的空气、水蒸气和各种杂质。

1）干洁空气。主要成分是氮、氧、氩、二氧化碳，分别占78.084%、20.964%、0.934%、0.033%（体积）。地球上任何地方的干洁空气的物理性质都相同。

2）水蒸气。大气中水蒸气含量平均不到0.5%，且随着时间、地点和气象条件等不同而有较大变化，变化范围为0.01%～4%。水蒸气吸收地球长波辐射能力较强，对地面保温起到重要作用。

3）杂质成分。大气中的杂质成分主要有悬浮微粒和气态物质。

悬浮微粒：水蒸气凝结成的水滴和冰晶、岩石和土壤风化后的尘粒、植物花粉、微生物、细菌及病毒等。

气态物质：主要有硫氧化物、氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、氨、甲烷、甲醛、烃蒸气及恶臭气体等。

2.大气污染物的种类和来源

（1）大气污染物的种类 大气污染物是指由于人类活动或自然过程排入大气的并对人、环境产生有害影响的物质。大气污染物的种类很多，按其存在状态可概括为两大类：气溶胶状态污染物和气态污染物。

气溶胶状态污染物：是指沉降速度可以忽略的小固体粒子、液体粒子或其他在气体介质中悬浮的体系，包括粉尘、烟、飞灰、雾、黑烟等。

气态污染物：是以分子状态存在的污染物，可以分为一次污染物和二次污染物。

从污染源直接排出的原始物质，称为一次污染物，由一次污染物与大气中原有成分之间，或几种一次污染物之间，经过一系列化学或光化学反应而生成的与一次污染物性质不同的物质，称为二次污染物。

（2）大气污染物的来源

自然污染源：是指由于自然原因向环境释放的污染物，如火山喷发、森林火灾、飓风、海啸、土壤和岩石的风化及生物腐烂等自然现象形成的污染源。

人为污染源：是指人类生活活动和生产活动形成的污染源。

区域性大气污染物有：SO_x、NO_x、C_mH_n、CO_x、飘尘和重金属等。

全球性大气污染物有：SO_x、CO₂、NO_x、氯氟烃化合物、飘尘、铁和汞等重金属、滴滴涕（DDT）、六六六等。

3.大气污染物浓度的估算方法（高斯扩散模式）

高斯模式是假设污染物浓度呈正态分布时推导出来的扩散模式，是大气污染控制中使用最广的扩散模式。

1）坐标系

原点：无界点源或地面源的排放点，或者高架源排放点在地面上的投影点。取平均风向为x轴正向，y轴在水平面上垂直于x轴，正向在x轴左侧，取垂直于xOy所在水平面方向为z轴，向上为正向，符合右手法则。

2）基本假定

在全部空间中风速均匀、稳定；源强连续均匀；扩散过程中污染物质量守恒；污染物浓度在y、z轴上的分布符合正态分布。

3）高架点源公式

高架连续点源是：排放口位于地面以上高度H处，地面对污染物的影响不能忽略。在空间连续点源扩散基础上，对高架点源作出以下假定：地面同镜面一样，对污染物起全反射作用；下风向任一点P处的污染物浓度等于不存在地面时该处浓度，加上地面反射增加的浓度；地面对污染物的反射造成某处污染物浓度的增加，与一个大小相同、位置相反的虚像点源产生的效果相同。

根据上述假定，高架点源造成的污染等于（0，0，H）和（0，0，-H）两个空间无界连续点源造成污染的叠加，其中H为有效源高。

高架点源模式中，下风向任何一点（x，y，z）的污染物浓度可以表示为

式中 C——任意点的污染物浓度（mg/m³）；

q_v——源强，单位时间内污染物排放量（mg/s）；

σ_y——侧向扩散系数（m），污染物在y方向分布的标准偏差，是距离x的函数；

σ_z——竖向扩散系数（m），污染物在z方向分布的标准偏差，是距离x的函数；

u——排放口处的平均风速（m/s），；

m——风速高度指数；

u₁₀——离地面10m处的风速（m/s）；

H——烟囱的有效高度（m），简称为有效源高；

x——污染源排放点至下风向任一点的距离（m）；

z——从地表到任一点的高度（m）。

4）几种常用的大气扩散模式

①地面浓度公式。在高斯模式坐标系中，所谓地面浓度是指z=0的平面上污染物的浓度，代入式（14-1）即可得到地面浓度模式

②地面轴线浓度公式。地面轴线在高斯模式的坐标系中是指y=0，z=0的直线，代入式（14-2）有

③地面最大浓度公式及位置。根据地面轴线浓度公式，存在极大值，即地面轴线最大浓度

当时

式中 C_max——地面最大浓度（mg/m³）；

x——离源的距离（m）；

e——等于2.718。

除了极稳定的或极不稳定的大气条件，通常设σ_y=2σ_z，代入式（14-4）有

污染物高斯扩散模式给出了污染物浓度C与q_v、u、H、x、y、z、σ_y、σ_z八种因素的关系，其中q_v、u已知或者可以测量，则在下风向任一点P（x，y，z）处污染物浓度取决于H、σ_y和σ_z。

5）有效源高的计算。烟囱有效高度H，是烟囱实际高度和烟气抬升高度之和。

烟气从烟囱排出时具有初始动量，烟气具有高于周围大气的温度，因此具有一定浮力，在初始动量和浮力作用下，具有一定浓度的热烟气离开烟囱排放口后将上升一定高度，产生烟气抬升。此外，烟囱出口处的平均风速、大气稳定度等因素对烟气的抬升高度都有影响。

烟气抬升高度可以用霍兰德（Holland）公式、布里格斯（Briggs）公式和国家标准规定的公式计算。在没有特别要求时，应优先使用国家标准规定的方法。

6）扩散参数σ_y和σ_z的确定。根据时间、地理位置确定日倾角、太阳高度角，利用天气条件确定辐射等级，然后利用辐射等级和风速确定大气稳定度，最后查扩散参数幂函数表，确定扩散参数。扩散参数应注意取样时间校正。

【例14-1】 某工厂SO₂排放量为40kg/h，排气筒高度为40m，在中性条件下，距地面10m处风速为1.6m/s，抬升高度为30m，试求SO₂地面最大落地浓度（风速高度指数0.25）；若其他条件不变，抬升高度变为40m，则SO₂最大落地浓度又为多少？

【解】由风速廓线方程求出40m高处风速为

根据式（14-4）求出地面最大落地浓度为

因为

C_max∝H^-2_e

故抬升高度为40m时

【例14-2】 平原某工厂烟囱有效源高为100m，SO₂产生量为180kg/h，脱硫效率为70%。试求当吹北风、中性条件下，正南1000m处SO₂1h平均浓度贡献值。（中性条件下，烟囱出口处风速为6.0m/s，距源1000m处，0.5h取样时间σ_y=100m，σ_z=75m，σ_y1h=1.23σ_y0.5h）

【解】

源强

σ_y1h=1.23σ_y0.5h=123m

则小时平均浓度贡献值为

4.烟囱高度计算

烟囱高度既要达到大气污染物稀释扩散要求，又要节省投资，最终目的是要保证地面浓度符合《环境空气质量标准》（GB 3095—2012）。

P值法：依靠P值确定烟囱高度的方法，根据我国标准《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》（GB/T 13201—1991）规定的气态污染物和电站烟尘排放源的允许排放量计算公式，烟囱设计高度H_s和点源允许排放指标P有如下关系

式中 q_v——允许排放量（t/h）；

ΔH——烟气抬升高度（m）；

H_s——烟囱的几何高度（m）；

P——允许排放指标[t/（h·m²）]。

在烟囱高度实际计算中，还要考虑扩散公式和烟气抬升高度公式的选用，并注意不要产生烟气下洗现象。

1）适用条件：如果上部逆温出现频率较高，应用封闭型扩散模式校正；如果辐射逆温较强，应用熏烟型扩散模式校正。

2）烟气抬升高度的计算公式，以应用条件与设计条件相似为原则，首选国家标准推荐的公式。

3）为防止烟流下洗、下沉，烟囱高度不得低于从属建筑物高度的2倍；出口流速不得低于该高度处平均风速的1.5倍；排烟温度应在100℃以上；当几个烟囱地理位置相近，选用集中排烟方式，增加烟囱高度。

5.燃烧与大气污染

（1）燃料的性质 燃料是指用以产生热量或动力的可燃性物质，主要是含碳物质或碳氢化合物。燃料的最重要的两个属性：热值、杂质。

燃料按物理状态可以分为固体燃料、液体燃料和气体燃料。

三种主要的常规燃料是煤、石油、天然气。

1）煤。一般煤形成的地质年代越长，其挥发性成分越少，含碳量越高，无烟煤含碳量为90%～98%，一般煤含碳量为50%～95%。我国煤的平均含硫量约为1%。煤中的硫主要以有机硫、硫化铁硫和硫酸盐硫的形式存在。燃烧时大部分硫以SO₂的形式排放，是大气污染物SO₂的主要排放源。

煤的成分分析如下。

工业分析：测定煤中水分、挥发分、灰分和固定碳。估测硫含量和热值，是评价工业用煤的主要指标。

元素分析：用化学分析的方法测定去掉外部水分的煤中主要组分碳、氢、氮、硫和氧的含量，用于燃烧计算。

2）石油。液体燃料以石油为主。原油是天然存在的易流动液体，相对密度在0.78～1.00之间。原油由链烷烃、环烷烃和芳香烃等碳氢化合物组成。这些化合物主要含碳和氢，还有少量的氮、氧和硫，以及微量金属和污染物质。石油的典型组成为C₈H₁₈，碳氢物质的量之比约为1∶2。

3）天然气。天然气是从地下产生的含碳氢化合物的气体，是典型的气体燃料。一般含85%甲烷、10%乙烷、3%丙烷，还含有少量乙烯、氮气、氦气和二氧化碳，痕量成分为硫化氢和硫醇。天然气的碳氢物质的量之比约为1∶4，密度为7.5×10^-4g/cm³，平均热值为8900～9800kcal/m³（1kcal=4.187kJ）。

4）非常规燃料。除了煤、石油和天然气等常规燃料外，其他可燃性物质都包括在非常规燃料之列。某些较低级的化石燃料，如泥炭、焦油砂、油页岩，也可作为非常规燃料对待。

（2）燃料燃烧过程

1）燃烧过程及燃烧产物

①完全燃烧时主要产物为：CO₂、H₂O。

②不完全燃烧时的产物为：CO₂、H₂O和CO、黑烟及其他部分氧化产物。

③如果燃料中含有S和N，则会生成SO₂和NO。

④空气中的部分N可能被氧化成NO_x。

2）燃料完全燃烧的条件（3T+A）。控制燃烧过程的3T条件，可以减少燃料的不完全燃烧，提高燃料的利用率，消减污染物的排放量。

①空气条件：提供充足的空气；但是空气量过大，会降低炉温，增加热损失。

燃料燃烧时供应的空气量对燃烧过程和污染物形成有重要意义。空气条件可以用空燃比表征。

空燃比（AF）定义为单位质量燃料燃烧所需的空气质量。如果实际空气量超过理论空气量，称为贫燃；如果实际空气量小于理论空气量，称为富燃。

a.富燃条件。空气量低于完全燃烧所需要的量，即空燃比小于理论空燃比。富燃条件下，燃料不能充分燃烧，燃烧温度较低。

理论空气条件。即空燃比等于理论空燃比，燃料能充分燃烧，燃烧区温度接近极大值。

b.贫燃条件。空燃比略大于理论空燃比条件下，燃料与空气充分混合，仅产生微量CO和少量HC，随着燃烧温度达到最大值，NO_x生成量最高。空气继续过量，一部分燃烧产生的热量需要加热空气，导致燃烧温度降低，因此NO_x生成量减小。

②温度条件：达到燃料的着火温度。氧存在时可燃物质开始燃烧必须达到的最低温度，称为着火温度。燃料只有达到着火温度才能开始燃烧。温度高于着火温度时，若燃烧过程的放热速率高于向周围的散热速率，才能使燃烧过程继续进行。

③时间条件：燃料在高温区停留时间应超过燃料燃烧所需时间。

④燃料与空气的混合条件：即燃料与空气的混合程度，若混合不充分，将产生较多未燃尽物质。

（3）燃烧过程计算

1）理论空气量。在进行燃烧计算时，经常做以下简化假设：

①空气仅由氮和氧组成，含量分别为79.1%和20.9%，氮和氧的体积比为79.1/20.9=3.78。

②燃料中的固定态氧可用于燃烧。

③燃料中的硫被氧化为SO₂。

④热力型NO_x可以忽略。

⑤燃料中的氮在燃烧时转化为N₂。

⑥燃料的化学式为C_xH_yS_zO_w，其中下标x、y、z、w分别代表碳、氢、硫和氧的原子数。

单位质量燃料按燃烧反应方程式完全燃烧所需要的空气量（体积）称为理论空气量。它由燃料的组成所决定，可根据燃烧方程式计算求得。

一般煤的理论空气量V⁰_A=4～9m³/kg，液体燃料的V⁰_A=10～11m³/kg，天然气的V⁰_A=8.0～19.5m³/m³。

【例14-3】 计算辛烷（CH）在理论空气量条件下燃烧时的燃料/空气质量比，并确定燃料产物气体的组成。

【解】辛烷在理论空气量条件下燃烧，可表示为

C₈H₁₈+12.5（O₂+3.78N₂）→8CO₂+9H₂O+47.25N2

燃烧每摩尔燃料需要59.75mol的空气，辛烷的摩尔质量为114g/mol，因此在理论空气量下燃烧时燃料/空气的质量比为

燃烧产物总物质的量为64.25mol，因此烟气组成为

y_CO2=8×100%/64.25=12.5%

y_H2O=9×100%/64.25=14.0%

y_N2=47.25×100%/64.25=73.5%

2）空气过剩系数。实际空气量中超过理论空气量的部分称为过剩空气量，而实际空气量V_a与理论空气量V⁰_a之比称为空气过剩系数，即。

α值的大小决定于燃料种类、燃烧装置形式及燃烧条件等因素，通常α>1。

空气过剩系数可以根据奥萨特仪监测结果推算。奥氏烟气分析仪测定干烟气中CO₂、O₂和CO含量，其他部分是N₂。

完全燃烧时，空气过剩系数为

式中 O_2p——干烟气中的含氧量；

N_2p——干烟气中的含氮量。

不完全燃烧时，空气过剩系数为

式中 O_2p——干烟气中的含氧量；

N_2p——干烟气中的含氮量；

CO_p——干烟气中的CO含量。

3）空燃比（AF）。空燃比（AF）为单位质量燃料燃烧所需要的空气质量，它可以由燃烧方程式直接求得

AF_理论=理论空气质量/燃料质量 （14-9）

随着燃料中氢相对含量的减少，碳相对含量的增加，理论空燃比随之减小。其中，汽油（按C₈H₁₈考虑）的理论空燃比为15，纯碳的理论空燃比约为11.5。空燃比与过剩空气系数关系如图14-51所示。

4）理论烟气体积

①理论烟气成分。主要是CO₂、SO₂、N₂和水蒸气。

②理论干烟气体积。在理论空气量下，单位质量燃料完全燃烧所生成的烟气体积称为理论烟气体积，以V⁰_fg表示。根据燃烧反应方程式计算V⁰_fg。

5）实际烟气体积。空气过剩系数大于1时，烟气中含有过剩空气，实际烟气体积是理论烟气体积与过剩空气量之和。即

V_fg=V⁰_fg+V_a（α-1） （14-10）

式中 V_a——理论空气量；

α——空气过剩系数。

图14-51 空燃比与过剩空气系数关系图

6）污染物排放量的计算。污染物排放量计算有以下两种方法：

①根据实测的污染物浓度和排烟量，通过测定烟气中污染物的浓度，根据实际排烟量，计算污染物的排放量。

②利用排放因子确定污染物排放量。

（4）燃烧过程硫氧化物的形成 煤中含硫物质在高温下遇氧，全部氧化成SO₂和少量SO₃。

（5）燃烧过程中颗粒污染物的形成

1）碳粒子的生成。碳粒子是燃烧过程中生成主要成分为碳的粒子，通常包括气相反应生成的积炭，以及液态烃燃料自身在高温下分解产生的石油焦或煤胞。

2）燃煤烟尘。固体燃料燃烧产生的颗粒物通常称为烟尘，它包括黑烟和飞灰两部分。

（6）氮氧化物的形成 燃烧过程形成的NO_x主要有燃料型、热力型和瞬时型三种。燃料型NO_x由燃料中氮的化合物直接氧化产生。热力型NO_x由空气里的N₂和O₂在高温下作用产生。燃料中含碳基团与N₂作用产生氮的化合物，被继续氧化产生瞬时NO_x。

（7）燃烧过程中其他污染物的形成

1）有机污染物。有机污染物是指未燃尽的碳氢化合物。燃烧产生的碳氢化合物的相对浓度受燃料组成和燃烧条件影响很大。

2）CO。CO是燃烧过程产生的主要污染物之一。足够的氧和停留时间是保证CO完全氧化的必要条件。

3）燃烧过程，燃料中的重金属能通过蒸发、氧化等途径进入烟气，造成重金属污染物的排放。煤中汞的析出率与燃烧条件有关，当燃烧温度高于900℃时，析出率大于90%。

6.颗粒污染物防治方法

（1）单个颗粒的粒径 大气污染中涉及的颗粒物，一般是指粒径介于0.01～100_μm的粒子。颗粒粒径的测量方法有显微镜法、筛分法、光散射法和沉降法多种。

实际应用中，多根据使用目的确定粒径测定和定义方法。同一颗粒按不同定义所得粒径的大小是不同的，因此给出和应用粒径分析结果时，应说明所用的测定方法。

在除尘技术中，最常用的是斯托克斯直径和空气动力学直径，因为它们与颗粒在流体中的动力学行为密切相关。

斯托克斯直径D_s：是指在同一流体（层流状态）中与颗粒的密度和沉降速度相等的圆球的直径。

空气动力学直径D_A：是指在空气中与颗粒的沉降速度相等的单位密度（ρ=1g/m³）圆球的直径。

（2）粒径分布 粒径分布是指不同粒径范围内的颗粒的个数（或质量或表面积）所占的比例。以颗粒粒数表示所占比例时，称为粒数分布；以颗粒的质量（或表面积）表示时，称为质量分布（或表面积分布）。

1）粒径分布的表示方法

粒数（质量）频度：粒径D_p～D_P+ΔD_P的粒子（个数）质量占粒子群总个数（质量）的百分数，用p表示。频度p最大时对应的粒径称为众径D_D。

筛下（上）累计频率：小（大）于粒径D_P的所有粒子质量占粒子群总质量的百分数，用D（R）表示。

有D+R=100%，当D=R=50%时所对应的直径称为中位径D₅₀。

2）平均粒径。颗粒物的存在状态，既可单个地分散于气体介质中，也可能因凝聚等作用使多个颗粒集合在一起，称为集合体的状态，它在气体介质中就像单一个体一样。为了简明地表示颗粒群的某一物理特性和平均尺寸的大小，往往需要求出颗粒群的平均粒径。

对于频率密度分布曲线对称的分布，众径D_D、中位径D₅₀和算术平均直径D_L相等，D_D=D₅₀=D_L。

频率密度非对称的分布，D_D<D₅₀<D_L。

单分散气溶胶，所有颗粒的粒径相同，D_D=D₅₀=D_L。

（3）粉尘的物理性质粉尘密度有真密度和堆积密度之分。其中，真密度用在研究尘粒在气流中的运动、分离和去除等方面，堆积密度用在储仓或灰斗的容积确定等方面。

粉尘的安息角与滑动角是设计除尘器灰斗（或粉料仓）的锥角及除尘器管路或输灰管路倾斜度的主要依据。

粉尘含水率的大小，会影响到粉尘的其他物理性质，如导电性、黏附性、流动性等，所有这些在设计除尘装置时都必须加以考虑。

粉尘的润湿性是选用湿式除尘器的主要依据。润湿性差的粉尘不适用湿式除尘法。

粉尘的荷电在除尘中有重要作用，如电除尘器就是利用粉尘荷电而除尘，在袋式除尘器和湿式除尘器中也可以利用粉尘或液滴荷电进一步提高对细小尘粒的捕集性能。

一些除尘器的捕集机制是依靠施加捕集力以后尘粒在捕集表面上的黏附，但在含尘管道和净化设备中，又要防止粉尘在壁面上的黏附，以免造成管道和设备的堵塞。

在确定除尘设备清灰时间以及灰尘存放方式时，需要考虑粉尘的自燃性和爆炸性。

（4）净化装置的性能

1）评价净化装置性能指标。技术指标包括：处理气体流量、压力损失和净化效率。经济指标包括设备费、运行费、占地面积。

2）净化装置技术性能的表示方法

①净化装置处理气体的能力，一般以体积流量表示，若q_v1N为装置进口气体流量，q_v2N为装置出口气体流量，则处理气体流量为

漏风率

②压力损失

式中 ρ——入口处气流密度（kg/m³）；

υ₁——入口处气流速度（m/s）；

ζ——净化装置的压损系数。

③总净化效率的表示方法（图14-52）

总净化效率

通过率

分级除尘效率

图14-52 净化效率计算式中有关符号

分割粒径-分级除尘效率为η_i=50%的颗粒的粒径称为分割粒径，记为D_C。分割粒径是除尘器性能的一个重要参数。

④多级串联的总净化效率

总分级通过率

P_iT=P_i1P_i2…P_in （14-17）

总分级效率

η_iT=1-P_iT=1-（1-η_i1）（1-η_i2）…（1-η_in） （14-18）

总除尘效率

η_T=1-（1-η₁）（1-η₂）…（1-η_n） （14-19）

（5）除尘装置的分类及比较 除尘设备的分类及基本性能见表14-4。

表14-4 除尘设备的分类及基本性能

（6）机械式除尘器 机械式除尘器通常是指用质量力（重力、惯性力和离心力等）将颗粒物与气流分离的装置，也称为干式机械除尘器。常见的机械式除尘器包括重力沉降室、惯性除尘器和旋风除尘器。

1）重力沉降室

①机理。通过重力作用使尘粒从气流中分离出来。含尘气流进入重力沉降室后，流动截面积增加使气体流速大大降低，较重颗粒在重力作用下缓慢向灰斗沉降而被捕集。按照流动状态的不同，重力沉降室分为层流式和湍流式两种。

②效率计算（层流式）。沉降室的长、宽、高分别为L、W、H，处理烟气量为q_v。

由于受扰动和返混的影响，工程上重力沉降室的分级效率只取理论计算值的一半。即

分级效率为50%的颗粒粒径为

式中 μ——气体的动力黏度（Pa·s）。

提高沉降室效率的主要途径：降低沉降室内气流速度；增加沉降室长度；降低沉降室高度。

沉降室内的气流速度一般为0.3～2.0m/s。

③设计和应用。重力沉降室具有结构简单、压力损失小、造价低、维修方便的优点，但体积大，效率低，一般只用来作为高效除尘器的预除尘装置。

重力沉降室设计时，先要确定欲100%捕集的颗粒对应的沉降速度，然后假定气流流速和沉降室高度，求出沉降室长度和宽度。

④特点。

优点：结构简单，投资少，压力损失小（一般为50～100Pa），维修管理容易。

缺点：体积大，效率低，仅作为高效除尘器的预除尘装置，除去较大和较重的粒子。

2）惯性除尘器(www.xing528.com)

①机理。沉降室内设置各种形式的挡板，含尘气流冲击在挡板上，气流方向发生急剧转变，借助尘粒本身的惯性力作用，使其与气流分离。

②结构形式。冲击式——气流冲击挡板捕集较粗粒子；反转式——改变气流方向捕集较细粒子。

③应用。一般净化密度和粒径较大的金属或矿物性粉尘；净化效率不高，一般只用于多级除尘中的一级除尘，捕集10～20μm的粗颗粒；压力损失为100～1000Pa。

3）旋风除尘器

①机理。利用旋转气流产生的离心力使尘粒从气流中分离。

②结构。普通旋风除尘器是由进气管、筒体、锥体和排气管等组成。

③旋风除尘器内气流的切向速度和压力分布如图14-53所示。

④旋风除尘器的压力损失

式中 ——局部阻力系数；

υ_in——除尘器进口处风速（m/s）。

图14-53 旋风除尘器内气流的切向速度和压力分布

式中 A——旋风除尘器进口面积；

d_e——旋风除尘器出口直径（m）。

相对尺寸对压力损失影响较大，除尘器结构形式相同时，几何相似放大或缩小，压力损失基本不变；含尘浓度增高，压力降明显下降；操作运行中可以接受的压力损失一般低于2kPa。

⑤旋风除尘器的除尘效率

分割粒径

式中 υ_r——内外涡旋交界面处气流的径向速度（m/s）；

υ_T0——内外涡旋交界面处气流的切向速度（m/s）。

D_c确定后，雷思—利希特模式计算其他粒子的分级效率

式中 n——涡流指数；

d_p——颗粒直径（m）；

d_c——分割粒径（m）。

⑥影响旋风除尘器效率的因素

a.二次效应——被捕集粒子的重新进入气流：在较小粒径区间内，理应逸出的粒子由于聚集或被较大尘粒撞向壁面而脱离气流获得捕集，实际效率高于理论效率；在较大粒径区间，粒子被反弹回气流或沉积的尘粒被重新吹起，实际效率低于理论效率。

b.比例尺寸：在相同的切向速度下，筒体直径D越小，离心力越大，除尘效率越高；筒体直径D过小，粒子容易逃逸，效率下降。锥体适当加长，对提高除尘效率有利。排出管直径越小，分割直径越小，即除尘效率越高；直径太小，压力降增加，一般取排出管直径D_e=（0.4～0.65）D。旋风除尘器排出管以下部分的长度应当接近或等于1，筒体和锥体的总高度以不大于5倍的筒体直径为宜。

c.除尘器下部的严密性。

d.烟尘的物理性质。

e.气体的密度和黏度、尘粒的大小和密度、烟气含尘浓度。

f.操作变量：提高烟气入口流速，旋风除尘器分割直径变小，除尘器性能改善。

g.入口流速。

⑦结构形式。按进气方式不同，分为切向进入式和轴向进入式两种。按气流组织不同，分为回流式、直流式、平旋式和旋流式。

多管旋风除尘器。由多个相同构造形状和尺寸的小型旋风除尘器（又叫旋风子）组合在一个壳体内并联使用的除尘器组。常见的多管除尘器有回流式和直流式两种。

⑧旋风除尘器的设计。

根据含尘浓度、粒度分布、密度等烟气特征及除尘要求、允许的阻力和制造条件等因素来选择除尘器的形式。

根据允许的压力降确定进口气速，或取为12～25m/s。

确定入口截面A，入口宽度b和高度h

根据相关设计手册，确定各部分几何尺寸。

（7）过滤式除尘器 过滤式除尘器又称为空气过滤器，是使含尘气流通过过滤材料将粉尘分离捕集的装置，它分为空气过滤器、颗粒层除尘器和袋式除尘器。

空气过滤器：采用滤纸、玻璃纤维等填充层作为滤料的空气过滤器，经常用于通风级空气调节方面的气体净化。

颗粒层除尘器：采用廉价砂、砾、焦炭等颗粒物作为滤料的颗粒层除尘器，主要用于高温烟气除尘。

袋式除尘器：采用纤维织物作为滤料的袋式除尘器是最古老的除尘方法之一，袋式除尘器的效率一般可达到90%以上，工作稳定、操作方便。作为高效除尘器，已经在工业尾气除尘中得到了广泛应用。

1）袋式除尘器的工作过程。含尘气流从下部进入圆筒形滤袋，在通过滤料的孔隙时，粉尘被截留、惯性碰撞、静电和扩散等作用捕集于滤料之上。

随着颗粒在滤料表面的集聚，滤袋两侧的压力降增加，会把一些已经附在滤袋上的细小粉尘挤压出去，使除尘效率下降。另外，除尘器压力的增加，会造成系统处理气体量显著降低，影响生产系统的排风效果，因此袋式除尘器的阻力达到一定值就必须清灰。

2）袋式除尘器的除尘效率。影响袋式除尘器除尘效率的主要因素是颗粒物负荷以及气布比。颗粒物负荷m是指单位面积滤布上的积尘量，表示滤布表面颗粒层厚度。气布比是指烟气实际体积流量与滤布面积之比，它代表了除尘器的过滤速度。

气布比增加，处理相同气体流量需要的滤布面积减小，导致除尘器体积、占地面积减小，投资降低，但除尘器的压力损失和通过率将增加。

过滤速度的选取还与滤料种类和清灰方式有关。

3）压力损失。当压力损失达到500～570Pa时，除尘效率可达99%；而当压力损失大于1000Pa时，就需要对滤袋清灰。

袋式除尘器的压力损失为

Δp_P=R_Pυ²Ct （14-28）

式中 R_P——颗粒层的比阻力系数；

υ——过滤风速；

C——颗粒初始浓度；

t——过滤时间。

对于给定的烟气特征和粉尘层渗透率，袋式除尘器的压力损失与粉尘浓度C和过滤时间t呈线性关系，与过滤速度υ的平方成正比。

4）滤料。滤料是袋式除尘器的核心组分，对滤料的基本要求是容尘量大、吸湿性小、效率高、阻力低、寿命长，同时耐温、耐磨、耐腐蚀、机械强度高。

5）清灰。清灰是十分重要的一环，多数袋式除尘器是按清灰方式命名和分类的。常用的清灰方式有机械振动清灰、逆气流清灰及脉冲喷吹清灰。

机械振动清灰：主要利用电动机带动振打机构产生垂直振动或水平振动。

逆气流清灰：过滤风速一般为0.5～2.0m/min，压力损失控制范围在1000～1500Pa之间。这种清灰方式的除尘器结构简单，清灰效果好，滤袋磨损少，特别适用于粉尘黏性小、玻璃纤维滤袋的情况。

脉冲喷吹清灰：由袋的上部输入压缩空气，通过文氏管进入袋内，输入的气流速度较高，实现了全自动清灰，净化效率可达99%；过滤负荷较高，滤袋磨损轻，运行安全可靠，清灰效果很好，目前国内外多采用该方式。

6）袋式除尘器的选择和设计过程

①确定除尘器形式。对除尘效率要求高，厂房面积受限制，投资和设备订货均有条件的情况，采用脉冲喷吹袋式除尘器，其他情况采用机械振动或逆流清灰。

②选择过滤介质：与温度和气体与粉尘的其他性质相适应。根据含尘气体特性，选择合适的滤料。

③选择清灰方式：与滤布相适应。根据除尘器形式、滤料种类、气体含尘浓度及允许的压力损失等便可初步确定清灰方式。

④计算需要的过滤面积F和袋室数目

一般情况下的过滤气速归纳为：简易清灰υ_F=0.20～0.75m/min，机械振动清灰υ_F=1.0～2.0m/min，逆气流反吹清灰υ_F=0.5～2.0m/min，脉冲喷吹清灰υ_F=2.0～4.0m/min。

确定滤袋尺寸：直径D和高度l。

计算每条滤袋面积：A=πDl。

计算滤袋条数：n=F/A。

在滤袋条数较多时，根据清灰方式及运行条件将滤袋分成若干组，每组内相邻两滤袋之间的净距一般取50～70mm。

⑤计算穿透率。

⑥提出风机与管道的技术要求。

⑦经济核算。

7）袋式除尘器的性能测定。袋式除尘器的性能测定包括穿透性、压力损失、滤袋出现孔洞时的检验、透气性、耐腐蚀性及抗张试验等。

（8）电除尘器电除尘器是含尘气体在通过高压电场进行电离的过程中，使尘粒荷电，并且在电场力的作用下使尘粒沉积在集尘板上，将尘粒从含尘气体中分离出来的一种除尘设备，适合处理比电阻为10⁴～10¹⁰Ω/cm的粉尘。

1）电除尘器的工作原理

①三个基本过程如下：

悬浮粒子荷电——高压直流电晕。

带电粒子在电场内迁移和捕集——延续的电晕电场（单区电除尘器）或光滑不放电的电极之间的纯静电场（双区电除尘器）。

捕集物从集尘表面上清除——振打除去接地电极上的粉尘层并使其落入灰斗。

②影响电晕特性的因素。主要有电极的形状、电极间距离，气体组成、压力、温度，气流中要捕集的粉尘的浓度、粒度、比电阻以及在电晕极和集尘极上的沉积，电压的波形。

③粒子荷电。包括电场荷电和扩散荷电。

主要荷电过程取决于粒径：大于0.5_μm的微粒，以电场荷电为主；小于0.15μm的微粒，以扩散荷电为主；介于之间的粒子，需要同时考虑这两种过程。

④荷电粒子的运动和捕集效率计算。含尘气流进入除尘器后，经过粒子荷电过程，带电粒子在电场内受静电力作用产生偏离气流的沉降运动，最后沉降到捕集面上。荷电粒子在电场力和流体阻力作用下，脱离气流的运动速度称为驱进速度。即

w=qE_p/（3πμd_p） （14-30）

式中 μ——气体黏度（Pa·s）；

d_p——颗粒直径（m）；

w——颗粒向集尘极的驱进速度（m/s）；

q——颗粒荷电量（C）；

E_p——集尘电场强度（V/m）。

粒子捕集效率-德意希公式为

式中 A——集尘极总面积（m²）；

w_i——某粒径粒子的驱进速度（m/s）；

q_v——气体流量（m³/s）。

实际中常根据在一定的除尘器结构形式和运行条件下测得的总捕集效率值，代入式（14-30）中反算出的相应驱进速度值，以w_e表示，即

2）电除尘器的类型

①双区电除尘器。用于通风空气的净化和某些轻工业部门。

②单区电除尘器。用于控制各种工艺尾气和燃烧烟气污染。

③管式电除尘器。用于气体流量小，含雾滴气体，或需要用水洗刷电极的场合。

④板式电除尘器。工业上应用的主要形式，气体处理量一般为25～50m³/s。

3）电除尘器的结构。主要包括电晕电极、集尘板、高压供电设备和气流分布板等元件。

①电晕电极。常用的有直径3mm左右的圆形线、星形线及锯齿线、芒刺线等。

②集尘极。集尘极结构对粉尘的二次扬起，及除尘器金属消耗量（占总耗量的40%～50%）有很大影响。性能良好的集尘极应满足下述基本要求：

振打时粉尘的二次扬起少。

单位集尘面积消耗金属量低。

极板高度较大时，应有一定的刚性，不易变形。

振打时易于清灰，造价低常用板式电除尘器集尘极。

③高压供电设备。通常高压供电设备的输出峰值电压为70～100kV，电流为100～2000mA。

④气流分布板。为保证气流分布均匀，在进出口处应设变径管道，进口变径管内应设气流分布板。最常见的气流分布板有百叶窗式、多孔板分布格子、槽形钢式和栏杆型分布板。

（9）湿式除尘器湿式除尘器是使含尘气体与液体（一般为水）密切接触，利用水滴和尘粒的惯性碰撞及其他作用捕集尘粒或使粒径增大的装置；可以有效地除去直径为0.1～20μm的液态或固态粒子，亦能脱除气态污染物。

1）机理。惯性碰撞、扩散、黏附、凝聚、扩散飘移和热漂移。

2）优点

①在相同能耗时，效率比干式机械除尘器高。高能耗湿式除尘器清除0.1μm以下的粉尘粒子，仍有很高效率。

②效率可与静电除尘器和布袋除尘器相比，而且还可适用于它们不能胜任的条件，如能够处理高温、高湿气流，高比电阻粉尘及易燃易爆的含尘气体。

③在除尘的同时，还可去除气体中的水蒸气及某些气态污染物。

3）缺点

①净化含有腐蚀性的气态污染物时，洗涤水具有一定程度的腐蚀性，因此要特别注意设备和管道腐蚀问题。

②不适用于净化含有憎水性和水硬性粉尘的气体。

③寒冷地区使用湿式除尘器，容易结冻，应采取防冻措施。

4）类型

①喷雾塔。喷雾塔具有结构简单、压力损失小、操作稳定的特点，经常与高效洗涤器联用以捕集较大粒径的颗粒。

②旋风洗涤器。在干式旋风分离器内部以环形方式安装一排喷嘴，即构成简单的旋风洗涤器。喷雾发生在外漩涡区，液滴捕集颗粒，携带颗粒的液滴被甩到洗涤器的外湿壁，沿外壁降落到器底。中心喷雾的旋风洗涤器对于5μm以下颗粒的捕集效率可达到95%以上。

③文丘里洗涤器。它是高效湿式除尘器，由进气管、收缩管、喷嘴、喉管、扩散管和连接管组成，洗涤系统还包括除雾器、沉淀池和加压循环水泵。除尘效率远远高于其他湿式除尘器，属于高能湿式除尘器，通常用于高温烟气降温和除尘上。

（10）除尘器的选择与发展

1）比较。

①除尘效率：对标准粉尘的除尘效率基本按照惯性除尘器、旋风除尘器、低能湿式除尘器、静电除尘器、文丘里洗涤器、袋式除尘器的顺序增加。

②费用：除尘效率越高，需要的费用就越昂贵。为达到相同处理效率，费用按照粗粉尘、细粉尘、超细粉尘的顺序增加。

2）选择。选择时，必须综合考虑除尘效率、尘粒性质、含尘浓度、处理气体性质、捕集粉尘处理方式等条件。

①排放法规。选择除尘器必须满足排放标准规定的排放要求，对运行不稳定的系统，必须考虑烟气流量变化对除尘效率和压力损失的影响。

②尘粒性质。尘粒性质对除尘器的选择有重要影响：黏性粉尘不宜选用干法除尘；高比电阻粉尘或导电性过低的粉尘不宜选用点除尘器；纤维或憎水性粉尘不宜采用湿法除尘。另外，不同除尘器的除尘效率与粉尘粒径的关系也各异，选择除尘器时，必须了解欲捕集粉尘的粒径分布，再根据除尘器分级效率和除尘要求确定除尘器。

③含尘浓度。含尘浓度较高，对湿式除尘器，容易增加泥浆处理量，对电除尘器容易发生电晕闭塞现象，对袋式除尘器增加清灰次数，因此，一般希望除尘器的粉尘入口浓度控制在合适的范围内：湿式除尘器入口浓度小于10g/m³；袋式除尘器浓度应在0.2～10g/m³之间；电除尘器浓度小于30g/m³。

④气体性质。高温、高湿气体不宜采用袋式除尘器，同时含有NO、SO₂等气态污染物，可以考虑采用湿式除尘器，但必须注意腐蚀问题。

⑤捕集粉尘处理。设计除尘器时，应该综合考虑捕集粉尘的处理问题。如果工厂本身有泥浆废水处理或水力输灰设备，可以考虑湿式除尘。

⑥其他条件。还应该考虑设备的位置，可利用的空间，环境条件以及设备的一次投资（设备、安装和工程等）以及操作和维修费用。

7.气态污染物防治方法

气态污染物的控制方法可分为分离法和转化法两大类。分离法是利用污染物与废气中其他组分的物理性质的差异使污染物从废气中分离，如吸收、吸附、冷凝、膜分离等；转化法是使废气中污染物发生某些化学反应，把污染物转化成无害物质或易于分离的物质，如催化转化、燃烧法、生物处理法、电子束法等。

（1）吸收法 用适当的溶液与混合气体接触，混合气体中各组分在液体中的溶解能力不同，去除其中一种或几种的过程。分为物理吸收和化学吸收。由于在大气污染控制过程中，一般是废气量大、成分复杂、吸收组分浓度低，靠物理吸收难以达到排放标准，因此大多采用化学吸收法。

1）强化吸收过程的措施

①增加气液接触面积F。

②增大传质系数K：增加气液速率，减小气膜厚度；采用m值较小的吸收剂（即吸收剂对吸收质的溶解度大）。

③增加供液量，降低液相主体中吸收质的比摩尔分数浓度X_A，增加推动力（X^*_A-X_A）。

2）吸收设备的技术要求

①相接触面积大，并迅速更新。

②采用逆流操作，增大吸收推动力。

③气液间扰动强烈，吸收阻力小。

④耐腐、耐酸，运行安全。

3）吸收塔的操作线方程

①任一塔截面操作线方程：

该直线是过（X₁，Y₁）、（X₂，Y₂）两点的直线方程，如图14-54所示。

②全塔操作线方程：

式中 V——单位时间通过吸收塔的惰气量（kmol/s）；

L——单位时间通过吸收塔的吸收剂量（kmol/s）；

Y₁、Y₂——入塔、出塔气相中吸收质的比摩尔分数[kmol（吸收质）/kmol（惰气）]；

X₁、X₂——入塔、出塔液相中吸收质的比摩尔分数[kmol（吸收质）/kmol（吸收剂）]。

图14-54 气液吸收的平衡线与操作线

、Y₂、X₂是工艺上确定的，是斜截式方程直线的斜率。

4）吸收剂用量的计算，求L、X₁。

已知：Y₂（排放标准规定），Y₁（工艺规定），G（工艺规定），X₂（选定吸收剂后就确定了）。

最小液气比为

若平衡线用直线Y=mX*表示，则

实际供液量大于L_min，以保证吸收效率，但不宜过大（增加泵负荷及废水量），通常取L/V=（1.2～2.0）（L/V）min。

5）类型

①喷淋塔：塔内既无填料也无塔板。吸收液由塔顶进入，经过安装在塔内的喷嘴被喷成雾状。废气由塔底进入塔体，与雾状的吸收液充分接触，使吸收液吸收废气中的污染物，吸收后的吸收液由塔底流出，净化后的气体由塔顶排出。喷淋塔可分为空心式、高速并流式和机械式三类。

空心喷淋塔。空心喷淋塔也称喷嘴式喷淋塔，气体自下而上运动，液体由喷嘴成喇叭状自上而下喷。当塔体较高时，常将喷洒器分层设置，喷洒方式可以自上而下的直喷或斜喷，也可以采用自下而上的喷洒或组合方式。另外，还可以采用旋风式喷洒，以免气体分布不均匀。其优点是结构简单，造价低，阻力小，能用于处理污染严重的气体；其缺点是效率不高。

高气速并流式喷淋塔大致分成三类：第一类，液体喷洒出来时是以液流或液膜方式运动的，常称为文丘里吸收塔；第二类，气液并流上升的吸收塔，如无喷嘴的文丘里管，若处理气量大，可以并联几个文丘里管；第三类，是用高速气流冲击液面实现液体喷洒的设备，气体喷射速度为15～20m/s，液面一般低于喷头底边10～20mm，气压降为1.5kPa。

机械式喷淋塔。利用机械部件的回转作用使液体分散四周，实现气液接触的一种喷洒吸收器。特别适宜用少量液体吸收大量气体。其优点是设备尺寸小，效率较高，压力降很小；其缺点是结构复杂，需较高的旋转速度，耗能较多，不适宜处理强腐蚀性的气体和液体。

②筛板塔：沿塔高方向塔内设有多层开孔筛板，并装有溢流管（也有无溢流管的）。操作时，吸收液由塔顶流入，经溢流管逐板下降，并在板上积有一定厚度（约为30mm）的液层。废气由塔底进入，经筛孔上升穿过液层，鼓泡而出，两相充分接触，而达到气体中的污染物被吸收液吸收的目的。

优点：构造简单，吸收效率高，处理风量大，适用于以液膜阻力为主的吸收过程。

缺点：必须维持恒定的操作条件，负荷范围比较窄，小孔径筛孔容易堵。

③湍球塔：高效吸收塔，让塔内小球湍动旋转，气、液、固三相接触，小球表面的液膜不断更新，吸收推动力增加。

优点：小球的湍动，避免了结晶的可能；处理气量大，效率高。

缺点：随小球的湍动，有一定程度的返混；小球不耐高温，使用寿命短。

④填料塔：塔内填充适当高度的填料以增加气液两相之间的接触面积，吸收液由塔顶通过分布器进入塔内，沿填料表面喷淋而下，废气则由塔的下部通过填料孔隙逆流而上与吸收液接触。填料塔是目前应用最广泛的吸收净化设备。

优点：气液接触面积较大。

缺点：有害气体与粉尘共存时，不能使用填料塔，以免堵塞。

（2）吸附法 气体吸附是指用多孔固体吸附剂将气体或液体混合物中的一种或数种组分浓集于固体表面，而与其他组分分离的过程。被吸附到固体表面的物质称为吸附质，附着吸附质的物质称为吸附剂。

吸附过程能有效脱除一般方法难以分离的低浓度有害物质，具有净化效率高、可回收有用成分、设备简单、能自动化控制等优点。

1）吸附作用力。吸附质与吸附剂表面的作用力称为吸附作用力。根据吸附剂表面与被吸附物质之间的作用力不同，可以分成物理吸附和化学吸附。依靠分子间的吸引力（范德华力）将吸附质分子吸附到颗粒表面的过程称为物理吸附。吸附剂与吸附质之间的化学键力引起的吸附作用，称为化学吸附。

2）吸附剂。

①吸附剂的种类。符合工业要求的吸附剂大都需要有结实和稳定的骨架、发达的孔隙结构，且内表面不饱和。工业上常用的吸附剂有白土、活性氧化铝、硅胶、活性炭和沸石分子筛。

②吸附剂的性质。表征吸附剂性能的主要指标有比表面积、活性和选择性。

吸附剂活性是指单位质量吸附剂上已经吸附的吸附质的量，单位为百分率。它表征吸附剂的吸附能力，可以用静活性和动活性表示。

静活性是指一定温度下，与气体中被吸附物（吸附质）的初始浓度达到平衡时，单位吸附剂上可能吸附的最大吸附量，也称为吸附容量。

动活性是指吸附床穿透时单位质量吸附剂吸附到的吸附质量。

③影响气体吸附的因素。影响气体吸附的因素有吸附剂比表面积、活性、吸附剂性质、温度及压力等操作条件。主要起吸附作用的是直径与吸附质分子大小相等的微孔。另外，吸附质的相对分子质量、沸点、饱和性等也影响吸附量。对于同种活性炭吸附剂，结构相似的有机物吸附质的相对分子质量和不饱和性越大、沸点越高，越易于吸附。

物理吸附随温度升高而解吸，因此低温有利于进行物理吸附，而适当增加温度有利于进行化学吸附。另外，增加气相分压对所有吸附过程都有利。

④吸附剂再生方法。吸附剂再生方法主要有加热解吸再生、降压或真空解吸再生、溶剂萃取再生、置换再生、化学转化再生等。再生时一般采取逆流吹脱方法。

3）吸附机理。

①吸附平衡。当吸附质与吸附剂长时间接触后，终于达到吸附平衡，此时的吸附量称为平衡吸附量，它是吸附剂对吸附质的极限吸附量，也称为静吸附量分数或静活性分数。

②吸附速率。在吸附剂和吸附质接触时间很短的条件下，很难建立起理想的吸附平衡，此时吸附速率快慢是决定吸附量大小的主要因素。

从气相主体到吸附剂表面的吸附全过程可以分为外扩散、内扩散和表面吸附三个过程，总吸附速率受这三个过程中速度最慢的过程控制，因此吸附速率可以分为外扩散控制、内扩散控制和表面吸附控制。对于化学吸附，还应考虑表面动力学控制。

4）吸附工艺和设备计算。吸附工艺按照吸附剂在吸附器中的工作状态分成固定床、移动床和流化床（沸腾床）吸附过程，按照操作过程是否连续可以分成间歇吸附与连续吸附过程。

①固定床。固定床多为立式或卧式的空心容器，内装有吸附剂。吸附过程中气体流动，而吸附剂不动。固定床吸附器的结构简单，制造容易，价格低廉，适合中小型、分散和间歇性污染源，但处理气体流量不大。

a.穿透时间。出口污染物浓度达到污染物最高浓度限值的点称为穿透点，从含污染物的气流开始通入吸附床到产生穿透的时间称为穿透时间，或者称为保护作用时间。

保护作用时间与吸附区长度、吸附剂密度、吸附容量、处理气体流量和污染物浓度有关，可以用希洛夫（Wurof）方程表示，该方程假定：吸附层达到穿透点时，全部处于饱和状态，即达到平衡吸附容量A；吸附过程按照朗格缪尔吸附等温线的第三段，即气相中P相当大，则A=Vm，静活度不再与气相浓度有关。

则理想保护作用时间为

式中 α——静活度（%）；

ρ_b——吸附剂的堆积密度（kg/m³）；

υ——处理气体流速（m/s）；

ρ0——气流中污染物浓度（kg/m³）；

L——吸附床厚度（m）。

理想保护作用时间与吸附层长度的关系是通过原点的直线。但实际上，吸附操作的连续时间要比吸附速率为无穷大时的保护作用时间小。若L>L₀（吸附区长度），则是一条与理想情况平行的直线；若L<L₀，则是一条通过原点的曲线。

实际保护作用时间为

τ=K（L-h） （14-38）

式中 K——保护作用系数，；

h——吸附层未被利用的长度，称为死层。

b.吸附区长度L₀。假设吸附质为低浓度污染物，吸附等温线属于第三种类型，吸附区长度为常数，且吸附床的长度大于吸附区的长度。即

式中 W_E——床层耗竭时，通过吸附床的惰性气体流量（kg/m²）；

W_A——床层穿透至床层耗竭期间通过吸附床的惰性气体流量（kg/m²）；

f——吸附区内吸附剂仍具有的吸附能力与全部吸附能力之比，（1-f）表示吸附区内吸附剂的饱和程度。

c.压力损失。通过固定填料床的压力损失取决于吸附剂的形状、大小、床层深度以及气流速度，其计算方法有图解法和公式法两种。

【例14-4】 某固定床吸附器的活性炭填装厚度为0.6m，活性炭对苯吸附的平衡静活性值为25%，其堆积密度为425kg/m³，并假定其死层厚度为0.15m，气体通过床的速度为0.3m/s，废气含苯浓度为2000mg/m³，求该吸附器的活性炭床层对含苯废气的保护作用时间。

【解】保护作用系数：

将K代入希洛夫方程：τ=K（L-h）=177083×（0.6-0.15）s=79687.5s=22.14h

②移动床。固体吸附剂与含污染物的混合气体都以恒定速度连续逆流运动，吸附和脱附连续完成。一般是吸附剂自上而下运动，气体自下而上流动，净化后气体从塔顶排出。

移动床吸附器处理气体量大，吸附剂可以连续使用，适合稳定、连续、大流量的气体净化，但动力和热量消耗大，吸附剂磨损严重。

③流化床。在吸附器内，分置在筛孔板上的吸附剂颗粒，在高速含污染物气体的作用下，强烈搅动，上下浮沉，保持悬浮的流化状态。

流化床吸附器的处理气体流速非常大，生产能力强，适用于连续性、大气量的污染源，但吸附剂磨损严重，排出气体含有吸附剂粉末，需要加装除尘设备。

（3）催化转化 含有污染物的气体通过催化剂床层，发生催化反应，使其中的污染物转化为无害或易于处理和回收利用的物质，这种净化方法称为催化转化。

优点：对不同浓度污染物都有较高的转化率，无需使污染物与气相主流分离，能避免其他方法产生的二次污染，并使操作过程简化。

缺点：催化剂价格较高，废气预热要一定的能耗。

用途：工业尾气和烟气去除SO₂和NO_x；有机挥发性气体VOCs和臭气的催化燃烧净化；汽车尾气的催化转化。

1）催化剂。气态污染净化所用的催化剂通常是固体催化剂，它们都具有发达的孔隙结构，骨架由活性组分、助催化剂和载体组成。

下面以汽车催化转化器常用的陶瓷蜂窝催化剂为例。

活性组分：是催化剂的主体，能单独对化学反应起催化作用。

助催化剂：能改善催化剂的热稳定性、化学稳定性等性能，本身不起催化作用。

载体：分散催化剂活性组分和助催化剂的成分，常起增加催化剂的比表面积、节约活性组分、加强传热与稀释作用、提高稳定性和机械强度、延长催化剂寿命等作用。

评价催化剂性能的指标主要有活性、选择性和稳定性，催化剂的老化和中毒现象对催化剂使用寿命也具有显著的影响。

2）气固催化反应器。气固催化反应器分为固定床、移动床和流化床几种。其中，固定床反应器应用最广。

①固定床反应器。

优点：流体接近于平推流，返混小，反应速度较快；固定床中催化剂不易磨损，可长期使用；停留时间可严格控制，温度分布可适当调节，高选择性和转化率。

缺点：传热差（热效应大的反应，传热和温控是难点）；催化剂更换需停产进行。

类型：单层绝热反应器、多段绝热反应器、列管式反应器等。

②设计气固相催化反应器需要考虑的因素。需要考虑的因素有停留时间、空间气速和催化器流动模型。

（4）燃烧转化 用燃烧方法将有害气体、蒸汽、液体或烟尘转化为无害物的过程，称为燃烧净化法，亦称焚烧法。燃烧净化法可以回收利用有机物的燃烧热，将有机物氧化为无害的H₂O和CO₂，并可以除臭，但若燃烧不充分，有可能产生乙醛、呋喃等危害性更强的有机污染物。常见的燃烧工艺有直接燃烧、热力燃烧和催化燃烧三种。

1）直接燃烧。当可燃有机废气中有害组分浓度较大或燃烧热较高时，可以把废气中有害可燃成分当做燃料直接燃烧，也称直接火焰燃烧。

2）热力燃烧。当可燃有机组分的含量较低，本身不能维持燃烧时，可以利用助燃物质（如煤气、天然气和油等），把废气温度提高到热力燃烧所需要的温度，使气态污染物被氧化分解，称为热力燃烧。被净化的废气不是作为燃烧所用的燃料，而是在含氧足够高时作为助燃气体，在不含氧时作为燃烧对象。

3）催化燃烧。催化燃烧无火焰，燃烧温度低（大部分烃类和CO在300～450℃之间，可以完全燃烧），助燃燃料消耗少，对可燃组分和热值的限制较小。另外，催化燃烧还能消除恶臭。

4）燃烧工艺比较，见表14-5。

表14-5 燃烧工艺比较

（5）冷凝法 当有机蒸气中废气体积分数大于10^-2时，可以利用有机物质在不同温度下具有不同饱和蒸气压的原理，降低温度、增大压力或同时降温、增压，使蒸气状态的污染物冷凝并与气体分离，这种方法称为冷凝法。

1）冷凝原理。冷凝是利用降低温度、增大压力或同时降温、增压的方法，使蒸气状态的污染物冷凝并与气体分离。冷凝温度一般在露点温度和泡点温度之间。

2）冷凝类型和冷凝设备。最常用的冷凝方法是接触冷凝和表面冷凝。

①接触冷凝。接触冷凝是指在接触冷凝器中，被冷凝气体与冷却介质（通常采用冷水）直接接触而使气体中的VOCs组分得以冷凝，冷凝液与冷却介质以废液的形式排出冷却器。

常用的接触冷凝设备有喷射器、喷淋塔、填料塔和筛板塔。

②表面冷凝。表面冷凝也称间接冷却，冷却壁把冷凝气与冷凝液分开，因而冷凝液组分较为单一，可以直接回收利用。

常用的间接冷凝设备有列管冷凝器、翅管空冷冷凝器、淋洒式冷凝器以及螺旋板冷凝器等。

（6）生物法

1）原理。VOCs生物净化法的实质，是附着在滤料介质中的微生物在适宜的环境中，利用废气中的有机成分作为碳源和能量，维持其生命活动，并将有机物分解成CO₂和H₂O的过程。

2）特点。生物法具有设备简单、运行费用低、较少形成二次污染等优点，尤其在处理低浓度、生物可降解性好的气态污染物时更显其经济性。

3）适用范围。目前适合于生物处理的气态污染物主要有甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、甲酸、醋酸丁酯、低碳烃类及低碳卤代烃、酚等。

4）工艺类型。按照处理系统内微生物的存在形式，可将生物处理工艺分成生物洗涤塔、滴滤塔和过滤塔。

①生物洗涤塔。适用于气相传质速率大于生化反应速率的有机物降解。整个系统由吸收和生物降解两部分组成，主要设备有洗涤塔和再生器。其适用于净化气量小、浓度较大，且生物代谢速率较低的气体污染物，多以穿孔板式塔、鼓泡塔为吸收设备。

②滴滤塔。废气从塔底进入，在流动过程中与已经接种挂膜的生物滤料接触而被净化，净化气体从塔顶排出。其适用于处理负荷较高，降解过程易产酸的废气，进口有机气体的波动不宜太大。

③过滤塔。废气从塔顶进入过滤塔，在流动过程中与已接种挂膜的生物滤料接触而被净化，净化后的气体由塔底排出。适用于处理气量大、浓度低、难溶于水的有机废气。

（7）电子束辐射法 电子束辐射脱硫系统由冷却塔、反应器和静电除尘器组成。电子束辐射法的脱硫和脱氮效率取决于烟气出口温度和辐射剂量。

（8）膜分离法 混合气体在压力梯度作用下，透过特定薄膜时，不同气体具有不同的透过速度，从而使其混合物中的不同组分达到分离的效果。

评价膜性能的主要指标有渗透系数和分离系数。渗透系数表示膜对气体的渗透能力，渗透系数越大，膜透过气体的能力越强。

由于固体膜对氧、氮、氢、二氧化碳、甲烷及硫化氢等气体都有选择透过能力，因而可以用于这些气体的分离。