烟气净化理论与设计（钱焕群）

目前，我国树立绿色发展、循环发展、低碳发展的理念，坚持节约资源和保护环境的基本国策，施行低耗能、低污染、低排放为特征的发展方式，实行最严格的环境保护制度，深入实施大气污染防治行动计划，不断追求更低的大气污染排放指标，大幅度提高了环境空气质量，保障人民拥有蓝天白云的生活空间。
在不断改进和完善的基础上，我国的烟气净化技术已臻于成熟，特别是电厂，已经形成从烟气中去除烟尘、硫氧化物和氮氧化物的主流技术。目前的发展目标是大幅度降低投资和运行成本、拓展副产物资源化途径的高效烟气净化技术。未来将从电厂烟气净化扩展到冶金、建材、垃圾焚烧等行业脱除汞、微尘和二英等污染物。
本书根据能源与动力工程专业知识与环境工程专业知识交叉的需求，依据当代工程技术人才的培养目标，并充分考虑到多年来课程教学实践和本科学生的学习感受组织编写。本书在编写和内容安排方面作如下思考和探索：
(1)在能力培养方面，本书将主要规范标准的技术要求融入理论知识中，体现当代工程教育的理念，不仅有助于学生专业能力(工程知识应用能力、问题分析能力、设计/开发能力、研究能力)的培养，而且注重培养学生的设计规范技术标准遵循意识。
(2)在内容编排方面，本书力求数据翔实，知识系统，重点突出。全书共分为5章。第1章为“能源与大气污染”，以数据说明能源的未来发展、能源与环境之间的关系，简要介绍大气污染危害、大气污染控制的生态意识和规章制度。第2章为“大气污染扩散”，详细分析了不同气象条件下污染物的扩散理论，并阐释了扩散理论在烟囱高度计算方法中的应用及其与相关环境标准之间的联系。第3章为“颗粒污染物的控制”，首先描述了颗粒在气流中的运动，以此阐述两种电厂主流除尘技术即电除尘器和袋式除尘器的基本原理，并梳理两种除尘器的工程设计程序及标准规定的高效除尘技术和性能要求。第4章和第5章分别以气液吸收理论和异相催化理论阐述电厂烟气脱硫和脱硝的主流技术，即“石灰石湿法烟气脱硫技术”和“选择性催化还原烟气脱硝技术”，在重点讲解质量传递的化学工程知识的基础上，详细说明了湿法烟气脱硫和选择性催化还原烟气脱硝的设计计算方法。
本书由山东建筑大学钱焕群教授、王洪波教授、王宁副教授、毛煜东副教授和杨开敏副教授共同讨论与合作完成。其中，2.1～2.3、2.6、2.7、3.3～3.8、4.1、4.2、5.1和5.2由钱焕群编写；4.3～4.5、5.3和5.4由王洪波编写；1.2～1.4、1.6、3.1和3.2由王宁编写；1.1、1.5、1.7、2.4和2.5由毛煜东编写；杨开敏负责本书部分资料的整理工作。
在此向本书参考文献的所有作者、支持和关心本书出版的同仁表示感谢。
由于编者知识、能力和阅历有限，书中难免存在疏漏，恳请广大读者提出宝贵意见和建议。

编 者
2021年11月

钱焕群，山东建筑大学，教授，硕士指导老师。近30年来，一直从事热能工程领域的教学、科研、生产运行方面工作。在淮阴西郊热电厂从事锅炉技术工作七年，在胜利油田工程设计研究院从事研发工作四年，在山东建筑大学主讲燃烧学、烟气净化、流体力学、工程热力学本科及研究生课程。主持与参与省部级以上项目6项，公开发表论文20多篇。

《烟气净化理论与设计》共分为5章，根据我国生态发展理念和大学本科专业工程认证的要求进行编写，针对我国电厂烟气净化的超低排放目标及主流技术，简要介绍了能源与大气污染的相互关系、大气污染扩散理论，重点论述了从烟气中去除颗粒物、二氧化硫和氮氧化物的基本原理、过程和主要设备。本书融合了主要标准规范的技术内容，体现了既注重烟气净化过程的理论学习，又强调烟气净化工程的设计与实践能力培养的宗旨。
本书可作为高等学校能源与动力工程专业本科生教材，环境类专业、化学工程与工艺专业的选修教材，也可作为能源与动力工程专业、环境类专业的研究生教学用书，同时可供环境工程、能源工程、能源化学等领域的科研人员、技术人员和管理人员参考。

第1章 能源与大气污染1
1.1　能源的现状与发展 1
1.1.1　能源现状 1
1.1.2　能源发展 2
1.2　环境 3
1.2.1　环境的概念 3
1.2.2　环境质量与环境污染 3
1.3　大气组成 4
1.4　大气污染对环境的影响 6
1.4.1　大气污染 6
1.4.2　NOx 和NMHC 对环境的影响 6
1.4.3　二氧化硫对环境的影响 8
1.4.4　气溶胶颗粒物对环境的影响 8
1.4.5　温室效应气体对环境的影响 9
1.4.6　大气污染物对臭氧层的破坏 10
1.5　能源消耗与环境污染 11
1.6　大气污染物排放量的确定 12
1.6.1　物料衡算法 13
1.6.2　实测法 14
1.6.3　排污系数法 14
1.7　大气污染综合防治 15
1.7.1　大气污染综合防治的含义 15
1.7.2　大气污染综合防治的法律与标准 15

第2 章 大气污染扩散17
2.1　气象学基础 17
2.1.1　大气圈结构 17
2.1.2　大气圈的主要气象要素 18
2.2　大气稳定度 19
2.2.1　大气热力过程 19
2.2.2　大气稳定度的概念 20
2.2.3　大气稳定度的分类 21
2.3　大气的运动和风 22
2.4　高斯扩散模式 23
2.4.1　高斯模式假定 23
2.4.2　无界空间连续点源扩散模式 24
2.4.3　高架连续点源扩散模式 24
2.4.4　地面连续点源扩散模式 24
2.4.5　颗粒物扩散模式 25
2.5　特殊气象条件下的扩散模式 25
2.5.1　封闭型扩散模式 25
2.5.2　熏烟型扩散模式 26
2.6　污染物浓度的估算 27
2.6.1　烟气抬升高度的计算 27
2.6.2　扩散参数的确定 29
2.7　烟囱的设计 32
2.7.1　烟囱结构形式 32
2.7.2　烟囱数量 33
2.7.3　烟囱高度的计算 33
2.7.4　烟囱出口的烟气流速 34
2.7.5　烟囱出口内径 36
2.7.6　烟囱内烟气静压 36
2.7.7　烟囱的附属设施 38

第3 章 颗粒污染物的控制39
3.1　颗粒的粒径及粒径分布 39
3.1.1　颗粒的粒径 39
3.1.2　粒径分布 40
3.1.3　粒径分布函数 41
3.2　粉尘的物理性质 43
3.2.1　粉尘的密度 43
3.2.2　粉尘的含水率 44
3.2.3　粉尘的润湿性 44
3.2.4　粉尘的荷电性 44
3.2.5　粉尘的导电性 45
3.2.6　粉尘的黏附性 45
3.2.7　粉尘的安息角和滑动角 46
3.2.8　粉尘的比表面积 46
3.2.9　粉尘的自燃性和爆炸性 46
3.3　净化装置的技术性能指标 47
3.3.1　处理气体流量 47
3.3.2　净化效率 47
3.3.3　压力损失 48
3.4　颗粒捕集的理论基础 49
3.4.1　颗粒的流体阻力 49
3.4.2　阻力导致的减速运动 51
3.4.3　重力沉降 51
3.4.4　离心沉降 52
3.4.5　静电沉降 53
3.4.6　惯性沉降 53
3.4.7　扩散沉降 54
3.5　电除尘器 56
3.5.1　电除尘器的基本原理 56
3.5.2　电除尘器的结构 61
3.5.3　电除尘器的供电 69
3.5.4　电除尘器的性能 71
3.5.5　电除尘器性能的影响因素 72
3.5.6　电除尘器的设计 77
3.5.7　电除尘器的选型 82
3.6　袋式除尘器 83
3.6.1　袋式除尘器的基本原理 83
3.6.2　袋式除尘器的分类和命名 84
3.6.3　袋式除尘器的滤料 86
3.6.4　袋式除尘器的性能及其影响因素 88
3.6.5　袋式除尘器的设计与选型 89
3.7　电袋复合除尘器 91
3.7.1　电袋复合除尘器的基本原理 91
3.7.2　电袋复合除尘器的结构 92
3.7.3　电袋复合除尘器的技术特点 93
3.7.4　电袋复合除尘器的应用 93
3.8　除尘器的选型与发展 94
3.8.1　除尘器的选型 94
3.8.2　除尘器的发展 95

第4 章 石灰石湿法烟气脱硫技术97
4.1　气体吸收理论 97
4.1.1　相际传质理论 97
4.1.2　吸收速率方程 98
4.1.3　相平衡 99
4.1.4　传质系数 100
4.1.5　界面浓度 101
4.1.6　吸收单元操作 102
4.1.7　化学吸收过程 105
4.2　石灰石浆液脱除SO2 的化学原理 107
4.2.1　石灰石浆液吸收SO2 的主要化学反应 107
4.2.2　pH值对石灰石浆液脱硫化学反应的影响 109
4.3　逆流喷淋吸收塔 109
4.3.1　吸收塔的结构 110
4.3.2　吸收塔的主要参数 112
4.4　石灰石湿法烟气脱硫的平衡方程 117
4.4.1　石灰石湿法烟气脱硫系统 117
4.4.2　烟气平衡 118
4.4.3　固体物平衡 118
4.4.4　水平衡 121
4.4.5　系统热平衡 122
4.5　石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺设计 124
4.5.1　选择工艺的原则 124
4.5.2　石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺的规定 125
4.5.3　喷淋吸收塔设计计算 126
4.5.4　石灰石-石膏湿法烟气脱硫系统的技术性能 126

第5 章 选择性催化还原烟气脱硝技术128
5.1　选择性催化还原反应 128
5.1.1　催化作用 128
5.1.2　SCR 化学反应 129
5.1.3　催化反应本征动力学 130
5.1.4　催化反应动力学 132
5.2　SCR 反应器 136
5.2.1　催化反应器的结构 136
5.2.2　影响SCR 脱硝效率的主要因素 136
5.2.3　SCR 催化剂 139
5.2.4　SCR 反应器的设计 147
5.3　SCR 烟气脱硝系统及其附属设施 154
5.3.1　SCR 烟气脱硝系统布置 155
5.3.2　SCR 烟气脱硝系统 155
5.3.3　还原剂储存与制备 156
5.3.4　SCR 烟气脱硝系统的附属设施 163
5.3.5　SCR 烟气脱硝系统的技术性能 165
5.4　SCR 烟气脱硝系统的控制 166
5.4.1　烟气脱硝系统的控制方式 166
5.4.2　烟气脱硝系统的模拟量控制 166
5.4.3　烟气脱硝系统的顺序控制 170

参考文献 173