大氣污染控制工程1

1、環(huán)境工程學,大氣污染控制工程,董佳 ,課程在培養(yǎng)計劃中的作用,大氣污染控制工程是高等院校環(huán)境工程專業(yè)的主干學科，本科生專業(yè)必修課之一。本課程系統地討論大氣污染控制工程的基本知識，大氣污染氣象學基礎知識，大氣污染防治技術的基本理論、基本概念、基本原理、主要設備和典型工藝等。培養(yǎng)學生分析和解決大氣污染控制工程問題的基本能力,結合課程實驗和畢業(yè)設計等教學環(huán)節(jié),為學生畢業(yè)后從事大氣污染控制工程設計,技術管理等工作奠定必要的基礎。,本課程課時安排,第一章 概論,第一節(jié) 大氣與大氣污染 第二節(jié) 大氣污染及其來源 第三節(jié) 大氣污染的影響 第四節(jié) 大氣污染綜合防治 第五節(jié) 環(huán)境空氣質量控制標準,第一節(jié) 大氣與

2、大氣污染,一 大氣組成,自然狀態(tài)下的大氣由干潔空氣、水蒸汽和各種雜質組成。,干潔空氣：除去水蒸汽和雜質外，主要成分是氮、氧、氬，它們占空氣總容積的百分數分別為78.08%、20.95%、0.93%；次要成分有二氧化碳、氖、氦、氪、氙、氫、臭氧等，它們各自的容積百分數見表1-1。,當空氣中某種物質的含量遠大于表1-1中所列物質的含量時，就可認為空氣被污染了，如果某物質在該表中完全不存在，那么一經存在就構成污染。（注意：一般不把水看作污染物。）,第一節(jié) 大氣結構及組成,二 大氣污染的定義,air pollution may be defined as any atmospheric conditi

3、on in which substances are present at concentrations high enough above their normal ambient levels to produce a measurable effect on man, animals, vegetation, or materials. 大氣污染是指人類活動或自然過程引起某些物質進入大氣中，呈現出足夠的濃度，達到足夠的時間，并因此而危害到人體的舒適、健康和福利或危害生態(tài)環(huán)境。 包括自然的過程和人為過程。,二 大氣污染,通常是指由于人類活 動和自然過引起某種 物質進入大氣中，呈 現出足夠的

4、濃度，達 到足夠的時間，并因 此而危害了人體的舒 適、健康和福利或危 害了環(huán)境的現象,化工廠黑煙污染,局部地區(qū)污染,地區(qū)性污染,廣域污染,全球性污染,三.全球性大氣污染,溫室效應 臭氧層破壞 酸雨,溫室效應 (greenhouse effect),溫室氣體與溫室效應,能使地球大氣增溫的微量組分稱為溫室氣體，主要有co2、ch4、n2o、cfc3（氟里昂）等。這些微量氣體主要吸收7500-13000nm間的長波輻射，使地球的溫度上升，即產生溫室效應。,研究表明，各種溫室氣體對全球的溫室效應所起作用的比例不同，其中co2的作用占55%、 cfc占24%、ch4占15%、n2o占6%。,進入20世紀

5、以來，這些溫室氣體在大氣中的濃度都有增加，其中co2的增加是最快的，是造成全球變暖的主要原因。 co2濃度增加的人為原因：化石燃料的燃燒所排放的co2 占排放總量70%；森林的毀壞。,全球性大氣環(huán)境問題,化石燃燒,森林毀壞,臭氧層空洞 (depletion of the ozone layer),臭氧層的位置及其作用,在大氣圈約2025km高空的平流層底部，有一個臭氧濃度相對較高的小圈層，即為臭氧層。 臭氧含量雖然極其微少，卻具有非常強烈的吸收紫外線的功能，特別是吸收了99%來自太陽紫外線中對生物有害的部分(uv-b)，保護了人類和生物免遭紫外線輻射的傷害。,臭氧層損壞原因,人類活動排入大氣的

6、某些化學物質與臭氧發(fā)生作用，導致了臭氧的損耗。這些物質主要有ch4、n2o、ccl4、哈龍（溴氟煥烴）以及氟里昂等，破壞作用最大的為哈龍類物質與氟里昂。,科學家研究發(fā)現，在對流層相對穩(wěn)定的氟里昂在上升進入平流層后，在一定的氣象條件下，會在強烈的紫外線作用下被分解，分解釋放出的氯原子同臭氧發(fā)生連鎖反應，不斷破壞臭氧分子。估計一個氯原子可以破壞數萬個臭氧分子。,全球性大氣環(huán)境問題,酸雨 (acid rain),定義,酸雨又稱酸沉降，它是指ph值小于5.6的天然降水（濕沉降）和酸性氣體及顆粒物的沉降（干沉降）。,成分,主要是無機酸和有機酸，絕大部分是硫酸和硝酸。,形成機理,人為排放的so2和nox等

7、氣體在大氣中經過復雜的物理化學過程生成硫酸和硝酸，形成了酸雨，大體經過以下幾個過程。,1、 so2的氧化過程：so2通過催化氧化和光化學氧化兩種途徑轉化為so3，進而生產硫酸。,2、 nox的氧化過程： nox的氧化過程主要是催化氧化。在空氣濕度大并存在金屬雜質和nh3的條件下，生成硝酸和硝酸鹽，最終形成氣溶膠。,3、 酸雨的形成： 硫酸、硝酸及其他酸性成分等酸性污染物可以被吸收到云內（云內捕集），在云下的酸性污染物在降雨初期被雨水吸收（雨水捕集），進而成為酸性降水。,全球性大氣環(huán)境問題,第二節(jié) 大氣污染物及其來源,大氣污染物的種類,氣溶膠狀態(tài)污染物,根據物理性質的不同分,粉塵 (dust)

8、煙 (fume) 飛灰 (fly ash) 黑煙 (smoke) 霧 (fog),tsp100um pm1010um 其他,氣態(tài)狀態(tài)污染物,硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物、有機化合物、鹵素化合物、光化學煙霧,一次污染物 二次污染物：如硫酸煙霧、光化學煙霧,按形成過程分,sulfurous smog,photochemical smog,第二節(jié) 大氣污染,在低雷諾數的氣流中與單位密度球具有終末沉降顆粒直徑,大氣污染物的來源和發(fā)生量,自然活動的排放源,人類活動的排放源,生活污染源,工業(yè)污染源,交通污染源,我國大氣污染狀況,我國大氣污染物主要來源是燃料燃燒。從全國范圍看，我國大氣污染仍以煤煙型污染為主

9、，大氣污染物主要是煙塵、工業(yè)粉塵和so2；但由于城市機動車數量的劇增，一些大城市的大氣污染已呈現出以機動車尾氣污染為主的趨勢。,我國的能源消費結構中，煤炭占73.5%、石油和天然氣分別占18.6% 、2.2%，與世界平均煤炭占27% 、石油占39.5% 、天然氣占23.5% 的消費結構距離較大。,無法預測,無法防止與控制,第二節(jié) 大氣污染,第三節(jié) 大氣污染的影響,一 對人體健康的影響,（一） 污染物侵入人體的三種方式： 1 表面接觸 2 食入含污染物的食物 3 吸入被污染的空氣 （二）影響人體健康的污染物 1 顆粒物 2 硫氧化物 3 一氧化碳 4 氮氧化物 5 光化學氧化劑 6 有機化合物,

10、上呼吸道感染、心臟病、支氣管炎，氣喘、肺炎、肺氣腫,搶奪人體需要的溶解氧（10010-6）,刺激眼鼻，并形成光化學煙霧,北京市的沙塵暴使人舉步維艱,二、對植物的傷害,（一）毒害植物的氣體有： 二氧化硫、臭氧、pan、氟化氫、乙烯、氯化氫、氯、硫化氫和氨。,三、對器物和材料的影響,（一）受影響的器物 金屬制品、油漆涂料、皮革制品、紙制品、紡織品、橡膠制品、建筑物。 （二）損害的方式 1 沾污性損害 2 化學性損害,四 對大氣能見度和氣候的影響,（一）對能見度的影響 1 能見度 指定方向上僅能用肉眼看見和辨認的最大距離。(陰霾天氣圖） 2 影響能見度的污染物 顆粒污染物和氣態(tài)污染物 3 能見度的計

11、算公式 lv=2.6pdp/k ,（二）對氣候的影響,1 溫室效應 2 形成酸雨 3 影響降雨量 4 影響太陽輻射量,二氧化碳,氮氧化物、硫氧化物,懸浮顆粒物,氣溶膠粒子,第四節(jié) 大氣污染綜合防治,一、大氣污染綜合防治的含義 為了達到區(qū)域環(huán)境空氣質量控制目標，對多種大氣污染控制方案的技術可行性、經濟可行性、區(qū)域適應性和實施可能性進行最優(yōu)化選擇和評價，從而得出最優(yōu)的控制技術方案和工程措施。,二 大氣污染綜合防治措施,1 全面規(guī)劃、合理布局 2 嚴格環(huán)境管理 3 控制大氣污染的技術措施 4 控制污染的經濟政策 5 綠化造林 6 安裝廢氣凈化裝置,第五節(jié) 環(huán)境空氣質量控制標準,環(huán)境空氣質量控制標準的

12、種類和作用,大氣環(huán)境標準為控制和改善大氣質量，保護人體健康和生態(tài)環(huán)境，限制大氣環(huán)境中的污染物而制訂。它包括大氣環(huán)境質量標準、大氣污染物排放標準、大氣污染控制技術標準、大氣污染警報標準等。,大氣環(huán)境質量標準（ambient air quality standard),空氣環(huán)境質量標準（gb3095-1996）（分為三級）,大氣污染物排放標準（ emission standard of air pollutants）,工業(yè)“三廢”排放試行標準（gbj 4-73） 工業(yè)企業(yè)設計衛(wèi)生標準（tj36-79) 大氣污染物綜合排放標準（gb 16297-1996）,其它標準：鍋爐大氣、火電廠大氣、工業(yè)窯爐、

13、水泥廠、煉焦爐、惡臭污染物、輕型汽車排氣污染物等排放標準。,參見實用環(huán)境工程手冊 大氣污染控制工程手冊,第三節(jié) 大氣質量控制標準,3. 中華人民共和國國家標準 環(huán)境空氣質量標準 ambient air quality standard gb30951996 (代替gb309582)國家環(huán)境保護局1996-01-18批準1996-10-01實施,主題內容與適用范圍 本標準規(guī)定了環(huán)境空氣質量功能區(qū)劃分、標準分級、污染物項目、取值時間及濃度限值，采樣與分析方法及數據統計的有效性規(guī)定。 本標準適用于全國范圍的環(huán)境空氣質量評價。,環(huán)境空氣質量功能區(qū)的分類和標準分級,環(huán)境空氣質量功能區(qū)分類 一類區(qū)為自然保

14、護區(qū)、風景名勝區(qū)和其它需要特殊保護的地區(qū)。 二類區(qū)為城鎮(zhèn)規(guī)劃中確定的居住區(qū)、商業(yè)交通居民混合區(qū)、文化區(qū)、一般工業(yè)區(qū)和農村地區(qū)。 三類區(qū)為特定工業(yè)區(qū)。 環(huán)境空氣質量標準分級（環(huán)境空氣質量標準分為三級） 一類區(qū)執(zhí)行一級標準 二類區(qū)執(zhí)行二級標準 三類區(qū)執(zhí)行三級標準,各項污染物的濃度限值,注： 適用于城市地區(qū)； 適用于牧業(yè)區(qū)和以牧業(yè)為主的半農半牧區(qū)，蠶桑區(qū)； 適用于農業(yè)和林業(yè)區(qū)。,污染物排放標準,制定大氣污染排放標準的原則： 應以大氣環(huán)境質量標準或衛(wèi)生標準為依據，綜合考慮控制技術的可行性和經濟合理性，再結合各地區(qū)的地形地物等的差異來確定排放標準 按污染擴散規(guī)律推算排放標準,以大氣環(huán)境質量標準或衛(wèi)生標準

15、為依據，應用污染物在大氣中的擴散規(guī)律和計算模式推算出不同煙囪高度下的容許排放量；或者根據污染源的排放量，推算出最低煙囪高度。,第三節(jié) 大氣質量控制標準,各種行業(yè)性大氣污染物排放標準,指標體系：最高允許排放濃度、最高允許排放速率、無組織排放濃度,“總量控制”標準,“總量控制”標準是對整個地區(qū)排放污染物總量加以限定的方法，它是根據各個地區(qū)環(huán)境自凈能力，即環(huán)境容量，確定出該地區(qū)允許污染物排放總量，再按責任分擔，計算出各個污染源的允許排放量。,這里的“總量”由環(huán)境容量確定，但并不是單指環(huán)境容量，而是為了滿足環(huán)境標準計算出來的地區(qū)允許排放的容量。,我國國家環(huán)保局于1991年8月31日頒布的制定地方大氣污

16、染物排放標準的技術方法（gb/t 13201-91）中，使用控制區(qū)排放總量允許限值控制大氣污染的方法制定地方大氣污染物排放標準。,這種方法克服了單純依靠同一排放標準或大氣環(huán)境質量標準管理環(huán)境的缺點，是制定排放標準的較好的方法。,第三節(jié) 大氣質量控制標準,五 空氣污染指數及報告,（一）空氣污染指數（api) 可吸入顆粒物、二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳和臭氧。 （二）空氣污染指數的計算方法。,空氣范圍為50、100、200，分別對應空氣質量標準中的一二三級,空氣污染指數分級標準(試行),2000年4月27日發(fā)布 來源：北京市環(huán)境保護局主頁（）,空氣污染指數分級濃度限值,計算公式：當第k種污染物濃度

17、為 時，其分指數為,注：各變量含義參看教材,第一節(jié) 燃料的性質 第二節(jié)燃料的燃燒過程 第三節(jié)煙氣體積及污染物排放量計算 第四節(jié) 燃燒過程硫氧化物的形成 第五節(jié) 燃燒過程顆粒物的形成 第六節(jié) 燃燒過程中其他污染物的形成,第二章 燃燒與大氣污染,本章重點, 理論空氣量 煙氣量 污染物排放量 4 顆粒物及硫氧化物的形成機理,第一節(jié). 燃料的性質,燃料的定義： 指燃燒過程中能放出熱量， 且經濟上可行的物質。,燃料的分類： 一 常規(guī)燃料 如煤、石油、天然氣等。 二 非常規(guī)燃料 按其物理狀態(tài)分為： （1）氣態(tài)燃料：由擴散或混合控制。 （2）液體燃料：由蒸發(fā)過程控制（氣態(tài)形式燃燒）。 （3）固體燃料：揮發(fā)分

18、被蒸餾后以氣態(tài)燃燒（蒸氣控制）；留下的固定炭以固態(tài)燃燒（擴散控制）。,幾種常規(guī)燃料,一、煤 1 定義：是一種復雜的物質聚集體。主要可燃成分是c、h及少量o、n、s等一起構成的有機聚合物。 2 性質：煤中有機成分和無機成分的含量因種類、產地不同而異。,煤礦,3 分類：按基于沉積年代的分類法分為褐煤、煙煤、無煙煤。 .褐煤：是由泥煤形成的初始煤化物，是煤中等級最低的一類，形成年代最短。呈黑色、褐色、泥土色，象木材結構。 特點：水分較高，析出溫度低； 燃燒熱值低，不能制炭。干燥后：c含量6075%，o2含量2025%。,.煙煤：形成歷史較褐煤長。黑色，外形有可見條紋。 揮發(fā)分2045%，c 7590

19、%。成焦性較強，氧含量低，水分及灰分含量不高，適宜工業(yè)使用。 .無煙煤：碳含量最高，煤化時間最長的煤，具有明顯的黑色光澤，機械強度高。 c含量93%, 無機物量10%, 著火難，不易自燃，成焦性差。,4.煤的組成,煤的組成按測定方法分為工業(yè)分析；元素分析兩大類。 .工業(yè)分析：水分、灰分、揮發(fā)分、固定碳、s含量、熱值。 . 元素分析：用化學法測定的去除掉外部水分的主要組分。c、h、n、s、o等。,5煤中硫的形態(tài),有機硫（cxhysz） 硫化鐵硫（fes2） 煤中含硫 元素硫 （s） 硫酸鹽硫（meso4）,6 煤的成分表示方法,煤的四種百分比基： （1） 收到基：包括全部水分和灰分的燃料作為10

20、0%的成分（ar） （2） 空氣干燥基：以去點外部水分的燃料作為100%的成分（ad） （3） 干燥基：以去點全部水分作為100%的成分（d） （4） 干燥無灰基：以去掉全部水分和灰分的燃料作為100%的成分（daf）,二、石油,石油是液體燃料的主要來源。原油是天然存在的易流動液體。比重0.781.00 主要含c、h、少量的s、n、o，此外，含有微量金屬（釩、鎳）、砷、鉛、氯等。 原油中的硫大部分以有機硫形式存在，形成非碳氫化合物的巨大分子團，其含硫量變化范圍較大，一般為0.17%。,三、天然氣,組成：一般為ch485%,乙烷10%，丙烷3%，此外還有h2o、co2、n2、he、h2s，同體積

21、的天然氣熱值是同體積煤氣的2.5倍,過量存在的惰性氣體將降低燃燒熱，并增加輸送成本,我國天然氣儲量豐富，據不完全統計，我國天然氣總 量達到35萬億立方，但開發(fā)能力低，天然氣在一次能 源消耗中只占3%,遠低于全球的平均水平23% 。,非常規(guī)燃料,根據來源,非常規(guī)燃料可分為： 1 城市固體廢棄物 2 商業(yè)和工業(yè)固體廢棄物 3 農產物及農村廢物 4 水生植物和水生廢物 5 污泥處理廠廢物 6 可燃性工業(yè)和采礦廢物 7 天然存在的含碳和含碳氫的資源 8 合成燃料,非常規(guī)染料一般都是指廢物的再利用，這既能回收能量又能減輕環(huán)境的壓力,第二節(jié) 燃 料 燃 燒 過 程,一、影響燃燒過程的主要因素 1燃燒過程及

22、燃燒產物 2燃料完全燃燒的條件 3發(fā)熱量及熱損失 4. 燃燒產生的污染物,1燃燒過程及燃燒產物 燃燒是可燃混合物的快速氧化過程，并伴有能量的釋放，同時使燃料的組成元素轉化成相應的氧化物。 多數化石燃料完全燃燒的產物是co2、水蒸汽； 不完全燃燒過程將產生黑煙、co和其它部分氧化產物等。 若燃料中含s、n會生成so2和nox，燃燒溫度較高時，空氣中的部分氮會被氧化成nox。 燃料型nox燃料中的n生成量nox 熱型nox高溫時空氣中n氧化成nox,2燃料完全燃燒的條件 燃料完全燃燒的條件是適量的空氣、足夠的溫度、必要的燃燒時間、燃料與空氣的充分混合。 （1） 空氣條件：按燃燒不同階段供給相適應的

23、空氣量。 （2）溫度條件：只有達到著火溫度，才能與氧化合而燃燒。 著火溫度：在氧存在下可燃質開始燃燒必須達到的最低溫度。各種燃料的著火溫度見表2-4 。,（3）時間條件： 燃料在燃燒室中的停留時間是影響燃燒完全程度的另一基本因素。 燃料在高溫區(qū)的停留時間應超過燃料燃燒所需時間。 （4）燃燒與空氣的混合條件： 燃料與空氣中氧的充分混合是有效燃燒的基本條件。 在大氣污染物排放量最低條件下,實現有效燃燒的四個因素：空氣與燃料之比、溫度、時間、湍流度。(三t),二、燃料燃燒的理論空氣量,1理論空氣量（ vg0 ） 單位量燃料按燃燒反應方程式完全燃燒所需的空氣量稱為理論空氣量。 理論空氣量獲得: （1）可由燃燒反應方程式 （2）經驗公式（由熱值） 固體燃料 液體燃料 氣體燃料 天然氣 （式2.17）,建立燃燒化學方程式時，假定： 1.空氣僅由n2和o2組成，其體積比為79.1/20.9=3.78；