1、第三讲大气污染与控制工程 自我整理 精华版第三讲大气污染与控制工程内容一、大气与大气污染二、空气质量标准、大气污染物及危害三、大气污染气象学及大气污染模型四、颗粒污染物及除尘工艺五、VOCs及净化工艺六、SOx及脱硫工艺七、NOx及脱氮工艺一、大气与大气污染按照国际标准化组织（ISO）对大气和空气的定义：大气（atmosphere）：是指环绕地球的全部空气的 总和（the entire mass of air which surrounds the Earth）。环境空气（ambient air）：是指人类、植物、动物 和建筑物暴露于其中的室外空气（outdoor air to which p
2、eople，plants，animals and structures are exposed）大气与空气环境空气的重要性和特性环境空气的重要性一个成年人每天呼吸大约两万次，吸入的空气量大约1015m3（13.6kg），约食物重量的10倍（食物1.5kg、水2kg）。环境空气是一种资源，而且是一种可更新的资源。环境空气的性质：环境空气是一种混合气体，平均分子量为28.966，标准状态下的密度为1.293kg/m3。大气污染大气污染通常是指由于人类活动和自然过程引起某种物质进入大气中，呈现出足够的浓度，达到了足够的时间并因此而危害了人体的舒适、健康和福利或危害了环境的现象。大气污染的一般过程几类
3、典型的大气污染 4种煤烟型（或还原型）污染主要污染源是燃煤。主要污染物是SO2 、NOx 、 CO和微粒物质，它们遇上低温、高湿的阴天，且 风速很小并伴有逆温存在的情况时，一次污染 物 扩散受阻，易在低空聚积，生成还原型烟雾。石油型（或交通型或氧化型）污染污染源主要是机动车（汽油车和柴油车）和机动 船。主要污染物是CO、NOX 和HC。在相对湿度 较低的夏季睛天，交通污染严重的地区可能会出 现典型的二次污染光化学烟雾。它对人体、 动植物、材料 均会产生破坏作用，并且严重影响 大气能见度。 光化学烟雾酸雨与酸沉降指大气中的酸通过降水（如雨、雾、雪）迁移到地 表，或在含酸气团气流的作用下直接迁移到
4、地表。 酸沉降的研究始于酸雨研究。酸雨已成为当今世界 上最严重的区域性环境问题之一。直接引起酸沉降 的主要物质是人为和天然排放的SOX （SO2 和SO3 ） 和NOX （NO和NO2 ），其天然源一般是全球分布 的，而人为排放的SOX 和NOX 则具有地区性分布的 特点。酸雨形成机制酸雨对植物的危害损害植物酶的功能组织；影响植物 新陈代谢的功能；破坏原生质的完 整性和细胞膜。此外，还会损害根 系生长及其功能；减弱输送作用与 导致生物产量减少。城西的那棵老熔树摄影 福建省三明市梅列区检察院 刑保兴酸雨的越界迁移与全球化问题酸沉降的迁移导致全球化环境问题沙尘暴沙尘暴是一种风与沙相互作用的灾害性天
5、气现象，它的形成与地球温室效应、厄尔尼诺现象、 森林锐减、植被破坏、物种灭绝、气候异常等因 素有着不可分割的关系。沙尘暴作为一种高强度 风沙灾害，并不是在所有有风的地方都能发生， 只有那些气候干旱、植被稀疏的地区，才有可能 发生沙尘暴。二、空气质量标准、大气污染物 及危害四大类主要大气污染物颗粒污染物（Particulates）易挥发有机废气（VOCs)硫氧化物（SOx）氮氧化物（NOx）环境空气质量控制标准的种类和作用环境空气质量标准环境空气（Ambient air）质量标 准是以保障人体健康和一定的生态环 境为目标，而对大气环境中各种污染 物的允许含量所作的限制规定。是最 基本的大气环境标
6、准，是进行大气环 境科学管理，制定大气污染防治规划 和大气污染物排放标准的依据，是环 境管理部门的执法依据。大气环境污染物排放标准大气污染物排放标准是为实现大 气环境质量标准，对污染源排入大 气的污染物允许含量的限制规定。是控制大气污染源的污染物排放 量和选择设计净化装置的重要依 据，也是环境管理部门的执法依据。 大气污染物排放标准可分为国家标 准、地方标准和行业标准。气污染控制技术标准是根据污染物排放标准引申出来的 辅助标准，如燃料、原料使用标准， 净化装置选用标准，排气囱高度标准 及卫生防护距离标准等。是为保证达到污染物排放标准而从 某一方面做出的具体技术规定，目的 是使生产、设计和管理人
7、员容易掌握 和执行。警报标准大气污染警报标准是为保护大气环 境不致恶化，或根据大气污染发展 趋势预防发生污染事故而规定的空 气中污染物含量的极限值。超过这 一限值就应警报，以便采取必要的 预防措施，尽量减少对人们的危害。中华人民共和国国家标准 环境空气质量标准Ambient air quality standard GB30951996 (代替GB309582) 国家环境保护局1996-01-18批准 1996-10-01实施主题内容与适用范围本标准规定了环境空气质量功能区划分、标准分级、污染物项目、取值时间及浓度限值，采样与分析方法及数据统计的有效性规定。本标准适用于全国范围的环境空气质量评
8、价。环境空气质量功能区的分类和标准分级环境空气质量功能区分类一类区为自然保护区、风景名胜区和其它需要特殊保护的地区。二类区为城镇规划中确定的居住区、商业交通居民混合区、文化区、一般工业区和农村地区。三类区为特定工业区。环境空气质量标准分级（环境空气质量标准分为三级）一类区执行一级标准二类区执行二级标准三类区执行三级标准各项污染物的浓度限值注：适用于城 市地区；适用于牧 业区和以 牧业为主 的半农半 牧区，蚕 桑区；适用于农 业和林业 区。空气污染指数分级浓度限值空气污染指数范围及相应的空气质量类别大气污染的危害1、人体健康（ Human Health）2、物品财产（Properties）3、能
9、见度（ Visibility）4、全球气候（Global Climate: Global Warming Stratospheric Ozone Depletion 平流层臭氧枯竭)1、 人体健康（ Human Health）Biological MechanismAnimal experimentLaboratory experiments with humansEpidemiological（流行医学病） studies of human populations2、物品财产（Properties）植物动物雕像等建筑物水的低pH值使得鱼的骨骼畸形生长，最终导 致死亡引起树木的大量不正常死亡严
10、重腐蚀建筑物建筑物的毁坏3、 能见度（ Visibility）Particles between us and the scene scatter sunlight (or moonlight or streetlight ) toward us, which prevent us from seeing distant scenes clearly.The longer distance, the more particles between us and the scene, the less clearly4、全球气候（Global Climate I: Global Warming）全
11、球变暖/温室效应大气层中某些气体对短波和可见光吸收很 弱，而对长波辐射吸收强烈，因此地球表 面从太阳辐射获得的热量相对多，而散失 到大气层以外的热量相对少，地球表面的 温度得以维持，这就是大气的“温室效应”。温室效应的产生温室气体主要包括二氧化碳、臭氧、甲烷、氯氟烃、一 氧化二氮等。当它们在大气中的浓度增加时，大气的温室效 应就会加剧，引起地球表面和大气层下部的 温度升高 。人类活动排放温室气体的贡献 （19801990）温室气体的主要贡献者CO2甲烷的温室效应比CO2 高25倍温室效应的危害1、地球上的病虫害和传染疾病增加史前病毒，虫害加剧2、海平面上升专家预测2050年全球温升24摄氏度
12、，海平面上 升，纽约，上海，东京和悉尼 淹没3、气候反常，海洋风暴增多；98年洪水；2004年7.9级强地震，引发海啸， 印尼 23万人死亡或失踪，50万人无家可归4、土地干旱，沙漠化面积增大西部干旱，缺水，黄河断流，沙漠化厄尔尼诺厄尔尼诺现象又称厄尔尼诺海流，是太平洋赤道带大范围内海洋和大气相互作用后失去平衡而产生的一种气候现象。正常情况下，热带太平洋区域的季风洋流是从美洲走向亚洲，使太平洋表面保持温暖，给印尼周围带来热带降雨。但这种模式每27年被打乱一次，使风向和洋流发生逆转，太平洋表层的热流就转而向东走向美洲，随之便带走了热带降雨，出现所谓的“厄尔尼诺现象”。厄尔尼诺现象的基本特征是太平
13、洋沿岸的海面水温异常升高，海水水位上涨,并形成一股暖流向南流动。它使原属冷水域的太平洋东部水域变成暖水域，结果引起海啸和暴风骤雨，造成一些地区干旱，另一些地区又降雨过多的异常气候现象。在科学上此词语用于表示在秘鲁和厄瓜多尔附近几千公里的东太平洋海面温度的异常增暖现象。当这种现象发生时，大范围的海水温度可比常年高出36摄氏度。太平洋广大水域的水温升高，改变了传统的赤道洋流和东南信风，导致全球性的气候反常。“厄尔尼诺”一词来源于西班牙语，原意为“圣婴”。19世纪初，在南美洲的厄瓜多尔、秘鲁等西班牙语系的国家，渔民们发现，每隔几年，从10月至第二年的3月便会出现一股沿海岸南移的暖流，使表层海水温度明
14、显升高。南美洲的太平洋东岸本来盛行的是秘鲁寒流，随着寒流移动的鱼群使秘鲁渔场成为世界三大渔场之一，但这股暖流一出现，性喜冷水的鱼类就会大量死亡，使渔民们遭受灭顶之灾。由于这种现象最严重时往往在圣诞节前后，于是遭受天灾而又无可奈何的渔民将其称为上帝之子圣婴。拉尼娜拉尼娜是西班牙语“La Nina”-“小女孩,圣女”的意思,是厄尔尼诺现象的反相，指赤道附近东太平洋水温反常下降的一种现象，表现为东太平洋明显变冷，同时也伴随着全球性气候混乱，总是出现在厄尔尼诺现象之后。气象和海洋学家用来专门指发生在赤道太平洋东部和中部海水大范围持续异常变冷的现象（海水表层温度低出气候平均值0.5以上，且持续时间超过6
15、个月以上）。拉尼娜也称反厄尔尼诺现象。近一次拉尼娜现象出现在1998年，持续到2000年春季趋于结束。厄尔尼诺与拉尼娜现象通常交替出现，对气候的影响大致相反，通过海洋与大气之间的能量交换，改变大气环流而影响气候的变化。从近50年的监测资料看，厄尔尼诺出现频率多于拉尼娜，强度也大于拉尼娜。中国海洋学家认为，中国在1998年遭受的特大洪涝灾害，是由“厄尔尼诺拉尼娜现象”和长江流域生态恶化两大成因共同引起的。4、全球气候（Global Climate II: Stratospheric ozone depletion)臭氧层空洞的危害皮肤癌与白内障对人类健康影响1增加皮肤癌：臭氧减少1，皮肤癌患者增
16、加46，主要是黑色素癌。 2损害眼睛，增加白内障患者。 3削弱免疫力，增加传染病患者。 对生态影响1农产品减产及其品质下降。试验200种作物对紫外线辐射增加的敏感性，结果23有影响，尤其是大米、小麦、棉花、大豆、水果和洋白菜等人类经常食用的作物。估计臭氧减少1，大豆减产1。 2减少渔业产量。紫外线辐射可杀死10米水深内的单细胞海洋浮游生物 。实验表明，臭氧减少10，紫外线辐射增加20，将会在15天内杀死所有生活在10米水深内的鳗鱼幼鱼。 3破坏森林。 据研究，臭氧减少影响人类健康及生态系统的主要机制是紫外线辐射的增加会破坏核糖核酸（DNA），以改变遗传信息及破坏蛋白质。除了影响人类健康和生态外
17、，因臭氧减少而造成的紫外辐射增多还会造成对工业生产的影响，如使塑料及其他高分子聚合物加速老化。三、大气污染气象学及大气污染模型对流层至10km16km稳定的气体组成强流的对流与湍流稳定降低分布6.5/km50100m，人类活动区域及污染物l2km以下，边界层或摩擦层lkm2km以上，自由大气层，如雨、雪、雹形成区域平流层/同温层对流层顶向上到50km左右空气以平流为主，无对流同温层约55 ，然后逐渐升高至3 由于逆温分布，污染物停留时间很长中间层对流层顶到85km温度随高度的增加迅速降低，至83 大气稀薄对流运动强烈热层/暖层/电离层从中间层顶向上到800km在强烈的紫外线和宇宙射线的作用下，
18、大气中的N2、O2分子电离成了O2+、O+及NO+等离子，该层温度随高度的增加而急剧上升，最高可达1700。逃逸层/逸散层热层以上的大气层空气极其稀薄大部分分子电离粒子收引力小，能进入太空主要气象要素气象要素（因子）：表示大气状态的物理现象和物理量，气象学中统称为。与大气污染关系密切的气象要素主要有：气温气压空气湿度（气湿）、风（风向、风速）云量云状能见度降水蒸发、日照时数、太阳辐射、地面辐射、大气辐射等。风向和风速主要气象要素水平(horizontal)方向的空气运动称为风。（垂直方向升降气流）风的来向叫风向（16个方位圆周等分）风速：单位时间内空气在水平方向上运动距离（2 或10min平均
19、）(km/h) F风力级（012级）大气稳定度及气团垂直运动模型 逆温(Temperature inversion)1、辐射逆温2、平流逆温暖空气平流到冷地面上而下部降温而形成3、锋面逆温冷、暖气团相遇冷暖间逆温暖气上爬，形成锋面大气稳定度与温度分布关系混合高度 (Mixing height)地面排放的大气污染物，将上升到一个极限高 度，并在这个极限高度范围内混合均匀。这个极 限高度就称为混合高度大气污染湍流扩散模型用来预测大气污染物排放后，在不同时间与空间的浓度分布所有的模型都采用必要的假设条件模型基于质量守恒定律the Gaussian plume idea（高斯烟羽模型）四、颗粒污染物及
20、除尘工艺颗粒物粒径与沉降速度 除尘装置概述重力沉降室惯性除尘器旋风除尘器电除尘器外观图宽间距卧式电除尘器HHD型宽间距卧式电除尘器电除尘器布袋除尘器原理粉尘过滤层两类清灰方式shake-deflate bag house(震动反吹清灰袋式除尘器)pulse-jet bag house(脉冲喷吹清灰袋式除尘器）五、VOCs及净化工艺VOCs的来源和特性常温下是液体或固体，平衡蒸汽较高，沸点较低，易于挥发到空气中形成气态污染物汽车制造业、自行车、摩托车、家用电器、电线电缆、漆包线、电机及电机绝缘处、电器、仪表、电子、石油化工、涂料、化工、印铁、印刷、家具、皮革、鞋业、玻璃、建材等行业等VOCs净化
21、工艺常用吸附剂特性吸附剂再生(a)吸附（b）解吸气体吸收一般催化燃烧流程六、SOx及脱硫工艺SOx的来源与脱硫途径煤燃烧中煤炭中伴生的硫产生的低浓度的SO2烟气是主要来源铅锌冶炼厂及硫酸厂排放的高浓度SO2燃烧前脱硫（低硫煤，煤的分选与预处理）燃烧中脱硫（炉内脱硫）燃烧后脱硫（烟气脱硫）Flue gas desulfurization (FGD) （烟道废气脱硫）（石灰石）烟气脱硫工艺比较七、NOx及脱氮工艺NOx 的形成机理燃料型NOx：燃料中的固定氮生成的NOx热力型NOx：高温下N2与O2反应生成的NOx瞬时NOx：低温火焰下由于含碳自由基的存在生成的NOx三种NOx的随温度的变化NOx
22、的控制技术燃烧控制减少高温区停留燃烧后烟气净化催化燃烧还原总结大气污染过程一般包括排放，扩散，危害受体三个环节典型的大气污染包括烟煤型污染、石油型污染、酸雨、沙尘暴等大气污染的危害主要体现在对人体健康、财产物体、能见度、全球气候（全球变暖及臭氧层空洞）4方面全球变暖、臭氧层空洞、酸雨等全球化的大气环境污染问题越来越引起重视，标志着新时期环境污染的特征从区域性发展到国际化环境空气质量标准是最基本的大气环境标准颗粒污染物、VOCs、SOx及NOx是4类主要的大气污染物质，但不等同于环境空气质量标准中的主要标准物质大气污染气象学由于直接影响到污染物在大气中的扩散，是大气污染物扩散、迁移与转化的理论基
23、础整个大气层分为对流层、平流层、中间层、热层、逸散层。人类活动区域及污染主要停留的区域集中在对流层。对流层正常的温度分布为每升高1km大气温度下降10。臭氧层主要集中在对流层层顶到平流层的1535km的区域，温度稳定在55 ，也称为同温层影响大气稳定度的气象学因素包括风力与风向，温度分布等，逆温的分布不利于污染物的扩散预测高烟囱连续排放的污染物的浓度的分布，一般采用高斯烟羽模型粒物燃物是分布最广泛的一种污染物，颗粒污染物的沉降速度与颗粒粒径有很大关系，斯托克斯公式反映了其平方关系规律除尘的设备包括重力沉降室、惯性除尘设备、旋风除尘器、静电除尘器，以及湿式除尘设备VOCs的净化方法主要包括冷凝、活性炭吸附、液体吸收、催化燃烧等方法SOx的主要来源与燃煤过程排放的低浓度的含硫烟气，最常用的处理工艺是石灰石的湿法烟气脱硫工艺FGDNOx的主要来源于燃烧过程产生的热力型NOx及瞬时型NOx，所以不同于SOx完全来自于燃料。汽车尾气是城市NOx的主要来源之一。
