第三讲大气污染与控制工程 自我整理 精华版.docx
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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(theentiremassofairwhichsurroundstheEarth)。
环境空气(ambientair):
是指人类、植物、动物和建筑物暴露于其中的室外空气(outdoorairtowhichpeople,plants,animalsandstructuresareexposed)
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10~15m3(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
几类典型的大气污染4种
①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。
②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
③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
④沙尘暴
沙尘暴是一种风与沙相互作用的灾害性天气现象,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(Ambientair)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
AmbientairqualitystandardGB3095-1996(代替GB3095-82)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:
①适用于城市地区;
②适用于牧业区和以牧业为主的半农半牧区,蚕桑区;
③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(HumanHealth)
2、物品财产(Properties)
3、能见度(Visibility)
4、全球气候(GlobalClimate:
GlobalWarmingStratosphericOzoneDepletion平流层臭氧枯竭)
1、人体健康(HumanHealth)
BiologicalMechanism
Animalexperiment
Laboratoryexperimentswithhumans
Epidemiological(流行医学病)studiesofhumanpopulations
2、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
严重腐蚀建筑物
建筑物的毁坏
3、能见度(Visibility)
Particlesbetweenusandthescenescattersunlight(ormoonlightor
streetlight)towardus,whichpreventusfromseeingdistantscenes
clearly.
Thelongerdistance,themoreparticlesbetweenusandthescene,
thelessclearly
4、全球气候(GlobalClimateI:
GlobalWarming)
全球变暖/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(1980-1990)
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2-4摄氏度,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2—7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3-6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“LaNina”-“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(GlobalClimateII:
Stratosphericozonedepletion)
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%,皮肤癌患者增加4%-6%,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2/3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,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10km-16km
稳定的气体组成
强流的对流与湍流
稳定降低分布6.5℃/km
50-100m,人类活动区域及污染物
l-2km以下,边界层或摩擦层
lkm-2km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,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)(km/h)
F-风力级(0~12级)
大气稳定度及气团垂直运动模型
逆温(Temperatureinversion)
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(Mixingheight)
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
theGaussianplumeidea(高斯烟羽模型)
四、颗粒污染物及除尘工艺
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-deflatebaghouse(震动反吹清灰袋式除尘器)
pulse-jetbaghouse(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)
Fluegasdesulfurization(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15-35km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FGD
NOx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。
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