能源与环境第五讲 酸雨.doc

第五讲 酸雨能源利用与SO2污染纪世纪50年代中期美国科学家勒姆发现酸雨可导致湖泊和土壤酸化，即酸雨可形成灾难，但是此成果未能为世人重视。 50年代初，北欧国家瑞典和挪威渔业减产，原因不明；1959年挪威科学家才揭示元凶是酸雨。欧洲大陆工业排放大量酸性气体，随高空气流飘到北欧，被雨雪冲刷，所形成酸雨使湖泊酸化，导致渔业减产。 酸雨的危害淡水湖泊、河流酸化，水生生物减少甚至绝迹影响土壤特性，贫瘠化破坏森林的生长腐蚀建筑材料及金属结构 使非金属建筑材料（混凝土、砂浆和灰砂砖）表面硬化水泥溶解，出现空洞和裂缝，导致强度降低，从而建筑物损坏。建筑材料变脏， 变黑，影响城市市容质量和城市景观。危害人体健康角膜和呼吸道刺激一 控制酸雨和二氧化硫的紧迫性未被污染的雨雪是中性的，pH近于7；当它为大气中二氧化碳饱和时，略呈酸性（水和二氧化碳结合为碳酸），pH为5.65。pH小于5.65的雨叫酸雨；pH小于5.65的雪叫酸雪；在高空或高山(如峨眉山)上弥漫的雾，pH值小于5.65时叫酸雾。 酸雨率： 一年之内可降若干次雨， 有的是酸雨， 有的不是酸雨， 因此一般称某地区的酸雨率为该地区酸雨次数除以降雨的总次数。其最低值为0%； 最高值为100%。如果有降雪， 当以降雨视之。 有时， 一个降雨过程可能持续几天， 所以酸雨率应以一个降水全过程为单位， 即酸雨率为一年出现酸雨的降水过程次数除以全年降水过程的总次数。酸雨区的定义： 年均降水pH高于5.65， 酸雨率是0-20%，为非酸雨区 pH在5.30-5.60之间， 酸雨率是10-40% ， 为轻酸雨区 pH在5.00-5.30之间， 酸雨率是30-60%，为中度酸雨区 pH在4.70-5.00之间，酸雨率是50-80%，为较重酸雨区 pH小于4.70， 酸雨率是70-100%，为重酸雨区。我国酸雨面积不断扩大，80年代两个酸雨区发展到90年代4个酸雨区，已经占全国面积的40%左右：西南酸雨区（重庆、柳州、贵阳）中南酸雨区（南昌、长沙、黄石）东南沿海酸雨区（厦门、福州）山东半岛酸雨区（青岛、烟台）酸雨成因酸雨：一种复杂的大气化学和大气物理现象。 酸雨中含有多种无机酸和有机酸，绝大部分是硫酸和硝酸，还有少量灰尘。酸雨是工业高度发展出现的副产物，由于人类大量使用煤、石油、天然气等化石燃料，燃烧后产生的硫氧化物或氮氧化物，在大气中经过复杂的化学反应，形成硫酸或硝酸气溶胶，或为云、雨、雪、雾捕捉吸收，降到地面成为酸雨（湿沉降）。高山区由于经常有云雾缭绕，因此酸雨区高山上森林受害最重，常首先成片死亡。形成酸性物质时没有云雨，则酸性物质会以重力沉降等形式逐渐降落在地面上，叫做干性沉降。干性沉降物在地面遇水时复合成酸。酸云和酸雾中的酸性由于没有得到直径大得多的雨滴的稀释，因此它们的酸性要比酸雨强得多酸雨形成的化学反应含有硫的煤燃烧生成二氧化硫 二氧化硫和水作用生成亚硫酸 亚硫酸在空气中可氧化成硫酸氮的氧化物溶于水形成酸 含氮的燃料燃烧生成氮的氧化物；雷雨闪电时，大气中常有少量的二氧化氮产生，闪电时氮气与氧气化合生成一氧化氮，一氧化氮结构上不稳定，空气中氧化成二氧化氮 ，二氧化氮和水作用生成硝酸 其他酸性气体溶于水导致酸雨，例如氟化氢，氟气，氯气等 致酸前体物质SO2自然源微生物、火山、森林火灾、海水飞沫人为源燃料燃烧，化工NOx 自然源闪电、林火、火山，占总量的50 人为源燃烧，机动车，50 天然源1.海洋：海洋雾沫，它们会夹带一些硫酸到空中。2.生物：土壤中某些机体，如动物死尸和植物败叶在细菌作用下可分解某些硫化物，继而转化为二氧化硫。3.火山爆发：喷出大量的二氧化硫气体 。4.森林火灾：雷电和干热引起的森林火灾也是一种天然硫氧化物排放源,因为树木也含有微量硫。 5.闪电：高空雨云闪电，有很强的能量，能使空气中的氮气和氧气部分化合生成一氧化氮,继而在对流层中被氧化为二氧化氮。氮氧化物即为一氧化氮和二氧化氮之和，与空气中的水蒸气反映生成硝酸。 6.细菌分解： 既使是未施过肥的土壤也含有微量的硝酸盐，土壤硝酸盐在土壤细菌的帮助下可分解出一氧化氮，二氧化氮和氮气等气体。 人为源煤、石油和天然气等化石燃料燃烧。煤中含有硫，燃烧过程中生成大量二氧化硫，此外煤燃烧过程中的高温使空气中的氮气和氧气化合为一氧化氮，继而转化为二氧化氮，造成酸雨。工业过程金属冶炼：某些有色金属的矿石是硫化物，如铜、铅、锌, 将铜、铅、锌硫化物矿石还原为金属过程中将逸出大量二氧化硫气体，部分回收为硫酸, 部分进入大气。化工生产，特别是硫酸生产和硝酸生产可分别产生可观量二氧化硫和二氧化氮。石油炼制等,也能产生一定量的二氧化硫和二氧化氮。交通运输 如汽车尾气，在发动机内，活塞频繁打出火花, 氮气变成二氧化氮。不同的车型,尾气中氮氧化物的浓度不同，机械性能较差的或使用寿命已较长的发动机尾气中的氮氧化物浓度要高。 汽车停在十字路口,不息火等待通过时，要比正常行车尾气中的氮氧化物浓度要高。近年来,我国各种汽车数量猛增，它的尾气对酸雨的贡献正在逐年上升,不能掉以轻心。酸雨的影响因素1.酸性污染物的排放及转换条件。 某地SO2污染越严重，降水中硫酸根离子浓度就越高，导致pH值越低。 2.大气中的氨 氨是大气中唯一的常见气态碱。由于其水溶性，能与酸性气溶胶或雨水中的酸反应，起中和作用而降低酸度。 大气中氨的来源主要是有机物的分解和农田施用的氮肥的挥发。土壤的氨的挥发量随着土壤pH值的上升而增大。京津地区土壤pH值为7-8以上，而重庆、贵阳地区则一般为5-6，这是大气氨水平北高南低的重要原因之一。土壤偏酸性的地方，风沙扬尘的缓冲能力低。这两个因素合在一起，可以解释中国酸雨多发生在南方的分布状况。 3.颗粒物酸度及其缓冲能力 颗粒物来源复杂，主要有煤尘和风沙扬尘。后者在北方约占一半，在南方估计约占三分之一。 颗粒物对酸雨的形成有两方面的作用，一是所含的催化金属促使SO2氧化成酸；二是对酸起中和作用。但如果颗粒物本身是酸性的，就不能起中和作用，而且还会成为酸的来源之一。4.天气形势的影响 如果气象条件和地形有利于污染物的扩散，则大气中污染物浓度降低，酸雨就减弱，反之则加重（如逆温现象）。 天气形势：各种原因出现的逆温，会使污染物长时间积累在逆温层中不能扩散。地理形势的差异：局地环流 海陆风 循环、往返、逆温阻碍扩散 城郊风 城市热岛效应、市区大气污染加剧 山谷风 谷风和山风的转换、逆温 酸雨频率不断增加，酸度不断提高。柳州十雨九酸平均酸度4.0，长沙5年平均酸度3.5酸雨的发展速度超过国外酸雨发展最严重时期，广州降雨酸度5年降低1个pH酸雨和二氧化硫造成损失在1100亿元年（1995）占当年国民生产总值2我国酸雨中的成酸物质主要来源于燃煤；酸雨频率分布与二氧化硫产地分布一致；硫酸根：硝酸根：有机酸=84：10：6酸雨发生区也是高硫煤使用区我国酸雨明显以城市局地污染贡献为主；城市污染郊区乡村雨水中硫酸根含量也是：城市污染郊区乡村三. 减少SO2排放，控制酸雨的主要措施1. 开发新能源，如太阳能，风能，核能，可燃冰等，目前技术 还不够成熟。2. 原煤脱硫技术，可以除去燃煤中大约40%一60%的无机硫。 3. 优先使用低硫燃料，如含硫较低的低硫煤和天然气等。 4. 改进燃煤技术，减少燃煤过程中二氧化硫和氮氧化物的排放量。例如，液态化燃煤技术是受到各国欢迎的新技术之一。它主要是利用加进石灰石和白云石，与二氧化硫发生反应，生成硫酸钙随灰渣排出。 5. 对煤燃烧后形成的烟气在排放到大气中之前进行烟气脱硫。目前主要用石灰法，可以除去烟气中85%一90%的二氧化硫气体。不过，脱硫效果虽好但十分费钱。例如，在火力发电厂安装烟气脱硫装置的费用，要达电厂总投资的25%之多。这也是治理酸雨的主要困难之一。 防治技术政策-烟气脱硫（国家环保局、国家经贸委、科技部，2002/01）电厂锅炉适用烟气脱硫的范围：新、扩、改建电厂已建电厂未达标，又有10年以上残余寿命电厂锅炉脱硫技术路线大容量机组或2%含硫量燃煤锅炉，有限使用石灰石/石膏湿法，脱硫率和投运率大于90，95%；中小电厂或老机组宜采用半干法、干法或其他费用较低的的成熟路线，脱硫率和投运率大于75，95%；火电厂应配备连续监测装置，和环保管理信息系统联系起来；各地应积极扶持电厂脱硫示范工程。脱硫技术简介燃烧前脱硫燃烧前脱硫就是在煤燃烧前把煤中的硫分脱除掉。燃烧前脱硫技术主要有：物理洗选煤法、化学洗选煤法、煤的气化和液化等炉内脱硫烟气脱硫炉内脱硫：是在燃烧过程中向炉内加入固硫剂如CaCO3等，使煤中硫分转化成硫酸盐随炉渣排除。其基本原理是：CaCO3=CaO CO2CaO SO2 =CaSO32Ca