大气污染考试范围.doc

1、Whats the air pollution?The presence of undesirable materials in the air, in quantities large enough to produce harmful effects. 由于人类活动或自然过程引起某些物质进入大气中，呈现出足够的浓度，达到足够的时间，并因此危害了人体的舒适、健康和福利或环境污染的现象 (ISO)1.1 Definition大气能使太阳短波辐射到达地面，但地表向外放出的长波热辐射线却被大气吸收，使地表与低层大气温度增高，其作用类似于栽培农作物的温室，故名温室效应 光化学烟雾形成过程形成条件与产物污染物浓度日变化曲线（1）白天生成，傍晚消失（2）NO 和CH最大值发生在早晨交通繁忙时（3）随太阳辐射增强，二次污染物 浓度迅速增大，中午达较高浓度1.2 SourcesAnthropogenic sourcesTransportationElectric power generationIndustrial processesIndustrial and domestic fuel burningRefuse burningEtc.Natural sourcesGeological: volcano,ocean Meteorological: lightningVegetationsEtc.1.3 Types of anthropogenic sources2、Air Pollutants2.1 Definition The undesirable materials that are emitted into the air and produce harmful effects. 由于人类活动或自然过程排入大气并对人和环境产生有害影响的物质。2.2 Classification1) aerosol pollutants (气溶胶状态污染物)Gaseous suspension of fine solid or liquid particles2) gaseous pollutants (气态污染物)Pollutants existing as gases1) Aerosol Pollutants(Particulate Pollutants)Usually produced in mechanical , combustion, condensation, or evaporation processes.雾(fog)：悬浮于空气中的微小水滴或冰晶组成的气溶胶系统霾( dust-haze)：空气中灰尘、硫酸、硝酸、有机碳氢化合物等粒子组成的气溶胶系统2) Gaseous Pollutants Sulfur oxides(SOx): SO2, SO3 Nitrogen oxides(NOx): NO2 Thermal Nox (热力型氮氧化物) Prompt NOx (瞬时型氮氧化物) Fuel NOx (燃料型氮氧化物) Carbon oxides:CO, CO2 Organic compounds: VOCs, PAH Greenhouse gases: CO2, H2O,N2O, CH4, O3, CFCsPrimary pollutants（一次污染物）Secondary pollutants（二次污染物）3、 History of Air Pollution Control3.1 Brief history of air pollution control in the world1.1 Before 1945 Controlling large-factory emissions of pollutants1.2 Between 1945 and 1979 Awareness increased, local efforts were initiated the National Environmental Policy Act and the Clean Air Act passed1.3 From 1980s to now Global air pollution 3.2 Brief history of air pollution control in PRC2.1 From 1973 to 1981: single-source treatment2.2 From 1982 to 1991: downstream treatment2.3 From 1992 to now: control at source, cleaner productionFirst: process change (cleaner production)Second: downstream control devicesFinally: dispersion1-2 Air Pollution Control Laws and regulations1、U.S.A Air Pollution Control Laws and Regulations2. 中华人民共和国大气污染防治法 (Law of the Peoples Republic of China on the Prevention and Control of Atmospheric Pollution)1987年9月5日由第六届全国人大常委会第22次会议通过，1988年6月1日起执行1995年8月29日，第八届全国人大常委会第15次会议对该法进行了修订2000年对该法再次修订2009年开始第三次修订1995年8月29日修改后的大气污染防治法，在控制大气污染，改善大气环境质量方面起到了积极的作用：强化了酸雨和二氧化硫污染控制推动了煤炭的清洁利用加快了淘汰严重污染大气的落后工艺和设备的步伐开始生产和使用无铅汽油法规实施后，一些地区依法强化环境管理，大气环境质量确实得到了改善 但未能有效地遏制大气环境质量的恶化： 大气污染形势仍然十分严峻，大多数城市还处于比较严重的污染程度；缺少推动煤炭清洁利用的法律措施，燃煤污染仍然没有得到有效遏制；大中城市机动车排气污染正在迅速增加；大多数城市扬尘污染突出；大气污染物排放总量居高不下，缺少有效的法律措施；现行法律的法律责任部分内容偏少，力度不够。 2000年第二次修订的指导思想面对现实，对我国以煤为主的能源结构短期难以改变的现状以及经济条件给予了充分考虑；针对要害，主要是针对燃煤、机动车、扬尘等造成的大气污染；抓住重点，主要是抓住重点城市、重点区域；在禁止超标排放、按排污量收费，以及总量控制和排污许可证方面取得了重大突破；强化法律责任，加强执法监督。大气污染防治法Law of the Peoples Republic of China on the Prevention and Control of Atmospheric Pollution 第一章总则第二章大气污染防治的监督管理第三章防治燃煤产生的大气污染第四章防治机动车船排放污染第五章防治废气、尘和恶臭污染第六章法律责任第七章附则3、Principal Air Protection Standards in China3.1 Classification (1) Air quality standards(2) Emission standards(3) Monitoring standards(4) Others related3.2 Ambient Air Quality Standard (GB3095-1996)3.2 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3.3 Emission Standards of Air Pollutants Integrated Emission Standard of Air Pollutants (大气污染物综合排放标准GB16297-1996) Fixed and Moving Sources Emission Standards of Air Pollutants 3.4 Hygienic Standards for the Design of Industrial Enterprises (工业企业设计卫生标准) Hygienic standards for the Design of Industrial Enterprises(工业企业设计卫生标准GBZ1-2002)Occupational Exposure Limit for Hazardous Agents in the Workplace(工作场所有害因素职业接触限值GBZ2-2002) 2 Combustion and Air Pollution 2-1 Fuels Combustion Processes 2-2 Gas Volume and Pollutants Composition 2-3 Fuels 2-1 Fuels Combustion Processes 1、What burns?(1) Most combustion reactions are of the form:(2) Combustion means reaction with oxygen.(3) Some other substances also will burn.(4) At least 99% of combustion is some form of conversion of carbon and hydrogen to carbon dioxide and water.2、Heat of Combustion(1) The higher heating value (高位发热量，qH)(2) The lower heating value (低位发热量，qL)q: water latent heat of condensation3、Explosive Limit(1) Lower Explosive Limit (爆炸下限，LEL)(2) Upper Explosive Limit (爆炸上限，UEL) (3) air/fuel ratio (空燃比，AF)4、Mixing in Combustion Reactions5、TemperatureOnly when the temperature is higher than the ignition point of the fuel can it be burned.6、Combustion Time7、Conditions of Complete Combustion (3T-温度、湍流度、时间)Appropriate AF; Temperature high enough;Enough Turbulence; Enough time for combustion 2-2 Gas Volume and Pollutants CompositionHypothesis: (1) Air only consists of 21% oxygen and 79% nitrogen.(2) Oxygen contained in fuels is utilized for combustion.(3) Sulfur contained in fuels is oxidized into sulfur dioxide.(4) Nitrogen contained in fuels is converted into N2 in process of combustion. A General Case1. The stoichiometric oxygen demand (理论需氧量)2. The stoichiometric dry air demand (理论干空气量)3. The stoichiometric value of dry fuel gas (理论干烟气量)4. The stoichiometric value of fuel gas (理论烟气量)*5. The moisture is x( mol H2O/mol dry air), the excess air is E(%)，thenExample某燃烧装置采用重油作燃料,重油成分分析结果如下(按质量): C 88.3%;H 9.5%; S 1.6%; H2O 0.05%; 灰分 0.10%.若燃料中硫全部转化为SOx(其中SO2占97%). 试计算: (1)确定燃烧1kg 重油所需要的理论空气量; (2)空气过剩系数 = 1.20时烟气中SO2及SO3的浓度,以10-6表示; (3)计算此时干烟气中CO2的含量,以体积百分比表示.解：(1) 燃烧1kg重油需要的理论空气量 重 量 (g) 摩尔数 (mol) 需氧数 (mol) C 883 73.58 73.58 H 95 47.5 23.75 S 16 0.5 0.5 H2O 0.5 0.0278 0由(1)知理论空气量条件下烟气组成 (以mol计) 为: CO2: 73.58; H2O: 47.5+0.0278; SOx: 0.5; N2: 97.83 3.76 则理论烟气量为: 73.58 + (47.5 + 0.0278) + 0.5 + 97.83 3.76 = 489.4（mol/kg 重油）即:489.4 22.4 / 1000 = 11.0 （mN3/kg 重油） 所以 = 1.20时, 实际烟气量为: 11.0 + 10.4 0.2 = 13.1 （mN3/kg 重油）烟气中SO2的体积为: 0.5 0.97 22.4 / 1000 = 0.0109（mN3/kg 重油） SO3的体积为: 0.5 0.03 22.4 / 1000 = 3.36 10-4（mN3/kg 重油）则烟气中SO2及SO3的浓度分别为:so2 = 0.0109 / 13.1 = 832 10-6 = 832 ppmso3 = 3.36 / 13.1 = 25.75 10-6 = 25.75 ppm(2) = 1.20时烟气中SO2及SO3的浓度 (3)干烟气中CO2的含量 = 1.20时,干烟气量为: 489.4- (47.5 + 0.0278) 22.4/1000 + 10.4 0.2 = 12.0 mN3 CO2的体积为: 73.58 22.4 / 1000 = 1.6 mN3/kg重油所以干烟气中CO2的含量以体积计为: 1.6 / 12.0 100 = 13.33%小结：当空气过剩系数为 ( =1+E )时所需空气量为：所产生的烟气量为： 2-3 FuelsClassification固体燃料 木柴、煤、油页岩 木炭、焦炭、煤粉等 液体燃料 石油 汽油、煤油、柴油、重油 气体燃料 天然气 高炉煤气、发生炉煤气、焦炉煤气 一、Natural GasAbout 85% of methane(CH4), 10% of ethane(C2H6), 3% of propane(C3H8) and other substances.二、Liquid Fuels mostly based on petroleum1, Principal Petroleum FuelsLPG (liquefied petroleum gas)液化石油气Gasoline 汽油Kerosine 煤油Diesel fuel and light fuel oil 柴油和轻质燃油Heavy fuel oil 重油Residuals 残渣油petroleumA thick, flammable, yellow-to-black mixture of gaseous, liquid, and solid hydrocarbons that occurs naturally beneath the earths surface, can be separated into fractions including natural gas, gasoline, naphtha, kerosene, fuel and lubricating oils, paraffin wax, and asphalt and is used as raw material for a wide variety of derivative products. 石油一种粘稠易燃的、颜色从黄到黑的汽体、液体和固态碳氢化合物的混合物，天然存在于地表之下，可以分离成多种成份，包括天然气、汽油、挥发油、煤油、燃料和润滑油、石蜡和沥青，作为原材料广泛地用于各种各样衍生产品中2, Properties of Fuel Oils(1) Specific gravity (比重)With the increasing of hydrogen content, the specific gravity decreases, and the heat value increases(2) Flashpoint (闪点)(3) Viscosity(黏度)With the increasing average molecular weight of fuel oils, the viscosity increases.3, Sulfur Content usually existing in form of organic sulfur三、Solid Fuels1, Classification of CoalsPeat:Partially carbonized vegetable matter, usually mosses, found in bogs and used as fertilizer and fuel. 泥炭，泥煤部分碳化的植物物质，通常指苔藓，见于潮湿地区，用作肥料和燃料Lignite:A soft, brownish-black coal in which the alteration of vegetable matter has proceeded further than in peat but not as far as in bituminous coal. 褐煤一种褐色软质煤，植物性物质的变化程度比泥煤重但比烟煤轻Bituminous coal:A mineral coal with a high percentage of volatile matter that burns with a smoky yellow flame. 烟煤高度百分比的一种煤矿，燃烧时呈烟状黄色火苗的挥发性物质Anthracite:A dense, shiny coal that has a high carbon content and little volatile matter and burns with a clean flame. 无烟煤一种很亮的高密度煤，含炭量高，挥发性物质少，燃料时火焰纯净2, Composition of CoalC, H, O, N, S, ash, moisture content, volatile materials,.etc(1) Carbon (C): in form of organic compounds Oxygen (O): in form of dissociated(游离态) or fixed oxygen Nitrogen (N): organic nitrogen or inorganic nitrogen Sulfur (S): elemental sulfur iron sulfide(硫化铁)-pyrite(黄铁矿) organic sulfur sulfate- incombustible, to form the ashSulfur coal: S2%Low-sulfur content coal: S1%Medium-sulfur content coal: 1%S流体介质密度,且密度单位均为g/cm3时：5、分割直径（Critical Diameter, dc） 定义：某除尘器能捕集一半的粒子的直径。一、单一粒径二、平均粒径（mean particle size）安德列耶夫定义：对于一个由粒径大小不同的粒子组成的实际粒子群，以及一个由均匀的球形（或正立方体）粒子组成的假想粒子群，如果它们具有相同的某一物理性质的话，则称此球形粒子的直径（或正立方体的边长）为实际粒子群的平均粒径。粒径名称表达式长度平均粒径表面积平均粒径体积平均粒径表面积-体积平均粒径几何平均直径三、粒径分布（particle size distribution）1、定义：指某一粒子群中，不同粒径的粒子所占的比例。个数分布：以（不同粒径）粒子的个数所占的比例表示质量分布：以（不同粒径）粒子的质量所占的比例表示2、表示方法：表格法、图形法、函数fa图形法 函数法 (1)正态分布（或Gauss分布） 正态分布函数 (2)对数正态分布,对数正态分布函数： 对数正态分布曲线及特征数估计,正态分布曲线及特征数估计 (1)频率分布：粒径在dp至dp+dp之间的粉尘个数（或质量）占粉尘试样总个数（或总质量）的百分数。(2) 筛下累积频率分布：指小于某一粒径dp 的所有粉尘的个数（或质量）占粉尘试样总个数（或总质量）的百分数。(3) 频率密度分布：指单位粒径间隔宽度（1m ）时的频率项目名称个数分布表达式质量分布表达式频率分布众径：频度最大时对应的粒径中位径：筛下累积频率为0.5时对应的粒径3、分布类型：频率分布、频度分布、累积分布四、粉尘粒径分布的测定方法 1.显微镜法：用放大率450600倍的显微镜之下，对尘粒逐个测量。 2.筛分法：取100g尘样为标准，通过一套筛子进行筛分，按不同孔组上残留率进行计算，找出占总质量的百分数。四、粉尘粒径分布的测定方法3.液体沉降法： 根据不同大小颗粒在液体介质中的沉降速度各不相同这一原理而得出的。 4.气体沉降法：使尘粒在气体介质中进行沉降的测定方法。离心分级机带有一套节流片，可以改变分级机的风量。调节风量可以逐级吹出粉尘，使粉尘由细到粗逐渐分级。两次分级室内残留的粉尘质量差就是对应的尘粒粒径间隔之间的粉尘质量。 计算粒径分布。 3-2 Physical Properties of Particulates密度、堆积角与滑动角、比表面积、润湿性、导电性、黏附性、自燃性与爆炸性1、密度（density）真密度（real density,p）：以粉尘自身真实体积求得的密度堆积密度（bulk density, b）：以粉尘堆积体积求得的密度b = (1-) p 2、堆积角与滑动角（angle of repose and slide angle） 堆积角（安息角,angle of repose,）: 35 550 滑动角（slide angle）： 40 550意义：评价粉尘流动性的重要指标，设计除尘器灰斗的锥度、管路倾斜度的重要依据 3、比表面积（specific surface area）定义：单位体积（或质量）粉尘所具有的表面积unit：m2/m3 or m/kg粉尘比表面积增大会增大其物理、化学活性。除尘技术中，同一类粉尘中，比表面积大的比小的难捕捉。比表面积也影响粉尘的黏附性和润湿性。4、润湿性（water affinity）（1）含义：尘粒能否与液体相互附着或附着难易的性质。（2）分类：亲水性粉尘易被水润, 疏水性粉尘难被水润湿（3）评价指标：润湿角，润湿速度（v20）（4）应用粉尘润湿是选择湿式除尘器的主要依据。但水硬性粉尘易使除尘装置和管路结垢而堵塞，故不宜采用湿法除尘。5、导电性（electrical conductivity） 常用比电阻（specific resistance, d ）表示（1）比电阻含义：指自然堆积的断面积为1.0cm2、高为1.0cm 的粉尘圆柱，沿其高度方向测得的电阻值。（2）粉尘导电机制容积导电：高温下，粉尘主要靠自身 的电子、离子进行导电表面导电：低温下，粉尘主要靠表面 吸附的水分和其他化学物 质中的离子进行导电（3）适于电除尘器捕集的粉尘的 比电阻范围：1041010.cm 6、黏附性（adhesive ability）(1) 黏附：尘粒附着在固体表面或尘粒彼此相互附着的现象。(2) 黏附力：附着的强度，即克服附着现象所需要的力。(3) 黏附力的来源：分子力（范德华力），毛细力，静电力(4) 意义：保证尘粒能够被捕集，但易造成管路、设备堵塞。7、自燃性与爆炸性（pyrophorisity and explosibility ）(1) 自燃的热源：氧化热、分解热、聚合热、发酵热(2) 爆炸浓度限值 LEL(爆炸浓度下限) UEL(爆炸浓度上限) 3-3 Performance of Control Devices一、Technology Factors1，处理气体量（the Volumetric Flow Rate, Q, m3/h）2，净化效率（the Control Efficiency, ） collecting efficiency: dust collectors absorbing efficiency: absorbing devices adsorbing efficiency: adsorbing devices3，压力损失（Pressure Drop, P ）一般与净化装置进口气流动压成正比二、Control Efficiency（净化效率 ）1，总效率（Overall Efficiency, ）2，通过率（Penetration, P）3，串联装置的净化效率（Efficiency of Control Devices in Series）Example: The four collectors in series is used.Each of the collector has an efficiency of 93%.Whats the overall efficiency of the group of four in series?Whats the penetration of the series of collectors?Conclusion: overall = 1-(1- 1) (1- 2)(1- n)Poverall =P1 P2 P3P4 Pn4，分级效率(Grade Efficiency, i )（1）含义;除尘装置对某一粒径dp或粒径间隔dp内粉尘的除尘效率。（2）计算Ci: 粒径为dpi的粉尘浓度（g/m N 3）Q: 气体流量（ m N 3 /s）Si: 粒径为dpi的粉尘流量（g/s）（3） i 与 之间的关系 3-4 Theories of Particulates Collection粉尘受力: 外力(gravity, centrifugal forces, electrostatic forces,.)流体阻力(drag forces)相互作用力(omitted)一、流体阻力 (drag force, FD)3、阻力系数（drag coefficient, CD）是颗粒雷诺数Rep（Reynolds number of a particle）的函数。（1）Rep 1，层流区对球形颗粒： Stokes Law（2）1Rep500，湍流过渡区 Bird Formular Allen Formular4、滑动修正系数（Cunningham Correction Factor，C）颗粒尺寸与气体平均自由程接近时，颗粒发生滑动坎宁汉修正戴维斯（Davis）公式说明：戴维斯公式对温度 四、离心沉降条件：球形颗粒只受流体阻力和离心力作用受力平衡时斯托克区域颗粒的终末沉降速度离心加速度 五、静电沉降条件：在强电场中，球形颗粒只受流体阻力和静电力作用受力平衡时斯托克区域颗粒的终末沉降速度（常称趋进速度， ）六、惯性沉降颗粒接近靶时的运动情况惯性碰撞、拦截两种除尘机制,气流速度在靶周围的分布，用ReD衡量,颗粒运动轨迹，用惯性碰撞参数描述,颗粒对捕集体的附着，通常假定为100,惯性碰撞的捕集效率取决于三个因素拦截直接拦截发生在颗粒距捕集体dp/2的距离内,拦截效率用直接拦截比R表示,对于惯性大颗粒七、扩散沉降布朗扩散作用对于小粒子的捕集影响较大小颗粒的扩散类似于气体分子的扩散对于大颗粒的捕集主要靠惯性碰撞对于很小的颗粒，主要靠扩散沉降在两种作用均无效的粒径范围内，捕集效率最低Particle Size and Size Distribution 单一粒径、平均粒径、粒径分布、分布类型Physical Properties of Particulates 密度、堆积角与滑动角、润湿性、导电性等 performance of Control Devices 气体处理量、压力损失、净化效率Theories of Particulates CollectionSummary第六章 除尘装置 机械除尘器电除尘器湿式除尘器过滤式除尘器除尘器的选择与发展除尘装置从气体中除去或收集固态或液态粒子的设备称为除尘装置。湿式除尘装置 干式除尘装置 按分离原理分类 ：重力除尘装置（机械式除尘装置） 惯性力除尘装置（机械式除尘装置）离心力除尘装置（机械式除尘装置）洗涤式除尘装置（湿式除尘装置 ）过滤式除尘装置电除尘装置声波除尘装置 第一节 机械除尘器机械除尘器通常指利用质量力（重力、惯性力和离心力）的作用使颗粒物与气体分离的装置，常用的有：重力沉降室惯性除尘器旋风除尘器1、重力沉降室重力沉降室是通过重力作用使尘粒从气流中沉降分离的除尘装置。 气流进入重力沉降室后，流动截面积扩大，流速降低，较重颗粒在重力作用下缓慢向灰斗沉降；层流式和湍流式两种 。重力沉降室特点重力沉降室的优点：结构简单；投资少；压力损失小（