大气污染控制工程1

环境工程学 大气污染控制工程 董佳djia2010 课程在培养计划中的作用 大气污染控制工程 是高等院校环境工程专业的主干学科 本科生专业必修课之一 本课程系统地讨论大气污染控制工程的基本知识 大气污染气象学基础知识 大气污染防治技术的基本理论 基本概念 基本原理 主要设备和典型工艺等 培养学生分析和解决大气污染控制工程问题的基本能力 结合课程实验和毕业设计等教学环节 为学生毕业后从事大气污染控制工程设计 技术管理等工作奠定必要的基础 本课程课时安排 第一章概论 第一节大气与大气污染第二节大气污染及其来源第三节大气污染的影响第四节大气污染综合防治第五节环境空气质量控制标准 第一节大气与大气污染 一大气组成 自然状态下的大气由干洁空气 水蒸汽和各种杂质组成 干洁空气 除去水蒸汽和杂质外 主要成分是氮 氧 氩 它们占空气总容积的百分数分别为78 08 20 95 0 93 次要成分有二氧化碳 氖 氦 氪 氙 氢 臭氧等 它们各自的容积百分数见表1 1 当空气中某种物质的含量远大于表1 1中所列物质的含量时 就可认为空气被污染了 如果某物质在该表中完全不存在 那么一经存在就构成污染 注意 一般不把水看作污染物 第一节大气结构及组成 二大气污染的定义 AirPollutionmaybedefinedasanyatmosphericconditioninwhichsubstancesarepresentatconcentrationshighenoughabovetheirnormalambientlevelstoproduceameasurableeffectonman animals vegetation ormaterials 大气污染是指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 并因此而危害到人体的舒适 健康和福利或危害生态环境 包括自然的过程和人为过程 二大气污染 通常是指由于人类活动和自然过引起某种物质进入大气中 呈现出足够的浓度 达到足够的时间 并因此而危害了人体的舒适 健康和福利或危害了环境的现象 化工厂黑烟污染 局部地区污染 地区性污染 广域污染 全球性污染 三 全球性大气污染 温室效应臭氧层破坏酸雨 温室效应 GreenhouseEffect 温室气体与温室效应 能使地球大气增温的微量组分称为温室气体 主要有CO2 CH4 N2O CFC3 氟里昂 等 这些微量气体主要吸收7500 13000nm间的长波辐射 使地球的温度上升 即产生温室效应 研究表明 各种温室气体对全球的温室效应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 进入20世纪以来 这些温室气体在大气中的浓度都有增加 其中CO2的增加是最快的 是造成全球变暖的主要原因 CO2浓度增加的人为原因 化石燃料的燃烧所排放的CO2占排放总量70 森林的毁坏 全球性大气环境问题 化石燃烧 森林毁坏 臭氧层空洞 DepletionoftheOzoneLayer 臭氧层的位置及其作用 在大气圈约20 25km高空的平流层底部 有一个臭氧浓度相对较高的小圈层 即为臭氧层 臭氧含量虽然极其微少 却具有非常强烈的吸收紫外线的功能 特别是吸收了99 来自太阳紫外线中对生物有害的部分 UV B 保护了人类和生物免遭紫外线辐射的伤害 臭氧层损坏原因 人类活动排入大气的某些化学物质与臭氧发生作用 导致了臭氧的损耗 这些物质主要有CH4 N2O CCl4 哈龙 溴氟焕烃 以及氟里昂等 破坏作用最大的为哈龙类物质与氟里昂 科学家研究发现 在对流层相对稳定的氟里昂在上升进入平流层后 在一定的气象条件下 会在强烈的紫外线作用下被分解 分解释放出的氯原子同臭氧发生连锁反应 不断破坏臭氧分子 估计一个氯原子可以破坏数万个臭氧分子 全球性大气环境问题 酸雨 AcidRain 定义 酸雨又称酸沉降 它是指pH值小于5 6的天然降水 湿沉降 和酸性气体及颗粒物的沉降 干沉降 成分 主要是无机酸和有机酸 绝大部分是硫酸和硝酸 形成机理 人为排放的SO2和NOx等气体在大气中经过复杂的物理化学过程生成硫酸和硝酸 形成了酸雨 大体经过以下几个过程 1 SO2的氧化过程 SO2通过催化氧化和光化学氧化两种途径转化为SO3 进而生产硫酸 2 NOx的氧化过程 NOx的氧化过程主要是催化氧化 在空气湿度大并存在金属杂质和NH3的条件下 生成硝酸和硝酸盐 最终形成气溶胶 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内 云内捕集 在云下的酸性污染物在降雨初期被雨水吸收 雨水捕集 进而成为酸性降水 全球性大气环境问题 第二节大气污染物及其来源 大气污染物的种类 气溶胶状态污染物 根据物理性质的不同分 粉尘 dust 烟 fume 飞灰 flyash 黑烟 smoke 雾 fog TSP 100umPM10 10um其他 气态状态污染物 硫氧化物 氮氧化物 碳氧化物 有机化合物 卤素化合物 光化学烟雾 一次污染物二次污染物 如硫酸烟雾 光化学烟雾 按形成过程分 SulfurousSmog PhotochemicalSmog 第二节大气污染 在低雷诺数的气流中与单位密度球具有终末沉降颗粒直径 大气污染物的来源和发生量 自然活动的排放源 人类活动的排放源 生活污染源 工业污染源 交通污染源 我国大气污染状况 我国大气污染物主要来源是燃料燃烧 从全国范围看 我国大气污染仍以煤烟型污染为主 大气污染物主要是烟尘 工业粉尘和SO2 但由于城市机动车数量的剧增 一些大城市的大气污染已呈现出以机动车尾气污染为主的趋势 我国的能源消费结构中 煤炭占73 5 石油和天然气分别占18 6 2 2 与世界平均煤炭占27 石油占39 5 天然气占23 5 的消费结构距离较大 无法预测 无法防止与控制 第二节大气污染 第三节大气污染的影响 一对人体健康的影响 一 污染物侵入人体的三种方式 1表面接触2食入含污染物的食物3吸入被污染的空气 二 影响人体健康的污染物1颗粒物2硫氧化物3一氧化碳4氮氧化物5光化学氧化剂6有机化合物 上呼吸道感染 心脏病 支气管炎 气喘 肺炎 肺气肿 抢夺人体需要的溶解氧 100 10 6 刺激眼鼻 并形成光化学烟雾 北京市的沙尘暴使人举步维艰 二 对植物的伤害 一 毒害植物的气体有 二氧化硫 臭氧 PAN 氟化氢 乙烯 氯化氢 氯 硫化氢和氨 三 对器物和材料的影响 一 受影响的器物金属制品 油漆涂料 皮革制品 纸制品 纺织品 橡胶制品 建筑物 二 损害的方式1沾污性损害2化学性损害 四对大气能见度和气候的影响 一 对能见度的影响1能见度指定方向上仅能用肉眼看见和辨认的最大距离 阴霾天气图 2影响能见度的污染物颗粒污染物和气态污染物3能见度的计算公式Lv 2 6 pdp K 二 对气候的影响 1温室效应2形成酸雨3影响降雨量4影响太阳辐射量 二氧化碳 氮氧化物 硫氧化物 悬浮颗粒物 气溶胶粒子 第四节大气污染综合防治 一 大气污染综合防治的含义为了达到区域环境空气质量控制目标 对多种大气污染控制方案的技术可行性 经济可行性 区域适应性和实施可能性进行最优化选择和评价 从而得出最优的控制技术方案和工程措施 二大气污染综合防治措施 1全面规划 合理布局2严格环境管理3控制大气污染的技术措施4控制污染的经济政策5绿化造林6安装废气净化装置 第五节环境空气质量控制标准 环境空气质量控制标准的种类和作用 大气环境标准为控制和改善大气质量 保护人体健康和生态环境 限制大气环境中的污染物而制订 它包括大气环境质量标准 大气污染物排放标准 大气污染控制技术标准 大气污染警报标准等 大气环境质量标准 Ambientairqualitystandard 空气环境质量标准 GB3095 1996 分为三级 大气污染物排放标准 Emissionstandardofairpollutants 工业 三废 排放试行标准 GBJ4 73 工业企业设计卫生标准 TJ36 79 大气污染物综合排放标准 GB16297 1996 其它标准 锅炉大气 火电厂大气 工业窑炉 水泥厂 炼焦炉 恶臭污染物 轻型汽车排气污染物等排放标准 参见 实用环境工程手册大气污染控制工程手册 第三节大气质量控制标准 3 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 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 污染物排放标准 制定大气污染排放标准的原则 应以大气环境质量标准或卫生标准为依据 综合考虑控制技术的可行性和经济合理性 再结合各地区的地形地物等的差异来确定排放标准按污染扩散规律推算排放标准 以大气环境质量标准或卫生标准为依据 应用污染物在大气中的扩散规律和计算模式推算出不同烟囱高度下的容许排放量 或者根据污染源的排放量 推算出最低烟囱高度 第三节大气质量控制标准 各种行业性大气污染物排放标准 指标体系 最高允许排放浓度 最高允许排放速率 无组织排放浓度 总量控制 标准 总量控制 标准是对整个地区排放污染物总量加以限定的方法 它是根据各个地区环境自净能力 即环境容量 确定出该地区允许污染物排放总量 再按责任分担 计算出各个污染源的允许排放量 这里的 总量 由环境容量确定 但并不是单指环境容量 而是为了满足环境标准计算出来的地区允许排放的容量 我国国家环保局于1991年8月31日颁布的 制定地方大气污染物排放标准的技术方法 GB T13201 91 中 使用控制区排放总量允许限值控制大气污染的方法制定地方大气污染物排放标准 这种方法克服了单纯依靠同一排放标准或大气环境质量标准管理环境的缺点 是制定排放标准的较好的方法 第三节大气质量控制标准 五空气污染指数及报告 一 空气污染指数 API 可吸入颗粒物 二氧化硫 二氧化氮 一氧化碳和臭氧 二 空气污染指数的计算方法 空气范围为50 100 200 分别对应空气质量标准中的一二三级 空气污染指数分级标准 试行 2000年4月27日发布来源 北京市环境保护局主页 空气污染指数分级浓度限值 计算公式 当第k种污染物浓度为时 其分指数为 注 各变量含义参看教材 第一节燃料的性质第二节燃料的燃烧过程第三节烟气体积及污染物排放量计算第四节燃烧过程硫氧化物的形成第五节燃烧过程颗粒物的形成第六节燃烧过程中其他污染物的形成 第二章燃烧与大气污染 本章重点 理论空气量 烟气量 污染物排放量4 颗粒物及硫氧化物的形成机理 第一节 燃料的性质 燃料的定义 指燃烧过程中能放出热量 且经济上可行的物质 燃料的分类 一常规燃料如煤 石油 天然气等 二非常规燃料按其物理状态分为 1 气态燃料 由扩散或混合控制 2 液体燃料 由蒸发过程控制 气态形式燃烧 3 固体燃料 挥发分被蒸馏后以气态燃烧 蒸气控制 留下的固定炭以固态燃烧 扩散控制 几种常规燃料 一 煤1定义 是一种复杂的物质聚集体 主要可燃成分是C H及少量O N S等一起构成的有机聚合物 2性质 煤中有机成分和无机成分的含量因种类 产地不同而异 煤矿 3分类 按基于沉积年代的分类法分为褐煤 烟煤 无烟煤 褐煤 是由泥煤形成的初始煤化物 是煤中等级最低的一类 形成年代最短 呈黑色 褐色 泥土色 象木材结构 特点 水分较高 析出温度低 燃烧热值低 不能制炭 干燥后 C含量60 75 O2含量20 25 烟煤 形成历史较褐煤长 黑色 外形有可见条纹 挥发分20 45 C75 90 成焦性较强 氧含量低 水分及灰分含量不高 适宜工业使用 无烟煤 碳含量最高 煤化时间最长的煤 具有明显的黑色光泽 机械强度高 C含量 93 无机物量 10 着火难 不易自燃 成焦性差 4 煤的组成 煤的组成按测定方法分为工业分析 元素分析两大类 工业分析 水分 灰分 挥发分 固定碳 S含量 热值 元素分析 用化学法测定的去除掉外部水分的主要组分 C H N S O等 5煤中硫的形态 有机硫 CxHySz 硫化铁硫 FeS2 煤中含硫元素硫 S 硫酸盐硫 MeSO4 6煤的成分表示方法 煤的四种百分比基 1 收到基 包括全部水分和灰分的燃料作为100 的成分 ar 2 空气干燥基 以去点外部水分的燃料作为100 的成分 ad 3 干燥基 以去点全部水分作为100 的成分 d 4 干燥无灰基 以去掉全部水分和灰分的燃料作为100 的成分 daf 二 石油 石油是液体燃料的主要来源 原油是天然存在的易流动液体 比重0 78 1 00主要含C H 少量的S N O 此外 含有微量金属 钒 镍 砷 铅 氯等 原油中的硫大部分以有机硫形式存在 形成非碳氢化合物的巨大分子团 其含硫量变化范围较大 一般为0 1 7 三 天然气 组成 一般为CH485 乙烷10 丙烷3 此外还有H2O CO2 N2 He H2S 同体积的天然气热值是同体积煤气的2 5倍 过量存在的惰性气体将降低燃烧热 并增加输送成本 我国天然气储量丰富 据不完全统计 我国天然气总量达到35万亿立方 但开发能力低 天然气在一次能源消耗中只占3 远低于全球的平均水平23 非常规燃料 根据来源 非常规燃料可分为 1城市固体废弃物2商业和工业固体废弃物3农产物及农村废物4水生植物和水生废物5污泥处理厂废物6可燃性工业和采矿废物7天然存在的含碳和含碳氢的资源8合成燃料 非常规染料一般都是指废物的再利用 这既能回收能量又能减轻环境的压力 第二节燃料燃烧过程 一 影响燃烧过程的主要因素1 燃烧过程及燃烧产物2 燃料完全燃烧的条件3 发热量及热损失4 燃烧产生的污染物 1 燃烧过程及燃烧产物燃烧是可燃混合物的快速氧化过程 并伴有能量的释放 同时使燃料的组成元素转化成相应的氧化物 多数化石燃料完全燃烧的产物是CO2 水蒸汽 不完全燃烧过程将产生黑烟 CO和其它部分氧化产物等 若燃料中含S N会生成SO2和NOx 燃烧温度较高时 空气中的部分氮会被氧化成NOx 燃料型NOx 燃料中的N生成量NOx热型NOx 高温时空气中N氧化成NOx 2 燃料完全燃烧的条件燃料完全燃烧的条件是适量的空气 足够的温度 必要的燃烧时间 燃料与空气的充分混合 1 空气条件 按燃烧不同阶段供给相适应的空气量 2 温度条件 只有达到着火温度 才能与氧化合而燃烧 着火温度 在氧存在下可燃质开始燃烧必须达到的最低温度 各种燃料的着火温度见表2 4 3 时间条件 燃料在燃烧室中的停留时间是影响燃烧完全程度的另一基本因素 燃料在高温区的停留时间应超过燃料燃烧所需时间 4 燃烧与空气的混合条件 燃料与空气中氧的充分混合是有效燃烧的基本条件 在大气污染物排放量最低条件下 实现有效燃烧的四个因素 空气与燃料之比 温度 时间 湍流度 三T 二 燃料燃烧的理论空气量 1 理论空气量 Vg0 单位量燃料按燃烧反应方程式完全燃烧所需的空气量称为理论空气量 理论空气量获得 1 可由燃烧反应方程式 2 经验公式 由热值 固体燃料液体燃料气体燃料天然气 式2 17 建立燃烧化学方程式时 假定 1 空气仅由N2和O2组成 其体积比为79 1 20 9 3 78