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大气污染与控制工程 环境工程导论 内容 一 大气污染概述二 环境空气质量标准三 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及脱氮工艺八 CO2减排措施 一 大气污染概述 一 为什么要进行大气污染控制人体健康与大气的关系人一刻也离不开空气人的需要量每天需要的食物约1 5kg每天需要的空气约15kg人的极限耐力断食 断水5天可以生存断绝空气5分钟死亡获取较洁净的空气比获取较洁净的水就要难得多 二 基本概念1 大气 atmosphere 是指环绕地球的全部空气的总和 2 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 3 大气污染 airpollution 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 一 大气污染概述 一 大气污染概述 三 大气污染类型 煤烟型污染指由于煤燃烧过程中排放的各种污染物而造成的污染 氧化型污染指由于机动车尾气排放和燃油锅炉的排气中含有的氮氧化物和碳氢化合物 造成的二次污染 混合型 复合型污染指由于燃煤和燃油过程中产生的污染物互相结合在一起 经过化学反应产生的一种的污染 一 大气污染概述 四 大气污染物种类一 气溶胶状态污染物1 粉尘是指悬浮于气体介质中的小固体颗粒 受重力作用可发生沉降 但在一定的时间内能保持悬浮状态 2 烟尘是燃料和其它物质燃烧的产物 3 雾是气体中液滴悬浮体的总称 目前 关注的是PM10和PM2 5 总悬浮颗粒物 TotalSupendedParticulates 简称TSP 是指悬浮于空气中 空气动力学当量直径 100 m的所有固体颗粒物 包括可吸入颗粒物和可入肺颗粒 可吸入颗粒物 ParticleswithDiametersof10 morLess 简称PM10 是指悬浮在空气中 空气动力学当量直径 10 m 通过呼吸系统可以吸入人体的颗粒 可入肺颗粒 PM2 5 是指悬浮在空气中 空气动力学当量直径 2 5 m 能够进入人体肺泡的颗粒 一 大气污染概况 四 大气污染物种类二 气体状态污染物1 一次污染物 从污染源直接排入空气中的原始污染物 2 二次污染物 一次污染物进入空气后 经过一系列化学或光化学反应生成的与一次污染物性质不同的新污染物质 一 大气污染概述 五 大气污染源类型1 按人们的社会活动功能分类 生活污染源 工业污染源 交通污染源2 按污染源的几何形态分类 点污染源 面污染源 线污染源 一 大气污染概述 六 大气污染危害1 颗粒物对人体健康的影响飘尘对人体的危害作用 PM10 PM2 5 2 气体状态污染物对人体健康的影响 具有很强的刺激性的SO2气体 NOX的毒性 O3的刺激性作用 挥发性有机化合物 VOCs 中的有毒有害3 对城市环境中的植物 器物和材料的损失4 能见度降低 一 大气污染概述 七 几个典型的大气污染现象一 酸雨是指pH 5 6的酸性降雨 现在泛指酸性物质以湿沉降或干沉降的形式从大气转移到地面上 酸雨的危害1 酸雨使植物淋失2 酸雨使土壤淋失3 酸雨对生物的影响4 酸雨对建筑材料和金属结构的腐蚀5 影响人体健康 一 大气污染概述 七 几个典型的大气污染现象二 温室效应地球大气层上的一种物理特性 图 第一章环境污染防治 三温室气体种类及危害1 种类 CO2 CH4 N2O SF6 氟利昂 NF3等2 温室气体危害 地球上的病虫害增加 海平面上升 气候反常 海洋风暴增多 土地干旱 沙漠化面积增大 3 温室气体减排基本方法1 国际间的合作 2 对CO2 基本对策是能源对策 主要有 自然能源 低碳能源 核能 节能 CO2固定 3 对N2O及CH4 在进行工业排放时进行抑制 4 对HFC PFC 基本对策是防止泄漏 回收再利用代替 图温室效应气体使气温上升所占比例 第二篇实施可持续发展战略的途径 一 大气污染概述 七 几个典型的大气污染现象三 臭氧层破坏 臭氧层 图 臭氧空洞指的是因空气污染物质 特别是氟化氮和卤化代烃类等气溶胶污染物的扩散 侵蚀而造成大气臭氧层被破坏和减少的现象 臭氧层破坏物质是破坏平流层臭氧层物质的总称 这些物质有氟利昂 灭火剂 洗涤剂 CCl4以及甲基溴等 一 大气污染概述 七 几个典型的大气污染现象三 臭氧层破坏 臭氧层破坏的后果1 对人体健康的影响 2 对陆生植物的影响3 对水生生态系统的影响 4 对生物地球化学循环的影响5 对城市空气质量和建筑材料的影响 臭氧层保护对策1 国际间的合作 2 对臭氧层破坏物质 用替代品取代臭氧层破坏物质 设备取代方法 抑制排放方法 二 环境空气质量标准 一 基本概念1 环境空气质量标准以保障人体健康和一定的生态环境为目标 对大气环境中各种污染物的含量所作的限制规定 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 2 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 分为国家标准 地方标准和行业标准 二 环境空气质量标准 一 基本概念3 大气污染控制技术标准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 目的是使生产 设计和管理人员容易掌握和执行 4 大气污染警报标准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 二 环境空气质量标准 二 环境空气质量功能区分类1 一类区 自然保护区 风景名胜区和其它需特殊保护的地区 2 二类区 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 环境空气质量标准分级1 一类区执行一级标2 二类区执行二级标准3 新的 环境空气质量标准 GB30952012 GB3095 2012 环境空气质量指数 看表情知天气 三 大气污染气象学及大气污染模型 一 大气圈层与气象要素1 大气圈层 图 按大气温度的垂直结构 大气圈分为 a 对流层 表 b 平流层c 中间层 d 热层 e 逃逸层2 主要气象要素 气象要素 表示大气状态的物理量和物理现象 种类 气温 气压 气湿 风向 风速 云况和能见度 对流层的主要特征 1 集中整个大气质量的3 4和几乎全部水蒸气 2 大气温度随高度的增加而降低 3 空气具有强烈的对流运动 4 温度和湿度的水平分布不均匀 二 气象的动力因子风和湍流1 风 空气的水平运动1 风向a 风向频率和主导风向b 风玫瑰图 c 污染系数 d 最多风向 2 风速 平均风速 最大风速 各级风速出现的频率2 湍流 无规则阵性搅动的气流 三 大气污染气象学及大气污染模型 图3 1风向的十六方位图 风向和风速 风玫瑰图 风速 m s 某地区1998年的风玫瑰图 同心圆表示风的频率 例如 吹南风的频率约为11 其中风速大于10 82m s的频率约为1 风速在3 35 5 41m s的频率为3 5左右 三 气象的热力因子温度层结与逆温 大气稳定度 温度层结与逆温1 干绝热直减率 d和气温垂直递减率 A 干绝热直减率 d干空气快 包括未饱和的湿空气 绝热上升或下降单位高度时 温度降低或升高的数值 B 气温垂直递减率 气温随高度的变化 三 大气污染气象学及大气污染模型 三 气象的热力因子温度层结与逆温 大气稳定度 温度层结与逆温2 温度层结气温垂直分布一般有四种情况 气温随高度的增加而降低 此时 0 d 气温基本上不随高度变化 此时 0 等温层结 气温随高度增加而上升 此时 0 气温垂直递减率接近于1K 100m 即 d 中性层结 三 大气污染气象学及大气污染模型 三 气象的热力因子温度层结与逆温 大气稳定度 温度层结与逆温2 逆温近地层空气温度随高度的增加而上升的一种现象 逆温类型辐射逆温 如图 平流逆温下沉逆温 如图 锋面逆温 如图 三 大气污染气象学及大气污染模型 三 大气污染气象学及大气污染模型 图海风入侵时的锋面与扩散 下沉逆温 由于空气下沉受到压缩增温而形成的逆温 图3 11 锋面逆温 在对流层中 锋面上 冷暖空气团相遇时 如果冷暖空气的温差很大时 就可以出现锋面逆温 图下沉逆温的形成 三 大气污染气象学及大气污染模型 三 气象的热力因子温度层结与逆温 大气稳定度 大气稳定度大气稳定度是表示空气块在铅直方向的稳定程度1 大气稳定度的判别 不稳定类 d 中性类 d 稳定类 d 2 大气稳定度的分类 表3 2 稳定类 E和F中性类 D不稳定类 A B C 三 大气污染气象学及大气污染模型 四 大气污染湍流扩散模型 作用及建模条件1 预测大气污染物排放后 在不同时间与空间的浓度分布2 所有的模型都采用必要的假设条件3 模型基于质量守恒定律 高斯烟羽模型 四 颗粒污染物及除尘工艺 一 颗粒物粒径与沉降速度 四 颗粒污染物及除尘工艺 二 除尘装置概述 除尘装置 从气体中除去或收集固态或液态粒子的设备 除尘装置类型 1 机械式除尘器重力沉降室 惯性除尘器 旋风除尘器2 湿式除尘器3 过滤式除尘器4 电除尘器 四 颗粒污染物及除尘工艺 干式机械除尘器一 重力沉降室利用粉尘与气体的密度不同 依靠自身的重力从气流中自然沉降下来 达到净化目的的装置 类型a 水平气流沉降室 b 垂直气流沉降室 优点简单 价低 便于维护 压力损失小 可处理高温气体 缺点沉降小颗粒的效率低 一般只能除去50 m以上的大颗粒 图水平气流简易重力沉降室 四 颗粒污染物及除尘工艺 干式机械除尘器二 惯性除尘器利用粉尘与气体在运动中的惯性力不同 使粉尘从气流中分离出来的方法 类型a 冲击式结构 b 反转式结构 惯性除尘器的特点a 能分离10 30 m左右的尘粒 除尘效率为70 b 适合安装在烟道上使用 c 可设计成不同的结构形式 作为前一级除尘器与其他除尘方法组成多级除尘系统 图惯性除尘器的分离机理示意图 四 颗粒污染物及除尘工艺 干式机械除尘器三 旋风除尘器利用离心力作用将尘粒从气流中分离并捕集下来的装置 旋风除尘器的构造及工作原理 图 旋风除尘器的分类a 切线进入式旋风除尘器 b 轴向进入式旋风除尘器旋风除尘器的特点a 结构简单 造价低 b 无传动机构及运动部件维护 修理方便 c 可用于高温含尘烟气的净化 d 可承受内 外压力 e 可干法清灰 可用它回收有价值的粉尘 f 可用以净化含高腐蚀性粉尘的烟气 四 颗粒污染物及除尘工艺 湿式除尘器用水或其他液体与含尘废气相互接触 实现分离捕集粉尘粒子和吸收有害气体的装置 类型a 重力喷雾除尘器 b 旋风水膜除尘器 c 贮水式冲击水浴除尘器 d 填料塔除尘器 f 文丘里除尘器 优点 除尘效率比干式除尘器的高 可处理高温 高比阻 易燃易爆含尘气体 具有除尘 冷却和净化的作用 缺点 有废水处理问题 洗涤水有一定的腐蚀性 金属设备易被腐蚀 在寒冷地区使用湿式除尘器容易冻结 能耗比较大 图填料洗涤除尘器的类型a 错流型 b 顺流型 c 逆流型 图文丘里洗涤除尘器装置系统 四 颗粒污染物及除尘工艺 过滤式除尘器一 过滤式除尘器利用多孔过滤介质分离捕集气体中固体或液体粒子的净化装置 类型1 按使用原料的性状不同 2 按除尘器的应用目的 3 按粉尘粒子在除尘器中被捕获位置的不同 图 内部过滤 粉尘粒子是在滤层内部而被捕集 外部过滤 粉尘粒子是被阻挡在滤料的表面上 图过滤除尘器的过滤方式 四 颗粒污染物及除尘工艺 过滤式除尘器二 袋式除尘器含尘气体通过滤袋滤去其中粉尘粒子的分离捕集装置 优点 对净化含微米或亚微米粉尘粒子的效率较高 可捕集多种干性粉尘 特别是高比电阻粉尘 含尘气体浓度在相当大的范围内变化 可设计制造出适应不同气量的含尘气体的要求 稳定可靠 无污泥处理和腐蚀等问题 缺点 受滤料的耐温和耐腐蚀等性能所影响 不适于净化含粘结和吸湿性强的含尘气体 净化大含尘烟气量所需投资比电除尘器高 图滤布的滤尘过程 LDB型布袋除尘器 LPP系列脉冲袋式除尘器 PPC系列气箱脉冲袋收尘器 四 颗粒污染物及除尘工艺 电除尘器当含尘气体通过强电场时被电离而荷电 荷电的尘粒在电场力作用下到达集尘极 从而使尘粒从含尘气体中分离出来一种除尘装置 电除尘器的机理含尘气体通过两极间非均匀电场时 在放电极周围强电场作用下 气体被电离 使带电尘粒在电场作用下推向集尘极 从而达到除尘目的 电除尘器的类型1 按集尘电极的型式 管式电除尘器 板式电除尘器 2 按含尘气流在电除尘器中流动方式 立式电除尘器 卧式电除尘器3 按收尘极上清灰方式的不同 干式电除尘器 湿式电除尘器 四 颗粒污染物及除尘工艺 图喷水型湿式电除尘器示意图 图管式电除尘器的示意图 电除尘器外观图 卧式 立式 五 VOCs及净化工艺 挥发性有机气体来源 种类及治理要求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 来源汽车制造业 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 类型甲醛 甲苯 苯 乙醚 丙酮等 治理要求2015年10月1日开始强制收费 五 VOCs及净化工艺 挥发性有机气体净化工艺 Condensation 冷凝法 Adsorption 固体吸附法 Absorption 液体吸收法 combustion Incineration 焚烧法 BiologicalOxidation Biofiltration 生物氧化法 工业上常用的吸附剂 活性氧化铝和氧化铝 硅胶 活性炭 分子筛沸石吸附后尾气的催化燃烧 六 SOx及脱硫工艺 SOx的来源与脱硫途径 来源1 煤燃烧中产生的低浓度的SO2烟气是主要来源2 铅锌冶炼厂及硫酸厂排放的高浓度SO2 脱硫途径燃烧前脱硫 低硫煤 煤的分选与预处理 1 选煤技术 2 水煤浆技术 3 煤气化技术 4 煤液化技术 燃烧中脱硫 炉内脱硫 型煤 硫化床燃烧技术 炉内喷钙技术燃烧后脱硫 烟气脱硫 六 SOx及脱硫工艺 SOx的来源与脱硫途径燃烧后脱硫 烟气脱硫 强制氧化湿法脱硫工艺 FGD反应原理 烟气脱硫工艺比较 七 NOx及脱氮工艺 NOx的形成机理 热力型NOX 高温空气燃烧时生成的NOX 燃料型NOX 有机燃料燃烧时分解的N2和空气中的O2反应生成的NOX 瞬时NOX 低温火焰中由于含碳自由基的存在 通过中间产物转换为NOX 图煤粉炉中三种类型NOX生成量与炉膛温度间的关系 七 NOx及脱氮工艺 塔式炉 七 NOx及脱氮工艺 NOx的控制技术一 传统的低NOX燃烧技术1 低空气过剩系数运行技术 2 降低助燃空气预热温度3 烟气循环燃烧 4 多段燃烧技术二 先进的低低NOX燃烧器技术1 炉膛内整体空气分级的低NOX直流燃烧器2 空气分级的低NOX旋流燃烧器3 空气 燃料分级的低NOX燃烧器三 循环流化床锅炉燃烧技术 图燃料分级再燃原理示意图 七 NOx及脱氮工艺 NOx的控制技术燃烧后烟气净化 催化燃烧还原1 选择性催化还原法 SCR 脱硝 图 在催化作用下 以氨作还原剂 将NOX还原为氮气和水的方法 催化剂的活性成分 贵金属 如Pd Pt 和金属氧化物 如Cu Fe V Mn 等 载体 二氧化钛和沸石等 2 选择性非催化还原法 SNCR 脱硝不用催化剂 用氨和尿素在850 1100 内 将NOX还原成N2的方法 3 吸收法净化烟气中的NOX4 吸附法净化烟气中的NOX 汽车尾气催化燃烧器 八 CO2