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第五章造纸工业大气污染控制 大气圈的概念 大气圈的分层 在地球引力作用下随地球而旋转的大气层叫做大气圈 其厚度约为地球表面1000 1400千米的范围 1 对流层2 平流层3 中间层4 暖层 电离层 热成层 5 散逸层 外层 对人类影响最大 含有臭氧 第一节大气污染与防治 大气结构 大气组成 自然状态下的大气由干洁空气 水蒸气和悬浮微粒组成 干洁空气 除去水蒸气和微粒的空气 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 干洁空气的组成 当空气中某种物质的含量远大于表中物质的含量时 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 大气污染的定义 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 1 局部地区大气污染2 区域性大气污染3 广域性大气污染4 全球性大气污染 指温室效应 酸雨 臭氧层空洞 大气污染的分类 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 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 臭氧层空洞 DepletionoftheOzoneLayer 在大气圈约25km高空的平流层有一个臭氧层 臭氧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 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 大气污染物的种类 颗粒污染物 根据物理性质的不同分 粉尘 dust 烟 fume 飞灰 flyash 黑烟 smoke 雾 fog 总悬浮微粒 TSP 飘尘降尘 气态污染物 含硫化合物 含氮化合物 碳化物 碳氢化合物 卤化物 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 主要大气污染物 A 一次污染物 是从污染源直接排出原始物质 进入大气其形态没有发生变化的污染物 B 二次污染物 由污染源排出的一次污染物与大气中原有成分 或几种一次污染物之间 发生了一系列的化学变化或光化学反应 形成与原污染物性质不同的新污染物 则形成了新污染物称为二次污染物 气态污染物 影响大气污染的因素 人类活动和自然过程的影响气象条件的影响逆温层地理和地面条件的影响 大气污染控制基本方法 废气排放控制系统 第二节粉尘控制技术基础 来源 废液回收系统和动力锅炉 草类植物纤维资源干法备料系统 亚硫酸盐制浆的制酸系统 机理 将含尘气体引入具有一种或几种力作用的除尘装置 使颗粒相对其运载气流产生一定的位移 并从气流中分离出来 最后沉降到捕集到表面上 除尘器的分类与性能 机械力除尘器 过滤式除尘器 重力沉降室 旋风除尘器 静电除尘器 干式静电除尘器 湿式静电除尘器 袋式过滤器 颗粒层过滤器 湿式除尘器 通过质量力的作用达到除尘目的 用多孔过滤介质来分离捕集气体中的尘粒 利用高压电场产生的静电力 库仑力 的作用分离含尘气体中的固体粒子或液体粒子 除尘装置的主要性能 除尘装置的处理量 除尘装置在单位时间内所能处理的含尘气体的体积流量 m3 s或m3 h 除尘装置的阻力 压力损失 含尘气体经过除尘装置时的流体阻力 用装置的进口与出口气流全压力之差表示 除尘效率 除尘装置捕集的粉尘量与进入的粉尘量的百分比 除尘装置的分级效率 x 某一粒径 或粒径范围内 的粉尘的除尘效率 多级除尘效率 总 1 1 1 1 2 1 n 各种除尘装置的实用性能比较 1 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 重力沉降室旋风除尘器 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 重力沉降室 重力沉降室的优点结构简单投资少压力损失小 一般为50 100Pa 维修管理容易缺点体积大效率低仅作为高效除尘器的预除尘装置 除去较大和较重的粒子 旋风除尘器 利用旋转气流产生的离心力使尘粒从气流中分离的装置旋风除尘器内气流与尘粒的运动 普通旋风除尘器是由进气管 筒体 锥体和排气管等组成气流沿外壁由上向下旋转运动 外旋流少量气体沿径向运动到中心区域旋转气流在锥体底部转而向上沿轴心旋转 内旋流气流运动包括切向 轴向和径向 切向速度 轴向速度和径向速度 旋风除尘器气流与尘粒的运动 旋风除尘器内气流与尘粒的运动 续 切向速度决定气流质点离心力大小 颗粒在离心力作用下逐渐移向外壁到达外壁的尘粒在气流和重力共同作用下沿壁面落入灰斗上涡旋 气流从除尘器顶部向下高速旋转时 一部分气流带着细小的尘粒沿筒壁旋转向上 到达顶部后 再沿排出管外壁旋转向下 最后从排出管排出 旋风除尘器 进气管 筒体 锥体 排气管 a 直入切向进入式b 蜗壳切向进入式c 轴向进入式 旋风除尘器 结构形式进气方式分切向进入式轴向进入式 旋风除尘器是利用旋转气流产生的离心力使尘粒从气流中分离的装置 用来分离粒径大于5 10 m以上的的颗粒物 工业上已有100多年的历史 优点 结构简单 占地面积小 投资低 操作维修方便 压力损失较大 动力消耗也较大 可用于各种材料制造 能用于高温 高压及腐蚀性气体 并可回收干颗粒物 缺点 效率90 左右 捕集 5 m颗粒的效率不高 一般作预除尘用 旋风除尘器的特点 影响除尘效率的因素 进口风速或流量 进口流量增大 除尘效率提高 风速过大 影响除尘效率 除尘器的结构尺寸 筒体直径越小 锥体长度增加 减小排气管直径 有利于提高除尘效率 粉尘粒径与密度 粒径大 除尘效率高 密度小 影响除尘效率 气体温度 温度高 除尘效率降低 灰斗的气密性 除尘器底部密封不严 除尘效率显著下降 2湿式除尘器 使含尘气体与液体 一般为水 密切接触 借助于液滴 液膜 气泡等洗涤含尘气体 黏附气体中的粉尘颗粒 或者润湿粉尘颗粒 使其相互凝聚成更大的颗粒 然后利用物理上的各种力进行气 液分离 达到除尘的目的 除尘机理 液体介质与尘粒间的惯性碰撞和拦截 微细尘粒与液滴间的扩散接触 加湿的尘粒相互凝并 饱和态高温烟气降温时 以尘粒为凝结核凝结按能耗分为 低 中 高能耗湿式除尘器低能湿式除尘器的压力损失为0 25 1 5kPa 对10 m以上粉尘的净化效率可达90 95 中能耗湿式除尘器的压力损失为1 5 2 5kPa 高能湿式除尘器的压力损失为2 5 9 0kPa 净化效率可达99 5 以上 湿式除尘器 主要湿式除尘装置的性能和操作范围 湿式除尘器的特点 优点 除尘效率高 结构简单 造价低 占地面积小 操作维修方便 特别适宜处理高温 高湿 易燃 易爆的含尘气体 除尘同时还可除去部分气态污染物 起到气体降温的作用 缺点 需对洗涤后的含尘污水 污泥进行处理 净化含腐蚀性的气态污染物时 易腐蚀设备 动力消耗大 操作费用高 需防冻 冬天 文丘里洗涤器 文丘里洗涤器由文丘里管 简称文氏管 和脱水器两部分组成文丘里管 包括收缩管 喉管 扩散管 除尘过程分为雾化 凝聚和脱水三个过程 除尘过程含尘气体进入收缩管后 流速逐渐增大 气流的压力能逐渐转变为动能 在喉管入口处 气速达到最大 一般为50 180m s水沿喉管周边均匀分布的喷嘴进入 液滴被高速气流雾化和加速 在液滴加速过程中 由于液滴与粒子之间惯性碰撞 实现微细尘粒的捕集 充分的雾化是实现高效除尘的基本条件 旋风水膜除尘器 喷雾沿切向喷向筒壁 使壁面形成一层很薄的不断下流的水膜含尘气流由筒体下部导入 旋转上升 靠离心力甩向壁面的粉尘为水膜所粘附 沿壁面流下排走 旋风水膜除尘器 实例 稻麦草干法备料粉尘的处理流程图 3电除尘器 电除尘是利用高压电场使气体发生电离 再使气体中的粉尘荷电 并在电场力的作用下 使气体中的悬浮粒子分离出来的装置 电除尘器的工作原理 静电极 电除尘器的工作原理 四个步骤气体电离放电极与集尘极间施加高压 放电极附近发生电晕放电 气体电离粉尘荷电 产生正离子 移向电晕极自由电子和部分随即形成的负离子 与粉尘碰撞并附着其上 实现粉尘荷电荷电粉尘的迁移和沉积 荷电粉尘向集尘极移动 到达其表面并放出电荷面沉积其上颗粒的清除 电除尘器 电除尘器外观图 卧式 立式 特点 1 分离力直接作用在粒子上 能耗低 压力损失小 2 除尘效率高 一般在95 99 最高可达99 9 捕集细小颗粒 1 m左右 的效率高 3 处理气量大 可达105 106m3 h4 适用范围广 可处理各种性质不同的烟气 可用于高温高湿 易爆的气体处理 除尘效率高 一般在95 99 最高可达99 9 5 维护简单 运行费用低 能连续运行 自动化程度高 除尘效率受粉尘比电阻影响较大 设备庞大 消耗钢材多 初投资大 要求安装和运行管理技术较高 4过滤式除尘器 又称空气过滤器 是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 属于高效干式除尘装置 分类 空气过滤器滤纸或玻璃纤维 颗粒层除尘器砂 砾 焦炭等颗粒物 袋式除尘器纤维织物 采用纤维织物作滤料的袋式除尘器 主要讨论 在工业尾气的除尘方面应用较广除尘效率一般可达99 以上效率高 性能稳定可靠 操作简单 因而获得越来越广泛的应用 优点 缺点 结构简单 造价及运行费用低 可提高干法脱硫的脱硫率 处理高温 高湿度 腐蚀性气体应慎选滤袋 滤袋易破损 阻力损失大 除尘效率高 处理量大 体积和占地面积都很大 5除尘器应用 除尘器的种类繁多 型式多样 各具不同的性能和优缺点 正确选择除尘器并进行科学的维护 是保证除尘器正常运行并保证应有的除尘效率的关键 除尘器的合理选择 选择除尘器必须全面考虑有关因素 如除尘效率 压力损失 一次投资 维修管理 运行安全性等 其中最主要的是除尘效率 1 选用的除尘器必须满足排放标准规定的排放浓度 2 粉尘的物理性质对除尘器性能具有较大的影响包括粉尘的粒径分布 密度 比电阻 亲水性 温度 压力 粘性 毒性等粘性大的粉尘容易粘结在除尘器表面 不宜采用干法除尘 比电阻过大或过小 不宜采用电除尘 纤维性或憎水性粉尘不宜采用湿法除尘 除尘器的合理选择 3 气体的含尘浓度气体的含尘浓度较高时 在静电除尘器或袋式除尘器前应设置低阻力的初净化设备 去除粗大尘粒一般说来 湿式除尘器 袋式除尘器 静电除尘器的入口含尘浓度分别以10g m3 0 2 10g m3 30g m3为宜 4 气体温度和其它性质也是选择除尘设备时必须考虑的因素高温 高湿气体不宜采用袋式除尘器烟气中同时含有SO2 NOX等气态污染物 可以考虑采用湿式除尘器 但是必须注意腐蚀问题 5 选择除尘器时 必须同时考虑捕集粉尘的处理问题 除尘器的合理选择 6 其他因素设备的位置 可利用的空间 环境条件设备的一次投资 设备 安装和工程等 以及操作和维修费用 各种除尘器设备费耗钢量及能耗概略指标 各类除尘器的选择 1 机械式除尘器造价较低 维护管理方便 并耐高温 必须回收干尘或含尘气体遇湿有腐蚀作用时更适宜用这类除尘器 对5 m以下的微粒去除效率不高 当含尘浓度很高时 可作预处理除尘器 重力沉降室适宜尘粒粒径较大 要求除尘效率较低 又有足够场地的地方 惯性除尘器适宜排气量较小 要求除尘效率较低的地方 一般可直接装在风管上 旋风除尘器适宜要求除尘效率较低的地方 大量用于1 20t h的锅炉烟尘处理 目前 机械式除尘器应用最多的是旋风除尘器 2 湿式除尘器结构简单 投资低 除尘效率较高 能去除粒径很小的尘粒 并且在除尘的同时可去除一部分有害气体 如火电厂烟气脱硫除尘一体化多采用湿式除尘器 其缺点是用水量较大 废水和泥浆需二次处理 设备及构筑物易腐蚀 3 电除尘器适宜处理气量较大 要求除尘效率较高 又有一定维护管理水平的单位 它具有效率高 阻力小的优点 缺点是投资大 设备复杂 占地面积大 对操作 运行 维护管理水平要求较高 另外 对粉尘的比电阻要求较严格 4 过滤式除尘器袋式除尘器适宜于要求除尘效率较高 排气量变化较大以及处理有回收价值的细小颗粒物的场合 但它投资较大 要求进气温度不超过滤袋材质所允许的温度 且气体温度在露点温度以上 粘性含尘气体进入除尘器时 含尘浓度超过尘粒的爆炸下限的不宜采用袋式除尘器 颗粒层除尘器适宜于处理高温含尘气体 它具有耐腐耐磨等特点 效率较高 可处理比电阻较高的粉尘 当气体温度和气量变化较大时 也能适应 缺点是体积较大 清灰装置较复杂 阻力较高 除尘设备的发展 1 除尘设备趋向高效率2 发展处理大烟气量的除尘设备3 着重研究提高现有高效除尘器的性能4 发展新型除尘设备宽间距或脉冲高压电除尘器环形喷吹袋式除尘器顺气流喷吹袋式除尘器带电水滴湿式洗涤器带电袋式除尘器等5 重视除尘机理及理论方面的研究 气态污染物控制 气态污染物控制的方法和设备主要有两大类 分离法 是利用污染物与废气中其它组分的物理性质的差异使污染物从废气中分离出来 如 吸收 吸附 冷凝 催化转化 转化法 是使废气中污染物发生某些化学反应 把污染物转化成无害物质或易于分离的物质 如 燃烧法 生物处理法 第三节气态污染物净化技术基础 1 吸收 利用气体混合物中不同组分在吸收剂中的溶解度不同 或者与吸收剂发生选择性化学反应 从而将有害组分从气流中分离出来的过程 具有捕集率高 设备简单 一次性投资低 广泛用于气态污染物的处理 例如 SO2 H2S HF NOx等 吸收工艺流程 净化气 吸收剂 热交换器 溶剂冷凝器 冷凝器 气液分离器 再沸炉 吸收塔 汽提塔 汽提后纯吸收剂 VOCS 纯VOCS气体 2 吸附 用适当的多孔性固体与气体混合物接触 靠固体表面存在的未平衡的分子引力或化学键力 把混合物中某一组分或某些组分吸留在固体表面上 使气体混合物分离的过程 可有效捕集浓度很低的有害物质 净化效率高 能回收有用组分 设备简单 操作方便 易于实现自动控制 已广泛地应用于化工 冶金 石油 食品 轻工及高纯气体的制备等部门 例如 活性炭法利用活性炭的活性及较大的比表面积 使烟气中的SO2在活性炭表面上与氧及水蒸气作用生成硫酸 吸附工艺流程 过滤器 调压器 吸附床 吸附床 分离器 浓缩器 VOCS 蒸汽 蒸汽 进一步分离 3 冷凝 利用物质在不同温度和压力下具有不同饱和蒸汽压这一性质 采用降低系统温度或提高系统压力 使处于蒸汽状态的污染物冷凝并从废气中分离出来的过程 特别适用于处理废气度在10000ppm以上的有机溶剂蒸汽 常作为吸附 燃烧等净化高浓度废气的前处理 不适宜处理低浓度废气 可分为表面冷凝和接触冷凝 4 催化转化 使气态污染物通过催化剂床层 通过催化反应 转化为无害物质或易于处理和回收物质的方法 无需使污染物与主气流分离 避免造成二次污染 使操作过程简便 对不同浓度的污染物都有很高的转化率 但催化剂价格高 操作要求高 难以回收有用物质 如 可以用催化氧化法将SO2转化为SO3以回收硫酸 SO2和NOx均可以用催化还原法净化 5 燃烧法 通过热氧化作用使废气中的可燃有害成分转化成无害或易于进一步处理和回收利用的物质的方法 工艺简单 操作方便 可回收热能 6 生物处理法 利用微生物以废气中有机组分作为其生命活动的能源或养分的特性 经代谢降解 转化为简单的无机物 HO2和CO2 或细胞组成物质 污染物的稀释法控制 稀释法就是采用烟囱排放污染物 通过大气的输送和扩散作用降低其 着地浓度 使污染物的地面浓度达到规定的环境质量标准 烟囱排放本身并不减少排入大气污染物的量 但它能使污染物从局部地区转移到大得多的范围内扩散 利用大气的自净能力使地面污染物浓度控制在人们可以接受的范围内 第四节制浆造纸厂大气污染控制 1 硫酸盐法制浆的大气污染与防治 1 1概述排放点 草类原料备料 蒸煮锅 喷放锅 洗浆设备 黑液蒸发系统 塔罗油回收装置 碱回收炉 熔融物溶解槽 石灰窑 石灰消化器 造纸机 锅炉 废水处理系统等 污染气体的散发点及其分布 大气污染物分类 气态污染物 臭气 还原性硫化物 H2S CH3SH CH3SCH3 CH3SSCH3等 不含硫钠有机物 萜烯类 醇类 酚类和碳氢化合物 以及硫和氮的氧化物 气溶胶状态污染物 粉尘 钙和钠的硫酸盐 碳酸盐 氢氧化物及氯化物 主要有碱回收炉的碱尘 Na2SO4和Na2CO3 熔融物溶解槽的含钠化合物 石灰窑的含钙化合物 燃煤和木材燃烧产生的烟尘等 另外还有草类原料备料的尘和草屑 硫酸盐浆厂散发的污染气体特征及数量 硫酸盐浆厂排放的还原硫化物浓度单位 ppm体积 10 10000100 60000500 30000 31 150500 60002 952 950 30 200 1 100 15000100 600001500 75000 1510 700500 500010 5000 1000 10 500 1 0 1000010 5000500 100000 510 50300 300000 250 2000 20 1000 1 0 10000 200010 3000 50 2600 90000 100 15000 750 2500 20 间歇蒸煮喷放气减压气连续蒸煮洗浆机罩排气洗浆密封槽蒸发热水井氧化塔排气碱回收炉熔融物溶解槽石灰炉排气石灰消化槽排气 二甲二硫醚 甲硫醚 甲硫醇 硫化氢 排放浓度 排放点 硫酸盐浆厂散发主要污染气体的物化性质 1 2硫酸盐法蒸煮过程中大气污染的产生与防治 1 2 1硫酸盐法蒸煮过程中大气污染物的产生含硫有机物不少于57种 影响因素 1 制浆原料 阔叶木 针叶木 草类纤维2 蒸煮温度 温度升高 脱木素速率加快 臭气生成速率少量加快 例如 蒸煮温度由1600C提高到1900C 脱木素速率将增加10倍 臭气速率只增加2 3倍 因此 高温短时间蒸煮 对减少污染气体生成是有利的 3 硫化度 提高硫化度 将生成更多的甲硫醇及甲硫醚4 蒸煮液pH值 甲硫醇在PH值连续蒸煮 1 2 2 硫酸盐法蒸煮过程中大气污染防治 改进制浆工艺 改变制浆方法 不用或少用硫化物制浆改进制浆工艺条件 高温短时间蒸煮 降低硫化度 蒸煮终了时要有足够的残碱 蒸煮过程中产生的大气污染物的控制 蒸煮过程中产生的大气污染物的控制 1 3气态污染物 臭气 的收集与处理 来源 除节机 洗浆机 黑液贮槽 塔罗油回收系统 黑液氧化 污冷凝水汽提等排放的废气量大 污染物浓度低 蒸煮 蒸发和污冷凝水汽提排出的不凝性气体 虽然数量不大 但污染物浓度较高 处理方法 收集进行集中处理 可送石灰窑或碱回收炉内燃烧处理 石灰窑的废气应装设碱液或白液洗涤器洗涤 液体吸收法 不凝气体燃烧系统 1 4纸浆洗涤过程中大气污染的产生与防治 来源 纸浆在洗涤过程中会散发出大量的气体 其中有水蒸气 空气 易挥发的硫化物和萜烯类气体等 洗浆机的黑液槽也排放少量臭气 影响因素 洗浆设备和工艺 蒸煮黑液中挥发性硫化物含量 洗涤液的pH值和温度 浆料与洗涤液的混合湍动情况等 处理方法 收集废气 送石灰窑或碱回收炉燃烧 1 5碱回收系统大气污染的产生与防治 1 黑液氧化 可减少硫的损失 同时减少了大气污染 会汽提出少量挥发性硫化物 2 黑液蒸发排气及其污染控制多效间接蒸发 不凝性气体与末效二次蒸汽一起冷凝 进入热水井 冷凝液送去汽提 不凝性气体送洗涤塔 用白液洗涤吸收 直接蒸发过程中 因排气中含有还原性硫化物 造成对大气的污染而逐渐被取消 蒸发器热水井尾气洗涤器 3 碱回收炉的大气污染及其控制碱尘 Na2SO4 Na2CO3等处理方法 静电除尘器气态污染物 含硫化合物和氮氧化物等预防 提高炉膛下部温度 H2S被熔融的Na2CO3所吸收 防止H2S释放 过量的氧气将还原性硫化物氧化成SO2 处理方法 碱性溶液洗涤吸收 4 熔融物溶解槽排气及其污染控制产生 大量的水蒸气 带出少量的粉尘 绿液雾滴 少量的还原性硫化物气体污染控制 涤气设备采用文丘里旋风分离器 苛性的或氧化了的白液是最好的涤气液 水是无效的涤气介质