第一章概论

大气污染控制工程 普通高等教育 十一五 国家级规划教材 郝吉明马广大主编主讲张有贤教授 一 课程性质与任务 大气污染控制工程 是高等学校环境工程专业的一门必修专业课 环境评价工程师和注册环保工程师考试的重要组成内容 培养学生分析和解决大气污染控制工程问题的能力 大气污染控制的基本理论 各种控制方法的过程分析 典型控制设备的工艺设计计算 目标 为学生进行大气污染控制工程的设计 科研 环境评价 环境规划及技术管理打下坚实的基础 二 教学基本要求了解大气污染的基本知识和大气污染综合防治的措施 掌握大气扩散的基本原理 初步学会计算大气污染物浓度的方法和烟囱高度的计算方法 掌握有关除尘技术的基本理论 具备选用除尘设备 设计除尘系统的理论知识和技能 掌握净化气态污染物的基本方法及原理 能进行一般气态污染物净化系统的设计和典型控制设备的工艺计算 掌握集气罩设计的方法和管道系统的计算 设计 大气污染控制工程课程目录第01章绪论 4学时 第02章燃烧与大气污染 4学时 第03章大气污染气象学 2学时 第04章大气污染浓度估算模式 4学时 第05章颗粒污染物控制技术基础 4学时 第06章颗粒物污染控制技术 10学时 第07章气态污染物控制技术 4学时 第08章硫氧化物的污染控制 6学时 第09章氮氧化物污染控制 4学时 第10章VOC污染控制 4学时 第11章集气罩 2学时 第12章管道系统设计 4学时 课程类别 必修课课程名称 大气污染控制工程适用专业 环境工程 环境评价 环境规划 环境管理学分 3 5考核形式 考试学时 含实验学时 60先修课程流体力学 化工原理开课学期6 第一章概论conspectus 第一节大气与大气污染第二节大气污染物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 今年要把节能降耗 保护环境和集约用地作为转变经济增长方式的突破口和重要手段 摘自 年政府工作报告单位国内生产总值能源消耗降低20 左右 主要污染物 二氧化硫和COD 排放总量减少10 摘自中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要 到2010年 二氧化硫排放量由2005年的2549万吨减少到2295万吨 化学需氧量 COD 由1414万吨减少到1273万吨 全国城市污水处理率不低于70 工业固体废物综合利用率达到60 以上 第一节大气与大气污染atmosphereandairpollution一 大气的组成Compositionoftheatmosphere1 大气与空气ISO 的定义 大气 atmosphere TheentiremassofairwhichsurroundstheEarth 环境空气 environmentalair Outdoorairtowhichpeople plants animalsandstructuresareexposed 大气 或空气 污染控制工程的研究内容和范围 基本上都是环境空气的污染与防治 而且更侧重于和人类关系最密切的近地层空气 9 大气圈 2 大气的组成干燥清洁的空气 水蒸气和各种杂质 干洁空气的主要成分是氮 氧 氩和二氧化碳气体 其含量占全部干洁空气的99 996 体积 在人类经常活动的范围内 地球上任何地方干洁空气的物理性质是基本相同的 大气中的水蒸气含量 平均不到0 5 而且随着时间 地点和气象条件等不同而有较大的变化 其变化范围可达0 01 4 在大气中的各种悬浮微粒和气态物质中 有许多是引起大气污染的物质 二 大气污染airpollution1 大气污染的定义大气污染系指由于人类活动或自然过程使得某些物质进入大气中 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 健康和人们的福利 甚至危害了生态环境 2 大气污染的分类 局部地区污染 局限于小范围的大气污染 地区性污染 涉及到一个地区的大气污染 广域污染 涉及到比一个地区或大城市更广泛地区的大气污染 全球性污染 涉及到全球范围的大气污染 三 全球性大气污染问题globalairpollutionproblems全球性大气污染问题包括温室效应 臭氧层破坏和酸雨等三大问题 1 温室效应 全球变暖 低碳经济 低碳生活 产品低碳设计 可持续发展2 臭氧层破坏 全球臭氧层破坏已得到有效遏制3 酸雨 中国降水化学组成仍属硫酸型 但正在向硫酸 硝酸混合型转变 南方酸雨区范围无明显变化 北方酸雨区继续扩展 13 酸雨的危害 水的低pH值使得鱼的骨骼畸形生长 最终导致死亡 引起树木的大量不正常死亡 严重腐蚀建筑物 14 中国酸雨的分布变化 15 我国酸雨的化学特征 全球变暖和气候变化 MajorGreenhouseGases 全球平均气温的变化 大气中二氧化碳含量的变化 全球变暖产生的影响 Theimportanceofblackcarbonhasonlyrecentlybeenrecognized 臭氧层破坏 Ozoneabsorbsultravioletlightandissplitintoanoxygenmoleculeandanoxygenatom Oxygenmoleculeisalsosplitbyultravioletlighttoformoxygenatoms Recombinationofoxygenatomsandoxygenmoleculesallowozonetobeformedagainandtobeavailabletoabsorbmoreultravioletlight Thisseriesofreactionsresultsintheabsorptionof99 oftheultravioletlightenergycomingfromthesun Chlorofluorocarbons CFCs arestronglyimplicatedintheozonereductionintheupatmosphere Thesereactionsbothdestroyozone 四 广域污染 关于推进大气污染联防联控工作改善区域空气质量的指导意见 重点区域 京津冀 长三角和珠三角地区 在辽宁中部 山东半岛 武汉及其周边 长株潭 成渝 台湾海峡西岸等区域 要积极推进大气污染联防联控工作 其他区域的大气污染联防联控工作 由有关地方人民政府根据实际组织开展 防控重点 大气污染联防联控的重点污染物是二氧化硫 氮氧化物 颗粒物 挥发性有机物等 重点行业是火电 钢铁 有色 石化 水泥 化工等 需解决的重点问题是酸雨 灰霾和光化学烟雾污染等 第二节大气污染物及其来源airpollutantanditssources一 大气污染物airpollutants大气污染物系指由于人类活动或自然过程排入大气的并对人和环境产生有害影响的那些物质 在我国的环境空气质量标准中 还根据粉尘颗粒的大小 将其分为总悬浮颗粒物 totalsuspendedparticles 和可吸入颗粒物 inhalableparticles 总悬浮颗粒物 TSP 指能悬浮在空气中 空气动力学当量直径 100 m的颗粒物 可吸入颗粒物 PM10 指悬浮在空气中 空气动力学当量直径 10 m的颗粒物 按其存在状态可概括为两大类 气溶胶状态污染物和气体状态污染物 1 气溶胶状态污染物在大气污染中 气溶胶系指沉降速度可以忽略的小固体粒子 液体粒子或它们在气体介质中的悬浮体系 从大气污染控制的角度 按照气溶胶的来源和物理性质 可将其分为如下几种 1 粉尘 dust 2 烟 fume 3 飞灰 flyash 4 黑烟 smoke 5 雾 fog 1 粉尘 dust 粉尘系指悬浮于气体介质中的小固体颗粒 受重力作用能发生沉降 但在一段时间内能保持悬浮状态 2 烟 fume 烟一般系指由冶金过程形成的固体颗粒的气溶胶 3 飞灰 flyash 飞灰系指随燃料燃烧产生的烟气排出的分散得较细的灰分 4 黑烟 smoke 黑烟一般系指由燃料燃烧产生的能见气溶胶 5 雾 fog 雾是气体中液滴悬浮体的总称 在气象中指造成能见度小于1km的小水滴悬浮体 2 气体状态污染物气体状态污染物是以分子状态存在的污染物 简称气态污染物 分为五大类 硫氧化物 氮氧化物 碳氧化物 有机化合物和卤素化合物 对于气态污染物 又可分为一次污染物和二次污染物 一次污染物是指直接从污染源排到大气中的原始污染物质 在大气污染控制中 受到普遍重视的一次污染物主要有硫氧化物 SOx 氮氧化物 NOx 碳氧化物及有机化合物等 主要气态污染物的特征 来源 1 氮氧化物 氮和氧的化合物有N20 NO N02 N203 N3O4和N2O5 用 NOx 表示 污染大气的主要是NO N02 NO进大气后可被缓慢地氧化成N02 N02的毒性约为NO的5倍 当NO参与大气中的光化学反应 形成光化学烟雾后 其毒性更强 NO主要来自炉窑 机动车和柴油机的排气 其次是硝酸生产 硝化过程 炸药生产及金属表面处理等过程 其中由燃料燃烧产生的NO约占83 2 硫氧化物 硫氧化物中主要有S02 它是目前大气污染物中数量较大 影响范围广的一种气态污染物 主要来自化石燃料的燃烧过程 及硫化物矿石的焙烧 3 碳氧化物 C0和C02是各种大气污染物中发生量最大的一类污染物 主要来自燃料燃烧和机动车排气 4 有机化合物 挥发性有机化合物 VOC 一般是C1一C10化合物 甲烷是一种非活性烃 所以人们总以非甲烷烃类 NMHC 的形式来报道环境中烃的浓度 特别是多环芳烃类 PAH 中的苯并 a 芘是强致癌物质 因而作为大气受PAH污染的依据 VOC是光化学氧化剂臭氧和过氧乙酰硝酸酯 PAN 的主要贡献者 也是温室效应的贡献者之一 VOC主要来自机动车和燃料燃烧排气 以及石油炼制和有机化工生产等 二次污染物是指由一次污染物与大气中已有组分或几种一次污染物之间经过一系列化学或光化学反应而生成的与一次污染物性质不同的新污染物质 例如 Sulfuroussmog和Photochemicalsmog 光化学烟雾是在阳光照射下 大气中的氮氧化物 碳氢化合物和氧化剂之间发生一系列光化学反应而生成的蓝色烟雾 有时带些紫色或黄褐色 其主要成分有臭氧 过氧乙酰硝酸脂 酮类和醛类等 光化学烟雾的刺激性和危害要比一次污染物强烈得多 31 一次大气污染物 PollutantsreleaseddirectlyintotheatmosphereintheirunmodifiedformsandinsufficientquantitiestoposeahealthriskSourcesofPrimaryAirPollutants 32 光化学烟雾 Secondaryairpollutantsarecompoundsthatresultsfromtheinteractionofvariousprimaryairpollutants Photochemicalsmogisamixtureofpollutantsresultingfromtheinteractionofnitrogenoxidesandhydrocarbonswithultravioletlight Thetwomostdestructivecomponentsofphotochemicalsmogareozone O3 andperoxyacetylnitrates PAN 过氧乙酰硝酸酯 33 光化学烟雾形成过程 二 大气污染物的来源thesourcesofairpollutants大气污染物的来源可分为自然污染源和人为污染源两类 自然污染源是指自然原因向环境释放的污染物 如火山喷发 森林火灾 飓风 海啸 土壤和岩石的风化及生物腐烂等自然现象形成的污染源 人为污染源是指人类生活活动和生产活动形成的污染源 按污染源的空间分布可分为 点源 面源 线源 按照人们的社会活动功能不同 可分为 生活污染源 工业污染源 交通运输污染源 根据大气污染物的分类统计分析 可分为 燃料燃烧 工业生产 交通运输 35 SourcesofairbornepollutioninAsiaaremany powergeneration industry traffic homecooking andbiomassburning Source DavidStreets EnergyUse Emissions andAirPollutioninAsia 三 污染源调查一般把获得污染源资料的过程称为污染源调查 污染源调查可分为工业污染源调查 农业污染源调查 生活污染源调查 交通污染源调查 也可分为大气 水 土壤 噪声污染源调查等 根据污染源调查的母的 制定出调查工作的计划 程序 步骤 方法 一般污染源调查可分为三个阶段 准备阶段 调查阶段 总结阶段 四 污染物排放量的确定污染物排放量是指污染源排入环境或其它设施的某种污染物的数量 37 污染物排放量的确定是污染源调查的核心问题 确定污染物排放量的方法有三种 物料平衡法 经验计算法或排污系数法 实测法 污染物排放量的确定 污染物排放量的确定是污染源调查的核心问题 确定污染物排放量的方法有三种 物料平衡法 经验计算法或排污系数法 实测法 指定污染物 污染物排放量应是污染物产生量与污染物削减量之差 它是总量控制或排污许可证中进行污染源排污控制管理的指标之一 第三节大气污染的影响theimpactofairpollution大气污染对人体健康 植物 器物和材料 大气能见度 气候皆有重要影响 一 对人体健康的影响effectonhumanhealth污染物侵入人体的三条途径 表面接触 食入含污染物的食物和水 吸入被污染的空气 主要的大气污染物种类 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 1 颗粒物particles颗粒物对人体健康的影响 取决于颗粒物的浓度和在其中暴露的时间 暴露在合并有其他污染物 如SO2 的颗粒物中所造成的健康危害 要比分别暴露在单一污染物中严重得多 颗粒的粒径大小是危害人体健康的另一重要因素 它主要表现在两个方面 粒径越小 越不易沉积 长时间飘浮在大气中容易被吸入体内 且容易深入肺部 一般 粒径在100 m以上的尘粒会很快在大气中沉降 10 m以上的尘粒可以滞留在呼吸道中 5 10 m的尘粒大部分会在呼吸道沉积 被分泌的粘液吸附 可以随痰排出 小于5 m的微粒能深入肺部 粒径越小 粉尘比表面积越大 物理 化学活性越高 加剧了生理效应的发生与发展 此外 尘粒的表面可以吸附空气中的各种有害气体及其他污染物 而成为它们的载体 如可以承载强致癌物质苯并 a 笓及细菌等 CO对人体健康的影响 NO2对人体健康的影响 臭氧对人体健康的影响 注 部分人群接触臭氧后肺功能下降 二 对植物的影响effectonplants大气污染对植物的伤害 通常发生在叶子结构中 因为叶子含有整棵植物的构造机理 最常遇到的毒害植物的气体是 二氧化硫 臭氧 PAN 过氧乙酰硝酸酯 氟化氢 乙烯 氯化氢 氯 硫化氢和氨 大气中含SO2过高 对叶子的危害首先是对叶肉的海绵状软组织部分 其次是对柵栏细胞部分 侵蚀开始时 叶子出现水侵透现象 干燥后 受影响的叶子部分呈漂白色或乳白色 菠菜 莴笋和其他叶状蔬菜对SO2最为敏感 氟化氢对植物是一种累积性毒物 即使暴露在极低的浓度中 植物也会始终把氟化物累积到足以损害其叶子组织的程度 三 对器物和材料的影响effectonimplementsandmaterials大气污染对金属制品 油漆涂料 皮革制品 纸制品 纺织品 橡胶制品和建筑物等的损害也是严重的 这种损害包括玷污性损害和化学性损害两个方面 玷污性损害主要是粉尘 烟等颗粒物落在器物上面造成的 化学性损害是由于污染物的化学作用 使器物和材料腐蚀或损坏 大气中的SO2 NOx及其生成的酸雾 酸滴等 能使金属表面产生严重的腐蚀 使纺织品 纸品 皮革制品等腐蚀破损 使金属涂料变质 降低其保护效果 造成金属腐蚀最为有害的污染物一般是SO2 已观察到城市大气中金属的腐蚀率约是农村环境中腐蚀率的1 5 5倍 四 对大气能见度的影响effectonatmosphericvisibilityandclimate能见度的气象学定义是 在指定方向上仅能用肉眼看见和辨认的最大距离 在白天能看见地平线上直指天空的一个显著的深色物体 在夜间 能看见一个已知的 最好未经聚焦的中等强度的光源 大气污染最常见的后果之一是大气能见度降低 一般说来 对大气能见度或清晰度有影响的污染物 应是气溶胶粒子 能通过大气反应生成气溶胶粒子的气体或有色气体 因此 对能见度有潜在影响的污染物有 总悬浮颗粒物 TSP SO2和其他气态含硫化合物 NO和NO2 光化学烟雾 能见度与自然景观USEPA在1999年宣布 将在未来几十年内致力于提高国家公园和旷野地区的空气质量例 美国大烟雾山国家公园 北卡罗莱纳州 照片 晴天雾天 第四节大气污染综合防治Integratedcontrolofairpollution大气污染综合防治的基本点是防与治的综合 这种综合是立足于环境问题的区域性 系统性和整体性之上的 大气污染作为环境污染问题的一个重要方面 也只有将其纳入区域环境综合防治之中 才能真正获得解决 一 大气污染综合防治的含义meaningsofIntegratedcontrolofairpollution大气污染综合防治 就是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 经济合理性 区域适应性和实施可能性等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measuresofintegratedcontrolofairpollution1 全面规划 合理布局 建立综合性工业基地 2 严格环境管理 立法 监测 实施 3 控制大气污染的技术措施 1 实施清洁生产 2 实施可持续发展的能源战略 3 安装废气净化装置 4 绿化造林4 控制污染的经济政策 第五节环境空气质量控制标准qualitycontrolstandardsofenvironmentalair环境空气质量控制标准是执行环境保护法和大气污染防治法 实施环境空气质量管理及防治大气污染的依据和手段 一 环境空气质量控制标准的种类和作用kindsandfunctionsofqualitycontrolstandardsofenvironmentalair环境空气质量控制标准按其用途可分为环境空气质量标准 大气污染物排放标准 大气污染控制技术标准及大气污染警报标准等 按其使用范围可分为国家标准 地方标准 二 环境空气质量标准以保护生态环境和人群健康的基本要求为目标而对各种污染物在环境空气中的允许浓度所作的限制规定 1 制定原则首先要考虑保障人体健康和保护生态环境 其次 要合理地协调与平衡实现标准所需的代价与社会经济效益之间的关系 此外 还应遵循区域差异性的原则 特别是像我国这样地域广阔的大国 要充分注意各地区的人群构成 生态系统的结构功能 技术经济发展水平等的差异性 2 环境空气质量标准该标准根据对空气质量要求的不同 将环境空气质量功能区分为三类 一类区为自然保护区 风景名胜区和其他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 3 工业企业设计卫生标准sanitarystandardsofindustryandenterprisedesign我国于1979年修订的 工业企业设计卫生标准 TJ36 79 规定了 居住区大气中有害物质的最高容许浓度 标准和 车间空气中有害物质的最高容许浓度 标准 这一标准是以保障居民不发生急性或慢性中毒 不引起粘膜的刺激 闻不到异常气味和不影响生活卫生条件为依据而制定的 工业企业设计卫生标准 GBZ1 2002本标准规定了工业企业的选址与整体布局 防尘与防毒 防暑与防寒 防噪声与振动 防非电离辐射及电离辐射 辅助用室等的内容 保证工业企业的设计符合要求 工作场所有害因素职业接触限值 GBZ2 2002 三 大气污染物排放标准emissionstandardsofairpollutants1 制定原则制定大气污染物排放标准应遵循的原则是 以环境空气质量标准为依据 综合考虑控制技术的可行性和经济合理性以及地区的差异性 并尽量做到简明易行 排放标准的制定方法 大体上有两种 按最佳适用技术确定的方法和按污染物在大气中的扩散规律推算的方