环境工程基础2大气污染与防治

大气污染的一般概念大气污染气象学基础大气污染防治辐射技术在废气处理中的应用,大气污染与防治,大气污染及其分类大气污染对环境的影响我国大气污染概况大气污染控制及环境标准,大气污染的一般概念,大气污染的定义按照国际标准化组织（ISO）的定义，大气污染（Airpollution）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，并因此而危害了人群的舒适、健康和福利或危害了环境的现象。人类活动包括生活活动和生产活动两方面，由于人类活动所产生的某些有害颗粒物和废气进入大气层，又给大气增添许多外来组分。自然过程通常指：自然界的火山爆发、森林火灾、海啸、地震等灾害，这些自然过程可造成一定空间范围的暂时性大气污染。,大气污染及其分类,排放源分类人为因素：交通、发电、工厂生产、工业与民用燃烧、其他。自然因素：地理因素（火山）、天气因素（日照）、微生物作用（腐烂）、植被因素、其他。,大气污染及其分类,亚洲的典型空气污染源：发电、工业、交通、民用燃料、植物燃烧等,大气污染物分类颗粒污染物（气溶胶）气态污染物一次污染物二次污染物,大气污染物,大气污染物,颗粒污染物粉尘飞灰黑烟烟尘雾总悬浮颗粒物气溶胶,大气污染物,细颗粒污染物2.5m细颗粒物对人体健康和大气环境质量造成的危害要远比粗颗粒物大。形成气溶胶，长期悬浮在空气中细颗粒物本身可能是有毒、有害物质细颗粒物易成为其它污染物的运载体和反应体细颗粒物污染可导致低能见度显著降低,大气污染物,气态污染物一次污染物是指从各类污染源直接排放的污染物。二次污染物某些大气污染物化学性质不稳定，在大气中常与其他物质发生化学反应，从而形成二次污染物。,大气污染物,气态污染物碳氢气体污染物一氧化碳污染物二氧化硫氮氧化物臭氧层破坏气体温室气体,酸雨酸沉降是指某一平面上具有致酸潜势的物质的积累。致酸物质是自然和人为活动的过程中产生的。致酸物质按存在形态分为干和湿两种。,大气污染物,自然源、电厂以及内燃机等排放出的污染物在大气中发生化学反应产生导致酸沉降的化学物质。,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,中国酸雨的分布变化主要位于长江以南,光化学烟雾光化学烟雾是大气中氮氧化物和碳氢化合物在紫外线照射下反应生成的多种污染物的混合物。光化学烟雾最具危害的两种物质是臭氧(O3)和过氧乙酰硝酸酯(PAN)。,大气污染物,光化学烟雾对比照片,对人体健康的影响CO对人体健康的影响,大气污染对环境的影响,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,突发性严重大气污染事故,1952年12月伦敦烟雾事件中死亡人数与大气中烟尘和二氧化硫浓度的相关性,对植物的伤害,二氧化氮浓度和暴露时间与植物死亡、叶器官损伤和新陈代谢或生长影响之间的关系,大气污染对环境的影响,对器物和材料的影响,平均二氧化硫浓度和不同暴露时间对低碳钢的腐蚀作用关系,大气污染对环境的影响,大气污染对环境的影响,对大气能见度的影响对大气能见度或清晰度有影响的污染物，一般应是气溶胶粒子、能通过大气反应生成气溶胶粒子的气体或有色气体，包括：总悬浮颗粒物（TSP）SO2和其它气态含硫化合物，在大气中以较大反应速率生成硫酸盐和硫酸气溶胶粒子NO和NO2，在大气中反应生成硝酸盐和硝酸气溶胶粒子光化学烟雾，反应生成亚微米气溶胶粒子,1999年全国重点城市主要大气污染物分布,我国大气污染概况,污染现状,2002年中国城市空气质量状况,不同空气质量状况下的人口比例,全国城市空气质量分级比例,不同规模城市空气污染程度（2002年）,大气污染控制及环境标准,空气污染及控制系统,大气污染控制的研究内容空气污染源污染物在大气中的物理、化学行为污染物对受体的影响污染控制技术控制大气污染的法律法规,大气污染控制及环境标准,大气污染控制及环境标准,中华人民共和国大气污染防治法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,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,大气污染控制及环境标准,大气污染控制及环境标准,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。,大气污染控制及环境标准,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。,大气污染控制及环境标准,大气环境质量标准体系环境质量标准GB30951996环境空气质量标准综合排放标准GB162971996大气污染物综合排放标准,各项污染物的浓度限值,GWPB31999锅炉大气污染物排放标准GB49151996水泥厂大气污染物排放标准GB90781996工业炉窑大气污染物排放标准GB161711996炼焦炉大气污染物排放标准GB132231996火电厂大气污染物排放标准GB1455493恶臭污染物排放标准GWPB11999轻型汽车污染物排放标准GB14761.293车用汽油机排气污染物排放标准GB14761.593汽油车怠速污染物排放标准GB14761.693柴油车自由加速烟度排放标准GB14761.793汽车柴油机全负荷烟度排放标准GB1462193摩托车排气污染物排放标准GWPB52000饮食业油烟排放标准,行业排放标准,GB546891锅炉烟尘测试方法GB1164289轻型汽车排气污染物测试方法GB/T1476293车用汽油机排气污染物试验方法GB/T1476393汽油车燃油蒸发污染物的测量收集法GB1134089汽车曲轴箱排放物测量方法GB/T384593汽油车排气污染物的测量怠速法GB/T384693柴油车自由加速烟度的测量GB384783汽油柴油机全负荷烟度测量法GB/T546693摩托车排气污染物的测量怠速法GB/T1462293摩托车排气污染物的测量工况法,标准检测方法,大气圈结构与气象要素大气的热力过程大气的运动和风,大气污染气象学基础,大气层可以分为对流层（最贴近地面、密度最大的一层）、平流层（较高的、气体组成相同但密度较小的气层）以及电离层（由已电离的气体组成）,大气圈垂直结构,大气圈的结构,大气圈垂直结构,对流层（10km左右）集中了大气质量的3/4和全部的水蒸气，主要天气现象都发生在这一层温度随高度的增加而降低，每升高100m平均降温0.65强烈对流作用温度和湿度的水平分布不均,根据温度、湿度和气流运动及天气状况等的差异，可将对流层划分为3层：下层、中层和上层。,大气圈垂直结构,平流层（对流层顶5055km）气温随高度增加而增加集中了大部分臭氧没有对流运动，污染物停留时间很长中间层（平流层顶85km）气温随高度升高而迅速降低对流运动强烈,大气圈垂直结构,暖层（中间层顶800km）气温随高度升高而增高气体分子高度电离电离层散逸层（暖层以上）气温很高，空气稀薄空气粒子可以摆脱地球引力而散逸,主要气象要素,气温（摄氏度）0=273.15K（开）F（0F华氏度）=32+1.8C气压单位：Pa（大气强）1atm（标准大气压）101326Pa1013.26mb（毫巴）=760mmHg（毫米汞柱）,主要气象要素,气湿绝对湿度1m3湿空气中含有的水汽质量相对湿度空气的绝对湿度与同温度下饱和空气的绝对湿度的百分比含湿量湿空气中1kg干空气包含的水汽质量水汽体积分数水汽在湿空气中所占的体积分数露点同气压下空气达到饱和状态时的温度,主要气象要素,风向和风速水平方向的空气运动叫做风（垂直方向升降气流）。风的来向叫风向（16个方位圆周等分）。风速：风的前进速度，表示单位时间内空气在水平方向上运动距离（km/h）。风力是指风吹到物体上所表现出的力量的大小。风力的大小分为13个等级，最小是0级，最大为12级。,主要气象要素,云大气中水汽的凝结现象叫做云（使气温随高度变化小）云量:天空被云遮蔽的成数（我国10分，国外8分）云高:云底距地面底高度低云（2500m以下）中云（25005000m）高云（5000m以上）云状:卷云（线）,积云（块）,层云（面),雨层云(无定形）,主要气象要素,能见度正常视力的人，在天空背景下能看清的水平距离级别（09级，相应距离为5050000米）,大气的热力过程,太阳、大气和地面的热交换太阳以紫外线、可见光、红外线的形式辐射热量太阳辐射加热地球表面地面长波辐射加热大气近地层大气温度随地表温度变化,气温的垂直分布（温度层结）,气温垂直递减率,逆温,逆温不利于扩散辐射：,辐射逆温：地面白天加热，大气自下而上变暖；地面夜间变冷，大气自下而上冷却。,辐射逆温的生消过程,大气稳定度及其判据,定义：大气在垂直方向上稳定的程度；反映其是否容易对流定性描述：外力使气块上升或下降,不稳定条件下有利于扩散,波浪型（不稳）锥型（中性or弱稳）扇型（逆温）爬升型（下稳，上不稳）漫烟型（上逆、下不稳）,大气的运动和风,引起大气运动的作用力,海陆风,地方性风场,城市热岛环流,地方性风场,烟尘处理技术主要气体污染物的防治,大气污染防治,大气污染防治步骤,首先，应严格环境管理，使立法、监测、执法三者构成完整的环境管理体制。其次，控制城市和工业区的大气污染，必须在制订区域性经济和社会发展规划的同时，做好环境规划或建设项目的环境影响评价，采取区域性综合防治措施。最后，应用技术措施控制大气污染，包括：改善能源结构，积极开发新能源和可再生能源；提高能源的利用率，对燃料进行预处理，推广清洁煤技术；实行清洁生产，推广循环经济；对烟气进行净化处理。,烟尘处理技术,在燃料一定时，促进燃料的完全燃烧是减少烟尘量的主要措施。保证燃料完全燃烧的条件是：适宜的过剩空气系数；改善燃料与空气的混合；保证足够的温度；保证足够的停留时间。,烟尘处理技术,除尘装置的主要技术参数除尘装置的工作原理和特性,除尘装置的主要技术参数,除尘装置的处理量是指除尘装置在单位时间内所能处理的含尘气体量，可用m3/s来表示，它取决于装置的形式和结构尺寸。除尘装置的效率总效率：指除尘装置除下的烟尘量与未经除尘前的含尘气体中所含烟尘量的百分比。分级效率：指除尘装置对除去某一特定粒径范围的除尘效率。多级除尘效率：当使用一级除尘装置达不到除尘要求时，通常将两个或两个以上的除尘装置串联起来使用，形成多级除尘装置。除尘装置的阻力降除尘器的阻力，也称压力损失。,烟尘装置的工作原理和特性,重力除尘装置旋风除尘器惯性力除尘器过滤式除尘装置颗粒层除尘器电除尘装置洗涤式除尘装置,重力除尘装置,重力沉降室是通过尘粒自身的重力作用使其从气流中分离的简单除尘装置。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。优点：构造简单，施工方便，投资少；缺点：体积庞大，占地多，效率低，不适合去除细小尘粒。,旋风除尘器,又称离心式除尘器，是利用旋转气流的离心力使尘粒从气流分离的装置。,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：外涡旋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：内涡旋气流运动包括切向、轴向和径向：切向速度、轴向速度和径向速度,旋风除尘器,旋风除尘器气流与尘粒的运动,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,旋风除尘器结构简单，体积小，不需要特殊的附属设备，因而造价低，运行管理方便，应用广泛。旋风除尘器通常可分离粒径大于5m的尘粒，可处理含尘浓度较高的气体，不宜净化黏结性粉尘及气量波动大的场合。普通旋风除尘器的除尘效率一般在90%左右。旋风除尘器一般适用于温度400以下的非腐蚀性气体，对于腐蚀性气体，除尘器需要用反腐材料制作。,惯性力除尘器,惯性力除尘器是使含尘气体急剧改变流动方向或与挡板相撞，借助粉尘颗粒的惯性作用，将其从气体中分离出来并加以捕集的设备。惯性力除尘器的应用一般净化密度和粒径较大的金属或矿物性粉尘净化效率不高，一般只用于多级除尘中的一级除尘，捕集10m以上的粗颗粒压力损失1001000Pa,过滤式除尘器（布袋除尘器）,过滤式除尘器是使含尘气体通过滤料，将尘粒分离捕集的设备。过滤式除尘器的应用可捕集0.1m以上的细粉尘气流速度的变化以及入口气体含尘浓度变化对除尘效率影响不大结构简单，使用灵活缺点是：使用温度不能过高，一般低于300；气体不能是腐蚀性的；也不适用于除黏结性强和吸湿性强的尘粒,颗粒层除尘器,颗粒层除尘器属于过滤式除尘器的一种，是利用一定粒径范围的固体颗粒作为过滤介质，将含尘气体的尘粒除去的设备。优点结构简单滤料来源广泛耐高温、耐腐蚀、耐磨损除尘效率高,电除尘器,电除尘器工作原理用特高压直流电源产生不均匀电场，利用电场中的电晕放电使尘粒荷电，然后在电场库仑力的作用下把荷电的尘粒驱向集尘极，当形成一定厚度集尘层时，用适当的方式使尘粒集合体从电极上沉落于集尘器中。特点电除尘器可使粒子与气体分离所需要的库仑力直接作用在粒子上，因此粒子与气流分离消耗的能量比其他除尘器小得多。应用捕集0.1m或更小的烟雾，除尘效率可达99.9%以上压力损失100200Pa,洗涤式除尘装置,洗涤式除尘器是使含尘气体和液体密切接触，利用重力、惯性碰撞、拦截、扩散、静电力等作用捕集颗粒物的装置。高能和低能湿式除尘器低能耗洗涤式除尘器的压力损失为0.251.5kPa，对10m以上粉尘的净化效率可达90左右高能低能耗洗涤式除尘器的压力损失为2.59.0kPa，净化效率可达99.5以上优缺点优点：效率高，结构简单、造价低、占地面积小；在除尘的同时还能去除部分气态污染物；对气体起降温作用，适用于处理高温、高湿、易爆易燃的含尘气体缺点：需对洗涤后的含尘污水、污泥进行处理,除尘器的选择,评价净化装置性能的指标技术指标处理气体流量净化效率压力损失经济指标设备费运行费占地面积,主要气体污染物的防治,烟气脱硝技术烟气脱硫技术其他废气的治理汽车尾气的治理,烟气脱硝技术,催化还原法吸附法催化分解法等离子体活化法氧化吸收法硝酸吸收法碱液吸收法液相还原吸收法液相络合吸收法,NOX的来源,NOX包括N2O、NO、N2O3、NO2、N2O4、N2O5大气中NOX主要以NO、NO2的形式存在NOX的来源固氮菌、雷电等自然过程（5108t/a）人类活动（5107t/a）燃料燃烧占9095以NO形式，其余主要为NO2由于人类活动处于集中空间范围，显示污染特性。,烟气脱硝技术,催化还原法,催化还原法可分为非选择性催化还原法（NSCR）和选择性催化还原法（SCR）。NSCR在一定温度和催化剂作用下，废气中的二氧化氮（NO2）和一氧化氮（NO）被还原剂还原为氮气。化学反应缺点燃料耗费大，需贵金属作催化剂，且需增设热回收装置，投资费用大。,催化还原法,SCR在较低的温度和催化剂作用下，氨、硫化氢或尿素等有选择性地将尾气中的NOX还原为氮气，而不与尾气中的氧气发生反应，因而还原剂用量较少。还原剂：氨催化剂：铜、铁、钒、铬、锰等非贵金属。化学反应,吸附法,吸附法主要用吸附剂先将NO吸附饱和，再通过减压或升温的办法使NO释放，是大气污染控制工程中很重要的有效方法。吸附装置固定床吸附器、移动床吸附器和流化床吸附器吸附剂硅胶、分子筛、活性炭、活性氧化铝、天然沸石及泥煤等。,催化分解法,催化分解法是一种在较低温度和催化剂作用下，将NOX直接分解为氮气和氧气的方法。催化剂铂系金属、过渡金属、稀土金属及其氧化物。,等离子体活化法,根据高能电子的来源，该法可分为两大类：电子束法和脉冲电晕等离子体法。电子束法此法利用电子加速器获得高能电子束或射线（500800keV）照射工业废气，发生辐射化学变化，从而将SO2和NOX除去。脉冲电晕等离子体法电晕放电过程中产生的活化电子（520keV）在与气体分子碰撞的过程中产生OH、N、O等自由基和臭氧（O3）。这些活性物质引发的化学反应首先把气态的SO2和NOX转变为高价氧化物，然后形成HNO3。在有NH3注入的情况下，进一步生成硝酸铵等细粒气溶胶，固体产物由常规方法集合从气相中分离。,湿法技术,湿法脱硝技术通常指用液体吸收NOX废气的方法，用于吸收NOX的液体有水、硝酸、碱液及硫酸等。包括氧化吸收法：催化氧化吸收法、液相氧化吸收法、气相氧化吸收法硝酸吸收法碱液吸收法液相还原吸收法液相络合吸收法,烟气脱硫技术,燃烧前（燃料）脱硫燃烧中脱硫燃烧后脱硫,SO2产生源,人类使用的化石燃料都含有一定量的硫，燃料燃烧时，其中的硫大部分转化为SO2人为活动是SO2大量排放的主要原因。大部分的控制方法可用以下反应表示：,硫循环与硫排放,燃烧前脱硫,燃烧前脱硫即燃料脱硫，主要包括燃煤脱硫、天然气脱硫和液体燃料脱硫3类。燃煤脱硫主要指煤炭的洗选。洗选煤方法可分为物理法、微生物法和化学法。广泛采用物理法中的重介质、跳汰和浮选技术。重介质法是利用密度介于煤和矸石之间的液体作为分选介质进行选煤，分选介质通常采用磁铁矿粉与水配制成的悬浮液。跳汰选煤是利用被选煤在上下波动的变速脉动将相对密度不同的煤和矸石分开。浮选是利用煤和矸石的颗粒亲水性及疏水性的差异，将其在浮选液中分开。我国以物理选煤为主，跳汰占59%、重介质占23%、浮选占14%。,燃烧前脱硫,天然气脱硫主要的方法有：化学吸收法、物理吸收法、复合吸收法和直接氧化法。液体燃料脱硫石油和石油产品脱硫，几乎都是在催化剂作用下通过高压加氢反应，切断碳与硫的化学键，使氢与硫作用形成H2S从油中分离。,燃烧中脱硫,燃烧中脱硫主要包括型煤固硫技术、煤在燃烧过程中加脱硫剂技术及流化床燃烧脱硫技术。型煤固硫技术将不同的原料经筛分后按一定比例配煤，粉碎后与经过预处理的黏结剂和固硫剂混合，经机械设备挤压成型及干燥，即可得到具有一定强度和性质的成品工业固硫型煤。,燃烧中脱硫,煤在燃烧过程中加脱硫剂技术在煤的燃烧过程中加入石灰石或白云石作脱硫剂，碳酸钙、碳酸镁受热分解生成氧化钙、氧化镁，与烟气中二氧化硫反应生成硫酸盐，随灰分排出。流化床燃烧脱硫技术把煤和吸附剂加入燃烧室的床层中，从炉底鼓风使床层悬浮进行流化燃烧，形成了湍流混合条件，延长了停留时间，从而提高了燃料效率。其反应过程是煤中硫燃烧生成二氧化硫，同时石灰石煅烧分解为多孔状氧化钙，二氧化硫达到吸附剂表面并反应，从而达到脱硫效果。,燃烧后脱硫,燃烧后脱硫又称为烟气脱硫（FGD），主要指从烟道气中脱出SO2的技术。方法回收法和抛弃法湿法、半干法和干法,燃烧后脱硫,石灰石石膏法烟气脱硫技术吸收剂:石灰石或石灰浆液。反应原理优缺点：石灰石价格便宜，易于运输和保存；脱硫效率大于95%；但易堵塞、腐蚀管道与设备，脱硫废水较难处理。,吸收剂储槽,石灰石研磨,制浆,石灰制浆,含尘烟气,再热器,去烟囱,固液分离,第二级固液分离,固体废物,石灰石石膏法烟气脱硫工艺流程,燃烧后脱硫,间接石灰石/石灰法包括双碱法、碱式硫酸铝法和液相催化氧化法等。钠碱吸收法包括循环（威尔曼洛德法）和不循环（亚硫酸钠法）两种工艺。海水脱硫技术氨法脱硫技术包括氨-酸法和氨-亚硫