第六章-大气污染及其控制

主要内容：大气与大气污染大气污染物及其来源大气中污染物的化学转化大气污染的控制技术,第六章大气污染及其控制,第一节大气与大气污染,一、大气的结构按分子组成均质层和非均质层。按压力特征气压层和外气压层。按大气的热状态对流层、平流层、中间层、热层和外层。,一、大气的结构,对流层,平流层,对流旺盛近地面，纬度不同厚度变；高度增来温度减，只因热源是地面；天气复杂且多变，风云雨雪较常见。,气温初稳后升热只因层中臭氧多水平流动天气好高空飞行很适合,上冷下热高空对流,高层大气,电离层能反射无线电波，对无线电通讯有重要作用,第一节大气与大气污染,二、大气的组成干洁空气大气中除去水汽和杂质的空气。干洁空气的组成干洁空气中的主要成分为N2（占78.09%）、O2(占20.95%)、Ar(占0.93%)及一些微量元素，如CO2、O3、H2、CH4、He、Kr、Ne等。,二、大气的组成大气可变成分主要包括CO2、O3、水汽和杂质。这些可变成分如含量正常，则对环境和生命有机体是有益而无害的，但含量变化后(过多或缺乏)都会造成不良影响及危害。干洁空气较稳定原因：主要组成物质为N2和O2，前者化学性质不活泼，后者的消耗与释放量相互补偿。,二、大气的组成,成云致雨的必要条件,主要成分,次要成分,水汽,固体杂质,生物体的基本成分,维持生物活动的必要物质,植物光合作用的原料；对地面保温,吸收紫外线，使地球上的生物免遭过量紫外线的伤害,成云致雨的必要条件；对地面保温,干洁空气,O3,N2,O2,CO2,大气各成分的作用,三、大气污染概念:指由于人类活动或自然过程使大气中一些物质的含量达到有害的程度(一般指有害物质，如SO2、NOX、HC、O3、飘尘等超过国家质量标准)，以至破坏人和生态系统的正常生存和发展，对人体、生态和材料造成危害的现象。,工业,交通,生活,三、大气污染发生过程:,大气环境,污染源,输入,输出,输入速率输出速率,第二节大气污染物及其来源,一、大气污染物大气污染物的概念指由于人类活动或自然过程排入大气的并对环境或人产生有害影响的那些物质。大气污染物的分类:从形成过程：一次、二次污染物从存在状态：气溶胶状态污染物和气体状态污染物,二、大气污染类型气溶胶状态污染物粉尘：是指悬浮在空气中的固体微粒，颗粒尺寸一般在1-200m，如黏土粉尘、石英粉尘、煤灰、各种金属粉尘等。烟：指一般系指由冶金过程形成的固体颗粒气溶胶。一般为0.01-1m。飞灰：指随燃料燃烧产生的烟气排出的分散得较细的灰分。,黑烟：由燃料燃烧产生的能见气溶胶。雾：气体中液滴悬浮体的总称。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（TSP）和可吸入颗粒物（IP，PM10、PM2.5）TSP：能悬浮在空气中，空气动力学当量直径小于100mPM10：能悬浮在空气中，空气动力学当量直径小于10m。,颗粒物有固体的灰尘、烟尘、烟雾以及液体的云雾和雾滴，它们中一部分是致癌、致畸、致突变物质，并能被人体吸收而危害人体健康，另一方面，它们是有毒物质的载体，使一些气体污染物转化成为有害的颗粒物或使某些污染物的毒性增强。,烟尘的作用：1）凝结核2）吸收太阳辐射3）降低能见度4）影响植物体生长飘尘（可吸入粒子(IP)）大于10m的颗粒物能被鼻腔的鼻毛吸留住，而小于10m的飘尘却能长驱直入侵蚀肺泡，叫“可吸入粒子”。在可吸入微粒中80%可沉积于肺泡，且沉积时间可达数年之久，导致肺心病等一系列病变。,二、大气污染类型气体状态污染物含硫化合物主要指SO2和SO3、H2S。危害：,温度大时，与水作用，是形成酸雨的主要来源。二氧化硫是一种无色的刺激性气体,腐蚀性很大，会严重刺激人的呼吸系统。二氧化硫破坏植物的叶绿素，使植物脱水坏死。在适当条件下和飘尘结合在一起，或与水汽中的水蒸汽结合形成硫酸雾，硫酸雾微粒侵入人体肺部，可以引起肺水肿和肺硬化等疾病导致死亡。,二、大气污染类型气体状态污染物氮的氧化物NOX是NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4、N2O5等的总称，造成大气污染的NOX最主要是NO和NO2。来源：汽车尾气排放危害：,1）氮氧化物可转化为硝酸，形成酸雨2）是形成光化学烟雾的重要物质3）是消耗臭氧的重要因子4）NO2对人有生理刺激和腐蚀作用，引起城市居民产生急性呼吸道病变的一种原因5）可腐蚀织物、材料、破坏染料，使它褪色6）危害植物，使其组织受害而落叶，甚至枯萎,二、大气污染类型气体状态污染物碳的氧化物CO：主要是由含碳化合物不完全燃烧产生的无色无味无刺激性的有毒气体。对人体的危害主要是阻碍体内氧气的传输，使人体缺氧，导致死亡。CO2：是一种无毒的气体，是大气中的“正常”成分，主要来源于生物的呼吸和化石燃料等的燃烧。目前，大气中CO2浓度逐渐升高，每年上升0.4%。由于二氧化碳吸收地面长波辐射，使地球升温，导致温室效应，从而形成全球气候变化。,二、大气污染类型气体状态污染物碳氢化合物(HC)HC是自然界中必不可少的物质，主要指烷烃、烯烃和芳香烃等具有挥发性的有机物，它们主要是由碳原子和氢原子组成。碳氢化合物主要来源于自然界植物分解，人为产生的量很小，但它们是形成光化学烟雾的重要物质。含卤素化合物主要指一些氟氯烃类物质，它们主要破坏臭氧层，引起温室效应。,二、大气污染类型按污染物的性质分还原型(煤炭型)氧化型(汽车尾气型),还原型(煤炭型)主要污染物：SO2、CO和颗粒物，在低温、高温阴天、小风、逆温情况下，在当地地形条件的影响下，被封盖在城市上空，造成对人体健康极大的危害，致使上千人死亡。类似这样的事件发生过多起，最典型的当属1952年12月发生在英国首都伦敦的SO2烟雾中毒事件。,伦敦烟雾事件,氧化型(汽车尾气型)污染物主要来自于汽车排气、燃油锅炉以及石油化工生产。一次污染物主要为NOX和HC、生成的二次污染物为O3、醛类、酮类、过气乙酸硝酸脂。发生在光照强烈的热带、亚热带、89月中午或午后阳光强烈时。最典型的当属1965年前后的洛杉矶光化学烟雾。,被光化学氧化剂腐蚀的叶片,光化学氧化剂是臭氧、硝酸、醛类、酮类和过氧乙酰基硝酸酯等多种物质的混合物，其中80%是臭氧，可刺激人的眼睛、喉咙，引起红眼、流泪、肝炎、肺气肿等。对植物、家畜、橡胶、染料等制品也造成危害。一方面臭氧具有杀菌作用，另一方面又是眼、喉和肺最危险刺激物之一。臭氧进入呼吸道后，与所接触器官迅速反应导致慢性肺疾病、肺气肿和右心衰竭。,二、大气污染类型按燃料性质和大气污染物的组成划分煤炭型：产生粉尘、二氧化硫、烟气等石油型：产生氮氧化物、烯烃等碳氢化合物混合型：有煤和石油的特殊型：磷肥厂氟污染,三、大气污染源概念:向大气环境排放有害物质或对大气环境产生有害影响的场所、设备和装置。分类:按污染物质来源分：天然源和人为源。按污染源性状分：固定源和移动源。按污染物空间分布分：点源、线源和面源按污染物排放时间分：连续源、间断源和瞬时源。按人们的生活功能分：生活污染源、工业污染源和交通运输污染源等。,大气污染源,点污染源,面污染源,线污染源,生活污染源,工业污染源,交通污染源,第三节大气环境中污染物的化学转化,一、光化学反应定义：一个原子、分子、自由基或离子吸收一个光子引起的反应。前提：光辐射吸光物质（分子、原子、自由基）,能量来源,载体,一、光化学反应（一）光辐射特点光子：一个电子在两个能级之间做一次跃迁所发射出的电磁波叫一个光子能量差,普朗克系数,单光子频率,光速,波长,一、光化学反应（一）光辐射特点太阳波谱,380nm,760nm,2000nm,波长,290,145,55KJ/(g.mol),光量子激发电子运动约需200KJ/(gmol)的能量，因此，只有接近紫外线或光谱较低的可见光部分才能发生光化学反应。,一、光化学反应（二）吸光物质,激发：光解：直接反应：发生荧光：碰撞反应：,吸光物质（O2、CO、CO2、N2）,导致化学变化,回到初始状态,初级过程,一、光化学反应,一、光化学反应,次级过程,区别在于反应物：反应物是激发物种者为初级反应；为反应生成物者为次级反应。例：,初级反应,次级反应,次级反应,二、硫氧化物在大气中的化学转化SO2的氧化作用光化学氧化直接光氧化激发态分子直接与氧气反应生成SO3SO2吸收光子成激发态分子,高能量，不稳定,低能量，稳定,SO2的氧化作用光化学氧化直接光氧化3SO2被直接氧化：碰撞猝灭：,SO2的氧化作用光化学氧化间接光氧化二氧化硫与强氧化性自由基反应，再与氧气反应生成三氧化硫。自由基来自于一次污染物，如OH、HO2（过氧氢基）、RO2（过氧烃基），如：,SO2的氧化作用催化氧化均相中（气态），二氧化硫在光化学氧化作用下氧化成三氧化硫的速度非常慢；非均相中，二氧化硫被水滴吸附，再催化氧化成硫酸盐。自然状况下，非均相为主，如燃煤过程中有烟尘同时产生。,与氧气先反应，有水时形成湿沉降，无水时形成干沉降,铁、锰,三、氮氧化物在大气中的化学转化NO2的光化学反应,三、氮氧化物在大气中的化学转化NO2的化学反应与自由基、O3、NO3的氧化反应,三、氮氧化物在大气中的化学转化HONO的化学反应光解氧化,羟基自由基,第四节大气污染的控制技术,一、主要大气污染物控制技术（一）烟尘控制技术（二）二氧化硫净化技术（三）汽车尾气的催化净化,一、主要大气污染物控制技术（一）烟尘控制技术干式机械除尘装置湿式除尘装置过滤式除尘装置电除尘装置,沉降室旋风除尘惯性除尘,重力除尘器,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（气流速度一般为0.22.0m/s），较重颗粒在重力作用下缓慢向灰斗沉降。,重力沉降室,优点结构简单、投资少、操作维修管理容易压力损失小（一般为50100Pa）可处理高温、高湿含尘气体，并可回收干颗粒物。缺点体积大（气流速度一般为0.22.0m/s）效率低，一般只能去除50um以上大颗粒仅作为高效除尘器的预除尘装置，除去较大和较重的粒子,过滤式除尘装置,使含尘气流通过过滤材料将粉尘分离捕集的装置。根据过滤材料不同：采用滤纸或玻璃纤维等填充层作滤料的空气过滤器，主要用于通风及空气调节方面的空气净化；采用砂、砾、焦炭等颗粒物作滤料的颗粒层除尘器，在高温烟气除尘方面广泛应用；采用纤维织物作滤料的袋式除尘器，主要在工业尾气的除尘方面应用较广。,过滤式除尘装置,优点除尘效率高：去除1m及以下的颗粒,效率可达99%以上。适应性强、操作弹性大（对含尘浓度、处理气量以及气流速度变化均能稳定处理）；结构简单，使用灵活，便于回收干料。缺点其应用受滤布的耐温（小于300度）、耐腐等操作性能的限制。不适于粘结性强及吸湿性强的尘粒，特别是烟气温度不能低于露点温度（结露、堵塞）。若有少许破损，效率大大降低，且不易排查破损处。,袋式过滤除尘器示意图,密闭过滤式除尘装置,干式旋风除尘器示意图,惯性除尘器示意图,湿式除尘器,文丘里洗涤器,高压静电除尘器,阳极,阴极,静电除尘器示意图,一、主要大气污染物控制技术（一）烟尘控制技术选择除尘装置依据：选择除尘装置时要考虑处理粉尘的特性（温度、湿度、粒径大小、比电阻），还应考虑除尘装置的气体处理量，除尘装置的效率及压力损失等技术指标和经济性能指标。,一、主要大气污染物控制技术（二）二氧化硫净化技术燃料脱硫燃烧过程中脱硫烟气脱硫,（二）二氧化硫净化技术燃料脱硫煤炭洗选煤炭转化重油脱硫,重力分选法,煤气液化气,C-S,（二）二氧化硫净化技术燃烧过程中脱硫流化床燃烧脱硫，即将脱硫剂（石灰石或白云石）粉碎成与煤同样粒度（粒径在2mm左右），与煤同时加入炉内，在1073-1173K下燃烧，石灰石受热分解析出CO2，形成多孔的CaO进而与SO2作用,生成硫酸盐，以达到固硫的目的。,（二）二氧化硫净化技术烟气脱硫,湿法,干法,石灰/石灰石洗涤法双碱法海水脱硫氨吸收法氧化镁法,以湿法烟气脱硫为主的国家有日本（98%）、美国(92%)、德国(90%)等。,（二）二氧化硫净化技术选用原则排烟脱硫的工艺原理及过程应该简单、易于操作和管理；脱硫装置