导论Chapter5大气污染控制技术

1、环境科学与工程导论环境科学与工程导论华南理工大学环境科学与工程学院华南理工大学环境科学与工程学院吴锦华吴锦华 副教授副教授137110159871 1u刚刚过去的二十世纪发生的刚刚过去的二十世纪发生的8 8次重大的世界公害有次重大的世界公害有5 5次是由次是由于工业废气而引发的大气污染于工业废气而引发的大气污染( (其它其它3 3次为工业废水引发的次为工业废水引发的水源污染水源污染) )，造成大量的人畜死亡，森林、植物被毁，影，造成大量的人畜死亡，森林、植物被毁，影响极其深远。响极其深远。u自自18001800年以来，随着工业化和城市化的发展，废气排放量年以来，随着工业化和城市化的发展，废气排

2、放量逐年增加，特别是近逐年增加，特别是近5050年，大气污染程度远远超过前年，大气污染程度远远超过前150150年。年。u酸雨、粉尘、沙尘肆虐、气候变化异常、地球表面温度升酸雨、粉尘、沙尘肆虐、气候变化异常、地球表面温度升高、南北极冰川逐渐消融，南极上空臭氧层高、南北极冰川逐渐消融，南极上空臭氧层“空洞空洞”、大、大量森林被毁和量森林被毁和“沙漠化沙漠化” 。2 2中国大气污染中国大气污染1999年全国主要因燃烧煤炭产生的二氧化硫的排放量已年全国主要因燃烧煤炭产生的二氧化硫的排放量已到到1858万吨，烟尘排放量万吨，烟尘排放量1159万吨，工业粉尘排放量万吨，工业粉尘排放量1175万吨，万吨，

3、这些数字使中国成为世界上大气污染物排放量最大的国家之一。这些数字使中国成为世界上大气污染物排放量最大的国家之一。我国又是继欧洲、北美之后的世界第三大酸雨中心。我国又是继欧洲、北美之后的世界第三大酸雨中心。20年来，我国死亡率增幅最大的是肺癌，城市中每年来，我国死亡率增幅最大的是肺癌，城市中每10万万人就有近人就有近40人死于这种可怕的疾病。肺癌的死亡率与大气污染、人死于这种可怕的疾病。肺癌的死亡率与大气污染、特别是其中悬浮颗粒物中的多环芳烃等有机物有显著相关性。特别是其中悬浮颗粒物中的多环芳烃等有机物有显著相关性。广东大气污染状况广东大气污染状况城市首要污染物为氮氧化物，其次为总悬浮颗粒物和降

4、尘，二氧城市首要污染物为氮氧化物，其次为总悬浮颗粒物和降尘，二氧化硫污染相对较轻，空气质量较差的是广州、佛山和江门，梅州化硫污染相对较轻，空气质量较差的是广州、佛山和江门，梅州和河源较好。和河源较好。二氧化硫佛山和广州两市超标；二氧化硫佛山和广州两市超标；全省氮氧化物广州、佛山、深圳、东莞、中山和珠海六市超标；全省氮氧化物广州、佛山、深圳、东莞、中山和珠海六市超标；全省总悬浮颗粒物清远、云浮、江门、阳江、佛山和广州六市超全省总悬浮颗粒物清远、云浮、江门、阳江、佛山和广州六市超标。标。属于重酸雨区的城市有广州、韶关、深圳、佛山、江门、清远、属于重酸雨区的城市有广州、韶关、深圳、佛山、江门、清远、

5、东莞和潮州。东莞和潮州。4 4大气污染大气污染一、大气污染定义一、大气污染定义 由于人类活动或自然过程引起某些物质介入大气中，呈现出由于人类活动或自然过程引起某些物质介入大气中，呈现出足够的浓度和达到了足够的时间，而危害了人体的舒适、健康及足够的浓度和达到了足够的时间，而危害了人体的舒适、健康及福利。福利。5 5飘尘飘尘 10m 可长可长时间时间 漂浮漂浮于大气于大气降尘降尘 10m 在在较短时间内沉降到地面较短时间内沉降到地面总总悬浮微粒（悬浮微粒（TSP) 100m 的的所有固体颗粒所有固体颗粒 粉尘粉尘 (dust) 1 m 200m 先先悬浮后悬浮后沉沉降降烟烟 (fume) 0.01

6、m 1m 漂浮漂浮于大气于大气雾雾 (fog) 100m 悬浮悬浮于大气的于大气的小小水滴水滴飞灰飞灰 （fly ash) 特指特指燃料燃烧产生的较细的灰份燃料燃烧产生的较细的灰份黑烟黑烟 （smoke) 特指特指燃料燃烧产生的可见的气溶胶燃料燃烧产生的可见的气溶胶主要污染物主要污染物1、颗粒污染物分类、颗粒污染物分类 颗粒污染物是指固体粒子、液体颗粒污染物是指固体粒子、液体粒子或它们在气体介质中的悬浮体，又称为气溶胶状态污染物粒子或它们在气体介质中的悬浮体，又称为气溶胶状态污染物6 6 类类别别来来源源危危害害迁迁移移硫硫氧氧化化物物矿矿物物燃燃烧烧火火山山活活动动酸酸雨雨H2SO4或或 硫

7、硫 酸酸盐盐，干干、湿湿沉沉降降碳碳氧氧化化物物不不完完全全燃燃烧烧机机动动车车排排气气破破坏坏血血红红蛋蛋白白生生物物吸吸附附光光合合作作用用氮氮氧氧化化物物燃燃烧烧过过程程细细菌菌作作用用造造成成光光化化学学烟烟雾雾温温室室效效应应破破坏坏臭臭氧氧层层HNO3或或硝硝酸酸盐盐，干干、湿湿沉沉降降在在大大气气中中光光离离解解碳碳氢氢化化合合物物汽汽车车尾尾气气有有机机物物蒸蒸发发温温室室效效应应产产生生光光化化学学烟烟雾雾发发生生电电化化学学反反应应卤卤素素化化合合物物合合成成化化学学品品温温室室效效应应、破破坏坏臭臭氧氧层层人人体体氟氟危危害害在在大大气气中中破破坏坏臭臭氧氧层层气态污染物

8、分类气态污染物分类7 7刺激眼睛，破坏中刺激眼睛，破坏中枢神经，破坏植物枢神经，破坏植物生长生长影响呼吸系统功能影响呼吸系统功能 危害危害O3O3、PANPAN、醛、酮醛、酮硫酸雾、硫酸盐硫酸雾、硫酸盐 成分成分阳光照射下，阳光照射下，NONOX X、C CmHnmHn与氧化剂与氧化剂共同共同 反应生成的兰色烟反应生成的兰色烟雾雾SOSO2 2与水雾、重金属飘尘、与水雾、重金属飘尘、NONOX X共同反应共同反应 产生产生光化学烟雾光化学烟雾 硫酸烟雾硫酸烟雾 类别类别续表续表8 81. 按能源性质和污染物组成及反应按能源性质和污染物组成及反应2. 按排放源类型按排放源类型3. 按污染物产生类

9、型按污染物产生类型大气污染分类大气污染分类9 91 1、按能源性质和大气污染物组成及反应、按能源性质和大气污染物组成及反应污染物种类污染物种类燃料燃料性质性质一次污染物一次污染物二次污染物二次污染物煤烟型煤烟型煤煤烟气、粉尘、烟气、粉尘、SO2硫酸及其盐构成硫酸及其盐构成的气溶胶的气溶胶石油型石油型油油烯烃、烯烃、NO2、烷、醇、烷、醇、羰基羰基臭氧、氢氧基、臭氧、氢氧基、醛、酮、醛、酮、PAN混合型混合型煤煤+油油特殊型特殊型特殊燃特殊燃料料氯气、金属蒸汽、硫氯气、金属蒸汽、硫化氢、氟化氢化氢、氟化氢10102. 2. 按排放源类型按排放源类型 点源点源 面源面源 线源线源 连续源连续源 瞬

10、时源瞬时源3. 3. 按污染物产生类型按污染物产生类型 燃料燃烧燃料燃烧 工业生产工业生产 交通运输交通运输1111除尘器分类除尘器分类重力沉降室重力沉降室旋风除尘器旋风除尘器湿式除尘器湿式除尘器电除尘器电除尘器布袋除尘器布袋除尘器1212类别类别作用原理作用原理设备设备机械式机械式惯性力惯性力重力沉降室重力沉降室旋风除尘器旋风除尘器湿式湿式水流冲洗水流冲洗水膜除尘器水膜除尘器过滤式过滤式过滤介质捕集过滤介质捕集布袋除尘器布袋除尘器电除尘电除尘静电力静电力静电除尘器静电除尘器1313重力沉降室除尘效率：除尘效率：40407070优点：简单、投资少、易维护优点：简单、投资少、易维护缺点：占地大，

11、除尘效率低缺点：占地大，除尘效率低应用：初级除尘应用：初级除尘重力沉降室重力沉降室 重力沉降室是利用重力作用使尘粒自然沉降而从气流中分重力沉降室是利用重力作用使尘粒自然沉降而从气流中分离的一种最简单的除尘装置。离的一种最简单的除尘装置。 这种装置具有构造简单、造价低、耗能小、便于维护管理这种装置具有构造简单、造价低、耗能小、便于维护管理的特点，而且可以处理高温气体，处理最高烟气温度一般的特点，而且可以处理高温气体，处理最高烟气温度一般为为350-550，其阻力一般为，其阻力一般为50-130Pa。 重力沉降室体积较大，除尘效率较低，一般为重力沉降室体积较大，除尘效率较低，一般为40%-60%，

12、且只能去除粒径大于且只能去除粒径大于40-50 m的大颗粒，一般作为预的大颗粒，一般作为预除尘除尘器使用。器使用。15151616不同粒径的尘粒的沉降速度可用不同粒径的尘粒的沉降速度可用Stokes公式求出公式求出沉降室内气流的速度由粉尘的密度和粒径来确定，沉降室内气流的速度由粉尘的密度和粒径来确定，一般为一般为0.2-2.0m/s。ggppsgdv18)(2旋风除尘器各部件对除尘效率的影响各部件对除尘效率的影响除尘效率：平均除尘效率：平均80左右左右优点：简单、投资少、易操作优点：简单、投资少、易操作缺点：磨损严重，旋风子易堵缺点：磨损严重，旋风子易堵应用：多级除尘的预除尘应用：多级除尘的预

13、除尘旋风除尘器原理示意图旋风除尘器原理示意图筒体直径筒体直径 筒体高度筒体高度H 排气管伸入排气管伸入 筒体的深度筒体的深度 排灰口排灰口影响因素影响因素19192020旋风除尘器旋风除尘器旋风除尘器是使含尘气体作旋转运动，利用离心力作用将尘旋风除尘器是使含尘气体作旋转运动，利用离心力作用将尘粒从气流中分离并捕集下来的装置。粒从气流中分离并捕集下来的装置。这种除尘器历史悠久（应用近这种除尘器历史悠久（应用近100年）、应用广泛（遍及多年）、应用广泛（遍及多种工业部门）、型式繁多（达百种以上）、结构简单、没有种工业部门）、型式繁多（达百种以上）、结构简单、没有运动部件、造价便宜、维护管理方便，除

14、尘效率一般达运动部件、造价便宜、维护管理方便，除尘效率一般达85%-90%。2121旋风除尘器的构造旋风除尘器的构造旋风除尘器由进气管、筒旋风除尘器由进气管、筒体、锥体和排出管组成。体、锥体和排出管组成。旋风除尘器可分为单管、旋风除尘器可分为单管、多管和组合式三类。多管和组合式三类。按入口方向可分为切向入按入口方向可分为切向入口和轴向入口口和轴向入口按入口位置可分为上入口按入口位置可分为上入口和下入口。和下入口。通常为干式，如同时喷淋通常为干式，如同时喷淋液体则为湿式液体则为湿式2222工作原理工作原理u含尘气流从切线进口进入除尘器后，沿外壁由上向下作旋含尘气流从切线进口进入除尘器后，沿外壁由

15、上向下作旋转运动，这股向下旋转的气流称为外旋流。转运动，这股向下旋转的气流称为外旋流。u外旋流达到锥体底部之后，转而向上旋转，最后经排出管外旋流达到锥体底部之后，转而向上旋转，最后经排出管排向机外。这股向上旋转的气流称为内旋流。排向机外。这股向上旋转的气流称为内旋流。u外旋流和内旋流的旋转方向是相同的。外旋流和内旋流的旋转方向是相同的。2323湿式除尘器除尘效率除尘效率：90以上以上优缺点优缺点几种常用湿式除尘器几种常用湿式除尘器水膜除尘器、水膜除尘器、 斜棒栅式除尘器、斜棒栅式除尘器、文丘里式除尘器、文丘里式除尘器、 喷淋塔式除尘器喷淋塔式除尘器应用应用：中、小型机组采用，中、小型机组采用，

16、 大型机组一般不采用大型机组一般不采用Gaseous emission controlGaseous emission controlGas OutletGas InletLiquid PoolLiquid inletLiquid outlet2525Particle collectorsGas outletWater inletWater outletGas inlet2626Venturi Scrubber2727Plate Scrubber Plate Scrubber （板式）（板式）Liquid outGas outLiquid inGas inplates2828Packed Be

17、d ScrubberPacked Bed Scrubber（填料式）（填料式）2929Preformed Spray Scrubber Preformed Spray Scrubber （喷雾式）（喷雾式）3030Preformed Spray Scrubber Preformed Spray Scrubber （喷雾式）（喷雾式）3131Gas-Atomized Centrifugal Scrubber Gas-Atomized Centrifugal Scrubber （气体雾化）（气体雾化）3232气体雾化气体雾化3333 水膜除尘器原理 湿式除尘和旋风除尘结湿式除尘和旋风除尘结合起来，

18、提高效率，减合起来，提高效率，减少磨损少磨损 溢流水槽的设计使内溢流水槽的设计使内壁水膜均匀壁水膜均匀设计特点：设计特点：3434文丘里式文丘里式效率：效率：95以上以上液气比：液气比： 0.261.30kg/m33535效率：效率：99以上以上液气比：液气比：0.672.68kg/m3喷淋塔式喷淋塔式3636缺点能耗大，耗水量大能耗大，耗水量大有废液、泥浆处理问题有废液、泥浆处理问题在寒冷地区使用需防冻在寒冷地区使用需防冻 可同时除尘和除有害气体可同时除尘和除有害气体 结构简单，造价低结构简单，造价低 能处理湿度大、温度高的气体能处理湿度大、温度高的气体优点优点3737除尘效率：除尘效率：9

19、9.5以上以上按清灰方式分类按清灰方式分类 机械振打式机械振打式 逆气流式逆气流式 脉冲反冲式脉冲反冲式优缺点优缺点应用：对布袋不易造成腐蚀的气体的除尘应用：对布袋不易造成腐蚀的气体的除尘工作步骤：工作步骤： 1.过滤过滤 2.清灰清灰布袋除尘器原理示意图布袋除尘器原理示意图布袋除尘器外观实例布袋除尘器外观实例3939优点缺点 结构简单，造价及运行费用低结构简单，造价及运行费用低 可提高干法脱硫的脱硫率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处理高温、高湿度、腐蚀性气体应慎选滤袋 滤袋易破损滤袋易破损 阻力损失大阻力损失大 除尘效率高，处理量大除尘效率高，处理量大 体积和

20、占地面积都很大体积和占地面积都很大4040工作原理及工作原理及设备设备构造构造优缺点优缺点除尘效率：除尘效率：99以上以上应用应用：300MW以上机组均采用以上机组均采用静电除尘器原理、构造静电除尘器原理、构造主要构件：主要构件： 电晕极电晕极 集尘极集尘极 清灰装置清灰装置外形图外形图4242静电除尘器外形静电除尘器外形4343优点除尘效率高能耗低，压损小处理烟气量大，耐高温缺点钢耗大，占地面积大制造、安装、运行的要求高对粉尘特性敏感44444545挥发性有机污染物挥发性有机污染物 ( (VOCsVOCs) )控制技控制技术术现状现状p 每年排放量每年排放量2000万吨万吨p 广广东东珠三角

21、地区是重珠三角地区是重污污染区：染区： 四四氯氯乙乙烯烯、三、三氯氯甲甲烷烷、苯、苯、 甲苯、硝基苯等甲苯、硝基苯等4747理化特性理化特性蒸气蒸气压压 0.01 psia (0.0007atm)沸点沸点 260 碳碳氢氢化合物化合物水溶性、脂溶性水溶性、脂溶性4848控制技术控制技术吸附吸附吸收吸收燃烧燃烧冷凝冷凝4949吸附吸附 把气体中的污染物如气体和液体吸附在颗粒表面进行分把气体中的污染物如气体和液体吸附在颗粒表面进行分离的技术，常用的吸附剂有活性炭、树脂、分子筛等。离的技术，常用的吸附剂有活性炭、树脂、分子筛等。5050吸附过程种类吸附过程种类两种类型两种类型物理吸附物理吸附通过分子

22、力吸附在吸附剂表面，过程可逆。通过分子力吸附在吸附剂表面，过程可逆。化学吸附化学吸附通过化学键吸附在吸附剂表面，过程不可逆。通过化学键吸附在吸附剂表面，过程不可逆。5151活性炭吸附及再生活性炭吸附及再生5252置换置换 & & 再生再生吸附饱和吸附饱和 置换置换无法再生时置换吸附剂无法再生时置换吸附剂再生再生通过物理或化学的方法使污染物从吸附剂上脱附通过物理或化学的方法使污染物从吸附剂上脱附实现吸附剂再生、污染物去除或资源化利用实现吸附剂再生、污染物去除或资源化利用5353活化活化原始材料原始材料水果皮水果皮, , 果核果核煤煤, , 植物纤维植物纤维 石油物石油物 绝氧焙烧

23、绝氧焙烧 15601560o o to 1740 to 1740o o F F 产物产物 多孔性活性炭多孔性活性炭5454活性炭活性炭granularpelletizedpowderedcoconut shell, 3500X magnification5555活性炭吸附塔活性炭吸附塔5656活性炭吸附塔活性炭吸附塔5757吸收吸收Absorption is the mass transfer of pollutants from the gas to the liquid phase which is driven by a concentration gradient at the gas

24、-liquid interfaceAbsorption is useful whenthe concentration of pollutant in gas is highthe gas is highly soluble in the solventpollutants are inorganic compounds such as hydrocarbons5858吸收的应用吸收的应用Choosing an Absorbent chemically similar to the absorbaterelatively nonvolatilenoncorrosive, nonflammabl

25、einexpensive and readily availablelow viscosity, low freezing pointlow in toxicity, chemically stable5959填料填料Packing material is used to increase the surface area of the tower, which improves collection efficiencyeach shape has a unique surface area and associated gas pressure dropRaschig ringPall r

26、ingTelleretteBerl SaddleIntalox Saddle6060PROCESS DESCRIPTIONPROCESS DESCRIPTIONDefinition: Absorption process is the transfer of gaseous contaminants from a gas phase to a liquid phase.Technical terms: absorbent: liquid to absorb gas contaminants (e.g. water); absorbate: gaseous contaminants (SO2,

27、H2S, NH3?); carrier gas: inert portion of gas stream (e.g. air); interface: area where two phases contact; solubility: capability of a contaminant dissolving in a liquid.PROCESS DESCRIPTIONPROCESS DESCRIPTION1) No chemical reactions for the contaminants with large solubility in absorbent:2) Chemical

28、 reactions exist between contaminants and absorbent for less soluble contaminants: H2S (gas)H2S (dissolved in water)NH3 (gas) NH3 (dissolved in water)Two types of absorption process:NaOH + SO2 + O2Na2SO4 + H2OHCl (gas)HCl (dissolved in water)EQUIPMENT DESCRIPTION(Venturi Scrubbers)Characteristics: h

29、ighest collection efficiencies; high pressure drop; different design based on the water injection and throat type; relatively shorter contact time between gas and liquid; lower gas rates and high liquid-to-gas ratios for efficient absorption.EQUIPMENT DESCRIPTIONEQUIPMENT DESCRIPTION(Spray tower)(Sp

30、ray tower)Characteristics: simplest device; low pressure drop; low removal efficiency; suitable for extremely soluble contaminants;(liquid, e.g. water)EQUIPMENT DESCRIPTIONEQUIPMENT DESCRIPTION(Packed column)(Packed column)dirty air clean airCharacteristics: most common equipment; large surface area

31、 for gas-liquid contact; packing materials determine surface area and cost; pressure drop from 0.25 to 1 in./ft.焚烧焚烧Combustion alters the chemical form of the pollutant by oxidizing it to a specific end product, evolving heat in the process fueloxidized productsoxidant incomplete productsdiluent dil

32、uentCombustion is useful whenAdsorption and absorption are not feasible6666焚烧焚烧为维为维持燃持燃烧烧的的进进行，需要外加行，需要外加热热源源. an outside source of heat energy must be provided.inject enough fuel gas into the air-rich effluent to bring a portion of the mass into the combustible range and thereby heat the remainder

33、to the ignition temperature. 6767焚烧焚烧Residence time varies with effluent type, method of incineration, and burner type turbulence Incomplete combustiontemperature, residence time, or mixing ratioby products.secondary control systems6868火焰焚烧火焰焚烧American Environmental International, Inc. (AEI)6969硫化物控

34、制技硫化物控制技术术几类污染物的污染特性几类污染物的污染特性SO2NOxNH3VOC PrimaryPMAcidification Eutrophication Ground-levelozone Health impactsfrom fineparticles(via secondary aerosols) 7171SO2控制技术选择控制技术选择Low sulfur coal, cokeLow sulfur heavy fuel oilLow sulfur gas oilLimestone injection/Fluidized bed combustionFlue gas desulfur

35、ization (FGD)Advanced flue gas desulfurization7272SOSO2 2 的消减的消减两种途径两种途径：-稀释作用：稀释作用：-转化成无害或有价值的化合物转化成无害或有价值的化合物7373燃煤中消减燃煤中消减SOSO2 2燃煤清洗燃煤清洗: 通过清洗或者脱硫技术，降低硫在燃煤中的含量通过清洗或者脱硫技术，降低硫在燃煤中的含量 化学转化化学转化: 通过通过Ca(OH)2或或 CaCO3在烟气中脱硫在烟气中脱硫(g)CO (s)CaSO (s)CaCO (g)SOO(l) H (s)CaSO (aq)Ca(OH) (g)SO23322322烟气脱硫烟气脱硫

36、7474SOSO2 2 在燃煤中的消减在燃煤中的消减煤转化煤转化: 硫被气化并与水气反应硫被气化并与水气反应生成硫化氢生成硫化氢, H2SH2S 可以通过以下反应得以消减可以通过以下反应得以消减:注：目前应用和推广的脱硫技术主要是燃煤清洗和碱吸收注：目前应用和推广的脱硫技术主要是燃煤清洗和碱吸收O H2 S 3 SO S H2222部分氧化部分氧化化学还原化学还原7575氮氧化物控制技氮氧化物控制技术术Emissions of ConcernHydrocarbonsNitrogen Oxides (NOx)toxicityphotochemical smogCarbon MonoxideOth

37、er Emissions32222222222222OOOsmogONOsunlightNOHOHOHO2ON2NONOONOHNOOHNOHNOOHNONOONNNONO217777Emissions of ConcernHydrocarbonsNitrogen OxidesCarbon Monoxide (CO)toxicityOther Emissions222222yxCOHCOOHCOz2OH2yCO) z2x(Oz4yxHC7878Emissions of ConcernHydrocarbonsNitrogen OxidesCarbon MonoxideOther Emission

38、ssmogacid raintoxicity322242233222222222yxSOHOHSOSOHOHSOSO2OSO2SOSOSHSHOCHR) s (dCcCOObHaCOzOHC7979Catalytic ConverterAdvantagesoxidizes HCs and CO and reduces NOx to H2O, CO2, and N2most effective technology to dateDisadvantagesoperates only for a narrow range of fuel/air ratiosNOx-richCO, HC-leaninefficient at temperatures below 400Closs of efficiency with agepoisoning of catalystsulfur and phosphorus8080CatalystsOxidationPlatinumoxidizes CO & HCCerium Oxide