大气污染控制工程

1. 环境工程学 大气污染控制工程 黄 智

2. 大气污染 (Air Pollution) 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。 空气污染与大气污染

3. 污染源 大气状态 污染汇 排放 排放速率、类型 源的结构 散布 垂直和水平散布 稳定度，湍流、风 转化 化学反应 排除 城建、清洗、吸收 碰撞 接受体反应 健康影响 植物损害 污染、腐蚀 • 大气污染流程图

4. 研究大气污染问题主要在于： • 查明污染物的来源； • 查明污染物在大气中的物理和化学行为； • 研究污染物对人体、动物、食品等的影响； • 研究控制途径和方法； • 立法管理。

5. 第六章 大气质量 • 大气的结构及组成 • 大气污染 • 大气质量控制标准 • 大气污染控制的基本方法

6. 第一节 大气结构及组成 • 大气结构 • 大气圈的概念 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。 • 大气圈的分层 对人类影响最大 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） 含有臭氧

7. 第一节 大气结构及组成 • 大气组成 自然状态下的大气由混合气体、水汽和悬浮微粒组成。 干洁空气：除去水汽和微粒的空气，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，它们各自的容积百分数见表6-1。 当空气中某种物质的含量远大于表6-1中所列物质的含量时，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。）

8. 第二节 大气污染 • 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。 • 大气污染的分类 按大气污染的范围可分为： • 局部地区大气污染 • 区域性大气污染 • 广域性大气污染 • 全球性大气污染

9. 第二节 大气污染 • 大气污染物的种类 • 颗粒污染物 漂尘 降尘 粉尘 (dust) 烟 (fume) 飞灰 (fly ash) 黑烟 (smoke) 雾 (fog) 总悬浮微粒 (TSP) 根据物理性质的不同分 • 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 Photochemical Smog 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 Sulfurous Smog

10. 第二节 大气污染 • 大气污染物的来源和发生量 无法预测 无法防止与控制 • 自然活动的排放源 工业生产过程 交通运输 燃料燃烧 • 人类活动的排放源 • 我国大气污染状况 我国大气污染物主要来源是燃料燃烧。从全国范围看，我国大气污染仍以煤烟型污染为主，大气污染物主要是烟尘和SO2；但由于城市机动车数量的剧增，一些大城市的大气污染已呈现出以机动车尾气污染为主的趋势。 我国的能源消费结构中，煤炭占73.5%、石油和天然气分别占18.6% 、2.2%，与世界平均煤炭占27% 、石油占39.5% 、天然气占23.5% 的消费结构距离较大。 • 全球性大气环境问题

11. 全球性大气环境问题 • 酸雨 (Acid Rain) • 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。

12. 全球性大气环境问题 • 温室效应 (Greenhouse Effect) • 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。

13. 全球性大气环境问题 • 臭氧层空洞 (Depletion of the Ozone Layer) • 臭氧层的位置及其作用 在大气圈约25km高空的平流层底部，有一个臭氧浓度相对较高的小圈层，即为臭氧层。 臭氧含量虽然极其微少，却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)，保护了人类和生物免遭紫外线辐射的伤害。 • 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。

14. 第三节 大气质量控制标准 • 大气质量控制标准 大气环境标准为控制和改善大气质量，保护人体健康和生态环境，限制大气环境中的污染物而制订。它包括大气环境质量标准、大气污染物排放标准、大气污染控制技术标准、大气污染警报标准等。 • 大气环境质量标准（Ambient air quality standard) 空气环境质量标准（GB3095-1996） • 大气污染物排放标准（ Emission standard of air pollutants） • 工业“三废”排放试行标准（GBJ 4-73） 大气污染物综合排放标准（GB 16297-1996） • 其它标准：锅炉大气、火电厂大气、工业窑炉、水泥厂、炼焦炉、恶臭污染物、轻型汽车排气污染物等排放标准。 参见《实用环境工程手册 大气污染控制工程手册》

15. 第三节 大气质量控制标准 应以大气环境质量标准或卫生标准为依据，综合考虑控制技术的可能性和经济合理性，再结合各地区的地形地物等的差异来确定排放标准。 • 污染物排放标准的制订方法 • 按污染扩散规律推算排放标准 以大气环境质量标准或卫生标准为依据，应用污染物在大气中的扩散规律和计算模式推算出不同烟囱高度下的容许排放量；或者根据污染源的排放量，推算出最低烟囱高度。 • K值法计算排放标准 地区系数 日本：K值法(对SO2) ★这个公式的实质是限制每个烟囱排出SO2的最大落地浓度，因为K值与最大落地浓度有直接的关系。规定了K值也就确定了SO2最大允许落地浓度。 我国1983年实施的《制定地方大气污染排放标准的技术原则和方法》中对SO2等有害气体和电站烟尘的排放，采用了P值法控制。 我国：P值法控制 排放指标

16. 第三节 大气质量控制标准 • “总量控制”标准 “总量控制”标准是对整个地区排放污染物总量加以限定的方法，它是根据各个地区环境自净能力，即环境容量，确定出该地区允许污染物排放总量，再按责任分担，计算出各个污染源的允许排放量。 这里的“总量”由环境容量确定，但并不是单指环境容量，而是为了满足环境标准计算出来的地区允许排放的容量。 这种方法克服了单纯依靠同一排放标准或大气环境质量标准管理环境的缺点，是制定排放标准的较好的方法。 我国国家环保局于1991年8月31日颁布的《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》（GB/T 13201-91）中，使用控制区排放总量允许限值控制大气污染的方法制定地方大气污染物排放标准。

17. 第四节 大气污染控制的基本方法 • 大气污染控制的基本方法 • 大气污染控制的含义 • 从立法角度 • 从大气污染的防止角度 本书将探讨降低大气污染的一些工程问题，主要是讨论向大气排放各种废气中的污染物的除去问题，即所谓除污过程的原理、装置及设计。 • 废气排放控制系统 • 污染物的捕集 是对工艺过程中散发的含污染物 的气流进行收集，是保证生产和生活环境能否达到卫生标准的关键步骤。捕集装置绝大多数成罩子形状,故常称它为集气罩。

18. 集气罩的分类 按集气罩与污染源的相对位置、围档情况及气体的流动方式，可以把集气罩分为四类。 • 密闭集气罩 • 半密闭集气罩 • 外部集气罩 • 吹吸式集气罩

19. 密闭集气罩：将污染源密闭起来的一种集气罩。密闭集气罩：将污染源密闭起来的一种集气罩。 作用原理：使污染物的扩散限制在一个很小的密闭空间内，仅在必须留出的罩上开口缝隙处吸入若干室内空气，使罩内保持一定负压，达到防止污染物外逸的目的。 特点：与其它类型集气罩相比，所需排风量最小，控制效果最好，且不受室内横向气流的干扰。所以，在设计中应优先考虑选用。 一般来说，密闭集气罩多用于粉尘发生源，常称为粉尘密闭罩。

20. 半密闭集气罩：也称箱式集气罩或排气柜。 由于生产工艺的需要，在罩上开有较大的操作孔。操作时，通过孔口吸入的气流来控制污染物外逸。其捕集机理与密闭罩一样，可视为开有较大孔口的密闭罩。 特点：控制效果好，排风量比密闭罩大，而小于其它型式的集气罩。

21. 外部集气罩：也称箱式集气罩或排气柜。 由于工艺条件的限制，有时无法对污染源进行密闭，则只能在其附近设置外部集气罩。 作用原理：依靠罩口外吸入气流的运动实现捕集污染物。 特点：由于外部集气罩的吸气方向与污染气流运动的运动方向往往不一致，一般需要较大风量才能控制污染气流的扩散，而且容易受室内横向气流干扰，致使捕集效率降低。

22. 吹吸式集气罩：也称箱式集气罩或排气柜。 当外部集气罩与污染源距离较大，单纯依靠罩口的抽吸作用往往控制不了污染物的扩散，则可以在外部集气罩的对面设置吹气口，将污染气流吹向外部集气罩的吸气口，以提高控制效果。 特点：由于吹出气流的速度衰减得慢，以及气幕的作用，使室内空气混入量大为减少，所以达到同样的控制效果时，要比单纯采用外部集气罩节约风量，且不易受室内横向气流的干扰。

23. 长期悬浮于大气中的微细粒子，能通过呼吸系统进入肺部，特别是含有重金属的微粒对人的危害更大，因此，颗粒污染物控制技术日益受到重视。长期悬浮于大气中的微细粒子，能通过呼吸系统进入肺部，特别是含有重金属的微粒对人的危害更大，因此，颗粒污染物控制技术日益受到重视。 • 颗粒污染物控制 颗粒污染物控制的方法和设备主要有四类: • 机械力除尘器： 通过质量力的作用达到除尘目的。 重力沉降室 惯性除尘器 旋风除尘器 声波除尘器 • 过滤式除尘器： 用多孔过滤介质来分离捕集气体中的尘粒。 袋式过滤器 颗粒层过滤器 • 静电除尘器： 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。 干式静电除尘器 湿式静电除尘器 • 湿式除尘器

24. 湿式除尘器： 利用液体所形成的液膜、液滴或气泡来洗涤含尘气体，使尘粒随液体排出，气体得到净化。 泡沫除尘器 喷雾塔 填料塔 冲击式除尘器 文丘里洗涤塔 • 在四类除尘器中机械力除尘器的应用最广，它们常常被用作为高效除尘器的前级预除尘器。文丘里洗涤器、过滤式除尘器和静电除尘器属于高效除尘器。 • 实际应用中，常常把一种机械除尘器与后三类除尘器的任一种配合使用,除尘效率可达95%以上。

25. 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 膜分离 • 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： 催化转化 燃烧法 生物处理法 电子束法

26. 吸收净化 吸收是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。 捕集效率高、设备简单、一次性投资低。 广泛地用于气态污染物的处理，例如：SO2、H2S、HF、NOx等。 物理吸收；化学吸收。 吸附净化 使气体混合物与适当的多孔性固体接触，利用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，达到气体混合物分离的目的。 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。

27. 冷凝净化 冷凝法是利用气态污染物在不同温度及压力下具有不同的饱和蒸汽压，在降低温度和加大压力下，某些污染物凝结出来，以达到净化或回收的目的。 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 。 接触冷凝 表面冷凝 膜分离法 使气体混合物在压力梯度作用下，透过特定薄膜，因不同气体具有不同的透过速度，从而使气体混合物中不同组分达到分离的效果。 过程简单，控制方便，操作弹性大，能在常温下工作。 目前已用于石油化工、合成氨气中回收氢、天然气体净化、空气中氧的富集、以及CO2的去除与回收等。

28. 催化转化 使气态污染物通过催化剂床层，经历催化反应，转化为无害物质或易于处理和回收利用的物质。 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。 净化效率较高，在净化过程中可直接将主气流中的有害物转化为无害物，避免了二次污染；但催化剂价格高，操作要求高，难以回收有用物质。 燃烧法 利用氧化燃烧或高温分解的原理把有害气体转化为无害物质的方法。该方法可回收燃烧后产物或燃烧过程中的热量。 直接燃烧 热力燃烧 催化燃烧

29. 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。 主要的处理方法：吸收法；过滤法。 电子束照射法 可用于脱除硫氧化物、氮氧化物。

30. 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。 稀释法控制包括大气扩散和烟囱设计两方面的内容。

31. 参 考 书 目 • 《实用环境工程手册 大气污染控制工程手册》化学工业出版社 • 《大气环境和污染控制基础》化学工业出版社 • 《有害气体控制工程》化学工业出版社 • 《工业废气净化与利用》化学工业出版社 • 《环保设备——原理、设计、应用》化学工业出版社 • 《大气污染控制工程》高等教育出版社 • 《三废治理与应用》冶金工业出版社 • 《国家环境保护最佳实用技术汇编》中国环境科学出版社