第三章 大气污染与防治.ppt

1、第三章 大气污染与防治,第一节 大气的污染,一、大气的组成,二、大气污染及污染源,1、大气污染的定义大气污染是指由于人类活动或自然过程使得某些物质进入大气，呈现出足够的浓度，达到了足够的时间，并因此危害了人体的舒适、健康和人们的福利，甚至危害了生态环境。 大气污染的分类：局部地区污染、地区性污染、广域性污染和全球性污染。,2、大气污染源的分类,（1）按污染源存在的形式分： 固定污染源和移动污染物； （2）按污染物排放的方式分： 点源（高架源）、面源、线源和体源； （3）按污染物排放的时间分： 连续源、间断源和瞬间源； （4）按污染物产生的类型分： 工业污染源、生活污染源、交通运输源和农业污染源

2、 （5）按主要污染物分类统计分： 燃料燃烧、工业生产和交通运输,三、大气污染物,（一）大气污染物的概念与分类 1、定义大气污染物是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。,2、分类 （1）按存在方式分： 气溶胶状态污染物（颗粒物）和气态污染物； （2）按污染物形成的方式分： 一次污染物和二次污染物 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生成的与一次污染物性质不同的新污染物质。 （3）按化学成分分： 含硫化合物、含氮化合物、含碳化合物、卤代化合物、尘类颗粒物、有机化合物、放射性物质和其它有毒物质。,（二）主要大气污染

3、物,1、颗粒物 （1）颗粒物的粒度、性质和成因,（2）几种颗粒物的区分 （a）粉尘（dust） 粒径1200微米，主要机械作用或是土壤、岩石的风化形成的，如粘土粉尘、煤粉等。 （b）烟（fume） 粒径0.011微米，主要由冶金过程熔融物质挥发后生成的气态物质的冷凝物，如PbO烟、ZnO烟等。 （c）飞灰（fly ash） 燃料燃烧产生的烟气排出的分散的较细的灰分。 （d）黑烟（smoke） 燃料燃烧产生的能见气溶胶。 （e）雾（fog） 气体中液滴悬浮体的总称，如水雾、酸雾、油雾。,（3）几个重要的指标 （a）总悬浮颗粒物（TSP，Total Suspended Particulate ）：

4、悬浮于空中，空气动力学当量粒径小于等于100微米的颗粒物； （b）可吸入颗粒物（PM10）：悬浮于空中，空气动力学当量粒径小于等于10微米的颗粒物； （c） PM2.5：悬浮于空中，空气动力学当量粒径小于等于2.5微米的颗粒物； （d）降尘：颗粒粒径大于10微米的颗粒物； （e）飘尘：颗粒粒径小于10微米的颗粒物。,（4）危害 遮挡阳光，使气温降低，或形成冷凝核心，使云雾和雨水增多，以致影响气候 ；使可见度降低，交通不便，航空与汽车事故增加； 可见度差，照明耗电增加，燃料消耗随之增多，因此空气污染也更严重形成恶性循环； 燃煤时生成的SOx，再加上微粒的作用，对呼吸系统的危害特别大； 用四乙基铅

5、作汽油的防爆剂时，排入空气中的铅有97为直径小于0.5微米的微 粒，分布很广，危害很大。,2、一氧化碳（CO）,性质：无色、无味、无臭的气体；有毒，能与氧气争夺血液中的血色素，使血液携带氧气能力大大降低，使人体缺氧而窒息。 数量：是城市大气中数量最多的污染物（约占大气污染物总量的1/3）。 主要来源：汽车尾气。,3、氮氧化物（NOx）,（1）主要污染物：NO、NO2 （2）性质：棕黄色、有刺激性气味（黄龙）； （3）主要来源：燃料燃烧、汽车尾气、部分生产或使用硝酸的工厂排放的尾气； （4）燃烧过程中NOx的产生情况：热力（热解）NOx、燃料（燃烧）NOx和瞬时NOx。 （5）危害： （a）毁坏

6、棉花，尼龙等织物； （b）损害植物使柑桔落叶、发生萎黄病和减产； （c）引起急性呼吸道病变。会导致光化学烟雾。,4、碳氢化合物（CxHy）,（1）主要来源： 自然源生物分解；（CH4） 人为源不完全燃烧和有机物的挥发。 （2）主要危害 能生成有害的光化学烟雾。,5、硫氧化合物（SOx）,（1）主要污染物：SO2、SO3 （2）性质：有刺激性气味；SO2能与水反应生产亚硫酸；SO3能与水反应生成硫酸。 （2）主要来源：矿物燃料的燃烧； （3）危害： （a）对人体健康造成危害，还有促癌作用； （b）会形成硫酸烟雾，危害更大；（SOx与颗粒物（主要是FeO）的混合物，经过化学反应生成硫酸， 如伦敦烟

7、雾事件 。） （c）对植物造成伤害，破坏叶面结构； （d）腐蚀材料。,6、光化学烟雾洛杉矶烟雾,（1）产生： 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）。 （2）主要成分：臭氧（O3）、过氧乙酸硝酸酯（PAN）、酮类、醛类等。 （3）危害 （a）刺激眼睛； （b）臭氧会引起胸部压缩、刺激粘膜、头痛、咳嗽、疲倦等症状； （c）臭氧能损害有机物质； （d）可能会引起哮喘病的增多，还会引起植物毁坏。,四、大气污染与人体健康,1、引起空气污染事故2、慢性健康影响慢性气管炎、气喘病、肺癌,第二节 大气污染气象学,一、大气圈垂直结构

8、气象要素（气温、气压、大气密度、大气成分等）的垂直分布 1、气温的垂直分布 （1）对流层（平均12km） 大气边界层（12km）、近地层（50100m） （2）平流层（对流层顶到5055km） （3）中间层（平流层顶到85km） （4）暖层（热层或电离层）（中间层顶到800km） （5）逸散层（外层）（暖层顶以外）,2、大气压力的垂直分布 随高度的升高而降低，可用气体静力学方程描述； 3、大气密度的垂直分布 与大气压力的变化规律几乎相同； 4、大气成分的垂直分布 取决于分子扩散和湍流扩散的强弱 （1）8085km以下，以湍流扩散为主，称为均质层； （2） 8085km以上，以分子扩散为主，称为

9、非均质层；,二、影响空气污染的气象因素,1、风 （1）风的概念 水平方向的空气运动称为风，风是一个矢量，具有大小和方向。 风速用来表示风的大小，风向是指风的来向。 风速：u3.02F 3/2 （km/h） 式中F为风力等级，012级,（2）风对空气污染的影响 风速的大小决定着污染物的扩散和稀释状况，通常污染物在大气中的浓度与平均风速成反比； 风向影响污染物的扩散方向。 （3）风玫瑰图（风向频率玫瑰图、风向频率、风速联合玫瑰图、污染系数玫瑰图） 污染系数风向频率该风向的平均风速 风向频率是指吹某一方向的风的次数与总观测次数的比值。,（4）风随高度的变化 大气边界层风速廓线模式u2为距地面高度为Z

10、2处10min的平均风速，m/s； u1为距地面高度为Z1处10min的平均风速，m/s； P为风速高度指数，与大气稳定度及地形有关。,2、大气稳定度,（1）干绝热直减率d 干绝热递减率，干空气块或未饱和的湿空气块在绝热条件下，每升高单位高度所造成的温度下降数值。通常取100米表示， rd=0.98/100m或0.98 K /100m，一般取rd=1/100m,（2）大气的降温率（垂直递减率）,（3）温度层结 大气的温度和密度在垂直方向上的分布,温度层结曲线,1：正常（递减）层结 1；2：中性层结=1 ； 3：等温层结=0 ； 4：逆温0,(4)大气稳定度 概念：垂直方向大气的稳定程度。 判断

11、：假如一空气块由于某种原因受到外力的作用，产生了上升或下降运动后， 可能发生三种情况：(a)当外力去除后，气块就减速并有返回原来高度的趋势，称这种大气是稳定的； (b)当外力去除后，气块加速上升或下降，称这种大气是不稳定的； (c)当外力去除后 ，气块静止或作等速运动，称这种大气是中性的。 判据：当 d时大气处于不稳定状态； 当= d时，大气处于中性平衡状态； 当 d时，大气处于稳定平衡状态。,（5） 不同温度层结下的烟型 翻卷型 锥型 平展型 上升型 熏烟型,（5）逆温,种类及其产生原因： （a）下沉逆温； （b）辐射逆温； （c）平流逆温； （d）湍流逆温； （e）锋面逆温。,3、降水的影

12、响 能有效地吸收、淋洗空气中的各种污染物。4、雾的影响 雾会使空气污染状况加剧。,5、空气污染“事故日”与污染指数 事故日：连续几天低混合高度、低风速和无雨 发生事故日的条件是：持续2天混合层高度小于1500米，风速小于4m/s和无雨。 污染指数Id ： Idsp/（vh）Id为d方向的污染指数； s为大气稳定度；p为降水；v为风速；h为混合层高度。 s、p、v和h的值是按实际气象资料的数值转换为无量纲的相对值。 Id0.8时，为清洁大气，即该地区不易发生空气污染事故,Id值越大，d方向下侧污染越？不适于发展？,（农业区）,（越重；工业）,事故日多的地区适于？,三、影响大气污染的地理因素,1、

13、山区地形 山风和谷风；,2、海陆界面 海风和陆风；,白天,晚上,3、城市 城市热岛环流：由城乡温度差引起的局地风。城市热岛效应是指城市平均气温比周围乡村高的现象，造成的原因有：城市能耗高、城市覆盖物热容量大、城市上空笼罩一层烟雾和二氧化碳等。,4.地形、地物山脉：过山气流（背风坡、背风涡、下洗） 城市高层建筑（下洗）,四、小结,1、空气中的污染物的积累取决于三个条件：风速、逆温层和地形； 2、厂址选择、新建城市选址应当考虑风向、风速、温度层结和地形的影响，应当选择在山谷外面、远离海岸线或“事故日”较少的地方。,第三节 全球性大气环境问题的形成机制与其防治对策,一、全球变暖与防治对策 1、近百年

14、来的全球气候 （1）全球气温上升趋势明显，平均大约上升0.6摄氏度； （2）全球气温的变化不呈直进式，而是呈现冷暖交替的波动,2、温室效应与温室气体,（1）什么是“温室效应”? 所谓“温室”即指“暖 房”，屋顶和四周是玻璃或透明塑料薄膜建成，由于玻璃和 透明塑料薄膜可以使太阳光(短波辐射)射入室内，但室内向外的辐射(长波辐射)却不易透过玻璃或薄膜外逸，使室内温度提高，起到防寒升温、在寒冷季节也能栽种喜温作物 的作用。 大气中的温室气体所起的作用与玻璃温室相同，它不影响太阳光照射到地面，但却可以吸收地面向外的红外 (长波)辐射，使低层大气变暖，于是人们便把这种作用称 为“温室效应”。,（2）温室

15、气体 （a）概念 当在大气中的浓度增加时，会加剧“温室效应”，引起地区表面和大气层下沿温度升高的气体。 （b）种类 二氧化碳（CO2）、臭氧（O3） 、甲烷（CH4） 、氟利昂（CFC11） 、一氧化二氮（N2O）等。 二氧化碳起55的作用，甲烷和氟利昂起20的作用。,3、全球变暖对人类的影响,（1）沿海地区的海岸线变化 海平面上升； （2）气候带移动 温度带北移和降水带的移动 （3）对中国的影响 （a）使中国农业不稳定性增大； （b）海水平面上升使沿海经济发展受到威胁； （c）对生物多样化产生影响。,4、控制全球变暖的综合对策,（1）调整能源战略 提高能源利用率和向清洁能源转化； （2）绿化

16、对策； （3）控制人口，提供粮产，限制毁林； （4）加强环境意识教育，促进全球合作。,二、臭氧层破坏与防治对策,1、臭氧层破坏的机理 （1）臭氧的自然平衡过程式中M为反应第三体，一般是氮分子或氧分子。,（2）当有活性催化物质存在时式中Y为活性催化物，在反应中并不消耗，有些物质可在平流层中存在数年，所以一个Y自由基可以破坏数万或数十万个臭氧分子。 Y物种包括三大家族：奇氢家族HOx、奇氮家族NOx和奇卤家族XOx。,（3）氯氟烃（CFCs）类物质是臭氧层破坏的一个主要原因CFCs的化学稳定性好，在对流层不易分解而进入平流层。到达平流层CFCs受到短波紫外线的照射，分解为Cl自由基，参与臭氧的消耗

17、。常用的CFCs中CFC-11(CFCl3）和 CFC-12(CF2Cl2）的寿命大约为50年和110年，有的CFCs的寿命可达数千年。,2、臭氧层的变化对人类的影响,（1）对人类健康的影响 增加皮肤癌和白内障的发病率； （2）对植物的影响 使农作物减产； （3）对水生系统的影响 减少浮游生物的产量； （4）对城市大气质量和建筑材料的影响 易发生光化学反应、产生光化学烟雾；加速建筑材料的老化。,3、应对措施,（1）提高利用效率，降低操作损失； （2）回收和在循环； （3）改进CFCs产品； （4）非CFCs产品的替代品。,三、酸沉降与防治措施,1、酸雨(acid rain) 概念：pH低于5.

18、6的降水，包括雨、雪、霜、雾雹与露等各种降水形式。 两控区（酸雨控制区和二氧化硫控制区） 包括175个地级以上城市和地区，总面积109万km2，其中酸雨控制区为80万km2；二氧化硫控制区为29万km2； 两控区内总人口占全国人口的39，国内生产总值占全国的67。 包括四个直辖市、21个省会城市、4个经济特区、11个沿海开放城市。,2、酸雨的来源 （1）天然排放的硫化合物和氮化合物； 生物源，如：海浪溅沫、火山喷发等； 非生物源，如：细菌分解有机物。 （2）人为排放的硫化合物和氮化合物 化石燃料的燃烧产生的SO2和NOx排放是产生酸雨的根本原因。,3、酸雨的形成 （1）SO2的氧化途径 途径一

19、（催化氧化）：,途径二（光化学氧化）：,（2）NOx的氧化途径 （a）NO的氧化途径 途径一（NO氧化成NO2）：,途径二（NO氧化成HONO和HNO3）,（b）NO2的氧化途径 途径一（NO2转化成HNO3）,途径二（NO2转化为PAN和过氧硝酸HO2NO2）,3、酸雨的危害,（1）对水生生态系统的影响 （a）使水体pH值降低，导致鱼类死亡； （b）浸渍了土壤，侵蚀了矿物，使Al等金属元素进入水体； （c）由于磷酸盐与Al等金属化合，使磷酸盐营养价值降低，影响水生生物的初级生产力。 （2）对陆生生态系统的影响 导致森林大面积死亡 （3）损毁材料 （4）间接影响人体健康。,4、防治措施,（1）

20、使用低硫燃料或改进燃烧装置； （2）烟气脱硫脱氮； （3）控制汽车尾气排放,第四节 大气污染的防治,一、综合防治措施,1、改变能源结构； 2、采用合理的工业布局； 3、采用区域集中供暖和、供热； 4、减少交通废气污染； 5、绿化造林； 6、加强对大气污染物的治理,二、大气污染的治理 （一）烟气治理的基本流程,（二）烟气中颗粒物的消除,1、除尘器分类 （1）机械力除尘器：包括重力沉降室；惯性沉降室和旋风除尘器； （2）过滤式除尘器：包括袋式除尘器和颗粒层除尘器； （3）静电除尘器：包括干式静电除尘器和湿式静电除尘器； （4）湿式除尘器：包括喷雾塔、填料塔、文丘里洗涤器等。,2、重力沉降室,（1）

21、除尘原理：利用含尘气体中的颗粒受重力作用而自然沉降的原理，将颗粒污染物与气体分离的过程。 （2）重力沉降室的性能与特点 （a）结构简单、造价低、耗能小、便于维护管理； （b）可以处理高温气体，处理最高温度一般为350550； （c）阻力一般为50130Pa； （d）体积大，除尘效率较低，一般为8090，只能去除粒径大于4050m的颗粒。 （3）重力沉降室的分类 水平气流沉降室和竖直气流沉降室两种。,3、旋风除尘器,（1）除尘机理：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被捕集。 （2）性能与特点 （a）结构简单、造价低、便于维护管理； （b）除尘效率一般为85左右，高效旋风除尘

22、器效率可达90。 （c）只能去除粒径大于10微米的颗粒，对于粒径小于5微米的颗粒没有去除能力。,4、袋式除尘器,5、电除尘器,（1）除尘机理：利用静电力将固体或液体颗粒从气流中分离并被捕集。 （2）电除尘器的性能与特点 优点： （a）除尘效率高（可达99）；（b）能耗低（0.20.8kWh/1000m3烟气）；（c）阻力小（100300Pa）；（d）耐高温（350）；（e）处理烟气量大（105106m3/h）；（f）可以处理0.1m的颗粒。 缺点： （a）一次性投资大、占地面积大；（b）除尘效率受颗粒比电阻等物理性质限制；（c）不适用直接处理高浓度含尘气流。,6、湿式除尘器,（1）除尘机理：用

23、水或其它液体与含尘废气相互接触，从而实现分离和捕集尘粒和吸收有害气体。 （2）湿式除尘器的性能与特点 优点： （a）耗能相同的情况下，除尘效率比干式除尘器的效率高；（b）可以处理高温、高湿、高比电阻、易燃易爆的含尘气体；（c）除尘的同时，可以去除有害气体污染物。 缺点： （a）沉渣需处理，否则易造成二次污染；（b）用水量大；（c）净化含腐蚀性气态污染物时，洗涤水具有腐蚀性；（d）能耗较大。 （3）湿式除尘器的分类 （a）重力喷雾除尘器；（b）旋风水膜除尘器；（c）贮水式冲击水浴除尘器；（d）板式塔除尘器；（e）填料塔除尘器；（f）文丘里除尘器；（g）机械动力洗涤除尘器。,7、除尘器的比较 （1

24、）分级效率的比较,（2）捕集颗粒的粒径比较,（3）性能比较,（三）烟气脱硫,1、湿法烟气脱硫技术 目前世界上已开发的湿法烟气脱硫技术，主要有石灰石(石灰)石膏洗涤法、双碱法、海水脱硫、氨吸收法、氧化镁法等。据国际能源机构煤炭研究组织统计，湿法脱硫占世界安装烟气脱硫的机组总容量的85%，其中石灰石法占36.7%，其他湿法脱硫技术约占48.3%。这些装置中，用于燃煤含硫量小于1%的装置占23%，用于燃煤含硫量1%2%的占28%，用于燃煤含硫量大于2%的占48%。以湿法烟气脱硫为主的国家有日本（98%）、美国(92%)、德国(90%)等。,石灰石石膏湿法烟气脱硫工艺,过程化学,化学过程总反应式,2、

25、喷雾干燥烟气脱硫工艺,（1）工艺流程在吸收剂喷入吸收塔后，一方面吸收剂与烟气中的SO2发生化学反应，生成固体产物；另一方面烟气将热量传递给吸收剂，使之不断干燥，在塔内脱硫反应后形成的产物为干粉，其部分在塔内分离，由锥体出口排出，另一部分随脱硫后烟气进入电除尘器收集，其工艺流程如图所示。喷雾干燥烟气脱硫工艺流程包括：(1)吸收剂制备；(2)吸收剂浆液雾化；(3)雾粒与烟气的接触混合；(4)液滴蒸发与SO2吸收；(5)灰渣排出；(6)灰渣再循环。其中(2)(4)在喷雾干燥吸收塔内进行。,(2)过程化学 （a）化学过程反应步骤及方程式如下所示。生石灰制浆：CaO+H 2OCa(OH) 2SO2被液滴

26、吸收：SO2 + H 2OH2SO4吸收剂与SO2的反应：Ca(OH) 2+H2SO3CaSO3+2 H 2O液滴中Ca SO3过饱和沉淀析出：Ca SO3 (aq) Ca SO3 (s)部分Ca SO3 (aq)被溶于液滴中的氧气所氧化生成硫酸钙：Ca SO3 (aq)+12 O2Ca SO4 (aq)Ca SO4难溶于水，便会迅速沉淀析出固态Ca SO4 ：Ca SO4 (aq) Ca SO4 (s),（b）物理过程 在吸收塔内SO2的吸收过程分为两个阶段进行。第一阶段为恒速干燥阶段。第二干燥阶段，即降速干燥阶段。 绝热饱和温度，此温度与塔内瞬时烟气平均温度之差，决定着雾粒的蒸发驱动力。,

27、3、炉内喷钙尾部烟气增湿活化脱硫技术 （LIFAC ）,（1）工艺流程 （2）过程化学,（1）工艺流程,LIFAC工艺可以分步实施，第一步 通过石灰石粉喷入炉膛可得到约2535的脱硫率。第二步 进行烟气增湿和脱硫灰再循环，使脱硫率可达到75。 （2）过程化学LIFAC工艺的化学过程分为二个阶段，第一阶段是在炉膛中进行的化学反应；第二阶段是在活化反应器中进行的反应。在活化器内通过喷入雾化水，使烟气增湿，烟气中未反应的CaO与水反应生成在低温下有很高活性的Ca(OH) 2，Ca(OH) 2与烟气中剩余的SO2反应，生成CaSO3，接着部分被氧化成CaSO4。CaO+H2OCa(OH) 2Ca(OH

28、) 2SO2CaSO4+H2OCaSO4+2H2O+1/2O2CaSO4+2H2O,（四）烟气脱硝,1、选择性催化还原(SCR)烟气脱硝技术 （1） SCR工艺流程,（2）过程化学,SCR的化学反应机理比较复杂，但主要的反应是NH3在一定的温度和催化剂的作用下，有选择地把烟气中的NOx还原为N2。4NH3+4NO+O24N2+6H20 4NH3+2NO2+O23N2+6H20 通过选择合适的催化剂，反应温度可以降低，并且可以扩展到适合电厂实际使用的290430范围。催化剂有贵金属催化剂和普通金属催化剂之分。贵金属催化剂由于它们和硫反应，并且昂贵，实际上不予采用，而普通催化剂效率不是太高，也比较

29、贵，并且要较高的温度(300-400)。最常用的金属基含有氧化矾、氧化钛。,NH3和NOx在催化剂 上的反应机理，其主 要过程为：NH3通过 气相扩散到催化剂表 面；NH3由外表面 向催化剂孔内扩散； NH3吸附在活性中心 上；NOx从气相扩散 到吸附态NH3表面； NH3与NOx反应生成N2和 H2O；N2和H2O通过微 孔扩散到催化剂表面 ；N2和H2O扩散到气 相主体。,2、选择性非催化还原烟气脱硝技术（SNCR),选择性催化还原脱除NOx的运行成本主要受催化剂寿命的影响，一种不需要催化剂的选择性还原过程或许更加诱人，这就是选择性非催化还原(selective non-catalytic

30、 reduction，SNCR)脱除NOx技术。该技术是把含有NH3基的还原剂，喷入炉膛温度为8001100的区域，该还原剂迅速热分解成NH3并与烟气中的NOx进行SNCR反应生成N2。,(1)工艺流程,(2)过程化学,在炉膛9001100oC这一狭窄的温度范围内、在无催化剂作用下，NH3或尿素等氨基还原剂可选择性地还原烟气中的NOx，基本上不与烟气中的O2作用，据此发展了SNCR法。在900l100oC范围内，NH3或尿素还原NOx的主要反应为：NH3为还原剂 4NH3+4NO+024N2+6H2O 尿素为还原剂 (NH4)2CO2NH3+CO NH3+NON2+H2O CO+NON2+CO2 当温度更高时，NH3则会被氧化为NO，即4NH3+5O24NO+6H2O 实验证明，低于900C时，NH3的反应不完全，会造成所谓的“氨穿透”，而温度过高，NH3氧化为NO的量增加，导致NOx排放浓度增大，所以，SNCR法的温度控制是至关重要的。,（五）稀释法,1、高斯扩散模式（无界、有界） 2、高架连续点源扩散模式 3、地面污染物最大浓度 4、烟囱高度计算,