大气污染控制工程1

大气污染控制工程课程简介 系统介绍大气污染产生、控制及排放的原理和理论基础，重点论述大气污染控制的技术和装置以及有关设计计算问，并结合工程应用进行分析讨论。主要参考书目 童志权等编，大气污染控制工程，2006，机械工业出版社 环评 郝吉明编，大气污染控制工程，2004，高等教育出版社 童志权编,工业废气净化与利用,2001,化工出版社 林肇信编,大气污染控制工程,1991,高教出版社 蒲恩奇编,大气污染治理工程,1999,高教出版社 吴忠标编,大气污染控制工程,2002,科学出版社第一章绪论§1、大气的组成及结构☞§2、大气污染、污染物和污染源☞§3、全球性大气污染问题☞§4、室内环境污染☞§5、大气污染综合防治☞§6、大气环境☞§7、主要气体参数的换算与计算☞1.1.1大气的组成干洁空气（N2、O2、Ar、CO2、臭氧）水汽（0.02％～6％）悬浮颗粒、大气尘埃及其他悬浮杂质自然状况下的大气是由以下几部分组成的：大气（Atmosphere):TheentiremassofairwhichsurroundstheEarth.环境空气（Ambientair):Outdoorairtowhichpeople,plants,animalsandstructuresareexposed.1.1大气的组成及结构大气圈具有层状结构。根据气温在垂直于地球表面方向上的分布，一般将大气分为对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层等5层。1.1.2大气层的构成 对流层是大气圈最低的一层，其特征是：（1）层内气温随高度增加而降低，大气易形成强烈的对流（升降）运动；（2）厚度随纬度增加而降低，对同一地区，其厚度夏季大于冬季；（3）集中了大气总质量的75%和几乎全部的水汽，主要天气现象和通常所说的大气污染都发生在这一层，对人类活动影响最大；（4）层内温度和湿度的水平分布不均匀，常发生大规模的空气水平运动。 平流层对流层顶到50～55km高度的一层称为平流层，层内几乎没有大气的对流运动。从对流层顶到22km左右的一层，气温几乎不随高度而变化，为-55℃左右，称为同温层；同温层之上，气温随高度增高而上升，至平流层顶达-3℃左右，称为逆温层。平流层集中了大气中大部分臭氧，在20～25km高度内形成臭氧层。 中间层平流层顶到80～85km高度为中间层。这一层气温随高度增高而降低，层顶可降到-83℃，大气具有强烈的对流运动。 暖层中间层顶到800km高度为暖层。由于强烈的太阳紫外线和宇宙射线的作用，气温随高度增加而增高，层顶可达500～2000K，极为稀薄的气体分子被高度电离，存在着大量的离子和电子，故又称为电离层。 散逸层暖层以上的大气层统称为散逸层。它是大气的外层，气温很高，空气极为稀薄，气体离子的运动速度很高，可以摆脱地球引力而散逸到太空中。1.2大气污染、大气污染物和污染源1.2.1大气污染(AirPollution)1.大气污染的概念国际标准化组织（ISO）定义：大气污染，通常是指由于人类活动和自然过程引起某些物质进入大气中，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。①人类活动包括生产活动和生活活动。②强度和长度的效用导致危害是衡量其是否为污染的标准。③所谓人体的舒适、健康的危害，所谓福利。④大气污染的实质是：排放量＞＞自然界的自净能力⑤大气污染和空气污染通常被当作同义词使用，严格说空气污染常指室内空气污染，而大气污染常指室外空气污染。*2.大气污染的类型1)按污染所涉及的范围分：局部污染、地区性污染(AreaPolution)、广域性污染(WidelyPolution)和全球性污染(GlobalPolution)。2)按能源性质和污染物的种类分：煤炭型主要污染物是烟尘和二氧化硫，早期与目前仍以煤炭作为主要能源的国家和地区大气污染属于此类。石油型碳氢化合物和氮氧化物为主，污染形式多为光化学烟雾。混合型煤和石油共同造成。特殊型特定污染物引起。如包头钢铁厂附近铁矿含氟量高，云南个旧砷污染严重。1.2大气污染、大气污染物和污染源1.2.2大气污染物(Airpollutants)⑴定义：由于人类活动或自然过程排入大气的并对人或环境产生有害影响的物质。⑵分类：大气污染物气溶胶态污染物悬浮在气体介质中的固态或液态颗粒所组成的气体分散体系气态污染物粉尘（Dust）炱（Fume）飞灰（FlyAsh）烟（Smoke）雾（Fog）化学烟雾（Smog）无机气态污染物有机气态污染物1.2大气污染、大气污染物和污染源按形成过程分：一次污染物：直接从污染源排出的污染物。二次污染物：一次污染物与空气中原有成分或几种污染物之间发生化学反应而成的与一次污染物性质不同的新污染物。如：硫酸烟雾、硝酸及硝酸盐气溶胶和光化学烟雾等。二次污染物较之一次污染物危害更大。如二氧化硫在干燥空气中，其体积分数达8×10－4时，人还可以忍受，但在形成硫酸气溶胶后，其体积分数仅为8×10－7时，人即不可忍受。1.2大气污染、大气污染物和污染源常用概念：ⅰ总悬浮颗粒(TotalSuspendedParticles,TSP)：空气动力学当量直径小于100μm的固体粒子。ⅱ可吸入颗粒(InhalableParticles，PM10)：空气动力学当量直径小于10μm的固体粒子，不易沉降而能长期飘浮在空气中。ⅲ降尘：空气动力学当量直径大于10μm的固体粒子，靠重力作用能在较短时间内沉降到地面。在我们国家大气环境中，影响普遍的广域污染物为悬浮微粒、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、总氧化剂和铅等。1.2大气污染、大气污染物和污染源1.2.3大气污染源1）主要污染源有三方面：燃料燃烧工业生产过程交通运输固定源流动源2）分类:a.工业污染源、农业污染源和生活污染源；b.根据污染源的几何形状和排放方式分为点源、线源和面源；c.根据污染源离地面的高度分为地面源和高架源；d.根据释放污染物的持续时间可分为瞬时源、间断源和连续源。1.2大气污染、大气污染物和污染源1.2.4大气污染的危害1.对人类健康的危害大气污染对人体健康的危害包括急性和慢性两方面。急性危害一般出现在污染物浓度较高的工业区及其附近。慢性危害是在大气污染物直接或间接的长期作用下对人体健康造成的危害。这种危害短期表现不明显，不易觉察。据我国十个城市统计，呼吸道疾病的患病率和检出率在工业重污染区为30％～70％，而在轻污染区只有它的一半。2.居民生活费用增加大气污染造成的居民生活费用增加，包括清扫、洗涤和生活物质损坏三方面。根据1985年估算，每年全国损失达16亿元。1.2大气污染、大气污染物和污染源3.物质材料破坏排入大气中的二氧化硫、氮氧化物、各种有机物等不仅直接腐蚀建筑物、桥梁、机器和设备，而且衍生的二次污染物光化学氧化剂、酸雨等能对这些物质材料产生更大的破坏。4.农林水产损失大气污染物对我国农业、森林、水产造成严重的危害，其中特别是农业和森林受害最大，导致农业减产、林木衰败。1.2大气污染、大气污染物和污染源5.影响全球大气环境大气污染物不仅污染低层大气，而且能对上层大气产生影响，形成酸雨、破坏臭氧层、气温升高等全球性环境问题，可能给人类带来更严重的危害。1.2大气污染、大气污染物和污染源1.2.5我国大气污染的现状1.我国大气污染物的排放量1.2大气污染、大气污染物和污染源2.我国大气污染的特点概括地说，我国的大气污染是以尘和二氧化硫为主要污染物的煤烟型污染。北方城市的污染水平高于南方城市（尤以冬季为甚），冬季高于夏季，早晚高于中午。北方城市的突出问题是冬季（采暖期）的颗粒物污染和二氧化硫污染，南方城市则是二氧化硫造成的酸雨和高硫煤地区的二氧化硫污染。1.2大气污染、大气污染物和污染源这一特点主要是由于我国能源以煤炭为主，且大部分直接燃烧，能源利用方式落后；此外南方土壤偏酸性，对酸缓冲能力弱，也有利于酸雨的形成。1.2大气污染、大气污染物和污染源随着机动车数量的剧增，机动车尾气已成为北京、上海、广州等大城市中大气污染物的重要来源。我国特大城市的空气污染正由煤烟型向混合型转变。1.2大气污染、大气污染物和污染源3．我国城市大气污染仍处于污染较重的水平在监测的340个城市中，仅有142个城市达到环境空气质量二级标准（居住区标准），占41.7％；空气质量为三级和劣于三级标准的城市占58.3％。 监测结果表明，颗粒物和SO2仍是影响我国城市空气质量最主要的两种污染物。在监测的340个城市中，有54.4％的城市颗粒物浓度超过二级标准，颗粒物污染较重的城市主要分布在西北、华北、中原和四川东部。有25.6％的城市SO2超过二级标准，SO2污染较重的城市主要在山西、河北、河南、湖南、内蒙古、陕西、甘肃、贵州、四川和重庆地区。 2003年，由SO2和NOx造成的酸雨污染仍然是我国大气污染的主要问题之一。1.3全球性环境问题温室效应：温室气体吸收的长波辐射部分反射回地球，从而减少了地球向外层空间散发的能量，使空气和地球表面变暖。1.3全球性环境问题2．温室气体对全球气候的影响图1-2过去300年来大气中CO2浓度的变化人为排放的CO2不断增加和森林植被的大量破坏，破坏了CO2产生和吸收的自然平衡，大气中CO2的体积分数已从1750年的280×10-6增加到目前的360×10-6左右（见图1－2）。预计到21世纪中叶，大气中CO2的体积分数将达到540×10-6～970×10-6。 除CO2外，大气中其他温室气体的含量也在不断增加。200多年前大气中CH4的体积分数为800×10-9，1992年增加到1720×10-9。工业革命前，大气中N2O的体积分数为285×10-9，现在已升至310×10-9，每年以0.2％～0.3％的比例增加。大气中温室气体增加，它们吸收来自地表的长波辐射增多，地球及大气向外层空间散发的能量减少，长期形成的能量平衡被破坏，造成地表及大气温度升高，全球气候变暖。根据政府间气候变化小组（IPCC）第三次报告的评估，全球平均地表温度自1861年以来一直在上升，20世纪上升了(0.6±0.2)℃（见图1－3）。图1-3大气中温室气体和气溶胶对全球温度的联合作用在地球能量平衡中，气溶胶和云能吸收和放射地球的长波辐射，也能反射太阳辐射，因此它们的总体效果是使地球表面变冷。研究表明，气溶胶的冷却效应与温室气体的加热效应在同一数量级上。图1－3显示了预期的全球变暖程度和实际观测结果的对比。可以看出，考虑气溶胶制冷效应之后计算所得的温度上升数据与过去100多年里所观测到的温度变化相接近。气溶胶在大气中的停留时间一般只有几天，因此，它的制冷效应和污染物排放量的变化密切相关.3．气候变化对自然界和人类的影响 雪盖和冰川面积减少； 海平面上升； 降水格局变化； 气候灾害事件增加； 影响人类健康； 对农业和生态系统产生影响。1.3全球性环境问题1.3全球性环境问题4．应对措施（1）控制气候变化的措施1)控制温室气体的排放。2)增加温室气体的消耗。3)适应气候变化。（2）控制气候变化的国际行动1992年《气候变化框架公约》；1997年《京都议定书》；2005年2月16日，《京都议定书》正式生效。1.3.2臭氧层破坏2000年南极上空臭氧洞面积首次超过2800万km2，相当于4个澳大利亚的面积。2005年9月9－10日，南极上空臭氧洞面积创记录的达到3000万km2。1.3全球性环境问题臭氧层破坏机理：大气平流层中的活性催化物质通过自由基链式反应消除O3Y+O3→YO+O2YO+O→Y+O2消耗臭氧层物质：1）奇氢类HOx（H、OH、HO2）。2）奇氮类NOx(NO、NO2)。3）奇卤类XOX(Cl、ClO、Br、BrO)：氟利昂（CFCs）和溴氟烷（Halons,哈龙）。1.3全球性环境问题保护臭氧层受到了国际社会的关注。1985年，28个国家通过了保护臭氧层的《维也纳公约》，1987年46个国家联合签署了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》，提出了8种受控物质削减使用时间的要求。1990年、1992年和1995年的三次议定书缔约国国际会议扩大了受控物质的范围，现包括氟利昂（CFCs）、哈龙（CFCB）、四氯化碳（CCl4）、甲基氯仿（CH3CCl3）、氟氯烃（HCFC）和甲基溴（CH3Br）等，并提前了停止使用的时间。修改后的议定书规定，发达国家1994年1月停止使用哈龙，1996年1月停止使用氟利昂、四氯化碳、甲基氯仿。发展中国家2010年全部停止使用这四种ODSs。中国1992年加入了《蒙特利尔议定书》。1.3全球性环境问题1.3.3酸雨1．酸雨问题酸雨是指pH<5.6的酸性降水，但现在泛指以湿沉降或干沉降形式从大气转移到地面的酸性物质，湿沉降包括降落地面的酸性雨、雪，干沉降则指降落地面的酸性颗粒物。1.3全球性环境问题2.酸雨形成机理（1）降水中酸的来源SO42-和NO3-是酸雨的主要成分，它们主要是由SO2和NOx转化而来。二氧化硫转化为硫酸的途径主要有：1）催化氧化作用，即在大气中颗粒物所含Fe、Mn等的催化下二氧化硫与氧反应生成三氧化硫，再与水汽结合，形成硫酸气溶胶。2）光氧化作用，二氧化硫经光量子激化后与氧结合成为三氧化硫。3）二氧化硫与光化作用形成的自由基结合形成三氧化硫。1.3全球性环境问题NOx转化为硝酸的机理与SO2类同。（2）雨水酸化机制酸雨形成的机制一般分为以下两个过程：1）污染物的云内成雨清除过程：水蒸气凝结在硫酸盐、硝酸盐等微粒组成的凝结核上，形成液滴，液滴吸收SOx、NOx和气溶胶粒子，并互相碰撞、絮凝而结合在一起形成云和雨滴；2）云下冲刷清除过程：云下的酸性物质被雨滴从大气中捕获、吸收、冲刷带走。1.3全球性环境问题3.中国酸雨现状中国酸雨主要分布在长江以南，形成了6个酸雨区：以重庆、贵阳为代表的西南酸雨区；以柳州、广州为代表的华南酸雨区；以长沙、南昌为代表的华中酸雨区；以福州、厦门为代表的沿海酸雨区；以杭州、温州为代表的沪杭酸雨区；以青岛为中心的胶东半岛酸雨区。4.对策及措施1972年以来，欧洲、美国、加拿大等国家召开了一系列国际会议，研讨控制酸雨的对策，提出了削减SO2和NOx排放的协定。20世纪80年代，中国政府组织了较大规模的研究和监测，其后制定了SO2排放标准和SO2排污收费等一系列政策法规，1998年国务院批复了国家环保局上报的酸雨控制区和SO2污染控制区（两控区）。目前，中国正在大规模开展包括燃料脱硫、燃烧过程脱硫和烟气脱硫在内的各种减排SO2工作。为了控制NOx对酸雨的贡献，中国从2004年开始实行了NOx排污收费，并将制定其他减排NOx的措施。1.3全球性环境问题1.4室内环境污染1.4.1室内环境污染定义室内环境是指采用天然材料或人工材料围隔而成的小空间，是与外界大环境相对分隔而成的小环境。室内环境主要是指居室环境，从广义上讲，也包括教室、会议室、办公室、候车（机、船）大厅、医院、旅馆、影剧院、商店、图书馆等。我国于2002年11月9日发布了《室内空气质量标准》(GB／T18883—2002)，该标准于2003年3月1日正式开始实施。1.4.2室内环境污染分类1.化学污染燃烧型污染，如SO2、颗粒物等；烹调油烟；各种装修材料、家俱、涂料所含或释放的污染物，如甲醛、苯系物、氨等；家庭使用的化学品，如洗涤剂、化妆品、洗洁剂等；吸烟的烟雾。1.4室内环境污染2.物理污染 放射性污染 电磁辐射污染 光污染3.生物因素细菌、真菌（包括真菌孢子）、花粉、病毒、生物体有机成分等，带来生物污染，在这些生物污染因子中有一些是人类呼吸道传染病的病原体，有些是过敏原。1.4室内环境污染1.4.3室内空气污染控制1）污染源控制：从源头着手避免或减少污染物的产生，或利用屏障设施隔离污染物，不让其进入室内环境。2）通风：借助自然作用力或机械作用力将不符合卫生标准的污浊空气排至室外或排至空气净化系统，同时，将新鲜空气或经过净化的空气送入室内。1.4室内环境污染3.室内空气净化活性炭吸附：利用活性炭或活性炭纤维吸附和催化氧化污染物，对消除香烟气味、装饰涂料气味、家俱气味、分解臭氧效果十分理想。光催化净化室内空气：利用紫外光在封闭或半封闭空间里，由光催化反应将室内的有害气体分解为无毒害的CO2、H2O等小分子物质。常用的催化剂是纳米二氧化钛。另外，该催化体系在紫外光激发的同时，能有效杀灭一些细菌和病毒。静电集尘、臭氧杀菌、负氧离子、滤网过滤等。1.4室内环境污染1.5.1综合防治的基本概念大气污染综合防治的基本点是防、治结合，以防为主，是立足于环境问题的区域性、系统性和整体性之上的综合。基本思想是采取法律、行政、经济和工程技术相结合的措施，合理利用资源，减少污染物的产生和排放，充分利用环境的自净能力，实现发展经济和保护环境相结合。1.5大气污染综合防治1.5.2大气污染综合防治措施1．严格的环境管理立法、监测、执法三者构成了完整的环境管理体制。2．全面，合理布局3．控制环境污染的经济政策保证必要的环境保护投资。对治理污染从经济上给以优待，如低息长期贷款，对综合利用产品实行免税或减税政策等。实行排污收费制度、排污许可证制度、排污总量市场交易制度和责任制度。1.5大气污染综合防治4．控制大气污染的技术措施实施可持续发展的能源战略包括：改善能源供应结构，提高清洁能源和低污染能源的供应比例；提高能源利用率，节约能源；对燃料进行预处理，推广清洁煤技术；积极开发新能源和可再生能源，如水电、核电、太阳能、风能等。实行清洁生产，推广循环经济，包括：改革生产工艺，优先采用无污染或少污染的工艺路线、原料路线和设备；加强企业管理，减少污染物的排放；开展综合利用，企业内部或各企业间相互利用原材料和废弃物实现废物资源化、产品化，减少污染物排放总量。对烟（废）气进行净化处理1.5大气污染综合防治5.强化对机动车污染的控制从源头上控制汽车尾气污染。严格控制在用车尾气的排放。加强规划，优先发展城市公交事业，控制城市汽车总量，减轻汽车尾气污染。6.高烟囱稀释扩散7.绿化造林，发展植物净化1.5大气污染综合防治1.6大气环境标准1.6.1大气环境标准的种类依用途分为环境空气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依适用范围国家标准地方标准行业标准1.6.2环境空气质量标准1．制定环境空气质量标准的原则 要保证人体健康和维护生态系统不被破坏。 要合理协调与平衡实现标准的经济代价和所取得的环境效益之间的关系，以确定社会可以负担得起并有较大收益的环境质量标准。 要遵循区域的差异性。各地区的环境功能、技术水平和经济能力有很大差异，应制定或执行不同的浓度限值。1.6大气环境标准2．我国的大气环境质量标准（1）我国的空气环境质量标准(GB3095—1996) 取代1982年《大气环境质量标准》。 规定了二氧化硫、总悬浮颗粒、可吸入颗粒物、铅、二氧化氮、一氧化碳、臭氧、苯并比和氟化物等九项指标。 将环境空气质量分为三级，将环境空气质量功能区分为三类。1.6大气环境标准1.6大气环境标准空气污染指数（API）及其报告监测项目（共五项）：可吸入颗粒物、二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳和臭氧。API与环境空气质量的对应关系 空气污染指数(API) 空气质量级别 空气质量状况 0～50 Ⅰ 优 51～100 Ⅱ 良 101～200 Ⅲ 轻度污染 201～300 Ⅳ 中度污染 >300 Ⅴ 重度污染 污染指数 污染物浓度 In TSP SO2 NOx 500 1.000 2.620 0.940 400 0.875 2.100 0.750 300 0.625 1.600 0.565 200 0.500 0.250 0.150 100 0.300 0.150 0.100 50 0.120 0.050 0.050空气污染指数的计算方法 首先根据第k种污染物实测浓度值选定其浓度和分指数值所在区间，查出ρk,j，ρk,j+1，Ik,j，Ik,j＋1，由下式算出分指数值： 各种污染物的污染分指数都计算出以后，取最大者为该区域或城市的空气污染指数API，则该种污染物即为该区域或城市空气中的首要污染物。 1.6大气环境标准（2）工业企业设计卫生标准（TJ36—1979）由于我国现行的《环境空气质量标准》GB3095—1996中只有9种污染物的标准，在实际工作中会碰到更多的大气污染物，在国家没有制定它们的环境质量标准前，可以参考执行我国1962年颁布并于1979年修订的《工业企业设计卫生标准》TJ36—1979中的“居住区大气中有害物质的最高允许浓度”部分。此外，为保护作业工人的健康，该标准还规定了“车间空气中有害物质的最高允许浓度”限值。1.6大气环境标准（3）室内空气质量标准（GB/T18883—2002）为保护人体健康，预防和控制室内空气污染，我国于2002年11月首次发布了《室内空气质量标准》GB/T18883—2002，该标准对室内空气中19项与人体健康有关的物理、化学、生物和放射性参数的标准值作了规定。1.6.3大气污染物排放标准1.大气污染物综合排放标准（GB16297—1996）我国1996年在1973年颁布的《工业“三废”排放试行标准》GBJ4—1973基础上修改制定的《大气污染物综合排放标准》GB16297—1996，规定了33种大气污染物的排放限值，其指标体系为最高允许排放浓度、最高允许排放速率和无组织排放监控浓度限值。任何一个排气筒必须同时达到最高允许排放浓度和最高允许排放速率两项指标，否则为超标排放。该标准规定，凡位于国务院批准划定的酸雨控制区和二氧化硫控制区的污染源，其二氧化硫排放除执行本标准外，还应执行总量控制标准（详见GB/T13201—1991）。1.6大气环境标准2.行业性排放标准按照综合性排放标准与行业性排放标准不交叉执行的原则，有行业标准的企业应执行本行业的标准，其他污染源则执行综合排放标准。3.制定地方大气污染物排放标准的技术方法（GB/T13201—1991）我国于1983年制定并于1991年修订了《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》。该标准以环境空气质量为控制目标，以大气扩散模式为计算基础，使用控制区排放总量允许限制和点源排放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。1.8大气污染控制工程系统典型的大气污染控制系统一般包括污染物发生源的控制、粉尘污染物的控制、气体污染物的控制和稀释扩散控制等几部分。控制燃料燃烧过程对大气环境的污染是典型的大气污染控制工程系统，如图所示。①人类活动包括生产活动和生活活动。②强度和长度的效用导致危害是衡量其是否为污染的标准。③所谓人体的舒适、健康的危害，所谓福利。④大气污染的实质是：排放量＞＞自然界的自净能力⑤大气污染和空气污染通常被当作同义词使用，严格说空气污染常指室内空气污染，而大气污染常指室外空气污染。*