第三讲 大气污染与控制工程

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,大气污染与控制工程,环境科学与工程学院,胡 辉 杨家宽,Tel:027-87792207, 027-87542224,；,E-mail:,gyhj08,;,yjiakuan,环境工程导论,内 容,一、大气污染与环境空气质量标准,二、大气污染气象学及大气污染模型,三、颗粒污染物及除尘工艺,四、,VOCs,及净化工艺,五、,SO,x,及脱硫工艺,六、,NO,x,及脱氮工艺,一,.,大气污染概述,一,.,为什么要进行大气污染控制,人体健康与大气的关系,人一刻也离不开空气,人的需要量,每天需要的食物约,1.5kg,每天需要的空气约,15kg,人的极限耐力,断食,断水,5,天 可以生存,断绝空气,5,分钟 死亡,获取较洁净的空气比获取较洁净的水就要难得多,二、基本概念,1.,大气（,atmosphere,）,是指环绕地球的全部空气的总和,.,2.,环境空气（,ambient air,）,是指人类、植物、动物和建筑物暴露于其中的室外空气,.,3.,大气污染（,air pollution,）,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，达到了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。,一,.,大气污染概述,表,1.1,干燥洁净空气的组成,0.0012,0.0005,0.0005,0.000008,0.000002,0.000001,甲烷,(CH,4,),氪,(Kr),氢,(H,2,),氙,(,Xe,),二氧化氮,(NO,2,),臭氧,(O,3,),78.084,20.946,0.934,0.033,0.0005,0.0018,氮,(N,2,),氧,(O,2),氩,(,Ar,),二氧化碳,(CO,2,),氦,(He),氖,(Ne),体积比,(%),气体,体积比,(%),气体,一,.,大气污染概述,三,.,大气污染类型, 煤烟型污染,指由于煤燃烧过程中排放的各种污染物而造成的污染。,氧化型污染,指由于机动车尾气排放和燃油锅炉的排气中含有的氮氧化物和碳氢化合物，造成的二次污染,。,混合型污染,指由于燃煤和燃油过程中产生的污染物互相结合在一起造成的污染。,一,.,大气污染概述,四,.,大气污染物种类,一) 气溶胶状态污染物,1. 粉尘,是指悬浮于气体介质中的小固体颗粒，受重力作用可发生沉降，但在一定的时间内能保持悬浮状态。,2. 烟尘,是燃料和其它物质燃烧的产物 。,3.雾,是气体中液滴悬浮体的总称。,一,.,大气污染概况,四,.,大气污染物种类,二) 气体状态污染物,1.,一次污染物：,从污染源直接排入空气中的原始污染物；,2.,二次污染物：,一次污染物进入空气后，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。,表,1.2,气体状态大气污染物种类,SO,3,、,H,2,SO,4,及硫酸盐,NO,2,、,HNO,3,及硝酸盐,无,醛、酮、过氧乙酰硝酸酯、,O,3,无,SO,2,、,H,2,S,NO,、,NH,3,CO,、,CO,2,C,1,C,10,化合物,HF,、,HCI,含硫化合物,含氮化合物,碳氧化合物,碳氢化合物,卤素化合物,二次污染物,一次污染物,污染物,一,.,大气污染概述,五,.,大气污染源类型,1按人们的社会活动功能分类,生活污染源,工业污染源,交通污染源,2,按污染源的几何形态分类,点污染源,面污染源,线污染源,一,.,大气污染概述,六,.,大气污染危害,1,.,颗粒物对人体健康的影响,飘尘对人体的危害作用,(PM,10,PM,2.5,),2,.,气体状态污染物对人体健康的影响, 具有很强的刺激性的,SO,2,气体,NO,X,的毒性,O,3,的刺激性作用, 挥发性有机化合物(,VOCs,),中的有毒有害,3.,对城市环境中的植物、器物和材料的损失,4.,能见度降低,一,.,大气污染概述,七,.,几个典型的大气污染现象,一、酸雨,是指,pH 300,重污染,健康人运动耐受力降低，有明显强烈症状，提前出现某些疾病,老年人和病人应当留在室内，避免体力消耗，一般人群应避免户外活动,如何计算,API,？,PM,10,=0.215mg/m,3,Concentration of PM,10,(mg/m,3,),API,0.1,0.2,0.3,50,200,100,0.4,API = max I(NO,2,), I(SO,2,), I(PM,10,),C,L,I,L,C,S,I,S,三,.,大气污染气象学及大气污染模型,一,.,大气圈层与气象要素,1.,大气圈层,（,图,）,按大气温度的垂直结构，大气圈分为：,a.,对流层（,表,）,;,b.,平流层,c.,中间层,;,d.,热层；,e.,逃逸层,2.,主要气象要素,气象要素,:,表示大气状态的物理量和物理现象,.,种 类,:,气温、气压、气湿、风向、风速、云况和能见度,对流层的主要特征：,1.,集中整个大气质量的,3/4,和几乎全部水蒸气；,2.,大气温度随高度的增加而降低；,3.,空气具有强烈的对流运动；,4.,温度和湿度的水平分布不均匀。,二,.,气象的动力因子,风和湍流,1.,风,:,空气的水平运动,1,）风向,a.,风向频率和主导风向,b.,风玫瑰图；,c.,污染系数；,d.,最多风向。,2),风速,:,平均风速、最大风速，各级风速出现的频率,2.,湍流,:,无规则阵性搅动的气流,三,.,大气污染气象学及大气污染模型,图,3.1,风向的十六方位图,a,b,图,烟团湍流扩散示意图,(a.,无湍流；,b.,有湍流,),风向和风速风玫瑰图,风速,m/s,某地区,1998,年的风玫瑰图。同心圆表示风的频率，例如，吹南风的频率约为,11,，其中风速大于,10.82m/s,的频率约为,1,，风速在,3.35,5.41m/s,的频率为,3.5,左右。,三,.,气象的热力因子,温度层结与逆温、大气稳定度,温度层结与逆温,1干绝热直减率,d,和气温垂直递减率,A.,干绝热直减率,d,干空气快（包括未饱和的湿空气）绝热上升或下降单位高度时，温度降低或升高的数值。,B.,气温垂直递减率,气温随高度的变化,三,.,大气污染气象学及大气污染模型,三,.,气象的热力因子,温度层结与逆温、大气稳定度,温度层结与逆温,2,温度层结,气温垂直分布一般有四种情况, 气温随高度的增加而降低。此时,0,，,d,气温基本上不随高度变化。此时，,=0,（等温层结）,气温随高度增加而上升。此时,0,气温垂直递减率接近于,1K/100m,，即,=,d,（中性层结）,三,.,大气污染气象学及大气污染模型,图,气温垂直递减率,标准大气压,0,干绝热,等温层,=0,逆温层,0,大气层高度,气温,d,0,三,.,气象的热力因子,温度层结与逆温、大气稳定度,温度层结与逆温,2,逆温,近地层空气温度随高度的增加而上升的一种现象,.,逆温类型,辐射逆温（如图),平流逆温,下沉逆温（如图),锋面逆温,(,如图,),三,.,大气污染气象学及大气污染模型,图,辐射逆温的生消过程,(,a),逆温形成前的气温垂直分布;(,b),逆温开始生成;(,C),逆温逐渐向上扩展；(,d),逐渐消失；(,e),完全消失,三,.,大气污染气象学及大气污染模型,图,海风入侵时的锋面与扩散,下沉逆温,：,由于空气下沉受到压缩增温而形成的逆温（,图,3-11,）。,锋面逆温,：,在对流层中：锋面上，冷暖空气团相遇时，如果冷暖空气的温差很大,时，就可以出现锋面逆温。,图,下沉逆温的形成,三,.,大气污染气象学及大气污染模型,三,.,气象的热力因子,温度层结与逆温、大气稳定度,大气稳定度,大气稳定度是表示空气块在铅直方向的稳定程度,1.,大气稳定度的判别,不稳定类,（,d,）,;,中性类,（,=,d,）,;,稳定类,（,d,）,2.,大气稳定度的分类,(,表,3.2 ),稳定类：,E,和,F,中性类：,D,不稳定类：,A、B,、,C,季节,风速,白 昼,夜 间,02,晴,37,多云,810 (,阴,),02,(,晴,),37,多云,810,阴,夏,春秋,冬,夏,春秋,冬,各季,各 季,6,C,D,D,D,D,D,D,D,三,.,大气污染气象学及大气污染模型,四,.,大气污染湍流扩散模型,作用及建模条件,1.,预测大气污染物排放后，在不同时间与空间的浓度分布,2.,所有的模型都采用必要的假设条件,3.,模型基于质量守恒定律,高斯烟羽模型,四,.,颗粒污染物及除尘工艺,一,.,颗粒物粒径与沉降速度,buoyancy,gravity,Drag force,a,Stokes law,四,.,颗粒污染物及除尘工艺,二,.,除尘装置概述,除尘装置,：,从气体中除去或收集固态或液态粒子的设备。,除尘装置类型,：,1.,机械式除尘器,重力沉降室；惯性除尘器；旋风除尘器,2.,湿式除尘器,3.,过滤式除尘器,4.,电除尘器,四,.,颗粒污染物及除尘工艺,干式机械除尘器,一,),重力沉降室,利用粉尘与气体的密度不同, 依靠自身的重力从气 流中自然沉降下来，达到净化目的的装置,.,类 型,a.,水平气流沉降室；,b.,垂直气流沉降室。,优 点,简单，价低，便于维护，压力损失小，可处理高温气体,.,缺 点,沉降小颗粒的效率低，一般只能除去50,m,以上的大颗粒,.,图,水平气流简易重力沉降室,四,.,颗粒污染物及除尘工艺,干式机械除尘器,二,),惯性除尘器,利用粉尘与气体在运动中的惯性力不同，使粉尘从气流中分离出来的方法 。,类 型,a.,冲击式结构 ；,b.,反转式结构 。,惯性除尘器的特点,a.,能分离,10-30m,左右的尘粒，除尘效率为,70,;,b.,适合安装在烟道上使用,;,c.,可设计成不同的结构形式，作为前一级除尘器与其他除尘方法组成多级除尘系统。,图 惯性除尘器的分离机理示意图,四,.,颗粒污染物及除尘工艺,干式机械除尘器,三,),旋风除尘器,利用离心力作用将尘粒从气流中分离并捕集下来的装置。,旋风除尘器的构造及工作原理,(,图,),旋风除尘器的分类,a.,切线进入式旋风除尘器 ；,b.,轴向进入式旋风除尘器,旋风除尘器的特点,a.,结构简单，造价低；,b.,无传动机构及运动部件维护、修理方便；,c.,可用于高温含尘烟气的净化,; d.,可承受内、外压力；,e.,可干法清灰，可用它回收有价值的粉尘；,f.,可用以净化含高腐蚀性粉尘的烟气。,四,.,颗粒污染物及除尘工艺,湿式除尘器,用水或其他液体与含尘废气相互接触，实现分离捕集粉尘粒子和吸收有害气体的装置,.,类 型,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,.,填料塔除尘器,； f.,文丘里除尘器,；,优 点, 除尘效率比干式除尘器的高； 可处理高温、高比阻、易燃易爆含尘气体； 具有除尘、冷却和净化的作用。,缺 点, 有废水处理问题； 洗涤水有一定的腐蚀性，金属设备易被腐蚀； 在寒冷地区使用湿式除尘器容易冻结； 能耗比较大。,图,填料洗涤除尘器的类型,a.,错流型；,b.,顺流型；,c.,逆流型,图,文丘里洗涤除尘器装置系统,四,.,颗粒污染物及除尘工艺,过滤式除尘器,一,),过滤式除尘器,利用多孔过滤介质分离捕集气体中固体或液体粒子的净化装置。,类 型,1.,按使用原料的性状不同,;,2.,按除尘器的应用目的,;,3.,按粉尘粒子在除尘器中被捕获位置的不同,(,图,);,内部过滤,:,粉尘粒子是在滤层内部而被捕集,.,外部过滤,:,粉尘粒子是被阻挡在滤料的表面上,.,图,过滤除尘器的过滤方式,四,.,颗粒污染物及除尘工艺,过滤式除尘器,二,),袋式除尘器,含尘气体通过滤袋滤去其中粉尘粒子的分离捕集装置。,优 点, 对净化含微米或亚微米粉尘粒子的效率较高；, 可捕集多种干性粉尘，特别是高比电阻粉尘；, 含尘气体浓度在相当大的范围内变化；, 可设计制造出适应不同气量的含尘气体的要求；, 稳定可靠，无污泥处理和腐蚀等问题。,缺 点, 受滤料的耐温和耐腐蚀等性能所影响；, 不适于净化含粘结和吸湿性强的含尘气体 ；, 净化大含尘烟气量所需投资比电除尘器高。,图,滤布的滤尘过程,LDB,型布袋除尘器,LPP,系列脉冲袋式除尘器,PPC,系列气箱脉冲袋收尘器,四,.,颗粒污染物及除尘工艺,电除尘器,当含尘气体通过强电场时被电离而荷电，荷电的尘粒在电场力作用下到达集尘极，从而使尘粒从含尘气体中分离出来一种除尘装置。,电除尘器的机理,含尘气体通过两极间非均匀电场时，在放电极周围强电场作用下，气体被电离，使带电尘粒在电场作用下推向集尘极，从而达到除尘目的。,电除尘器的类型,1.,按集尘电极的型式,管式电除尘器 ； 板式电除尘器 。,2.,按含尘气流在电除尘器中流动方式,立式电除尘器； 卧式电除尘器,3.,按收尘极上清灰方式的不同,干式电除尘器；湿式电除尘器,图,平板型集尘极的不均匀电场示意图,+,+,+,+,(+),(-),(-),(-),(-),(-),(-),(-),(-),(-),(-),(-),(-),(-),(-),(-),(-),(-),(-),离子化区,(A),集尘极,(+),荷电层,荷电层,荷电层,(-),(-),放电极,(-),(B),(A),集尘极,(+),高压直流电源,含尘气体,四,.,颗粒污染物及除尘工艺,图,喷水型湿式电除尘器示意图,图,管式电除尘器的示意图,电除尘器外观图,卧式,立式,五,.,VOCs,及净化工艺,挥发性有机气体来源及种类,常温下是液体或固体，平衡蒸汽较高，沸点较低，易于挥发到空气中形成气态污染物。,来源,汽车制造业、自行车、摩托车、家用电器、电线电缆、漆包线、电机及电机绝缘处、电器、仪表、电子、石油化工、涂料、化工、印铁、印刷、家具、皮革、鞋业、玻璃、建材等行业等,类型,甲醛、甲苯、苯、乙醚、丙酮等,五,.,VOCs,及净化工艺,挥发性有机气体净化工艺,Condensation (,冷凝法,),A,d,sorption (,固体吸附法,),A,b,sorption (,液体吸收法,),combustion(Incineration,) (,焚烧法,),Biological,Oxidation(Biofiltration,) (,生物氧化法,),工业上常用的吸附剂,活性氧化铝和氧化铝；硅胶；活性炭；分子筛沸石,表,7.2,常见吸附剂的主要特性,填料塔,喷淋塔,一般催化燃烧流程,废气入口,热交换器,预热室,催化床,排气,补充能量,六,.,SOx及脱硫工艺,SO,x,的来源与脱硫途径,来源,1,、煤燃烧中产生的低浓度的,SO,2,烟气是主要来源,2,、铅锌冶炼厂及硫酸厂排放的高浓度,SO,2,脱硫途径,燃烧前脱硫（低硫煤，煤的分选与预处理）,1.,选煤技术,; 2.,水煤浆技术,; 3.,煤气化技术,; 4.,煤液化技术,.,燃烧中脱硫（炉内脱硫）,型煤；硫化床燃烧技术 ；炉内喷钙技术,燃烧后脱硫（烟气脱硫）,六,.,SOx及脱硫工艺,SO,x,的来源与脱硫途径,燃烧后脱硫（烟气脱硫）,FGD Plant Principle Picture,Process water,Limestone slurry tank,Filtrate tank,GGH,Flue gas,Clean gas,Waste water,Gypsum,storage,Oxidation,air,Limestone,Vacuum,belt filter,Wet ball mill,Limestone,silo,Gypsum,Absorber,强制氧化湿法脱硫工艺,FGD,反应原理,烟气脱硫工艺比较,七,.,NOx及脱氮工艺,NO,x,的形成机理,热力型,NO,X,：,高温空气燃烧时生成的,NO,X,；, 燃料型,NO,X,：,有机燃料燃烧时分解的,N,2,和空气中的,O,2,反应生成的,NO,X,；, 瞬时,NO,X,：,低温火焰中由于含碳自由基的存在，通过中间产物转换为,NO,X,。,七,.,NOx及脱氮工艺,NO,x,的控制技术,一,.,传统的低,NO,X,燃烧技术,1.,低空气过剩系数运行技术；,2.,降低助燃空气预热温度,3.,烟气循环燃烧；,4.,两段燃烧技术,(,图,),二,.,先进的低低,NO,X,燃烧器技术,1.,炉膛内整体空气分级的低,NO,X,直流燃烧器,2.,空气分级的低,NO,X,旋流燃烧器,3.,空气,/,燃料分级的低,NO,X,燃烧器,(,图,),三,.,循环流化床锅炉燃烧技术,50,100,150,200,250,300,350,0,10,20,15,25,30,5,95%,105%,100%,美国,EPA,对燃煤电厂的限值,供入第一段燃烧区 的空气与理论空气 量的比例,两 段 燃 烧 器,一段燃烧器,空气过剩量,(%),图,煤两段燃烧时,NO,X,的生成量,NO,x,生,成,量,(,ng,/,J ),二次火焰,烟气,燃尽区,图,空气,/,燃料分级的低,NO,X,燃烧器,着火,火焰稳定,产生,NO,X,一次燃料,空气,一次火焰,分级燃料,分级风,排出热量,排出热量,还原气氛,还原,NO,X,控制,NO,X,生成,利用低的氧浓度减缓燃尽过程,七,.,NOx及脱氮工艺,NO,x,的控制技术,燃烧后烟气净化,催化燃烧还原,1.,选择性催化还原法,(SCR),脱硝（图）,在催化作用下，以氨作还原剂，将,NO,X,还原为氮气和水的方法。,催化剂的活性成分：,贵金属,(,如,Pd,、,Pt),和金属氧化物,(,如,Cu,、,Fe,、,V,、,Mn,),等，,载 体： 二氧化钛和沸石等。,2,选择性非催化还原法,(SNCR),脱硝,不用催化剂，用氨和尿素在,8501100,内，将,NO,X,还原成,N,2,的方法。,3,吸收法净化烟气中的,NO,X,4,吸附法净化烟气中的,NO,X,汽车尾气催化燃烧器,总结,大气污染过程一般包括排放，扩散，危害受体三个环节,典型大气污染包括烟煤型污染、石油型污染、沙尘暴等,大气污染危害主要体现在对人体健康、财产、能见度、全球气候（全球变暖及臭氧层空洞）,4,方面,全球变暖、臭氧层空洞、酸雨等全球化的大气环境污染问题越来越引起重视，标志着新时期环境污染的特征从区域性发展到国际化,环境空气质量标准是最基本的大气环境标准,颗粒污染物、,VOCs,、,SOx,及,NOx,是,4,类主要的大气污染物质，但不等同于环境空气质量标准中的主要标准物质,总结,大气污染气象学由于直接影响到污染物在大气中的扩散，是大气污染物扩散、迁移与转化的理论基础,整个大气层分为对流层、平流层、中间层、热层、逸散层。人类活动区域及污染主要停留的区域集中在对流层。对流层正常的温度分布为每升高,1km,大气温度下降,10,。臭氧层主要集中在对流层层顶到平流层的,15,35km,的区域，温度稳定在,55 ,，也称为同温层,影响大气稳定度的气象学因素包括风力与风向，温度分布等，逆温的分布不利于污染物的扩散,预测高烟囱连续排放的污染物的浓度的分布，一般采用高斯烟羽模型,总结,颗粒物燃物是分布最广泛的一种污染物，颗粒污染物的沉降速度与颗粒粒径有很大关系，斯托克斯公式反映了其平方关系规律,除尘的设备包括重力沉降室、惯性除尘设备、旋风除尘器、静电除尘器，以及湿式除尘设备,VOCs,的净化方法主要包括冷凝、活性炭吸附、液体吸收、催化燃烧等方法,SO,x,的主要来源与燃煤过程排放的低浓度的含硫烟气，最常用的处理工艺是石灰石的湿法烟气脱硫工艺,FGD,NO,x,的主要来源于燃烧过程产生的热力型,NO,x,及瞬时型,NO,x,，所以不同于,SO,x,完全来自于燃料。汽车尾气是城市,NO,x,的主要来源之一。,