大气污染控制工程教案.doc

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1、第一章 绪论（1学时）教学重点：大气的结构和组成，大气污染物及其来源，环境空气质量标准，空气污染指数。教学难点：大气污染物及其来源。教学要求：掌握大气的结构和组成，大气污染发生和发展过程，大气污染物及其来源，空气污染指数；了解环境空气质量标准，国内外大气污染控制现状。教学内容：人是完全靠空气生存的，成年人平均每天约需Kg粮食和2Kg水，但对空气的需求就大得多，每天约13.6Kg（合10m3）。若三者都断绝供应，引起死亡的首先是空气，要是空气中混进有毒害的物质，则毒物随空气不断地被吸入肺部，通过血液遍布全身，对人体健康直接产生危害。大气污染对人的影响不同于土壤和水的污染，它不仅时间长且范围广 （

2、较多是地域性的，也有全球性的）。地球上发生的八大“公害事件”，其中五起是因大气污染造成的。当然，空气污染的原因不只是人类的活动，还有像森林、火灾和火山爆发一类的天然事件。不过后者通常在空气污染中起次要作用。1.1 大气与大气污染一、大气的结构和组成1、大气圈随地球引力而转的大气层叫大气圈。大气圈的最外层的界限是很难确切划分的，但大气也不能认为是无限的。在地球场内受引力而旋转的气层高度可达10000Km。有的学者就以10000Km作为大气圈的最外层。一般情况下认为，从地球表面到10001400Km的气层作为大气圈的厚度，超出1400Km以外气体非常稀薄，就是宇宙空间了。大气圈中的空气分布是不均匀

3、的，海平面上的空气最稠密。在近地层的大气层里，气体的密度随高度的上升而迅速的变稀。但是在4001400Km大气层里空气是渐渐变稀薄的。大气圈的总质量约为6000万亿吨，约为地球质量的百万分之一。大气的构造：根据大气圈中大气组成状况及大气在垂直高度上的温度变化，划分大气圈层的结构如下图：从地球表面向上，大约到90Km高度，大气的主要成分氧和氮的组成比例几乎无什么变化，具有这样特性的大气层叫均质大气层（简称均质层）。在均质层以上和外围空间的大气层，其气体的组成随高度升高有很大变化，这个圈层叫非均质层。在均质层中，根据气体的温度沿地球表面垂直方向的变化分为：对流层、平流层、中间层、电离层、散逸层。各

4、层特点：对流层：）相对于整个大气圈厚度而言很薄，按最厚处计，占总厚度的9%,占总质量的75%。在这一层中除了有纯净的干空气以外，还含有一定量的水蒸气，适度的温度对人和动植物的生存起到重要的作用。 ）一般情况下，温度自地表面向高空递减，0.65/上升100米。 在对流层中，由于太阳的辐射以及下垫面特性和大气环流的影响，使得在该层中出现极其复杂的自然现象，有时形成易于扩散的气象特征，有时形成对生态系统产生有危害的逆温气象条件，雨、雪、霜、雾、雷电等自然现象也都出现在这一层。 ）大气有较强的对流运动，大气污染也主要发生在这一层，特别是在靠近地面1-2Km的近地层更易造成污染。近地层的大气污染物的扩散

5、能力主要取决于当时的气象条件。 ）温度、湿度等各要素水平分布不均匀。平流层：）在这一层里气体的温度差随高度上升有缓慢的增加，30-35Km，T=-55。然后上升（气温）较快，这是因为在该层中的臭氧强烈吸收太阳紫外线所致。 ）几乎不存在水蒸汽和尘埃，一般处于平流运动。）大气很干燥，没有云、雨等现象，是飞机理想的飞行区域。中间层：气温随高度增加迅速降低，有强烈的垂直对流运动。电离层：气温随高度增加迅速上升，空气处于高度电离状态，发电报是靠这层反射回来。散逸层：气体温度很低，气体粒子能克服地球引力而逸向星际空间。星际空间内每m3空间有数十个离子存在。研究重点：对流层，平流层2、大气组成大气（空气）从

6、自然科学角度来看，空气和大气常常作为同义词，二者没有实质性的差别。但在研究近地层的空气污染规律及对空气质量进行评价时，为便于说明问题，有时两个名词分别使用。 一般对于居住在室内或特指某个地方（如车间、厂区等）供动植物生存的气体习惯上称为空气。在大气物理、大气气象、自然地理以及环境科学研究中，常常是以大区域或全球性的气流作为研究对象，因此，就常用大气一词。大气是一个多种气体的混合物，有混合气体、水气和悬浮微粒组成，可分为：恒定组分：O2(20.95%)、N2(78.09%)、氩（0.93%）、惰性气体。上述组分的比例在地球表面上任何地方几乎是可以看作不变的。可变组分：CO2、水蒸汽、O3这些组分

7、在大气中的含量是随季节、气象的变化以及人们的生产、生活活动的影响而发生变化。不定组分： 第一环境问题引起的：由自然界的火山爆发、森林火灾、海啸、地震等暂时性灾难所引起的。污染物有尘埃、S、H2S、SOx 、NOx等。 第二环境问题引起的由于人类社会的生产工业化和经济建设速度增长，人口剧增等使得大气中增加或增多了某些不定组分。大气中含有的不定组分的种类和多少由地区的条件而定的。冶金工厂、电厂所在的地区，大气中含有煤烟、尘、SOx、NOx等组分就多。而在化工区，则有机或无机的化学物质等不定组分就多。当这些不定组分排放于大气中时就会使大气污染，不定组分达到一定浓度时，将会对动植物造成严重的危害，这是

8、环保工作者研究的主要对象。二、大气污染的定义大气污染的含义：国家标准组织定义（ISO）定义指自然界中局部的职能变化和人类的生产和生活活动改变大气圈中某些原有成分和向大气中排放有毒害物质，以致使大气质量恶化，影响原来有利的生态平衡体系，严重威胁着人体健康和正常工农业生产，以及对建筑物和设备财产等的损坏。三、大气污染的发生和发展大气污染可看作是污染源所排放出的污染物和对污染物起着扩散稀释作用的大气，以及承受污染的物体三者相互关联所产生的一种效应。一个地区的大气污染情况是与该地区的污染源所排放出的污染物总量有关的。这个总量是不因气象条件的影响而发生变化的。但是，排放出的污染物的浓度在时空分布上却是受

9、到气象条件的控制。由于气象条件的不同，污染物作用于承受者的污染程度也就不一样。近几十年来，世界上发生了多次大气污染事件，每次污染事件都是在一定地形和一定气象条件下发生的。大气污染的特点：既表现出局部严重性，又表现出全球性。1.2 大气污染源及主要污染物一、大气污染源大气污染源的分类：有四种分类法1） 按污染源存在形式：固定污染源、移动污染源；2) 按污染源排放方式：高架源、面源、线源；3) 按污染源排放时间：连续源、间断源、瞬时源；4) 按污染源产生类型：工业污染源、家庭炉灶、汽车排气。进行大气质量评价适宜用第一种分法，研究扩散适宜用第二种分法，分析污染物排放时间规律适宜用第三种分法，解决污染

10、物，控制污染物适宜用第四种分法。二、一次污染物和二次污染物一次污染物：指直接从各类污染源排出的物质。可分为：非反应物质，其性质较稳定；反应性物质，性质不稳定，在大气中常与某些其它物质产生化学反应或作为催化剂促进其它污染物产生化学反应。二次污染物：反应性的二次污染物与大气中的其它组分反应形成的物质。如二次污染物硫酸烟雾（又称硫酸气溶胶）形成过程：往往二次污染物比一次污染物的危害大得多。三、重要的大气污染物主要污染物：粉尘（钢铁厂、冶炼厂、水泥厂、建筑材料厂等）；硫化物（民用炉、热点站、金属冶炼、硫酸厂）；氮化物（硝酸厂、氮肥厂、炸药厂）；氧化物（CO、CO2）；卤化物（氟化物、氯化物、制碱厂）；

11、有机物质的污染。（以下简单介绍主要污染的性质）：1）CO 占总污染量的30% 主要来源：汽车排气占50%危害：与血红蛋白结合危害人体，排量多会使空气中O2量降低。2）NOx、NO、NO2 本身含氮变成游离氮原子和氧作用（燃NO）来源：石化燃料的燃烧高温下，大气中氮和氧结合，NOx生成量与燃烧温度有关各种工业过程（硝酸厂、氮肥厂、炸药厂等）危害：光化学烟雾的主要成分；对动植物体有强的腐蚀性。3）碳氢化合物（HC）来源：燃料燃烧不完全排放HC化合物，汽车尾气中有10%HC化合物。美国70年统计，在总HC尾气中，汽车排气占48%。危害：光化学烟雾的主要成分。 4）硫氧化物来源：燃料燃烧；有色金属冶炼

12、；民用燃烧炉灶。 SO2浓度：3.5%以上 高浓度烟气 3.5%以下 低浓度烟气危害：产生酸雨；腐蚀生物的机体；产生化学烟雾。硫酸烟雾的代表事件：伦敦烟雾事件 5）微尘分类：气溶胶中 0.11m 烟 0.11m 降尘（10m） 尘 10100m 飘尘（93%, 无机物量13空燃比（AF）定义：单位质量燃料燃烧所需的空气质量，它可由燃烧方程直接求得。例：某燃烧装置采用重油作燃料，重油成分分析结果如下（按质量）C：88.3%，H：9.5%,S：1.6%，灰分：0.10%。试确定燃烧1kg重油所需的理论空气量。解：以1kg重油燃烧为基础，则：重量（g）摩尔数（mol）需氧量（mol）C8837358

13、7358H954752375S160505H2O05002780理论需氧量为： 73.58+23.75+0.5=97.83 mol/kg重油假定空气中N2与O2的摩尔比为3.76(体积比)则，理论空气量为： mol/kg重油即 Nm3/kg重油2.3 烟气体积及污染物排放量计算（1学时）一、烟气体积计算1.理论烟气体积在理论空气量下，燃料完全燃烧所生成的烟气体积称为理论烟气体积以Vfg0表示，烟气成分主要是CO2、SO2、N2和水蒸气。干烟气：除水蒸气以外的成分称为干烟气；湿烟气：包括水蒸气在内的烟气。Vfg0=V干烟气+V水蒸气V理水蒸气=V燃料中氢燃烧后的水蒸气+V燃料中所给+V理论空气量

14、带入的2.实际烟气体积 Vfg0 Vfg = Vfg0 + (a-1)Va03.烟气体积和密度的校正燃烧产生的烟气其T、P总高于标态（273K、1atm）故需换算成标态。大多数烟气可视为理气，故可应用理气方程。设观测状态下：（Ts、Ps下）烟气的体积为Vs，密度为s。标态下： （TN、PN下） 烟气的体积为VN，密度为N。标态下体积为：标态下密度为：应指出，美国、日本和国际全球监测系统网的标准态是298K、1atm在作数据比较时应注意。2.过剩空气较正因为实际燃烧过程是有过剩空气的，所以燃烧过程中的实际烟气体积应为理论烟气体积与过剩空气量之和。用奥氏烟气分析仪测定烟气中的CO2、O2和CO的含

15、量，可以确定燃烧设备在运行中烟气成分和空气过剩系数。空气过剩系数为 a=m-过剩空气中O2的过剩系数设燃烧是完全燃烧，过剩空气中的氧只以O2形式存在，燃烧产物用下标P表示，假设空气只有O2、N2分别为21%、79%，则空气中总氧量为 理论需氧量： 0.266N2PO2P 所以 若燃烧完全 若燃烧不完全产生CO须校正，即从测得的过剩氧中减CO氧化为CO2所需的O2 各组分的量均为奥氏分析仪所测得的百分数。二、污染物排放量的计算例2对例1给定的重油，若燃料中硫会转化为SOX（其中SO2占97%），试计算空气过剩系数a=1.20时烟气中SO2及SO3的浓度，以ppm表示，并计算此时烟气中CO2的含量

16、，以体积百分比表示。解：由例1可知，理论空气量条件下烟气组成（mol）为：CO2：73.58 H2O：47.5+0.0278SOX：0.5 NX： 理论烟气量：73.58+0.5+(47.5+0.0278)+()=489.45mol/kg重油即 489.45=10.96m3N/kg重油空气过剩系数a=1.2时，实际烟气量为： 其中10.43为理论空气量，即1Kg重油完全燃烧所需理论空气量。烟气中SO2的体积为 烟气中SO3的体积为 所以，烟气中SO2、SO3的浓度分别为： 当=1.2时，干烟气量为： CO2体积为：所以干烟气中CO2的含量以体积计为： 例3：已知某电厂烟气温度为473K，压力为

17、96.93Kpa,湿烟气量Q=10400m3/min,含水汽6.25%（体积），奥萨特仪分析结果是：CO2占10.7%，O2占8.2%，不含CO，污染物排放的质量流量为22.7Kg/min。（1） 污染物排放的质量速率（以t/d表示）（2） 污染物在烟气中浓度（3） 烟气中空气过剩系数校正至空气过剩系数=1.8时污染物在烟气中的浓度。解：（1）污染物排放的质量流量为： （2）测定条件下的干空气量为： 测定状态下干烟气中污染物的浓度： 标态下的浓度： （3）空气过剩系数： （4）校正至=1.8条件下的浓度：2.4 燃烧过程中污染物的形成与控制（1学时）一、燃烧中硫氧化物的形成燃料中的硫在燃烧过程

18、中与氧反应，主要产物是SO2和SO3，但SO3的浓度相当低，既使在贫燃料状态下，生成的SO3也只占SO2生成量的百分之几。在富燃料状态下，除SO2外，还有一些其它S的氧化物，如SO及其二聚物（SO）2，还有少量一氧化二硫S2O.这些产物化学反应能力强，所以仅在各种氧化反应中以中间体形式出现。燃烧时： 故一般主要生成SO2,计算时可忽略SO3。燃烧过程中硫氧化物、颗粒污染物、氮氧化物和其它污染物的形成与控制。第三章大气污染气象学基础（2学时）教学重点：主要气象要素，大气的热力过程，大气的运动和风速廓线模式。教学难点：大气稳定度，逆温，风速廓线模式。教学要求：掌握大气的热力过程、大气稳定度、逆温和

19、风速廓线模式。教学内容：3.1 大气圈结构与气象要素（0.5学时）一、影响大气污染的主要气象要素气象要素（因子）：表示大气状态和物理现象的物理量。1、气温：2、气湿：空气湿度是反映空气中水汽含量和空气潮湿程度的一个物理量，常用的表示方法有：绝对湿度、水蒸气压力、体积百分比、含湿量、相对湿度、露点等。3、风a)定义：什么是风？ 空气水平方向的流动叫风。b)形成：风主要由于气压的水平分布不均匀而引起的，而气压的水平分布不均是由湿度分布不均造成。风的形成除热力原因外，还有动力原因，自然界的风是由于这两种原因综合作用的结果，但只要有温差存在，空气就不会停止运动。c)风的度量风的特性用风向与风速表示，它

20、是一向量。风的大小有叫风速：在单位时间内，空气水平流动的距离，m/s。风向：分为16方位，NW NWN N NEN NE WNW ENEW E ESE WSW SW SWS S SES SE4、云云是发生在高空的水汽凝结现象。形成的基本条件：水蒸汽和使水蒸汽达到饱和凝结的环境。云的分类：高云：离地面5000m以上，冰晶构成； 中云：离地面25005000m间，过冷的微小水滴及冰晶构成； 低云：离地面2500m以下，由微小水滴和冰晶构成。云量：云量是指云遮蔽天空的成数。将天空分为十份。这十分中被云所遮盖的成数称为云量。如在云层中还有少量空隙（空隙总量不到天空的1/20）记为10；当天空无云或云量

21、不到1/20时，云量为0。国外云量与我国云量间的关系，国际云量总云量：指所有云遮蔽天空的成数，不论云的层次和高度。低云量：低云的云掩盖天空的成数。云量的纪录：一般云量/低云量的形式记录，如10/7。云高：指云底距地面的垂直距离，以米为单位。5、能见度在当时的天气情况下，正常人的眼睛所能看到的最大距离叫能见度。能见就是能把目标物的轮廓从它的天空背景上分辨出来，为了知道能见距离的远近，首先必须选择若干固定的目标物，量出他们距测点的距离。能见度的大小反应了大气的混浊程度，反应出大气中杂质的多少。3.2 大气的热力过程（1学时）一、太阳辐射太阳的辐射能是地球表面和大气的唯一能量来源，地面和大气获得辐射

22、能增热的同时，本身放出热辐射而冷却，所以大气内部始终存在着冷与暖的变化，冷、暖在某种意义上讲决定着空气的干湿与降水，决定着低气压的分布，影响着大气的运动，也就影响了排放至大气的污染物质的扩散稀释。大气的热力过程，大气稳定度，逆温的形成与类型。3.3 大气的运动和风（0.5学时）大气水平运动，大气边界层风随高度变化，风速廓线模式，大气的湍流运动，地方性风场。第四章大气污染物扩散模式（6学时）教学重点：湍流统计理论（正态分布理论），高斯扩散模式，扩散参数，各种气象条件下的扩散模式，烟气抬升高度。教学难点：高斯扩散模式和扩散参数的确定。教学要求：掌握高斯扩散模式及其常见形式，能够根据地形、背景浓度以

23、及风向、风速、温度层结等气象因素及模式计算大气污染物浓度，可以根据不同要求估算烟筒高度，并对厂址选择提出初步方案。教学内容：4.1 湍流扩散的基本理论（1学时）梯度输送理论，湍流统计理论（正态分布理论），相似理论。4.2 高斯扩散模式（1学时）高斯模式的假设条件，高架连续点源扩散的高斯模式。4.3 污染物浓度的估算方法（2学时）地面浓度，地面轴线浓度，地面轴线最大浓度，扩散参数的确定。4.4 特殊气象条件下的扩散模式（0.5学时）小风、静风、熏烟条件下的扩散模式，扩散参数的确定。4.5 城市及山区的扩散模式（0.5学时）4.6 烟囱高度的设计和厂址的选择（1学时）烟囱有效源高，烟气抬升高度，厂

24、址的选择。第五章除尘技术基础与除尘设备（8学时）教学重点：粉尘的粒径分布和物理性质，净化装置性能的表示方法，颗粒捕集的理论基础，除尘设备工作原理。教学难点：颗粒捕集的理论基础，除尘设备工作原理。教学要求：掌握粉尘的粒径分布、净化装置性能的表示方法、颗粒捕集的理论和各种除尘设备的工作原理，能够计算除尘设备的净化效率。教学内容：5.1 粉尘粒径与粒径分布（1学时）一、粉尘粒径1定义：在实际中，因颗粒大小、形状各异，故表示方法有所不同。一般分为两类：单一粒径：单个粒子的； 球形颗粒：d=直径平均粒径：粒子群的。一）单一粒径 单一粒径分成 投影径 非球形颗粒 几何当量径 物理当量径1投影径：指颗粒在显

25、微镜下观察到的粒径。a面积等分径（martine），指颗粒的投影面积二等分的直线长度，其与所取的方向有关，常采用与底边平行的线作为粒径。b定向径（feret），指颗粒投影面上两平行切线间的距离。 c长径，不考虑方向的最长径。d短径，不考虑方向的最短径。2几何当量径：取颗粒的某一几何量（面积、体积等）相同时的球形颗粒的直径。a 等投影面积径dA：与颗粒投影面积相同的某一圆面积的直径。 b 等体积径dV： c 等表面积径dS： d 体积表面积平均径de：颗粒体积与外表面积相同的圆球的直径。3物理当量径：取颗粒某一物理量相同时的球形颗粒粒径。a 自由沉降dt：特定气体中，在重力作用下，密度相同的颗粒

26、因自由沉降而达到的末速度与球形颗粒所达到的末速度相同时的球形颗粒的直径。b 空气动力径da：在静止的空气中颗粒的沉降速度与密度为1g/cm3的圆球的沉降速度相同时的圆球的直径。单位。c 斯托克斯径(Stokes)dst。在层流区内（对颗粒的雷诺数Re2.0）的空气动力径。 Vt颗粒在流体中的终端沉降速度（m/s）d分割粒径（半分离粒径）d50：即分级效率为50%的颗粒直径。（二）平均粒径 对于一个由大小和形状不相同的粒子组成的实际粒子群与一个由均一的球形粒子组成的假想粒子群相比，若两者的粒径全长相同，则称此球形粒子的直径为实际粒子群的平均粒径。表7-1列出了各种方法计算的平均粒径，数值相差很大。P282。一般顺序：d1dsdvd2d3d4常用的单一粒径：投影径、等体积径、斯托克斯径、分割粒径dc50、空气动力学径da（是除尘技术中用得最多的）。平均粒径：中位径、众径。二、粒径分布1定义：粒径分布是指某一粒子群中不同粒径的粒子所占的比例，亦称粒子的分散度。表示方法：个数分布：以粒子的个数所占的比例来表示； 表面积分布：以粒子表面积表示； 质量分布：以粒子质