能源与环境工程(西安交大)第三章大气污染－王树众.ppt

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1、第三章 大气污染,要掌握的内容： 污染的种类、来源及其危害 大气污染物扩散原理及其模式 大气污染控制（排放标准、综合控制措施）,第一节 概述,1. 大气组成 大气是人类及一切生物赖以生存必不可少的物质和基本环境要素之一 。 （食、水、空气：人缺乏食物约可生存5周；断绝饮水约可生存5天；而离开空气，则5min就会死亡。） 通常认为海平面附近的干燥空气是洁净空气，其组成基本不变。 1000公里的高空以内称为大气层或大气圈，其密度随着高度的减小而增加，大气质量约99.9都集中在55km以下的空间。,一、大气污染,大气组成： 干燥洁净的混合气体（空气）： 78.09 N2, 20.94 O2, 0.9

2、34 Ar 和0.032 CO2 。共占大气总容积的99.996。 ( CO2和O3含量甚微，但对大气温度和生物生存起着重要作用。CO2吸收地表的长波辐射，阻止地球散热。 0.2510-5 O3 吸收太阳紫外辐射99% ，集中在2025km的高度处。） 悬浮微粒：固体微粒（悬浮灰、尘、花粉、细菌、冰晶）、颗粒状液体（水滴、云雾、）。影响大气的能见度，削弱太阳的辐射强度。 水蒸气：含量不大，构成天气现象（云、雾、雨、霜、露）。,2. 大气污染 国际标准化组织(ISO) 定义：“空气污染，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，达到了足够的时间，并因此而危害了人体的

3、舒适、健康和福利或危害了环境。” 其明确了： (1)形成大气污染的原因：自然因素、人为因素；(2)造成大气污染的必要条件：即污染物在大气中要含有足够的浓度，并且停留足够的时间，超过了允许限度，使得大气质量恶化，从而危害了人体的舒适、健康和福利或危害了环境。）,3. 影响大气污染形成的主要因素 污染物浓度愈高，停留时间愈长，污染愈严重。 地理、地形特征：影响大气的扩散能力。不同的特征，在不同气候条件下，会形成各种大气环流风。风可能加速、也可能不利于污染物的扩散。 气象条件：不同的气象条件具有不同的稀释扩散能力。包括：风速和风向、大气气温垂直分布和稳定度、降水过程。 排放源高度：高烟囱把污染物排向

4、远离污染源的高空，在更广阔的区域中扩散稀释，降低污染物在近地面的浓度。但是污染物的总量没有减少。,二、大气污染源,定义：造成大气污染的污染物发生源。 按排放方式：点源、线源、面源； 按排放形式：固定源、流动源； 按排放时间：连续源、间断源、瞬时源； 按排放位置：地面源、高架源。 通常人工污染源分为： 生活污染源。生活中炉灶、热水器、采暖锅炉。 工业污染源。燃料燃烧、工业生产排放的物质。 农业污染源。农药和化肥分解产生有害气体、粉尘飞扬。 交通污染源。交通工具燃烧排放的有害废气。 （ 其中，燃料燃烧排放的大气污染物占7080）,三、大气污染的分类,1. 大气污染的类型 按大气污染的影响范围： 局

5、部性大气污染： 某个污染源的小范围（如某一火电厂）；(Local) 地区性污染：工业区及附近、整个城市；(Regional) 广域性污染：超过行政区域的广大地域；(Wide range) 全球性大气污染：超越国界、全球。（Worldwide） 按污染物的种类： 煤烟型。煤炭燃烧，SOx、烟尘等，以及形成的二次污染物。 石油型。石油生产、石油制品使用，NOx、COx、HC等，以及形成 的光化学烟雾。 混合型。有煤烟型和石油型的综合特征，以煤碳、石油为燃料综合的污染源，以及从工厂企业排出各种化学物质的污染源。 特殊型。某些特殊的气态污染物，如放射性废气、含氯气体、含氟气体。,煤炭和石油燃烧排放的废

6、气，在一定的气象条件下形成二次污染的特征： 氧化型大气污染(汽车尾气型)。石油类燃料燃烧，汽车排气中CO、NOx、 HC。强烈阳光作用，污染物发生光化学反应后生成臭氧、过氧乙酰基硝酸酯类等氧化性二次污染物。气象条件：较强烈的阳光，气温高于23，湿度低于75，风速小于3m/s，通常发生在夏、秋季节的白天，以中午污染最严重。（洛杉矶型、石油型）。 还原型大气污染(煤炭型)。煤炭燃烧，产生烟尘、SO2和CO，多发生于煤炭和石油混合使用的地区。气象条件：多云，气温低于8，湿度高于85，基本无风、伴有逆温。一次污染物低空聚积，生成还原性硫酸烟雾。通常发生在冬季，以早晨污染最严重。（伦敦型、煤炭型）。,2

7、. 我国的大气概况和特点 能源消费以煤炭为主，主要是SO2和烟尘的污染，大气污染的特征属于煤烟型。 污染水平：北方城市南方城市，冬季夏季，早晚中午。南方城市是酸雨和高硫煤地区的污染，北方城市是冬季采暖期的污染。 1997年，污染物排放达到最高值。其中SO2排放过了美国，成为世界SO2排放第一大国。 1997年后，烟尘、SO2排放总量呈下降，但数量仍巨大；石油消费和机动车辆急剧增加，氮氧化物污染呈上升。,第二节 大气污染物,已认定的大气污染物约有100种，主要为气溶胶态和气态污染物。 气溶胶态污染物 气态污染物,一、气溶胶态污染物,沉降速度可以忽略的固体、液体颗粒在气体介质中的悬浮体 。 分为以

8、下三种形式 : 1. 粉尘(dust): 较小悬浮固体颗粒，200m。煤粉、水泥、金属粉尘、粘土粉尘、石棉等。一般，粉尘75m，粗尘75m。 2. 烟尘: 燃烧、冶金中的细微颗粒：烟炱(fume)，冶金过程中的固体粒子。熔融物质挥发产生的气态冷凝物，1m。如氧化铝（锌、铅）等；飞灰(fly ash)，燃料燃烧中的细小灰粒，10m；黑烟(smoke)，燃烧产生的可见气溶胶。燃料高温缺氧，烃类热分解生成的碳黑颗粒，0.011m。,3. 雾(fog): 微小液体颗粒。水雾、油雾、酸雾、碱雾，100m。气象学中是指造成能见度lkm的小水滴悬浮体。 气溶胶态污染物通常500m。 100m的颗粒易于沉降，

9、造成的危害较小。 100m的所有固体颗粒物：总悬浮微粒(TSP) 飘尘: l0m，粒度小，质量轻，不易沉降； 降尘: l0m，能靠重力在较短时间内沉降；,一次污染物(从污染源直接排放出的)：SOx、NOx、COx、HC化合物，O3、氟化物等。 二次污染物：光化学烟雾、硫酸烟雾等。 1. 含硫化合物: SO2、SO3和H2S等。 SO2：最主要的气态污染物。化石燃料燃烧、有色金属冶炼、火力发电、石油炼制、造纸、硫酸生产及硅酸盐制品熔烧等过程都向大气排放SO2，燃烧SO2约占70以上。 H2S：有机腐败物，造纸、炼油、炼焦、石化、农药等生产中的排放。在大气中很快被氧化成SO3或SO2。 2. 含氮

10、化合物：NO、NO2、N2O、N2O3、NH3、HCN等，主要是NO和NO2 。大约83的NOX来自燃料燃烧。此外，硝酸、氮肥、石化、炸药生产。 3. 碳氧化合物：CO、CO2。人工：燃烧。CO排放量为大气污染物之首，但CO的浓度并未持续增加，表明自然界存在抑制CO增长的机制，如土壤微生物的代谢和OH自由基的氧化能将CO转化为CO2。但CO排放集中时，浓度可能达到危害环境水平。,二、气态污染物,4. 碳氢化物：可挥发的各种有机烃类化合物，如烷、烯和芳烃等。大部分来自于植物的分解，人工是石油类物质不完全燃烧和蒸发，汽车尾气排放占有主要的比重。HC是一种强致癌剂，与NOX的共同作用会形成光化学烟雾

11、。 5. 卤素化合物：含氯、含氟化合物。钢铁、石化、农药、化肥工业的生产过程中都有。排放量不多，对植物生长有很大伤害；破坏臭氧层的主要成分。 6. 硫酸烟雾：SO2等含硫化合物，在有水雾、颗粒气溶胶、NOx、以及一定气象条件下，发生化学或光化学反应而形成。相对湿度较高，气温较低，并伴有煤烟尘、含有重金属的飘尘等存在时发生的。 7. 光化学烟雾：阳光紫外线照射， NOx、HC和氧化剂之间发生一系列光化学反应而生成的淡蓝色(有时呈紫色或黄褐色)二次污染物。主要成分是臭氧、过氧乙酰基硝酸酯(PAN)、醛类及酮类等。,第三节 燃料燃烧,燃烧产生的污染物约占全部大气污染物数量的70。 一、燃料性质 1.

12、 固体燃料：coalC、H、O、N、S、A、W。所含污染物如下： 灰：456070，我国25 S：无机硫：黄铁矿硫（FeS2）；有机硫：有机质的复杂化合物；硫酸 盐硫：石膏（CaSO42H2O）。（无机硫和有机硫参于燃烧；而硫酸盐硫属于灰分。高硫煤2。） N：化合物：挥发分N、焦炭N。 2液体燃料。汽油、煤油、柴油、重油（含S） C、H高，灰少。 3气体燃料。天然气CH4 气田气、油田伴生气、煤田伴生气。人造气液化石油气、焦炉煤气、发生炉煤气、高炉煤气。,二、燃烧过程,燃烧分为固相燃烧、气相燃烧。 必要条件：适当空气量，即氧气。（不足，燃烧不完全；过大，降低燃烧温度。） 空气过剩系数：实际空气

13、量/理论空气量，用于固定装置。 空燃比A/F:空气量/燃料量（质量），用于移动装置。（汽油理论A/F15，甲烷理论A/F17.2）。 良好的燃烧工况还必须满足以下三个基本条件（3T）： 足够的温度。着火温度，燃烧维持较高温度。 充足的时间。才能保证燃料的充分燃烬。 充分的混合。混合不良将产生不完全燃烧产物，相当缺氧燃烧。用湍流度衡量。,三、燃烧产物,N2、CO2、水蒸气和飞灰，以及O2、SOX、NOX、CO、H2、CH4、HC、碳黑。 污染物：SOX、NOX、COx、 HC、碳黑、飞灰。 SOX：SO2，少量的SO3。 NOX：燃料N，空气N生成。主要NO，少量NO2。 飞灰：剩余的细微固体颗

14、粒物。 CO、H2、CH4、HC、碳黑：不完全燃烧产物。 与燃料性质、燃烧方式、燃烧条件有关。,第四节 大气主要污染物的生成机理及危害,一、烟尘： 1. 烟尘的生成机理 （1）气态析出型。固体燃料的挥发分气体、液体燃料蒸发气和气体燃料，高温缺氧（还原性气氛）热分解生成碳黑或积炭。0.010.2m。 气相脱氢聚合反应： 甲烷 CH4 2H2 + C 乙烷 C2H6 3H2+ 2C C2H6 H2 + C2H4（乙烯） 乙烯 C2H4 H2 + C2H2 C2H2 H2 + 2C,(2) 液态剩余型。液体燃料不完全燃烧： 煤胞、油灰：油滴蒸发产生油蒸气燃烧时，一边膨胀发泡，一边聚缩固化，生成103

15、00m、表面光滑致密、内部絮状、难以燃烧的空心焦粒； 石油焦：油雾滴与炽热固体壁面接触时高温裂解，形成颗粒较大的物质，结焦。 (3) 固态剩余型。固体燃料燃烧时形成，包括未燃尽固定碳和灰分（飞灰），3100m。,2. 影响烟尘生成的因素 （1）燃料性质：灰分，含水量，飞灰浓度；气态燃烧的燃料数量越多，碳含量，碳黑。气、液燃料碳黑多，固体燃料以飞灰为主。 （2）燃烧条件：不完全燃烧产生烟尘。 （3）燃料粒径：液体燃料粒径越大，其燃尽时间也越长，尘浓度。 固体燃料的燃烧速率取决于氧气向表面的扩散速度，以及在固体表面上进行的化学反应速度。 3. 烟尘的危害 10m能迅速沉降；10m飘尘长期悬浮，易进

16、入呼吸系统，直接进入肺部。烟尘的化学组成很复杂，含有毒物、致癌物，引起肺癌或皮肤癌。,二、硫氧化合物,主要是SO2，SO3很少。缺氧时，还有H2S和元素S。 生成SO2的总放热反应 S + O2 SO2 （31） 火焰中的淡蓝色是O原子和SO反应形成SO2时所发射的光谱。SO是一种中间产物。 1. 生成机理 （1）有机硫和H2S的氧化 H2S主要在油中。煤中有机硫500分解H2S。 H2S、S元素首先SO(H2S+O2SO+H2O ； S+O2SO+O) 再 SO+O2SO2+O ； SO+OHSO2+H,（2）无机硫的氧化 无机FeS2分解速度慢。 1)缺氧时，500，分解成S、H2S和Fe

17、S，FeS必须1400才能分解出S，再氧化成SO2。2)富氧下，FeS2直接氧化SO2: 4FeS2 + 11O2 2Fe2O3 + 8SO2 S含量，空气量，SO2。 （3）燃烧中SO3的生成 可逆 SO2 + O SO3 过程缓慢。 贫燃：计算，高温有利于SO2生成，低温有利于SO3生成。实测，高温区SO3浓度计算值。贫燃O2充足，S氧化快。 富燃：高温时，缺O2，抑制SO2SO3。低温时，O原子浓度急剧降低， S03浓度略有下降。,催化剂：金属氧化膜（Fe2O3）、积灰（V2O5），促使SO2SO3。 水蒸气与SO3反应形成H2SO4蒸汽。 因此：含S；含灰；反应；高温区；火焰t，SO3

18、。 （4）SO2在大气中的转化 SO2在大气中的转化速度非常小。 （若存在金属氧化物、颗粒物、NOX等可作催化剂的物质，可增大SO2SO3的速度，或直接氧化为硫酸盐气溶胶，如MgO2SO2MgSO4 ，SO2和SO3与水蒸气反应都会形成硫酸蒸汽。）,2. 硫化合物的危害 SO2：有强烈的辛辣、刺激性气味。浓度超过一定值，支气管收缩，鼻腔出血，呼吸困难，诱发支气管炎、肺水肿。SO2形成的硫酸烟雾，毒性作用增大34倍。 对植物造成伤害，其生长受阻，叶片出现黄褐色坏死斑、脱水、焦枯。 H2S：有毒气体，易溶于水。刺激性引起眼结膜炎；侵入血液中与血红蛋白结合，生成硫化血红蛋白而使人缺氧，窒息死亡。空气

19、中H2S的体积分数为0.04时便有害于人体健康，0.1时就可致人死亡，大气中允许的硫化氢浓度为0.01g/m3。,三、氮氧化合物,1. 燃烧过程中NOx的热力学平衡 N2 + O2 2NO t，Kp，NO NO + O2 NO2 + O t，Kp， NO2 NO与NO2的生成反应的特点 燃烧中NO95，NO25； 任何温度时生成的NO都NO2； t，NO，1500 K，反应速率很小；800K，NOx数量忽略不计； 室温时只有极少量NO与NO2生成。排入大气NO，在充足的反应平衡时间下氧化成NO2。,2. NO的生成机理 燃料N、空气N。热力型、燃料型、快速型。 （1）热力型NO（空气N） O2

20、分解 2O O+N2 NO+N N+O2 NO+O， N原子并不是N2的直接分解。分解反应Kp(O2)是Kp(N2)的108倍， N2的分解可以忽略。 热力型NO生成在火焰后的高温燃气中。 ON2 所需活化能大， O燃料 活化能小， NO生成速率燃烧速率， NO生成反应慢。 油、气燃料燃烧中的主要产物。,影响热力型NO生成的因素,温度。生成NO活化能大，1500，生成非常少；1500，NO。降低燃烧温度,避免局部温度峰值。 燃烧产物滞留高温时间。高温火焰内O原子浓度高；烟气快速冷却时，O原子重新结合成O2，NO浓度被“冻 结”。 缩短时间，可减少NO。,氧浓度。 1，O2， NOx（O）； 1

21、，O2， NOx（t）。 偏离NOx（max）的燃烧。,（3）燃料型NO（燃料N） 燃料N热分解析出NO。结合键能量： 燃料N空气N2，易分解析出，在火焰中生成。 N热分解后，生成中间产物(NH3、HCN、CN） 贫燃料（富氧)：生成NO 燃料NHCN， HCNONH，NHO2NO 富燃料（缺氧) 还原成N2 NHRHNH2， NH2NON2 或 NH2H2NH3 或 NO+CHnHCN， 2NO+2CN2+2CO,CH4+空气+NH3作为燃料N的研究结果,燃料N含量 N，NO，而转化率N； N， HCN,NON2 ，NO，0.8，NO饱和。,空气过剩系数 预混燃烧：1，缺氧还原，NO和N；

22、1时，NO基本不变。 扩散燃烧： 平均1，总存在1局部还原区，N预混燃烧； 1，N，与预混燃烧有所不同。,煤中N生成NO： 挥发分N：如前述的气相反应。 焦炭N：生成NO比例较小，机理更复杂。焦炭表面多相氧化，或焦炭N中间产物NO。 影响燃料型NO生成的因素: 燃料N，NO，而转化率N； 热分解t，中间产物，NO； 煤燃烧是部分扩散火焰，NO； 燃烧区中，N停留，氧气充足，NO； 氧气缺乏，NO。,（3）瞬发型NO (空气中的N2氧化而来)-Prompt NO 富燃料混合气火焰面上快速生成大量的NO。有人认为和燃料型NO的生成过程比较相似。瞬发型NO生成量很少，出现在1700时，并与压力的0.

23、5次方成比例。 3. NOx的危害 有毒气体，NO2比NO的毒性高45倍。 NO：与血红蛋白亲合力强，降低血液输氧能力。 NO2：刺激呼吸系统，损害肺、心、肝、肾、造血组织等。,四、其他污染物,1. CO CO是燃烧过程的中间产物，不完全燃烧产物。 RH R RO2 RCHO RCO CO R碳氢自由基团。RCO主要通过热分解生成CO。 CO的生成速率很快，氧化成CO2的速率，在火焰区CO浓度迅速上升到最大值。控制CO的排放是使之完全燃烧。 危害：毒性很大。与血红蛋白有较强亲合力，比氧与血红蛋白的亲和力大200多倍。生成碳氧血红蛋白，降低血液输送氧气的功能。中枢神经受影响，降低人对各种意识的分

24、辨能力，出现昏迷、呼吸困难，甚至导致窒息死亡。,2. 碳氢化物（HC） 来源：不完全燃烧、石油类物质蒸发。燃烧室内温度过低的区域，或者油气混合不均匀导致燃烧室内局部混气过富。 HC的热分解和氧化非常复杂，许多中间产物的反应过程和反应机理至今尚不清楚。大部分HC是700时发现。 危害：主要致癌物质。一般是多环结构的多环芳烃类物质，如苯并a芘等，其中有机物在燃烧分解过程中产生的焦油状多环芳烃苯并芘就是公认的强致癌性物质。,3. 碳烟 汽车排放的不完全燃烧产物，柴油机碳烟浓度约为汽油机的3080倍。柴油机采用扩散燃烧，燃料和空气混合不均匀，出现部分混合气过浓，缺氧，其形成条件与CO和HC很相似。 白

25、烟：寒冷气候起动、怠速运转，燃烧室温度过低，燃料未经燃烧排出，1m以上白色液珠。 蓝烟：柴油机低负荷工作、低温运转，排出的直径在0.4m的淡蓝色液珠。 黑烟（碳烟）：柴油机高负荷运行，混合气高温缺氧，产生脱氢聚碳反应，以碳为主0.05m的固态微小颗粒。,4. 光化学烟雾 NOX、HC，在阳光的强烈照射下，发生光化学反应后形成二次污染物（臭氧、醛类、过氧乙酰硝酸酯(PAN)）等氧化剂 ，形成光化学烟雾。 NO2光解NOO OHCOH， OO2O3 O、O3、OHHCHC自由基。 HC自由基O2过氧化自由基。 各种自由基NONO2 发生时，气温较高，大气相对湿度较低，夏季晴天，高峰出现在正午前后，

26、夜间消失。,影响光化学烟雾形成的因素,（1）污染物质及浓度。存在NO2和HC，浓度越高，各种氧化剂的浓度也必然增高。大气中飘尘易吸附气态分子发生反应。 （2）太阳辐射强度。只有波长为290430nm能量较大的紫外辐射，才能使NO2光解。 （3）地理位置。天顶角越小，辐射线的路线越短，紫外辐射越强。大气层愈厚，到达地面的辐射能愈少。夏季天顶角比冬天小，晴朗、夏季中午出现光化学烟雾的可能性最大。 （4）气象条件。晴天、阳光明媚、高气温、低湿度、低风速、有逆温层存在，易产生光化学烟雾。 此时污染物质不易稀释扩散。,第五节 大气污染的防治途径,一、我国大气污染治理 以煤为主能源政策在今后相当长时期内不

27、会改变。 我国的工业废气的治理已经取得了明显的成果，一些地区的大气污染得到控制或缓解，但仍然存在许多问题： 部分老企业和乡镇企业的生产技术落后、设备简陋、能源消耗高、废气排放量大，治理难度大； 资金不足，有害气体的处理率低； 许多废气治理设施开工率和运转率低，甚至搁置不用。,二、大气污染的综合防治,大气污染的综合防治的原则: 区域为统一整体，调查评价、统一规划，综合运用各防治措施，改善大气环境质量。原则: 推行清洁生产，控制污染源头。将综合预防的环境策略持续应用于生产过程和产品之中，以期减少对人类和环境的风险。 合理利用环境自净能力与人为措施相结合。 综合防治与分散治理相结合。分散治理为基础

28、按功能区实行总量控制。保持环境质量符合要求，所能允许的某种污染物的最大排污总量。 技术措施与管理措施相结合。粗放经营、管理不善造成污染物流失约占总量的50。,2. 大气污染的综合防治措施 （1）全面规划、合理布局或调整工业结构。 （2）严格的环境管理体制。 （3）综合利用，提高资源利用率。 （4）合理利用能源。 改变常规能源结构和用能方式。 采用先进的清洁煤技术。 节约能源。 开发清洁能源。 控制污染源头和废气排放。安装除尘净化装置，高烟囱排放。 构建绿色生态系统。,三、大气环境标准,为了维护生态平衡，保护人体健康，控制和改善大气质量，制定大气环境中污染物的最大容许含量和污染源排放污染物的数量

29、及浓度的技术规范。分为大气环境质量标准、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。 标准制定：为保障人体健康和维护生态平衡，并考虑实现标准的经济代价和所取得的环境效益之间的关系，以及不同区域功能、生态结构和技术经济水平等的差异性。因此，制订了不同水平等级的国家标准和地方标准。,目前,多数国家依据世界卫生组织WHO(World Health Orgnization)1963年提出的四级标准作为判断空气质量的基本依据： 第一级：在处于或低于所规定的浓度和接触时间内，对生物观察不到什么直接或间接的影响； 第二级：达到或高于规定的浓度和接触时间时，开始对人的感觉器官有刺激，对植物有

30、损害，对人的视距有影响或对环境产生其他有害作用； 第三级：达到或高于规定的浓度和接触时间时，开始引起人的慢性疾病，使人的生理机能发生障碍或衰退，从而导致寿命缩短； 第四级：达到或高于规定的浓度和接触时间时，开始对污染敏感的人引起急性中毒或导致死亡。,我国环境空气质量标准GB 30951996，属于此标准的一、二级范围内。分三类环境空气质量功能区，分别执行三级标准： 一类区：自然保护区和其他需要特殊保护地区。 一级标准：长期接触，不发生任何危害影响。 二类区：城镇居住区，商业交通居民混合区，文化区，一般工业区和农村地区。 二级标准：长、短期接触，不发生伤害。 三类区：为特定工业区。 三级标准：人群不发生急、慢性中毒（敏感者除外)，不影响城市一般动、植物正常生长。,The End,