大气污染控制工程教案教材.doc
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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１Kg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（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10¸000Km。
有的学者就以10¸000Km作为大气圈的最外层。
一般情况下认为，从地球表面到1¸000~1¸400Km的气层作为大气圈的厚度，超出1¸400Km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400~1¸400Km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。
各层特点：
——对流层：
１）相对于整个大气圈厚度而言很薄，按最厚处计，占总厚度的６－9%,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。
２）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。
３）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能力主要取决于当时的气象条件。
４）温度、湿度等各要素水平分布不均匀。
——平流层：
１）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。
２）几乎不存在水蒸汽和尘埃，一般处于平流运动。
３）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）；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：
①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
②各种工业过程（硝酸厂、氮肥厂、炸药厂等）
危害：
①光化学烟雾的主要成分；
②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：
①燃料燃烧；②有色金属冶炼；③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：
①产生酸雨；②腐蚀生物的机体；③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0.1—1μm
烟0.1—1μm降尘（>10μm）
尘10—100μm飘尘（<10μm）
雾1—10μm
危害：
①引起呼吸道疾病；②致癌作用；③造成烟雾事件（硫酸等，SO2之所以在大气中造成危害是由于大气中微尘带有一些Mn2+、Fe2+等催化剂使
6）其他有害物质（石棉、铍、汞）
7）光化学烟雾
大气中的一次污染物如汽车、工厂等排放的燃烧生成物和未燃烧物质经过太阳光的照射，各种污染物之间发生反应形成二次污染物——烟雾，被称为光化学烟雾。
光化学烟雾的主要成分：
O3、过氧酰硝酸酯、酮类、醛类各种活性很强的许多自由烃、氮类氧化物。
造成光化学烟雾的起始物：
NO2
形成条件：
阳光照射（光波2900—4200Å）空气中存在HC化合物（上午9点—下午2点）晴天，温度不太高。
§1.3环境空气质量控制标准
大气环境标准按其用途可分为：
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及大气污染警报标准。
按其适用范围可分为：
国家标准、地方标准和行业标准。
《环境空气质量标准》GB3095-1996规定了环境空气质量功能区划分、标准分级、污染物项目、取值时间及浓度限值，采样与分析方法及数据统计的有效性规定。
本标准适用于全国范围的环境空气质量评价。
环境空气质量功能区分为三类：
一类区为自然保护区、风景名胜区和其它需要特殊保护的地区；二类区为城镇规划中确定的居民区、商业交通居民混合区、文化区、一般工业区和农村地区；三类区为特定工业区。
空气环境质量分为三级：
一类区执行一级标准，二类区执行二级标准，三类区执行三级标准。
共限定了六种污染物的浓度值：
SO2、TSP、PM10、NOx、NO2、CO、O3、Pb、B[a]P、F。
标准同时配有各项污染物分析方法。
《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，现有污染源（1997年1月1日前设立的污染源）和新污染源（1997年1月1日起设立的污染源）分别执行相应的标准。
§1.4空气污染指数
空气污染指数（AIRPOLLUTIONINDEX，简称API）是一种反映和评价空气质量的方法，就是将常规监测的几种空气污染物的浓度简化成为单一的概念性数值形式、并分级表征空气质量状况与空气污染的程度，其结果简明直观，使用方便，适用于表示城市的短期空气质量状况和变化趋势。
空气污染指数的确定原则：
空气质量的好坏取决于各种污染物中危害最大的污染物的污染程度。
空气污染指数是根据环境空气质量标准和各项污染物对人体健康和生态环境的影响来确定污染指数的分级及相应的污染物浓度限值。
目前我国所用的空气指数的分级标准是：
（1）空气污染指数（API）50点对应的污染物浓度为国家空气质量日均值一级标准；
（2）API100点对应的污染物浓度为国家空气质量日均值二级标准；（3）API200点对应的污染物浓度为国家空气质量日均值三级标准；（4）API更高值段的分级对应于各种污染物对人体健康产生不同影响时的浓度限值，API500点对应于对人体产生严重危害时各项污染物的浓度。
空气污染指数的计算与报告：
污染指数与各项污染物浓度的关系是分段线性函数（见书），用内插法计算各污染物的分指数In，取各项污染物分指数中最大者代表该区域或城市的污染指数。
即：
API＝max（I1,I2…Ii,…In）
该指数所对应的污染物即为该区域或城市的首要污染物。
当污染指数API值小于50时，不报告首要污染物。
§1.5国内外大气污染及控制现状
一、大气污染现状
70年代大气污染逐步开始改善，60年代到70年代美国、日本污染相当严重，所以70年代初到80年代日本大气治理比美国先进，现在美国已赶上日本，70年代开始出现光化学烟雾（较普遍）。
国内现状：
治理刚起步，对燃烧除烟尘基本上没有注意，大气污染较严重。
原因：
1）向四化进军正处于建设初期，工业高速发展，大气污染相当严重；2）能源结构不合理，以煤为主；3）布局不合理（有些工厂明明知道处于上风口还要建），行政管理不合理。
二、大气污染防治途径
我国大气环境的特征：
普遍受到尘、SO2为主的烟煤型污染；在大城市或特大城市要注意NOX的污染来源：
主要是汽车；酸雨；局部地区的污染：
如氧化物：
包头、抚顺、昆明等；铅：
沈阳、广州、长春、上海等。
大气污染的特征：
污染物微量（百万分之一计算），浓度用ppm计算；污染物量变化（风经常影响其浓度）；污染物质变化（如NOX和有机物在光的作用下会产生O3、甲醛（PAN）3等。
大气污染的控制途径：
控制污染源，改革工艺，合理的工业布局；控制污染源之后的排放的污染物，应用各种各样的治理技术；走综合防治的途径。
综合防治的含义：
从全局出发，综合考虑生产生活等方面的诸因素，围绕经济社会发展目标，运用多科学、多途径、多种手段进行防治，达到经济效益和环境效益的统一。
综合防治的基本原则：
1）防与治相结合，以防为主。
2）回收资源与净化处理相结合，以回收资源为主
3）企业治理与区域治理相结合
4）人工净化与自然净化相结合
第二章化石燃料燃烧与大气污染（3学时）
教学重点：
燃料燃烧过程，烟气体积及污染物排放量计算，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。
教学难点：
烟气体积及污染物排放量计算。
教学要求：
掌握燃烧过程的影响因素，燃烧过程中硫氧化物、颗粒污染物、氮氧化物的形成与控制。
教学内容：
§2.1化石燃料的组成与性质（0.5学时）
燃料指燃烧过程中能放出热量，且经济上可行的物质。
燃料的分类：
（1）常规燃料：
如煤（coal）、patrolum、天然气等。
（2）非常规燃料
按其物理状态分为：
（1）固体燃料：
挥发分被蒸馏后以气态燃烧（蒸气控制）；留下的固定炭以固态燃烧（扩散控制）。
（2）液体燃料：
有蒸发过程控制（气态形式燃烧）。
（3）气态燃料：
有扩散或混合控制。
燃料的性质影响大气污染物的排放。
一、煤：
是一种复杂的物质聚集体。
主要可燃成分是C、H及少量O2、N2、S等一起构成的有机聚合物。
煤中有机成分和无机成分的含量因种类、产地不同而异。
1.分类：
按基于沉积年代的分类法分为褐煤、烟煤、无烟煤。
a.褐煤：
是由泥煤形成的初始煤化物，是煤中等级最低的一类，形成年代最短。
呈黑色、褐色、泥土色，象木材结构。
特点：
①挥发分较高，析出温度低；②燃烧热值低，不能制炭。
干燥后：
C含量60—75%，O2含量20—25%。
b.烟煤：
形成历史较褐煤长。
黑色，外形有可见条纹。
挥发分20—45%，C75—90%。
成焦性较强，氧含量低，水分及灰分含量不高，适宜工业使用。
c.无烟煤：
碳含量最高，煤化时间最长的煤，具有明显的黑色光泽，机械强度高。
C含量>93%,无机物量<10%,着火难，不易自燃，成焦性差。
2.煤的组成
煤的组成测定方法分为工业分析；元素分析两大类。
a.工业分析：
水分、灰分、挥发分、固定碳、S含量、热值。
3.元素分析：
用化学法测定去除掉外部水分的主要组分。
C、H2、N2、S、O2等。
煤中硫的形态
有机硫（CxHySz）
煤中含硫硫化物硫（FeS2）
无机硫无系硫（S
硫酸盐硫（MeSO4）
硫酸盐硫在燃烧时不参加燃烧，留在灰渣里，是灰分的一部分，其它能燃烧放出热量。
我们所说的污染物SOx只包括有机硫、硫化物，不包括MeSO4，而一般给我们的含硫量是指总硫量。
应注意。
a.硫化铁硫：
是主要的含硫成分，主要代表黄铁矿硫。
黄铁矿：
硬度6—6.5
比重4.7—5.2
本无磁性，但在强磁场感应下能转变为顺磁性物，吸收微波能力较强，据此，可把其从煤中脱除。
b.有机硫：
以各种官能团形式存在。
如噻吩、芳香基硫化物、硫醇等。
不易用重力分选的方法除去，需采用化学方法脱硫。
二、石油
石油是液体燃料的主要来源。
原油是天然存在的易流动液体。
比重0.78～1.00，主要含C、H2、少量的S、N2、O2，此外，含有微量金属（钒、镍）、砷、铅、氯等，10ppm左右。
原油中的硫大部分以有机硫形式存在，形成非碳氢化合物的巨大分子团，其含硫量变化范围较大，一般为0.1—7%。
原油通过蒸馏、裂化和重态过程生产出各种产品。
原油中的S约有80—90%留于重硫分中。
硫以复杂的环状结构存在，而需去除的仅是硫原子，故不能用物理方法分离硫化物。
采用高压下的催化加氢破坏C—S—C键形成H2S气体，可达目的，但费用很高。
三、天然气
一般组成CH485%,乙烷10%，丙烷3%，此外还有H2O、CO2、N2、He、H2S等。
§2.2燃料燃烧过程（0.5学时）
一、影响燃烧过程的主要因素
1．燃烧过程及燃烧产物
燃烧是可燃混合物的快速氧化过程，并伴有能量的释放，同时使燃料的组成元素转化成相应的氧化物。
多数化石燃料完全燃烧的产物是CO2、水蒸汽；不完全燃烧过程将产生黑烟、CO和其它部分氧化产物等。
若燃料中含S、N会生成SO2和NOx，燃烧温度较高时，空气中的部分氮会被氧化成NOx。
2．燃料完全燃烧的条件
燃料完全燃烧的条件是适量的空气、足够的温度、必要的燃烧时间、燃料与空气的充分混合。
（1）空气条件：
按燃烧不同阶段供给相适应的空气量。
（2）温度条件：
只有达到着火温度，才能与氧化合而燃烧。
着火温度：
在氧存在下可燃质开始燃烧必须达到的最低温度。
（3）时间条件：
燃料在燃烧室中的停留时间是影响燃烧完全程度的另一基本因素。
燃料在高温区的停留时间应超过燃料燃烧所需时间。
（4）燃烧与空气的混合条件：
燃料与空气中氧的充分混合是有效燃烧的基本条件。
在大气污染物排放量最低条件实现有效燃烧的四个因素：
空气与燃料之比、温度、时间、湍流度。
（三T）
3．发热量及热损失
①发热量
单位量燃料完全燃烧产生的热量。
即反应物开始状态和反应物终了状态相同情况下（常温298K,101325Pa）的热量变化值，称为燃料的发热量，单位是KJ/Kg。
（固体）KJ/m3（气体）。
发热量有高位、低位之分。
高位：
包括燃料燃烧生成物中水蒸汽的汽化潜热，Qh
低位：
指燃料燃烧生成物中水蒸汽仍以气态存在时，完全燃烧释放的热量。
Q1
根据煤的工
业分析数据计算。
煤的发热量
注意：
煤中H有两种形态①可燃氢（参
根据燃料的关加燃烧）、自由氢。
②结合氢（与O2）
系分析数据计算自由氢与C、S结合
需应用基来表明组成
注：
干燥基（上标d）
可燃基（上标b）应用基（上标a）
排烟热损失：
热损失为6—12%：
不完全燃烧热损失：
化学不完全燃烧、机械不完全燃烧。
散热损失：
由设备管道温度高于周围空气温度造成热损失。
4、燃烧产生的污染物
硫的SOx：
随温度变化不大，主要是煤中S。
粉尘：
随温度的增高、不变、降低而变化。
CO及HC化合物烟：
随温度的增高、不变、降低而变化。
NOx：
随温度的增高、不变、降低而变化。
二、燃料燃烧的理论空气量
1．理论空气量（）所需要的氧一般从空气中获得。
单位量燃料按燃烧反应方程式完全燃烧所需的空气量称为理论空气量。
理论空气量
（1）可由燃烧反应方程式获得
（2）经验公式（由热值）
固体燃料
液体燃料
气体燃料
天然气（式2.17）
建立燃烧化学方程式时，假定：
１）空气仅由N2和O2组成，气体积比为79/21=3.76；
２）燃料中的固态氧可用于燃烧；
３）燃料中的硫被氧化成SO2；
４）计算理论空气量时忽略NOX的生成量；
５）燃料的化学时为CxHySzOw，其中下标x、y、z、w分别代表C、H、S、O的原子数。
完全燃烧的化学反应方程式：
Q代表燃烧热
理论空气量：
3.6~6.0褐煤
一般煤的理论空气量7.5~8.5无烟煤
9~10烟煤
液体燃料（燃料油）的
煤炉：
4.5~5.5干：
8.84~9.01
煤气液化气：
2.97天然气
高炉：
~0.7湿：
11.4~12.1
2．空气过剩系数a
世纪空气量Va与理论空气量Va0之比为空气过剩系数a
通常a>1
3．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）
C
883
73．58
73．58
H
95
47．5
23．75
S
16
0．5
0．5
H2O
0．5
0．0278
0
理论需氧量为：
73.58+23.75+0.5=97.83mol/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
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