大气污染控制讲义.docx

第一章 概论第一节 大气和大气污染一、大气的组成l 大气与空气定义：大气是指环绕地球的全部空气的总和；环境空气是指人类、植物、动物和建筑物暴露于其中的室外空气。区别和联系：大气所指的范围比空气大。大气和空气皆指环境空气。l 大气的组成大气是由多种气体混合组成的，按其成分可以概括为干燥清洁的空气、水汽和悬浮微粒三部分。干燥清洁的空气见表1-1，干洁空气的组成比例在0-90km范围内基本保持不变。大气中的水汽含量变化较大，其变化范围可达0.01-4%，许多天气现象与水汽含量有关。大气中的悬浮微粒主要是大气尘埃和悬浮杂质。表1-1 干洁空气的组成成分分子量体积比（%）成分分子量体积比（10-6）氮(N2)28.0178.09氖(Ne)20.1818氧(O2)32.0020.95氦(He)4.0035.3氩(Ar)39.940.93氪(Kr)83.801二氧化碳(CO2)44.010.03氢(H2)2.0160.5氙(Xe)131.300.08臭氧(O3)48.000.01-0.04甲烷(CH4)16.041.5二、大气污染l 大气污染定义：大气污染通常系指由人类活动和自然过程引起某些物质进入大气后，呈现出足够的浓度，达到足够的时间，并因此对人体的舒适、健康和福利或环境造成危害。分类：按大气污染的范围来说，大致可分为四类：（1）局部地区污染，如受某个工厂烟囱排气的直接影响；（2）地区性污染，如工矿区域及其附近地区或整个城市大气受到污染；（3）广域污染，在大城市、大工业地带可以看到的广域污染；（4）全球性污染，如大气中硫氧化物、氮氧化物、二氧化碳和飘尘的不断增加，造成跨国界的酸性降雨和温室气体效应。全球性大气污染受到世界各国的关注，需要国际间的合作加以解决。表1-2 清洁空气与被污染空气中污染物的含量污染物清洁空气中的含量(10-6)污染空气中的含量(10-6)二氧化硫0.0010.010.022氮氧化物0.0010.010.010.5碳氢化物1120一氧化碳15200二氧化碳310330350370颗粒物1020g/m370700g/m3影响大气污染的主要因素：污染物的排放情况、大气的自净过程，以及污染物在大气中的转化情况。三、全球性大气污染问题l 温室效应定义：温室气体可以使太阳短波辐射几乎无衰减的通过，同时可以吸收地面长波辐射，由此引起全球气温升高的现象。温室气体：甲烷、一氧化二氮、臭氧、氟氯碳（CFCs）、水蒸气等。二氧化碳是最重要的温室气体。近100年，全球平均气温上升了0.3-0.6，海平面上升了14-25cm.见下表：l 臭氧层破坏臭氧：O3含量一亿分之一，集中在平流层，具有强烈吸收紫外线的功能。“国际臭氧层日”：9月16日是。消耗臭氧层物质：通常简称为ODS（Ozone depletion substance）破环原因：氟氯碳（CFCs）、氮氧化物排放。南极臭氧层：最新探测数据显示，今年南极上空臭氧层空洞正以近年来最快的速度扩展，目前空洞面积已超过万平方公里，直逼年同期的历史最高记录万平方公里，预计空洞面积还将进一步扩大。造成这一现象的原因主要是氯氟烃、甲基溴、哈龙等人工合成化学物质通过光化学作用对臭氧的消耗，而且人类几十年前排放的臭氧层消耗物质目前仍存在于大气中。另外，除了化学物质的排放，气候也是影响臭氧层损耗情况的重要因素。去年，南极地区气温偏高，使得臭氧层损耗减弱，而今年该地区较为寒冷，也加剧了臭氧层空洞的扩大。南极臭氧层恢复至少需要50年。结果：皮肤癌、角膜炎赠加，生态系统破坏。l 酸雨定义：pH小于5.6的大气降水原因：硫氧化物、氮氧化物的排放，在大气中形成硫酸和硝酸，以酸沉降的形式返回地面。分布：欧洲、北美、东亚。中国的西南、华南、东南严重。一般认为酸雨中各种酸的贡献率为HSO 65%，HNO 30%，HCl 5%。国外如日本等酸雨严重 ,早在1975年东京一次酸雨的 竟达3.1。我国过去对SO2 未加控制, SO2排放量逐年增加 ,1983-1991年每年以3.84%的速度增长 ,1991-1994年SO2 排放量从1495万吨增至1825万吨 , 2000年SO2 排放量将达2600万吨 ,超过美国 .目前居世界第一。因此 ,近年来我国许多地区酸雨不断发生 ,特别是西南 ,因燃烧大量高含硫煤而造成。酸雨影响生态 ,使水质下降 ,土壤贫化 ,森林、作物枯萎 ,鱼类死亡 ,腐蚀金属和建筑物等。第二节 大气污染物及其来源一、大气污染物l 大气污染物定义：大气污染物是指由于人类活动或自然过程排放到大气，并对人或环境产生有害影响的物质。l 大气污染物分类：1.按存在状态分类：气溶胶状态污染物（颗粒污染物也称为气溶胶状态污染物，是指固体粒子、液体粒子或它们在气体介质中的悬浮体）和气体状态污染物（以二氧化硫为主的含硫化合物、以一氧化氮和二氧化氮为主的含氮化合物、碳的氧化物、碳氢化合物及卤素化合物）1.1根据气溶胶的来源和物理性质，可将其分为如下几种：（1）粉尘（dust）系指悬浮于气体介质中的细小固体粒子。通常是由固体物质的破碎、分级、研磨等机械过程或土壤、岩石风化等自然过程形成。粉尘粒径一般在200m。（2）烟（fume）通常系指由冶金过程形成的固体粒子的气溶胶。它是由熔融物质挥发后生成的气态物质的冷凝物，在生产过程中总是伴有诸如氧化之类的化学反应。烟是很细的微粒，粒径范围一般为0.011m.。 （3）飞灰（flyash）系指由燃料燃烧产生的烟气带走的灰分中分散得较细的粒子。灰分（ash）系含碳物质燃烧后残留的固体渣，尽管其中可能含有未完全燃尽的燃料，作为分析目的而总是假定它是完全燃烧的。 （4）黑烟（smoke）通常系指由燃烧产生的能见气溶胶。黑烟的粒度范围为0.051m。 （5）雾：气体中液滴悬浮体的总称，能见度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第二章 燃烧与大气污染第一节 燃料的性质l固体燃料（固体燃料燃烧困难，容易发生不完全燃烧，产生的污染物量大）、液体燃料和气体燃料（物理状态）非常规燃料及煤、石油、天然气等化石燃料）一、煤煤可分为褐煤（最低品位的煤）、烟煤和无烟煤（含炭量高）三大类。煤的工业成分分析：水分（内水分、外水分）、灰分（平均灰分25%，主要指煤中所含碳酸盐、粘土矿物质以及微量的稀土元素等。）、挥发分、固定碳，以及估测硫含量和热值，这是评价工业用煤的主要指标。煤的元素分析：C、H、O、S、N,其测定方法了解。煤中硫的形态四种：有机硫、硫铁矿硫（主要为黄铁矿硫）、硫酸盐硫和有机硫。前两种挥发硫，硫酸盐硫是灰分的一部分。据分析：低硫煤中主要为有机硫，高硫煤中主要为无机硫。煤中成分的表示方法：收到基、空气干燥基、干燥基、干燥无灰基。定义及符号表示。二、石油液体燃料主要是石油。原油是天然存在的由链烷烃、环烷烃和芳香烃等碳氢化合物组成的混合液体，含碳、氢和少量的氧、氮、硫等元素，还含有微量金属元素，如钒、镍等，也可能受氯、砷和铅的污染。液体燃料发热量高，燃烧产生的污染量较少。三、天然气天然气是气态的化石燃料，主要由甲烷（约85%）、乙烷（约10%）、丙烷3%等碳氢化合物组成，还可能含有水蒸气、二氧化碳、氮、氦和硫化氢等气体。天然气中硫化氢、惰性组分含量超过一定值时，会影响燃烧效率。气体燃料容易燃烧，燃烧效率高，产生的污染物量很少。四、非常规燃料除常规燃料外的可燃物质即为非常规燃料。第二节 燃料燃烧过程一、影响燃烧的主要因素l 燃烧过程及燃烧产物燃烧是可燃混合物的快速氧化并伴随着能量释放的过程；化石燃料完全燃烧产物为二氧化碳和水，但如果燃烧条件控制不佳，就产生一氧化碳和黑烟（主要是碳氢化合物）等不完全燃料产物。燃料中的硫、氮等杂质元素还会产生二氧化硫和氮氧化合物。l 燃料完全燃烧的条件（1）.空气条件 燃料燃烧时必须保证供应与燃料燃烧相适应的空气量。如果空气供应不足，燃烧就不完全。相反空气量过大，也会降低炉温，增加锅炉的排烟损失。因此按燃烧不同阶段供给相适应的空气量是十分必要的。（2）、温度条件 燃料只有达到着火温度，才能与氧化合而燃烧。着火温度系在氧存在下可燃质开始燃烧所必须达到的最低温度。各种燃料都具有自己的特征着火温度，按固体燃料、液体燃料、气体燃料的顺序上升。各种燃料的着火温度见表2-1。表2-1 燃料的着火温度燃料着火温度（K）木炭593643无烟煤713773重油803853发生炉煤气9731073氢气853873甲烷9231023当温度高于着火温度且放热速率高于向周围的散热速率，从而能够维持在较高的温度时，才能使燃烧过程继续进行。（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要的时间。因此，在所要求的燃烧反应速度下，停留时间将决定于燃烧室的大小和形状。反应速度随温度的升高而加快，所以在较高温度下燃烧所需要的时间较短。（4）、燃料与空气的混合条件 燃料和空气中氧的充分混合也是燃烧完全的基本条件。混合程度取决于空气的湍流度。若混合不充分，将导致不完全燃烧产物的产生。对于蒸气相的燃烧，湍流可以加速液体燃料的蒸发。对于固体燃料的燃烧，湍流有助于破坏燃料产物在燃料颗粒表面形成的边界层，从而提高表面反应的氧利用率，并使燃烧过程加速。适当地控制空燃比、温度、时间和湍流度，是实现有效燃烧和低污染排放所必须的条件，评价燃烧过程和燃烧设备时，必须认真地考虑这些因素。通常把温度、时间和湍流度称为燃烧过程的“三T”。二、燃料燃烧过程中的理论空气量l 理论空气量单位量燃料按燃烧反应方程式计算求得燃烧所需要的空气量称为理论空气量。建立燃烧化学方程式时，通常假定：、空气仅是由氮和氧组成的，其体积比为79/21=3.76；、燃料中的固定态氧可用于燃烧；、燃料中的硫主要被氧化为SO2；、燃烧中忽略NOx的生成可；、燃料的化学式为CxHySzOw，其下标x、y、z、w分别代表碳、氢、硫和氧的原子数。由此可得燃料与空气中氧完全燃烧的化学反应方程式。 （2-8）其中Q代表燃烧热。l 空气过剩系数燃料完全燃烧时所需的实际空气量取决于所需的理论空气量和“三T”条件的保证程度。在理想的混合状态下，理论量的空气即可保证完全燃烧。但在实际的燃烧装置中，“三T”条件不可能达到理想化的程度，因此为使燃料完全燃烧，就必须供给过量的空气。一般把超过理论空气量多供给的空气量称为过剩空气量，并把实际空气量Va与理论空气量Vao之比定义为空气过剩系数，即 （2-3）通常1，值的大小决定于燃料种类、燃烧装置型式及燃烧条件等因素。表2-3给出了不同燃料和炉型的空气过剩系数。炉子的空气过剩系数燃烧方式烟煤无烟煤重油煤气手烧炉和抛煤机炉1.31.51.32.0链条炉1.31.41.31.5悬燃炉1.21.251.151.21.051.1l 空然比有时也采用空燃比（AF）这一术语。空燃比定义为单位质量燃料燃烧所需要的空气质量，它可以由燃烧方程式直接求得。例如，甲烷在理论空气量下的完全燃烧CH4+2O2+7.52N2CO2+2H2O+7.52N2空燃比 （2-2）三、燃烧产生的污染物燃烧产生的污染物主要有二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物、烟、飞灰、金属及氧化物等四、热化学关系式l 发热量高位发热量（水蒸气的气化潜热）和低位发热量l 燃料燃烧设备的热损失排放热损失（6-12%；排烟带走热量；与排烟温度和体积（正相关）有关）、不完全燃烧热损失（化学和机械不完全燃烧）、散热损失第三节 烟气体积及污染物排放量计算一、烟气体积计算r =pM/RTVa 改为 Va0 （理论空气量）二、污染物排放量的计算排放量=浓度烟气量浓度由化学计量式进行预测或监测第一节 湍流扩散的基本理论一、 湍流概念简介定义：大气的无规则运动叫做湍流。分类（按成因）：热力湍流（由于垂直方向温度分布不均匀引起的，其强度取决于大气稳定度）和机械湍流（垂直方向上风速分布不均匀及地面粗糙度引起的，其强度取决于风速梯度和地面粗糙度。）风和湍流是决定污染物在大气中扩散稀释的最直接最本质的因素。风速越大，湍流越强，污染物的扩散速度越快，污染物的浓度越低。补充：风向摆动也可用风位角的方差或标准差来描述。描述湍流运动有两种方法，一种是欧拉法，它在空间划出一个控制体为对象，考察流体流经它的情形，欧拉法注重于特定时刻整个流场及某定点不同时刻的流体运动性质。另一种是拉格朗日法，它在流体运动时，追随研究一个典型的流体单元。按照湍流形成的原因可分两种湍流。由铅直方向气温分布的不均匀性产生的湍流，叫热力湍流。它的强度主要取决于大气稳定度。由铅直方向风速分布的不均匀性及地面粗糙度产生的湍流，叫机械湍流。它的强度主要取决于风速梯度和地面粗糙度。实际湍流是上述两种湍流的迭加。湍流有极强的扩散能力。它比分子扩散快105-106倍。大气中污染物能被扩散，主要是湍流的贡献。和烟团尺度相仿的湍流，对烟团扩散能力最强，比烟团尺度大好多倍的大湍涡，对烟团起搬运作用，使烟流摆动，扩散作用不大；比烟团尺度小好多倍的小湍涡，对烟团的扩散能力较小。二、湍流扩散理论1.梯度输送理论2.湍流统计理论3.相似理论1. 湍流梯度输送理论德国科学家菲克，在1855年发表了一篇题为“论扩散”的著名论文。在这篇论文中，他首先提出了梯度扩散理论。他把这个理论表述为：“假定食盐在其溶剂中的扩散定律与在导体中发生的热扩散相同，是十分自然的。”：菲克定律的数学陈述：它是一维的大气扩散方程式，是经典的热传导方程式。湍流梯度输送理论的基本假定是：由湍流所引起的局地的某种属性的通量与这种属性的局地梯度成正比，通量的方向与梯度方向相反，比例系数 K 称为湍流交换系数。2 湍流统计理论：泰勒是湍流统计理论的创始人之一。他在1921 年发表的论文中，首先应用统计学的方法来研究湍流扩散问题，提出了著名的泰勒公式。它把描写湍流的扩散参数 Y2(t)，和另一统计特征量相关系数 R 建立起关系，只要能找到相关系数的具体函数，通过积分就可求出扩散参数Y2(t)，污染物在湍流中扩散问题就得到解决。萨顿首先找到了相关系数的具体表达式，应用泰勒公式，提出了解决污染物在大气中扩散的实用模式，成为这一领域的先驱者。高斯烟流模式是在大量实测资料分析的基础上，应用统计理论得到的。它是目前应用较广的模式。3 相似扩散理论湍流相似扩散理论，最早始于英国科学家里查森和泰勒。后来由于许多科学家的努力，特别是俄国科学家的贡献，使湍流扩散相似理论得到很大发展。湍流扩散相似理论的基本观点是，湍流由许多大小不同的湍涡所构成，大湍涡失去稳定分裂成小湍涡，同时发生了能量转移，这一过程一直进行到最小的湍涡转化为热能为止。从这一基本观点出发，利用量纲分析的理论，建立起某种统计物理量的普适函数，再找出普适函数的具体表达式，从而解决湍流扩散问题。我们把这种理论称为相似扩散理论。第二节 高斯扩散模式一、高斯模式的有关假设l 坐标系高斯模式的坐标系为：以排放点(无界点源或地面源)或高架源排放点在地面的投影点为原点，平均风向为 x轴，y 轴在水平面内垂直于x 轴，y 轴的正向在 x 轴的左侧，z 轴垂直于水平面，向上为正方向。即为右手坐标系。在这种坐标系中，烟流中心或与 x 轴重合(无界点源)，或在 xoy，面的投影为 x 轴 (高架点源)。l 高斯模式的四点假设高斯模式的四点假设为：(1)污染物在空间 yoz 平面中按高斯分布(正态分布)，在 x方向只考虑迁移，不考虑扩散；(2)在整个空间中风速是均匀、稳定的，风速大于lms；(3)源强是连续均匀的；(4)在扩散过程中污染物质量是守衡的。对后述的模式只要没有特殊指明，以上四点假设条件都是遵守的。二、 无界空间连续点源扩散模式由正态分布的假设(1)写出下风向任意点(x、y、z)污染物平均浓度分布的函数为:由概率统计理论可以写出方差的表达式：；由假设（4）可写出：上述四个方程，组成一个方程组，源强Q、平均风速u、标准差y、z为已知量，浓度C、待定函数A(x)、待定系数a 和 b为未知量。因此，方程组可求解。将式(519)依次代入式(520)的两式中，积分后得到：最后得到无界空间连续点源高斯模式：式中y、z为污染物在y、z方向的标准差，为平均风速 ms，Q 源强。三、高架连续点源扩散模式高架连续点源的扩散问题，必须考虑到地面对扩散的影响。根据前述假设(4)，可以认为地面象镜面那样，对污染物起着全反射的作用。按照全反射原理，可以用像源法来处理这类问题。如图5-6所示，我们可以把 P 点的污染物浓度看成是两部分之和。一部分是不存在地面影响情况下, P 点所具有的污染物浓度；另一部分是由于地面反射作用所增加的污染物浓度。这相当于实源在地面下的 -H 位置处的像源，按照无限空间连续点源模式，在P点所造成的污染物浓度。首先看实源的作用：P 点在以实源排放点(有效源高处)为原点的坐标系(无限空间)中的铅直坐标（距烟流中心线的铅直距离）为(z-H)。当不考虑地面影响时，浓度按式(5-24)计算，它在 P 点所造成的污染物为：（5-25）像源的作用：P 点在以像源排放点(负的有效源高处)为原点的坐标系（无限空间）中的铅直坐标(距像源产生的烟流中心线的铅直距离)为(z+H)。它在 P 点产生的污染物浓度也按式(5-24)计算，它在 P 点所造成的污染物为：（5-26）P 点的实际污染物浓度应为实源和像源作用之和，即（5-27）式(5-27)为高架连续点源正态分布假设下的扩散模式。由这一模式可求出下风向任一点的污染物浓度。按照这一普适公式,如果 H =0,则对应于地面源的情况；如果z=0,则对应于连续点源作用下，地面处的污染物浓度情况；如果 z=0且 y=0,则对应于点源作用下，正风向轴线上，地面处的污染物浓度情况；在实施环境评价时,我们往往特别关注这样一些特殊情况。表5-2 归纳总结了这些高斯模式的浓度扩散公式。HHsHsl l PC(x,y,z)像源图 高架连续点源高斯模式的推导H四、地面连续点源扩散模式一、 颗粒物的扩散模式对于粒径小于15微米的颗粒物，其地面浓度可按气体扩散模式计算。对于粒径大于15微米的颗粒物，按倾斜烟流模式计算。表 高斯模式的浓度扩散公式汇总地面源 （H=0）高架源 （H0 ）无界(任一点)C(x,y,z)（5-24）（5-28）半无界(任一点)C(x,y,z)（5-29）（5-27）地面点C(x,y,0)（5-30）（5-32）（5-31）地面轴线上点C(x,0,0)（5-33）第三节 污染物浓度的估算一、 烟气抬生高度的计算产生烟流抬升的原因有两个，一是烟囱出口处的烟流具有一定的初始动量，二是由于烟流温度高于周围空气温度而产生的净浮力。影响这两种作用的因素很多，归结起来可分为排放因素和气象因素两类。排放因素有烟囱出口的烟流速度、烟气温度和烟囱出口内径。气象因素有平均风速、环境空气温度、风速垂直切变、湍流强度及大气稳定度。由于影响烟流抬升的因素较多，使烟流抬升问题变得十分复杂。到目前为止，国内外已提出的烟流抬升公式有数十个之多，还没有一个公式考虑了上述所有这些因素。大多数烟流抬升公式是半经验的，是在各自有限的，观测资料基础上归纳出来的，所以具有局限性。1. 霍兰德 (Holland)公式霍兰德采用了勒普由风洞实验得出的动力抬升公式，并增加了浮力抬升项，利用三个发电厂烟流上升轨迹的照片进行了校核，于1953年得出中性条件适用的公式：（5-36）（5-37）此后公式中符号同上者不予说明。