大气污染控制工程.doc

《大气污染控制工程》
函授课程大纲

教 材：《大气污染控制工程》（蒋文举主编）
北京：高等教育出版社，2023
授课人：赵文霞

河北科技大学环境学院
2023年12月

《大气污染控制工程》课程内容

授 课 章 节
第一章 概论
第二章 燃烧与大气污染
第三章 大气污染控制的基础知识
第四章 颗粒污染物的去除
第五章 吸取法净化气态污染物
第六章 吸附法净化气态污染物
第七章 催化净化气态污染物
第八章 生物法净化气态污染物
第九章 气态污染物的其它净化法（阅读）
第十章 大气扩散与污染控制
第十一章 废气净化系统（阅读）

参考资料：
l 《大气污染控制工程》郝吉明，马广大编著，高教出版社
l 《大气污染控制工程》郭 静，阮宜纶主编，化工出版社
l 《大气污染治理工程》蒲恩奇主编，高教出版社
l
授课方式：
讲授、自学、讨论

第一章 概论
一、内容：
第一节 大气污染及其影响（重点）
第二节 大气污染综合防治策略
第三节 防治大气污染的法规及标准（重点）
第一节 大气污染及其影响
1. 大气圈的垂直分布
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：对流层（～10km左右）；平流层（对流层顶～50～55km）；中间层（平流层顶～85km）；暖层（中间层顶～800km）；散逸层（暖层以上）。（重点对流层和平流层的特点）
2. 大气污染的定义
由于人类活动和自然过程引起的某种物质进入大气中，呈现出足够的浓度达成足够的时间，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。（ISO定义）
3. 大气污染的分类
局地性污染，地区性污染；广域性污染；全球性污染。
4. 大气污染物
（1）按存在状态分为：气溶胶状污染物、气态状污染物；
⑴气溶胶状污染物
粉尘；烟；飞灰；黑烟；雾；总悬浮颗粒物（TSP）；可吸入颗粒物（PM10）；微细颗粒物（PM2.5）。
⑵气态状污染物
按污染物组成，重要有五类：以SO2为主的含硫化合物；以NO和NO2为主的含氮化合物；碳的氧化物；碳氢化合物；卤素化合物。
（2）按形成过程分为：一次污染物、二次污染物；
二次污染物毒性比一次污染物还强。重要有：硫酸烟雾（硫酸雾或硫酸盐气溶胶）和光化学烟雾。

5. 大气污染源
（1）人为排放源；（2）自然排放源
6. 大气污染的影响
1）对人体健康的影响，2）对植物的影响，3）对器物和材料的影响，4）对能见度和气候的影响
7. 全球性大气污染问题
温室效应、臭氧层破坏、酸雨
第二节 大气污染综合防治策略
（一）大气污染综合防治的含义（理解）
（二）大气污染综合防治的基本措施
1、控制污染源，改革工艺，合理的工业布局；2、严格环境管理；
3、控制污染的技术措施；4、控制污染的经济措施。
第三节 防治大气污染的法规及标准
1、大气污染防治法
立法的历程；现行大气法实行的时间；规定的内容。
2、环境空气质量控制标准
（1）环境空气质量控制标准种类和作用
（2）环境空气质量标准：
规定的污染物种类（9种）；如何分级（三级标准）分区（三类功能区）；
3、大气污染物排放标准
4、环境技术标准
5、空气污染指数API及报告
介绍API的含义、定义、计算方法，以及城市环境空气质量预报中空气污染指数API与环境空气质量标准的关系。我国目前计入API日报工作的项目（PM10、SO2、NO2、CO、O3），如何计算并拟定首要污染物？
第二章 燃烧与大气污染
一、内容：
第一节 燃料
第二节 燃料的燃烧
第三节 燃烧过程污染物排放量计算
第四节 燃烧过程中污染物的生成与控制
第五节 机动车污染与控制（自学）
第一节 燃料
一、燃料的分类
燃料的分类：（1）常规燃料：如煤、石油、天然气等。（2）非常规燃料
按其物理状态分为：（1）固体燃料；（2）液体燃料；（3）气态燃料。
（一） 固体燃料
煤：是一种复杂的物质聚集体。重要可燃成分是C、H及少量O2、N2、S等一起构成的有机聚合物。
１． 分类：按基于沉积年代的分类法分为褐煤、烟煤、无烟煤。
２． 煤的组成
a、工业分析：水分、灰分、挥发分、固定碳等。
b、元素分析：用化学法测定，去除掉外部水分的重要组分,元素C、H、S、N、O等。
３． 煤中硫的形态：硫化铁硫、有机硫、硫酸盐硫
（二）液体燃料
石油：是液体燃料的重要来源。原油是天然存在的易流动液体。比重0.78—1.00
重要含C、H2、少量的S、N2、O2，此外，具有微量金属（钒、镍）、砷、铅、氯等，10ppm左右。
（三）气体燃料
天然气：一般组成CH485%,乙烷10%，丙烷3%，此外尚有H2O、CO2、N2、He、H2S等。
二、燃料的成分
燃料的成分分析重要涉及：工业分析、元素分析。以煤为例：
工业分析：水分、灰分、挥发分、固定碳等。
元素分析：用化学法测定，去除掉外部水分的重要组分，元素C、H、S、N、O等。
三、燃料的发热量
单位量燃料完全燃烧产生的热量。即反映物开始状态和反映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：涉及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。

第二节 燃料的燃烧
一、燃烧过程
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。
二、燃烧的基本条件
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、燃料与空气的充足混合。
（1） 空气条件：按燃烧不同阶段供应相适应的空气量。
（2） 温度条件：只有达成着火温度，才干与氧化合而燃烧。
着火温度：在氧存在下可燃质开始燃烧必须达成的最低温度
（3） 时间条件：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足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。通常把温度、时间和湍流度称为燃烧过程的“3T”。

三、燃烧燃烧的空气量
（一）理论空气量
单位量燃料按燃烧反映方程式完全燃烧所需的空气量称为理论空气量。
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） 燃料中的硫被氧化成SO2；
３） 计算理论空气量时忽略NOX的生成量；
４） 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。
完全燃烧的化学反映方程式：

Q―燃烧热
理论空气量：

（二）实际空气量
实际空气量Va与理论空气量Va0之比为空气过剩系数a
通常a>1
（三）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。
四、燃烧产生的污染物
SOx、粉尘、CO、HC化合物、烟、NOx。
第三节 燃烧过程污染物排放量计算
一、烟气量计算
（一）理论烟气量
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表达，烟气成分重要是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：涉及水蒸气在内的烟气。
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理论空气量带入的
（二）实际烟气量
实际烟气体积 Vfg Vfg = Vfg0 + (a-1)Va0
二、污染物排放量的计算
见书中例2－1。

第四节 燃烧过程中污染物的生成与控制
一 燃烧过程SOx的生成与控制
（一）燃烧过程SOx的生成
燃料中的硫在燃烧过程中与氧反映，重要产物是SO2和SO3，但SO3的浓度相称低，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。故一般重要生成SO2,计算时可忽略SO3。
（二）燃烧过程SOx的控制
1 燃料脱硫
1）煤炭的固态加工
目前选煤工艺普遍应用的是重力分选法（可减少40~90%的S），此法对有机硫含量较大或精炼还不能达成环保条例的规定。
正在研究的新脱硫法有：浮选法、氧化脱硫法、化学浸出法、化学破碎法、细菌脱硫法、微波脱硫法、磁力脱硫及溶剂精炼等工业上应用的很少。
型煤固硫是控制SO2的一条经济有效途径。
2）煤炭的转化
煤炭的转化重要是气化、液化。即对煤进行脱硫或加氢改变其原有的碳氢比、使煤转变为清洁的二次燃料。
2．流化床燃烧脱硫
流化床燃烧脱硫具有炉内脱销脱硫的优点，故普遍受到重视。
原理：流化床燃烧是一低温燃烧过程。炉内存在局部还原气氛，热型NOx基本上不产生，因而NOx的生成量减少。
流化床燃烧脱硫常用的脱硫剂是石灰石或白云石。
影响脱硫效率的因素有：沸腾床温度、流化速度、脱硫剂用量等。
脱硫剂用量以Ca/S比表达。

二 燃烧过程NOx的生成与控制
1、燃烧过程NOx生成的影响因素
燃烧生成的NOx 可分为三类：
Ø 燃料型NOx（fuel NOx）：燃料中的固定氮生成的NOx
Ø 热力型NOx （thermal NOx）：高温下N2与O2反映生成的NOx
Ø 瞬时NO （prompt NO）：低温火焰下由于含碳自由基的存在生成的NO
2、燃烧过程NOx的控制技术
控制NOx形成的因素：
Ø 空气－燃料比
Ø 燃烧空气的预热温度
Ø 后燃烧区的冷却限度
Ø 燃烧器形状
燃烧过程NOx的控制技术：
Ø 排烟再循环技术
Ø 二段燃烧法
三、燃烧过程中颗粒污染物的形成与控制（阅读）

第三章 大气污染控制的基础知识
一、内容：
第一节 气体的物理性质（自学）
第二节 物料衡算与热量衡算（自学）
第三节 颗粒粒径及粒径分布（重点）
第四节 粉尘颗粒的物理性质（自学）
第五节 颗粒捕集的理论基础（自学）
第六节 净化装置的性能（重点）
第三节 颗粒粒径及粒径分布
一、粉尘粒径
1．定义：在实际中，因颗粒大小、形状各异，故表达方法有所不同。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
投影径
非球形颗粒 几何当量径
物理当量径

1．投影径：指颗粒在显微镜下观测到的粒径。
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。
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，密度相同的颗粒因自由沉降而达成的末速度与球形颗粒所达成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Re<2.0）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）颗粒群的平均粒径
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。
平均粒径：中位径、众径。（重点）
二、粒径分布的表达方法
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。
2．常见的表达方法
（1）频数分布ΔR：它是指粒径dp至（dp+Δdp）之间的粒子质量占粒子群总质量的百分数。见图a。 ΔR与选取的粒径间隔的大小有关。
（2）频度分布f：是Δdp=1μm时粒子质量占粒子群的或单位粒径间隔宽度时的频率分布百分数。即： 其微分定义式：
(3)筛下累积频率分布D/%：指小于某一粒径dp的尘样质量占尘样总质量的百分数。

反之为筛上累积分布R：D=1-R
当D=R=50%时的dp位中位径d50。
第六节 净化装置的性能
除尘装置的捕集效率代表装置捕集粉尘效果的重要指标。有以下几种表达：
1．总捕集效率ηT：指在同一时间内净化装置去除污染物的量与进入装置的污染物量之比例。

如图：λ0气体流量Q0（m3/s）；污染物流量G0（g/s）；污染物浓度C0（g/m3）。
出口相应的为Qe，Ge，Ce。
净化装置捕集的污染物流量Gc（g/s）有 G0= Ge+Gc、
∵G=CQ
∴
∵Q0, Qe与状态有关，
∴常换算成标准状态（0℃，1.013×105Pa）下干气体流量表达，并加脚标“N”

若装置不漏风，QON=QeN

事实上净化装置常有漏风，
k——漏风系数
串联使用净化装置：设每一级的捕集效率为η1、η2、… ηn
总效率：
净化器的性能还可用另一指标表达：即通过率P

2．除尘装置的分级捕集效率
定义：指除尘装置对某一粒径dPi或粒径间隔dPi至dPi+Δdp内粉尘的除尘效率。

（1）由分级效率求总除尘效率
ΔR为频数分布
若分级效率以 的函数形式给出，入口粒径分布以累计分布函数（Di）或频度分布fi=fi(dp)形式给出。
（2）由总效率求分级效率

第四章 颗粒污染物的去除
一、内容：
第一节 机械除尘器
第二节 湿式除尘器
第三节 电除尘器
第四节 过滤式除尘器
第五节 除尘器的选择与发展
二、教学规定：
1、理解并掌握重力沉降室；
2、掌握旋风除尘器的工作原理；影响旋风除尘器除尘效率的因素及压力损失。
3、了解并掌握湿式除尘器除尘机理和特点；掌握常见的气液界面类型；了解并掌握文丘里除尘器除尘机理和特点；了解捕集效率和压力损失计算公式；
4、理解并掌握电除尘器的工作过程及原理；掌握影响电除尘器电晕放电机理。理解并掌握粒子荷电的工作原理；掌握电除尘器效率计算公式；了解并掌握电除尘器结构特性；掌握粉尘比电阻最佳运营范围，过高过低对电除尘器的影响；学会初步进行电除尘器的选择应用设计；
5、了解并掌握袋式除尘器除尘机理和特点；了解袋式除尘器的压力损失；了解袋式除尘器的滤料结构；了解并掌握袋式除尘器的清灰方法；
6、掌握除尘器的选择与设计方法
三、重 点：
1、旋风除尘器的结构、工作原理及影响除尘效率的因素
2、湿式除尘器除尘机理和特点；文丘里除尘器的结构、工作原理及影响除尘效率的因素；
3、电除尘器的结构、工作原理及影响除尘效率的因素；
4、袋式除尘器除尘原理；袋式除尘器的清灰方法；
第五章～第九章 气态污染物控制技术基础
一、内容：
第五章 吸取法净化气态污染物
第六章 吸附法净化气态污染物
第七章 催化法净化气态污染物
第八章 生物法净化气态污染物（自学）
第九章 气态污染物的其它净化法（自学）
二、教学重点：
1. 气体吸取
（1）气液平衡：亨利定律；
（2）气体吸取机理－双膜理论模型
（3）吸取工艺的配置
吸取剂的选择；
工艺流程设立中的其它问题：除尘、烟气冷却、结垢和堵塞、除雾、气体再加热
（4）应用实例－石灰石、石灰－石膏法烟气脱硫
反映原理、工艺流程、脱硫系统组成等
2、气体吸附
（1）物理吸取与化学吸取的区别
（2）吸附的机理：吸附等温线、等温吸附方程式（4种）
（3）吸附过程（6步）
（4）固定床吸附器的计算：
Ø 穿透曲线法
Ø 保护作用时间的拟定
希洛夫方程、吸附层保护作用系数K的物理意义
（4）应用实例－吸附法净化有机废气
特点、吸附剂类型、工艺流程（预解决、吸附、吸附剂再生、溶剂回收）等。
3、气体催化净化
（1）催化剂的组成及性能
（2）气固催化反映过程（7步）
结合图7－3，鉴定气固催化反映过程控制环节。
（3）气－固催化反映器设计计算
（4）影响催化转化的因素
温度、空速、操作压力、废气的初始组成
（5）应用实例—催化还原法净化含NOx废气
非选择性催化还原和选择性催化还原
第十章 大气扩散与污染控制
一、内容：
第一节 重要的气象要素
第二节 大气的热力学过程
第三节 大气的运动和风
第四节 大气扩散模式
第五节 大气污染浓度估算
第六节 烟囱计算
二、教学重点：
1、重要的气象要素（风的表达）
2、干绝热直减率、环境气温直减率、温度层结（曲线）的定义与分类
3、大气稳定度的定义、大气稳定度的判断
4、逆温的定义及其对大气污染的影响
5、烟流形状与大气稳定度的关系（五种烟流类型）
6、近地层中的风速廓线模式（指数律表达式）
7、正态分布下点源扩散模式（高斯模式）的几个假设条件；
8、高架连续点源扩散模式及几种条件下的简化模式；
9、烟气抬升高度估算常用的几种计算方法及其合用的条件；
10、大气扩散参数估算－P-G曲线法（重点：六类大气稳定度的划分）；
11、烟囱高度设计计算的几种方法（3种算法）；
12、厂址选择应注意的几个问题。