环境学概论 第5章 大气污染及防治课件.ppt

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1、第五章 大气污染及防治,本章内容,1 大气中的主要污染物以及危害2 影响大气污染的主要气象因素3 除尘装置的种类以及除尘原理、特性,22:35,第一节 大气污染及主要污染物,一、大气圈组成,大气圈约10 000km，大气物理学和污染物气象学中，大气圈层的上界为1 200 1 400km地球大气圈的总质量约6 0001012t，占地球总质量的0.0001%左右大气质量50集中在下部5km大气质量75集中在下部10km大气质量90集中在下部30km,22:35,外层：大气层的最外层暖层：又称电离层，顶界约8001000km,下部主要由分子氮组成，上部主要由原子氧组成中间层:层顶高约8085km，有

2、强烈的垂直对流运动，气温随高度增加而下降。平流层:顶界约5065km,进入平流层的化学物质最大的危害是破坏臭氧层。对流层：大气层最下一层，约6-18km,平均12km。下部气温高，向上气温降低，空气对流强烈，出现各种复杂的气象现象。是人类活动最为密切的大气层部分。（污染层）,22:35,二 大气的组成及污染物来源,干洁空气 水蒸气 大气污染物,22:35,22:35,大气污染物自然界火山爆发、森林火灾、海啸、地震及人类活动进入大气的各种物质：尘埃、H2S、S、SOX、NOX、盐类、恶臭气体、煤烟、粉尘等,22:35,火山爆发自然源 森林火灾等,工业企业排放的废气 农业活动排放的废气汽车排放的废

3、气等,人工源,大气污染源,22:35,22:35,三、大气污染的含义,国际标准化组织定义（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.,温室气体、气溶胶等排放居高不下,单位：百万吨*百万吨CO2 当量,20世纪末污染物排放量,22:35,四、主要污染物及其危害,根据污染物的形态分：气态污染物/颗粒污染物根据污染物的形成过程分：一次污染物/二次污染物,22:35,(一)颗粒污染物和气态污染物,22:35,1 颗粒污染

4、物,总悬浮颗粒（total suspended particulate，TSP）：粒径小于100m的所有固体颗粒分界点：10m,TSP,22:35,1）降尘,概念：粒径大于10m的颗粒，如水泥粉尘、金属粉尘、飞尘等。特点：一般颗粒大，比重也大，在重力作用下，易沉降，危害范围较小,22:35,2）飘尘,（1）概念：粒径小于10m的粒子(PM10/PM2.5),22:35,可吸入颗粒物（PM10）：悬浮在空气中，空气动力学直径小于10um的颗粒物可吸入颗粒物（PM2.5）：悬浮在空气中，空气动力学直径小于2.5um的颗粒物PM0.5数量浓度比在 PM2.5中接近90%。PM0.5浓度与居民健康危害

5、的关系最为显著,（2）飘尘特点,粒径小，比重也小，可长期漂浮在大气中 易随呼吸进入人体，危害健康吸附多种污染物，在大气中为化学反应提供反应床,22:35,总悬浮颗粒物（TSP）中,硫酸盐：约10（主要为硫酸铵）硝酸盐：约5金 属：约5（三十多种，以铁为最多）有机物：约5（脂肪烃多于芳香烃，94的多环芳烃吸附于小于2.5um的颗粒上）细菌：病毒：,3）颗粒污染物危害,（1）形成细粒子层，是化学反应床，是多项反应的载体。（2）遮挡阳光、使气温降低，或形成冷凝核心，使云雾和雨水增多，影响气候（阳伞效应）（3）使可见度降低，交通不便，航空和汽车事故增加（4）可见度差，照明电耗增加，燃料随之增加，空气污

6、染加剧，形成恶性循环（5）用四乙基铅作汽油的防爆剂时，排入空气中的铅微粒危害大（6）燃煤时产生的SO2，加之微粒，对人体的呼吸系统危害大,22:35,阳伞效应,1912年，阿拉斯加火山爆发，使得太阳辐射量减少1020，1963年，阿贡火山爆发后，火山灰绕地球四周，使气温下降，气候异常。1991年，菲律宾皮纳图博火山两度爆发，推测火山爆发使得全球降温0.5华氏度。,22:35,2 气态状污染物,常见的有：CO、NOx、HC化合物、SOx、光化学烟雾、硫酸烟雾等硫化物（民用炉、热电站、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

7、机物质的污染,22:35,一次污染物,二次污染物,直接从各种污染源排放到大气中的有害物质。,一次污染物在大气中相互作用或它们与大气中正常组分发生反应所产生的新污染物。,（二）一次污染物和二次污染物,22:35,二次污染物的形成,大气中典型二次污染物,光化学烟雾硫酸烟雾,提问：光化学烟雾出现条件是什么？,1、大气中光化学烟雾的形成,静风低湿度高温度,汽车尾气：氮氧化物、碳氢化合物,hv(290 430nm,22:35,光化学烟雾产生机理,NO2hv(290 430nm)NO+O O O2 M O3 MO3+NO NO2 O2 O3+HC 中间产物 醛、酮、PAN、PBZN中间产物：R、RO、HO

8、、RCO（酰基）、ROO（过氧烷基）和RCOO（过氧酰基）O,大气氧化能力不断增强？,22:35,光化学烟雾危害,（1）醛类等物质刺激眼睛（2）臭氧引起胸部压缩、刺激粘膜、头痛、咳嗽、疲倦等症状（3）臭氧能损害有机物质（4）氧化剂增多会使得哮喘增多，植物毁坏,22:35,22:35,2、硫酸烟雾,提问：硫酸烟雾出现条件是什么？,答：SO2、颗粒气溶胶、相对湿度比较高，气温较低、逆温和大雾天气。,22:35,硫酸烟雾产生机理,大气中颗粒气溶胶具有凝聚大其中水分和吸收SO2与氧气的能力。在颗粒气溶胶表面发生SO2的催化氧化反应（1）SO2H2O H+HSO3-（2）HSO3-H+O2 H2SO4（

9、雾）,Fe、Mn,时间 飘尘浓度 SO2浓度 死亡人数（mg/m3）（mg/m3）1952.12 4.46 3.8 4000多1962.12 2.8 4.1 750,总悬浮颗粒物中硫酸盐：约10（主要为硫酸铵）硝酸盐：约5金 属：约5（三十多种，以铁为最多）有机物：约5（脂肪烃多于芳香烃，94的多环芳烃吸附于小于2.5um的颗粒上）,22:35,五、我国（城市）大气污染变化特征,22:35,（一）大气污染源类型变化,煤烟型,煤烟型+机动车尾气,22:35,（二）出现大气复合污染,复合型大气污染 指大气中由多种来源的多种污染物在一定的大气条件下（如温度、湿度、阳光等）发生多种界面间的相互作用、彼

10、此耦合构成的复杂大气污染体系。有害气体+细粒子+痕量毒害污染物,大气复合污染：非线性/反馈过程,22:35,1、城市大气的主要污染物,一次污染物大气氧化剂颗粒物细粒子,22:35,2、(城市)大气复合污染特征,1 高浓度的颗粒物细粒子使城市大气能见度下降2 大气氧化能力不断增强，颗粒物细粒子中二次污染物SO42-、NO3-和有机碳浓度较高；3 在一定的气象条件下可形成以城市为中心的区域性大气污染4 复合大气污染具有明显的季节变化、日变化和空间变化,22:35,（三）首要空气污染物:PM10,22:35,（四）光化学烟雾污染趋于恶化，室内空气污染加剧,22:35,室内空气主要污染物,甲醛苯氨气,

11、22:35,甲醛,来源于胶合板、人造板及家具、贴墙布纸、化纤地毯、泡沫塑料、油漆、涂料等0.1mg/m3，不适感觉有异味0.5mg/m3，刺激眼睛流泪0.6mg/m3，引起咽喉不适或疼痛高浓度对免疫系统、肝脏、神经系统危害,22:35,苯,来源于各种胶、油漆、涂料、防水涂料的溶剂或稀释剂危害：轻者头晕、头痛、恶心、胸闷、乏力、意识模糊严重者可以昏迷以致呼吸循环衰竭而死亡可以破坏造血功能，引起白细胞和血小板减少，导致再生障碍性贫血,22:35,氨、氡,来自于建筑材料,22:35,室内花草吸收有害物质,芦荟、仙人掌、非洲菊、吊兰、虎尾兰可以有效吸收甲醛月季、蔷薇吸收较多的苯、苯酚、硫化氢、乙醚铁树

12、、菊花、常春藤可以减少苯、二甲苯的污染龟背竹、一叶兰、虎尾兰能吸收室内80以上的有害气体。,22:35,22:35,六、我国空气质量日报,空气质量日报的组成：污染指数API 首要污染物 空气质量级别,22:35,大气环境自动监测系统监测项目,22:35,（一）、空气污染指数（API）,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值。评价因子：SO2、NO2、PM10、CO、氧化剂O3评价标准：环境空气质量标准各项污染物对人体健康和生态环境的影响,环境空气质量标准（GB3095-1996）,SO2、TSP、PM10、NOx、NO2、CO、O3、

13、Pb、BaP、氟化物等,22:35,空气污染指数（API）计算,（1）污染分指数计算：Ii 第i种污染参数的污染分指数Ci 第i种污染参数的浓度值In 第i种污染参数n的转折点的污染分指数In 1 第i种污染参数n1的转折点的污染分指数Cn n转折点上第i种污染参数的浓度值Cn 1 n1转折点上第i种污染参数的浓度值（2）求最大值得API,例：SO20.042 mg/m3、NO2=0.018、PM10=0.135，求其API值,I SO2=(0.042-0)/(0.05-0)（50-0）+0=42I NO2=(0.018-0)/(0.08-0)（50-0）+0=12I PM10=(0.135-

14、0.05)/(0.15-0.05)（100-50）+50=92,22:35,Max(I SO2，I NO2，I PM10)92该市当天API为92首要污染物为PM10,22:35,（二）污染描述（空气质量）,50 优 一级标准100 良 二级标准200 150轻度污染300 中度污染400 重污染500 重污染,空气质量评价（API）结果与公众实际感受存在显著差异,为什么？,奥运会的启示,奥运会的启示,Olympic Games,奥运会的启示,中国的大气环境化学,1973 兰州西固调查光化学烟雾现象，开发PAN测试技术1981-1983 综合研究，现场观测，模拟及模式。1984-1987 北京

15、光化学烟雾研究：化学模式，实验室模拟 1985-1995 酸雨研究1990-1995 平流层臭氧损耗机制的模拟和模式，编制ODS淘汰国家方案，微量气体源汇（CH4,DMS,VOC,NH3,N2O）1996-机动车排放污染，区域空气质量（O3，PM2.5）,22:35,第二节 大气污染气象学,22:35,一、风,风向:风向频率玫瑰图 输送污染物（影响污染物的扩散方向）,22:35,工厂设置在居民区最小风频的上风地带或与常年盛行风向垂直的郊外。,22:35,22:35,风速：决定污染物的扩散和稀释状况 污染物在大气中的浓度与平均风速成反比。风速增大1倍，则下风向污染物浓度将减少一半,22:35,二

16、、大气湍流,大气湍流：在主导方向出现的（上下左右）无规则阵发性搅动的气流,22:35,涡团与污染物扩散,a小尺度涡团：扩散缓慢b大尺度涡团：截面变化不大c尺度相仿涡团：很快扩散复合尺度涡团：较快扩散,22:35,三 温度的垂直分布,1 温度层结：地球表面上方大气的温度随高度变 化的情况。（或在垂直地球表面方向上的气温分布）,22:35,2、气温垂直递减率,在垂直于地球表面方向上，每升高100米气温的变化值=dT/dH T：温度 H：离地面高度,平均0.65（对流层）,22:35,平均0.65（对流层）,22:35,3 气温的干绝热递减率 d,绝热变化：系统与周围物体没有热量交换而进行状态变化

17、绝热降温:1/100m 干绝热递减率：d 1,4 温度层结种类,正常分布层结：气温随高度增加而递减，即 0中性层结 d 1等温层结 气温不随高度变化，即 0逆温 气温随高度增加而增加，即 0,22:35,5 逆温,大气温度垂直递减率小于零时，上层温度高于下层温度,22:35,22:35,逆温的种类：,辐射性逆温 地形逆温下沉逆温 湍流性逆温 锋面逆温,22:35,（1）辐射逆温,晴朗、少云无风的夜间，风速3m/s(二级)时，地面因强烈的有效辐射而很快冷却，近地面气温下降快，较高气层冷却慢，气温下降慢，形成自地面向上发展的逆温层，称为辐射逆温。条件：晴朗、微风、无云或云层很薄很高，使地面失去保温

18、层，散热快又多，因而降温激烈，微风有助逆温层向上扩散，但风速23m/s。如风大，上下层空气间的湍流交换加强，热量下传，不利于逆温层的形成。,22:35,(a)正常温度层结(b)逆温开始生成，随地面辐射增强，迅速冷却，逐渐向上发展(c)辐射达到最强时为黎明前(d)日出后，地面增温，空气自上而下增温，逆温逐渐消失(e)上午10时左右，逆温消失几十至几百米,它多出现在冬季冷高压控制下,（2）地形逆温,当日落进入夜晚后，由于山坡散热快，使得坡面上温度比谷底、盆地中温度低，坡面冷空气沿着斜坡下沉，使得谷底、盆地中温度较高的暖气抬升。,22:35,四、温度层结与烟型,22:35,不同温度层结下的烟型,翻卷

19、型锥型平展型爬升型熏蒸型,22:35,弱晴夜晚和早晨,晴朗中午,日出后,日落后,多云或阴天的白天,rrd,排出上方：r0，rrd排出口下方：r0，rrd,rrd,rrd,排放口上方：rrd排口下方：rrd。,22:35,第三节 大气污染治理技术,除尘技术脱硫技术 氮氧化物治理技术 氟化物治理技术,22:35,除尘技术,除尘装置的主要性能（Q、P）除尘器分类各种除尘器性能比较,惯性力除尘器 重力沉降室 旋风除尘器湿式除尘器布袋除尘器电除尘器,22:35,除尘装置的主要性能（Q、P）,1 处理量Q单位时间内所能处理的含尘气体量,22:35,2 效率,总效率：除尘器除去烟尘的量与进入除尘器烟尘的比值

20、。,22:35,3 除尘装置的阻力P,P=1/202 除尘器的阻力系数 烟气密度 0 密度烟气进口流速,流体力学,理想的除尘器：Q 大、高、P小,二、除尘器分类,22:35,1 重力沉降室,原理,22:35,重力沉降室原理示意图,(斯托克斯公式)g=d2(s-)g/18,降低0,气溶胶力学,加长L,降低h,如何提高处理效率,22:35,22:35,运行特性捕集颗粒物粒径 50mP：98 147Pa：40 60%0：1 2m/s,22:35,优点：简单、投资少、易维护缺点：占地大，除尘效率低应用：初级除尘,22:35,2 旋风除尘器,22:35,（1）除尘原理,含尘气流沿某一定方向作连续的旋转运

21、动，粒子在随气流旋转中获得离心力，使粒子从气流中分离出来,22:35,（2）运行特性捕集颗粒物粒径d2030m：8595切线进入式：0：7 15m/s P：980Pa轴向进入式：0：10m/s P：784980Pa（轴向反转式）392490Pa（轴向直流式）,22:35,优点：简单、投资少、易操作缺点：磨损严重，旋风子易堵应用：多级除尘的预除尘,3 湿式除尘器,除尘效率：90以上,水膜除尘器、文丘里式除尘器,应用：中、小型机组采用，大型机组一般不采用,22:35,水膜除尘器原理,湿式除尘和旋风除尘结合起来，提高效率，减少磨损,溢流水槽的设计使内壁水膜均匀,设计特点：,22:35,文丘里式,效率

22、：95以上P：294214709Pa液气比：0.261.30kg/m3,d液/d尘=150雾化液滴,22:35,缺点,能耗大，耗水量大有废液、泥浆处理问题在寒冷地区使用需防冻,可同时除尘和除有害气体 结构简单，造价低 能处理湿度大、温度高的气体,优点,22:35,4 布袋除尘器,22:35,a 内部过滤 以松散多孔的滤料为滤料层，尘粒在滤料内部进行捕集b 外部过滤：以滤布为滤料，以最初粘附在滤料表层上的粒层（初层）为过滤层,过滤方式,22:35,工作步骤：1.过滤 2.清灰,布袋除尘器原理示意图,布袋除尘器外观实例,22:35,滤布的要求：耐酸碱、耐热、有一定的机械强度,22:35,运行特性捕

23、集颗粒物d 0.120mP：9811961Pa（清灰）：90 99%0：0.3 10cm/s，微细尘粒1cm/s,优点,缺点,结构简单，造价及运行费用低,可提高干法脱硫的脱硫率,处理高温、高湿度、腐蚀性气体应慎选滤袋,滤袋易破损,阻力损失大,除尘效率高，处理量大,体积和占地面积都很大,22:35,5 静电除尘器,22:35,静电除尘器外形,22:35,应用：300MW以上机组均采用,（1）原理 用特高压直流电源（40，000V)）产生的不均匀电场，利用电场中电晕放电使尘粒荷电，然后在电场库仑力作用下把荷电的尘粒集向集尘极，当形成一定厚度集尘层时，振打电极使尘粒集合体沉落于集尘器中、除尘。,电晕

24、极集尘极 清灰装置,22:35,运行特性捕集颗粒物d大于0.0520mP：干式 98Pa 湿式 196Pa：80 99.9%0：干式 0.52m/s 湿式 可达2m/s,22:35,优点,除尘效率高能耗低，压损小处理烟气量大，耐高温,缺点,钢耗大，占地面积大制造、安装、运行的要求高对粉尘特性敏感,22:35,比电阻为使电晕极和集尘极间输送离子电流，集尘极表面粉尘有一定的导电性，其最小的导电率为 1010（cm)1，则电阻率为1010 cm 电除尘器中粉尘的适宜比电阻104 1011 cm 当比电阻大于1011 cm，除尘效率降低，调阻剂调阻。当比电阻小于104 cm，二次扬尘，除尘效率降低。,22:35,22:35,思考题,1、什么是大气污染？2、什么是一次污染物、二次污染物？3、什么是降尘、飘尘、PM10、PM2.5？颗粒污染物有哪些危害?4、硫酸烟雾、光化学烟雾的形成机理以及危害。5、我国空气质量日报的组成及API值的计算。6 湍流（涡团）对大气污染物扩散有何影响？7 什么叫逆温？温度层结与烟型有何关系？,22:35,8、描述除尘器的主要的性能指标是什么？9、有哪些类型的除尘器？各类除尘器的除尘原理和运行特性是什么？,