大氣污染控制工程

第一章概論

講授2學時

講授內(nèi)容：

一、大氣圈的構成及大氣組成

1.大氣圈（各層特點）

2.大氣組成（恒定組分、可變組分、不定組分）

二、大氣污染的形成

1-大氣污染的含義

2.大氣污染源的分類

3.一次污染物和二次污染物

4.重要的大氣污染物（CO、NOx、SOx、HC、dust、Mist等）

三、大氣的危害

四、大氣污染與氣象的關系

1.大氣污染氣象學的研究狀況

2.影響大氣污染的氣象因子（動力因子、熱力因子）

五、大氣污染的狀況

六、大氣污染防治途徑

重點內(nèi)容：一、二、四，其它為了解。

習題：1.某一著名大氣污染事件中，主要污染物有煙塵、CO、C02.SO?、SO：,、光化學煙霧。

試指出哪些是一次污染物？哪些是二次污染物？

2.簡述生態(tài)學原理在大氣污染防治中的應用。

3.試述大氣污染與氣象的關系？

大氣質(zhì)量

空氣的重要意義：

人是完全靠空氣生存的，成年人平均每天約需1Kg糧食和2Kg水，但對空氣的需求就大得

多，每天約13.6Kg（合10耐）。若三者都斷絕供應，引起死亡的首先是空氣，要是空氣中混

進有毒害的物質(zhì)，則毒物隨空氣不斷地被吸入肺部，通過血液遍布全身，為人體健康直接產(chǎn)

生危害。大氣污染對人的影響不同于土壤和水的污染，它不僅時間長且范圍廣（較多是地

域性的，也有全球性的）。地球上發(fā)生的八大“公害事件”，其中五起是因大氣污染造成的。

當然，空氣污染的原因不只是人類的活動，還有像森林,火災和火山爆發(fā)一類的天然事件。

不過后者通常在空氣污染中起次要作用。本章僅討論有關認為污染方面的問題，并簡略介紹

一些控制污染的技術措施。

§1-1大氣圈的構成及大氣組成

1.大氣圈

隨地球引力而轉的大氣層叫大氣圈。大氣圈的最外層的界限是很難確切劃分的，但大氣

也不能認為是無限的。在地球場內(nèi)受引力而旋轉的氣層高度可達10,000Km。有的學者就以

10,000Km作為大氣圈的最外層。一般情況卜.認為，從地球表面到1,0001,400Km的氣層作

為大氣圈的厚度，超出l,40（）Km以外氣體非常稀薄，就是宇宙空間了。

大氣圈中的空氣分布是不均勻的，海平面上的空氣最稠密。在近地層的大氣層里，氣體

的密度隨高度的上升而迅速的變稀。但是在4001.400K口大氣層里空氣是漸漸變稀薄的.大

氣圈的總質(zhì)量約為6000萬億噸，約為地球質(zhì)量的百萬分之一。

大氣的構造：

根據(jù)大氣圈中大氣組成狀況及大氣在垂直.高度上的溫度變化，劃分大氣圈層的結構如下

圖:

星際空間

外層（故逸層）

約2（KX）：＜m以上

原子氧層—

分子氮層—非均偵層8(X)~HXX)Km

熱層（電離層）-

中間層80~85Km

均質(zhì)層

從地球表面向上，大約到90Km高度，大氣的主要成分氧和氮的組成比例幾乎無什么變

化,具有這樣特性的大氣層叫均質(zhì)大氣層（簡稱均質(zhì)層）。在均質(zhì)層以上和外圍空間的大氣

層,其氣體的組成隨高度升高有很大變化，這個圈層叫非均質(zhì)層。

在均質(zhì)層中，根據(jù)氣體的溫發(fā)沿地球表面垂直方向的變化分為；對流層、平流層、中

間層、電離層、散逸層。

特點：

對流層:1)相對于整個大氣圈厚度而言很薄，按最厚姓計，占總厚度的6—9乳占總質(zhì)量

的75%。在這一層中除了有純凈的干空氣以外，還含有一定量的水蒸氣，適度

的溫度對人和動植物的生存起到重要的作用。

2)一般情況下，溫度自地表面向高空遞減，0.65C/上升100米。

在對流層中，由于太陽的輻射以及下墊面特性和大氣環(huán)流的影響，使得在該層

中出現(xiàn)極其豆雜的自然現(xiàn)象，有時形成易『擴散的氣象特征，有時形成對生態(tài)

系統(tǒng)產(chǎn)生有危害的逆溫氣象條件，雨、雪、霜、霧、雷電等自然現(xiàn)象也都出現(xiàn)

在這一層。

3)大氣有較強的對流運動，大氣污染也主要發(fā)生在這一層，特別是在靠近地面

l-2Km的近地層更易造成污染。近地層的大氣污染物的擴散能力主要取決于當

時的氣象條件。

4)溫度、濕度等各要素水平分布不均勻。

平流層:1）在這一層里氣體的溫度差隨高度上升有緩慢的增加,30-35Kni,T=-55℃o然后

上升（氣溫）較快，這是因為在該層中的臭氧強烈吸收太陽紫外線所致。

2）幾乎不存在水蒸汽和塵埃，一般處于平流運動。3）大氣很干燥，沒有云、

雨等現(xiàn)象，是匕機理想的K行區(qū)域。

中間層:氣溫隨高度增加迅速降低，有強烈的垂直對流運動。

電離層:氣溫隨高度增加迅速上升，空氣處尸高度電離狀態(tài)，發(fā)電報是靠這層反射回來。

散逸層:氣體溫度很低，氣體粒子能克服地球引力而逸向星際空間。星際空間內(nèi)每而空間

有數(shù)十個離子存在。

研究重點：對流層，平流層

1.大氣組成

1）大氣（空氣）從自然科學角度來看，空氣和大氣常常作為同義詞，二者沒有實

質(zhì)性的差別。但在研究近地層的空氣污染規(guī)律及對空氣質(zhì)量進行評價時，為便

于說明問題，有時兩個名詞分別使用。一般對于居住在室內(nèi)或特指某個地方

（如車間、廠區(qū)等）供動植物生存的氣體習慣上稱為空氣。在大氣物理、大氣

氣象、自然地理以及環(huán)境科學研究中，常常是以大區(qū)域或全球性的氣流作為研

究對象，因此，就常用大氣一詞。

2）大氣的組成：

大氣是一個多種氣體的混合物，有混合氣體、水氣和懸浮微粒組成，可分為：

恒定組分：（M20.95%）、N2（78.09%）><（0.93%）、惰性氣體。上述組分的比例

在地球表面上任何地方幾乎是可以看作不變的。

可變組分：CQ、水蒸汽、（上這些組分在大氣中的含量是隨季節(jié)、氣象的變化以

及人們的生產(chǎn)、生活活動的影響而發(fā)生變化。

不定組分：r第一環(huán)境問題引起的：由自然界的火山爆發(fā)、森林火災、

海嘯、地震等暫時性災難所引起的。污染物有塵埃、S、

來源JIIS、SOx、NOx等。

第二環(huán)蛔題引起的

表6T,Pi干潔空氣的組成，正?？諝饨M成見書A.

由于人類社會的生產(chǎn)工業(yè)化和經(jīng)濟建設速度增長，人口劇增等使得大氣中增加或增多了

某些不定組分。大氣中含有的不定組分的種類和多少由地區(qū)的條件而定的。格金工廠、電廠

所在的地區(qū)，大氣中含有煤煙、塵、SOx、NOx等組分就多。而在化工區(qū)，則有機或無機的

化學物質(zhì)等不定組分就多。當這些不定組分排放于大氣中時就會使大氣污染，不定組分達到

一定濃度時，將會對動植物造成嚴重的危害，這是環(huán)保工作者研究的主要對象。

人們所關心的問題：供會減少嗎？不會。

大氣中8的含量（A、N維諾格拉多夫，1973年蘇聯(lián)）

年份1970196719511942193519191912

2Q946±0.0012Q945±0.00620.94620.9220.94620.95220.95

2.CO?濃度會增加

70年代到80年代,CO?平均每大增加2%；不少學者認為70年代到2000年代CO?要增加以上,

CO,濃度的增加引起的后果說法不一。

§1-1大氣污染

1.大氣污染的含義：P272國家標準組織定義（ISO）定義

指自然界中局部的職能變化和人類的生產(chǎn)和生活活動改變大氣圈中某些原有成分和向大氣

中排放有毒害物質(zhì)，以致使大氣質(zhì)量惡化，影響原來有利的生態(tài)平衡體系，嚴重威脅著人體

健康和正常工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，以及對建筑物和設備財產(chǎn)等的根壞（另一種說法見書上P149）。

2.大氣污染源的分類：由四種分類法

1）按污染源存在形式：固定污染源、移動污染源；

2）按污染源排放方式：高架源、面源、線源；

3）按污染源排放時間：連續(xù)源、間斷源、瞬時源；

4）按污染源產(chǎn)生類型：工業(yè)污染源、家庭爐灶、汽車排氣。

進行大氣質(zhì)量評價適宜用第一種分法，研究擴散適宜用第二種分法，分析污染物排放時

間規(guī)律適宜用第三種分法，解決污染物，控制污染物適宜用第四種分法。

3.一次污染物和二次污染物

一次污染物：指直接從各類污染源排出的物質(zhì)。

可分為：非反應物質(zhì)，其性質(zhì)較穩(wěn)定；反應性物質(zhì)，性質(zhì)不穩(wěn)定，在大氣中常與某些其它

物質(zhì)產(chǎn)生化學反應或作為催化劑促進其它污染物產(chǎn)生化學反應。

二次污染物：反應性的二次污染物與大氣中的其它組分反應形成的物質(zhì)。如二次污染物硫

酸煙霧（又稱硫酸氣溶膠）形成過程。

so2so）—H￡^H2SOA—^-^/72so4）m（H2o）n—

往往二次污染物比一次污染物的危害大得多。

4.重要的大氣污染物

CO、NOx、HC化合物、SOx＞微粒、光化學煙霧見書已助聞。在此不做詳細介紹了。

主要污染物：粉塵（鋼鐵廠、冶煉廠、水泥廠、建筑材料廠等）；

硫化物（民用爐、熱點站、金屬冶煉、硫酸廠）；

氮化物（硝酸廠、氮肥廠、炸藥廠）；

氧化物（CC、C0J；

鹵化物（氟化物、氯化物、制堿廠）；

有機物質(zhì)的污染。

1）CO占總污染量的30%主要來源：汽車排氣占50%

危害：與血紅蛋白結合危害人體，排量多會使空氣中6量降低。

2）NOx、NO、N02本身含氮變成游離氮原子和氧作用（燃\0）

來源：①石化燃料的燃燒

高溫下，大氣中的氮和氧加（熱解NO）

NOx生成量與燃燒溫度有關

②各種工業(yè)過程（硝酸廠、氮肥廠、炸藥廠等）

危害：①光化學煙霧的主要成分：

②對動植物體有強的腐蝕性。

3）碳氫化合物（HC）

來源：燃料燃燒不完全排放HC化合物，汽車尾旺中有10%HC化合物。美國70年

統(tǒng)計，在總HC尾氣中，汽車排氣占48機

危害：光化學煙霧的主要成分。

4）硫氧化物

來源：①燃料燃燒；

②有色金屬冶煉；

③民用燃燒爐灶。

S02濃度：3.5%以上高濃度煙氣

3.5%以下低濃度煙氣

危害：①產(chǎn)生酸雨；②腐蝕生物的機體:③產(chǎn)生化學煙霧。

硫酸煙霧的代表事件：倫敦煙霧事件

5）微塵

分類:氣溶膠中0.1—1Pm

煙9.1—1ym降塵OlOum)

塵10—100um飄塵(<10nm)

霧1—10um

危害：①引起呼吸道疾病；②致癌作用；③造成煙霧事件（硫酸等，SO?之所以在大

氣中造成危害是由于大氣中微塵帶有一些Fe?一等催化劑使

SO242'）SO3TH2so4

6）其他有害物質(zhì)（石棉、鍍、汞）

7）光化學煙霧

光化學煙霧早在1946年最早在洛杉磯發(fā)現(xiàn)，故又叫“洛杉磯煙霧"。這種煙霧經(jīng)常發(fā)生

在夏季和早秋季節(jié)，每次事件給人造成很大的災難。

光化學煙霧的機理在本世紀五十年代以前還不很清楚，1956年首先由加利福尼亞工科

大學哈根.斯特博士提出了光化學煙霧的理論，他認為洛杉磯型的煙霧事件主要由于汽車排

出來的尾氣中的NOx.HC在強烈的太陽光作用下發(fā)生化學反應造成的。引起光化學煙霧的

NO2氣體可吸收300—700nm（納米）波長的光。其中430nm波長以下的紫外線光照射時，可使

NO,分解NO2”>No+0

生成的原子氧很快乂與空氣中的（）?形成（%:0+。2+M-。3+歷

按上式可計算出0,濃度，實際上遠比按上推導而得為結論高。

主要是：大氣中存在由各種HC化合物，最容易與0原子、。2、。3、N0進行反應生成一系列

中間產(chǎn)物和最終產(chǎn)物。如形成光化學煙霧的HC物為醛類時，其主要反應如下：

大氣中的一次污染物如汽車、工廠等排放的燃燒生成物和未燃燒物質(zhì)經(jīng)過太陽光的照

射，各種污染物之間發(fā)生反應形成二次污染物一一煙霧，被稱為光化學煙霧。

反應機理見書。

光化學煙霧的主要成分：0」、過氧酰硝酸酯、酮類、醛類各種活性很強的許多自由垃、

氮類氧化物。

造成光化學煙霧的起始物：N0，

形成條件：陽光照射（光波2900-4200A）空氣中存在HC化合物（上午9點一下午2

點）晴天，溫度不太高。

§「3大氣污染的危害

我國由于大氣污染直接造成的損失是68億/年。汽車的污染也較嚴重，目前世界上有2

萬億輛汽車，排放Pb4億萬噸。

大氣污染物侵入人體途徑：①表面接觸：②食入含有大氣污染物的食物：③吸入被污

染的空氣。

危害：①人體健康危害

胃癌：城市高于郊區(qū)（重慶市區(qū)高于郊區(qū)8臂）。

S()2濃度(ppm)時間危害

0.2~0.8持續(xù)3天大氣污染事件

0.3~1.0一般人能感覺到

0.4615平均45歲以上的人死亡增加

0.55平均1953年倫敦事件

6~12瞬時刺激鼻喉

②對植物的危害：葉萎縮、枯爛、吸入到果實中。

③局部氣候的影響

④對金屬制品、油漆、涂料、建筑、古物等的危害（重慶長江大橋的橋梁）

⑤對臭氧層的破壞

原因：超音速飛機排放污染物破壞6層；氨氯昂一一冷凍的添加劑。

有人估算，目前的臭氧層減少31%,臭氧減少10%,皮膚癌增加。

§1~4大氣污染與氣象的關系

大氣污染可看作是污染源所排放出的污染物和對污染物起著擴散稀釋作用的大氣，以

及承受污染的物體三者相互關聯(lián)所產(chǎn)生的一種效應。一個地區(qū)的大氣污染情況是與該地區(qū)的

污染源所排放出的污染物總量有關的。這個總量是不因氣象條件的影響而發(fā)生變化的。但是，

排放出的污染物的濃度在時空分布上卻是受到氣象條件的控制。由于氣象條件的不同，污染

物作用于承受者的污染程度也就不一樣。近幾十年來，世界上發(fā)生了多次大氣污染事件，每

次污染事件都是在一定地形和一定氣象條件下發(fā)生的。我們?yōu)榱烁玫匮芯看髿馕廴締栴}，

首先要對與氣象學有關的一些基本概況作一簡單介紹。

1.氣象學的研究現(xiàn)狀

2.影響大氣污染的氣象因子

在一個區(qū)域或一個城市里既使從污染源排向大氣的污染物的量沒有很大變化但對周圍

環(huán)境造成的污染效應卻會有很大的不同，有時會對人和動植物造成嚴重危害，有時卻是很輕,

這主要是由于在不同的氣象條件下大氣具有不同的擴散稀釋能力所造成的。影響大氣擴散能

力的主要因素有兩個：一為氣象的動力因子，一為氣象的熱力因子。

（一）氣象的動力因子：主要是指風和湍流，風和湍流對污染物在大氣中的擴散和稀釋起

著決定性的作用。

a）風：空氣水平方問的流動叫風（提問）。

風在不同時刻有著相應的風向和風速，它不僅對污染物起著輸送的作用，而且還起著擴

散和稀釋的作用。

風的度量：風的大小叫風速，在單位時間內(nèi)空氣水平流動的距離；

風向：風向決定污染物遷移運動方向，風速決定污染物的擴散稀釋。

b）湍流：除在水平方向運動外還會有上、下、左、右方向的亂動（有點像分子的熱運

動），樹葉的來回擺動就是湍流。

把湍流想象成是由許多湍渦形成的（它與分子運動極為相似，不同的是分子運動是以分

子為單位，湍渦運動速度比分子運動速度多得多。

PH5從煙囪或其它的污染源排放出的煙云受風的作用傳送到下風向時，如果大氣是做很規(guī)

則的運動，這里煙云幾乎是一個粗細變化不大的一套煙管運動，污染物難以擴散，實際并不

是這樣，煙云在卜風向飄移時除其本身的分子擴散外，逐受大氣湍流的作用，進入大氣的污

染物經(jīng)過湍流混合作用之后，逐漸分散稀釋。

（-）氣象的熱力因子：溫度層結、絕熱直減率、穩(wěn)定度。

1.溫度層結

a）何為溫度層結：溫度隨高度的分布情況，它影響了大氣中垂直方向的流動情況。

b）溫度層結類型：

1）溫度隨高度的增加而降低，一般情況是這種規(guī)律；

2）溫度隨高度的升高而升高；

3）隨高度的升高溫度不變

氣溫隨高度的變化常以氣溫垂直遞減率Y表示，對于標準人氣來說，整個對流層的氣溫

遞減率平均值為0.65℃/100nu

c）溫度變化的實質(zhì)是內(nèi)能的變化，在逆溫條件下大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)，湍流被抑制，

污染物不易擴散

2.氣溫的干絕熱直減率：氣塊在垂直運動方向上做絕熱上升（或下降）每100米其溫度降

低（或升高）1℃此數(shù)值被稱為干絕熱直減率。

根據(jù)熱力學第一定律dQ=dU+dW

在絕熱過程中系統(tǒng)的狀態(tài)變化及向外作功靠統(tǒng)的內(nèi)能，大氣中垂直運動的空氣塊向外膨脹或

受到外界壓力所引起的溫度變化要比和外界交換熱量所引起的溫度變化大得多，根據(jù)理論和

實踐證明，對一個干燥或未飽和的濕空氣氣團在大氣中絕熱上升每100米要降溫0.98筋通

常近似取為1℃0

3.大氣的穩(wěn)定度

定義：表示空氣是否安于原來的層次，是否易于發(fā)生垂直運動。

分類：3類

1）如果氣塊受力離開原來的位置仍加速前進，這時大氣是不穩(wěn)定的；

2）如果氣塊受力離開原來的位置氣塊逐漸減速，并有返回原來高度的趨勢，

這時大氣是穩(wěn)定的；

3）如果氣塊受力離開原來的位置就在那里，既不加速也不減速，這時人氣是

中性的。

判別大氣是否穩(wěn)定取決于氣溫垂直直減率Y與干絕熱直減率Ydo

Y—Yd>0,不穩(wěn)定；Y—YK0,穩(wěn)定；Y—Y產(chǎn)0,中性

五.大氣污染的狀況：

70年代大氣污染逐步開始改善，60年代到70年代美國、日本污染相當嚴重，所以70

年代初到80年代日本大氣治理比美國先進，現(xiàn)在美國已趕上日本，70年代開始出現(xiàn)光化學

煙霧（較普遍）。

國內(nèi)現(xiàn)狀：治理剛起步，對燃燒除煙塵基本上沒有注意，大氣污染較嚴重。

原因：1）向四化進軍正處于建設初期，工業(yè)高速發(fā)展，大氣污染相當嚴重；

2）能源結構不合理，以煤為主；

3）布局不合理（有些工廠明明知道處于上風口還要建），行政管理不合理。

六.大氣污染防治途徑

1.要搞好大氣污染的防治，必須掌握大氣環(huán)境污染的特征。

我國大氣環(huán)境的特征：

1）普遍受到塵、SO?為主的煙煤型污染；

2）在大城市或特大城市要注意N0、的污染來源：主要是汽車；

3）酸雨；

4）局部地區(qū)的污染：如氧化物：包頭、撫順、昆明等；鉛：沈陽、廣州、長春、

上海等。

大氣污染的特征：

1）污染物微量（百萬分之一計算），濃度用ppm計算；

2）污染物量變化（風經(jīng)常影響其濃度）：

3）污染物質(zhì)變化（如NO、和有機物在光的作用下會產(chǎn)生。3、甲醛（PAN）3等。

2.大氣污染防治技術看十一章Pl81-|RS

3.大氣污染的控制途徑

1）控制污染源，改革工藝，合理的工業(yè)布局

2）控制污染源之后的排放的污染物，應用各種各樣的治理技術

3）走綜合方治的途徑

綜合防治的含義：從全局出發(fā)，綜合考慮生產(chǎn)生活等方面的諸因素，圍繞經(jīng)濟社會發(fā)展FI標,

運用多科學、多途徑、多種手段進行防治，達到經(jīng)濟效益和環(huán)境效益的統(tǒng)一。

綜合防治的基本原則：

1）防與治相結合，以防為主。

2）【可收資源與凈化處理相結合，以I可收資源為主

3）企業(yè)治理與區(qū)域治理相結合

4）人工凈化與自然凈化相結合

以北京為例介紹一下綜合防治的實例：

北京有十億輛汽車排放的各污染物量見下表:

NOx(mg/m')C0

地點

日平均標準超標最高一次超標

東單路口0.871級0.0517.1-5.H

倍

西單路口0.76二級0.113.2—5.1

倍

新街三級0.15686.8倍

汽車尾氣空檔加速定速減速

C0%4.91.81.73.4

HC(ppm)8005404805500

1973-1974年對北京幾個交通路口的調(diào)查:

交通民警園林工人

肺結核8.9%—24.5%0

慢性鼻炎29.4%—51%15.4%—44.2%

咽炎13.9%—32.5%1.9%—22.5%

呼吸功能1.72.4

（最大呼吸中期流速1/s：

解決途徑：1）從汽車工藝上和尾氣凈化來解決（NOx、CO、HC化合物）

我國汽車50%基本達到日本排放標準最嚴重的是北京2127廠處的汽車排

放的N”相當于1966年排放量。八十年代國外大量采用汽車凈化器（催

化轉化器）。

2）從城市道路現(xiàn)代化加強交通管理，發(fā)展高速公路立體交叉，自行車多影

響汽車的速度。

3）交通感到的兩旁綠化、凈化空氣。

5）制定汽車生產(chǎn)和運行時的排放標準。

第二章燃燒與大氣污染

重點：（二）燃燒計算

1.理論空氣量

2.煙氣量

3.污染物排放量

第二章燃燒與大氣污染

煙塵、S02、NOx、等主要是因燃燒而引起的。本章主要介紹燃料燃燒過程中的基本原

理、污染物的生成機理以及如何控制燃燒過程，減少污染物的排放。

§1.燃料的性質(zhì)

燃料指燃燒過程中能放出熱量，且經(jīng)濟上可行的物質(zhì)。

燃料的分類：（1）常規(guī)燃料：如煤（coal）、patrolum、天然氣等。

（2）非常規(guī)燃料

按其物理狀態(tài)分為：（1）固體燃料：揮發(fā)分被蒸飽后以氣態(tài)燃燒（蒸氣控制）；留下的固定

炭以固態(tài)燃燒（擴散控制）。

（2）液體燃料；有蒸發(fā)過程控制（氣態(tài)形式燃燒）。

（3）氣態(tài)燃料：有擴散或混合控制。

燃料的性質(zhì)影響大氣污染物的排放。

一、燥：是一種復雜的物質(zhì)聚集體。主要可燃成分是C、H及少量0八N”S等一?起構成的有

機聚合物。

煤中有機成分和無機成分的含量因種類、產(chǎn)地不同而異。

1.分類：按基于沉積年代的分類法分為褐煤、煙煤、無煙煤。

&褐煤：是由泥煤形成的初始煤化物，是煤中等級最低的一類，形成年代最短。呈黑

色、褐色、泥土色，象木材結構。

特點：①揮發(fā)分較高，析出溫度低：②燃燒熱值低，不能制炭。

干燥后：C含量60—75%,0?含量20—25%。

b.煙煤：形成歷史較褐煤長。黑色，外形有可見條紋。

揮發(fā)分20—45%,C75—90%。成焦性較強，氧含量低，水分及灰分含量不高，適宜

工業(yè)使用.

c.無煙煤：碳含量最高，煤化時間最長的煤，具有明顯的黑色光澤，機械強度高。

C含量＞93%,無機物量＜10%,著火難，不易自燃,成焦性差。

2.煤的組成

煤的組成測定方法分為工業(yè)分析；元素分析兩大類。

a.工業(yè)分析：水分、灰分、揮發(fā)分、固定碳、S含量、熱值。

3.元素分析：用化學法測定去除掉外部水分的主要組分。C、上、弗、S、。2等。煤中硫的

形態(tài)

r有機硫（CxHySl

煤中含硫Jf硫化物硫（FeS2）

無機硫〈無系硫（S

、

I硫酸鹽硫（McSOi）

硫酸鹽硫在燃燒時不參加燃燒，留在灰渣里，是灰分的一部分，其它能燃燒放出熱量。

我們所說的污染物SOx只包括有機硫、硫化物，不包括MeSOi,而一般給我們的含硫量是指

總硫量。應注意。

a.硫化鐵硫：是主要的含硫成分，主要代表黃鐵礦硫。

黃鐵礦：硬度6—6.5

比重4.7—5.2

本無磁性，但在強磁場感應下能轉變?yōu)轫槾判晕铮瘴⒉芰^強，據(jù)此，可把其從煤中

脫除。

b.有機硫：以各種官能團形式存在。如嗨吩、芳香基硫化物、硫醇等。不易用重力分選的

方法除去，需采用化學方法脫硫。

c.石油：石油是液體燃料的主要來源。原油是天然存在的易流動液體。比重0.78-1.00

主要含C、上、少量的S、N?、。2,此外，含有微量金屬（鋼、銀）、珅、鉛、氯等，lOppm

左右。

原油中的硫大部分以有機硫形式存在，形成非碳氫化合物的巨大分子團，其含硫量變化范圍

較大，一般為0.1—7%。原油通過蒸儲、裂化和重態(tài)過程生產(chǎn)出各種產(chǎn)品。原油中的S約有

80-90%留于重硫分中。所以復雜的環(huán)狀結構存在，而需去除的僅是硫原子，故不能用物理

方法分離硫化物。采用高玉下的催化加氫破壞C—S—C鍵形成H2s氣體，可達目的，但費用

很高。

三、天然氣

一般組成CHB5%,乙烷10%,丙烷3%,此外還有壓0、⑩、色、He、H2s等。

§2-2燃料燃燒過程

一、影響燃燒過程的主要因素

1.燃燒過程及燃燒產(chǎn)物

燃燒是可燃混合物的快速氧化過程，并伴有能量的釋放，同時使燃料的組成元素轉化成

相應的氧化物。

多數(shù)化石燃料完全燃燒的產(chǎn)物是C02、水蒸汽；不完全燃燒過程將產(chǎn)生黑煙、co和其它

部分氧化產(chǎn)物等。

若燃料中含S、N會生成S0?和NOx,燃燒溫度較高時，空氣中的部分氮會被氧化成NOx。

FuelNOx（燃料型NOx）一一燃料中的N）

NOx的生成量〈

ThermalNOx（熱型NOx）——高溫時空氣中

2.燃料完全燃燒的條件

燃料完全燃燒的條件是適量的空氣、足夠的溫度、必要的燃燒時間、燃料與空氣的充

分混合。

（1）空氣條件：按燃燒不同階段供給相適應的空氣量。

（2）溫度條件：只有達到著火溫度，才能與氧化合而燃燒。

著火溫度：在氧存在下可燃質(zhì)開始燃燒必須達到的最低溫度。各種燃燒的著火溫度

見表2-3oP348.

（3）時間條件：

燃料在燃燒室中的停留時間是影響燃燒完全程度的另一基本因素。

燃料在高溫區(qū)的停留時間應超過燃料燃燒所需時間。

（4）燃燒與空氣的混合條件：

燃料與空氣中氧的充分混合是有效燃燒的基本條件。在大氣污染物排放量最低條件

實現(xiàn)有效燃燒的四個因素：空氣與燃料之比、溫度、時間、湍流度。（三T）

3.發(fā)熱量及熱損失

①發(fā)熱量

單位量燃料完全燃燒產(chǎn)生的熱量。即反應物開始狀態(tài)和反應物終了狀態(tài)相同情況下

（常溫298K,101325Pa）的熱量變化值,稱為燃料的發(fā)熱量，單位是KJ/Kg。（固體）KJ/m"氣

體）。發(fā)熱量有高位、低位之分。

高位：包括燃料燃燒生成物中水蒸汽的汽化潛熱，Q.

低位：指燃料燃燒生成物中水蒸汽仍以氣態(tài)存在時，完全燃燒釋放的熱量。Q.

Qi與Oh的換算見式2.2,2.3o

可用氧彈式最熱計測定，也可用經(jīng)驗公式計算。經(jīng)驗公式見式2.4。

「根據(jù)煤的工

業(yè)分析數(shù)據(jù)計算。

煤的發(fā)熱量，

〃注意：煤中H有兩種形態(tài)①可燃氫（參

9艮據(jù)燃料的關加燃燒）、自由氫。②結合氫（與0J

系分析數(shù)據(jù)計算自由氫與C、S結合

需應用基來表明組成

注：干燥基（上標d）

可燃基（上標b）應用基（上標a）

氣體燃料的發(fā)熱量2.8,2.9。

②設省煤器、空氣預熱器可降溫，供應防止溫度過低而受酸蝕。一般工業(yè)鍋爐160—

200℃；大中工業(yè)鍋爐120—180℃。熱損失。

排煙熱損失：熱損失為6—12%：

不完全燃燒熱損失：化學不完全燃燒、機械不完全燃燒。

散熱損失：由設備管道溫度高于周圍空氣溫度造成熱損失。

燃燒產(chǎn)生的污染物

硫的SOx：隨溫度變化不大，主要是煤中S。

粉塵：隨溫度的增高、不變、降低而變化。

C0及HC化合物煙：隨溫度的增高、不變、降低而變化。

NOx：隨溫度的增高、不變、降低而變化。

二、燃料燃燒的理論空氣量

1.理論空氣量（匕;）所需要的氧一般從空氣中獲得。

單位量燃料按燃燒反應方程式完全燃燒所需的空氣量稱為理論空氣量。

理論空氣量（1）可由燃燒反應方程式獲得

（2）經(jīng)驗公式（由熱值）

固體燃料匕？=l.（）lx—里+0.5

4187

液體燃料吃？=0.85x-^-+2

4187

=0875xQ

FT<12561A1///M3呼4187

氣體燃料

a>12561K//,H3o

V=LO7x--0.25

4187

天然氣（式2.17）

建立燃燒化學方程式時，假定：

1)空氣僅由Nz和組成,氣體積比為79/21=3.76；

2)燃料中的固態(tài)氧可用于燃燒；

3)燃料中的硫被氧化成SQ；

4)計算理論空氣量時忽略NOx的生成量；

5)燃料的化學時為CMSO，其中下標x、y、z、w分別代表C、H、S、0的原子

數(shù)。

完全燃燒的化學反應方程式:

C*〃+zxCO2+]〃2。++3.7dx+g+zT|電+Q

Q代表燃燒熱

理論空氣量：

呼=22.4x4.7qx+?+zgZ(12x+1.008y+322+16w')

106.6x+—+z--/(12x+1.008y+32z+16vv)

4

m31kg

「3.6%.0褐煤

一般煤的理論空氣量呼=4~7加/依j7.5~8.5無煙煤

9~10煙煤

液體燃料(燃料油)的匕心=10~1毋/kg

廠煤爐：4.5~5.5廠干：8.84~9.01

煤氣<液化氣：2.97天然氣［

匚高爐："0.7匚濕：11.T12.1

2.空氣過剩系數(shù)a

世紀空氣量匕與理論空氣量匕°之比為空氣過剩系數(shù)a

V

a=N通常a>l

匕？

3.空燃比(AF)

定義：單位質(zhì)量燃料燃燒所需的空氣質(zhì)量，它可由燃燒方程直接求得。

4.理論空氣量的經(jīng)驗計算公式由元素分析可用2.11計算(理論，若知燃料的熱值可用

2.13?2.17計算)。

例：某燃燒裝置采用重油作燃料，重油成分分析結果如下(按質(zhì)量)C：88.3%,H：9.5%,S：

1.6%,灰分：0.10機試確定燃燒1kg重油所需的理論空氣量。

解：以1kg重油燃燒為基礎,則：

重量(g)摩爾數(shù)(mol)需氧量(mol)

C88373.5873.58

H9547.523.75

S160.50.5

H20.50.02780

理論需氧量為：73.58+23.75+0.5=97.83mol/kg重油

假定空氣中用與0?的摩爾比為3.76(體積比)

則，理論空氣量為：97.83x(3.76+1)=465.67mol/kg重油

即465.67=10.43Nm7kg重油

1000

§2-3煙氣體積及污染物排放量計算

煙氣體積計算

1.理論煙氣體積

在理論空氣量下，燃料完全燃燒所生成的煙氣體積稱為理論煙氣體積以V”表示，煙氣

成分主要是CO2、so八電和水蒸氣。

干煙氣：除水蒸氣以外的成分稱為干煙氣；

濕煙氣：包括水蒸氣在內(nèi)的煙氣。

Vf『二V干煙'+V水墨z[

V網(wǎng)水蒸“二V燃”中發(fā)燃逐后的水準氣+V懷料中斷為+V理論%帶入的

2.實際煙氣體積V』Vfg=Vrs°+(a-l)Va°

3.煙氣體積和密度的校正

燃燒產(chǎn)生的煙氣其T、P總高「標態(tài)(273K.latm)故需換算成標態(tài)。

大多數(shù)煙氣可視為理氣，故可應用理氣方程。

設觀測狀態(tài)下：(T,、巴下)煙氣的體積為V”密度為P,。

標態(tài)下：(八、P,下)煙氣的體積為V,，密度為PN。

標態(tài)下體積為：匕丫=%.生.企

PNTS

標態(tài)下密度為：上?支

PsTN

應指出，美國、日本和國際全球監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)的標準態(tài)是298K、lalm在作數(shù)據(jù)比較時應注意。

2.過?？諝廨^正

因為實際燃燒過程是有過?？諝獾?，所以燃燒過程中的實際煙氣體積應為理論煙氣體積

與過?？諝饬恐?。

用奧氏煙氣分析儀測定煙氣中的CO?、0?和CO的含量，可以確定燃燒設備在運行中煙氣

成分和空氣過剩系數(shù)。

實際空氣量一

空氣過剩系數(shù)為理論空氣量一m

過?？諝庵小ǖ倪^剩系數(shù)

設燃燒是完全燃燒，過?？諝庵械难踔灰孕问酱嬖?，燃燒產(chǎn)物用下標P表示,

C+(l+nijC)2+(1+//i)3.672"">COop+O9p+N2P

91

假設空氣只有0八用分別為21%、79%,則空氣中總氧量為千N2P=0.266N2p

理論需氧量:0.266%—04

02P

所以4=1+

0.266/V2P一022

OP

若燃燒完全a=1+2

0.266N2P-O2p

若燃燒不完全產(chǎn)生co須校正，即從測得的過剩氧中減C0氧化為Cd所需的02

“二+0.266A^p-(02P-0.5COP)

各組分的量均為奧氏分析儀所測得的百分數(shù)。

3.標況下煙氣量計算的經(jīng)驗式：P362.23~2.28。

二.污染物排放量的計算

例2對例1給定的重油，若燃料中硫會轉化為SOx(其中SO?占97%),試計算空氣過乘.系數(shù)

a=1.20時煙氣中S02&S()3的濃度，以ppm表示，并計算此時煙氣中C02的含量，以體積百

分比表示。

解：由例1可知，理論空氣量條件下煙氣組成(mol)為：

C02：73.58H20：47.5+0.0278

SOx：0.5Nx：97.83x3.76

理論煙氣量：73.58+0.5+(47.5+0.0278)+(97.83x3.76)=489.45mol/kg重油

即489.45x—=10.96m3N/kg重油

1000

空氣過剩系數(shù)a=l.2時，實際煙氣量為：

10.96+10.43x(1.2—l)=13.O5/〃3N/必重油其中10.43為理論空氣量，即IKg重油完

全燃燒所需理論空氣量。

煙氣中S&的體積為0.5x0.97x22.4/=0.0109rn3N/Kg

/1vuu

煙氣中S03的體積為x0.03X22.4/=3.36x10-4w3N/Kg

/1uuu

所以，煙氣中so、S（）3的濃度分別為:

0.01096

C50,=------xlO=835.25〃〃，〃

13.05

「3.36x10-4

=--x1°=25.75〃〃'〃

IJ

當a=1.2時，干煙氣量為；

924a

[489.45-(47.5+0.0278)]x二^+10.43x0.2=11.985//N/收

1000

CO?體積為：73.58、三=1.64&/7/檢重油

1000

所以干煙氣中C0?的含量以體積計為：

I64R

-^^-x10（）=13.75%

11.985

例3：已知某電廠煙氣溫度為473K,壓力為96.93Kpa,濕煙氣量Q=10400m7min,含水汽6.25%

（體積），奧薩特儀分析結果是：C6占10.7%,02占8.2%,不含CO,污染物排放的質(zhì)量流量

為22.7Kg/mino

（1）污染物排放的質(zhì)量速率（以t/d表示）

（2）污染物在煙氣中濃度

（3）煙氣中空氣過剩系數(shù)

校正至空氣過剩系數(shù)a=1.8時污染物在煙氣中的濃度。

解.：（1）污染物排放的質(zhì)量流量為：

Kg60min..h

22.7■Xx24—x=32.7〃d

minhd1000卷

（2）測定條件下的干空氣量為:

3

Qd=10400x（1-0.0625）=9750///min

測定狀態(tài)下干煙氣中污染物的濃度：

C=^-xl06=2328.2/7^//n3

9750

標態(tài)下的濃度：

=232&2x出包X—=421l.Omg/m3N

96.93273

Q2P8.2

（3）空氣過剩系數(shù):a=1+=1+=1.613

0.268N)p—Onp0.268x81.1-8.2

（4）校正至a=1.8條件下的濃度:

"=c實能

1.613

C校=4217.0x=3778.9/H.?//H3/V

1.8

§2-4燃燒過程SOx的形成及控制

一、燃料中硫的氧化機理

燃料中的硫在燃燒過程中與氧反應，主要產(chǎn)物是SO,和S0.3,但so,的濃度相當?shù)?，既?/p>

在貧燃料狀態(tài)下，生成的S&,也只占S0?生成量的百分之幾。在富燃料狀態(tài)下，除so2

外，還有一些其它S的氧化物，如SO及其二聚物（S0）2,還有少量一氧化二硫so這

些產(chǎn)物化學反應能力強，所以僅在各種氧化反應中以中間體形式出現(xiàn)。

燃燒時S+O?tso?

2so2+6-2so3（此時并非含氧量越高，越完全，溫度越高，SO2越穩(wěn)定。）

故一般主要生成S02,計算時可忽略S03。

二、SOx的控制

初步估算：全球從燃燒系統(tǒng)排入大氣的硫化物總量約93X10't/a,其中70%從燃用化石燃料

的發(fā)電廠排出。進入大氣中SOx轉化成MeSO,,硫酸煙霧等污染環(huán)境必須加以控制?？刂频?/p>

辦法有：低硫燃料、燃料脫硫、燃燒過程中脫硫或煙氣脫硫等。

1.燃料脫硫

1）煤炭的固態(tài)加工

國外要求用于發(fā)電、冶金、動力的燥質(zhì)標準是：

煉焦煤:硫分＜1%,灰分6~8版

動力煤:硫分0.51%,灰分15~20機

故原煤必經(jīng)分選以除去煤中的礦物質(zhì)。

目前選煤工藝普遍應用的是重力分選法（可降低40、90釉勺S），此法對有機硫含量

較大或精煉還不能達到環(huán)保條例的要求。

正在研究的新脫琉法有：浮選法、氧化脫硫法、化學浸出法、化學破碎法、細菌脫

硫法、微波脫硫法、磁力脫硫及溶劑精煉等工業(yè)上應用的很少。

型煤固硫是控制$02的一蕓經(jīng)濟有效途徑。

美國型煤，（加石灰）固硫率達87樂煙塵減少2/3；

日本蒸汽機車用石灰固硫率達70~80%,脫硫費用僅為選煤的8%；

我國已投產(chǎn)的型煤工藝十大類，民用蜂窩煤固硫率＞50%,唐山、河北石家莊、承德、

北京礦冶研究生院、工業(yè)型煤。

2）煤炭的轉化

煤炭的轉化主要是氣化、液化。即對煤進行脫硫或加氫改變其原有的碳氫比、使煤轉變?yōu)榍?/p>

潔的二次燃料。

a）煤的氣化

煤的氣化技術發(fā)展很快：“第一代”干式排灰的魯奈加壓氣化（已商業(yè)化）和科柏斯-托切克

氣化；“第二代”液態(tài)排泄氣化、Hygas氣化、Cogas氣化等未商業(yè)化；“第三代”處于實

驗階段的煤催化氣化。

氣化后的叫煤氣：煤氣主要是出、CO、C乩等煤中硫的H2s形式存在，我國規(guī)定標準20mg/m3,

生產(chǎn)出煤氣中ILS含量幾百到幾千mg/m:,o

需去除：方法有干法、濕式法。

干法的氧化鐵系為代表。

b）煤的液化「直接液化SRC-II法

煤的液化分兩類《

I間接液化魯奈氣化-弗托合成法

煤的液化時耗水量很大，排水含高濃度COD,要求大規(guī)模水處理設施。

（3）重油脫硫

重油脫硫常用的方法：在鋁、鉆和銀等的金屬氧化物催化劑作用下，通過高壓加氫反應，加

斷碳與硫的化合鍵，以氫置換出碳，同時氫與硫作用形成H?S,從重油中分離出來。

重油脫硫的困難；要徹底加工燃料，破壞了原來的組織，并產(chǎn)生新的產(chǎn)物：固、液、氣態(tài)物。

2.硫化床燃燒脫硫

硫化床燃燒脫硫具有爐內(nèi)脫銷脫硫的優(yōu)點，故普遍受到重視。

原理：硫化床燃燒是一低溫燃燒過程。爐內(nèi)存在局部還原氣氛，熱型Nox基本上不產(chǎn)

生，因而Nox的氣成量減少，原理見Pas圖2-6。

硫化床燃燒脫硫常用的脫硫劑是石灰石或白云工。石灰石粉碎至與煤同樣的粒度

（dp2mm左右）與煤同時加入爐內(nèi)。在1073—1173K下燃燒:

石灰石艾劌f+QO+SO2f硫酸鹽（CaO為多孔）

達固硫目的。

影響脫硫效率的因素有：沸騰床溫度、流化速度、脫硫劑川量等。脫硫劑用量以Ca/S

比表示。

B工/?？諣柋龋?脫硫劑消耗量xQ的含量MO」

"公彈燃料消耗量xS的含量/32

脫硫率與B和硫化速度的關系：

當硫化速率一定M，n隨Ca/S的增大而增大；

當Ca/S比一定時，n隨硫化速度的增加而降低。

氧化鈣再生:

氧化鈣與SO,生成的CaSOi在1320K時還原氣氛下分解，重新釋放出S02,反應式為：

C（）SO4+jc-o+SC）2+~co2

（CaO返回硫化床在利用，S&的濃度一般為6—7%可制H2sol

再生床面積約為吸收床的1/10。目前流化床燃燒脫硫技術只適用于中小容量的工、業(yè)鍋爐和

爐窯煙氣脫硫的后章節(jié)介紹。

§2-5NOx的形成及控制（燃燒中）

大氣中的N0x90%以上產(chǎn)生于燃燒過程，主要是NO、NO?,在此不詳細介紹。

另外燃燒過程除上述污染物外，還有顆粒物、有機物、C0的形成。在此僅介紹一卜C0

的形成及控制。

§2-6NOx的形成及控制

co是所有大氣污染物中量最大，分布最廣的一種。它的危害很大，對人體健康有害，甚至

能致死。