环境工程概论 过程,主要是指污染物在大气中的扩散(稀释)、沉降以及污染物和污染物之间、污染物 与大气中其它物质之间发生化学反应。这些物理和化学过程综合的结果使得污染物的浓 度发生改变,化学反应产生许多新的化学物质,这些过程可能使得污染的危害性减弱 也有可能使得污染的危害性加剧。同时由于大气本身的特殊性(空间容量、雷电、物质组 成等),从而造成了污染物在大气中变化过程的独特性。另外,大气不是微生物的良好生 存场所,因此大气中微生物对污染物的吸收和转化作用也远不及水体、土壤环境。 污染物在大气中的扩散和稀释 大气对污染物的稀释扩散是大气环境容量的一个重要方面。在废气浓度较低、危害 性相对较小或排放总量小的场合下,常用烟囱将废气或烟尘排放到一定高度的空中,使 得污染物向更广范围进行扩散,达到稀释并降低污染危害的目的,这种做法是实用而且 合理的。 废气或烟尘在烟囱中借助于烟囱对气流的动力和废气本身的热浮力的作用从烟囱口 排出,进而继续上升,然后在大气中扩散。废气或烟尘在大气扩散过程中,与周围大气 发生能量交换和物质转移,直到与周围大气的速度、温度等基本相近时废气或烟尘便随 着大气运动而浮沉和扩散,最后与大气融为一体。 废气或烟尘在大气中的扩散与许多因素有关,如废气或烟尘的性质(比重、温度)、气 象条件(风力、风向、气温、湿度)、烟囱高度等,其中气象条件是最重要和难以人工控制 的因素 在大气中扩散,废气或烟尘在外观上往往具有一定的几何形状,此称为烟羽。烟羽 的形状通常有五种:波浪形、锥形、扇形、屋顶形、熏烟形,主要与气象条件有关。 图4-1烟羽形状 、污染物在大气中的化学反应 大气污染过程中,原污染物或初级污染物在大气中往往由于一系列的化学反应而形
环境工程概论 69 过程，主要是指污染物在大气中的扩散(稀释)、沉降以及污染物和污染物之间、污染物 与大气中其它物质之间发生化学反应。这些物理和化学过程综合的结果使得污染物的浓 度发生改变，化学反应产生许多新的化学物质，这些过程可能使得污染的危害性减弱， 也有可能使得污染的危害性加剧。同时由于大气本身的特殊性(空间容量、雷电、物质组 成等)，从而造成了污染物在大气中变化过程的独特性。另外，大气不是微生物的良好生 存场所，因此大气中微生物对污染物的吸收和转化作用也远不及水体、土壤环境。 一、污染物在大气中的扩散和稀释 大气对污染物的稀释扩散是大气环境容量的一个重要方面。在废气浓度较低、危害 性相对较小或排放总量小的场合下，常用烟囱将废气或烟尘排放到一定高度的空中，使 得污染物向更广范围进行扩散，达到稀释并降低污染危害的目的，这种做法是实用而且 合理的。 废气或烟尘在烟囱中借助于烟囱对气流的动力和废气本身的热浮力的作用从烟囱口 排出，进而继续上升，然后在大气中扩散。废气或烟尘在大气扩散过程中，与周围大气 发生能量交换和物质转移，直到与周围大气的速度、温度等基本相近时废气或烟尘便随 着大气运动而浮沉和扩散，最后与大气融为一体。 废气或烟尘在大气中的扩散与许多因素有关，如废气或烟尘的性质(比重、温度)、气 象条件(风力、风向、气温、湿度)、烟囱高度等，其中气象条件是最重要和难以人工控制 的因素。 在大气中扩散，废气或烟尘在外观上往往具有一定的几何形状，此称为烟羽。烟羽 的形状通常有五种：波浪形、锥形、扇形、屋顶形、熏烟形，主要与气象条件有关。 图 4－1 烟羽形状 二、污染物在大气中的化学反应 大气污染过程中，原污染物或初级污染物在大气中往往由于一系列的化学反应而形
成二次污染物。众所周知的洛山矶光化学烟雾就是二次污染物形成的结果,如下表所 示是光化学烟雾中的重要化学反应。 NO2+光 No+O o-+NO NO,+O2 0-+HC HCO CO3+HO 醛、酮等 HCO3 +NO HC2 +NO HCO3 +O O3+HCO2 HCO+NO 过氧化硝酸盐(4-9) 上述反应的步骤说明了在汽油和其它染料的燃烧过程中所形成并排放到大气中的二 氧化氮因为阳光的作用而产生了臭氧,臭氧就是二次污染物,它与碳氢化合物反应形成 系列的化合物,包括醛类、有机酸和环氧化合物。这样,大气就能够被看作为一个巨 大的反应器,反应过程中不断有新的污染物形成,使得污染情况越来越复杂 第四节大气污染控制的基本原理和特点 与水污染控制相似,大气污染控制的根本出发点也是提倡清洁生产、改革工艺技术 和改造生产设备,尽快能地削减污染物的排放量。同样,在污染物的排放前也应该充分 考虑资源和能源的回收利用,如:废气或烟尘中有用物质的收集和回用、废热的回用 酸性废气作为碱性废水的中和药剂等。在必须排放时,要采取相应的措施减少污染的危 害性,具体方法有:污染源位于居民区的下风向(与污水排放口设置在给水水源地下游一 样):合理利用大气的环境容量和自净能力,建造烟囱(如同污水的排放口)实行高空排放 在污染源进行废气及烟尘的处理,使其达到一定要求后再排放等。就技术原理来说,废 气或烟尘的处理与净化过程中广泛使用到物理方法(如扩散稀释、沉淀、离心、阻隔、吸 收)、化学方法(如燃烧、催化氧化)、物理化学方法(如吸附)和生化方法(如生物滤池对废 气的净化)以及尘渣和污泥的妥善处置。这些处理方法和净化设备在工程应用中可以单独 使用,但往往是有机地组合成一个完整的处理工艺系统,这些方面与污水处理具有很大 的共性。 与水污染控制不同,大气污染控制具有许多独特之处,表现在:污染物成分的特殊 性:许多废气或烟尘的温度较高:污染物在大气中扩散稀释过程较在水体中更为复杂 同时受气象因素的影响更为显著:废气或烟尘的处理、净化技术以及设备的选择、设计 和制造也与水污染控制有一定的差异。另外,交通运输大气污染的移动性,也是大气污 染控制特殊性的一个方面 第五节大气污染控制技术与设备
环境工程概论 70 成二次污染物。众所周知的洛山矶光化学烟雾就是二次污染物形成的结果，如下表所 示是光化学烟雾中的重要化学反应。 NO2＋光 NO＋O (4－1) O＋O2 O3 (4－2) O＋NO NO2＋O2 (4－3) O＋HC HCO. (4－4) HCO.＋O2 HCO3 . (4－5) HCO3 .＋HC 醛、酮等 (4－6) HCO3 .＋NO HC2 .＋NO2 (4－7) HCO3 .＋O2 O3＋HCO2 . (4 －8) HCOx .＋NO2 过氧化硝酸盐 (4－9) 上述反应的步骤说明了在汽油和其它染料的燃烧过程中所形成并排放到大气中的二 氧化氮因为阳光的作用而产生了臭氧，臭氧就是二次污染物，它与碳氢化合物反应形成 一系列的化合物，包括醛类、有机酸和环氧化合物。这样，大气就能够被看作为一个巨 大的反应器，反应过程中不断有新的污染物形成，使得污染情况越来越复杂。 第四节 大气污染控制的基本原理和特点 与水污染控制相似，大气污染控制的根本出发点也是提倡清洁生产、改革工艺技术 和改造生产设备，尽快能地削减污染物的排放量。同样，在污染物的排放前也应该充分 考虑资源和能源的回收利用，如：废气或烟尘中有用物质的收集和回用、废热的回用、 酸性废气作为碱性废水的中和药剂等。在必须排放时，要采取相应的措施减少污染的危 害性，具体方法有：污染源位于居民区的下风向(与污水排放口设置在给水水源地下游一 样)；合理利用大气的环境容量和自净能力，建造烟囱(如同污水的排放口)实行高空排放； 在污染源进行废气及烟尘的处理，使其达到一定要求后再排放等。就技术原理来说，废 气或烟尘的处理与净化过程中广泛使用到物理方法(如扩散稀释、沉淀、离心、阻隔、吸 收)、化学方法(如燃烧、催化氧化)、物理化学方法(如吸附)和生化方法(如生物滤池对废 气的净化)以及尘渣和污泥的妥善处置。这些处理方法和净化设备在工程应用中可以单独 使用，但往往是有机地组合成一个完整的处理工艺系统，这些方面与污水处理具有很大 的共性。 与水污染控制不同，大气污染控制具有许多独特之处，表现在：污染物成分的特殊 性；许多废气或烟尘的温度较高；污染物在大气中扩散稀释过程较在水体中更为复杂， 同时受气象因素的影响更为显著；废气或烟尘的处理、净化技术以及设备的选择、设计 和制造也与水污染控制有一定的差异。另外，交通运输大气污染的移动性，也是大气污 染控制特殊性的一个方面。 第五节 大气污染控制技术与设备
表4-6大气污染控制中的主要技术方法和设备 分离重力除尘、离心除尘、静电除尘、过滤除尘、洗涤除 物理法 尘;溶剂吸收:物理吸附;换热 扩散烟囱高空排放 大气污染控制技术化学法转化燃烧、催化转化 生物法转化 污染物的扩散稀释 废气或烟尘中污染物在大气中的稀释扩散受气象条件(大气稳定度、大气温度和湿 度)、烟气性质(比重、温度、排出速度)以及障碍物情况所影响 大气处于稳定状态时,污染物不易稀释扩散,污染物会积聚在地面造成污染:大气 处于不稳定状态时,污染物易于稀释扩散,污染物对地面的影响得以缓减。对烟气的大 气扩散形成障碍的主要有:山谷和街谷将导致烟气中烟尘降落、地面浓度增高,加剧污 染危害。因此,为创造良好的扩散稀释条件,设计中应使得因此高于200m半径范围内 的障碍物5m以上。 烟囱有效高度的计算: h效=h囱+h动+h 式中:h囪一烟囱高度(m) h动一烟气动能引起的上升高度(m) h浮一烟气浮力引起的上升高度(m) 最大落地浓度和距离的计算: 0.23.Q.Cz V风h效2.Cy X最大=(h效(C2)2(2) 式中:C最大一最大落地浓度(g/m3) X最大一最大落地浓度处距烟囱的距离(m) Q一污染物排放量(g/s) 水平和垂直方向上的扩散系数 V风一平均风速(m/s) n一随大气稳定性而变的萨顿扩散系数 二、污染物的分离 1,除 除尘技术,更广义地说是非均相分离技术,它涉及粉尘的捕集、净化、回收等问题。 许多烟气中含有固体颗粒状污染物,使用除尘设备将它们从烟气中分离出来,达到 净化烟气、减少排放量的目的 71
环境工程概论 71 表 4－6 大气污染控制中的主要技术方法和设备： 大气污染控制技术 物理法 分离 重力除尘、离心除尘、静电除尘、过滤除尘、洗涤除 尘；溶剂吸收；物理吸附；换热 扩散 烟囱高空排放 化学法 分离 化学吸附 转化 燃烧、催化转化 生物法 转化 一、污染物的扩散稀释 废气或烟尘中污染物在大气中的稀释扩散受气象条件(大气稳定度、大气温度和湿 度)、烟气性质(比重、温度、排出速度)以及障碍物情况所影响。 大气处于稳定状态时，污染物不易稀释扩散，污染物会积聚在地面造成污染；大气 处于不稳定状态时，污染物易于稀释扩散，污染物对地面的影响得以缓减。对烟气的大 气扩散形成障碍的主要有：山谷和街谷将导致烟气中烟尘降落、地面浓度增高，加剧污 染危害。因此，为创造良好的扩散稀释条件，设计中应使得因此高于 200 m 半径范围内 的障碍物 5 m 以上。 烟囱有效高度的计算： h 效＝h 囱＋h 动＋h 浮 (4－10) 式中：h 囱－烟囱高度(m) h 动－烟气动能引起的上升高度(m) h 浮－烟气浮力引起的上升高度(m) 最大落地浓度和距离的计算： C 最大 = 0.23.Q.Cz (4－10) V 风.h 效 2 .Cy X 最大＝(h 效/Cz) 2/(2－n) (4－11) 式中：C 最大－最大落地浓度(g/m3 ) X 最大－最大落地浓度处距烟囱的距离(m) Q－污染物排放量(g/s) Cz、Cy－水平和垂直方向上的扩散系数 V 风－平均风速(m/s) n－随大气稳定性而变的萨顿扩散系数 二、污染物的分离 1，除尘 除尘技术，更广义地说是非均相分离技术，它涉及粉尘的捕集、净化、回收等问题。 许多烟气中含有固体颗粒状污染物，使用除尘设备将它们从烟气中分离出来，达到 净化烟气、减少排放量的目的
环境工程概论 除尘设备按其起作用的技术原理划分主要有:重力除尘设备、离心除尘设备、惯 性除尘设备、洗涤除尘设备、阻隔除尘设备、静电除尘设备等。 (1)重力除尘设备 重力除尘设备类似于污水处理中的沉淀池(如图4-2所示),其核心部分是重力沉降 室,按气流方向分为:平流式沉降室和垂直式沉降室两种。烟气中的固体颗粒物由于比 重相对较大,在重力沉降过程中逐渐与烟气主体分离开来,并沉淀到除尘设备的尘斗。 影响颗粒物重力沉降分离效率的因素主要有:烟气的过流速度、颗粒的大小和比重、 布气效果等。烟气过流速度越小,则除尘效率越高,但过流速度太小则除尘设备的长度 太大,投资费用增高。一般控制烟气过流速度为1~2m/s,除尘效率为40~60%。除尘 设备的进气和出气口要注意防止气流的短流和偏流问题,必要时安装气流分布板,并控 制设备的总阻力损失为50~130Pa为合适。与污水处理的沉淀池相似,有时在重力沉降 室的高度上增加几块水平隔板,以提高烟气过流量和除尘效率。特点:结构简单、投资 少、压力损失小(50~150Pa),维修管理容易:体积大、效率低,适用于除去100μm以上 的尘粒,一般作为预处理设备 图4-2含尘烟气的重力沉降室示意图 含尘烟气 涂尘气体 (2)离心除尘设备 通过烟气在设备中的回转造成离心力场,尘粒由于离心力聚集在除尘器内壁,并在 重力作用下沉降到灰斗,气流在除尘器中心形成内涡旋,从而将尘粒从烟气中分离出来 又称为离心除尘器、旋风除尘器 如图4-3所示是通用型离心除尘器内气流状态 图4-3通用型离心除尘器内气流状态 × 离心除尘器具有结构简单、造价较低、没有运动部件等特点,适用于去除粒径为10 微m以上的尘粒,许多情况下是作为预除尘装置出现的,除尘效率为70%以上,压力损 失为500~1500Pa,设备的入口速度为8~12ms左右。适当增加筒体高度、较小筒体直 径都有利于提高除尘效率(增加气流在圆筒内的旋转圈数和强化离心力场),但直径过小
环境工程概论 72 除尘设备按其起作用的技术原理划分主要有：重力除尘设备、离心除尘设备、惯 性除尘设备、洗涤除尘设备、阻隔除尘设备、静电除尘设备等。 (1)重力除尘设备 重力除尘设备类似于污水处理中的沉淀池(如图 4－2 所示)，其核心部分是重力沉降 室，按气流方向分为：平流式沉降室和垂直式沉降室两种。烟气中的固体颗粒物由于比 重相对较大，在重力沉降过程中逐渐与烟气主体分离开来，并沉淀到除尘设备的尘斗。 影响颗粒物重力沉降分离效率的因素主要有：烟气的过流速度、颗粒的大小和比重、 布气效果等。烟气过流速度越小，则除尘效率越高，但过流速度太小则除尘设备的长度 太大，投资费用增高。一般控制烟气过流速度为 1～2m/s，除尘效率为 40～60％。除尘 设备的进气和出气口要注意防止气流的短流和偏流问题，必要时安装气流分布板，并控 制设备的总阻力损失为 50～130Pa 为合适。与污水处理的沉淀池相似，有时在重力沉降 室的高度上增加几块水平隔板，以提高烟气过流量和除尘效率。特点：结构简单、投资 少、压力损失小(50～150Pa)，维修管理容易；体积大、效率低，适用于除去 100µm 以上 的尘粒，一般作为预处理设备。 图 4－2 含尘烟气的重力沉降室示意图 L u0 含尘烟气 v H 除尘气体 (2)离心除尘设备 通过烟气在设备中的回转造成离心力场，尘粒由于离心力聚集在除尘器内壁，并在 重力作用下沉降到灰斗，气流在除尘器中心形成内涡旋，从而将尘粒从烟气中分离出来， 又称为离心除尘器、旋风除尘器。 如图 4－3 所示是通用型离心除尘器内气流状态。 图 4－3 通用型离心除尘器内气流状态 离心除尘器具有结构简单、造价较低、没有运动部件等特点，适用于去除粒径为 10 微 m 以上的尘粒，许多情况下是作为预除尘装置出现的，除尘效率为 70％以上，压力损 失为 500～1500Pa，设备的入口速度为 8～12m/s 左右。适当增加筒体高度、较小筒体直 径都有利于提高除尘效率(增加气流在圆筒内的旋转圈数和强化离心力场)，但直径过小
环境工程概论 则除尘容易逃逸,高度太大,阻力损失加大。一般筒体总高度(包括灰斗)为直径的5倍 为宜。离心除尘器的卸灰部分应保证严密无缝(保证灰斗部分处于负压状态),否则将严重 影响除尘效率(灰都中尘粒被气流重新带走)。注意及时排灰。适当提高进气速度:防止细、 软、潮、粘的颗粒在除尘器内壁结块,降低除尘效率、增加阻力损失。 (3)惯性除尘设备:使含尘烟气急剧改变气流风向,尘粒因为惯性力而偏离流线(尘粒的惯 性力对于气流的惯性力)并撞击在挡板上,实现尘粒与气流分离的一种除尘设备。主要有 弯管式、百叶窗式和多层填料隔板式三种,如下图4-4所示是各种惯性除尘设备的工作 原理示意图。 图4-4惯性除尘器工作原理 碰撞即为阻力损失,故这种除尘设备的压力损失较大,为200~1000Pa(取决于设备 型式),但除尘效率较高,为50-70%。在实际应用中,这种设备一般作为预处理设备, 用来分离较大、较重的颗粒,对25微m以上的尘粒除尘效率为65-85%。对于粘结性 和纤维性粉尘,因为堵塞不宜使用惯性除尘器。 (4)湿式除尘设备:在湿式除尘器中水与含尘气体的接触有三种形式,即:水滴、水膜和 气泡,使用湿法除尘的前提条件是粉尘的亲水性好。 湿式除尘器型式包括喷淋式(水流自上向下喷成雾状,尘粒和液滴之间的碰撞、拦 截和凝聚等作用使得尘粒随液滴降落下来)、旋风式(又称为水膜式除尘器,水流经喷嘴沿 切线方向在圆筒内壁形成薄膜,含尘烟气也沿切线进入圆筒,但两种流体的方向相反 尘粒在离心力作用下紧緊贴筒壁运动并被水膜粘附,从烟气中分离出来) 湿式除尘器的特点:除尘的同时也能清除废气中气态污染物:捕集的粉尘不会产生 飞扬;设备结构简单、阻力小(喷淋式和旋风式)、操作方便;能够处理高湿和有爆炸危险 的气体。缺点是设备庞大、效率较低,对髙温烟气中的热能不能进行回收利用,造成能 源的浪费,并且洗涤除尘后排放大量的含尘污水,需要进行妥善处置;设备腐蚀问题和 冬季防冻问题 湿式除尘器的除尘效率:阻力损失为250~500Pa,停留时间为20~30s,对10um
环境工程概论 73 则除尘容易逃逸，高度太大，阻力损失加大。一般筒体总高度(包括灰斗)为直径的 5 倍 为宜。离心除尘器的卸灰部分应保证严密无缝(保证灰斗部分处于负压状态)，否则将严重 影响除尘效率(灰都中尘粒被气流重新带走)。注意及时排灰。适当提高进气速度：防止细、 软、潮、粘的颗粒在除尘器内壁结块，降低除尘效率、增加阻力损失。 (3)惯性除尘设备：使含尘烟气急剧改变气流风向，尘粒因为惯性力而偏离流线(尘粒的惯 性力对于气流的惯性力)并撞击在挡板上，实现尘粒与气流分离的一种除尘设备。主要有 弯管式、百叶窗式和多层填料隔板式三种，如下图 4－4 所示是各种惯性除尘设备的工作 原理示意图。 图 4－4 惯性除尘器工作原理 碰撞即为阻力损失，故这种除尘设备的压力损失较大，为 200～1000Pa(取决于设备 型式)，但除尘效率较高，为 50－70％。在实际应用中，这种设备一般作为预处理设备， 用来分离较大、较重的颗粒，对 25 微 m 以上的尘粒除尘效率为 65－85％。对于粘结性 和纤维性粉尘，因为堵塞不宜使用惯性除尘器。 (4)湿式除尘设备：在湿式除尘器中水与含尘气体的接触有三种形式，即：水滴、水膜和 气泡，使用湿法除尘的前提条件是粉尘的亲水性好。 湿式除尘器型式包括喷淋式（水流自上向下喷成雾状，尘粒和液滴之间的碰撞、拦 截和凝聚等作用使得尘粒随液滴降落下来）、旋风式(又称为水膜式除尘器，水流经喷嘴沿 切线方向在圆筒内壁形成薄膜，含尘烟气也沿切线进入圆筒，但两种流体的方向相反， 尘粒在离心力作用下紧贴筒壁运动并被水膜粘附，从烟气中分离出来)。 湿式除尘器的特点：除尘的同时也能清除废气中气态污染物；捕集的粉尘不会产生 飞扬；设备结构简单、阻力小(喷淋式和旋风式)、操作方便；能够处理高湿和有爆炸危险 的气体。缺点是设备庞大、效率较低，对高温烟气中的热能不能进行回收利用，造成能 源的浪费，并且洗涤除尘后排放大量的含尘污水，需要进行妥善处置；设备腐蚀问题和 冬季防冻问题。 湿式除尘器的除尘效率：阻力损失为 250～500Pa，停留时间为 20～30s，对 10µ m