大气污染控制工程：第4章 污染源的控制part1

1、第4章 污染源的控制 提 要本章主要讨论污染源的产生及收集方面的内容。要求掌握污染源的分类和排放特性参数的相关概念，初步学会污染源排放估算的方法，理解控制污染源基本方法的思路。了解燃料的分类和性质、掌握燃烧过程及其控制条件，理解燃料组成和性质及其对环境可能产生的影响；分析影响燃烧过程的因素（包括燃料效率及污染物的形成）；学会计算燃烧过程产生的烟气量和污染物浓度；能够掌握通过改变燃烧条件减少污染物生成的途径。掌握局部空气污染控制方法（即空气污染物收集系统）的原理，集气罩的种类和工作原理。了解控制风速法、流量比法、临界断面法等集气罩排风量计算方法的原理1第4章 污染源的控制 Pollution S

2、ources Control4.1 污染源及其控制思想 Sources and general ideas of source control4.2 燃烧过程的污染控制 Combustion Emissions Source Control4.3 生产过程污染散发的控制 Collection of Fugitive Emission from Industrial Processes24.1 污染源及其控制思想4.1.1 污染源的种类与特性(Type and Characteristic) 污染源的种类 根据对主要大气污染物的分类统计，大气污染源可概括为燃料燃烧，生产设备和交通工具三类。前两类

3、为固定源，后一类为移动源。 敞开源，通常指农田、道路、工地、矿场、散料堆场和裸露土地等。敞开源虽然也产生气态污染物（如垃圾堆场或填埋场），但主要是产生颗粒物。 3按污染源的空间分布可分为：点源，面源和线源。 生产中的大型燃烧和反应装置，一般都是有组织排放(Organized emission)，其特点是排放口集中，排放量大，可作为点源；生产中的无组织排放(Unorganized emission)、民用炉灶等，特点是分布面广，污染物排放方式为低空排放或自由弥散，可作面源处理；多部机动车辆行驶，排放物为连续线源。 实际工作中，点、线、面源的划分，还与所研究环境的范围大小有关。42）污染源的特性

4、污染物扩散的排放特性参数(Parameter) 源强 是污染源在单位时间内的污染物排放量; 源高 源高可分为实际源高和有效源高; 排气温度和排气速度; 排放方式和排放规律 废气的排放方式分有组织排放和无组织排放两种。 废气排放规律有连续排放和间歇排放、稳定排放和不稳定排放。 54.1.2 污染排放量估算污染源排放量估算对于环境规划与管理，环境评价和污染控制措施的决策和工程设计而言是非常重要的。 污染源污染物排放量估算的三种途径。 物料衡算mass balance：物料衡算是根据物质不灭定律，在生产过程中，投入的物料量等于产品量和物料流失量的总和而估算污染物发生量。估算的准确度取决于调查者对工艺

5、的熟悉理解程度。 实际测定measurement：通过对污染源排放测定或连续监测来得到污染源的排放量 6An emissions factor is a representative value that attempts to relate the quantity of a pollutant released to the atmosphere with an activity associated with the release of that pollutant. These factors are usually expressed as the weight of pollut

6、ant divided by a unit weight, volume, distance, or duration of the activity emitting the pollutant (e.g., kilograms of particulate emitted per megagram of coal burned). Such factors facilitate estimation of emissions from various sources of air pollution. In most cases, these factors are simply aver

7、ages of all available data of acceptable quality, and are generally assumed to be representative of long-term averages for all facilities in the source category (i.e., a population average). 7 排放因子法 Emission Factor 所谓排放因子是指用来代表某一污染源或产生污染的活动与污染物排放量之间关系的一个数值。 这些因子通常以单位重量、体积、距离或持续时间的污染排放活动所排放的污染物重量来表示（

8、如燃烧一吨煤所排放的颗粒物的千克数）。 排放因子可用来很方便地估算各类空气污染源的排放量。 多数情况下，这些因子是对已有的质量较可靠数据的平均值，反映了某一类污染源中各种设施的长期平均值。 基于排放因子的污染物排放量计算式 E=AEF（1-ER/100） 8表4.1 欧洲热力电厂排放因子（以g/GJ输入热量计，相应于50到300MW）燃料类型SO2NOXNMVOCCH4CO动力煤6592831.5110木材251304832160城市垃圾761509610秸杆181313524115重油3253233315汽油311002212天然气0.32403320表中数据均未考虑净化过程，其中的燃煤SO

9、2数值为燃煤含硫量为1%时典型值，实际的排放量取决于燃料的硫含量。9 美国EPA在污染源排放清单调查的基础上一直在开展建立污染物排放因子的有关工作，已有的结果汇总于AP42，并且还在不断的对AP42进行增补修订。 http:/ttn/chief/ap42/index.html 10我国也非常重视污染物排放系数的工作，国家环保局于1996年在已有的若干科研课题成果的基础上，组织编辑了内容分为三篇的工业污染物产生和排放系数手册。11 污染物排放因子为动态数据，它表示的是在目前正常技术经济和管理等条件下，生产单位产品或产生污染行为的单位强度（如重量、体积和距离等）所产生的原始污染物量。 显然，排放因

10、子与产品生产工艺、原材料、规模、设备技术水平等有关。随着科技进步和管理水平提高，污染物排放因子也会随之有所变化。12污染源排放清单 所谓污染源排放清单是包括了城市地区的污染源位置、类型以及每种污染物排放量等信息的一览表。排放清单应编制成动态的数据管理系统，并需要定期更新，因为工业排放源和控制排放的措施都是动态变化的。13大多数国家已经编制了国家级的排放清单，但需要更多的城市编制这种清单。清单内的信息应当包括污染源的地理坐标、类型（点源、面源或线源）、源强、源高等。排放源也可按燃料类型分类（例如按煤和无烟燃料、轻重燃料油、汽油和柴油、气体和固体废物分类）。现代的污染排放清单编制往往还与城市地理信

11、息系统相结合构成数字化城市管理的一部分。14排放清单是空气质量管理系统极其重要的组成部分，只有明确了解每种排放源（发电厂、工厂、家庭采暖、交通）对城市中任何一种空气污染问题起多大作用，才能有依据地作出执行减排措施的决定，否则的话就会作出费用高昂但无效或意义不大的决定。我国现有排放清单示例(Emission Inventory)154.1.3污染源控制的基本方法污染源控制可分为减少污染的产生和控制污染物的散发两方面。 但由于多种条件的限制，对大量的污染过程还不可能将污染物消灭在产生阶段，只能尽量减少其产生量（产生阶段的控制），并控制其散发（散发阶段的控制）。污染源的情况复杂、多变，控制方法也有多

12、种，因此特别需要因地制宜。 16生产过程污染的控制 生产（包括物质和能量两类生产）过程的污染物产生与原材料、燃料、工艺条件和设备等多种因素有关，因此污染控制必须与其工艺设计和生产作业密切结合，否则很难做到有效、合理。 产生阶段的控制 污染物产生阶段的控制，及减少污染物的产生量，首先应从工艺方面考虑。主要技术措施有：尽可能采用清洁的原材料、燃料或能源，改进工艺（如燃烧、反应、加工）条件，以达到无污染或少污染；采用湿法作业、封闭循环和密闭运转；减少物料扰动，避免设备、管道泄漏。 17散发阶段的控制 由于技术和经济两方面的原因，目前还不可能不产生污染物，多数要在污染物产生后控制其散发。控制污染物散发

13、的方法有两种： 一种是将污染物在生产设备中就地捕集或转化，如在有粉尘发生的设备内部空间造成高压电场，以设备外壳作集尘极捕集粉尘，又如向炉膛喷射还原剂，将烟气中的氮氧化物还原； 另一种是对难以封闭的设备，用气流引导并收集其散发的污染物，再进行处理，这是目前生产中普遍采用的污染物散发控制措施。 18交通污染源的控制 交通污染的防治可从加强宏观管理和采取污染控制措施两方面进行。合理的规划和管理，保持交通量的适度增长和合理分布，良好的调度和指挥，可以保持正常的运行状态，这些都能有效地减少交通污染。当前汽车引起的空气污染，主要也是化石燃料利用引起的污染。就机动车本体而言，污染控制的措施可从燃料、汽车发动

14、机及尾气净化等方面着手，具体内容将在第八章中介绍。 194.2 燃烧过程污染控制(1)4.2.1 燃料4.2.2 燃烧过程和燃烧方式4.2.3 烟气体积及污染物排放量计算4.2.4 不完全燃烧产物的发生和控制4.2.5 氮氧化物的发生和控制4.2.6 硫氧化物的发生与控制4.2.7 飞灰的形成与控制4.2.8 汞的形成与控制204.2.1 燃料 FUEL（1）燃料的种类 按获得方法分 按物态分 天然燃料 人工燃料 固体燃料 木柴、煤、油页岩 木炭、焦炭、煤粉等 液体燃料 石油 汽油、煤油、柴油、重油 气体燃料 天然气 高炉煤气、发生炉煤气、焦炉煤气 21 固体燃料 煤是一种复杂的物质聚集体，主

15、要由碳、氢和少量的氧、氮、硫等元素组成。 煤按形成年代，分为褐煤、烟煤和无烟煤三大类。a褐煤：形成时间最短，呈黑色、褐色或泥土色。褐煤的挥发物含量较高（大于40），且析出温度较低。 22 b烟煤：形成时间较长，黑色，含碳7590，含挥发物1040，含氮0.41.2，发热量2700037000 KJ/kg，密度12001500 kg/m3。烟煤的含氧量低，含水量和含灰量已不那么高，成焦性强。 C无烟煤：形成时间最长，黑色，有光泽，机械强度高。无烟煤含碳量高（一般高于93），含氮0.5，含挥发物量低于10，发热量3350035600 KJ/kg，密度14001800 kg/m3。无烟煤着火困难，储

16、存稳定性好，成焦性很差。 23液体燃料 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，如镍、钒等，也可能受氯、砷和铅的污染。24a汽油：航空汽油的沸点40150，密度710740 kg/m3；车用汽油的沸点50200，密度730760 kg/m3。b煤油：沸点150280，密度780820 kg/m3，是喷气发动机的燃料，也可作为民用燃料。c柴油：沸点200350，密度800850 kg/m3，是车船及各种机械动力发动机用燃料。d重油：原油加工的残留物，以重馏分为主；密度大，粘度大，含硫量高，热值低

17、，燃烧性能差。25气体燃料 气体燃料有天然和人工制造两类，常用的有天然气、液化石油气、焦炉煤气、发生炉煤气等。 a天然气：由油气地质构造地层采出，主要成分为甲烷（约85），其次为乙烷（约10）和丙烷（约3），还有少量的CO2、N2、O2、H2S和CO等。天然气是工业、交通和民用的燃料和化工原料。26b液化石油气：石油精炼过程的副产品，含C1C4烃类，加压液化后贮存和输送，减压气化后燃烧。液化石油气可作为民用或汽车发动机燃料。c裂化石油气：通水蒸气、空气或氧气使原油或重油裂化制得。裂化石油气热值在416812560，通常作城市燃气（可与焦炉气混合）。d焦炉（煤）气：炼焦副产品，含CO、CH4和H

18、2等可燃成分和N2、CO2等不可燃气体（合计约占816）。焦炉煤气是主要的一种城市燃气。e发生炉煤气：由煤气化制得，有空气煤气、水煤气和空气蒸汽煤气等几种。 气体燃料通常以标准状态下的体积计量，其计量单位中加N，如1Nm3表示1 m3标准状态气体燃料。 27（2） 燃料的成分及分析典型气体、液体和固体燃料的化学组成成分28典型气体、液体和固体燃料的化学组成成分（续）29煤的工业分析(Proximate Analysis) 煤的工业分析包括水分Moisture 、灰分Ash content 、挥发分Volatile component和固定碳Fixed Carbon等项指标，并以此估算热值。a水

19、分：煤的水分包括外部水分和内部水分。外部水分是粒径在13mm以下的煤样在318323K温度下干燥8h所失去的水分质量占原样品质量的百分数；内部水分是上述样品在375380K温度下继续干燥2h失去的水分质量占原样品质量的百分数。两部分水分之和即为煤的全部水分。b灰分：煤中不可燃物的质量占总质量的百分数。c挥发分：挥发物是指煤干馏时时放出的气态可燃物。挥发分时风干的煤样在1200K温度下，加热7min所失去质量的占煤样质量的百分数。d固定碳：煤除去水、灰和挥发物三部分，就是固定碳，它是煤的主要可燃物。 30元素分析Elementary analysis 燃料（尤其是煤）所含元素很多，通常主要测定碳

20、、氢、硫、氮、氧几种元素。 煤的元素分析是用化学分析的方法测定去掉外部水分的煤中主要组分碳、氢、氮、硫和氧的含量。 燃料中的碳、氢是主要可燃成分，硫是烟气中硫氧化物生成的物质基础，氮是燃料中氮氧化物生成的物质基础。31 燃料组成对燃烧的影响碳：可燃元素。1 kg纯碳完全燃烧时，放出32860 kJ的热量。当不完全燃烧生成CO时，放出9268kJ的热量。纯碳起燃温度很高，燃烧缓慢，火焰也短。煤中的碳不是单质状态存在，而是与氢、氮、硫等组成有机化合物。煤形成的地质年代越长，其挥发性成分含量越少，而含碳量则相对增加。例如，无烟煤含碳量约90%98%，一般煤的含碳量约50%95%。氢：是燃料中发热量最

21、高的元素。固体燃料中氢的含量为2%10%，以碳氢化合物的形式存在，1 kg氢完全燃烧时能放出120500 kJ的热量。 32 燃料组成对燃烧的影响氧：氧在燃料中与碳和氢生成化合物，降低了燃料的发热量氮：燃料中含氮量很少，一般为0.5%1.5%硫：以三种形态存在：有机硫、硫化铁硫和硫酸盐硫。前两种能放出热量，称之为挥发硫。硫燃烧生成产物为SO2和SO3，其中SO2占95%以上。33 燃料组成对燃烧的影响水分：水分的存在使燃料中可燃成分相对地减少。煤中水分由表面水分（外部水分）和吸附水分（内部水分）组成。外部水分可以靠自然干燥方法除去。内部水分要放在干燥箱中加热到102105C，保持2h后才能除掉

22、。灰分：是燃料中不可燃矿物质，为燃料中有害成分。34（3）煤的质量基准由于煤中水分和灰分的含量受到外界条件的影响，其它成分的百分量亦将随之变更，所以不能简单地用成分百分量来表明煤的种类和某些特性，而必须同时指明百分数的基准是什么。 “基”就是表示化验结果是以什么状态下的煤样为基础而得出的。 35空气干燥基：以与空气湿度达到平衡状态的煤为基准。表示符号为ad (air dry basis)。 干燥基：以假想无水状态的煤为基准。表示符号为d (dry basis)。收到基：以收到状态的煤为基准。表示符号为ar (as received)。 干燥无灰基：以假想无水，无灰状态的煤为基准。表示符号为：d

23、af (dry ash free)干燥无矿物质基：以假想无水、无矿物质状态的煤为基准。表示符号为dmmf (dry mineral matter free)。 36煤成分及表示方法之间的相互关系 （3）煤的质量基准37燃料的最重要的两个属性热值heat value（发热量）决定燃料的消耗量杂质Impurity污染物产生的来源38（4）燃料的发热量燃料的发热量是单位燃料（通常固体和液体燃料按质量计、气体燃料按体积计）完全燃烧产生的热量，又称热值。 高位发热量Gross calorific value包括燃烧产物中水的汽化热，低位发热量low calorific value则不包括这一部分热量。

24、39表4.2 燃料的发热量37680焦油 tar4187043960轻油41876280发生炉气3977041870重油83748792转炉气1256016750劣质煤35174187高炉气2512027200无烟煤anthracite1717018840焦炉气1675020930动力煤41870油田气2847029310焦炭3559039770天然气29310标准煤Coal equivalent低位发热量 KJ/mN3燃料名称低位发热量KJ/kg燃料名称404.2.2 燃烧过程和燃烧方式（1） 燃料燃烧过程分析Process Analysis 燃烧是燃料在较高温度时与氧气的快速化学反应，伴随

25、着光和热的释放。燃烧过程经历的阶段与燃料形态有关。 对于气体燃料的燃烧而言，燃烧过程首先是空气和燃料气体的混合，然后是氧和可燃物分子在气相扩散反应。气体燃料燃烧迅速，反应也比较完全，过程受混合和扩散控制。41（1）燃料燃烧过程分析 液体燃料的燃烧过程中，首先是液体燃料蒸发变成气体，以后是气体可燃物与空气混合在气相中扩散并反应，过程受燃料蒸发控制。 42（1）燃料燃烧过程分析固体燃料的燃烧过程较为复杂，宏观上分为四个阶段。首先是固体燃料的预热和干燥，此时温度上升，水分蒸发，无需空气；温度升高一定程度后，发生干馏即挥发物开始析出，温度再进一步升高后，挥发物的析出量增加，同时挥发物开始燃烧，此时需要

26、供给空气；由于挥发物的燃烧造成温度的增加，最终达固定碳着火点，开始全面燃烧，氧分子通过气相向固相表面扩散并反应，随着固体表面可燃物的燃尽，氧分子继续向固体深处扩散并反应，该阶段的温度最高，需空气量最大；最后阶段中，由于可燃物的不断消耗，最终温度下降，进入燃尽阶段，灰渣形成，此阶段需空气量逐渐减少。 固体燃料燃烧进行得较慢，过程受固相扩散控制，易发生不完全燃烧。43 （1）燃烧过程分析 燃烧燃烧产物 完全燃烧：CO2、H2O不完全燃烧： CO2、H2O & CO、黑烟及其他部分氧化产物如果燃料中含有S和N，则会生成SO2和NO空气中的部分N可能被氧化成NO热力型NOx44（2）.影响燃烧过程的主

27、要因素燃料完全燃烧的条件（1A3T）空气条件：提供充足的空气；但是空气量过大，会降低炉温，增加热损失温度条件（Temperature）：达到燃料的着火温度时间条件（Time）：燃料在高温区停留时间应超过燃料燃烧所需时间燃料与空气的混合条件（Turbulence）：燃料与氧充分混合45（2）影响燃烧过程的主要因素典型燃料的着火温度 Ignition point表4.3 燃料的着火温度燃料名称着火温度（K）木炭593643无烟煤713773重油803853发生炉煤气9731073氢气853873甲烷923102346（2）影响燃烧过程的主要因素燃烧产物与温度的关系47（2）影响燃烧过程的主要因素典

28、型锅炉热损失与过剩空气量的关系48（2）影响燃烧过程的主要因素燃气比和混合程度对燃烧产物的影响49（3）不完全燃烧 由于燃烧条件不可能充分保证，燃烧装置均存在不完全燃烧。不完全燃烧不但造成燃料浪费（相当于热损失，称为不完全燃烧热损失），而且产生的不完全燃烧产物也是污染物。 由于不完全燃烧产生的原因不同，可分为化学不完全燃烧和机械不完全燃烧两种。50化学不完全燃烧 化学不完全燃烧是指气相中燃料不完全燃烧，它使烟气中存在可燃气体（主要是一氧化碳，还有少量的氢和甲烷等碳氢化合物）。化学不完全燃烧损失所占比例不大，层燃炉占约1，煤粉炉不超过0.5，油、气炉11.5，但它是气态污染物的重要来源。机械不完

29、全燃烧 机械不完全燃烧是指固相燃料燃烧不完全，它使灰渣中残留可燃物。这项损失较大，层燃炉可达515，煤粉炉为15，正常燃烧的油、气炉的机械不完全燃烧可以忽略。 （3）不完全燃烧51燃烧设备的热损失排烟热损失不完全燃烧热损失散热损失52燃烧热损失与空燃比的关系53（4）燃烧方式固体燃料的燃烧方式有层状燃烧悬浮燃烧流化床燃烧（FBC）液体和气体燃料均属于悬浮燃烧。54层状燃烧（图4.1） 燃料置于炉排（又称炉栅或炉篦）上燃烧，燃烧可以自下而上进行（称正烧）或自上而下进行（称反烧）。常见的炉排形式有固定式、往复式、平移式（链条炉排）。 55悬浮燃烧（图4.2） 燃料悬浮于炉腔内燃烧，煤粉炉、油炉和气

30、炉都是这种燃烧方式。56流化床燃烧 流化床燃烧又称沸腾燃烧。沸腾炉的原理如图4.3所示，气流以较高的速度通过一定大小颗粒的燃料层，使其呈流化状态。这种燃烧方式可燃用劣质煤和矸石，且燃烧温度低，氮氧化物生成量很少。574.2.3 烟气体积及污染物排放量计算(1) 燃烧反应方程建立燃烧方程式的假定：空气组成 21%O2和79%N2，两者体积比为：N2/ O2 = 3.76燃料中固定氧可用于燃烧燃料中硫主要被氧化为 SO2不考虑NOX的生成燃料中的N在燃烧时转化为N2燃料的化学式为CxHySzOw58（2）燃料燃烧的空气量理论空气量对液体和固体燃料，按元素组成计算： VaT = 8.881Wc26.

31、457WH3.329Ws3.333Wo VaT 液体和固体燃料燃烧的理论空气量（Nm3/Kg） Wc、WH、Ws、Wo燃料中碳、氢、硫、氧的分率 系数由来： 对于碳 WC*1000 (g)/12(g/mol)*22.4(LO2/mol)*4.76(air/O2)/1000(L/M3) =8.881NO WN*22.4*4.76/28=3.824 (一般不计) 59燃料燃烧的理论空气量对气体燃料，按化合物组分（共n种）计算 VaT = 4.76 VaT 气体燃料燃烧的理论空气量（Nm3/ Nm3 干燃气）i 气体燃料中各可燃组分的体积（或摩尔）分率 60 3.66.0 褐煤一般煤的理论空气量 7

32、.58.5 无烟煤 910 烟煤液体燃料（燃料油）的 煤炉：4.55.5 煤气 液化气：2.97 高炉： 0.7 干: 8.849.01 天然气 湿：11.412.161空燃比单位质量燃料燃烧所需要的空气质量 例如：汽油（C8H18）的完全燃烧：汽油的质量：128+1.00818 = 114.14 空气的质量：3212.5+283.7812.5 = 1723空燃比 AF=15.11623.燃料燃烧的理论空气量例题A 假定煤的化学组成以质量计为：C 77。2%，H 5.2%，N 1.2%，S 2.6%，O 5.9%，灰分7.9%。试计算该种煤燃烧时的理论空气量。解： VaT = 8.881Wc2

33、6.457WH3.329Ws3.333Wo(.824WN)=8.881*0.772+26.457*0.052+3.329*0.026-3.333*0.059(+3.824*0.012)=8.12m3/kg (8.17)63空气过剩系数实际空气量与理论空气量之比。以表示，通常1部分炉型的空气过剩系数（2）燃烧空气量 实际空气量表4.4 锅炉的过量空气系数炉型烟煤无烟煤重油煤气手烧炉和抛煤机炉2.0链条炉1.5悬燃炉51.201.051.164过剩空气与烟气成分的关系( 要点，燃烧前后气体中氮气质量基本不变）如产生不完全燃烧产物CO，则需从烟气的氧气中扣去将其完全燃烧所需的氧气量。65 燃烧装置的过剩空气系数可以用实测烟气量和烟气成分数据求算：对于固体和液体燃料对于气体燃料式