大气污染控制工程教案

第一章绪论（1学时）

教学重点：大气的结构和组成，大气污染物与其来源，环境空气

质量标准，空气污染指数。

教学难点：大气污染物与其来源。

教学要求：掌握大气的结构和组成，大气污染发生和发展过程，

大气污染物与其来源，空气污染指数；了解环境空气质量标准，

国内外大气污染控制现状。

教学内容：

人是完全靠空气生存的，成年人平均每天约需1Kg粮食和

2Kg水，但对空气的需求就大得多，每天约13.6Kg（合lOn?）。

若三者都断绝供应，引起死亡的首先是空气，要是空气中混进有

毒害的物质，则毒物随空气不断地被吸入肺部，通过血液遍布全

身，对人体健康直接产生危害。大气污染对人的影响不同于土壤

和水的污染，它不仅时间长且范围广（较多是地域性的，也有

全球性的）。地球上发生的八大“公害事件”，其中五起是因大气

污染造成的。当然，空气污染的原因不只是人类的活动，还有像

森林、火灾和火山爆发一类的天然事件。不过后者通常在空气污

染中起次要作用。

§1.1大气与大气污染

一、大气的结构和组成

1、大气圈

随地球引力而转的大气层叫大气圈。大气圈的最外层的界限

是很难确切划分的，但大气也不能认为是无限的。在地球场内受

引力而旋转的气层高度可达lO.OOOKmo有的学者就以

10o000Km作为大气圈的最外层。一般情况下认为，从地球表

面到1.000〜l0400Km的气层作为大气圈的厚度，超出

l0400Km以外气体非常稀薄，就是宇宙空间了。

大气圈中的空气分布是不均匀的，海平面上的空气最稠密。

在近地层的大气层里，气体的密度随高度的上升而迅速的变稀。

但是在400〜1。400Km大气层里空气是渐渐变稀薄的。大气圈

的总质量约为6000万亿吨，约为地球质量的百万分之一。

大气的构造：

根据大气圈中大气组成状况与大气在垂直高度上的温度变

化，划分大气圈层的结构如下图：

从地球表面向上，大约到90Km高度，大气的主要成分氧和

氮的组成比例几乎无什么变化，具有这样特性的大气层叫均质大

气层（简称均质层）。在均质层以上和外围空间的大气层，其气

体的组成随高度升高有很大变化，这个圈层叫非均质层。

在均质层中，根据气体的温度沿地球表面垂直方向的变化分

为：对流层、平流层、中间层、电离层、散逸层。各层特点：

——对流层：1）相对于整个大气圈厚度而言很薄，按最厚处计,

占总厚度的6—9%,占总质量的75%O在这一层

中除了有纯净的干空气以外，还含有一定量的水蒸

气，适度的温度对人和动植物的生存起到重要的作

用。

2）一般情况下，温度自地表面向高空递减,0.65C

/上升100米。

在对流层中，由于太阳的辐射以与下垫面特性和大

气环流的影响，使得在该层中出现极其复杂的自然

现象，有时形成易于扩散的气象特征，有时形成对

生态系统产生有危害的逆温气象条件，雨、雪、霜、

雾、雷电等自然现象也都出现在这一层。

3）大气有较强的对流运动，大气污染也主要发生

在这一层，特别是在靠近地面l-2Km的近地层更

易造成污染。近地层的大气污染物的扩散能力主要

取决于当时的气象条件。

4）温度、湿度等各要素水平分布不均匀。

平流层：1）在这一层里气体的温度差随高度上升有缓慢的

增加，30-35Km,T=-55℃O然后上升（气温）

较快，这是因为在该层中的臭氧强烈吸收太阳紫外

线所致。

2）几乎不存在水蒸汽和尘埃，一般处于平流运动。

3）大气很干燥，没有云、雨等现象，是飞机理想

的飞行区域。

中间层：气温随高度增加迅速降低，有强烈的垂直对流运动。

——电离层:气温随高度增加迅速上升，空气处于高度电离状态,

发电报是靠这层反射回来。

——散逸层：气体温度很低，气体粒子能克服地球引力而逸向星

际空间。星际空间内每m3空间有数十个离子存在。

研究重点：对流层，平流层

2、大气组成

大气（空气）从自然科学角度来看，空气和大气常常作为同

义词，二者没有实质性的差别。但在研究近地层的空气污染规律

与对空气质量进行评价时，为便于说明问题，有时两个名词分别

使用。一般对于居住在室内或特指某个地方（如车间、厂区等）

供动植物生存的气体习惯上称为空气。在大气物理、大气气象、

自然地理以与环境科学研究中，常常是以大区域或全球性的气流

作为研究对象，因此，就常用大气一词。

大气是一个多种气体的混合物，有混合气体、水气和悬浮微

粒组成，可分为：

----恒定组分:。2（20.95%）、N2（78.09%）＞氮（0.93%）、惰

性气体。上述组分的比例在地球表面上任何地方几乎是可以看作

不变的。

——可变组分：CO2＞水蒸汽、。3这些组分在大气中的含量是

随季节、气象的变化以与人们的生产、生活活动的影响而发生变

化。

——不定组存：第一环境问题引起的：由自然界的火山爆发、

森林火灾、海啸、地震等暂时性

灾难所引起的。污染物有尘埃、S、

H2S>SOX、NOx等。

第二环境问题引起的

由于人类社会的生产工业化和经济建设速度增长，人口剧增

等使得大气中增加或增多了某些不定组分。大气中含有的不定组

分的种类和多少由地区的条件而定的。冶金工厂、电厂所在的地

区，大气中含有煤烟、尘、SOx、NOx等组分就多。而在化工

区，则有机或无机的化学物质等不定组分就多。当这些不定组分

排放于大气中时就会使大气污染，不定组分达到一定浓度时，将

会对动植物造成严重的危害，这是环保工作者研究的主要对象。

二、大气污染的定义

大气污染的含义：国家标准组织定义（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，以与对建筑物和设备财产等的损坏。

三、大气污染的发生和发展

大气污染可看作是污染源所排放出的污染物和对污染物起

着扩散稀释作用的大气，以与承受污染的物体三者相互关联所产

生的一种效应o一个地区的大气污染情况是与该地区的污染源所

排放出的污染物总量有关的。这个总量是不因气象条件的影响而

发生变化的。但是，排放出的污染物的浓度在时空分布上却是受

到气象条件的控制。由于气象条件的不同，污染物作用于承受者

的污染程度也就不一样。近几十年来，世界上发生了多次大气污

染事件，每次污染事件都是在一定地形和一定气象条件下发生

的。

大气污染的特点：既表现出局部严重性，又表现出全球性。

§L2大气污染源与主要污染物

一、大气污染源

大气污染源的分类：有四种分类法

1）按污染源存在形式：固定污染源、移动污染源；

2）按污染源排放方式：高架源、面源、线源；

3）按污染源排放时间：连续源、间断源、瞬时源；

4）按污染源产生类型：工业污染源、家庭炉灶、汽车排气。

进行大气质量评价适宜用第一种分法，研究扩散适宜用第二

种分法，分析污染物排放时间规律适宜用第三种分法，解决污染

物，控制污染物适宜用第四种分法。

二、一次污染物和二次污染物

一次污染物：指直接从各类污染源排出的物质。可分为：非

反应物质，其性质较稳定；反应性物质，性质不稳定，在大气中

常与某些其它物质产生化学反应或作为催化剂促进其它污染物

产生化学反应。

二次污染物：反应性的二次污染物与大气中的其它组分反应

形成的物质。如二次污染物硫酸烟雾（又称硫酸气溶胶）形成过

程：

SO2便侍迷化竽硬一＞503＞"2SQ乂"2S04）“J•（“20）〃欢飞也乂火。一＞气溶胶

往往二次污染物比一次污染物的危害大得多。

三、重要的大气污染物

主要污染物：粉尘（钢铁厂、冶炼厂、水泥厂、建筑材料厂

等）；硫化物（民用炉、热点站、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）；有机物质的污染。

（以下简单介绍主要污染的性质）：

1）co占总污染量的30%主要来源：汽车排气占50%

危害：与血红蛋白结合危害人体，排量多会使空气中5量

降低。

2）NOx、NO、1W本身含氮变成游离氮原子

和氧作用（燃NO）

来源：①石化燃料的燃烧

高温下，大气中氮和氧结合,NOx

生成量与燃烧温度有关

②各种工业过程（硝酸厂、氮肥厂、炸药厂等）

危害：①光化学烟雾的主要成分;

②对动植物体有强的腐蚀性。

3）碳氢化合物（HC）

来源：燃料燃烧不完全排放HC化合物，汽车尾气中有

10%HC化合物。美国70年

统计，在总HC尾气中，汽车排气占48%。

危害：光化学烟雾的主要成分。

4）硫氧化物

来源：①燃料燃烧；②有色金属冶炼；③民用燃烧炉灶。

SO2浓度：3.5%以上高浓度烟气

3.5%以下低浓度烟气

危害：①产生酸雨；②腐蚀生物的机体；③产生化学烟雾。

硫酸烟雾的代表事件：伦敦烟雾事件

5）微尘

分类：气溶胶中0.1—

烟0.1—ljum降尘(>10|11

m)

尘10—100pm飘尘(<10|Ll

m)

雾1一10pm

危害：①引起呼吸道疾病；②致癌作用；③造成烟雾事件（硫

酸等，SO2之所以在大气中造成危害是由于大气中微

尘带有一些Mn2\Fe2+等催化剂使

M,-2+，F,2+

SO2>SO3fH2s

6）其他有害物质（石棉、镀、汞）

7）光化学烟雾

大气中的一次污染物如汽车、工厂等排放的燃烧生成物和未

燃烧物质经过太阳光的照射，各种污染物之间发生反应形成二次

污染物——烟雾，被称为光化学烟雾。

光化学烟雾的主要成分：。3、过氧酰硝酸酯、酮类、醛类各

种活性很强的许多自由烧、氮类氧化物。

造成光化学烟雾的起始物：NO2

形成条件：阳光照射（光波2900-4200A）空气中存在

HC化合物（上午9点一下午2点）晴天，温度不太高。

§1.3环境空气质量控制标准

大气环境标准按其用途可分为：环境空气质量标准、大气污

染物排放标准、大气污染控制技术标准与大气污染警报标准。按

其适用范围可分为：国家标准、地方标准和行业标准。

《环境空气质量标准》GB3095-1996规定了环境空气质量

功能区划分、标准分级、污染物项目、取值时间与浓度限值，采

样与分析方法与数据统计的有效性规定。本标准适用于全国范围

的环境空气质量评价。环境空气质量功能区分为三类：一类区为

自然保护区、风景名胜区和其它需要特殊保护的地区；二类区为

城镇规划中确定的居民区、商业交通居民混合区、文化区、一般

工业区和农村地区；三类区为特定工业区。空气环境质量分为三

级：一类区执行一级标准，二类区执行二级标准，三类区执行三

级标准。共限定了六种污染物的浓度值：SO2、TSP、PM10、

NOx、NO2、CO、03、Pb、B[a]P>Fo标准同时配有各项污

染物分析方法。

《大气污染物综合排放标准》GB16297-1996规定了33

种大气污染物的排放限值，现有污染源(1997年1月1日前设

立的污染源)和新污染源(1997年1月1日起设立的污染源)

分别执行相应的标准。

§L4空气污染指数

空气污染指数(AIRPOLLUTIONINDEX,简称API)是一种

反映和评价空气质量的方法，就是将常规监测的几种空气污染物

的浓度简化成为单一的概念性数值形式、并分级表征空气质量状

况与空气污染的程度，其结果简明直观，使用方便，适用于表示

城市的短期空气质量状况和变化趋势。

空气污染指数的确定原则：空气质量的好坏取决于各种污染

物中危害最大的污染物的污染程度。空气污染指数是根据环境空

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

污染指数的分级与相应的污染物浓度限值。目前我国所用的空气

指数的分级标准是：(1)空气污染指数(API)50点对应的污染物浓

度为国家空气质量日均值一级标准；(2)API100点对应的污染物

浓度为国家空气质量日均值二级标准；(3)API200点对应的污染

物浓度为国家空气质量日均值三级标准；(4)API更高值段的分级

对应于各种污染物对人体健康产生不同影响时的浓度限值，

API500点对应于对人体产生严重危害时各项污染物的浓度。

空气污染指数的计算与报告：污染指数与各项污染物浓度

的关系是分段线性函数（见书），用内插法计算各污染物的分指数

In,取各项污染物分指数中最大者代表该区域或城市的污染指

数。即：

API=max（11,12…li,…In）

该指数所对应的污染物即为该区域或城市的首要污染物。当

污染指数API值小于50时，不报告首要污染物。

§1.5国内外大气污染与控制现状

一、大气污染现状

70年代大气污染逐步开始改善，60年代到70年代美国、

日本污染相当严重，所以70年代初到80年代日本大气治理比

美国先进，现在美国已赶上日本，70年代开始出现光化学烟雾

（较普遍）。

国内现状：治理刚起步，对燃烧除烟尘基本上没有注意，大

气污染较严重。

原因：1）向四化进军正处于建设初期，工业高速发展，大

气污染相当严重；2）能源结构不合理，以煤为主；3）布局不

合理（有些工厂明明知道处于上风口还要建），行政管理不合理。

二、大气污染防治途径

我国大气环境的特征：普遍受到尘、SO2为主的烟煤型污染;

在大城市或特大城市要注意NOx的污染来源：主要是汽车；酸

雨；局部地区的污染：如氧化物：包头、抚顺、昆明等；铅：沈

阳、广州、长春、上海等。

大气污染的特征：污染物微量（百万分之一计算），浓度用

ppm计算；污染物量变化（风经常影响其浓度）；污染物质变化

（如NOx和有机物在光的作用下会产生。3、甲醛（PAN）3等。

大气污染的控制途径：控制污染源，改革工艺，合理的工业

布局；控制污染源之后的排放的污染物，应用各种各样的治理技

术；走综合防治的途径。

综合防治的含义：从全局出发，综合考虑生产生活等方面的

诸因素，围绕经济社会发展目标，运用多科学、多途径、多种手

段进行防治，达到经济效益和环境效益的统一。

综合防治的基本原则：

1）防与治相结合，以防为主。

2）回收资源与净化处理相结合，以回收资源为主

3）企业治理与区域治理相结合

4）人工净化与自然净化相结合

第二章化石燃料燃烧与大气污染（3学时）

教学重点：燃料燃烧过程，烟气体积与污染物排放量计算，燃烧

过程中硫氧化物、颗粒污染物、氮氧化物和其它污染物的形成与

控制。

教学难点：烟气体积与污染物排放量计算。

教学要求：掌握燃烧过程的影响因素，燃烧过程中硫氧化物、颗

粒污染物、氮氧化物的形成与控制。

教学内容：

§2.1化石燃料的组成与性质（0.5学时）

燃料指燃烧过程中能放出热量，且经济上可行的物质。

燃料的分类：（1）常规燃料：如煤（coal）、patrolum>天

然气等。

（2）非常规燃料

按其物理状态分为：（1）固体燃料：挥发分被蒸储后以气态

燃烧（蒸气控制）；留下的固定炭以固态

燃烧（扩散控制）。

（2）液体燃料：有蒸发过程控制（气态

形式燃烧）。

（3）气态燃料：有扩散或混合控制。

燃料的性质影响大气污染物的排放。

一、煤：是一种复杂的物质聚集体。主要可燃成分是C、H与少

量。2、N2>S等一起构成的有机聚合物。煤中有机成分和无机

成分的含量因种类、产地不同而异。

1.分类：按基于沉积年代的分类法分为褐煤、烟煤、无烟煤。

a.褐煤：是由泥煤形成的初始煤化物，是煤中等级最低的

一类，形成年代最短。呈黑色、褐色、泥土色，象

木材结构。

特点：①挥发分较高，析出温度低；②燃烧热值低，不能

制炭。

干燥后：C含量60—75%,。2含量2。一25%。

b.烟煤：形成历史较褐煤长。黑色，外形有可见条纹。

挥发分20—45%,C75—90%。成焦性较强，氧含量低,

水分与灰分含量不高，适宜工业使用。

c.无烟煤：碳含量最高，煤化时间最长的煤，具有明显的黑

色光泽，机械强度高。C含量>93%,无机物量<10%,着

火难，不易自燃，成焦性差。

2.煤的组成

煤的组成测定方法分为工业分析；元素分析两大类。

a.工业分析：水分、灰分、挥发分、固定碳、S含量、热

值。

3.元素分析：用化学法测定去除掉外部水分的主要组分。C、H2>

N2>S、等。煤中硫的形态

’有机硫(CxHySz)

煤中含硫硫化物硫(FeS2)

I<

无机硫［无系硫(S

硫酸盐硫（MeSO。

硫酸盐硫在燃烧时不参加燃烧，留在灰渣里，是灰分的一部

分，其它能燃烧放出热量。我们所说的污染物SOx只包括有机

硫、硫化物，不包括MeSO4,而一般给我们的含硫量是指总硫

量。应注意。

a.硫化铁硫：是主要的含硫成分，主要代表黄铁矿硫。

黄铁矿：硬度6-6.5

比重4.7—5.2

本无磁性，但在强磁场感应下能转变为顺磁性物，吸收微波能力

较强，据此，可把其从煤中脱除。

b.有机硫：以各种官能团形式存在。如曝吩、芳香基硫化物、

硫醇等。不易用重力分选的方法除去，需采用化学方法脱硫。

二、石油

石油是液体燃料的主要来源。原油是天然存在的易流动液

体。比重0.78〜1.00,主要含C、H2>少量的S、N2>O2,此

外，含有微量金属（#1、镇）、种、铅、氯等，lOppm左右。

原油中的硫大部分以有机硫形式存在，形成非碳氢化合物的

巨大分子团，其含硫量变化范围较大，一般为0.1—7%。原油

通过蒸偏、裂化和重态过程生产出各种产品。原油中的S约有

80—90%留于重硫分中。硫以复杂的环状结构存在，而需去除

的仅是硫原子，故不能用物理方法分离硫化物。采用高压下的催

化加氢破坏C-S-C键形成H2s气体，可达目的，但费用很高。

三、天然气

一般组成CH485%,乙烷10%,丙烷3%,此外还有H2O>

CO?、N2>He、H2s等。

§2.2燃料燃烧过程（0.5学时）

一、影响燃烧过程的主要因素

1.燃烧过程与燃烧产物

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。多数化石燃料完全燃

烧的产物是cc）2、水蒸汽；不完全燃烧过程将产生黑烟、CO和

其它部分氧化产物等。

若燃料中含s、N会生成SO2和NOx,燃烧温度较高时，空

气中的部分氮会被氧化成NOxo

2.燃料完全燃烧的条件

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、燃料与空气的充分混合。

⑴空气条件：按燃烧不同阶段供给相适应的空气量。

⑵温度条件：只有达到着火温度，才能与氧化合而燃烧。

着火温度：在氧存在下可燃质开始燃烧必须达到的最低温

度。

（3）时间条件：

燃料在燃烧室中的停留时间是影响燃烧完全程度的另一基

本因素。燃料在高温区的停留时间应超过燃料燃烧所需时间。

⑷燃烧与空气的混合条件：

燃料与空气中氧的充分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。（三T）

3.发热量与热损失

①发热量

单位量燃料完全燃烧产生的热量。即反应物开始状态和反应

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：包括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。Qi

‘根据煤的工

<业分析数据计算。

煤的发热量r

<注意：煤中H有两种形态①可

燃氢（参〔

根据燃料的关加燃烧）、自由氢。②结合氢（与

O2)

系分析数据计算自由氢与C、S结合

需应用基来表明组成

注：干燥基（上标d）

可燃基（上标b）应用基（上

标a）

排烟热损失：热损失为6—12%：

不完全燃烧热损失：化学不完全燃烧、机械不完全燃烧。

散热损失：由设备管道温度高于周围空气温度造成热损失。

4、燃烧产生的污染物

硫的SOx:随温度变化不大，主要是煤中S。

粉尘：随温度的增高、不变、降低而变化。

CO与HC化合物烟：随温度的增高、不变、降低而变化。

NOx：随温度的增高、不变、降低而变化。

二燃料燃烧的理论空气量

1.理论空气量（呼）所需要的氧一般从空气中获得。

单位量燃料按燃烧反应方程式完全燃烧所需的空气量称为

理论空气量。

理论空气量（1）可由燃烧反应方程式获得

（2）经验公式（由热值）

固体燃料吆=1.01x磊+0.5

液体燃料噌=0.85x磊+2

41o/

气体燃料

天然气（式2.17）

建立燃烧化学方程式时，假定：

1)空气仅由电和。2组成，气体积比为79/21=3.76;

2)燃料中的固态氧可用于燃烧；

3)燃料中的硫被氧化成SO2；

4)计算理论空气量时忽略NOX的生成量；

5)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。

完全燃烧的化学反应方程式：

C8//、3工0“.++z—■—+3.7«.t+j+z—2fxC()2+)〃2。+WO?+3.7++卜+20

Q代表燃烧热

理论空气量：

呼=22.4x4.769+5+z-"/(1lx+1.008》+32z+16卬)

=106.6(x+?+z--yj/(12x+1.008y+32z+16卬)

nv'/kg

3.6-6.0褐煤

一般煤的理论空气量*4~7〃H依7.5-8.5无烟煤

9~10烟煤

液体燃料(燃料油)的喈=】。-1加/依

｛煤炉：4.5~5.5.£干:

8.84-9.01

煤气液化气：2.97天然气

高炉：~0.7湿：

11.4-12.1

2.空气过剩系数a

世纪空气量Va与理论空气量Va°之比为空气过剩系数a

通常a>l

3.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。

例：某燃烧装置采用重油作燃料，重油成分分析结果如下（按质

量）C：88.3%,H:9.5%,S:1.6%,灰分：0.10%。试确定

燃烧1kg重油所需的理论空气量。

解：以1kg重油燃烧为基础，贝上

重量（g）摩尔数（mol）需氧量（mol）

C88373.5873.58

H9547.523.75

S160.50.5

H2O0.50.02780

理论需氧量为：73.58+23.75+0.5=97.83mol/kg重油

N2

假定空气中与O2的摩尔比为3.76（体积比）

则，理论空气量为：97.83x（3.76+l）=465.67mol/kg重油

即465.67x丝=10.43Nm3/kg重油

§2.3烟气体积与污染物排放量计算（1学时）

一、烟气体积计算

L理论烟气体积

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Vfg。表示，烟气成分主要是CO?、SO2＞电和水

蒸气。

干烟气：除水蒸气以外的成分称为干烟气；

湿烟气：包括水蒸气在内的烟气。

Vfg°=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

2.实际烟气体积Vfg°Vfg=Vfg°+（a-l）Va°

3.烟气体积和密度的校正

燃烧产生的烟气其T、P总高于标态（273K、latm）故需

换算成标态。

大多数烟气可视为理气，故可应用理气方程。

设观测状态下：Os、Ps下）烟气的体积为Vs,密度为Ps。

标态下：（TN、PN下）烟气的体积为VN,密度为PN。

标态下体积为：

标态下密度为：

应指出，美国、日本和国际全球监测系统网的标准态是298K、

latm在作数据比较时应注意。

2.过剩空气较正

因为实际燃烧过程是有过剩空气的，所以燃烧过程中的实际

烟气体积应为理论烟气体积与过剩空气量之和。

用奥氏烟气分析仪测定烟气中的CO2、。2和CO的含量，

可以确定燃烧设备在运行中烟气成分和空气过剩系数。

空气过剩系数为察=i+相

理俭空气里

m--------过剩空气中O2的过剩系数

设燃烧是完全燃烧，过剩空气中的氧只以5形式存在，燃烧

产物用下标P表示，

C+（1+机）^2+（1+.67N2~》CO2P+02P+N2P

假设空气只有5、电分别为21%、79%,则空气中总氧量为

■N2P=0.266%

理论需氧量：0.266N2P—O2P

所以

若燃烧完全

若燃烧不完全产生CO须校正，即从测得的过剩氧中减CO

氧化为CO?所需的。2

I02P-0.5COp

a—0.266N2P-Q户-0.5C2p）

各组分的量均为奥氏分析仪所测得的百分数。

二、污染物排放量的计算

例2对例1给定的重油，若燃料中硫会转化为SOX（其中SO2

占97%）,试计算空气过剩系数a=1.20时烟气中SO2与SO3

的浓度，以ppm表示，并计算此时烟气中CO2的含量，以体积

百分比表示。

解：由例1可知，理论空气量条件下烟气组成(mol)为:

CO2:73.58H2O:47.5+0.0278

97.83x3.76

SOX:0.5Nx:

理论烟气量：

73.58+0.5+(47.5+0.0278)+(97.83x3.76)=489.45mol/kg重油

即489.45x^=10.96m3N/kgM^

空气过剩系数a=1.2时，实际烟气量为：

10.96+10.43x(1.2-1)=13.05w3N/Kg重油其中10.43为理论空气

量，即lKg重油完全燃烧所需理论空气量。

().5x().97x22%=o.0109m3N/Kg

烟气中SO2的体积为0Go

43

烟气中SO?的体积为O.5xO.O3x22.J/()oo=3.36xlO-mAZ/^

所以，烟气中SO2VSO3的浓度分别为：

Cso,C'xIoG=835.25”，〃

/13.05

Css=33^og—,x1°6=25-75PPm

当a=1.2时，干烟气量为：

[489.45-(47.5+0.0278)]x+10.43x0.2=11.985w3N/Kg

CO2体积为：73.58'盖^=1.64&/N/依重油

所以干烟气中CO2的含量以体积计为：

-^^-x100=13.75%

11.985

例3:已知某电厂烟气温度为473K,压力为96.93Kpa,湿烟气

量Q=10400m3/min,含水汽6.25%(体积)，奥萨特仪分析结

果是：CO2占107%,。2占8.2%,不含CO,污染物排放的

质量流量为22.7Kg/mino

⑴污染物排放的质量速率（以t/d表示）

⑵污染物在烟气中浓度

⑶烟气中空气过剩系数

校正至空气过剩系数a=1.8时污染物在烟气中的浓度。

解：（1）污染物排放的质量流量为：

22.7冬xx24-x---=32.7〃d

minhd1000酶

（2）测定条件下的干空气量为：

3

Qd=10400x(I-0.0625)=975Qn/min

测定状态下干烟气中污染物的浓度：

C=——X106=2328.2加g/m3

9750

标态下的浓度：

=232小黯嚼=4217Mg/同

(3)空气过剩系数：a=l+%O=1+—惚=213

0.268N2P-02P0.268x81.1-8.2

(4)校正至a=1.8条件下的浓度：

"=c实鲁

C校=4217.0X=3778.9/w,g/m3N

1.8

§2.4燃烧过程中污染物的形成与控制（1学时）

一、燃烧中硫氧化物的形成

燃料中的硫在燃烧过程中与氧反应，主要产物是SO2和

SO3,但SO3的浓度相当低，既使在贫燃料状态下，生成的SO3

也只占SC)2生成量的百分之几。在富燃料状态下，除SO2外,

还有一些其它S的氧化物，如SO与其二聚物(SO)2,还有少

量一氧化二硫S2。.这些产物化学反应能力强，所以仅在各种氧

化反应中以中间体形式出现。

燃烧时.s+02fs。2

'2s。2+。2C2s。3(此时并非含氧量越高，越完全，温度越高，S02越稳定。)

故一般主要生成SO2,计算时可忽略SO3o

燃烧过程中硫氧化物、颗粒污染物、氮氧化物和其它污染物

的形成与控制。

第三章大气污染气象学基础（2学时）

教学重点：主要气象要素，大气的热力过程，大气的运动和风速

廓线模式。

教学难点：大气稳定度，逆温，风速廓线模式。

教学要求：掌握大气的热力过程、大气稳定度、逆温和风速廓线

模式。

教学内容：

§3.1大气圈结构与气象要素（0.5学时）

一、影响大气污染的主要气象要素

气象要素（因子）：表示大气状态和物理现象的物理量。

1、气温：

2、气湿：

空气湿度是反映空气中水汽含量和空气潮湿程度的一个物

理量，常用的表示方法有：绝对湿度、水蒸气压力、体积百分比、

含湿量、相对湿度、露点等。

3、风

a）定义：什么是风？空气水平方向的流动叫风。

b）形成：风主要由于气压的水平分布不均匀而引起的，而气

压的水平分布不均是由湿度分布不均造成。风的形成除热力原因

外，还有动力原因，自然界的风是由于这两种原因综合作用的结

果，但只要有温差存在，空气就不会停止运动。

c）风的度量

风的特性用风向与风速表示，它是一向量。

风的大小有叫风速：在单位时间内，空气水平流动的距离,

m/So

风向：分为16方位，

4、云

云是发生在高空的水汽凝结现象。形成的基本条件：水蒸汽

和使水蒸汽达到饱和凝结的环境。

云的分类：高云：离地面5000m以上，冰晶构成；

中云：离地面2500—5000m间，过冷的微小水

滴与冰晶构成；

低云：离地面2500m以下，由微小水滴和冰晶

构成。

云量：云量是指云遮蔽天空的成数。将天空分为十份。这十

分中被云所遮盖的成数称为云量。如在云层中还有少量空隙（空

隙总量不到天空的1/20）记为10;当天空无云或云量不到1/20

时，云量为0。

国外云量与我国云量间的关系，国际云量、1.25=我国云量

总云量：指所有云遮蔽天空的成数，不论云的层次和高度。

低云量：低云的云掩盖天空的成数。

云量的纪录：一般云量/低云量的形式记录，如10/7。

云高：指云底距地面的垂直距离，以米为单位。

5、能见度

在当时的天气情况下，正常人的眼睛所能看到的最大距离叫

能见度。

能见就是能把目标物的轮廓从它的天空背景上分辨出来，为

了知道能见距离的远近，首先必须选择若干固定的目标物，量出

他们距测点的距离。

能见度的大小反应了大气的混浊程度，反应出大气中杂质的

多少。

§3.2大气的热力过程（1学时）

一、太阳辐射

太阳的辐射能是地球表面和大气的唯一能量来源，地面和大

气获得辐射能增热的同时，本身放出热辐射而冷却，所以大气内

部始终存在着冷与暖的变化，冷、暖在某种意义上讲决定着空气

的干湿与降水，决定着低气压的分布，影响着大气的运动，也就

影响了排放至大气的污染物质的扩散稀释。

大气的热力过程，大气稳定度，逆温的形成与类型。

§3.3大气的运动和风（0.5学时）

大气水平运动，大气边界层风随高度变化，风速廓线模式,

大气的湍流运动，地方性风场。

第四章大气污染物扩散模式（6学时）

教学重点：湍流统计理论（正态分布理论），高斯扩散模式，扩

散参数，各种气象条件下的扩散模式，烟气抬升高度。

教学难点：高斯扩散模式和扩散参数的确定。

教学要求：掌握高斯扩散模式与其常见形式，能够根据地形、背

景浓度以与风向、风速、温度层结等气象因素与模式计算大气污

染物浓度，可以根据不同要求估算烟筒高度，并对厂址选择提出

初步方案。

教学内容：

4.1湍流扩散的基本理论（1学时）

梯度输送理论，湍流统计理论（正态分布理论），相似理论。

4.2高斯扩散模式（1学时）

高斯模式的假设条件，高架连续点源扩散的高斯模式。

4.3污染物浓度的估算方法（2学时）

地面浓度，地面轴线浓度，地面轴线最大浓度，扩散参数的

确定。

4.4特殊气象条件下的扩散模式（0.5学时）

小风、静风、熏烟条件下的扩散模式，扩散参数的确定。

4.5城市与山区的扩散模式（0.5学时）

4.6烟囱高度的设计和厂址的选择（1学时）

烟囱有效源高，烟气抬升高度，厂址的选择。

第五章除尘技术基础与除尘设备（8学时）

教学重点：粉尘的粒径分布和物理性质，净化装置性能的表示方

法，颗粒捕集的理论基础，除尘设备工作原理。

教学难点：颗粒捕集的理论基础，除尘设备工作原理。

教学要求：掌握粉尘的粒径分布、净化装置性能的表示方法、颗

粒捕集的理论和各种除尘设备的工作原理，能够计算除尘设备的

净化效率。

教学内容：

§5.1粉尘粒径与粒径分布（1学时）

一、粉尘粒径

1.定义：在实际中，因颗粒大小、形状各异，故表示方法有所

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

单一粒径分成r投影径

Y

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察到的粒径。

a.面积等分径（martine）,指颗粒的投影面积二等分的直线长

度，其与所取的方向有关，常采用与底边平行的线作为粒径。

b.定向径(feret),指颗粒投影面上两平行切线间的距离。

c.长径，不考虑方向的最长径。

d.短径，不考虑方向的最短径。

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。

a.等投影面积径dA：与颗粒投影面积相同的某一圆面积

的直径。

(4A丫"

北=--=1.1284/

颗粒投影面%=利

b.等体积径dv：dv==1.24在；

c.等表面积径ds：颗粒的外表面积52=就2

d.体积表面积平均径de:颗粒体积与外表面积相同的圆

球的直径。

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

因自由沉降而达到的末速度与球形颗粒所达到的末速度相同

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

lg/cn?的圆球的沉降速度相同时的圆球的直径。单位

/cm"）"=7/mA代表。

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）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。

表7-1列出了各种方法计算的平均粒径，数值相差很大。

P282O

一般顺序：d1<ds<dv<d2<d3<d4

常用的单一粒径：投影径、等体积径、斯托克斯径、分割粒

径des。、空气动力学径da（是除尘技术中用得最多的）。

平均粒径：中位径、众径。

二、粒径分布

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。

表示方法：个数分布：以粒子的个数所占的比例来表示;

表面积分布：以粒子表面积表示；

质量分布：以粒子质量表示。2.常见的表示方法

(1)频数分布AR：它是指粒径dp至(dp+Adp)之间的粒

子质量占粒子群总质量的百分数。见图a。2^=1。/AR

与选取的粒径间隔的大小有关。

(2)频度分布f:是Adp=lum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：%机其微分

定义式：

有计算结果可绘出频度分布f的直方图，用粒径间隔中值可

绘出频度分布曲线，见图b。

最大频度的粒径d°m称为众径。

⑶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。

rdpedp

%＞）=L如=Jf{"九,）

wminMmin

反之为筛上累积分布R：D=l-R

当D=R=50%时的dp位中位径dso。由图可见，筛上分布R对

dp之比为负梯度，筛下分布D对dp之比为正值。因此若已知

R、D,贝lj

或也可这样说：若粒径间隔宽度MpfO即取极限，贝h

P=口制*%）=

R=/=fWfy（=-a3（

dpdpadp）dp）

即：筛上分布为减函数；筛下分布为增函数。

在除尘技术中，筛上累积分布R比使用频度分布更为方便，

所以，在一些国家粉尘标准中多用R表示粒径分布。

3.粒径分布函数

“正态分布函数：对称

常见的分布%数对数正态分布：dp取对数后服从对称，实际

大气中气溶胶、工业粉尘多服

从此分布

罗率一拉姆勒分布：破碎筛分过程多服从此分

布

后两者分布为非对称性的。

采用某种数学函数来描述粒径分布曲线，更为应用方便。据大量

数据的统计结果表明对数正态分布，正态分布以与罗率一拉姆勒

(Rosin—Rammler)分布较常用。我们见面介绍下世界上用

的较多的R—R分布。

R—R分布是：勺初=exp(-倒：)(a)

=10"或(b)

式中：n——分布指数；B、B'——分布系数，并有

£=lnl0x夕=2.303夕。

对(b)两端两次求对数得：lg[lg]-]=lg夕+〃lgdp,以Igdp为横坐

I%))

标，以坨为纵坐标，可的一条直线，其斜率为n。

将中位径d50代入(a)式可求得那麽R-R函数表达式为：

/?w=exp-0.693^j

在R—R坐标纸上绘制的筛上累积分布曲线(R)为直线，

并能方便地求出n、0'、CI50等。

例4-1,自学，粉尘的堆积密度，真密度。

粉尘的粒径，粒径分布与粒径分布函数，平均粒径。

§5.2粉尘的物理性质(1学时)

一、密度

单位体积粉尘的质量称为粉尘的密度，单位为kg/n?或

3

g/mo若所指的粉尘体积不包括粉尘颗粒内部的空隙体积，而

是粉尘自身所占的真实体积，则以此真实体积求得的密度称为粉

尘的真密度。固体粉碎所形成的粉尘，在表面未氧化时，其真密

度与母料密度相同。呈堆积状态存在的粉尘，它的堆积体积包括

颗粒之间和颗粒内部的空隙体积，以此体积求得的密度称为粉尘

的堆积密度。

粉体颗粒间和内部空隙的体积与堆积粉体的总体积之比称

为空隙率。

粉尘的真密度用在研究粉尘在气体中的运动、分离和去除等

方面，堆积密度用在贮仓或灰斗的容积确定等方面。

二、粉尘的安息角和滑动角

粉尘从漏斗连续滑落到水平面上，自然堆积成一个圆锥体，

圆锥体母线与水平面的夹角称为粉尘的安息角。

粉尘的滑动角系指自然堆放在光滑平板上的粉尘，随平板做

倾斜运动时，粉尘开始发生滑动时的平板倾斜角。

粉尘的安息角与滑动角是评价粉尘流动特性的一个重要指

标，是设计除尘器灰斗的锥度与除尘管路或输灰管路倾斜度的主

要依据。

三、粉尘的比表面积

粉尘的比表面积定义为单位体积粉尘所具有的表面积。

四、粉尘的含水率

粉尘中一半均含有一定的水分，它包括附着在颗粒表面上的

和包含在傲坑处与细孔中的自由水分，以与紧密结合在颗粒内部

的结合水分。

粉尘中的水分含量，一般用含水率W表示，是指粉尘中所

含水分质量与粉尘总质量之比。含水率大小，会影响到粉尘的其

他物理性质，如导电性、粘附性、流动性等，所有这些在设计除

尘装置时都必须加以考虑。

粉尘的含水率与粉尘的吸湿性，即粉尘从周围空气中吸收水

分的能力有关。

五、粉尘的润湿性

粉尘颗粒与液体接触后能否相互附着或附着难易程度的性

质称为粉尘的润湿性。当粉尘与液体接触时，如果接触面能扩大

而相互附着，则称为润湿性粉尘；相反，为非润湿性粉尘

粉尘的润湿性是选用湿式除尘器的主要依据。

六、粉尘的荷电性和导电性

1、荷电性

天然粉尘和工业粉尘几乎都带有一定的电荷，也有中性的。

粉尘荷电后，将改变其某些物理性质，如凝聚性、附着性与其在

气体中的稳定性等，同时对人体的危害也将增强。粉尘的荷电量

随温度增高、表面积增大与含水率减小而增加，还与其化学组成

等有关。

2、导电性

粉尘的导电性通常用比电阻表示。导电机制有两种，取决于

粉尘、气体的温度和组成成分。本体导电占优势的粉尘称为体积

比电阻，表面导电占优势的粉尘比电阻称为表面比电阻。

粉尘比电阻对电除尘器的运行有很大影响。

七、粉尘的粘附性

粉尘颗粒附着在固体表面上，或者颗粒彼此相互附着的现象

称为粘附。附着的强度，即克服附着现象所需要的力称为粘附力。

粉尘颗粒之间的粘附力分为分子力、毛细力和静电力。通常

采用粉尘层的断裂强度作为表征粉尘自粘性的基本指标。在数值

上，断裂强度等于粉尘层断裂所需的力除以断裂的接触面积。

八、粉尘的自燃性和爆炸性

粉尘的自燃是指粉尘在常温下存放过程中自然发热，此热量

经长时间的积累达到该粉尘的燃点而引起燃烧的现象。引起粉尘

自然发热的原因有：氧化热、分解热、聚合热、发酵热。

爆炸是指可燃物的剧烈氧化作用，在瞬间产生大量的热量和

燃烧产物,在空间造成很高的温度和压力。可燃物包括可燃粉尘、

可燃气体和蒸汽等，引起可燃物爆炸必须具备的条件有两个：一

是由可燃物与空气或氧构成的可燃混合物达到一定的浓度；二是

存在足够的火源。

§5.3净化装置的性能（1学时）

评价净化装置性能的指标，包括技术指标和经济指标两方

面。技术指标主要有处理气体流量、净化效率和压力损失等；经

济指标主要有设备费、运行费和占地面积等。

1、处理气体流量

处理气体流量是代表装置处理气体能力大小的指标，一般以

体积流量表示。实际运行的净化装置，由于本体漏气等原因，往

往装置进口和出口的气体流量不同，因此，用两者的平均值作为

处理气体流量的代表。

QN=（QIN+QZN）/2

2、净化效率

净化效率是表示装置净化污染物效果的重要技术指标。对于

除尘装置称为除尘效率，对于吸收装置称为吸收效率，对于媳妇

装置称为吸附效率。

3、压力损失

压力损失是代表装置能耗大小的技术经济指标，系指装置的

进口和出口气流全压之差，净化装置压力损失的大小，不仅取决

于装置的种类和结构形式，还与处理气体流量大小有关。

净化装置的压力损失，实质上是气流通过装置时所消耗的机

械能，它与通风机所耗功率成正比，所以总是希望尽可能小些。

§5.4颗粒捕集的理论基础（1学时）

颗粒物在各种力场中的空气动力学行为——分离、沉降、捕

集等。

§5.5除尘设备与其工作原理（3学时）

一、机械除尘器

机械力除尘装置是相对电除尘器而言。除重力沉降室、惯性

除尘器和旋风除尘器外，还包括湿式除尘器和袋式除尘器等，其

除尘机理可概括为五个方面:

1.重力沉降：气流中的尘粒依靠重力自然沉降，从气流中分

离出来。主要适用于粒径较大的尘粒，沉降速度V较小。

2.离心碰撞：含尘气流作圆周运动时，在惯性离心力作用下,

尘粒和气流产生相对运动，使尘粒从气流中分离。主要适用于

lOjum以上的尘粒。

3.惯性碰撞：含尘气流运动过程中遇到障碍物(如挡板、水

滴等)时，气流会改变方向而绕流，细小的尘粒会随气流一起流

动，而较大的尘粒惯性较大，则脱离流线保持自身的惯性运动，

于是尘粒就和物体发生了碰撞。见图

5-1(a)o

4.滞留：细小的尘粒随气流绕流时，如流线和物体表面靠得

很近，有些尘粒就和物体表面接触，从气流中分离出来。见图

5-2(b)o

5.扩散：小于1pm的微小粒子在气流中会和气体一样作不规

则的布朗运动，布朗运动

随粒径减小而增大。若作布朗运动的尘粒和物体表面接触，

就可能从气流中分离，这种分离机理称为扩散。见图

5-1(c)0

除此之外，还涉与筛滤、静电力和声波凝聚作用等。

(一)、重力沉降室

重力沉降室是通过重力从气流中分离尘粒的。其结构如图5-17

所示。

沉降室可能是所有空气污染控制装置中最简单和最粗糙的装置。

就其本身的特点而论，有广泛的用途。能用于分离颗粒分布中的

大颗粒，在某些情况下，其本身就是能进行适当的污染控制，它

的主要用途是对更有效的控制装置作为一种初筛选装置。在大颗

粒特别多的地方，沉降室能除掉颗粒分布中的大量大颗粒，这些

颗粒如不除掉，就要堵塞其它控制装置。

一、原理：利用含尘气体中的颗粒受重力作用而自然沉降的原理。

含尘气流进入沉降室后，引流动截面积扩大，流速迅速下降，气

流为层流，尘粒在重力作用下缓慢向灰斗沉降。

a.沉降速度

由第三章可知，悬浮在空气中的尘粒在重力作用下降落时，

起初作加速运动，但当空气的阻力增大到使尘粒所受的合力为零

时，它就开始作匀速下降，尘粒的降落速度达到最大恒定速度，

该速度即为沉降速度uso

层流区：雷诺数Rep<l,对球形粒子而言：

吗也（见式3-29）

18〃

（3-2）

当介质为空气时PP»P则有：（3-3）

由上式可见vtoc%若dp小，则Vt就小，故小颗粒就难分

离。

若将雷诺数Rep=l代入，可求出尘粒沉降时的临界粒径dco

得

代入（5-2）得：dc=2.63?(3-4)