大气污染控制工程（第二版）

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第1章 大气污染及控制概况
　　大气环境是指生物赖以生存的空气的物理、化学和生物学特性。物理特性主要包括空气的温度、湿度、风速、气压和降水，它们均由太阳辐射这一原动力引起。化学特性则为空气的主要化学组成，还有一些微量杂质及含量变化较大的水汽。生物学特性是人类生活或工农业生产排出的氨、二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物与氟化物等有害物质可改变原有空气的组成，并引起污染，造成全球气候变化，破坏生态平衡。大气环境和人类生存密切相关，大气环境的每一个因素几乎都可影响人类。人与大气环境之间的连续不断的物质和能量交换，决定了大气环境的重要地位。
　　自然状况下的大气由混合气体、水汽和悬浮颗粒物组成。除去水汽和悬浮颗粒物的大气称为干洁空气。干洁空气的主要成分为氮(N2)、氧(O2)和氩(Ar)。按大气层容积计算，氮占78.08%，氧占20.95%，氩占0.93%，三者共占大气总容积的99.96%。其他气体，如二氧化碳(CO2)、氖(Ne)、氦(He)、氪(Kr)、氢(H2)、一氧化二氮(N2O)、臭氧(O3)、氙(Xe)等，仅占0.04%左右。干洁空气的组成见表1-1。
　　表1-1 干洁空气的组成
　　干洁空气的组成在从地面到85km高度的范围内是基本不变的，并且物理性质基本稳定，可视为理想气体。干洁空气的平均分子量为28.966，标准状态(273.15K，101.325kPa)下的密度为1.293kg/m3。
　　大气中的水汽含量与时间、地区及气象条件的变化息息相关。在潮湿的热带地区，水汽的体积分数可达4%，而在干旱的沙漠地带则不足0.01%。大气中的水汽含量虽然不高，但在云、雾、雨、霜、露等天气现象的演变中起着重要作用。
　　大气中的悬浮物是悬浮在大气中的固体、液体颗粒物质的总称。液体悬浮颗粒主要包括水汽凝结物，如水滴、云雾和冰晶等。固体悬浮物则主要包括火山灰、风刮起的尘土、工业生产过程中向大气中排放的一次细颗粒物、光化学反应生成的二次气溶胶等。
　　1.1 大气污染及其影响
　　1.1.1 大气污染
　　1.1.1.1 大气污染的概念
　　国际标准化组织(ISO)认为，“大气污染是指由于人类活动和自然过程引起某些物质进入大气中，呈现出足够浓度，达到足够时间，从而危害人体舒适、健康和福利或危害环境”。人体的舒适和健康包括从人体正常的生活环境和生理机能的影响到引起慢性病、急性病致死亡的范围。人体的福利则指与人类协调共存的生物、自然资源、财产及器物等。
　　在我国，大气污染和空气污染通常不作同一词使用。空气污染常被理解为室内空气污染，即指厂房内部或其他劳动场所和人类活动场所的空气污染；而室外空气污染，即地区性空气污染，则大多使用大气污染一词。也有人将大气污染理解为这两种污染的总称。
　　1.1.1.2 造成大气污染的原因
　　大气污染主要是由自然界所发生的自然灾害和人类活动共同造成的。
　　自然灾害包括火山爆发排出火山灰、二氧化硫、硫化氢，煤田和油田自然逸出煤气和天然气，腐烂的动植物尸体放出有害气体等。自然灾害所造成的污染多为暂时的、局部的。
　　我们通常所说的大气污染问题多指由人为因素引起的大气污染。这类污染持续时间长、影响范围广。人为源大气污染的形成需要具备三个条件：一是大量的污染物排入大气中；二是当地不利的气象条件；三是污染物在大气中积累或变化，以及污染物间的相互作用(如光化学作用等)。与发达国家城市经历的大气污染不同，我国的城市和区域大气污染状况更为复杂。英国伦敦20世纪50年代的烟雾主要来自冬季燃煤，美国洛杉矶的光化学烟雾主要来自机动车尾气的光化学反应产物，而在我国的主要城市和地区，燃煤和机动车尾气排放导致的大气复合污染特征明显。我国科学家于1997年提出了大气复合污染的概念。大气复合污染主要来自工业、发电、交通、取暖等多种污染源排放的颗粒态和气态一次污染物，以及经过一系列复杂的物理、化学和生物过程形成的二次细颗粒物和臭氧等二次污染物。这些污染物在具有“静稳”特征的不利气象和天气过程的影响下，在短时间累积形成高浓度的污染，并在大范围的区域间相互输送，对人体健康和生态环境产生严重危害。
　　1.1.1.3 大气污染源
　　根据不同的研究目的和污染源特点，污染源的类型有五种划分方法。
　　(1) 按污染源存在形式划分
　　固定污染源：位置固定，如工厂的排烟或排气。
　　移动污染源：在移动过程中排放大量废气，如汽车、轮船等。
　　(2) 按污染物排放方式划分
　　点源：通过某种装置集中排放的固定点状源，如烟囱、集气筒等。
　　面源：在一定区域范围内，以低矮集的方式自地面或近地面的高度排放污染物的源，如工业生产过程中的无组织排放、储存堆、渣场等排放源。
　　线源：污染物呈线状排放或由移动源构成线状排放的源，如城市道路的机动车排放源等。
　　体源：源本身或附近建筑物的空气动力学作用使污染物呈一定体积向大气排放的源，如焦炉炉体、屋顶天窗等。
　　(3) 按污染排放时间划分
　　连续源：污染物连续排放，如化工厂的排气筒等。
　　间断源：污染物排放时断时续，如取暖锅炉的烟囱。
　　瞬时源：污染物排放时间短暂，如工厂的事故排放。
　　(4) 按污染物排放空间划分
　　高架源：在距地面一定高度处排放污染物，如高烟囱。
　　地面源：在地面上排放污染物，如煤炉、锅炉等。
　　(5) 按污染物产生的类型划分
　　工业污染源：主要是燃料燃烧排放的污染物，生产过程中的排气及生产过程中排放的各类矿物和金属粉尘。表1-2和表1-3列出了各类工业企业及工业炉窑向大气排放的主要污染物质。
　　表1-2 各类工业企业向大气中排放的主要污染物质
　　生活污染源：主要是家庭炉灶、取暖设备、城市垃圾在堆放过程中由于厌氧分解排放出的二次污染物和垃圾焚烧过程中产生的废气等。
　　交通污染源：主要是汽车、飞机、火车和船舶等交通工具。
　　1.1.1.4 大气污染类型
　　大气污染类型主要取决于所用能源和污染物的化学反应特性。根据污染物的化学性质及其存在的大气环境状况进行如下分类。
　　(1) 还原型(煤炭型)污染
　　煤炭型污染是指污染物由煤炭燃烧时放出的烟气、粉尘、二氧化硫等所构成的一次污染物，以及由这些污染物发生化学反应而生成的硫酸、硫酸盐类气溶胶等二次污染物。主要污染源为工业企业烟气排入物，另外，家庭炉灶的排放物也起重要作用。在低温、高湿度且风速很小的阴天，并伴有逆温的情况下，一次污染物易在低空积聚，生成还原性烟雾。伦敦烟雾事件是其典型代表，故这类污染又称为伦敦烟雾型污染。
　　(2) 氧化型(汽车尾气型)污染
　　氧化型污染多发生在以使用石油为燃料的地区，主要污染源为汽车排气、燃油锅炉及石油化工企业，主要的一次污染物是一氧化碳、氮氧化物和碳氢化合物。在阳光照射下这些污染物会发生光化学反应，生成臭氧、醛类、过氧乙酰硝酸酯(PAN)等二次污染物。这类物质具有极强的氧化性，对人眼睛等的黏膜有很强的刺激作用。洛杉矶光化学烟雾属于这类污染。
　　(3) 石油型污染
　　石油型污染的主要污染物来自汽车排放、石油冶炼及石油化工厂的排放，主要包括NO2、烯烃、链烷、醇、羰基化合物等碳氢化合物，以及它们在大气中形成的O3、各种自由基及其反应生成的一系列中间产物与最终产物。
　　(4) 复合型污染
　　复合型污染来自多种污染源排放的气态和颗粒态一次污染物，以及经系列的物理、化学过程形成的二次细颗粒物和臭氧等二次污染物。这些污染物与天气、气候系统相互作用和影响，形成高浓度的污染，并在大范围的区域间相互输送与反应。复合型污染是当前我国大气污染的主要特征，其治理已成为我国生态文明进程中遇到的前所未有的重大难题。
　　(5) 特殊型污染
　　特殊型污染是指有关工厂企业排放的特殊气体所造成的污染。这类污染常限于局部范围，如生产磷肥造成的氟污染、氯碱工厂周围形成的氯气污染等。
　　1.1.2 大气污染物
　　目前对环境和人类产生危害的大气污染物约有100种，其中影响范围广的污染物有颗粒物、含硫化合物、氮氧化物、碳氧化物、挥发性有机化合物等。
　　1.1.2.1 主要的大气污染物
　　(1) 颗粒物
　　颗粒物是指大气中除气体之外的物质，包括固体、液体和气溶胶。其中有固体的灰尘、烟尘、烟雾，以及液体的云雾和雾滴，其粒径范围在0.1～200μm。按粒径的差异，可以分为降尘和飘尘两种。
　　降尘是指粒径大于10μm、在重力作用下可沉降的颗粒状物质。其多产生于固体破碎、燃烧残余物的结块及研磨粉碎的细碎物质。自然界刮风及沙暴也可产生降尘。
　　飘尘是指粒径小于10μm的煤烟、烟气和烟雾等颗粒状物质。这些物质粒径小、质量轻，在大气中呈悬浮状态，且分布极广。柴油发动机排出的颗粒物直径大多小于10μm。
　　颗粒物自污染源排放后，因空气动力条件的不同和气象条件的差异而发生不同程度的迁移。降尘在重力作用下很快降落到地面，而飘尘则可在大气中长时间停留。颗粒物能作为水汽的凝结核，参与形成降水。
　　(2) 含硫化合物
　　大气中含硫化合物主要有二氧化硫和硫化氢，还有少量的亚硫酸和硫酸(盐)微粒。自然源产生的硫主要是细菌活动产生的硫化氢。人为源产生的硫排放，其主要形式为SO2，主要来自含硫煤和石油燃烧、石油炼制、有色金属冶炼和硫酸制造等。
　　(3) 氮氧化物
　　氮氧化物(NOx)种类很多，主要为一氧化氮和二氧化氮，另外还有一氧化二氮、三氧化二氮、四氧化二氮和五氧化二氮等多种化合物。
　　自然排放的氮氧化物主要来自土壤和海洋中有机物的分解，属于自然界的氮循环过程。人为活动排放的氮氧化物大部分来自化石燃料的燃烧，如汽车、飞机、内燃机及工业锅炉炉窑的燃烧，也有来自生产、使用硝酸的过程，如氮肥厂、有机中间体厂、有色及黑金属冶炼厂等。
　　(4) 碳氧化物
　　碳氧化物主要有两种物质，即CO和CO2。CO主要由含碳物质不完全燃烧产生，自然排放较少。人为产生的CO约有70%来自机动车的尾气排放。在大多数城市地区，机动车排放的CO占总排放量的90%以上。CO是无色、无臭的有毒气体，化学性质稳定，可以在大气中较长时间停留。在一定条件下，CO会转化成CO2，但转化速率较低。人为排放大量的CO不仅会对植物造成危害，还会与人体血液中的血红蛋白结合，生成碳氧血红蛋白，影响人体血液对氧的吸收。
　　(5) 挥发性有机化合物
　　挥发性有机化合物常用VOCs表示，它是volatile organic compounds的缩写。VOCs包括碳氢化合物(烷烃、烯烃和芳烃)、含氧有机物(醇、醛、酮、酸、醚)，以及含杂原子的有机物(如甲基氯仿、三氯乙烯、硫醇等)。VOCs的排放源包括燃料的不完全燃烧，机动车辆燃料箱和气化器内未燃烧的汽油的蒸发，燃料向加油站输送、储存和分配过程中发生的泄漏，另外天然气管线的泄漏也增加了VOCs的排放。家庭来源包括油漆涂料和溶剂、消费品、黏合剂及燃料的燃烧。
　　1.1.2.2 一次污染物和二次污染物
　　从污染源排入大气中的污染物在与大气混合过程中会发生各种物理和化学变化。按照形成过程不同，可分为一次污染物和二次污染物，如表1-4所示。
　　表1-4 大气污染物的分类
　　(1) 一次污染物
　　一次污染物是指直接从各种排放源进入大气的各种气体、蒸气和颗粒物，如前所述的SO2、氮氧化物、碳氧化物、碳氢化合物和颗粒物等都是主要的一次污染物。许多一次污染物性质不稳定，在大气中常与某些物质发生化学反应，或作为催化剂促进其他污染物发生化学反应，如SO2和NO2等。
　　(2) 二次污染物