注册环保工程师考试培训（ 2010 ）

第 3 篇

大气污染防治工程基础与实践

华北电力大学环境科学与工程学院

第 1 章 大气污染防治工程基础

1.1 大气污染物的形成1.1.1 大气污染 1 、大气污染的定义 大气污染是指由于人类活动或自然过程使得某些物质进入

大气中，呈现出足够的浓度，达到了足够的时间 , 并因此危害了人体的舒适、健康和人们的福利，甚至危害了生态环境。

2 、大气污染范围的分类 （ 1 ）局部地区污染 （ 2 ）地区性污染 （ 3 ）广域性污染 （ 4 ）全球性污染

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3 、大气污染的类型四种类型（ 1 ） 煤烟型污染（ 2 ） 石油型污染（ 3 ） 混合型污染（ 4 ） 特殊型污染

4 、 全球性大气污染问题（ 1 ）温室效应（ 2 ）臭氧层破坏（ 3 ） 酸雨

3 3

1.1.2 大气污染物的分类、来源及危害 1 、大气污染物的分类 两大类：颗粒污染物（气溶胶状态污染物）和气态污 染物。 （ 1 ） 颗粒污染物（气溶胶状态污染物） ①粉尘 ②烟 ③飞灰 ④黑烟 ⑤雾 在环境空气质量标准（ GB3095-1996 ）中，分为 总悬浮颗粒物（ TSP ： d ≤100μm ）和可吸入颗粒物 （ PM10: d ≤10μm ）。 （ 2 ） 气态污染物 以分子状态存在的污染物。可以分为五大类：以二氧 化硫为主的含硫污染物、以氧化氮和二氧化氮为主的 含氮污染物、碳氧化物、有机化合物及卤素化合物 等。 如 P468 表 3-1-1 所示。

气态污染物又可以分为一次污染物和二次污染物。 4

2 、主要大气污染物的来源 P470 表 3-1-2 ① 　硫氧化物 硫氧化物中主要是 SO2 ，是目前大气污染物中数量较大、影响范围广的一种气态污染物。大气中 SO2 的来源很广，几乎所有工业企业都可能产生。它主要来自化石燃料的燃烧过程，以及硫化物矿石的焙烧、冶炼等热过程。火力发电厂、有色金属冶炼厂、硫酸厂、炼油厂以及所有烧煤或油的工业炉窑等都排放 SO2 烟气。②　氮氧化物 氮和氧的化合物有六种，用 NOx 表示。主要是 NO 、 NO2 。 NO 由燃料燃烧直接生成，其毒性不大，但进入大气后可以被缓慢的氧化成NO2 ，当大气中有 O3 等强氧化剂存在时，或在催化剂的作用下，其氧化速度会加快。 NO2 的毒性约为 NO 的 5 倍。当 NO2 参与大气中的光化学反应，形成光化学烟雾后，其毒性更强。人类活动产生的 NOx ，主要来自火力发电厂、各种窑炉、机动车和采油机的排气，其次是硝酸生产、硝化过程、炸药生产及金属表面处理等过程。其中由燃料燃烧产生的 NOx 约占 83% 。

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③ 　碳氧化物 CO 和 CO2 是各种大气污染物中发生量最大的一类污染物，主要来自燃料燃烧和机动车排气。 CO 是一种窒息性气体，在城市冬季采暖季节或在交通繁忙的十字路口，当气象条件不利于排气扩散稀释时， CO 的浓度有可能达到危害人体健康的水平。 CO2 是无毒气体，但当其在大气中的浓度过高时，使氧气含量相对减小，对人产生不良影响。地球上 CO2 浓度的增加，能产生“温室效应”，迫使各国政府开始实施控制。 有关 CDM 。

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④ 　有机化合物种类很多，其中包括碳氢化合物（烃类、芳香烃等）、含氧有机物（醇、醛、酮、酸、醚）以及含有卤素的有机物（例如氯仿、三氯乙烯等）。较低分子量的有机化合物极易挥发到大气中，因此这些有机化合物又称为挥发性有机化合物（ VOCs ）。

在发现的 2000余种可疑致癌物质中，有机化合物中的芳烃类（ PHA ）就是最主要的一类。其中比较典型的有苯并 [a]芘；其他如多氯联苯、乙烯进入大气后将会导致植物生长发育异常，环境中的氯乙烯是致癌物质。氟氯烃是制冷剂，排入大气扩散到平流层，生成化学性质活泼的氯离子，参与破坏臭氧分子的活动。二噁英是一类极毒的物质，有“世纪之毒”之称，其毒性比氰化钾高 1000 倍。 VOCs 主要来自化工、石油化工、石油炼制、机动车和燃料燃烧排气以及轻工生产等，其他来源也非常广泛，如油漆涂料和溶剂、黏合剂等等。 7

3 、大气污染物的影响及危害 （ 1 ）对人体健康的影响 ① . 颗粒物 颗粒物对人体健康的影响，取决于颗粒物的浓度和在其中暴露的时间。影响上呼吸道感染、心脏病、支气管炎、气喘、肺炎、肺气肿等疾病。暴露在合并有其它污染物（如 SO2 ）的颗粒物中所造成的健康危害，要比分别暴露在单一污染物中严重得多。 ② . 硫氧化物 人类及其他动物对 SO2 的反应是支气管收缩。空气中 SO2 浓度在 0.5ng/m3 以上，对人体健康已有潜在影响， 1～ 3ng/m3

时多数人开始受到刺激， 10ng/m3 时刺激加剧，个别人还会出现严重的支气管痉挛。与颗粒物和水分结合的硫氧化物是对人类健康影响非常严重的公害（如著名的伦敦烟雾事件）。 当大气中的 SO2 氧化形成硫酸和硫酸烟雾时，其毒性是 SO2

的 4～ 20 倍。 8

③ 　一氧化碳 高浓度的 CO 能够引起人体生理上和病理上的变化，甚至死亡。 CO 是一种能夺取人体组织所需氧的有毒吸入物。 CO 与血红蛋白结合生成碳氧血红蛋白，由于血红蛋白与 CO 的亲和能力大约为对氧的亲合力的 210 倍，因而 COHb 的直接作用是降低血液的输氧能力。 CO 达到一定浓度时，大多数人感觉眩晕、头痛和倦怠，甚至死亡。

④　氮氧化物 NO 的毒性仅为 NO2 的 1/5 。 NO2对呼吸器官有强烈的刺激作用，会迅速破坏肺细胞，可能是哮喘病、肺气肿和肺癌的一种病因。 NOx 与碳氢化合物混合时，在阳光照射下发生光化学反应生成的光化学氧化剂，危害更加严重。

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⑤ 光化学氧化剂 氧化剂、臭氧（ O3 ）、过氧化乙酰硝酸酯（ PAN ）、 过氧苯酰硝酸酯（ PBN ）和其它能使碘化钾的碘离子 氧化的痕量物质，都称为光化学氧化剂。臭氧和 PAN 以最高的浓度存在。氧化剂（主要是 PAN 和 PBN ）会 严重的刺激眼睛，当它和臭氧混合在一起时，它们还 会刺激鼻腔、喉，引起胸腔收缩，在浓度高达 3.90 mg/m3 时，就引起剧烈的咳嗽和注意力不能集中。 ⑥ 有机化合物 有很多有机化合物是可疑的致变物和致癌物，包括卤 代烷烃、氯烯烃、氯芳烃、芳烃、氧化产物和氮化产物 等。特别是多环芳烃（ PAH ）类，大多数有致癌作用， 其中苯并 [a]芘是强致癌物质。苯并 [a]芘主要通过呼吸 道侵入肺部，并引起肺癌。实测数据表明，肺癌发病率 与大气污染、苯并 [a]芘含量有显著的相关性。

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（ 2 ）对植物的伤害 大气污染对植物的伤害，通常发生在叶子结构中。最常 遇到的毒害植物的气体是：二氧化硫、臭氧、 PAN 、氟 化氢、乙烯、氯化氢、氯、硫化氢和氨。（ 3 ）对器物和材料的影响 大气污染对金属制品、油漆涂料、皮革制品、纸制品、纺 织品、橡胶制品和建筑物的损害也是很严重的。这种损害 包括玷污性损害和化学性损害两个方面。 （ 4 ）对大气能见度和气候的影响 大气污染最常见的效应是大气能见度降低。大气污染对 气候产生的影响越来越受到重视，如 CO2 等温室气体引 起的温室效应、 SO2 、 NOx 排放产生的酸雨、氟氯烃等 的排放破坏臭氧层等。大气污染对全球气候变化的影 响，已是全人类共同面临的环境问题。

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1.2 大气污染物扩散1.2.1 主要气象要素 与大气污染关系密切的气象要素主要有气温、气压、湿度、风、湍流、云、太阳高度角以及能见度等。 1 、气温：指在离地面 1.5m高处的百叶箱中观测到的空气温度。表示气温的单位一般用摄氏温度（℃），理论计算时则用绝对温度（ K ）来表示。两者的换算关系是： T(K)=T( )℃+273.16 2 、气压 气压是指大气压强 。单位可用帕斯卡（ Pa ）、大气压（ atm ）、毫米汞柱（ mmHg ）及毫米水柱（ mmH2O ）来表

示。

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3 、气湿 大气的湿度简称为气湿，用来表示空气中水汽的含量。4 、风向 风是个矢量，具有大小和方向。风向是只来风的方 向，可用 8个或 16个方位表示（ P475 图 3-1-1 ）。5 、风速 单位时间内空气在水平方向上移动的距离， m/s 。6 、云7 、能见度8 、大气稳定度9 、逆温10 、地方性风场（ 1 ） 海陆风 海风和陆风的总和，发生在海陆交界处。（ 2 ） 山谷风（ 3 ） 城市热岛环流

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1.2.2 大气扩散模式1 　高斯扩散模式 适用于均一的大气条件以及地面开

阔的平坦地区。 2 　污染物扩散浓度估算

（ 1 ）有效源高的计算：烟囱的有效高度简称有效源高。由于烟气的抬升作用，相当于烟囱的几何高度增加了。因此，烟囱的有效高度等于烟囱的几何高度与烟气的抬升高度之和。若用 H 表示烟囱的有效高度， Hs 表示烟囱的几何高度， △ H 表示烟气的抬升高度，则：

H = Hs + H△ （ 2 ）污染物扩散浓度估算根据地面上方 10m处的风速、日照等级、阴云分布状况及云量等气象资料，查表确定某时某地的大气稳定度级别。然后利用 P- G扩散曲线图查出对应于当时当地的大气稳定度处下风向距离为 x 的 σy 和 σz值及扩散方程中其他各个参数值，利用扩散模式，就可以估算出各种情况下污染物浓度值。

SH SH SH SH SH SH SH SH SH SH SH SH SH SH SH SH SH SH SH SH SH SH SH SH SH SH SH SH

1.2.3 大气扩散与厂址选择的关系1 　选址所需要的气候资料（ 1 ）风向与风速的气候资料（ 2 ）大气稳定度气候资料2 　选址时要考虑的几个因素（ 1 ）对背景浓度的考虑（ 2 ）对气象条件和地形的考虑 -山谷较深，烟囱有效高度不能超过经常出现的静风和小风高度时，不宜建厂 - 烟囱有效高度不可能超过下坡风厚度和背风坡湍流区高度的地方不宜建厂。

-谷地四周山坡有居民区及农田，烟囱有效高度不能超过山的高度不宜建厂。

-高山围绕的深谷地不宜建厂。 - 烟流虽能越过山头，仍会在背风面污染时，居民区不宜建在背风坡污染区。

- 在海陆风（或水陆风）较稳定的大型水域与山地交界的背山地段不宜建厂。必须建厂时，应使生活区与厂区的连线与海岸平行，以减少海陆风造成的污染。

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1.2.4 烟囱高度 1 、烟囱高度设计原则 确定烟囱高度时既要满足大气污染物的稀释要求，又要 考虑节省投资，最终目的是保证地面浓度不超过《环境 质量标准》。 2 、烟囱高度设计方法 目前应用最普遍的是按高斯模型的简化公式。由于对地 面浓度的要求不同，常用烟囱高度的计算方法有： （ 1 ）地面最大允许浓度计算法 （ 2 ） P值法 （ 3 ）按一定保证率计算法。

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（ 1 ）按地面最大允许浓度计算法 该法是保证污染物的地面最大浓度不超过《环境空气 质量标淮》规定的浓度限值来确定烟囱的高度。设国 家大气质量标准中规定的污染物浓度为 Co ，该地区的 背景浓度为 C b ，在设计烟囱高度下，排放污染物所产 生的地面最大浓度为 Cmax≤Co—Cb ，根据污染物地面 浓度的高斯模式，则烟囱的最低高度可由下式求得：

（ 3-1-31 ）

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1

2

0

2

( )z

s

b y

QH H

eu C C

（ 2 ）按地面绝对最大浓度计算法 地面最大浓度高斯模式是在风速不变的情况下导出的，实际上 风速是变化的，风速 ū对地面最大浓度 Cmax 有双重影响， ū增大 时， Cmax减小，而 ū增大时，拾升高度△ H减小， Cmax 反而增 大，这两种相反作用的结果，定会在某一风速下出现地面最大 浓度。地面最大浓度极值称为绝对地面最大浓度，此时的风速 称为危险风速，以 ūc 表示。一般烟流抬升公式可简化为△ H＝B ／ ū （式中 B 为抬升高度公式中除 ū 以外一切量的计算值）。按保 证地面绝对最大浓度不超过《环境空气质量标推》规定的浓度 限值 Co ，可得到另一烟囱高度计算式：

（ 3-1-32 ）

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1

2

0 02 2z z

Sb y bc ye

Q QH

eB C C C Cu

（ 3 ）按 P值法 对于高架连续点源的容许排放模式 P值法有三种模式 ① SO2 排放源

（ 3-1-33 ）

式中　 Q——SO2允许排放量， t/h； P——允许排放指标； △H——抬高高度， m 。 对于城市及其他平原城市的远郊区的 P值可按下式计算： P = P0 P1 P2 P3 P4

（ P值的计算方法参见 P490 ） 19

16 210

S

QH H

P

② 　其他有害气体排放源 （ 3-1-37 ）

式中　 C—— 当气体污染物为《环境空气质量标准》中所列入的有毒气体时， C值应取用该污染物任何一次的浓度限值， mg／m3；

K—— 区域调节系数，城区 K＝ 1 ，非城区 K=1.0～1.5；

其他符号的意义同上。 本公式适用于除 SO2 以外的有害气体，且排气口离地面大于 15m 的高架源。 20

13 2

210

10

12.8S

QH H

P KCu

③ 　颗粒物排放源

（ 3-1-38 ）

式中　 Qo—— 烟尘容许排放量， t/h； P——允许排放指标； 其他符号意义同上。式 3-1-38 适用于电站烟囱。

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16 2

0 10S

QH H

P

若除尘器入口烟尘量为 Q ｉ，除尘器满负荷运行时规定的效率是 η ，由于发电厂实际排放的烟尘量不应大于容许排放量 Q0 ，则有 Qi （ 1—η ）≤ Qo 。 如果把实际排放量 Q 作为容许排放量 Q0 ，按要求选取除尘器的效率 η ， P值为 GB 3840—83 中给出的已知量，则按上述模式即可求出有效烟囱高度 H ，再计算烟囱抬升高度△ H ，便可确定出烟囱的实际高度 Hs 。 因此 P值法是实际工作中比较简便的实用方法。 另外，一个污染源往往同时排放 SO2 、颗粒物和其他有害气体，如发现三个公式计算出的烟囱高度不同，则取最大值作为设计烟囱高度。

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3 、烟囱设计应注意的事项

（ 1 ）增加烟气抬升高度的措施 决定烟气抬升的主要因素有烟气本身的热力性质、动力性质、

气象条件和近地层下垫面等。 ① 影响烟气抬升高度的第一因素是烟气的初始动量和浮力。初始动量的大小取决于烟气出口速度（ us ）和烟囱口的内径（ Ds ）；浮力大小决定于烟气和周围空气的密度差和温度，若烟气与空气因组分不同而产生的密度差异很小时，烟气抬升的浮力大小就主要取决于烟气温度（ Tb ）与空气温度（ Ta ）之差。当风速为 5m／ｓ，烟气温度在 100～ 200℃ 时， Tb

与 Ta每相差 1K ，抬升高度约增加 1.5m 。因此，提高排气温度有利于烟气抬升，所以应注意减少烟道及烟囱的热损失。

②. 烟气与周围空气的混合速率是影响烟气抬升的第二因 素，决定混合速率的主要因素是平均风速和湍流强度。 平均风速越大，湍流越强，烟气与周围空气混合 越快，烟气的初始动量和热量散失得就越快，其抬升 高度就越低。 增大烟气出口速度有利于动力抬升，但也加快烟 气与空气的混合，因此，应选择一个适当的出口速度。 ③ .增加排气量对动量抬升和浮力抬升均有利，因此在附近 有几个烟囱时采用集合烟囱排气。

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（ 2 ）进行烟囱高度设计时应注意的问题

①对于设计的高烟囱（大于 200m ），若所在地区上 部逆温出现频率较高时，则应按有上部逆温的扩 散模式校核地面污染物浓度。 对于设计中小型烟囱，当辐射逆温很强时，则 应按漫烟型扩散模式校核地面污染物浓度。 ② 烟流抬升公式的选择也是烟囱设计的重要一环。 应选择抬升公式适用条件和设计条件相近的公 式，最好采用国标 GB 3840—83推荐的公式。 25

③关于气象参数的取值方法有两种，一种是取多年的 平均值，另一种取值是保证频率值。例如若已知烟 囱高度处的风速大于 3m／ s 的频率为 80％，取 ū＝ 3m／ s 可以保证在 80％情况下污染物浓度不超过标 准，而平均地面最大浓度可能比标准更低。 σy／ σz之值在 0.5～ 1.0之间变化。 ④烟囱的最低高度应满足各行业大气污染物排放标准 的要求；烟囱的最低高度应符合批准的环境影响报 告书（表）要求；烟囱的最低高度还应高出周围 200m半径范围的建筑 3m 以上（特殊情况 5m 以 上）。 26

1.3 颗粒污染物控制原理1.3.1 颗粒污染物成因1 、颗粒污染物的来源：天然来源和人为来源。2 、颗粒污染物的分类① 自然性颗粒污染物；② 生活性颗粒污染物；③ 生产

性颗粒污染物。3 、固体颗粒物的成分：无机物和有机物以及吸附成分。4 、颗粒污染物的形成机理（ 1 ）燃烧过程中颗粒物的形成 ① 碳粒子的生成 燃烧过程中生成一些主要成分为碳的粒子，通常由气相反应生成积炭，由液态烃燃料高温分解产生的那些粒子都是结焦或煤胞。 27

② 燃煤烟尘的形成 固体燃料燃烧产生的颗粒物通常称为烟尘，它包括黑烟和 飞灰两部分。黑烟主要是未燃尽的炭粒，飞灰则主要是燃 料所含的不可燃矿物质微粒，是灰分的一部分。飞灰中含 有 Hg 、 As 、 Se 、 Pb 、 Cu 、 Zn 、 Cl 、 Br 、 S ，均属污染 元素，有害健康。煤粉燃烧时，如果燃烧不够理想，甚至 很差，煤不但燃烧不好，而且在高温下发生热解。煤热解 很易形成多环化合物，这样就会冒黑烟。 ③燃煤尾气中飞灰的产生 燃煤尾气中飞灰的浓度和粒度与煤质、燃烧方式、烟气流 速、炉排和炉膛的热负荷、锅炉运行负荷以及锅炉结构等 多种因素有关。 P495 表 3-1-9给出了几种燃烧方式的烟尘 占灰分的百分比。 参见 P495 表 3-1-9 28

燃烧方式对烟尘颗粒分布影响也很大。如表 3-1-8 所示，其中煤粉炉的烟尘颗粒最细。 见 P494 表 3-1-8 在理想条件下，是否容易形成黑烟，与煤的种类和质量有很大关系。易于燃烧又少出现黑烟的燃料顺序为：无烟煤→焦炭→褐煤→低挥发分烟煤→高挥发分烟煤。即烟煤最易形成黑烟。 煤质（灰分和水分含量以及颗粒大小）对排尘浓度也有较大影响。一般灰分越高，排尘浓度就越高。（ 2 ）生产和交通过程中粉尘的产生 ①　物料间剪切压缩造成的尘化作用 ②　诱导空气造成的尘化作用 ③　热气流上升造成的尘化作用 29