大气污染控制工程

张玲，女，济南大学，博士，教授，本科毕业于山东师范大学化学教育专业，在教学教法方面具有较重扎实的理论基础。2005年于山东大学毕业，获博士学位，发表SCI科研论文20余篇，其中一作者的9篇。在济南大学环境工程专业任教13年，先后讲授《大气污染控制工程》等多门环境工程专业课程。在这9年的教学中发现了本课程教材中存在的诸多问题，为本书的书写打下了良好的基础。

第1章概论1

1.1大气的组成1

1.2大气层结构2

1.3大气污染和污染物来源4

1.3.1大气污染4

1.3.2大气污染物的来源4

1.3.3我国大气污染物的排放量和特点6

1.4全球性大气污染问题7

1.4.1温室效应和气候变化8

1.4.2臭氧层破坏10

1.4.3酸雨12

1.5大气污染综合防治12

1.5.1综合防治的基本概念12

1.5.2大气污染的综合防治措施12

1.6大气环境标准14

1.6.1大气环境标准的种类14

1.6.2环境空气质量标准14

1.6.3大气污染物排放标准15

1.6.4空气质量指数及报告15

习题17

第2章大气污染物的生成控制18

2.1燃料的种类、性质及组成表示方法18

2.1.1燃料的种类及性质18

2.1.2燃料组成的表示方法及计算21

2.2燃料燃烧相关的计算23

2.2.1燃料的发热量23

2.2.2燃料燃烧所需空气量的计算24

2.2.3燃料完全燃烧所产生的烟气量计算26

2.3燃料燃烧过程中大气污染物的生成机理及控制30

2.3.1烟尘的生成机理及控制30

2.3.2硫氧化物的生成机理及控制35

2.3.3NOx的生成机理及控制38

2.4机动车大气污染物的生成控制42

2.4.1概述42

2.4.2汽油车的污染控制43

2.4.3柴油车的污染控制46

习题49

第3章除尘技术基础51

3.1流体相关的基本概念51

3.1.1流体51

3.1.2气体的性质52

3.2气溶胶颗粒的粒径54

3.2.1单颗粒粒径54

3.2.2颗粒群的平均粒径56

3.3气溶胶颗粒的粒径分布及分布函数57

3.3.1粉尘粒子的个数分布57

3.3.2粉尘粒子的质量分布58

3.3.3气溶胶颗粒粒径的分布函数60

3.4粉尘的物理性质64

3.4.1粉尘的密度65

3.4.2粉尘的比表面积65

3.4.3粉尘的安息角与滑动角66

3.4.4粉尘的润湿性66

3.4.5粉尘的荷电性和导电性67

3.4.6粉尘的黏附性68

3.4.7粉尘的爆炸性68

3.5气溶胶颗粒的流体阻力69

3.5.1流体阻力简述69

3.5.2球形颗粒的阻力系数69

3.5.3滑动修正系数（肯宁汉修正系数）70

3.5.4流体阻力导致的减速运动71

3.6气溶胶粒子的沉降机制72

3.6.1粉尘粒子的重力沉降72

3.6.2粉尘粒子的离心沉降73

3.6.3粉尘粒子的电力沉降74

3.6.4惯性沉降74

3.6.5扩散沉降77

习题79

第4章除尘装置82

4.1除尘装置的性能及分类82

4.1.1除尘装置的性能82

4.1.2除尘装置的分类85

4.2干式机械除尘器85

4.2.1重力沉降室85

4.2.2惯性除尘器88

4.2.3旋风除尘器89

4.3湿式除尘器97

4.3.1湿式除尘器的分类97

4.3.2湿式除尘器的除尘机制及净化效率99

4.3.3常见的湿式除尘器101

4.4电除尘器107

4.4.1电除尘器的除尘过程108

4.4.2电除尘器的基础理论108

4.4.3电除尘器的除尘效率112

4.4.4电除尘器的结构114

4.4.5电除尘器的分类118

4.4.6粉尘比电阻120

4.5过滤式除尘器122

4.5.1袋式除尘器滤尘机制123

4.5.2袋式除尘器的滤尘过程及除尘效率123

4.5.3袋式除尘器的压力损失126

4.5.4袋式除尘器的滤料和结构类型128

习题134

第5章气态污染物控制技术基础138

5.1吸收法净化气态污染物138

5.1.1吸收平衡139

5.1.2吸收速率142

5.1.3气体吸收传质过程的物料衡算151

5.1.4吸收设备154

5.2吸附法净化气态污染物157

5.2.1吸附的基本理论158

5.2.2吸附剂163

5.2.3吸附设备及工艺流程165

5.3催化转化法净化气态污染物172

5.3.1催化剂和催化作用172

5.3.2气固相催化反应的宏观动力学175

5.3.3机动车尾气的催化净化183

习题184

第6章烟（废）气脱硫脱硝技术188

6.1烟气脱硫概述188

6.1.1大气中SO2的来源及危害188

6.1.2烟气脱硫的主要方法188

6.2湿法脱硫技术190

6.2.1石灰石/石灰法190

6.2.2改进的石灰石/石灰法195

6.2.3海水烟气脱硫工艺197

6.2.4氨法烟气脱硫199

6.3干法/半干法烟气脱硫技术200

6.3.1喷雾干燥法脱硫200

6.3.2烟气循环流化床脱硫技术201

6.3.3炉内喷钙脱硫技术205

6.4活性炭吸附法206

6.5催化转化法208

6.6烟气脱硝概述209

6.7还原法烟气脱硝技术210

6.7.1选择性非催化还原法210

6.7.2选择性催化还原法211

6.7.3非选择性催化还原法213

6.8吸收法脱硝技术213

6.8.1水吸收法213

6.8.2稀硝酸吸收法213

6.8.3碱液吸收法213

6.9吸附法脱硝技术214

6.9.1吸附原理214

6.9.2吸附工艺214

6.9.3影响吸附的因素215

6.10同时脱硫脱硝技术215

6.10.1等离子体烟气脱硫脱硝技术216

6.10.2活性炭吸附联合脱硫脱硝技术218

6.10.3氧化铜联合脱硫脱硝一体化技术219

6.10.4NOXSO法220

6.10.5SNRB法221

6.10.6SNOX法221

6.10.7DESONOX/REDOX脱硫脱硝技术221

习题222

第7章其他常见废气处理技术224

7.1有机废气处理技术224

7.1.1有机废气的来源及危害224

7.1.2燃烧法净化有机废气225

7.1.3微生物法净化有机废气229

7.1.4吸附法净化有机废气233

7.1.5吸收法净化有机废气234

7.1.6冷凝法净化有机废气235

7.1.7有机废气处理新技术简介240

7.2含氯废气的净化241

7.2.1吸收法净化含氯气的废气241

7.2.2吸附法净化含氯废气243

7.3含氟废气的净化244

7.3.1吸收法净化含氟废气244

7.3.2吸附法净化含氟废气245

习题246

第8章大气污染物的稀释扩散控制247

8.1主要气象要素247

8.2大气的热力学过程250

8.2.1太阳、大气和地面的热交换250

8.2.2气温的绝热变化251

8.2.3大气稳定度及其判据252

8.2.4逆温257

8.3大气的水平运动和湍流运动259

8.3.1大气的水平运动259

8.3.2大气的湍流运动261

8.4气象条件和下垫面对大气污染的影响262

8.4.1气象条件对大气污染的影响262

8.4.2下垫面对大气污染的影响264

8.5烟囱高度对大气污染的影响266

8.5.1烟囱的有效源高266

8.5.2常用的烟气抬升高度计算式266

8.6大气污染物的高斯扩散模式269

8.6.1无界空间连续点源扩散的高斯模式269

8.6.2高架连续点源扩散模式271

8.6.3地面连续点源扩散模式272

8.6.4颗粒物扩散模式273

8.7大气污染物浓度的估算273

8.7.1P-G扩散曲线法估算扩散参数σy、σz273

8.7.2中国国家标准中规定的扩散参数σy、σz估算方法275

8.8特殊气象条件下的扩散模式278

8.8.1封闭型扩散模式278

8.8.2熏烟型扩散模式280

8.8.3微风下的扩散模式281

8.8.4危险风速下的扩散模式282

8.9城市和山区的大气扩散模式283

8.9.1城市大气扩散模式283

8.9.2山区大气扩散模式287

8.10长期平均浓度估算288

8.11厂址选择289

习题291

第9章废气净化系统的组成和设计293

9.1废气净化系统的组成293

9.1.1废气净化系统概述293

9.1.2废气净化系统各部分的设计内容294

9.2集气罩设计295

9.2.1集气罩概述295

9.2.2密闭罩295

9.2.3排气柜297

9.2.4外部集气罩298

9.2.5接受式集气罩302

9.2.6吹吸式集气罩304

9.3除尘器的选择和设计306

9.3.1除尘器的选择306

9.3.2重力沉降室设计306

9.3.3旋风除尘器设计308

9.3.4文丘里洗涤器的设计312

9.3.5电除尘器的设计和应用317

9.3.6袋式除尘器的设计和应用321

9.4吸收设备的选择和设计324

9.4.1吸收设备的选择324

9.4.2填料吸收塔的设计计算324

9.5吸附设备的选择和设计329

9.5.1等温固定床吸附过程的计算330

9.5.2移动床吸附过程的计算337

9.6催化转化设备的选择和设计341

9.6.1气固相催化反应器类型及选择341

9.6.2气固相催化反应器的设计基础343

9.6.3气固相催化反应器的设计计算344

9.7烟囱高度设计346

9.7.1烟囱高度的计算方法347

9.7.2烟囱高度设计中应考虑的几个问题348

9.8管道系统的设计350

9.8.1管道系统的设计计算350

9.8.2风机和泵的选择356

9.8.3管道系统布置及部件360

9.8.4管道系统保温、防腐和防爆 364

习题366

参考文献368

第1章

概论

1.1大气的组成

按照国际化标准组织（ISO)的定义，大气(atmosphere)是指环绕地球的全部空气的总和。环境空气(ambient air)是指暴露在人群、植物、动物和建筑物之外的室外空气。可见，“大气”和“空气”是同义词，其组成成分在均质层内是一样的，区别是“大气”的范围更大，“空气”的范围相对小些。本书除在讨论大气的组成及结构、臭氧层破坏时所用“大气”一词涉及更大范围以外，其余部分所用“大气”和“空气”都是指与人类活动关系密切的“环境空气”。

大气由干洁空气、水蒸气和悬浮颗粒物三部分组成。干洁空气的主要成分是氮气

（N2）、氧气（O2）和氩气（Ar），三者共占干洁空气总体积的99.96%；其他成分仅占0.04%左右。干洁空气的组成见表1-1。

大气的湍流运动和动植物的代谢作用使不同高度、不同地区的空气进行交换和混合，因而在85km以下的大气层中除CO，和臭氧外，干洁空气组成的比例基本保持不变，称为均质层。均质层以上的大气层中，以分子扩散为主，气体组成随高度而变化，称为非均质层。干洁空气的平均分子量为28.966，在标准状态下（273.15K，101325Pa），其密度为

1.293kg/m³。CO2和臭氧是干洁空气中的可变成分，对大气的温度分布影响较大。

CO2来源于大气底层燃料的燃烧、动物的呼吸和有机物的腐解等，因此它主要集中在20km以下的大气层内，其含量因时空而异，夏季多于冬季，陆地多于海洋，城市多于农村。

臭氧是大气中的微量成分之一，总质量约为3.29×10°t，占大气质量的0.64×10-6。它的含量随时空变化很大，在10km以下含量甚微，从10km往上，含量随高度增加而增加，到20~25km高空处，含量达到最大值，称为臭氧层，再往上又减少。臭氧层能大量吸收太阳辐射中波长小于0.32um的紫外线，从而保护地球上有机体的生命活动。

大气中的水蒸气来源于地表水的蒸发，其平均体积分数不到0.5%，随时空和气象条件而变化。在热带多雨地区，其体积分数可达4%；而在沙漠和两极地区，其体积分数不到0.01%。一般低纬度地区高于高纬度地区，夏季高于冬季，下层高于上层。观察表明，在1.5~2.0km高度上，空气中的水蒸气减小到地面的1/2，在5km高度上则减少到地面的1/10，再往上就更少了。水蒸气是大气中唯一能发生相变的成分，这种相变引起大气中云、雨、露、雪、雾、雹等天气现象的发生，故在天气变化中极为重要。

大气中的悬浮颗粒物是指飘浮在空气中的固态和液态颗粒物质，其粒径一般在10-μm到几十微米之间，多集中于大气低层，含量和成分都是变化的。一般陆地多于海上，城市多于农村，冬季多于夏季。其中有些物质是引起大气污染的物质。它们的存在对辐射的吸收和散射，云、雾和降水的形成等具有重要作用，对大气污染有重要影响。

……

教材共9章，第1章为概论，主要内容按“大气污染物的生成控制——颗粒污染物的控制——气态污染物的控制——稀释扩散控制——废气净化系统设计理论”的主线编排，力求理论联系实际，注重培养学生分析和解决大气污染工程实践问题的能力。为便于学生学习，教材以二维码的形式给出了部分章节中个别公式的推导过程，同时给出了部分阅读材料，学生可自行选择。