PAGEPAGE123第三部分大氣環(huán)境工程學(xué)第九章空氣環(huán)境與空氣污染9.1空氣環(huán)境9.1.1空氣的組成空氣組成是由多種氣體混合而成的，其組成可以分為三部分：干燥清潔的空氣、水蒸氣和各種雜質(zhì)。干潔空氣的主要成分是氮、氧、氬和二氧化碳?xì)怏w，其含量占全部干潔空氣的99.996%（體積）；氖、氦、氪、甲烷等次要成分只占0.004%左右。表9.1列出了鄉(xiāng)村或遠(yuǎn)離大陸的海洋上空典型的干燥空氣的化學(xué)組成。表9.1干潔空氣的組成成分分子量體積比/%成分分子量體積比/9.6氮（N2）28.0178.084±0.004氖（Ne）20.181.8氧（O2）32.0020.946±0.002氦（He）4.0035.2氬（Ar）39.940.934±0.001甲烷（CH4）16.041.2二氧化碳（CO2）44.010.033±0.001氪（Kr）83.800.5氫（H2）2.0160.5氙（Xe）131.300.08二氧化氮（NO2）46.050.02臭氧（O3）48.000.01～0.04由于空氣的垂直運(yùn)動(dòng)、水平運(yùn)動(dòng)、湍流運(yùn)動(dòng)及分子擴(kuò)散，使不同高度、不同地區(qū)的大氣得以交換和混合，因而從地面到90km的高度，干潔空氣的組成基本保持不變。空氣中的水蒸氣含量，平均不到0.5%，而且隨著時(shí)間、地點(diǎn)和形象條件等不同而有較大變化，其變化范圍可達(dá)0.01%~4%，但卻導(dǎo)致了各種復(fù)雜的天氣現(xiàn)象：云、霧、雨、雪、霜、露等，這些現(xiàn)象不僅引起空氣濕度的變化，而且還導(dǎo)致空氣中熱能的輸送和交換。水蒸氣吸收太陽(yáng)輻射的能力較弱，但吸收地面長(zhǎng)波輻射的能力卻較強(qiáng)，所以對(duì)地面的保溫起著重要的作用。空氣中的各種雜質(zhì)是由于自然過(guò)程和人類活動(dòng)排到空氣中的各種懸浮微粒和氣態(tài)物質(zhì)形成的?？諝庵械膽腋∥⒘＃擞伤魵饽Y(jié)成的水滴和冰晶外，主要是各種有機(jī)的或無(wú)機(jī)的固體微粒。有機(jī)微粒數(shù)量較少，主要是植物花粉、微生物、細(xì)菌、病毒等。無(wú)機(jī)微粒數(shù)量較多，主要有巖石或土壤風(fēng)化后的塵粒、流星在大氣層中燃燒后產(chǎn)生的灰燼、火山噴發(fā)后留在空氣中的火山灰、海洋中浪花濺起在空中蒸發(fā)留下的鹽粒，以及地面上燃料燃燒和人類活動(dòng)產(chǎn)生的煙塵等。空氣中的各種氣態(tài)物質(zhì)，也是由于自然過(guò)程和人類活動(dòng)產(chǎn)生的，主要有硫氧化物、氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳、硫化氧、氨、甲烷、甲醛、烴蒸氣、惡臭氣體等。9.1.2大氣圈垂直結(jié)構(gòu)地球表面環(huán)繞著一層很厚的氣體，稱為環(huán)境大氣或地球大氣，簡(jiǎn)稱大氣，是自然環(huán)境的重要組成部分，是人類及生物賴以生存的必不可少的物質(zhì)。自然地理學(xué)將受地心引力而隨地球旋轉(zhuǎn)的大氣層稱為大氣圈。大氣圈與宇宙空間之間很難確切劃分,在大氣物理學(xué)和污染氣象學(xué)研究中,常把大氣圈的上界定為1200～1400km以外，氣體非常稀薄，就是宇宙空間了。大氣圈的垂直結(jié)構(gòu)是指氣象要素的垂直分布情況，如氣溫、氣壓、大氣密度和大氣成分的垂直分布等。這里主要對(duì)氣溫的垂直分布情況作一簡(jiǎn)介。根據(jù)氣溫在垂直于下墊面（即地球表面情況）方向上的分布，可將大氣圈分為五層：對(duì)流層、平流層、中間層、暖層和散逸層（圖9.1）。（1）對(duì)流層：對(duì)流層是大氣圈最低的一層。由于對(duì)流程度在熱帶要比寒帶強(qiáng)烈，故自下墊面算起的對(duì)流層的厚度隨緯度增加而降低；赤道處約16～17km，中緯度地區(qū)約10～12km，兩極附近只有8～9km。對(duì)流層的主要特征是：①對(duì)流層雖然較薄，但卻集中了整個(gè)大氣質(zhì)量的3/4和幾乎全部水蒸氣，主要的大氣現(xiàn)象都發(fā)生在這一層中，它是天氣變化最復(fù)雜、對(duì)人類活動(dòng)影響最大的一層；②大氣溫度隨高度增加而降低，每升高100m平均降溫約0.65℃；③空氣具有強(qiáng)烈的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，主要是由于下墊面受熱不均及其本身特性不同造成的；④溫度和濕度的水平分布不均勻，在熱帶海洋上空，空氣比較溫暖潮濕，在高緯度內(nèi)陸上空，空氣比較寒冷干燥，因此也經(jīng)常發(fā)生大規(guī)模空氣的水平運(yùn)動(dòng)。對(duì)流層的下層，厚度約為1～2km，其中氣流受地面阻滯和摩擦的影響很大，稱為大氣邊界層（或摩擦層）。其中從地面到50～100m左右的一層又稱近地層。在近地層中，垂直方向上熱量和動(dòng)量的交換甚微，所以上下氣溫之差很大，可達(dá)1～2℃。在近地層以上，氣流受地面摩擦的影響越來(lái)越小。在大氣邊界層以上的氣流，幾乎不受地面摩擦的影響，所以稱為自由大氣。在大氣邊界層中，由于受地面冷熱的直接影響，所以氣溫的日變化明顯，特別是近地層，晝夜可相差十幾乃至幾十度。由于氣流運(yùn)動(dòng)受地面摩擦的影響，故風(fēng)速隨高度的增高而增大。在這一層中，大氣上下有規(guī)則的對(duì)流和無(wú)規(guī)則的湍流運(yùn)動(dòng)都比較盛行，加上水汽充足，直接影響著大氣污染物的傳輸、擴(kuò)散和轉(zhuǎn)化。（2）平流層：從對(duì)流層頂?shù)?0～55km高度的一層稱為平流層。從對(duì)流層頂?shù)?5～40km左右的一層，氣溫幾乎不隨高度變化，為-55℃左右，故稱為同溫層。從這以上到平流層頂，氣溫隨高度增高而增高，至平流層頂達(dá)-3℃左右，亦稱逆溫層。平流層集中了大氣中大部分臭氧（O3），并在20～25km高度上達(dá)到最大值，形成臭氧層。臭氧層能強(qiáng)烈吸收波長(zhǎng)為200～300nm的太陽(yáng)紫外線，保護(hù)了地球上的生命免受紫外線傷害。在平流層中，幾乎沒有大氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)，大氣垂直混合微弱，極少出現(xiàn)雨雪天氣，所以進(jìn)入平流層中的大氣污染物的停留時(shí)間很長(zhǎng)。特別是進(jìn)入平流層的氟氯碳（CFCs）等大氣污染物，能與臭氧發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，致使臭氧層的臭氧逐漸減少。（3）中間層：從平流層頂?shù)?5km高度的一層稱為中間層。這一層的特點(diǎn)是，氣溫隨高度升高而迅速降低，其頂部氣溫可達(dá)-83℃以下。因此大氣的對(duì)流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，垂直混合明顯。（4）暖層：從中間層頂?shù)?00km高度為暖層。其特點(diǎn)是，在強(qiáng)烈的太陽(yáng)紫外線和宇宙射線作用下，再度出現(xiàn)氣溫隨高度升高而增高的現(xiàn)象。暖層氣體分子被高度電離，存在著大量的離子和電子，故又稱為電離層。（5）散逸層：暖層以上的大氣層統(tǒng)稱為散逸層。它是大氣的外層，氣溫很高，空氣極為稀薄，空氣粒子的運(yùn)動(dòng)速度很高，可以擺脫地球引力而散逸到太空中。大氣壓力的垂直分布，總是隨著高度的升高而降低，并可用氣體靜力學(xué)方程來(lái)描述。大氣密度隨高度的變化幾乎和壓力的變化規(guī)律相同。大氣成分的垂直分布，主要取決于分子擴(kuò)散和湍流擴(kuò)散的強(qiáng)弱。在80～85km以下的大氣層中，以湍流擴(kuò)散為主，大氣的主要成分氮和氧的組成比例幾乎不變，稱作均質(zhì)大氣層（簡(jiǎn)稱均質(zhì)層）。在均質(zhì)層以上的大氣層中，以分子擴(kuò)散為主，氣體組成隨高度變化而變化，稱為非均質(zhì)層。這層中較輕的氣體成分有明顯增加。圖9.1大氣垂直方向的分層9.1.3主要?dú)庀笠丶翱諝獾奈锢硇阅鼙硎究諝鉅顟B(tài)的物理量和物理現(xiàn)象，稱為氣象要素。氣象要素主要有：氣溫、氣壓、氣濕、風(fēng)向、風(fēng)速、云況、能見度等。這些氣象要素，都是從觀測(cè)中直接獲得。下面對(duì)幾個(gè)主要?dú)庀笠丶捌渖婕暗降目諝馕锢硇阅茏饕缓?jiǎn)介。（1）氣溫氣象上講的地面氣溫一般是指距地面1.5m高處的百葉箱中觀測(cè)到的空氣溫度。表示氣溫的單位一般用攝氏溫度℃，或用熱力學(xué)溫度K。（2）氣壓氣壓是指空氣的壓強(qiáng)。氣壓?jiǎn)挝挥门粒≒a），1Pa=1N/m2。氣象上采用百帕（hPa）作單位，1hPa=100Pa。國(guó)際上規(guī)定：溫度0℃、緯度45

的海平面上的氣壓為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，即1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓P0=101325Pa=1013.25hPa（3）氣濕空氣的濕度簡(jiǎn)稱氣濕，表示空氣中水汽含量的多少。氣濕常用的表示方法有絕對(duì)濕度、水汽壓、飽和水汽壓、相對(duì)濕度、含濕量、水汽體積分?jǐn)?shù)及露點(diǎn)等。①絕對(duì)濕度：在1m3濕空氣中含有的水汽質(zhì)量（kg），稱為濕空氣的絕對(duì)濕度。由理想氣體狀態(tài)方程可得到：（9-1）式中：——空氣的絕對(duì)濕度，kg/m3（濕空氣）；——水汽分壓，Pa；——水汽的氣體常數(shù)，=461.4J/（kg·K）；——空氣溫度，K。②相對(duì)濕度：空氣的絕對(duì)濕度與同溫度下飽和空氣的絕對(duì)濕度之百分比，稱為空氣的相對(duì)濕度。由式（9-1）可知，它等于空氣的水汽分壓與同溫度下飽和空氣的水汽分壓之百分比，即（9-2）式中：——空氣的相對(duì)濕度，%；——飽和絕對(duì)濕度，kg/m3（飽和空氣）；——飽和空氣的水汽分壓Pa。③含濕量：濕空氣中1kg干空氣所包含的水汽質(zhì)量（kg）稱為空氣的含濕量，氣象中也稱為比濕，其定義式為（9-3）式中：——空氣的含濕量，kg（水汽）/kg（干空氣）；——干空氣的密度，kg/m3。由理想氣體狀態(tài)方程及式（9-1）、（9-2）和（9-3），可將含濕量表示成：（9-4）式中：——濕空氣的總壓力；——干空氣分壓，因而有。干空氣的氣體常數(shù)=287.0J/(kg·K)，則=287.0/461.4=0.622，代入式（9-4）得（9-5）在工程中常將濕空氣的含濕量定義為1標(biāo)準(zhǔn)立方米（1m3N）干空氣所包含的水汽質(zhì)量（kg），其單位是kg水汽/m3N干空氣，并用表示，則得（9-6）式中：為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（273.15K101325Pa）下干空氣的密度（kg/m3N）?？紤]到=0.804/，則得（9-7）④水汽體積分?jǐn)?shù)：對(duì)于理想氣體來(lái)說(shuō)，混合氣體中某一氣體的體積分?jǐn)?shù)等于其摩爾分?jǐn)?shù)，所以水汽的體積分?jǐn)?shù)可表示成：（9-8）圖9.2風(fēng)向的16個(gè)方位⑤露點(diǎn)：在一定氣壓下空氣達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的溫度，稱為空氣的露點(diǎn)。如上例中，若空氣相對(duì)濕度=100%，即3746.5Pa，則此時(shí)空氣的露點(diǎn)即為28℃。圖9.2風(fēng)向的16個(gè)方位（4）風(fēng)向和風(fēng)速氣象上把水平方向的空氣運(yùn)動(dòng)稱為風(fēng)，垂直方向的空氣運(yùn)動(dòng)則稱為升降氣流。風(fēng)是一個(gè)矢量，具有大小和方向。風(fēng)向是指風(fēng)的來(lái)向。例如，風(fēng)從東方來(lái)稱東風(fēng)；風(fēng)往北吹稱南風(fēng)。風(fēng)向可用8個(gè)方位或16個(gè)方位表示。也可用角度表示，如圖9.2所示。風(fēng)速是指單位時(shí)間內(nèi)空氣在水平方向運(yùn)動(dòng)的距離，單位用m/s或km/h表示。通常氣象臺(tái)站所測(cè)定的風(fēng)向、風(fēng)速，都是指一定時(shí)間（如2min或10min）的平均值。有時(shí)也需要測(cè)定瞬時(shí)風(fēng)向、風(fēng)速。根據(jù)自然現(xiàn)象將風(fēng)力分為13個(gè)等級(jí)（0~12級(jí)），若用F表示風(fēng)力等級(jí)，則風(fēng)速u（單位：km/h）為（9-9）（5）云云是飄浮在空中的水汽凝結(jié)物。這些水汽凝結(jié)物是由大量小水滴或小冰晶或兩者的混合物構(gòu)成的。云的生成與否、形成特征、量的多少、分布及演變，不僅反映了當(dāng)時(shí)大氣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而且預(yù)示著天氣演變的趨勢(shì)。云對(duì)太陽(yáng)輻射和地面輻射起反射作用，反射的強(qiáng)弱視云的厚度而定。白天，云的存在阻擋太陽(yáng)向地面輻射，所以陰天地面得到的太陽(yáng)輻射減少。夜間云層的存在，特別是有濃厚的低云時(shí)，使地面向上的長(zhǎng)波輻射反射回地面，因此地面不容易冷卻。云層存在的效果是使氣溫隨高度的變化減小。從污染物擴(kuò)散的觀點(diǎn)看，主要關(guān)心的是云量及云高。①云高：云高是指云底距地面的高度，根據(jù)云底高度可將云分為：高云——云底高度一般在5000m以上，它是由冰晶組成的，云體呈白色，有蠶絲般光澤，薄而透明；中云——云底高度一般在2500~5000之間，由過(guò)冷的微小水滴及冰晶構(gòu)成，顏色為白色或灰白色，沒有光澤，云體稠密；低云——云底高度一般在2500m以下，不穩(wěn)定氣層中的低云常分散為孤立大云塊，穩(wěn)定層中的低云云層低而黑，結(jié)構(gòu)稀松。②云量：云量是指云遮蔽天空的成數(shù)。我國(guó)將天空分為十份，云遮蔽了幾份，云量就是幾。例如碧空無(wú)云，云量為零，陰天云量為十。國(guó)外常將天空分為八等份，云遮蔽幾份，云量就是幾。兩者間的換算關(guān)系為國(guó)外云量×1.25=我國(guó)云量總云量：指所有的云遮蔽天空的成數(shù)，不論云的層次和高度。低云量：指低云遮蔽天空的成數(shù)。云量記錄：一般總云量和低云量以分?jǐn)?shù)的形式記入觀測(cè)記錄?？傇屏孔鳛榉肿?，低云量作分母，如10/7，5/5，7/2等等。任何情況下，低云量不得大于總云量。（6）能見度能見度是指視力正常的人在當(dāng)時(shí)的天氣條件下，能夠從天空背景中看到或辯認(rèn)出的目標(biāo)物（黑色、大小適度）的最大水平距離，單位用m或km。能見度表示了大氣清潔、透明的程度。能見度的觀測(cè)值通常分為10級(jí)，如表9.2所示。表9.2能見度級(jí)數(shù)與白日視程能見度級(jí)白日視程/m0＜50150～2002200～5003500～100041000～200052000～400064000～10000710000～20000820000～500009＞500009.2空氣污染9.2.1空氣污染含義空氣污染系指由于人類活動(dòng)或自然過(guò)程使得某些物質(zhì)進(jìn)入空氣中，呈現(xiàn)出足夠的濃度，達(dá)到了足夠的時(shí)間，并因此危害了人體的舒適、健康和人們的福利，甚至危害了生態(tài)環(huán)境。所謂人類活動(dòng)不僅包括生產(chǎn)活動(dòng)，而且也包括生活活動(dòng)，如做飯、取暖、交通等。自然過(guò)程則包括山林火災(zāi)、海嘯、土壤和巖石的風(fēng)化及大氣圈中空氣運(yùn)動(dòng)等。一般說(shuō)來(lái)，由于自然環(huán)境所具有的物理、化學(xué)和生物機(jī)能（即自然環(huán)境的自凈作用），會(huì)使自然過(guò)程造成的大氣污染，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后自動(dòng)消除（即生態(tài)平衡自動(dòng)恢復(fù)）。所以可以說(shuō)，空氣污染主要是人類活動(dòng)造成的。9.2.2空氣污染的影響空氣污染對(duì)人體的舒適、健康的危害，包括對(duì)人體的正常環(huán)境和生理機(jī)能的影響，引起急性病、慢性病以致死亡等。空氣污染物侵入人體主要有三條途徑：表面接觸、食入含污染物的食物和水、吸入被污染的空氣，其中以第三條途徑最為重要?？諝馕廴緦?duì)人全健康的危害主要表現(xiàn)為引起呼吸道疾病。在突然的高濃度污染物作用下，可造成急性中毒，甚至在短時(shí)間內(nèi)死亡。長(zhǎng)期接觸低濃度污染物，會(huì)引起支氣管炎，支氣管哮喘、肺氣腫和肺癌等病癥。此外，還發(fā)現(xiàn)一些尚未查明的可能與大氣污染有關(guān)的疑難病癥。空氣污染對(duì)植物的傷害，通常發(fā)生在葉子結(jié)構(gòu)中，因?yàn)槿~子含有整棵植物的構(gòu)造機(jī)理。最常遇到的毒害植物的氣體是：二氧化硫、臭氧、PAN、氟化氫、乙烯、氯化氫、氯、硫化氫和氨。空氣污染對(duì)金屬制品、油漆涂料、皮革制品、紙制品、紡織品、橡膠制品和建筑物等的損害也是嚴(yán)重的。這種損害包括玷污性損害和化學(xué)性損害兩個(gè)方面。玷污性損害主的是粉塵、煙等顆粒物落在器物上面造成的，有的可以清掃沖洗除去，有的很難除去，例如煤油中的焦油等?；瘜W(xué)性損害是由于污染物的化學(xué)作用，使器物和材料腐蝕或損壞。大氣污染最常見的后果之一是大氣能見度降低，對(duì)能見度有潛在影響的污染物有：總懸浮顆粒物（TSP）、可吸入顆粒物（PM10）、可入肺顆粒物（PM2.5）等；SO2和其他氣態(tài)含硫化合物，因?yàn)檫@些氣體在空氣中以較大的反應(yīng)速率生成硫酸鹽和硫酸氣溶膠粒子；NO和NO2，在空氣中反應(yīng)生成硝酸鹽和硝酸氣溶膠粒子，還在某些條件下，紅棕色的NO2會(huì)導(dǎo)致煙羽和城市霾云出現(xiàn)可見著色；光化學(xué)煙霧，這類反應(yīng)生成亞微米的氣溶膠粒子。大氣能見度的降低，不僅會(huì)使人感到不愉快，而且會(huì)造成極大的心理影響，還會(huì)產(chǎn)生交通安全方向的危害。已被證實(shí)的全球性影響，如CO2等溫室氣體引起的溫室效應(yīng)以及SO2、NOx排放產(chǎn)生的酸雨等。除此之外，在較低大氣層中的懸浮顆粒物形成水蒸氣的“凝結(jié)核”。當(dāng)空氣中水蒸氣達(dá)到飽和時(shí)，就會(huì)發(fā)生凝結(jié)現(xiàn)象。在較高的溫度下，凝結(jié)成液態(tài)小水滴；而在溫度很低時(shí)，則會(huì)形成冰晶。這種“凝結(jié)核”作用有可能潛在地導(dǎo)致降水的增加或減少。對(duì)特殊情況的研究尚未取得一致結(jié)果，一些研究證明降水將增加，例如顆粒物濃度高的城區(qū)和工業(yè)區(qū)的降雨量明顯大于其周圍相對(duì)清潔區(qū)的降雨量，通過(guò)云催化造成的冰核少量增加來(lái)進(jìn)行人工降雨等。另有一些研究表明降水會(huì)減少。一些研究者認(rèn)為，那些伴隨著大規(guī)模氣團(tuán)停滯的大范圍的霾層，可能也會(huì)有一些氣候意義。由于太陽(yáng)輻射的散射損失和吸收損失，氣溶膠粒子會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的降低。計(jì)算表明，在受影響的氣團(tuán)區(qū)域，輻射一散射損失可能會(huì)致使氣溫降低1℃。雖然這是一種區(qū)域性影響，但它在很大的地區(qū)內(nèi)起作用，以致具有某種全球性影響。9.2.3空氣污染的類型空氣污染類型主要取決于所用能源性質(zhì)和污染物的化學(xué)反應(yīng)特性。同時(shí)氣象條件也起著重要的作用（如陽(yáng)光、風(fēng)、濕度及是否有逆溫等），從空氣污染的發(fā)展歷史來(lái)看，可根據(jù)不同的出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行不同分類。(1)按空氣污染物的化學(xué)性質(zhì)分類。第一，還原型（煤煙型）。它常發(fā)生在以使用煤炭為主，同時(shí)也使用石油的地區(qū)，它的主要污染物是SO2，CO和微粒物質(zhì)。它們遇上低溫，高濕度的陰天，且風(fēng)速很小并伴有逆溫存在的情況時(shí)，一次污染物擴(kuò)散受阻，易在低空聚積，以致生成了還原性煙霧，污染早期類型的典型——倫敦?zé)熿F事件便是這種類型，所以，人們也之為倫敦?zé)熿F型。第二，氧化型（石油型）。這種類型大多發(fā)生在采用石油為燃料的地區(qū)。污染物的主要來(lái)源是汽車尾氣和燃油鍋爐以及石油化工企業(yè)，主要的一次污染物是CO、NOx和HC，這些物質(zhì)在太陽(yáng)輻射作用下能引起光化學(xué)反應(yīng)、生成二次污染物O3，醛類和PAN等物質(zhì)。由于它們是強(qiáng)氧化性物質(zhì)，所以可以造成橡膠開裂，眼睛等粘膜引起強(qiáng)烈刺激和呼吸系統(tǒng)疾病，這種煙霧稱為光化學(xué)煙霧。以美國(guó)洛杉磯最為典型，所以，也稱之為洛杉磯型光化學(xué)煙霧。第三，酸雨型（酸性降水型）。它是由煤炭和石油在燃燒或加工過(guò)程中產(chǎn)生的混合污染物造成的空氣污染，或者是由工業(yè)企業(yè)排放的各種混合污染物造成的空氣污染。如酸性降水就屬于這種類型。第四條，特殊型。它是指生產(chǎn)和使用過(guò)程中向空氣排放有毒有害物質(zhì)而造成的局部地區(qū)乃至全球性空氣污染，因大部分是由于特殊原因和某種特殊的污染物所致，所以稱為特殊型空氣污染。這種類型的污染大部分是因事故性泄漏的氟化物、氯氣、硫化氫、汞和其他金屬蒸氣等污染物造成的局部空氣污染事件，和由于人類大量排放CO2、CH4、CFCs等有害物引起溫室效應(yīng)和臭氧層破壞這類全球性空氣污染事件。(2)按空氣污染的范圍分類。從空氣污染范圍大小出發(fā)，還可將空氣污染分為局部地區(qū)污染、地區(qū)性污染、區(qū)域性污染和全球性污染四大類。所謂局部地區(qū)污染，是指污染源附近極小范圍的污染；地區(qū)性污染，指某工廠區(qū)域的污染；區(qū)域性污染，指大工業(yè)城市及其附近的污染；全球性污染，是污染超越國(guó)界，影響全球。如酸雨、溫室效應(yīng)和臭氧層破壞等。當(dāng)然，也可以把空氣污染劃分為室內(nèi)污染和室外污染兩大類。9.2.4室內(nèi)空氣污染室內(nèi)空氣污染可以定義為：由于室內(nèi)引入能釋放有害物質(zhì)的污染源或室內(nèi)環(huán)境通風(fēng)不佳而導(dǎo)致室內(nèi)空氣中有害物質(zhì)無(wú)論是從數(shù)量上還是種類上不斷增加，并引起人的一系列不適癥狀，稱為室內(nèi)空氣受到了污染。室內(nèi)空氣污染從史前人類于洞穴中用火時(shí)就開始了。但顯然，當(dāng)時(shí)史前人類面臨著比空氣污染更大的生存壓力。對(duì)室內(nèi)氣體最早的系統(tǒng)研究是在20到30年代開始的。當(dāng)時(shí)人們致力于研究室內(nèi)最佳通風(fēng)條件以使室內(nèi)O2與CO2之比處在最佳比例并排除室內(nèi)不雅體味。60年代及70年代早期，人們開始評(píng)估室內(nèi)空氣污染物濃度與工業(yè)及市區(qū)空氣污染物濃度之間的關(guān)系，這些污染物包括SO2，顆粒物，O3及NOx。70年代中期，人們發(fā)現(xiàn)某些污染物的室內(nèi)濃度高于其室外濃度。這一發(fā)現(xiàn)引起了人們極大的研究興趣。室內(nèi)空氣質(zhì)量問(wèn)題隨之成為重要環(huán)境問(wèn)題之一。環(huán)境工程學(xué)致力于保護(hù)人類健康。對(duì)此，室內(nèi)空氣質(zhì)量無(wú)法被忽略。人們每天平均吸入大約75%的環(huán)境流體質(zhì)量是室內(nèi)空氣。因此，如果室內(nèi)空氣污染物濃度很高時(shí)，人們處在污染物中的危險(xiǎn)是很大的。人們對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量的關(guān)注主要是健康風(fēng)險(xiǎn)如疾病以及與健康有關(guān)的其它方面。如由室內(nèi)空氣污染物引起的氣味、刺激性和過(guò)敏反應(yīng)。同時(shí)，人們現(xiàn)在很關(guān)注“樓群綜合癥”及它對(duì)工作效率的影響。除此之外，室內(nèi)空氣質(zhì)量還對(duì)物質(zhì)損害有影響。許多人類珍貴的擁有品一藝術(shù)作品和文化遺產(chǎn)如保存在室內(nèi)的那些，正面臨著被空氣污染物破壞的危險(xiǎn)。室內(nèi)空氣污染物還會(huì)毀壞電子儀器。居住在寒帶的人們，可能有70%～90%的時(shí)間在室內(nèi)活動(dòng)。最近20年來(lái)，研究人員對(duì)室內(nèi)空氣污染物的來(lái)源、濃度及影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，在某些情況下，室內(nèi)空氣污染的程度可能比室外更嚴(yán)重。使用火爐操作不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生一氧化碳的問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題一直被人們所關(guān)注。人們因使用火爐不當(dāng)而致死的事例已有許多。最近，由煤氣爐、烤箱、煤油加熱器及吸煙等引起的慢性、低濃度的CO污染已引起人們的關(guān)注。雖然致力于減少或消除煤氣爐、烤箱等污染的努力并未見效，但人們希望抽煙者不要影響別人所呼吸空氣的質(zhì)量。雖然氡氣不被視為空氣污染物，但發(fā)現(xiàn)在住宅中有相當(dāng)高的濃度。氡氣是一種從天然地質(zhì)過(guò)程或建筑材料中釋放射出的一種放射性氣體。與前面所討論的污染物不同，它不來(lái)自住戶的活動(dòng)。目前已經(jīng)測(cè)得，在室內(nèi)空氣中有300多種揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs），如醛類、烷類、烯類、醚類、酮類及多環(huán)芳烴（PAHs）等，雖然它們并不同時(shí)全部存在，但卻經(jīng)常有好幾種同時(shí)存在。其中甲醛（CH2O）則是最普遍存在且毒性較強(qiáng)的化合物。甲醛并不是由住戶的活動(dòng)所產(chǎn)生的，而是由一些消費(fèi)產(chǎn)品和建筑材料釋放出來(lái)的，包括壓木制品、絕緣材料（尿素—甲醛發(fā)泡絕緣體）、紡織品，也從燃料燃燒產(chǎn)生。與那些只要有人類活動(dòng)就會(huì)連續(xù)產(chǎn)生的空氣污染物不同，甲醛只有在新的材料被帶進(jìn)住宅時(shí)才會(huì)產(chǎn)生。讓房子通風(fēng)一段時(shí)間，甲醛的濃度便會(huì)降下來(lái)。室內(nèi)空氣中重金屬的主要來(lái)源是未經(jīng)過(guò)濾的室外空氣、泥土和灰塵。砷、鎘、鉻、汞、鋁及鎳均在室內(nèi)空氣中被檢測(cè)出過(guò)。鉛及汞可能來(lái)自油漆等室內(nèi)污染源。舊的鉛漆在磨損或去除過(guò)程中，會(huì)造成鉛顆粒污染。汞蒸氣則是從防止真菌生長(zhǎng)而使用含聯(lián)苯十二烯基丁二酸汞的乳狀涂料中釋放出來(lái)的。根據(jù)污染物的形成原因和進(jìn)入室內(nèi)的不同渠道，室內(nèi)污染物主要來(lái)源于兩方面：一是來(lái)源于室內(nèi)本身污染造成的，二是受室外污染影響（即位于臨近工廠或交通道口的居民受到外界工廠、交通污染等的影響），見表9.5。表9.5室內(nèi)空氣污染來(lái)源表污染源產(chǎn)生的污染物危害室內(nèi)建筑材料，磚瓦，混凝土，板材，石材，保溫材料，涂料，粘結(jié)劑氨、甲醛、氡，放射性核素，石棉纖維，有機(jī)物頭昏、病變，塵肺，誘發(fā)冠心病、肺水腫及致癌清潔劑，除臭劑，殺蟲劑，化妝品苯及同系物，醇，氯仿，脂肪烴類，多種揮發(fā)有機(jī)物致癌燃料燃燒CO，TP，NO2，SO2呼吸道強(qiáng)烈刺激，鼻、咽等疾病吸煙CO，CO2，NOX，烷、烯烴，尼古丁，焦油，芳香烴等呼吸系統(tǒng)疾病，癌癥呼吸，皮膚、汗腺代謝活動(dòng)CO2，NH3，CO，甲醇，乙醇，醚頭昏、頭痛，神經(jīng)系統(tǒng)疾病室內(nèi)微生物（來(lái)源人體病源微生物及寵物）結(jié)核桿菌，白喉，霉菌，螨蟲，溶血性鏈球菌，金黃色葡萄球菌各種傳染疾病復(fù)印機(jī)、空調(diào)、家電O3，有機(jī)物刺激眼睛，頭痛、致癌室外工業(yè)污染物SO2，NOx，TSP，HF呼吸道、心肺病、氟骨病交通污染物CO，HC腦血管病光化學(xué)反應(yīng)O3破壞深部呼吸道植物花粉、孢子、萜類化合物哮喘，皮疹，皮炎，過(guò)敏反應(yīng)環(huán)境中微生物真菌，酵母菌各類皮膚傳染病房基地Rn呼吸系統(tǒng)病、肺癌人為帶入室內(nèi)（工作服）苯、Pb、石棉等各污染物相關(guān)疾病思考題和習(xí)題1.CCl4氣體與空氣混合成體積分?jǐn)?shù)為1.50×9.4的混合氣體，在管道中流動(dòng)的流量為10m3N/s，試確定：①CCl4在混合氣體中的質(zhì)量濃度（g/m3N）和摩爾濃度c（mol/m3N）；②每天流經(jīng)管道的CCl4質(zhì)量是多少千克？2.成人每次吸入的空氣量平均為500cm3，假若每分鐘呼吸15次，空氣中顆粒物的濃度為200μg/m3，試計(jì)1.干潔空氣中N2、O2、Ar和CO2氣體所占的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)是多少？算每小時(shí)沉積于肺泡內(nèi)的顆粒物質(zhì)量。已知該顆粒物在肺泡中的沉降系數(shù)為0.12。3.什么是氧化型空氣污染？什么是還原型空氣污染？試列表分析兩類空氣污染的特征。4.什么是溫室氣體？簡(jiǎn)述溫室效應(yīng)導(dǎo)致氣候變化對(duì)自然界和人類的影響。5.試分析室內(nèi)空氣污染的來(lái)源，并提出改善空氣質(zhì)量的有效對(duì)策。PAGEPAGE152第十章空氣污染凈化系統(tǒng)概述10.1空氣污染凈化方法分類大氣污染物的凈化，實(shí)際上是一個(gè)混合物的分離問(wèn)題。氣溶膠污染物，屬于非均相混合物。將固態(tài)或液態(tài)粒子從氣體介質(zhì)中分離出來(lái)的凈化方法稱為氣體除塵。對(duì)于非均相混合物，一般都采用物理方法進(jìn)行分離，分離的依據(jù)是氣體分子與固態(tài)（或液態(tài)）粒子在物理性質(zhì)上的差異。如由于較大粒子的密度比氣體分子大得多，則可利用重力、慣性力、離心力（統(tǒng)稱為質(zhì)量力）進(jìn)行分離，統(tǒng)稱為機(jī)械分離方法；由于粒子的尺寸和質(zhì)量較氣體分子大得多，則可采用過(guò)濾層進(jìn)行過(guò)濾的方法加以分離；利用某些粒子易被水潤(rùn)濕、凝并增大而被捕集，又可采用濕式洗滌方法進(jìn)行分離；由于某些粒子的荷電性，亦有在高壓電場(chǎng)內(nèi)利用靜電力（庫(kù)侖力）進(jìn)行分離的靜電除塵。氣態(tài)污染物在氣體中以分子或蒸氣狀態(tài)存在，屬于均相混合物，其分離方法根據(jù)物理的、化學(xué)的及物理化學(xué)的原理予以分離。目前國(guó)內(nèi)外凈化氣態(tài)污染物的方法主要有冷凝法、吸收法、吸附法、催化轉(zhuǎn)化法及燃燒法。冷凝法是利用物質(zhì)在不同溫度下具有不同飽和蒸氣壓的性質(zhì)，通過(guò)冷卻使處于蒸氣狀態(tài)的污染物質(zhì)冷凝成液體，從而達(dá)到分離凈化目的。這種方法的凈化效率低，一般多用于回收濃度在1%以上的有機(jī)蒸氣，或用于預(yù)先回收某些可利用的純物質(zhì)，有時(shí)也用作吸附、燃燒等凈化流程的預(yù)處理，以減輕操作負(fù)荷或除去影響操作、腐蝕設(shè)備的有害組分。吸收法是利用廢氣中各組分在特定液體中具有不同溶解度的性質(zhì)來(lái)分離分子狀態(tài)污染物的一種凈化方法。吸收法常用于凈化濃度為0.01％~0.1％范圍的無(wú)機(jī)污染物。吸收法凈化效率較高，應(yīng)用范圍廣，是氣態(tài)污染物凈化的常用方法。吸附法是利用多孔性固體吸附劑對(duì)廢氣中各組分的吸附能力不同，選擇性地吸附一種或幾種組分，從而達(dá)到分離凈化目的，吸附法適用范圍廣，可以分離回收絕大多數(shù)有機(jī)氣體和大多數(shù)無(wú)機(jī)氣體，尤其用以凈化有機(jī)溶劑蒸氣時(shí)，具有較高的效率，也是氣態(tài)污染物凈化的常用方法。催化轉(zhuǎn)化法是利用催化作用將廢氣中的氣態(tài)污物轉(zhuǎn)化為無(wú)害的或比原狀態(tài)更易處理和回收利用的物質(zhì)，以達(dá)到凈化氣體的目的。與吸收和吸附法不同，催化轉(zhuǎn)化法無(wú)需將污染物與氣體分離，而是直接將有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無(wú)害物質(zhì)，避免二次污染，簡(jiǎn)化了操作過(guò)程。燃燒法是利用廢氣中某些氣態(tài)污染物可以氧化燃燒的特性，將其燃燒變成無(wú)害物的方法。燃燒凈化僅能處理那些可燃的或在高溫下能分解的氣態(tài)污染物，其化學(xué)作用主要是燃燒氧化，個(gè)別情況下是熱分解。燃燒法只是將氣態(tài)污染物燒掉，一般不能回收原來(lái)物質(zhì)，但有時(shí)可回收利用燃燒產(chǎn)物和燃燒過(guò)程產(chǎn)生的熱量。除了按上述各種凈化機(jī)制進(jìn)行分類外，在工程中，還常以凈化過(guò)程中是否使用水或其它液體而把凈化方法分為干法和濕法兩大類。本章將針對(duì)目前常用的除塵、吸收、吸附、催化轉(zhuǎn)化等方法，介紹凈化裝置的分類、性能和選擇。10.2空氣污染凈化裝置10.2.1除塵裝置從氣體介質(zhì)中將固體粒子分離捕集的設(shè)備稱為除塵裝置或除塵器。按照除塵器利用的除塵機(jī)制，如重力、慣性力、離心力、庫(kù)侖力、擴(kuò)散力等，可將其分成如下四類：（1）機(jī)械式除塵器如重力沉降室、慣性除塵器、旋風(fēng)除塵器等；（2）濕式洗滌器如旋風(fēng)水膜洗滌器、自激噴霧洗滌器、文丘里洗滌器等；（3）過(guò)濾式除塵器如袋式除塵器、顆粒層除塵器等；（4）電除塵器如干式電除塵器、濕式電除塵器等。實(shí)際上，在除塵中往往同時(shí)利用了幾種除塵機(jī)制，一般是按其中的主要作用機(jī)制而分類命名的。按除塵過(guò)程中是否用水或其它液體，還可將除塵器分為干式和濕式兩大類：用水或其它液體使含塵氣體中的粉塵（固體粒子）或捕集到的粉塵濕潤(rùn)的裝置，稱為濕式除塵器；把不潤(rùn)濕氣體中的粉塵或捕集到的粉塵的裝置，稱為干式除塵器。因此，以煙氣冷卻或調(diào)濕為目的而進(jìn)行噴霧的裝置，仍包括在干式除塵器中。近年來(lái)，為提高對(duì)微粒的捕集效率，陸續(xù)出現(xiàn)了綜合幾種除塵機(jī)制的各種新型除塵器，如聲凝聚器、熱凝聚器、通量力/冷凝（FFC）洗滌器、高梯度磁分離器、荷電袋式除塵器、荷電液滴洗滌器等。10.2.2吸收裝置根據(jù)吸收原理，將污染物從氣相轉(zhuǎn)移至液相的凈化設(shè)備稱為吸收裝置。吸收過(guò)程是氣體溶于液體的傳質(zhì)過(guò)程。一般以溶解過(guò)程是否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而分為物理吸收和化學(xué)吸收。吸收裝置根據(jù)其總體結(jié)構(gòu)可分為以下幾類：（1）噴淋塔噴淋塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，塔內(nèi)只設(shè)若干噴嘴，俗稱空塔。噴淋塔一般采用逆流吸收，廢氣由下部進(jìn)入，吸收劑液體由上部噴入。噴嘴將液體霧化成液滴狀與氣體接觸，在液滴表面進(jìn)行氣液接觸并傳質(zhì)。塔頂設(shè)有除霧器，用以除去氣體中的霧滴。噴淋塔可用于同時(shí)除塵、吸收和降溫的場(chǎng)合。（2）填料塔填料塔在塔內(nèi)裝有一定高度的填料，液體靠重力作用從塔頂沿填料表面呈薄膜狀向下流動(dòng)，氣體則呈連續(xù)相由下向上同液膜逆流接觸，在壓強(qiáng)差推動(dòng)下穿過(guò)填料間隙，氣液兩相在填料表面進(jìn)行傳質(zhì)，污染物即被吸收，氣液兩相組成沿塔高連續(xù)變化。（3）板式塔在板式塔內(nèi)，沿塔高設(shè)置若干層塔板，相鄰塔板間有一定距離，液體靠重力作用自塔頂逐板流向塔底，并在各層塔板上形成流動(dòng)的液層。氣體則靠壓強(qiáng)差自塔底穿過(guò)各層塔板上的液層而流向塔頂。氣體呈分散相以鼓泡或噴射形式穿過(guò)塔板上液層時(shí)，產(chǎn)生大量氣泡，大大增加了氣液兩相接觸面積，強(qiáng)化了氣液相之間的傳質(zhì)過(guò)程，使氣態(tài)污染物被吸收，氣液兩相的組成沿塔高呈階梯式變化。（4）湍球塔湍球塔又稱流化填料塔，其填料采用空心或?qū)嵭男∏颍诟叩牟僮鳉馑偻苿?dòng)下，小球高速湍動(dòng)而成流化狀態(tài)。吸收劑液體自塔頂噴下潤(rùn)濕小球表面，氣液兩相充分接觸，相接觸面不斷更新，傳質(zhì)系數(shù)較大。球體湍動(dòng)，不斷碰撞，不易結(jié)垢與堵塞。（5）鼓泡塔鼓泡塔又稱為鼓泡反應(yīng)器，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，吸收容量大。塔內(nèi)充滿吸收劑液體，廢氣以各種方式鼓入塔內(nèi)，氣體呈分散相，液體呈連續(xù)相，氣液兩相接觸時(shí)間長(zhǎng)，有利于反應(yīng)較慢的化學(xué)吸收。10.2.3吸附裝置吸附是利用固體吸附劑對(duì)氣體中各組分的吸附能力不同而進(jìn)行分離的技術(shù)，用以完成吸附操作的分離設(shè)備稱為吸附裝置或吸附器。根據(jù)吸附床層的特點(diǎn)，可將吸附裝置分為固定床、移動(dòng)床和流化床三大類。（1）固定床吸附器固定床是將吸收劑固定在床內(nèi)擱板或孔板上，氣體通過(guò)靜止?fàn)顟B(tài)的吸附劑，有害組分被吸附分離。根據(jù)氣流運(yùn)動(dòng)方向，可將固定床吸附器分為立式、臥式和環(huán)式三種類型。吸附系統(tǒng)一般由多個(gè)固定床組成，并以一定順序進(jìn)行吸附操作和再生操作。對(duì)于間歇操作或分批操作的場(chǎng)合，可采用單床吸附系統(tǒng)交替進(jìn)行吸附和再生。由于大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用要求連續(xù)操作，經(jīng)常采用雙吸附床或三吸附床系統(tǒng)，其中一個(gè)吸附床進(jìn)行再生，其余的進(jìn)行吸附。(2)移動(dòng)床吸附器移動(dòng)床是使氣體和吸附劑固體連續(xù)穩(wěn)定地輸入和輸出，促進(jìn)氣固兩相接觸，提高吸附分離效率的裝置。由于氣固兩相均處于移動(dòng)狀態(tài)，較好地克服了固定床易發(fā)生的局部不均勻和溝流現(xiàn)象，提高了處理能力。在移動(dòng)床吸附器內(nèi)，吸附和再生按順序循環(huán)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)過(guò)程連續(xù)化操作。（3）流化床吸附器流化床是由氣體和固體吸附劑組成的兩相流裝置。流化床中的氣體流速在臨界流化速度之上，使固體吸附劑粒子處于流化狀態(tài)，強(qiáng)化了氣固相界面的傳質(zhì)速率，提高了設(shè)備的處理能力。由于氣體和固體同處于流化狀態(tài)，可使床層溫度分布均勻，適合于大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)。10.2.4催化轉(zhuǎn)化裝置利用催化劑的催化作用，實(shí)現(xiàn)氣態(tài)污染物轉(zhuǎn)化為易凈化物質(zhì)或無(wú)害物質(zhì)的設(shè)備稱為催化轉(zhuǎn)化裝置。氣固相催化反應(yīng)器是催化反應(yīng)的主體裝置，可分為固定床反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器兩大類。在氣態(tài)污染物控制工程中，目前常用的是固定床催化反應(yīng)器。固定床反應(yīng)器可分為絕熱式和換熱式兩大類，也可根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為管式、擱片式、徑向式等。（1）絕熱式固定床反應(yīng)器在催化轉(zhuǎn)化過(guò)程中，催化劑靜止不動(dòng)且與外界無(wú)熱交換的反應(yīng)器稱為絕熱式固定床反應(yīng)器。它又可分為單層式和多段式。單層式絕熱反應(yīng)器內(nèi)只裝一層催化劑，反應(yīng)氣體通過(guò)單層催化劑即可達(dá)到指定的轉(zhuǎn)化率。常用于汽車尾氣和噴涂等行業(yè)治理有機(jī)溶劑污染；對(duì)于反應(yīng)熱較大的催化反應(yīng)，為避免熱量積累，控制單層絕熱床的反應(yīng)溫度，把多個(gè)單層絕熱床串聯(lián)起來(lái)，則稱為多段絕熱反應(yīng)器。多段絕熱反應(yīng)器段間的熱交換有直接換熱和間接換熱兩種形式。（2）換熱式固定床反應(yīng)器這類反應(yīng)器在催化轉(zhuǎn)化過(guò)程中，與外界有熱交換，也稱為管式固定床反應(yīng)器。按催化劑裝填部位不同可分為多管式和列管式兩種。催化劑裝在管內(nèi)的稱為多管式，裝在管間的稱為列管式，而在沒有裝填催化劑的地方流動(dòng)的是載熱體或冷卻劑，用以調(diào)節(jié)催化劑床層的溫度。10.3空氣污染凈化裝置的性能10.3.1凈化裝置技術(shù)性能的一般表示方法（1）處理氣體量代表裝置處理能力大小的指標(biāo)，一般以體積流量表示。（2）壓力損失表示裝置消耗能量大小的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，有時(shí)也稱為壓力降。壓力損失是指凈化裝置進(jìn)出口處氣流的全壓差，而壓力降一般是指裝置進(jìn)出口處氣流的靜壓差。凈化裝置的壓力損失實(shí)質(zhì)上表示流體通過(guò)裝置所消耗的機(jī)械能，與通風(fēng)機(jī)所耗功率成正比，故總希望在保證凈化效果的前提下盡量小些。（3）負(fù)荷適應(yīng)性表示裝置性能可靠性的技術(shù)指標(biāo)，即指凈化裝置的工作穩(wěn)定性和操作彈性。考慮裝置的負(fù)荷適應(yīng)性，重要的是應(yīng)了解當(dāng)處理氣體量或污染物濃度超過(guò)或低于設(shè)計(jì)值時(shí)對(duì)凈化效果的影響。（4）凈化效率為表示裝置凈化效果的重要技術(shù)指標(biāo)，有時(shí)也稱為分離效率。在工程中，通常以凈化效率為主來(lái)選擇和評(píng)價(jià)裝置，因此本節(jié)重點(diǎn)介紹凈化效率的表示方法。10.3.2凈化效率的表示方法(1)總效率總效率系指在同一時(shí)間內(nèi)，凈化裝置捕集的污染物數(shù)量與進(jìn)入裝置的污染物數(shù)量之比?？傂蕦?shí)際上是反映裝置凈化程度的平均值，亦稱為平均效率。如圖10.l所示，凈化裝置入口的氣體流量為Q1(m3/s)、進(jìn)入裝置的污染物數(shù)量為S1(g/s)、污染物濃度C1(g/m3)，凈化裝置出口的相應(yīng)量為Q2(m3/s)、S2(g/s)及C2(g/m3)。若凈化裝置捕集的污染物數(shù)量為S3(g/S)，則有：圖10.1凈化效率表達(dá)式中的有關(guān)符號(hào)（10-1）圖10.1凈化效率表達(dá)式中的有關(guān)符號(hào)由于Q1和Q2與凈化裝置入口和出口的氣體狀態(tài)（溫度、濕度和壓力）有關(guān)，所以常換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（0℃、101325Pa）下的干氣體流量表示，并加角標(biāo)“N”，單位為，含塵濃度為（g/mN3）表示，由上式變?yōu)椋?0-2）若凈化裝置本體不漏氣，即，則式（10-3）可簡(jiǎn)化為（10-3）必須注意，上述Q1、S1、C1和Q2、S2、C2及S3均為同一時(shí)間的量值，并應(yīng)以相同單位表示之。(2)通過(guò)率通過(guò)率系指從凈化裝置出口逸散的污染物數(shù)量與入口污染物數(shù)量之比，用P來(lái)表示，P值越大，說(shuō)明出口逸散量越大。通過(guò)率P可以下式表示：（10-4）例如，一除塵器的時(shí)，；另一臺(tái)除塵器的時(shí)，，則前一臺(tái)除塵器的通過(guò)率為后者的10倍。(3)分級(jí)除塵效率分級(jí)除塵效率是基于除塵裝置的總除塵效率一般都隨粉塵粒徑而變化，為確切地表示除塵效率與粒徑分布的關(guān)系而提出的，分級(jí)除塵效率（簡(jiǎn)稱分級(jí)效率）系指除塵裝置對(duì)某一粒徑dpi或粒徑間隔△dp內(nèi)粉塵的除塵效率。分級(jí)效率可以采用表格、曲線或函數(shù)的形式表示。這里的dpi代表某一粒徑或粒徑間隔。若設(shè)除塵器入口、出口和捕集的dpi顆粒質(zhì)量流量分別為、和，則該除塵器對(duì)粒徑dpi顆粒的分級(jí)效率為：（10-5）分級(jí)效率與除塵器種類、粉塵特性、運(yùn)行條件等因素有關(guān)，當(dāng)粉塵特性和運(yùn)行條件一定時(shí)，各種除塵器的分級(jí)效率有時(shí)也以指數(shù)函數(shù)形式表示：（10-6）式中項(xiàng)為分級(jí)通過(guò)率，即粒徑dpi范圍內(nèi)的粉塵逸散的比例；是表示各種除塵器性能物性參數(shù)，對(duì)某一臺(tái)除塵器，為常數(shù)，且具有m-1的因次；m是表示粒徑對(duì)分級(jí)效率影響的參數(shù)，為無(wú)因次量。從式（10-6）可以看出，值愈大，粉塵逸散量愈少，表示裝置的分級(jí)效率愈高。而m值愈大，說(shuō)明粉塵粒徑對(duì)分級(jí)效率的影響愈大，m值的范圍，對(duì)旋風(fēng)除塵器約為0.65~2.30，對(duì)濕式洗滌器約為1.5~4.0。一般來(lái)說(shuō)，上式較適用于粒徑分布對(duì)分級(jí)效率有明顯影響的旋風(fēng)除塵器和濕式洗滌器等。在工程中，還常用分級(jí)效率時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑來(lái)表示除塵器性能，稱為除塵器的分割粒徑，一般用dc表示。下面通過(guò)分級(jí)效率和粒徑分布及總效率的關(guān)系，介紹總效率和分級(jí)效率的計(jì)算方法。前已介紹總效率容易通過(guò)實(shí)測(cè)求得，而除塵器入口、出口及捕集粉塵的質(zhì)量頻率、、也可以通過(guò)測(cè)定分析求得，則有：（10-7）（10-8）或（10-9）（10-10）由上式可知，在已知和、、中的任意兩項(xiàng)時(shí)，則可按式（10-8）或（10-9）或（10-10）由總效率計(jì)算出分級(jí)效率。同樣，根據(jù)分級(jí)效率及粉塵質(zhì)量頻率亦可求得總效率。若分級(jí)效率以函數(shù)形式給出，進(jìn)口粉塵粒徑分布以累積頻率分布函數(shù)形式或頻度函數(shù)形式給出，則總除塵效率可按積分式計(jì)算：（10-11）可見，當(dāng)已知某除塵器的分級(jí)效率和所要凈化粉塵的累積頻率分布或頻度分布時(shí)，即可按上式求得總效率。若和（或）皆以顯函數(shù)形式給出，可求得精確積分值，否則只能用圖解法或數(shù)值近似計(jì)算法求值。這是設(shè)計(jì)新除塵器時(shí)常采用的計(jì)算方法。如果當(dāng)已知進(jìn)口粉塵質(zhì)量頻率時(shí)，也可將積分式（10-12）改寫成求和形式，則可得：（10-12）表10.2所示為根據(jù)粉塵的粒徑分布和分級(jí)效率計(jì)算總效率的實(shí)例。表10.2由粒徑分布和分級(jí)效率計(jì)算總效率的實(shí)例粉塵粒徑間隔/μm0~5.85.8~8.28.2~11.711.7~16.516.5~22.622.6~3333~37>47入口粉塵質(zhì)量頻率314781319108分級(jí)效率618593969899100100總效率18.93.16.57.712.718.810.08.086.0(4)板效率所謂板效率系指實(shí)際塔板能達(dá)到的分離程度與理論塔板所達(dá)到的平衡情況的比較。這是表示板式塔吸收裝置性能的重要技術(shù)指標(biāo)。板效率常用總板效率、單板效率及點(diǎn)效率表示?？偘逍始雌骄逍剩址Q為全塔效率?？偘逍时阌诠こ躺瞎浪銓?shí)際塔板數(shù)，但它將各板效率等同起來(lái)，只是一個(gè)平均概念；為了確切表示各塔板不同的分離程度，又提出了單板效率，亦稱為莫夫利（Murphree）效率；而點(diǎn)效率則是更具體地表示塔板上任一點(diǎn)的局部分離效率。(5)多級(jí)串聯(lián)運(yùn)行時(shí)的總凈化效率在實(shí)際工程中，有時(shí)需要把兩種或多種不同型式的凈化裝置串聯(lián)起來(lái)使用，構(gòu)成兩級(jí)或多級(jí)凈化系統(tǒng)，如當(dāng)污染物濃度較高時(shí)，采用一級(jí)凈化，達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)，或者雖然達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，而因負(fù)荷過(guò)大引起裝置性能不穩(wěn)定等原因，則應(yīng)考慮兩級(jí)或多級(jí)凈化裝置串聯(lián)使用。若已知多級(jí)凈化系統(tǒng)中各級(jí)凈化裝置的凈化效率分別為，則n級(jí)凈化裝置串聯(lián)后的總凈化效率為（10-13）10.3.3排放濃度及排放速率從環(huán)境保護(hù)的角度來(lái)看，評(píng)價(jià)凈化裝置效果的最終指標(biāo)應(yīng)是裝置出口排出的污染物濃度或排放速率，并使其低于現(xiàn)行的排放標(biāo)準(zhǔn)。排放濃度的計(jì)算，可由式（10-3）得出：（10-14）當(dāng)系統(tǒng)不漏氣時(shí)，，上式可簡(jiǎn)化為（10-15）計(jì)算排放濃度時(shí)，以干氣體體積或以濕氣體體積為基準(zhǔn)，所得結(jié)果差別很大。在工程中一般以干氣體體積為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。排放速率系指凈化系統(tǒng)每小時(shí)排出污染物的絕對(duì)量，當(dāng)已知凈化裝置排放濃度，體積流量時(shí)，可按下式計(jì)算：（10-16）以上介紹了凈化裝置性能的一般表示方法。實(shí)際上，凈化裝置的性能和很多因素有關(guān)，不但與基本型式和規(guī)格有關(guān)，而且與處理氣體的性質(zhì)、操作條件、測(cè)試方法、分析方法等有關(guān)。評(píng)價(jià)某種凈化裝置的性能，應(yīng)該按照一定的規(guī)格和方法，針對(duì)某種物系，在指定的操作工況下進(jìn)行評(píng)價(jià)。因而，統(tǒng)一凈化裝置性能的評(píng)價(jià)方法，對(duì)研制工作和選擇應(yīng)用都是十分重要的。10.4空氣污染凈化裝置的選擇凈化裝置的選擇，大量的問(wèn)題可以歸結(jié)為凈化效率、處理能力、設(shè)備費(fèi)用和動(dòng)力消耗之間的平衡。凈化效率高的裝置往往動(dòng)力消耗較大或設(shè)備費(fèi)較高。所以，應(yīng)在全面衡量裝置的技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的基礎(chǔ)上進(jìn)行選擇。凈化裝置的性能還和被處理氣體的性質(zhì)、系統(tǒng)的操作條件等因素密切相關(guān)。因此，在選擇時(shí)還應(yīng)充分注意各種裝置因其機(jī)制和結(jié)構(gòu)的差別而形成的性能特點(diǎn)及適用范圍，以及各種裝置間的相互補(bǔ)充、競(jìng)相發(fā)展的關(guān)系，而不應(yīng)簡(jiǎn)單地根據(jù)某些方面的特點(diǎn)，絕對(duì)肯定或否定某種裝置。(1)除塵裝置的選擇①根據(jù)粉塵性質(zhì)選擇除塵裝置被捕集粉塵的性質(zhì)直接影響裝置的性能，尤其是粉塵的粒徑分布，對(duì)裝置性能影響更大。一般首先根據(jù)粉塵的粒徑分布和裝置的凈化效率（總效率和分級(jí)效率）來(lái)選擇裝置種類。目前，由于對(duì)許多除塵裝置尚缺乏可靠的分級(jí)效率曲線，所以在工程上常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行粗略的選擇。斯臺(tái)爾曼（Stairmand）曾采用表10.3所示的三種不同的標(biāo)準(zhǔn)粉塵對(duì)18種除塵器進(jìn)行了大量試驗(yàn)。這三種標(biāo)準(zhǔn)粉塵的中位徑d50大約為：粗粉塵90μm，細(xì)粉塵25μm，極細(xì)粉塵2μm。斯臺(tái)爾曼按求得的各種除塵器凈化效率的大小將其排列成圖表，即圖10.3所示的斯臺(tái)爾曼線圖。圖中三條實(shí)線表示各種除塵器對(duì)三種標(biāo)準(zhǔn)粉塵的除塵效率。按照斯臺(tái)爾曼試驗(yàn)，根據(jù)粉塵的粒徑分布和要求的凈化效率，即可方便地用圖解法來(lái)選擇所需的除塵器。例如，要求對(duì)粗粉塵（d50=90μm）達(dá)到95%的除塵效率時(shí)，在圖10.3中（虛線所示）中找出沖擊水浴除塵器。為擴(kuò)大選擇范圍，再向上下擴(kuò)展，即可考慮在高效旋風(fēng)、沖擊水浴和沖激式除塵器三種型式中選擇。同樣，對(duì)于極細(xì)粉塵，當(dāng)要求達(dá)到99%的除塵效率時(shí)，則可把低能和中能的溢流圓盤洗滌器以及中能文丘里洗滌器三種型式（圖中虛線所示）以及向下擴(kuò)展的其它型式作為選擇的范圍，進(jìn)而在考慮其它影響因素的基礎(chǔ)上選定除塵器。工業(yè)粉塵的粒徑分布范圍雖然很廣，但大多數(shù)可大致包含在圖10.3所示的三條曲線范圍內(nèi)。因此，如能知道處理粉塵的中位徑d50，即使和上述三種標(biāo)準(zhǔn)粉塵的粒徑分布不相吻合，仍可按上述步驟用內(nèi)插法進(jìn)行大致的選擇。選擇除塵裝置，除首先考慮粉塵的粒徑分布外，還必須全面了解粉塵的其它物理性質(zhì)。例如，對(duì)于濕式洗滌器，粉塵的濕潤(rùn)性應(yīng)為首先考慮的因素；對(duì)于電除塵器，則應(yīng)考慮粉塵的比電阻；對(duì)于含有易燃易爆粉塵或氣體的凈化，則不宜選用電除塵器，最適合的是濕式洗滌器；對(duì)于含水率高，粘附性強(qiáng)的粉塵，則不宜選用袋式除塵器。表10.3三種標(biāo)準(zhǔn)粉塵的粒徑分布粒徑dp（μm）篩下累積頻率G（%）粗粉塵細(xì)粉塵極細(xì)粉塵150104756040302015107.55.02.5——464032272116129631009790806555453830262012——100999796959490857556圖10.310種除塵器對(duì)三種標(biāo)準(zhǔn)粉塵的除塵效率②根據(jù)運(yùn)行條件選擇除塵裝置凈化系統(tǒng)的運(yùn)行條件也是影響裝置性能的重要因素。所謂運(yùn)行條件，在這里主要指系統(tǒng)的操作工況（溫度、壓力等）和氣體的性質(zhì)。如前所述，分級(jí)效率曲線是選擇除塵器的重要依據(jù)。但是，分級(jí)效率曲線僅適用于某一特定溫度和壓力狀況及特定的含塵氣體，即隨運(yùn)行條件的改變，曲線必然發(fā)生變化。所以，選擇裝置時(shí)，還必須考慮裝置本身對(duì)運(yùn)行條件的適應(yīng)性。煙氣溫度對(duì)除塵器性能的影響主要有三個(gè)方面：一是對(duì)氣體體積流量的影響。氣體體積流量的改變會(huì)使含塵濃度改變，并且決定裝置體積的大小和設(shè)備費(fèi)用；二是各種除塵器因其結(jié)構(gòu)材料不同，對(duì)溫度有一定的適應(yīng)范圍。表10.4列出了各種除塵器的最高使用溫度。也可說(shuō)，除塵器結(jié)構(gòu)材料的選擇應(yīng)符合處理煙氣溫度的需要。如多管旋風(fēng)除塵器用于高溫時(shí)采用鑄鐵制造旋風(fēng)子，袋式除塵器用于高溫時(shí)應(yīng)選擇耐溫濾料等；三是溫度還將影響氣體的粘度、密度和粉塵的比電阻等技術(shù)參數(shù)。如粘度增大將使粉塵的沉降速度減小。除塵系統(tǒng)通常在常壓下運(yùn)行。一般說(shuō)來(lái)，氣體壓力對(duì)除塵機(jī)制的影響較小，但當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行壓力比大氣壓力高或低很多時(shí)，就需要按壓力容器來(lái)設(shè)計(jì)除塵器。當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程本身產(chǎn)生高壓時(shí)，可以利用其克服除塵過(guò)程的壓力損失，選擇高能洗滌器將變得經(jīng)濟(jì)可靠。表10.4各種除塵裝置的耐溫性除塵器種類旋風(fēng)除塵器袋式除塵器電除塵器濕式洗滌器普通濾料玻璃絲濾料干式濕式最高使用溫度400℃80~120℃250℃350℃80℃400℃?zhèn)渥⑻馗邷卣?<1000℃)可采用內(nèi)襯耐火材料以提高耐溫性溫度隨濾料種類而異聚四氟乙烯濾料的耐溫性和價(jià)格與之差不多高溫時(shí)易產(chǎn)生粉塵比電阻隨溫度而變化的問(wèn)題溫度過(guò)高會(huì)產(chǎn)生使絕緣部分失效的問(wèn)題特高溫時(shí),在入口內(nèi)襯的耐火材料,由于與水接觸,存在因冷卻而出現(xiàn)的問(wèn)題氣體性質(zhì)亦直接影響裝置的選擇。對(duì)于含塵氣體中同時(shí)含氣態(tài)污染物時(shí)，采用濕式洗滌器可同時(shí)實(shí)現(xiàn)除塵和脫除氣態(tài)污染物的雙重效果；對(duì)于濕度很大的氣體，容易造成機(jī)械式除塵器的堵塞，易使袋式除塵器的濾料結(jié)塊，因此選用濕式洗滌器也可能是適當(dāng)?shù)?；?dāng)處理腐蝕性氣體時(shí)，則必須考慮裝置的防腐問(wèn)題。(2)吸收裝置的選擇在完成工程調(diào)查，確定凈化流程，了解污染物性狀并選定吸收劑的基礎(chǔ)上便可進(jìn)行裝置的選擇。一般說(shuō)來(lái)，同時(shí)能滿足要求的塔型往往有幾種，應(yīng)根據(jù)氣液組分的物性，結(jié)合各類吸收裝置塔型結(jié)構(gòu)和吸收過(guò)程的宏觀動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)進(jìn)行選擇。同時(shí)，還應(yīng)從裝置的性能和經(jīng)濟(jì)比較以及對(duì)操作條件的適應(yīng)性等方面綜合考慮來(lái)確定塔型。①與物性有關(guān)的因素在工程中，通常將吸收裝置中進(jìn)行氣液傳質(zhì)分離的兩相，即被處理的氣態(tài)污染物（氣相）和吸收劑（液相）統(tǒng)稱為物料系統(tǒng)或物系。物料的性質(zhì)直接影響裝置的性能和操作的穩(wěn)定可靠性，因此，它是選擇裝置時(shí)首先應(yīng)考慮的因素。a.對(duì)易起泡沫的物系，宜選用填料塔，因在板式塔中易造成嚴(yán)重的霧沫夾帶甚至泛塔而影響分離效率和操作穩(wěn)定性。b.對(duì)氣體中有懸浮固體、吸收劑中含有殘?jiān)蛞捉Y(jié)垢的物系，宜選用噴灑式吸收裝置或液流通道較大的板式塔，如泡罩塔及大孔徑篩板塔等。而填料塔可能產(chǎn)生堵塞且難清理，則不宜選用。c.對(duì)于高粘度的物系，宜選用填料塔或噴灑式吸收裝置。在板式塔中因鼓泡傳質(zhì)效果差而不宜選用。d.具有腐蝕性介質(zhì)的物系，宜選用填料塔，因填料塔形狀簡(jiǎn)單且易用陶、瓷、玻璃、石墨、塑料等耐腐蝕性材料制作。e.對(duì)于在處理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量溶解熱或反應(yīng)熱的物系，為便于放熱，宜選用板式塔，因板式塔可方便地在塔板上安裝冷卻盤或移出液體冷卻后再送回。②與塔型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)的因素吸收裝置塔型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要指氣液分散和接觸類型。為增加氣液接觸面積，要求氣體和液體分散。分散類型有三種：氣相連續(xù)液相分散（如噴淋塔、湍球塔、填料塔）、液相連續(xù)氣相分散（如板式塔、鼓泡塔）、氣液同時(shí)分散（如文丘里洗滌器）。就氣液接觸萬(wàn)式來(lái)看，除板式塔為階梯接觸外，其它類型均為連續(xù)接觸。下面簡(jiǎn)單介紹各類吸收裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。a.噴淋塔：該塔型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、阻力小、操作簡(jiǎn)單、投資較少。但與其它塔型相比，處理能力小，空塔氣速一般<1.5m/s，否則易造成霧沫夾帶。噴嘴結(jié)構(gòu)、噴射方向、噴射速度、噴淋密度對(duì)吸收效率影響較大。b.填料培：屬氣液互成逆流的連續(xù)微分接觸式塔型。該塔型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、阻力小，尤其對(duì)于直徑較小的塔型處理有腐蝕性物料的氣體時(shí)，填料塔則表現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性。填料塔的性能優(yōu)劣，關(guān)鍵取決于填料，填料的表面積、空隙率、潤(rùn)濕性、機(jī)械強(qiáng)度等性能指標(biāo)對(duì)吸收效率影響較大。c.板式塔：該塔型的關(guān)鍵部件是塔板，根據(jù)塔板結(jié)構(gòu)型式可分為篩板塔、泡罩塔、浮閥塔以及旋流板塔等。泡罩塔操作彈性大，吸收效率高，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壓降較大，造價(jià)較高，維修較難；篩板塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低，但其操作彈性較小;浮閥塔也是一種造價(jià)較低，操作彈性較大的板式塔;旋流板塔是較新的吸收裝置，具有傳質(zhì)強(qiáng)度高，處理氣量大、操作彈性好等優(yōu)點(diǎn)。另外，按塔板上氣液兩相流動(dòng)萬(wàn)式，還可將板式塔分為有溢流和無(wú)溢流塔板兩種。一般說(shuō)，無(wú)溢流的板式塔(篩板塔)操作彈性小，有溢流裝置的板式塔(浮閥塔、泡罩塔)操作彈性大。d.湍球塔：該塔型的優(yōu)點(diǎn)是氣流速度高，處理能力大，設(shè)備體積小，吸收效率高。同樣氣速下，其壓降小于填料塔。其缺點(diǎn)是隨小球運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生一定程度返混，采用價(jià)格便宜的塑料小球時(shí)，耐溫性能差，易磨損，增加維護(hù)費(fèi)用。湍球塔常被推薦用于處理含顆粒物的廢氣，或者用于吸收劑液體易發(fā)生結(jié)晶的場(chǎng)合。e.鼓泡塔：該塔型屬氣相分散型裝置。與板式塔相比，塔中氣泡還產(chǎn)生渦流運(yùn)動(dòng)，并有內(nèi)循環(huán)的液體噴流作用，加大了氣液傳質(zhì)界面，提高了傳質(zhì)效率。近年來(lái)，為強(qiáng)化氣液傳質(zhì)，提出的噴射鼓泡塔，可使表觀氣速達(dá)數(shù)千m3/m2·h，是普通鼓泡塔的十倍。③與操作條件有關(guān)的因素吸收裝置的操作條件包括吸收過(guò)程的宏觀動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)和處理能力、吸收溫度、液氣比、操作彈性、設(shè)備占地、設(shè)備投資等。其中，吸收過(guò)程的宏觀動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)是選擇的基本因素。a.吸收過(guò)程宏觀動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)系指伴有化學(xué)反應(yīng)的吸收中，吸收速度由擴(kuò)散控制還是動(dòng)力學(xué)(化學(xué)反應(yīng))控制，或兩種因素共同控制。對(duì)低濃度氣態(tài)污染物的吸收，一般選擇極快反應(yīng)或快速反應(yīng)，過(guò)程主要受擴(kuò)散過(guò)程控制。因而，選擇氣相為連續(xù)相液相為分散相的類型較多，這種類型相界面大，氣相湍動(dòng)程度高，有利于吸收。噴淋塔、填料塔、湍球塔等均能滿足要求。b.當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行中溫度變化較大時(shí)，考慮到冷卻需要，宜選用板式塔或噴灑式吸收裝置，而不宜采用填料塔。c.當(dāng)處理氣量相同時(shí)，湍球塔、填料塔的壓力降較板式塔小，因此要降低輸送氣體的動(dòng)力消耗，則宜選用湍球塔或填料塔。d.當(dāng)需用少量液體處理大量氣體，即液氣比較小時(shí)，或在吸收過(guò)程中伴有物質(zhì)冷凝或結(jié)晶時(shí)，板式塔較填料塔要優(yōu)越。但應(yīng)注意，當(dāng)液氣比過(guò)小時(shí)，往往超出板式塔的適宜操作范圍，則宜選用網(wǎng)體填料填充的填料塔。e.操作彈性要求較大時(shí)，宜選用板式塔中的浮閥塔、泡罩塔等有溢流裝置的板式塔。填料塔和無(wú)溢流裝置的板式塔的操作彈性較小。f.從吸收裝置設(shè)備費(fèi)用角度出發(fā)，處理氣量大的系統(tǒng)宜用板式塔，氣量小則以填料塔為宜。因大塔以板式塔價(jià)廉，小塔以填料塔便宜。一般說(shuō)來(lái)，直徑在1米以內(nèi)的塔設(shè)備，采用填料塔不僅經(jīng)濟(jì)，而且上馬較快。g.當(dāng)設(shè)備占地成為主要問(wèn)題，宜選用湍球塔或有溢裝置的板式塔。因處理同樣氣體量，填料塔需較大的直徑。綜上所述，各類吸收裝置應(yīng)用廣泛，且互相補(bǔ)充，競(jìng)相發(fā)展，各有一定特點(diǎn)和適用范圍，必須對(duì)物系性質(zhì)和操作條件進(jìn)行全面分析比較，才能做到正確的選擇。(3)吸附裝置的選擇氣態(tài)污染物凈化，在很多場(chǎng)合下，既可采用吸附法，也可采用吸收法或其它方法，至于究竟選擇哪種方法合理，也是技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)全面衡量比較的結(jié)果。影響吸附裝置選擇的主要因素包括吸附質(zhì)物性、吸附器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和吸附劑的選擇。①與物性有關(guān)的因素吸附過(guò)程的進(jìn)行，系基于吸附劑的選擇性作用，所以只適用于被吸附氣體（吸附質(zhì)）的沸點(diǎn)與不被吸附氣體的沸點(diǎn)有很大差別的混合氣體分離，而不適宜處理各組分沸點(diǎn)相近的混合氣體；其次，當(dāng)被吸附組分的濃度很大時(shí)，采用吸附法是不恰當(dāng)?shù)?，因吸附劑很快達(dá)到飽和而需要再生或更換，所以吸附操作適用于分離混合氣體中低濃度的組分；另外，從經(jīng)濟(jì)性考慮，由于吸附劑價(jià)格昂貴，故處理氣體量很大時(shí)也不宜采用吸附法。當(dāng)然，對(duì)于毒性大、凈化效率要求高的場(chǎng)合，則應(yīng)優(yōu)先考慮吸附法，因在同樣條件下，吸附過(guò)程的速度比吸收過(guò)程快，且凈化效率也高。②與吸附器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)的因素在氣態(tài)污染物凈化中，常采用固定床吸附器，通常是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，吸附器的選擇和設(shè)計(jì)主要包括選擇吸附器類型、吸附層高度和設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸等。立式固定床吸附器分上流式和下流式兩種。床層直徑以滿足氣體流量和保證氣流分布均勻?yàn)樵瓌t，吸附劑裝填高度以保證凈化效率和合理的壓力降為原則。一般適合于處理氣體量較小的場(chǎng)合；臥式固定床吸附器的優(yōu)點(diǎn)是處理氣量大、壓降小，缺點(diǎn)是由于床層截面積較大，容易造成氣流分布不均勻。設(shè)計(jì)選擇時(shí)應(yīng)注意氣流分布的問(wèn)題；環(huán)式固定床吸附器又稱為徑向固定床吸附器，其結(jié)構(gòu)緊湊，吸附截面積大，阻力小，處理能力較大，在氣態(tài)污染物凈化中具有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。工程中常采用多個(gè)環(huán)式吸附芯組合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。近年來(lái)，移動(dòng)床吸附器和流化床吸附器已開始用于氣態(tài)污染物凈化。移動(dòng)床吸附器可實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作，同樣數(shù)量吸附劑的處理氣體量遠(yuǎn)大于固定床，但由于吸附劑處于移動(dòng)狀態(tài)，磨損大，且結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，設(shè)備龐大，投資和運(yùn)行費(fèi)較高；流化床吸附器與移動(dòng)床吸附器的根本區(qū)別在于氣流速度不同而使吸附劑在床內(nèi)處于流化狀態(tài)，使它具有傳熱傳質(zhì)效果俱佳的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。從結(jié)構(gòu)上可分為單層流化床吸附器和多層流化床吸附器兩類，前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，處理能力小，吸附效率較低，后者處理能力大，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。流化床內(nèi)的吸附段的結(jié)構(gòu)類似吸收裝置中的板式塔，只不過(guò)塔板上流動(dòng)的是吸附劑顆粒而已。在流化床吸附器中，這些塔板稱為氣流分布板，是流化床吸附裝置的重要部件，對(duì)流化質(zhì)量和凈化效率影響極大。③與吸附劑有關(guān)的因素吸附劑選擇將直接影響吸附效率。在吸附劑選擇中，一般應(yīng)根據(jù)氣態(tài)污染物性質(zhì)、濃度和凈化要求初選幾種吸附劑，并進(jìn)行活性實(shí)驗(yàn)和壽命實(shí)驗(yàn)，再結(jié)合吸附劑價(jià)格、運(yùn)費(fèi)等指標(biāo)進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)，最終確定吸附劑種類。(4)催化轉(zhuǎn)化裝置的選擇氣固相固定床催化轉(zhuǎn)化裝置的選擇包括裝置類型確定、催化劑選擇和反應(yīng)系統(tǒng)調(diào)控等內(nèi)容。一般的選擇原則如下：①裝置類型選擇。主要根據(jù)催化反應(yīng)熱的大小、反應(yīng)對(duì)溫度的敏感程度和催化劑活性溫度范圍來(lái)選擇確定裝置類型；②催化劑選擇。工業(yè)催化劑通常由多種物質(zhì)組成，固體催化劑一般由活性組分、助催化劑和載體三個(gè)主要部分構(gòu)成?；钚浴⑦x擇性、穩(wěn)定性是催化劑三個(gè)主要性能，直接決定催化反應(yīng)效果。而催化劑的表面積與孔結(jié)構(gòu)直接影響催化活性的高低而改變反應(yīng)速率，也是選擇的重要依據(jù)。另外，形狀特性、堆積密度、可再生性及其價(jià)格等，也是催化劑的重要選擇指標(biāo)；③系統(tǒng)調(diào)控方式。系統(tǒng)調(diào)控包括溫度、操作壓力、空間速度、轉(zhuǎn)化率等的調(diào)控。關(guān)鍵是要求溫度分布滿足催化劑活性溫度范圍，反應(yīng)裝置壓力降要小，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，有較高的催化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，以及裝置的投資和運(yùn)行費(fèi)用較低。在氣態(tài)污染物控制工程中，通常污染物含量較低且處理氣體量較大，催化反應(yīng)熱效應(yīng)較小，要保證達(dá)到排放要求，必須有較高的催化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，因此選擇單層絕熱反應(yīng)裝置是可行技術(shù)。目前，在氮氧化物催化轉(zhuǎn)化、有機(jī)蒸氣催化燃燒和汽車尾氣催化凈化工程中，大多采用了單層絕熱床反應(yīng)技術(shù)。思考題和習(xí)題1.簡(jiǎn)述常用氣態(tài)污染物的凈化方法。2.什么是分級(jí)除塵效率？如何根據(jù)分級(jí)除塵效率來(lái)選擇除塵裝置。3.簡(jiǎn)述除塵裝置和吸收裝置選擇的主要依據(jù)。4.根據(jù)對(duì)旋風(fēng)除塵器的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到：除塵器進(jìn)口的氣體流量10000mN3/h，含塵濃度為4.2g/mN3。除塵器出口的氣體流量為12000mN3/h，含塵濃度為340mg/mN3.試計(jì)算該除塵器的處理氣體流量、漏風(fēng)率和除塵效率(分別按考慮漏風(fēng)和不考慮漏風(fēng)兩種情況計(jì)算)。5.有一兩級(jí)除塵系統(tǒng)，已知系統(tǒng)的流量為2.22m3/s，工藝設(shè)備產(chǎn)生粉塵量為22.2g/s，各級(jí)除塵效率分別為80%和95%。試計(jì)算該除塵系統(tǒng)的總除塵效率、粉塵排放濃度和排放量。6.某燃煤電廠電除塵器的進(jìn)口和出口的煙塵粒徑分布如下，若除塵器總除塵效率為98%，試?yán)L出分級(jí)效率曲線。粒徑間隔/μm<0.60.6-0.70.7-0.80.8-1.01-22-33-4質(zhì)量頻率/%進(jìn)口g12.00.40.40.73.56.024.0出口g27.01.02.03.014.016.029.0粒徑間隔/μm4-55-66-88-1010-1220-30質(zhì)量頻率/%進(jìn)口g113.02.02.03.011.08.0出口g26.02.02.02.58.57.0第十一章顆粒狀污染物凈化裝置顆粒狀污染物凈化裝置的作用是從氣體中把顆粒狀污染物捕集或分離的裝置，也稱為除塵裝置。主要分為：機(jī)械式除塵器、過(guò)濾式除塵器、電除塵器、濕式除塵器等。本章主要介紹幾種常用除塵器的工作原理、結(jié)構(gòu)及性能。11.1機(jī)械式除塵器機(jī)械式除塵器是指利用質(zhì)量力分離粉塵的除塵器，即重力沉降室、慣性除塵器和旋風(fēng)除塵器等。11.1.1重力沉降室重力沉降室是利用重力作用使粉塵從氣體中沉降分離的一種除塵裝置。如圖11.1所示，含塵氣流通過(guò)橫斷面比管道大得多的沉降室時(shí)，流速大大降低，使大而重的塵粒在重力作用下沉降至底部。圖11.1重力沉降室示意圖沉降室的捕集效率計(jì)算是以如下假定為基礎(chǔ)的：顆粒在除塵器入口斷面上分布均勻；顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡是由兩個(gè)分速度合成的，在氣流（水平）方向，顆粒與氣體具有相同的速度v0，在垂直方向，忽略氣體的浮力，顆粒僅在重力和氣體阻力作用下以其終末重力沉降速度us沉降。對(duì)于這樣簡(jiǎn)化的沉降室的除塵效率，主要決定于氣流的流動(dòng)狀態(tài)，一般可分為四種情況：（1）無(wú)混合的塞狀流；（2）無(wú)混合的層流；（3）橫向混合的紊流；（4）完全混合的紊流。這里只介紹無(wú)混合的塞狀流圖11.1重力沉降室示意圖無(wú)混合是假定除塵器中未被捕集的顆粒無(wú)任何混合，既無(wú)軸向（氣流方向）混合，也無(wú)橫向混合，塞狀流是假定在任一橫斷上氣流速度分布是均勻的。設(shè)沉降室的長(zhǎng)、寬、高分別為L(zhǎng)、W、H，水平氣流速度為v0(m/s)，處理氣體流量為Q（m3/s），則氣流在沉降室內(nèi)的停留時(shí)間在時(shí)間t內(nèi)，粒徑為dp的顆粒的重力沉降高度為因此，對(duì)于粒徑為dp的顆粒，只有在高度hc以下進(jìn)入沉降室，才能以其沉降速度us沉降到下部灰斗中。若hc≤H，則對(duì)粒徑為dp的顆粒的分級(jí)除塵效率為：圖11.2慣性除塵器（11-1）圖11.2慣性除塵器對(duì)于斯托克斯區(qū)域，沉降速度，代入上式中得到（11-2）11.1.2慣性除塵器慣性除塵器是使含塵氣流方向發(fā)生急劇轉(zhuǎn)變，借助塵粒本身的慣性力作用使其與氣流分離的裝置。慣性除塵器的結(jié)構(gòu)形式各種各樣，可分為碰撞式和回轉(zhuǎn)式兩類。圖11.2示出四種型式，其中（a）為單級(jí)碰撞式，（d）為多級(jí)碰撞式，當(dāng)含塵氣流撞擊到擋板上后，塵粒喪失了慣性力，并靠重力沿?fù)醢迓湎?。圖中的（b）和（c）為回轉(zhuǎn)式，含塵氣體從入口進(jìn)入后，粉塵靠慣性力沖入下部灰斗中，而氣體和慣性較小的細(xì)粉塵則發(fā)生急劇轉(zhuǎn)彎穿過(guò)擋板經(jīng)出口排出。圖中的（a）和（c）二種形式適用于管道的自然轉(zhuǎn)彎處，可在動(dòng)力消耗不大的情況下將粗粉塵除掉。圖11.2（c）通常稱為百葉式除塵器，其缺點(diǎn)是百葉片的摩損較快，凈化效率也不高，所以應(yīng)用不廣。但是百葉板作為粉塵的濃縮器，與其他除塵裝置（如旋風(fēng)除塵器，濕式除塵器或過(guò)濾器）組成一個(gè)除塵機(jī)組，則可獲得較高的凈化效率。一般慣性除塵器的氣流速率愈高，氣流方向轉(zhuǎn)變角度愈大，轉(zhuǎn)變次數(shù)愈多，凈化效率愈高，壓力損失也愈大。慣性除塵器宜用于凈化密度和粒徑較大的金屬或礦物性粉塵，不宜用于凈化粘結(jié)性和纖維性粉塵。由于其凈化效率不高，只能用于多級(jí)除塵中的第一級(jí)除塵，捕集10~20μm以上的粗塵粒。其壓力損失因型式不同差別很大，一般為100~1000Pa。11.1.3旋風(fēng)除塵器的基本原理旋風(fēng)除塵器是使含塵氣流作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在離心力作用下使塵粒從氣流中分離捕集下來(lái)的裝置。旋風(fēng)除塵器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛、種類繁多等特點(diǎn)。在除塵機(jī)理及結(jié)構(gòu)性能方面，雖然研究者及論文資料很多，但由于旋風(fēng)除塵器內(nèi)氣流和塵粒的運(yùn)動(dòng)狀況復(fù)雜，準(zhǔn)確地測(cè)定較困難，所以至今在理論研究方面尚不夠完善，許多關(guān)鍵問(wèn)題還需靠實(shí)驗(yàn)確定。根據(jù)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡方程及完全徑向混合的假定，對(duì)于斯托克斯定律的球形顆粒，導(dǎo)出的分級(jí)除塵效率方程為：（11-3）式中為弛豫時(shí)間，t為顆粒在旋風(fēng)除塵器內(nèi)的總停留時(shí)間。旋風(fēng)除塵器的除塵效率將隨進(jìn)口含塵濃度的增加而提高。這可能是由于顆粒在更擁擠的條件下，粗顆粒碰撞并截住細(xì)顆粒導(dǎo)致的凝聚作用的結(jié)果。旋風(fēng)除塵器的結(jié)構(gòu)型式，對(duì)除塵器的除塵效率影響很大。例如出口管直徑d變小時(shí)，除塵效率提高；錐體適當(dāng)加長(zhǎng)，有利于提高除塵效率。此外，旋風(fēng)除塵器在運(yùn)行中，中心核心區(qū)處于負(fù)壓狀態(tài)，特別是接近錐底部分負(fù)壓更大。如果錐底和下部灰斗不嚴(yán)密，外部空氣漏入，會(huì)使落入灰斗的粉塵重新被帶走，造成除塵效率顯著下降。（3）旋風(fēng)除塵器的壓力損失旋風(fēng)除塵器的壓力損失與其結(jié)構(gòu)型式和運(yùn)行條件等有關(guān)，理論上計(jì)算是困難的，所以主要靠實(shí)驗(yàn)確定。從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)諸方面考慮，旋風(fēng)除塵器壓力損失控制范圍一般為500~2000Pa。（4）旋風(fēng)除塵器的結(jié)構(gòu)型式圖11.3旋風(fēng)除塵器的入口型式旋風(fēng)除塵器的型式很多，按氣流進(jìn)入方式不同，可分為切向進(jìn)入式和軸向進(jìn)入式兩類，如圖11.3所示。切向進(jìn)入式又分為直入式和蝸殼式等型式。直入式入口是入口管外壁與筒體相切，蝸殼式入口是入口管內(nèi)壁與筒體相切，外壁采用漸開線形式，漸開角有180°、270°及360°三種。蝸殼式入口型式增大進(jìn)口面積較容易，進(jìn)口處有一個(gè)環(huán)狀空間，可以減少進(jìn)氣流與內(nèi)渦旋之間的相互干擾，減小進(jìn)口壓力損失。圖11.3旋風(fēng)除塵器的入口型式（5）組合式多管旋風(fēng)除塵器當(dāng)處理氣量較大時(shí)，可將若干個(gè)小旋風(fēng)除塵器并聯(lián)起來(lái)使用，這種組合方式稱為并聯(lián)式旋風(fēng)除塵器組合型式。除了單體組合式并聯(lián)旋風(fēng)除塵器外，還采用了將許多小型旋風(fēng)除塵器（稱為旋風(fēng)子）組合在一個(gè)殼體內(nèi)并聯(lián)使用的整體組合方式，并稱為多管除塵器。多管除塵器較單體組合式的布置更緊湊，外形尺寸?。惶幚須怏w量更大；可以用直徑較小的旋風(fēng)子（D=100、150及250mm）來(lái)排列組合，能較有效地捕集5~10μm的粉塵；可用耐磨鑄鐵鑄成，因而允許處理含塵濃度較高（100g/m3）的氣體。多管旋風(fēng)除塵器所用旋風(fēng)子采用軸向進(jìn)入式入口型式，排出管外壁設(shè)有導(dǎo)向葉片，以造成氣流的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)向葉片按其結(jié)構(gòu)可分為花瓣式和螺旋式兩種。（6）旋風(fēng)除塵器的應(yīng)用旋風(fēng)除塵器作為一種中效除塵裝置，由于其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、安裝和維護(hù)管理容易，投資少，體型和占地面積小等特點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)部門中。旋風(fēng)除塵器一般只適用于凈化非粘結(jié)性和非纖維性粉塵，溫度在400℃以下的非腐蝕性氣體。如果用在高溫氣體凈化上，則需采取冷卻措施，或內(nèi)襯隔熱材料。用于凈化腐蝕性氣體時(shí)，則應(yīng)采用防腐材料制做，或內(nèi)壁噴涂防腐材料。旋風(fēng)除塵器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)氣流速度很高，粉塵對(duì)壁面的磨損，特別是對(duì)錐體部分的磨損較快，所以在設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)應(yīng)充分注意，采取一定的耐磨措施。11.2過(guò)濾式除塵器過(guò)濾式除塵器是使含塵氣流通過(guò)多孔過(guò)濾材料將粉塵分離捕集的裝置，分為采用織物作濾料的表面式過(guò)濾器和采用填充料（如纖維、硅砂等）的內(nèi)部式過(guò)濾器。采用濾紙或纖維填充料的所謂空氣過(guò)濾器，主要用于通風(fēng)及空氣調(diào)節(jié)工程的進(jìn)氣凈化方面；采用織物等作濾料的所謂袋式除塵器，主要用在工業(yè)排氣的除塵方面。采用硅砂作填料的所謂顆粒層除塵器，可用于高溫?zé)煔獬龎m。本章主要介紹應(yīng)用廣泛的袋式除塵器。11.2.1袋式除塵器的基本原理圖11.4機(jī)械振動(dòng)袋式除塵器(1)濾塵機(jī)制圖11.4機(jī)械振動(dòng)袋式除塵器簡(jiǎn)單的袋式除塵器如圖11.4所示，含塵氣流從下部孔板進(jìn)入圓筒形濾袋內(nèi)，氣流通過(guò)濾料的孔隙時(shí)，粉塵被濾料阻留下來(lái)，透過(guò)濾料的氣流由排出口排出。沉積于濾料上的粉塵層，在機(jī)械振動(dòng)的作用下從濾料表面脫落下來(lái)，落入灰斗中。袋式除塵器的濾塵機(jī)制包括篩分、慣性碰撞、攔截、擴(kuò)散和靜電吸引等作用。篩分作用是袋式除塵器的主要濾塵機(jī)制之一。當(dāng)粉塵粒徑大于濾料中纖維間孔隙或?yàn)V料上沉積的塵粒間的孔隙時(shí)，粉塵即被篩濾下來(lái)。通常的織物濾布，由于纖維間的孔隙遠(yuǎn)大于粉塵粒徑，所以剛開始過(guò)濾時(shí)，篩分作用較小，主要是靠慣性碰撞、攔截、擴(kuò)散等作用。當(dāng)濾布上形成粉塵層后，主要靠篩分作用，而碰撞、擴(kuò)散等作用變小。一般粉塵或?yàn)V料可能帶有電荷，當(dāng)兩者帶有異性電荷時(shí)，由于靜電吸引作用，使濾塵效率提高。近年來(lái)，有人試驗(yàn)使濾布或粉塵帶電的方法，以提高濾塵效率。(2)濾塵效率圖11-5濾布的濾塵過(guò)程在各種除塵裝置中，袋式除塵器是除塵效率最高的一種，幾乎在各種情況下濾塵效率都可以達(dá)到99%以上。如果設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行得當(dāng)，特別是維護(hù)管理適當(dāng)，則不難使濾塵效率達(dá)到99.9%。圖11-5濾布的濾塵過(guò)程影響袋式除塵器濾塵效率的因素包括粉塵特性、濾料特性、運(yùn)行參數(shù)（主要是粉塵層厚度、壓力損失和過(guò)濾速度等）以及清灰方式和效果等。下面對(duì)幾個(gè)主要影響因素作一簡(jiǎn)述。①濾料的結(jié)構(gòu)袋式除塵器采用的濾料有機(jī)織布（素布或絨布）、針刺氈和表面過(guò)濾材料等。不同結(jié)構(gòu)濾料的濾塵過(guò)程不同，對(duì)濾塵效率的影響也不同。素布中的孔隙存在于經(jīng)、緯線以及纖維之間，由于粘附力的作用，在經(jīng)、緯線的網(wǎng)孔之間產(chǎn)生了粉塵架橋現(xiàn)象，很快在濾料表面形成了一層粉塵層，如圖11.5所示。由于粉塵粒徑一般都比纖維直徑小，所以粉塵層的篩分作用很強(qiáng)。由于濾布表面粉塵層的濾塵作用，濾塵效率顯著提高。絨布是素布通過(guò)起絨機(jī)拉刮成具有絨毛的織物。開始濾塵時(shí)，塵粒首先被多孔的絨毛層所捕獲，經(jīng)、緯線主要起支撐作用。隨后，很快在絨毛層上形成一層強(qiáng)度較高