大气污染控制工程概论 大气污染及其危害 一、 大气污染的基本概念 早在英国爱德华二世(1284～1327)年代，这位国王就曾想通过禁止使用煤来解决燃煤产生的烟气污染问题。他曾颁布了一道法令：“无论是谁被发现燃烧煤，他就是有罪的，都将受到杀头的惩罚”。由此可见，大气污染自古有之。如同其它污染控制一样，大气污染控制技术和工程、设备也是在大气污染到了一定的程度、顺应时代需要的产物：控制技术的研究与工程应用的主要推动原因是严重的大气污染事件的刺激。 美国的Donora是一座钢铁小城，在1948年仅有3家主要工厂：钢铁厂、电线厂和锌板厂。在1948年的最后一个星期，浓浓的烟雾笼罩着这个小城，逆温层使得工厂排放的烟雾难以从山谷中扩散出去。到星期五，烟雾变得特别浓，据报道碳颗粒几乎一动不动的悬浮在空中，能见度非常低，以致于当地人都迷失了道路，到星期五为止，卫生部门和医院里充满了需要就诊的呼救。死亡发生在凌晨2点钟，直到半夜有17人死亡，这时人们才意识到问题的严重性，马上组织了医疗救助。 虽然Donora事件在美国逼迫人们认识并重视了大气污染，但到英国发生相似的灾难并引起同样的认识之间又相隔了4年。1952年伦敦的“烟雾杀手”事件是在同样的气象条件下发生的，在地面上浓密的烟雾与寒冷以及从煤炉里产生的烟混合引起了少见的黄色烟雾，并且持续了1个多星期，能见度很低，以致公共汽车的售票员不得不到车前步行引导汽车穿过大街，烟雾发生2天以后，当地的死亡人数急剧上升，达到数百人。二氧化硫浓度多上述二个污染事件的发生，人们到70年代才开始关心大气污染问题并试图进行控制，大气污染的公害才得以缓和。 我国的大气污染也已经到了十分严重的地步。我国以煤炭为主要一次能源，1996年生产与消费均占一次能源的75％，这种在相当长的时期内不会发生大的变化。大约72％的工业和蒸汽燃料、52％的化工原料和92％的民用燃料来自于煤炭，其中最大的用煤行业是电力，其它为化工、冶金、建材、采矿等行业及民用，它们共占煤炭消耗总量的83％。以煤炭为主的能源结构给环境带来了严重的威胁，我国大气污染以烟煤型污染为特征，燃煤电力提供了90％以上的热力和电力。但现在氮肥厂和煤气厂大多数造气炉除尘仍然采用较落后的盲肠式惯性除尘器或湿法除尘。前者的除尘效率很低，造成了严重的环境污染，后者不仅高品位的热能不能回收，浪费了大量水资源，同时造成了二次污染。据统计，因为燃煤1997年我国向大气中排放二氧化硫1852吨、粉尘1565吨。我国汽车工业的飞速发展造成了日益严重的尾气污染问题，1995年我国汽车尾气中CO的排放量为770万吨、HC和CO2排放量为350万吨。上海市主要交通路口的CO和HC的日平均浓度分别达到6.54mg/m3和0.66mg/m3。 二、大气污染物的种类及其性质 大气污染物主要有气态污染物(如二氧化硫和一氧化碳)与颗粒态污染物(如烟尘、飞灰、气雾)，其中颗粒分为液体和固体两种，以固体颗粒污染物为主,如粉尘、烟、飞灰、黑烟等，液体颗粒污染物如水雾、油雾、碱雾、酸雾等。 1，气态污染物种类及其性质 气态的污染物是以分子状态存在的污染物。最重要的气态污染物有：碳氧化物(一氧化碳、二氧化碳)、硫氧化物(硫化氢、二氧化硫、三氧化硫)、氮氧化物(一氧化氮、二氧化氮)和碳氢化合物，臭氧也应该列入，因为它对大气有潜在的影响。 大气污染物的浓度通常表示成每立方米多少微克，以及ppm。 在25℃、760 mmHg(1大气压下)，ppm和μg/m3的换算公式是：1ppm=1体积的污染物/106体积的气体(污染物＋空气)。 表4－1 主要空气污染物及其特性与危害性 名称 分子式 重要特性 危害性  二氧化硫  无色，强烈的窒息气味，极易溶于水形成亚硫酸 危害作物生长；腐蚀材料；毒害人体，如造成鼻炎、咽喉炎、嗅觉障碍，严重时导致肺炎和窒息等。形成酸雨，破坏土壤和水体环境及生态。  三氧化硫  溶于水形成硫酸 具有强烈的腐蚀性；在大气中遇水成为硫酸酸雾，形成酸雨，导致植物枯死。  硫化氢  浓度低时有腐蛋味，浓度高时无味 刺激眼睛和呼吸道，浓度高时使人中毒死亡  二氧化氮  无色，相对惰性，在燃烧中不会产生，常在隔绝空气的瓶中用作载体 刺激呼吸器官，导致咳嗽、头疼等，严重时死亡。引发光化学烟雾。  一氧化氮  无色气体 引发光化学烟雾。  二氧化氮  橙色或棕色气体 光化学烟雾组成中的主要成分  一氧化碳  不完全燃烧的产物，无色无味气体 CO与血红蛋白结合，导致缺氧、窒息；长期呼吸含低浓度的CO，造成慢性中毒。  二氧化碳  无色，无味气体 完全燃烧产生，可能会影响全球的气候  臭氧   危害作物和财产，主要产生于光化学烟雾形成的气候  碳氢化合物   对人体的危害主要是造成呼吸道和皮肤疾病，如皮炎、呼吸道和眼睛的炎症，以及头晕、乏力、咳嗽等。具有致癌作用。引发光化学烟雾。  铅   乏力、苍白、头疼、食欲不振  烟尘及粉尘   呼吸道病症、尘肺、肺气肿等。   2， 颗粒态污染物的种类及其性质 颗粒态污染物的分类如下： (1)尘埃：a,直接由正在传递或处理的物质上带走的固体颗粒如煤、灰和水泥；b，直接从正在机械加工的原材料上散发的固体物质，如木材厂的木屑。c，那些用于机械加工的传递材料如喷砂和砂磨中的砂，从稻谷传送机和煤清洗工厂发生的灰尘也归于这类。尘埃中含有相对大的颗粒，如水泥尘埃大约粒径为100μ m。 (2)烟尘：一种固体颗粒，通常是金属的氧化物，在升华、蒸馏和煅烧或化学反应过程中由蒸汽冷凝而成，如锌和铝氧化物来自于高温过程中挥发的金属冷凝和氧化，尘埃的粒径很小，为0.03～0.3μ m。 (3)雾：通过蒸汽的冷凝或者化学反应所形成的液滴，如硫酸酸雾的形成。二氧化硫气体变成液体是因为其露点为22℃，三氧化硫颗粒是吸湿性的，雾的直径通常为0.5～3.0μ m。 (4)烟：由于含碳物质的不完全燃烧而形成的固体颗粒。空气燃烧中，碳氢化合物、有机酸、二氧化硫、二氧化氮也会产生，烟的粒径大约为0.05～1μ m。 (5)水珠：由原始液体的雾化形成的液态颗粒。 三、大气污染源 自然界和人类每天都向大气中排放许多物质，都可能是大气的污染源。 自然界自身活动过程所产生的颗粒物质如植物花粉、真菌的孢子、森林起火产生的烟雾、火山爆发产生的尘埃以及风将裸露土壤的表层浮土吹起而导致灰尘和微生物细胞向大气中转移等，在一定情况下都有可能成为污染大气、危害人体健康的污染源。另外，自然界中由于微生物活动产生的硫化氢、氨气、二氧化氮和甲烷以及二氧化碳也是大气污染物的重要组成。 大气的人为污染源主要有：居民生活(燃烧各种燃料)、工业生产、交通运输三类，其中交通运输具有移动性的特征。 由于人口增加、工农业生产的迅速发展等原因，自二次世界大战以来人类的活动成为大气的重要污染源。可以说：大气污染控制就是怎样削减由于人类活动排放到大气中的污染物量以及对排放的大气污染物进行净化。 工业生产过程中产生的主要大气污染物有： 二氧化硫：化石燃料的燃烧、火力发电厂、有色金属冶炼厂、硫酸厂、炼油厂等；排放大量二氧化硫将形成酸雨。通常无污染的降雨pH大约为5.6，但酸雨的pH能够降低到2甚至更低。低pH不仅影响水体中鱼类的生存，也将导致重金属的溶解释放，加剧了问题的严重性。酸雨降落到附近的土壤，使得植物枯死。酸雨使得原本酸性的土壤更加不适用于作物的生长，从而成为不毛之地。 氮氧化物：机动车尾气和化工生产中以及微生物发酵、农产品加工中都产生大量的氮氧化物。氮氧化物的污染危害性主要来自于二氧化氮，当二氧化氮参与大气的光化学反应时，形成光化学烟雾。 碳氢化合物：包括烷烃、烯烃、苯以及多环芳烃等，主要来自于石油化工业、有机合成工业。另外，作物生长过程中也向大气中排放大量的甲烷，作物焚烧过程中产生大量的二氧化碳和烟雾等。污染危害性：许多碳氢化合物具有明显的致癌性，如多环芳烃；碳氢化合物参与大气的光化学反应，生成光化学烟雾。 碳氧化物：属于气体污染物中排放量最大的一类污染物，排放源主要有燃料燃烧和机动车以及微生物对有机碳化合物的氧化分解等。其中，二氧化碳是“温室效应”气体。 重金属：从汽车排放出来的尾气含有铅颗粒。铅的排放与含铅汽油(使用四乙醚铅作为防爆剂)有关。从运输中来的气体污染物包括一氧化碳、氮氧化物和碳氢化合物主要是由于趋轴箱、化油器和油箱的不完全燃烧及蒸发所产生的。 氟化物：冶矿行业排放大量的氟化物、烟尘、粉尘、氯气、氯化氢和铅等污染物。 生活、产业等活动产生恶臭物质成为大气污染的一个新的和重要的来源。 表4－2 几种工业生产向大气中排放的主要污染物 行业 工厂 排放的主要污染物  电力 火力发电厂 烟尘、二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫、苯并芘  冶金 钢铁厂 有色金属冶炼厂 炼焦厂 烟尘、二氧化硫、一氧化碳、氧化铁尘、氧化锰尘 粉尘(含各种重金属)、二氧化硫 烟尘、二氧化硫、一氧化碳、硫化氢、酚类、苯、萘、烃类  建材 水泥厂 水泥尘、烟尘  机械 机械加工 烟尘  轻工 造纸厂 仪表厂 灯泡厂 烟尘、硫尘、硫化氢 汞、氰化物 烟尘、汞  化工 石油化工厂 氮肥厂 氯碱厂 化学纤维厂 合成橡胶厂 农药厂 二氧化硫、硫化氢、氰化物、氮氧化物、氯化物、烃类 烟尘、氮氧化物、一氧化碳、氨气、硫酸酸雾 氯气、氯化氢、汞蒸汽 烟尘、硫化氢、氨气、二硫化碳、甲醇、丙酮等。 丁间乙烯、苯乙烯、乙烯、异丁烯、异戊二烯、丙烯腈、二氯乙烷 砷、汞、氯气、农药   环境空气质量标准和大气污染物综合排放标准 环境大气质量标准 表4－3 各项污染物的浓度限值(mg/Nm3) 污染物名称 取值时间 浓度限值    一级标准 二级标准 三级标准  二氧化硫SO2 年平均 日平均 1小时平均 0.02 0.05 0.15 0.06 0.15 0.50 0.10 0.25 0.70  总悬浮颗粒物TSP 年平均 日平均 0.08 0.12 0.20 0.30 0.30 0.50  可吸入颗粒物PM10 年平均 日平均 0.04 0.05 0.10 0.15 0.15 0.25  氮氧化物NOX 年平均 日平均 1小时平均 0.05 0.10 0.15 0.05 0.10 0.15 0.10 0.15 0.30  二氧化氮NO2 年平均 日平均 1小时平均 0.04 0.08 0.12 0.04 0.08 0.12 0.08 0.12 0.24   大气污染物综合排放标准(排气筒高度为15 m时的有组织排放，部分) 表4-4 现有污染源大气污染物综合排放标准 序号 污染物 最高允许排放浓度mg/Nm3 最高允许排放速率(kg/h)     一级 二级 三级  1 二氧化硫 1200(硫、二氧化硫和其它含硫化合物生产) 1.6 3.0 4.1  2 氮氧化物 1700(硝酸、氮肥和火炸药生产) 0.47 0.91 1.4  3 颗粒物 22(碳黑尘、染料尘) 禁排 0.6 0.87  4 氯化氢 150 禁排 0.30 0.46  5 铬酸雾 0.080 禁排 0.009 0.014  6 硫酸雾 1000(火炸药厂) 禁排 1.8 2.8  7 氟化物 100(普钙工业) 禁排 0.12 0.18  8 氯气* 85 禁排 0.60 0.90  9 铅及其化合物 0.90 禁排 0.005 0.007  10 汞及其化合物 0.015 禁排 0.00018 0.00028  11 镉及其化合物 1.0 禁排 0.060 0.090  12 铍及其化合物 0.015 禁排 0.00013 0.00020  13 镍及其化合物 5.0 禁排 0.18 0.28  14 锡及其化合物 10 禁排 0.36 0.55  15 苯 17 禁排 0.60 0.90  16 酚类 115 禁排 0.12 0.18  17 氰化氢* 2.3 禁排 0.18 0.28  18 硝基苯类 20 禁排 0.060 0.090  19 沥青烟 280(吹制沥青) 0.11 0.22 0.34  20 石棉尘 20 禁排 0.65 0.98  *排放筒高度不低于25 m 表4-5 新污染源大气污染物综合排放标准 序号 污染物 最高允许排放浓度mg/Nm3 最高允许排放速率(kg/h)     二级 三级  1 二氧化硫 960(硫、二氧化硫和其它含硫化合物生产) 2.6 3.5  2 氮氧化物 1400(硝酸、氮肥和火炸药生产) 0.77 1.2  3 颗粒物 18(碳黑尘、染料尘) 0.51 0.74  4 氯化氢 100 0.26 0.39  5 铬酸雾 0.070 0.008 0.012  6 硫酸雾 430(火炸药厂) 1.5 2.4  7 氟化物 90(普钙工业) 0.10 0.15  8 氯气* 65 0.52 0.78  9 铅及其化合物 0.70 0.004 0.006  10 汞及其化合物 0.012 0.00015 0.00024  11 镉及其化合物 0.85 0.050 0.080  12 铍及其化合物 0.012 0.00011 0.00020  13 镍及其化合物 4.3 0.15 0.24  14 锡及其化合物 8.5 0.31 0.47  15 苯 12 0.50 0.80  16 酚类 100 0.10 0.15  17 氰化氢* 1.9 0.15 0.24  18 硝基苯类 16 0.050 0.080  19 沥青烟 140(吹制沥青) 0.18 0.27  20 石棉尘 10 0.55 0.83  污染物排入大气后发生的物理和化学变化 正如废水排放到天然水体中那样，污染物排放到大气后将发生一系列的物理和化学过程，主要是指污染物在大气中的扩散(稀释)、沉降以及污染物和污染物之间、污染物与大气中其它物质之间发生化学反应。这些物理和化学过程综合的结果使得污染物的浓度发生改变，化学反应产生许多新的化学物质，这些过程可能使得污染的危害性减弱，也有可能使得污染的危害性加剧。同时由于大气本身的特殊性(空间容量、雷电、物质组成等)，从而造成了污染物在大气中变化过程的独特性。另外，大气不是微生物的良好生存场所，因此大气中微生物对污染物的吸收和转化作用也远不及水体、土壤环境。 污染物在大气中的扩散和稀释 大气对污染物的稀释扩散是大气环境容量的一个重要方面。在废气浓度较低、危害性相对较小或排放总量小的场合下，常用烟囱将废气或烟尘排放到一定高度的空中，使得污染物向更广范围进行扩散，达到稀释并降低污染危害的目的，这种做法是实用而且合理的。 废气或烟尘在烟囱中借助于烟囱对气流的动力和废气本身的热浮力的作用从烟囱口排出，进而继续上升，然后在大气中扩散。废气或烟尘在大气扩散过程中，与周围大气发生能量交换和物质转移，直到与周围大气的速度、温度等基本相近时废气或烟尘便随着大气运动而浮沉和扩散，最后与大气融为一体。 废气或烟尘在大气中的扩散与许多因素有关，如废气或烟尘的性质(比重、温度)、气象条件(风力、风向、气温、湿度)、烟囱高度等，其中气象条件是最重要和难以人工控制的因素。 在大气中扩散，废气或烟尘在外观上往往具有一定的几何形状，此称为烟羽。烟羽的形状通常有五种：波浪形、锥形、扇形、屋顶形、熏烟形，主要与气象条件有关。 图4－1 烟羽形状 污染物在大气中的化学反应 大气污染过程中，原污染物或初级污染物在大气中往往由于一系列的化学反应而形成二次污染物。众所周知的洛山矶光化学烟雾就是二次污染物形成的结果，如下表所示是光化学烟雾中的重要化学反应。 NO2＋光 NO＋O (4－1) O＋O2 O3 (4－2) O＋NO NO2＋O2 (4－3) O＋HC HCO. (4－4) HCO.＋O2 HCO3. (4－5) HCO3.＋HC 醛、酮等 (4－6) HCO3.＋NO HC2.＋NO2 (4－7) HCO3.＋O2 O3＋HCO2. (4－8) HCOx.＋NO2 过氧化硝酸盐 (4－9) 上述反应的步骤说明了在汽油和其它染料的燃烧过程中所形成并排放到大气中的二氧化氮因为阳光的作用而产生了臭氧，臭氧就是二次污染物，它与碳氢化合物反应形成一系列的化合物，包括醛类、有机酸和环氧化合物。这样，大气就能够被看作为一个巨大的反应器，反应过程中不断有新的污染物形成，使得污染情况越来越复杂。 大气污染控制的基本原理和特点 与水污染控制相似，大气污染控制的根本出发点也是提倡清洁生产、改革工艺技术和改造生产设备，尽快能地削减污染物的排放量。同样，在污染物的排放前也应该充分考虑资源和能源的回收利用，如：废气或烟尘中有用物质的收集和回用、废热的回用、酸性废气作为碱性废水的中和药剂等。在必须排放时，要采取相应的措施减少污染的危害性，具体方法有：污染源位于居民区的下风向(与污水排放口设置在给水水源地下游一样)；合理利用大气的环境容量和自净能力，建造烟囱(如同污水的排放口)实行高空排放；在污染源进行废气及烟尘的处理，使其达到一定要求后再排放等。就技术原理来说，废气或烟尘的处理与净化过程中广泛使用到物理方法(如扩散稀释、沉淀、离心、阻隔、吸收)、化学方法(如燃烧、催化氧化)、物理化学方法(如吸附)和生化方法(如生物滤池对废气的净化)以及尘渣和污泥的妥善处置。这些处理方法和净化设备在工程应用中可以单独使用，但往往是有机地组合成一个完整的处理工艺系统，这些方面与污水处理具有很大的共性。 与水污染控制不同，大气污染控制具有许多独特之处，表现在：污染物成分的特殊性；许多废气或烟尘的温度较高；污染物在大气中扩散稀释过程较在水体中更为复杂，同时受气象因素的影响更为显著；废气或烟尘的处理、净化技术以及设备的选择、设计和制造也与水污染控制有一定的差异。另外，交通运输大气污染的移动性，也是大气污染控制特殊性的一个方面。 大气污染控制技术与设备 表4－6 大气污染控制中的主要技术方法和设备： 大气污染控制技术  物理法 分离 重力除尘、离心除尘、静电除尘、过滤除尘、洗涤除尘；溶剂吸收；物理吸附；换热    扩散 烟囱高空排放    化学法 分离 化学吸附    转化 燃烧、催化转化   生物法 转化        一、污染物的扩散稀释 废气或烟尘中污染物在大气中的稀释扩散受气象条件(大气稳定度、大气温度和湿度)、烟气性质(比重、温度、排出速度)以及障碍物情况所影响。 大气处于稳定状态时，污染物不易稀释扩散，污染物会积聚在地面造成污染；大气处于不稳定状态时，污染物易于稀释扩散，污染物对地面的影响得以缓减。对烟气的大气扩散形成障碍的主要有：山谷和街谷将导致烟气中烟尘降落、地面浓度增高，加剧污染危害。因此，为创造良好的扩散稀释条件，设计中应使得因此高于200 m半径范围内的障碍物5 m以上。 烟囱有效高度的计算： h效＝h囱＋h动＋h浮 (4－10) 式中：h囱－烟囱高度(m) h动－烟气动能引起的上升高度(m) h浮－烟气浮力引起的上升高度(m) 最大落地浓度和距离的计算： C最大 = 0.23.Q.Cz (4－10) V风.h效2.Cy X最大＝(h效/Cz)2/(2－n) (4－11) 式中：C最大－最大落地浓度(g/m3) X最大－最大落地浓度处距烟囱的距离(m) Q－污染物排放量(g/s) Cz、Cy－水平和垂直方向上的扩散系数 V风－平均风速(m/s) n－随大气稳定性而变的萨顿扩散系数 二、污染物的分离 1，除尘 除尘技术，更广义地说是非均相分离技术，它涉及粉尘的捕集、净化、回收等问题。 许多烟气中含有固体颗粒状污染物，使用除尘设备将它们从烟气中分离出来，达到净化烟气、减少排放量的目的。 除尘设备按其起作用的技术原理划分主要有：重力除尘设备、离心除尘设备、惯性除尘设备、洗涤除尘设备、阻隔除尘设备、静电除尘设备等。 重力除尘设备 重力除尘设备类似于污水处理中的沉淀池(如图4－2所示)，其核心部分是重力沉降室，按气流方向分为：平流式沉降室和垂直式沉降室两种。烟气中的固体颗粒物由于比重相对较大，在重力沉降过程中逐渐与烟气主体分离开来，并沉淀到除尘设备的尘斗。 影响颗粒物重力沉降分离效率的因素主要有：烟气的过流速度、颗粒的大小和比重、布气效果等。烟气过流速度越小，则除尘效率越高，但过流速度太小则除尘设备的长度太大，投资费用增高。一般控制烟气过流速度为1～2m/s，除尘效率为40～60％。除尘设备的进气和出气口要注意防止气流的短流和偏流问题，必要时安装气流分布板，并控制设备的总阻力损失为50～130Pa为合适。与污水处理的沉淀池相似，有时在重力沉降室的高度上增加几块水平隔板，以提高烟气过流量和除尘效率。特点：结构简单、投资少、压力损失小(50～150Pa)，维修管理容易；体积大、效率低，适用于除去100μ m以上的尘粒，一般作为预处理设备。 图4－2 含尘烟气的重力沉降室示意图 L u0 含尘烟气 v H 除尘气体 离心除尘设备 通过烟气在设备中的回转造成离心力场，尘粒由于离心力聚集在除尘器内壁，并在重力作用下沉降到灰斗，气流在除尘器中心形成内涡旋，从而将尘粒从烟气中分离出来，又称为离心除尘器、旋风除尘器。 如图4－3所示是通用型离心除尘器内气流状态。 图4－3 通用型离心除尘器内气流状态 离心除尘器具有结构简单、造价较低、没有运动部件等特点，适用于去除粒径为10微 m以上的尘粒，许多情况下是作为预除尘装置出现的，除尘效率为70％以上，压力损失为500～1500Pa，设备的入口速度为8～12m/s左右。适当增加筒体高度、较小筒体直径都有利于提高除尘效率(增加气流在圆筒内的旋转圈数和强化离心力场)，但直径过小，则除尘容易逃逸，高度太大，阻力损失加大。一般筒体总高度(包括灰斗)为直径的5倍为宜。离心除尘器的卸灰部分应保证严密无缝(保证灰斗部分处于负压状态)，否则将严重影响除尘效率(灰都中尘粒被气流重新带走)。注意及时排灰。适当提高进气速度：防止细、软、潮、粘的颗粒在除尘器内壁结块，降低除尘效率、增加阻力损失。 (3)惯性除尘设备：使含尘烟气急剧改变气流风向，尘粒因为惯性力而偏离流线(尘粒的惯性力对于气流的惯性力)并撞击在挡板上，实现尘粒与气流分离的一种除尘设备。主要有弯管式、百叶窗式和多层填料隔板式三种，如下图4－4所示是各种惯性除尘设备的工作原理示意图。 图4－4 惯性除尘器工作原理 碰撞即为阻力损失，故这种除尘设备的压力损失较大，为200～1000Pa(取决于设备型式)，但除尘效率较高，为50－70％。在实际应用中，这种设备一般作为预处理设备，用来分离较大、较重的颗粒，对25微 m以上的尘粒除尘效率为65－85％。对于粘结性和纤维性粉尘，因为堵塞不宜使用惯性除尘器。 (4)湿式除尘设备：在湿式除尘器中水与含尘气体的接触有三种形式，即：水滴、水膜和气泡，使用湿法除尘的前提条件是粉尘的亲水性好。 湿式除尘器型式包括喷淋式（水流自上向下喷成雾状，尘粒和液滴之间的碰撞、拦截和凝聚等作用使得尘粒随液滴降落下来）、旋风式(又称为水膜式除尘器，水流经喷嘴沿切线方向在圆筒内壁形成薄膜，含尘烟气也沿切线进入圆筒，但两种流体的方向相反，尘粒在离心力作用下紧贴筒壁运动并被水膜粘附，从烟气中分离出来)。 湿式除尘器的特点：除尘的同时也能清除废气中气态污染物；捕集的粉尘不会产生飞扬；设备结构简单、阻力小(喷淋式和旋风式)、操作方便；能够处理高湿和有爆炸危险的气体。缺点是设备庞大、效率较低，对高温烟气中的热能不能进行回收利用，造成能源的浪费，并且洗涤除尘后排放大量的含尘污水，需要进行妥善处置；设备腐蚀问题和冬季防冻问题。 湿式除尘器的除尘效率：阻力损失为250～500Pa，停留时间为20～30s，对10μ m以上的尘粒除尘效率为70％左右。 如图4－5、图4－6所示是喷淋除尘器和湿式旋风水膜除尘器的构造和构造原理。 图4－5 喷淋除尘器构造和工作原理 图4－6 湿式旋风水膜除尘器构造和工作原理 在工业污染治理中，可以使用某些工业废水作为旋风水膜除尘器的洗涤介质，达到以废治废的目的。如某印染厂采用碱性精炼废水作为洗涤介质对锅炉废气进行消烟除尘处理，烟气流量为2×104 m3，废水流量为50 T/d，除尘率达到85％以上，同时对废水起到了预调节(降低pH)和预处理(降低COD)作用。 进气速度为15m/s以上，阻力损失为500～1500Pa，对1μ m以上尘粒除尘效率为88％～99％)、水浴式、泡沫式、填料式、喷射式等。能够将粒径为0.1～20μ m的液体或固体粒子从气流中去除，同时能够去除气流中的溶解性气态污染物。 表4－7 各种湿式除尘器的比较 类型 设备 比较  喷雾接触型 喷淋塔 用雾化喷嘴将液体雾化成细小液滴，气体是连续相，与之逆流运动。阻力损失小，液体消耗多，适用于去除几μ m以上的微粒。   喷射洗涤器 高压喷嘴雾化，气液同向流，阻力损失大，适用于去除1μ m以上的微粒。   离心洗涤器 将离心分离与湿式除尘结合起来，可捕集1μ m以上的微粒，阻力损失中等。  气体雾化型 文丘里管洗涤器 使用高速气流吸入液体并雾化成细小液滴，适用于龋齿1μ m以下的微粒和粘性粉尘。  液膜型 填料塔 设置填料使得液体形成大面积的液膜，提高两相接触效果，适用于去除几μ m以上的微粒。进气浓度太高将导致填料堵塞。   湍流塔 填料为塑料球、玻璃球或卵石球，气流可以将球浮动起来，液体从上下双向喷入床层，两相接触强度高，适用于去除1μ m左右的微粒，阻力损失大。  鼓泡接触型 泡沫洗涤器 筛板上保持一定高度的液体层，气流由下向上通过液层形成泡沫   冲击泡沫洗涤器 气体鼓泡后又冲击到上面挡板上，两相接触强度高，适用于去除1μ m以上的微粒，离子损失较小。  表4－8 各种湿式除尘设备的基本运行参数 名称 基本流速m/s 液气比 cm3/m3 压力损失Pa 除尘效率％  喷淋式 0.1～2 2～3 100～500 70  旋风式 15～50 0.5～1.5 1000～1500 90～95  水浴式 10～20 1 1000～1500 80～95  泡沫式 5～15 1～3 500～800 95～99  填料式 0.5～1 2～3 500～2500 85～90  文氏管式 60～90 0.3～1.5 3000～8000 99  喷射式 10～20 10～50 1000～2000 90  表4－9 湿式旋风水膜除尘器的除尘效果 除尘对象 粉尘粒径(μm) 进口浓度 (g/N m3) 出口浓度 (g/N m3) 除尘效率 (%)  锅炉飞灰 >2.5 1.12～5.9 0.046～0.106 88～98.8  铁灰石焦炭飞灰 0.5～20 6.9～55 0.069～0.184 99  石灰窑飞灰 1～25 17.7 0.576 97  铅反射炉烟气 0.5～2 1.15～4.6 0.053～0.092 95～98  表4－10 湿式文丘里管除尘器的除尘效果 除尘对象 进口浓度 (g/N m3) 出口浓度 (g/N m3) 除尘效率 (%)  炭黑 7.68 0.12 98.44  石灰窑石灰和氧化钠尘粒 16 0.045 99.09  氧化铝生产硅铝粉 2.0 0.005 99.75  (5)阻隔除尘设备：又称为过滤式除尘设备，其基本工作原理与污水的过滤净化和污泥的过滤脱水基本相似。按照过滤介质的基本型式分，阻隔除尘设备主要有两种：布袋除尘器和颗粒层除尘器。 含尘烟气在通过多孔介质时被截留、较大尘粒由于碰撞而被捕集、尘粒静电吸附(气流、介质和尘粒摩擦生电)。随着除尘的进行，介质表面积聚的尘粒越来越多，阻力损失越来越大，但除尘效率也越来越高。在实际应用中过滤材料可以制成袋、筒、抽屉、管状、平板等型式。如下图4－7是滤筒式除尘器的滤筒结构及其工作示意图。 图4－7 滤筒式除尘器及其滤筒结构 滤筒式除尘器的起始阻力损失为250～400Pa、终了的阻力损失为1250～1500Pa，对细小粉尘(1-5μ m)以上的粉尘除尘效率为99.99％。 a,布袋除尘器：在袋时除尘器中，滤袋可以做成多种形状，如扁袋式、抽屉式、滤筒式等，其中布袋除尘器中以扁袋除尘器使用最广泛，它具有除尘效果好，处理能力大的优点。 图4－8 扁袋式除尘器的工作原理示意图 出气 进气 过滤时滑动门关闭 图4－9 除尘布袋构造 图4－9 除尘抽屉构造 袋式滤料通常是由合成纤维(聚氯乙烯、尼龙、涤纶、聚丙烯、聚酯等)、天然纤维(棉布和纸等)或玻璃纤维织成的布或毡，滤料性能的要求：容尘量大、吸湿性小、效率高、阻力低，使用寿命长、耐温、耐磨、机械强度高等。一般地，在烟气温度低于120℃，并要求具有耐酸性和耐久性场合，常选用涤纶绒布和涤纶针刺毡，针刺毡的容尘量大、效率高、阻力小，但清灰较难、必须及时清灰；在尘粒高温烟气(<250℃)时，选用石墨化玻璃丝布以及炭素纤维滤料，甚至是金属纤维毡。如表4－7所示是除尘用工业涤纶绒布的基本性能。 表4－11 工业涤纶绒布的基本性能 滤布结构 断裂强度(kg f) 曲磨次数(次) 平磨次数(次) 过滤气速(m/min)在下限时的阻力损失(Pa) 除尘效率(％)  织物组织 经线 纬线 经向 纬向 经向 纬向     双层7/3 斜纹 20s/2 地纬 20s/2 绒8s 231.7 104.8 1216 591 1022 37 49 99.50   烟气通过布袋的速度控制在0.5～2 m/min，对于0.1微 m的尘粒除尘效率可达到99％以上，阻力损失为1000～1500Pa。在袋式除尘器工作时，除尘主要靠粉尘初层起作用，因此清灰不能破坏滤布表面的粉尘初层，否则造成除尘效果的下降。例如，对粒径为0.1～0.5μm的微粒，刚清灰后的滤袋其除尘效率仅为90％左右，而形成粉尘初层后除尘效率达到9％％以上。对于高温、高湿度、粘性的烟气一般不宜采用袋式除尘器进行除尘。 实际上多数袋式除尘器是按照其清灰方式来命名的，如机械振打式、低压气流反吹式、压缩空气正吹、脉冲喷吹式(利用4～7atm的压缩空气的脉冲产生冲击波使得滤袋振动导致粉尘层脱落，脉冲周期一般为60s，控制参数有压缩空气压力、脉冲频率和时间、清灰次序等)、低频声波式，如图4－10所示。 图4－10 各种除尘袋的清灰方式 (e)脉冲喷吹 (f)低频声波 表4－12 LSB－35型顺喷脉冲袋式除尘器的主要技术参数 进气浓度(g/m3) 过滤速度(m/min) 处理能力(m3/h) 喷吹压力(×105Pa) 除尘效率(%) 阻力损失(Pa) 过滤面积(m2) 滤袋数量(条) 滤袋规格(mm) 脉冲阀个数(个)  3～20 2～5 3960～9900 4～7 99.5 500～1200 33 35 Φ120×2500 5  b,颗粒层除尘器：以石英砂粒或其它颗粒介质(硅石、焦炭等)来分离烟气中的尘粒。颗粒粒径为2～5 mm，颗粒层高度为100～200mm，烟气过流速度为0.1～2 m/s，效率为99％左右，阻力损失为800～1300 Pa。颗粒层除尘器通常有如下型式：振动反吹清灰型、交叉流碎石移动床型、耙式颗粒过滤型(清灰时，靠梳耙将含尘颗粒层搅动，以便于将阻留的粉尘吹走)和沸腾式颗粒过滤型。颗粒层除尘器在清灰时，反吹空气以一定速度和压力从颗粒层下部经过气流分布板鼓入，使得颗粒层呈流化状态，粉尘因碰撞、摩擦而脱落，被气流带走，进入一级除尘器收集。颗粒层除尘器具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀，抗冲击，功率介质费用低廉来源广等优点，但再生较为困难，同时对微细粉尘的捕集效率还不高。另外，需定期停风进行反吹，不能连续工作，因此往往多台并联运行，轮流进行除尘和反吹。 高温烟气的除尘称为近年来过滤除尘技术的研究与应用热点，常用的耐高温过滤材料有：金属纤维，一般用于650℃左右的烟气除尘，如美国Memtec公司用316、316L等材料生产的Fibermet金属纤维滤管可用到650℃，比利时研制的Fecralloy纤维工作温度甚至可达1000℃，除尘效率为99.999％以上，德国Plansee公司开发用铬粉和钼粉烧结成多孔金属滤管也可用于1000℃以上的烟气除尘；陶瓷管、陶瓷纤维，可抗700℃以上高温，能达到较高的除尘效率，出口浓度<10mg/Nm3，目前国外以真空成型陶瓷纤维管(刚性)和陶瓷编织袋发展较快，可耐温800～1000℃，如德国的Babcock公司试管式陶瓷过滤器内装60根滤管用于PFBC装置中。但由于过滤器元件易损、易裂，除尘器的结构上连接困难、价格高，因此国外也还处于实验阶段，离广泛的工业应用尚有一定距离。 覆膜滤料除尘器：表面极其光滑靠微孔筛滤的原理，除尘效率高，对极细的粉尘也十分有效，粉尘剥离性好，膜的憎水性使得潮湿的粘性粉尘也难以粘附。在沥青焦冷却器烟气、石灰窑烟气等的净化中成功应用，解决了多年来在烟气中水分多、粉尘粘性大、粉尘浓度高等引起的结露、糊袋和阻力升高的问题。 波纹滚筒除尘器：高效、低阻的节能型产品，过滤面积为滤袋的过滤面积为普通的30～40倍，除尘器阻力较高及体积较大。即使降低过滤风速、降低运行阻力，除尘器的体积和占地面积也大大缩减。 上海化工研究院近年来开发出全滤饼式过滤除尘器，在这种除尘器中不锈钢滤材仅仅起到一个支撑滤饼的骨架作用，利用可编程序控制使得除尘器系统始终维持一个最佳的滤饼厚度对粉尘进行高效除尘。特点为：耐高温，采用特种不锈钢过滤材料，能够耐受600℃以上高温；超高效，控制最优的滤饼厚度，除尘效率可以调节；适用于粘性强和吸湿性强的粉尘处理，不易结雾和堵塞；零压清灰，采用振打清灰或声波清灰，清灰效果好；阻力损失低；维修率低；价格低，过滤速度提高后价格与扁袋相近。高温表面过滤除尘器另一关键技术是开发了大通量的程控高温烟气换向阀。 图4－11 全滤饼式过滤除尘器系统示意图 高温烟气进入 净化气出口 (6)静电除尘设备：工业规模的静电除尘器与1907年在美国加州诞生。在静电除尘器中，以金属筒体作为一个电极(集尘极)，在其内部悬挂许多根金属线作为另一极(电晕线)。电源输出3～6万伏直流或脉冲电压在两极之间形成高压电场，在高压电场中烟气发生电离，气流中尘粒因为带负电荷在电场中向正极(集尘电极)作定向运动从而与烟气主体相分离，达到除尘目的。静电除尘器有电源控制箱、升压变压器和整流器等组成。与其它除尘器相比，静电除尘器对细小粉尘的除尘效率高(99％)，压力损失小(200～500Pa)，处理烟气的流量大，但一次性投资、结构复杂、耗用钢材较多、占地大。另外，静电除尘效率受粉尘的比电阻影响较大：当粉尘的比电阻<106Ω.cm和>1012Ω.cm时，静电除尘受到干扰。另外，静电除尘器在高温下难以维持稳定的电晕，加之对粉尘的比电阻和气体成分等性质的敏感性及电极的腐蚀问题，因此不适用于较高温度。静电除尘过程中，粉尘将聚集在电极上，必须及时去除，否则将严重影响电流的大小和均匀度。电极的清洁方法：电磁振打或锤式振打清灰，振打必须注意振打强度和频率，既达到清灰目的，又不至于使得粉尘重新飞扬。静电除尘器类型很多：其中按照电极的形状划分有板式、管式和棒式三种；按电源类型划分为交流电式和直流电式两种；按照除尘器内烟气流向有卧式和立式；按照电极清灰方式有干式和湿式；按照电晕极性有正电晕型和负电晕型；按电晕区与收尘区的关系分为合建式和分建是两种。 表4－13 静电除尘器的影响因素和影响情况 影响因素 影响情况  粉尘比电阻 粉尘比电阻是衡量粉尘导电性能的重要指标。比电阻超过临界值(1010Ω.cm)时，电晕电流通过粉尘会受到限制，影响尘粒荷电量、荷电率和电场强度，导致除尘效率下降。其中，粉尘比电阻超过5×1010Ω.cm后，导电性极差、难以捕集，当粉尘到达集尘极后很难放出，粉尘层与极板之间形成的新电场严重妨碍了后续粉尘在电极上的富集，最终形成反电晕现象，除尘器无法工作。  烟气温度 烟气温度与粉尘比电阻成反比、与粉尘的粘滞性成正比。降低烟气温度有利于提高除尘效率。  烟气湿度 烟气湿度越大，吸收或凝结在粉尘表面上的水分越多，则粉尘导电性越好，除尘效率越高。  烟气流速 增加烟气流速导致除尘效率下降；烟气流速较低时，驱进速度随烟气流速的增加而提高，直接影响除尘器的处理流量。  粉尘浓度 粉尘浓度超过一定程度后，由于电晕区形成的离子吸附在粉尘上导致电晕闭塞，除尘效率下降。  粉尘粒径 粉尘粒径与其驱进速度有关，荷电粉尘的除尘速度与粒径成正比。在高浓度粉尘中，如果细小粉尘太多将导致电晕闭塞。  表4－14 各种除尘器适用的场合及其特点 除尘器 可能捕集的微粒粒径分为(μm) 除尘效率(%) 初投资 运行费  重力除尘器 100～10000 <50 低 低  旋风除尘器 1～1000 60-70 低 中等  袋式除尘器 0.1～100 95-99 中等 高  静电除尘器 0.01～100 90-98 高 中等  2， 除雾： 在分离的原理以及使用的设备上，除雾与除尘十分相似。常见的除雾设备有：重力除雾器、惯性除雾器、旋风除雾器、洗涤除雾器、过滤除雾器和静电除雾器等。适用于除尘的设备完全可以用于除雾。 吸收 气体污染物在向液相中吸收转移时，存在着气液两相间的动态传质过程：溶解在液体中的气体作为溶质在气液界面上会产生分压力，其大小表示它们返回到气相的能力。当液体中该溶质的分压力与气相中分压力相等时，气液传质达到了平衡，溶解过程终止。吸收剂(水或碱性吸收液)与吸收质之间还可能产生化学反应，化学反应属于选择性吸收，化学吸收作用的存在将大大加快吸收过程和提高吸收效率(化学反应降低吸收体系中的吸收质浓度，提高了吸收过程推动力，同时降低了吸收结束时吸收质的含量)。由于废气中含有多种污染物组分，因此在吸收是微粒吸收和化学吸收共同作用的结果；同时，由于废气中污染物浓度较低，因此必须创造必要的条件来保证吸收效率，以便排气达标。另外，吸收过程结束后吸收剂中含有大量污染物，必须碱性妥善的处理或处置，否则做造成二次污染。 废气中污染物在吸收液中的去除程严格遵守气液两相传质的亨利定律，如式4－10所示： P*＝C/H (4－10) 式中：P*－吸收平衡时吸收质在气相中的分压(atm) C－吸收质在吸收液中的的含量(kmoL/m3) H－吸收质溶解度系数(kmoL/m3.atm)，与吸收质的溶解度和温度有关 图4－11 常见的气体在水中的溶解度 烟气的吸收法净化与前述的洗涤法(或湿法除尘)有很大的相似性，所不同的是：洗涤法的吸收介质是清水，而吸收法的介质除清水外，还可以是其它的溶剂或溶液。另外，吸收法除主要用于处理各种有害的气态污染物外，兼有除尘作用。 吸收剂的选择十分重要，选择原则为：对被吸收的气态污染物溶解度高、吸收快；为减少吸收损耗，蒸汽亚要低；无毒、无臭、无腐蚀性、难燃，化学稳定性高，冰点低；粘度低，不起泡；有利于被吸收物质的回收；来源充足，价格低廉，易于重复使用。 水是最常见、也最经济的吸收剂，易溶于水的气态污染物都可以使用水作为吸收剂吸收去除，如氨气、溴、溴化氢、氯化氢、二氧化硫。但难溶于水的气体，如氮气、一氧化氮、一氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等必须寻求其它的吸收剂。其中，碱性吸收剂主要有氢氧化钠、碳酸钠、氢氧化钙溶液和氨水，用于对二氧化硫、氮氧化物、硫化氢、氯化氢、氯气等污染物的化学吸收；酸性吸收剂为稀的硫酸、硝酸等，用于对一氧化氮和二氧化氮等污染物的化学吸收。有机吸收剂有：煤油、聚乙醇醚、甲醇、二乙醇胺、邻苯二甲酸二丁酯等可以对基甲苯、二甲苯、苯等有机性气态污染物进行物理吸收。氧化吸收剂：次氯酸钠、臭氧和氯气可以氧化甲醛、乙醛、氯化氢和甲醇等污染物。 吸收设备必须满足如下基本要求：气液有足够大的接触面积和足够长的接触时间；气液之间扰动强烈，吸收阻力小、效率高；操作稳定并有一定弹性；结构简单、维护方便，造价低；抗腐蚀和堵塞的性能。主要的吸收设备有：填料塔、板式塔、喷洒塔和文丘里吸收器。如同化工生产，填料塔内的填料多种多样，如拉西环、鲍尔环以及鞍形和波纹填料，它们的比表面积大(气液接触面积大)、气流阻力小。填料塔的主要缺点：净化含尘多的烟气时，容易造成堵塞。可采用湍流塔替代：塔内筛板上有不断湍流的空心小球(聚乙烯或聚丙烯塑料，轻、耐磨、耐腐蚀、耐高温)，小球表面的液膜不断更新，气液两相的接触和传质得以增强。筛板塔在化工中经常使用，气液在筛板上交错流动，通过气体的鼓泡进行吸收，筛板塔具有处理能力大、气流阻力小、效率高、安装制作简单、造价低等优点，主要缺点：负荷范围较窄、操作弹性小、小孔径筛板容易堵塞等。 喷洒式吸收设备：空心喷洒式、高气速并流式、机械式。空心喷洒吸收器的特点：结构简单、造价低，很小的气流阻力，适用于处理粘污严重的气体；效率低。高气流并流式喷洒吸收器：文丘里管。机械喷洒式吸收器：机械转动作用使得液体飞溅，使得气液密切接触，提高吸收效率；结构复杂，造价较高，能耗较大，不适用于处理腐蚀性气体。缺点是：吸收效率不高，吸收液需要进行处理，否则造成二次污染。 图4－12 吸收塔 (a)填料吸收塔 (b)湍流吸收塔 (c)筛板吸收器 吸收法净化废气实例： a,吸收剂湿法脱硫：化学吸收剂主要有：石灰、碳酸钠、氧化镁、氨水、柠檬酸钠、硫酸铝等溶液。吸收反应后，主要产物为：亚硫酸钙、亚硫酸镁、亚硫酸钠，亚硫酸盐与氧作用生成相应的硫酸盐。其中：钙盐法存在结垢和堵塞问题，使用镁盐法和钠盐法可以克服。使用氨气作为吸收剂，具有运行费用低、产物(亚硫酸铵和亚硫酸氢铵等)可以作为肥料，在有氧和二氧化碳的情况下，最终产物中还有硫酸铵和碳酸铵、碳酸氢铵等。 图4－15 石灰/石灰石法烟气脱硫工艺流程图 换热器 烟囱 循环 吸收剂回用 洗涤塔 废气 固液分离 石灰 石灰石 吸收装置 固体废渣回收 b,吸收法净化含NOx废气：水吸收法形成硝酸和亚硝酸；浓硫酸吸收法生成亚硝基硫酸；碱性溶液吸收法生成相应的硝酸盐和亚硝酸盐；亚硫酸铵吸收法生成氮气(还原作用的产物)和硫酸铵。如下公式4－11、4－12、4－13所示： NO＋NO2＋2H2SO4 2NOHSO4＋H2O (4－11) 2NO＋2(NH4)2SO3 N2＋2(NH4)2SO4 (4－12) NO2＋2(NH4)2SO3 N2＋2(NH4)2SO4 (4－13) c,吸收法净化含氟废气：含氟(HF和SiF4)废气主要产生于铝厂、磷肥厂和含氟塑料厂等。水吸收：氟化氢和四氟化硅都易溶于水，水吸收后生成：氢氟酸和氟硅酸等产物。常用设备有：湍流塔、填料塔和文丘里吸收器。碱液吸收法：氢氧化钠和碳酸钠溶液吸收含氟废气，环可以得到钠冰晶石(Na3AlF6)。基本反应式如公式4－14、4－15、4－16所示： Na2CO3＋HF NaF＋NaHCO 3 (4－14) Na2CO3＋2HF 2NaF＋CO2＋H2O (4－15) Al(OH)3＋6NaF 2Na3AlF6＋3NaOH (4－16) 吸附 废气中污染物的吸附法净化的原理和基本设备与水处理相似。 废气吸附净化时，对吸附剂的要求：巨大的比表面积、对不同的物质有吸附的选择性、吸附容量高、足够的机械强度、来源广价格低。常用的工业吸附剂：活性炭、活性氧化铝、硅胶、沸石分子筛。解吸方法：升温解吸、降压解吸、置换解吸、吹扫解吸。吸附设备有：固定吸附床、移动吸附床和流动吸附床。 吸附法应用实例：含氟化氢废气的净化：吸附剂为工业氧化铝、氧化钙、氢氧化钙或碳酸钙等。其中工业氧化铝最合适。吸附了氟化氢的工业氧化铝进入电解铝的工业生产，因此不需要进行吸附剂的再生。氧化铝对氟化氢的吸附主要属于化学吸附。 二、污染物的转化 1，化学催化转化 主活性物质：能够单独对化学反应起催化作用；载体：基本作用为：提供巨大的表面积、强化催化剂的传质、传热和抗热冲击性能。一般为具有一定机械强度和热稳定性及导热性能的多孔惰性材料。 表4－15 常用的废气催化处理方法、载体和产物 用途 催化剂 催化产物 反应介质   主活性物质 载体    烟气催化 V2O5 SiO2 无机酸(硝酸、硫酸) 氢气、甲烷、氨气等还原剂  氮氧化物催化 Pt、Pd Al2O3-SiO2 还原为氮气    CuCrO2 Al2O3-MgO    碳氢化合物的催化 Pt、Pd、Rh Ni、NiO、Al2O3 二氧化碳和水    CuO、Cr2O3、Mn2O3 Al2O3    汽车尾气净化 Pt 硅铝小球、蜂窝陶瓷  燃料(碳氢化合物)   在汽车尾气净化中，最成功的处理装置是汽油机用的三效催化转换器，可以使车用汽油机的CO、HC和NOX的排放量减少80％－90％，已经成为发达国家汽油车的必备装置。 三效催化转换器：可以同时净化汽车尾气中的CO、HC和NOX，掌握反应中氧的量十分重要。氧不足时，CO和HC不能被完全氧化；空气过量时，HC和CO、H2首先与氧反应而被消耗，NOX的还原不彻底。空气量由排气管上安装的λ(过量空气系数)传感器进行反馈控制。三效催化转换器由外壳和内芯组成。其中，内芯是浸渍有催化剂的载体，其中催化剂为Pt(铂)和Rh(铑)：Pt主要催化CO和HC的氧化反应；Rh主要催化NOX的还原反应，载体为特种陶瓷，催化剂的1～2g/L(载体)，其中Pt/Rh=5:1左右。催化转换器的寿命一般在10万km以上，催化剂失效后，可以回收其中的贵金属。 图4－16 汽车尾气三效催化转换过程示意图 发动机 NOX还原 催化氧化 自动调节阀 空气泵 生物转化 废气生物净化是以废气中的污染物作为微生物生命活动的能源或养分，经代谢降解，转化为简单的无机物（CO2，水等）及合成为微生物细胞物质。 与废水的生物处理过程的最大区别在于：废气中的污染物质首先要完成从气相到液相或气向固体表面液膜的传质过程，然后被液相或固体表面中的微生物吸附降解。 根据微生物在废气生物处理系统中存在形式，可将处理方法分为生物吸收法（悬浮态）和生物过滤法（固着态）二类。生物吸收法，又称生物洗涤法，废气中的污染物通过含有悬浮态生长的微生物液相而被吸收、降解；生物过滤法则是微生物附着生长于固体介质（填料）上形成生物膜，废气在通过这种生物滤池时污染物被生物膜吸收、降解。 (1)废气生物处理的方法和系统 1)生物吸收法 (1)吸收－反应装置：由一个吸收室和一个再生池构成。 图4－17 吸收－反应生物吸附系统示意图 出气 吸 生 循 收 物 环 室 悬 液 浮 液 进气 空气 循环液 活性污泥再生池 在生物吸收法处理系统中，生物悬浮液（循环液）自吸收室顶部喷淋而下，使废气中的污染物和氧转入液相。吸收了废气中组分的生物悬浮液流入再生反应器（活性污泥池）中，通入空气充氧使得活性污泥的吸附活性得以再生。 生物吸收法处理有机废气，其去除效率除了与污泥浓度、pH值、溶解氧等因素有关外，还与污泥驯化与否、营养盐的投加量等有关。在臭气的生物吸收法净化系统中，适宜的活性污泥浓度为5000～10000mg／L、通过吸收塔的气速＜20m3／h。 生物吸收法中气、液两相的接触方法除采用液相喷淋外，还可以采用气相鼓泡实现传质。一般地，若气相传质阻力较大可用喷淋法，反之液相传质阻力较大(气态污染物溶解度较低)时则用鼓泡法。鼓泡与污水生物处理技术中的曝气相仿，废气从池底通入，与新鲜的生物悬浮液(如同曝气池中的活性污泥混合液)接触而被吸收。 生物吸收法对有机废气具有很高的净化效率，如日本某污水处理厂将臭气送入曝气池，取得了99％的脱臭效果。日本一铸造厂采用两段洗涤生物吸收法处理含胺、酚和乙醛等污染物的气体，置运行十多年来污染物净化率一直维持在95％以上，且运行费用极低。 (2)生物滴滤池 生物滴滤池处理有机废气的工艺流程如图4－18所示。 图4－18 废气处理的生物滤池系统 进气 出气 循环液 生物滤池 除尘 温度调节 湿度调节 生物滴滤池与生物滤池的最大区别是填料上方喷淋循环液。与生物滤池相似，生物滴滤池使用的是粗碎石、塑料、陶瓷等填料，填料比表面积一般为100～300m3／m2，这一方面便于气体通过，也对生物膜疏松与防止滤池的堵塞起到重要作用。与生物滤池相比，生物滴滤池的反应条件（pH、温度）易于控制（通过调节循环液的pH、温度）；而生物滤池的pH则主要是通过滤料中缓冲剂来调节的，一旦缓冲剂耗竭则需更新或再生滤料，温度的调节则需外加强制措施来完成，故在处理卤代烃、含硫、含氮等污染物时，由于微生物降解产生酸性代谢产物引起pH的下降，由于微生物分解污染物时使得滤料层升温而影响净化效率。 在生物滴滤池的填料上，生长有针对降解废气中某些 污染物质的优势微生物菌群，因而生物滴滤池可承受比生物滤池更大的污染负荷，同时操作条件亦可灵活控制、调节，故生物滴滤池成为目前生物法废气中有机污染物质（尤其是难溶类物质）研究与应用中的重点。 2)生物过滤法 废气进入生物滤池，通过约0.5～l m厚的生物膜填料层，气相中污染物被吸收到生物膜表层，进而被微生物氧化分解或同化。滤池的填料可以是土壤颗粒，也可以是活性炭或木屑。生物滤池高效运行的前提是要保证滤池有良好的通气性、适度持水性和含水率以及具有足够的微生物量。 图4－19 堆肥滤池废气处理系统 废气生物处理系统的条件 生物滤池填料的选择 在选择废气生物处理的滤池填料时，一般需控制如下条件：填料首先应具有较好的表面性质，适合于微生物的生长；填料必须有较大的比表面积，以尽可能大地提供微生物的附着面积，提高生物量，从而尽可能大地提高单位体积的有机污染物降解量；填料必须具备一定的空隙率，以防止滤床中微生物的快速增长而引起填料堵塞和压降升高，进而会引起短流，降低填料的利用率和提高出气口污染物的浓度；填料应具有较好的持水性，以保持生物滴滤池在间断运行后，保持微生物的液体环境，使微生物的生物降解能力在重新启动后能较快地恢复；填料必须具备一定的结构强度和防腐蚀能力；作为生物滴滤池的填料，本身不一定含有微生物新陈代谢所需要的微量元素和营养物质。 实验室小试使用丝网填料、纤维粘附活性碳（ACOF）、聚丙烯多面空心小球和炉渣为载体构建生物滤池系统处理有机性固液废气，通过测定4种材料在空白及挂膜状态时对甲苯气体的静态吸附及降解曲线，研究比较各材料的性能。得出如下研究结论：空白对比实验表明丝网、多面小球、炉渣对气相中的甲苯吸附作用很弱，ACOF对气相中的甲苯具有限的吸附能力；4种介质挂膜后的静态降解曲线比较实验表明：丝网和具丝网结构的ACOF挂膜量大，降解能力强，多面小球的降解性能次之，炉渣最差；具一定吸附性能的ACOF挂膜后的降解性能表现出较强的缓冲恢复效果，其它介质的缓冲恢复性能较差，短时间的闲置（24h）对挂膜材料的性能影响不大；ACOF由于持水能力和一定构吸附缓冲能力，性能下降较少。因此，在净化设备长时间停用的场合下，可以采用具一定缓冲性能的ACOF作为生物载体材料。 2)菌种的驯化：生物法净化工业废气的菌种驯化方法如同有机废水的生物处理。微生物法降解有机污染物，主要是异养生物将有机污染物作为主要的营养来源，通过新陈代谢过程降解了有机污染物。在处理废气中氨和硫化氢等污染物物质时，微生物以自养型为主。生物滴滤池中微生物的种类很多，主要为细菌、放线菌和真菌。生物滴滤池中的微生物经过驯化后，一般存在针对降解驯化有机气体的优势菌种，这也是去除效果比生物滤池好的重要原因。菌种一般由城市污水污泥或相关石油化工废水中的微生物经驯化而得。驯化方法是优势菌种筛选的重要因素，驯化方法一般有：一次性投加高浓度化合物及定时定量补充浓度相对较低的有机化合物。有研究指出，第二种方法为较好的驯化方式。 3)温度的控制：微生物的生长有一定的适宜温度范围，一般在25℃～35℃之间。有文献认为35℃是生化反应的最佳温度。气体的温度过高或过低，都将影响生物活性以及传质速度，需要经过热交换器换热来实现温度调节。 4)湿度的控制：湿度的控制对于生物滴滤池的运行非常重要。如果不在系统中附加增湿设备，气体会很快吹干填料，使生物失去依赖的液体环境。在生物滴滤池运行过程中，对湿度的控制条件非常严格，否则微生物的活性和降解能力就会受到很大的影响。研究表明，填料湿度范围在40％～50％时最佳（湿重）。（l）填料空隙中滞留过多的水分，填料透气能力下降，导致运行阻力增加，气体在填料中的停留时间减少，出气中污染物的浓度随之增高。（2）对于单位体积的填料来讲，空气的穿透能力下降，使填料内的好氧微生物的新陈代谢作用受到影响，填料内会有厌氧反应，产生恶臭。当滴滤池中的水分过少时，会导致填料内缺乏微生物生长代谢所必要的水分，微生物的液体环境受到影响，从而降解速率下降，严重时会导致填料干燥（湿度小于30％）。调节湿度的方法有：①在进气口设置湿度交换器；②在进气口设置喷嘴或文丘里增湿；③直接在填料表面喷水或定时定量地向滤池内灌注水。 5)pH的控制及营养物质的供给：生物滴滤池与生物过滤池相比，生物滴滤池内pH及营养物质的供给可通过循环液来调节。 废气生物处理的环境pH宜维持在7—8之间。如果降解中有酸产生，使系统中pH下降，使微生物的新陈代谢能力受到影响。对于生物滴滤池而言，可以通过调节循环水的pH来调节池内pH，一般是向循环液中投加适量的可溶性碱，从而达到改善池内pH的目的。循环液中含有微生物生长所必需的营养和微量元素，研究表明，营养物质中C、N和P应该保持合适的配比，微量元素一般适量添加即可。 6)操作方式的选择：生物滴滤池可采用顺流操作和逆流操作方式。孙佩石等人认为，生物膜逆流操作时的净化效率高于顺流操作，但由于使用的是同一生物膜填料塔，生物膜总表面积保持不变，因此分别以两种不同的方式操作时，其甲苯生化去除量的数值相差不大。实验发现，逆流操作时，气体流速较大时，会发生液泛现象，从而使运行阻力增大。生物滴滤池中生物膜量的分布，与进气的浓度相关。在有机气体的进气口，生物浓度很高，而随着进气浓度的递减和穿透深度的增加，微生物的浓度迹随之递减，在滴滤池的出口处，生物浓度最低。可见，操作方式对去除效率的影响并不大，工程实践中采取何种操作方式应根据填料性质、生物菌群种类、处理气体的性质等情况来确定。 7)处理方法的选择：不同成分、浓度及气量的气态污染物各有其适用的生物净化系统。生物吸收法适宜于处理净化气量较小、浓度大、易溶且生物代谢速率较低的废气处理；对于气量大、浓度低的废气可采用生物滤池处理系统；而对于负荷较高以及污染物降解后会生成酸性物质的则以生物滴滤池为好．在目前的废气生物净化实践中以运行操作简单的生物滤池系统使用得最多，日、德、荷、美等国家生物法处理有机废气的设备与装置开发已呈商品化态势并且应用效果良好，对混合有机废气的去除效率一般在95％以上。 (3)废气物净化效果 1)乙醇废气的生物净化 Hodge等采用堆肥作填料净化处理含乙醇蒸汽的废气，当进气负荷不高于90 g／m3. h、停留时间为 30s时，乙醇去除率达 95％以上。 2)苯乙烯废气的生物净化 Cox等以珍珠岩为滤料，选用驯化筛选后的真菌降解苯乙烯，当气体浓度为 800 mg／m3、流量为 43 L／h时，处理效率达 99％。同时测得出气中 CO2浓度为 1000PPm（1833mg／m3）； 3)苯同系物废气的生物净化 Corsi等在 Ф154mm实验装置上，以苯及其同系物（甲苯、乙苯和二甲苯）为净化处理对象，在操作温度20.8℃、空塔气速28～30m／h、停留时间1.82～1.96min实验条件下，以堆肥法、土壤和木屑木屑作为填料进行生物滤池处理的平行实验，比较了被处理气体通过三种填料加营养物质前后的去除效率，结果发现，堆肥填料滤池对气体中苯同系物一直保持较高的去除率（90％～99％），而以土壤和木屑作为填料的滤池在没有加营养物质的情况下去除效果较差。 4)卤代烃废气的生物净化 Hartrnans等的实验结果表明，当气速为145～156m／h、二氯甲烷浓度为 0.7～1.8 g／m3时，生物滴滤池对二氯甲烷的去除率为 80％～95％。 5)甲硫醇废气的生物净化 采用液相曝气方式驯化培养污水厂活性污泥，获得具有降解甲硫醇能力的优势微生物菌群。同时用海藻酸钠包理固定微生物，研究固定化微生物颗粒填充床去除含甲硫醇恶臭气体的工艺过程。液相曝气培养研究表明：降解甲硫醇的微生物菌群适宜的值为？，最佳pH条件为弱碱性。颗粒填充床生物脱臭塔运行实验表明：在空塔时间不大于13s，对低浓度甲硫醇气体（＜129mg／m3）的去除率在99％以上，对高浓度甲硫酸气体（＞？）的去除率在90％以上。 等离子体转化 利用等离子体净化气态污染物于70年代开始研究的，主要用于烟气的脱硫和脱氮。 等离子体被称为物质的第四态：由电子、离子、活性基和激发态分子等组成，使得很多需要更高活化能的化学反应能够发生。从应用看，气体净化过程应采取低温等离子体，获得等离子体的方法主要有辐照和放电两种。 图4－20 放电等离子体过程能量传递 70年代初，由日本原子能研究所与荏原制作所共同开发辐照法用于烟气脱硫。经过高能电子束(或γ射线)辐照，烟气中的二氧化硫和氮氧化物与氨反应，生成硫酸铵和硝酸铵颗粒物，再分离回收，作为化肥。 辐照法需要大功率电子加速器或γ射线源及妥善的屏蔽防护措施，占地大，需要一定量的氨气作为造价高。 烟气脱硫过程大致归纳为3个阶段： a,烟气中氮、氧和水分子被辐照反应生成O、OH、HO2等自由基： N2，O2，H2O 射线 OH，O，HO2 (4－17) b,烟气中的污染物二氧化碳和氮氧化物被氧化生成硫酸和硝酸： SO2 OH，O，HO2 HSO3，SO3，HSO4 OH，H2O H2SO4 (4－18) NO OH，O，HO2 HNO2，NO2 OH，O，H2O HNO3 (4－19) c,再与氨反应生成硫酸铵和硝酸铵： H2SO4＋2NH3 (NH4)2SO4 (4－20) HNO3＋NH3 NH4NO3 (4－21) 从电子束辐照到硫酸铵和硝酸铵形成前后仅需1s。 如下图4－21所示是电子束辐照法烟气净化工艺流程： 图4－21 电子束辐照法烟气净化流程 辐照室 废气 除尘器 排放 硝酸铵和硫酸铵 日本荏原公司在我国成都热电厂已经建立了一套试验装置，处理的烟气量为30万m3(N)/h。 废气净化的实际应用中往往需要采用多种净化方法来组合工艺系统来完成对废气中的多种污染物的去除。项目建设之前往往对过程处理工艺进行技术和经济比较，以确定最佳工艺。 应用实例：某化工厂生产聚氨酯合成革过程中排放大量混合有机废气，主要污染物为N，N－二甲基假酰胺(DMF)和甲苯(TOL)有机甲丙酮(MEK)，废气排放量为1×104m3/d，废气治理项目上马之前设计了四种工艺方案进行比较，如表4－16所示。 表4－16 聚氨酯合成革生产废气治理工艺方案及其比较 工艺 比较项目 水吸收＋烟囱排放 水吸收＋溶剂吸收 水吸收＋活性炭吸附 水吸收＋催化燃烧  DMF回收 投资(万元) 回收率(%) 回收量(吨/年) 回收价值(万元/年)  90 >95 119 119  90 >95 119 119  90 >97 125 125  90 >95 119 119  甲苯回收与净化 投资(万元) 净化率(%) 回收量(吨/年) 回收价值(万元/年)  3 0 0 0  6 >88 >80 22  6 >98 >85 26  10 95 0 0  三、总投资(万元) 93 96 96 98  四、总回收价值(万元/年) 119 141 151 119  五、主要优点 投资少，运行费用低，管理方便。 工艺简单成熟，DMF和TOL回收率高，排放接近达标。 工艺简单成熟，DMF和TOL几乎达到全部回收，排放达标。 方法可靠，净化较彻底。DMF和TOL都能够达标。  六、主要缺点 甲苯不能回收，甲苯造成污染。 溶剂(柴油造成二次污染。 活性炭再生需要一定费用。 TOL没有回收。   经过上述环境、经济和技术比较，厂方最终选择了水吸收＋活性炭吸附的工艺方案，流程图如图4－22所示。 图4－22 聚氨酯合成革生产废气处理工艺流程 排放 新鲜水 混合废气 DMF回收 循环水 冷却器 TOL回收 废气的回用 与废水一样，废气中有许多可回收利用的资源和能源。各种工业废气中含有的金属粉尘、气态有机物等都可回收作为工业生产的基本原料，高温烟气中含有的热能更是回收利用的对象。与废水、废渣相比，废气中的污染物含量相对较低，废气流量特别大，这给废气中物质的回收带来一定困难。另外，除热能外经过净化的废气通常都直接排空，不需要复用。 也与废水处理及回用一样，许多治理方法在净化废气的同时达到资源和能源的回收利用。在工业污染治理中，有时还可以将废气作为处理污水的介质进行利用，达到以废治废的目的(烟道气中含有大量酸性物质是碱性废水的良好中和药剂)。 应用实例一、烟气废热的回用 炼钢厂高炉、铸铁厂冲天炉等都排放大量的高温烟气。如某铸铁厂的冲天陆高温烟气采用三级水冷和布袋除尘器法进行降温、除尘净化，回收的热能可供厂内浴室使用，相当于每年节约用煤140吨左右，回收的铁尘可回用为铸铁原料。又如某钢铁厂对高炉、转炉等高温烟气的废热进行回收，回收的热能相当于120×104吨标准煤/年。高温烟气还可以用来发电。 图4－23 烟气废热回收－催化氧化脱硫一体化流程图 排放 静电除尘器 转化器 省煤器 吸 气 烟气 加 收 热 器 塔 灰 锅炉给水 锅炉送风 冷却水 硫酸 图4－24 烟气发电 大气污染的综合防治 从防止大气污染的角度考虑，理想的建厂位置是污染物背景浓度小、大气扩散稀释能力强、排放的污染物被输送到城市或居民区的可能性很小的地方。 在背景浓度已经超过<大气环境质量标准>规定的浓度限值的地区，显然不宜建设新厂，有时背景浓度随未超标，但建设新厂后将超标，因此也不宜建设新厂。 风向、风速：污染严重的工业企业应远离城市或居民区，并布置在下风侧。 温度层结：正常情况下，大气温度随着高度的增加而下降。每升高100 m，气温下降0.6℃。由于下暖上寒，污染物容易垂直上升并向高空扩散。离地面几百 m范围内的温度层结对污染物的扩散稀释影响很大。最不利于扩散的是近地面逆温(主要是辐射逆温)和上部逆温。因此应收集逆温层的高度、厚度、强度、出现频率和持续时间等资料。近地层200－300 m以下的逆温层对地面源的影响很大，加重近距离地面污染。当烟囱排出口位于逆温层中时，由于垂直扩散微弱，污染源近距离的地面浓度较低，但较远距离的地面浓度可能比没有逆温时的高，有时会造成漫烟。当排放口位于逆温层以上时，将产生爬升型扩散，最为有利。 降水和云雾：降水会冲洗和溶解大气中部分污染物；低云和物会加重污染。 地形：山谷较深、走向与盛行风向交角45～1350时，谷内风速很小，不利于污染物的扩散。高山围绕的深谷内不宜建厂。烟流虽然能够越过山头，仍然会在背风面造成污染时，居民区不宜建在背风坡的污染区。 充分利用大气的自净能力。 减少污染物的排放量：改变生产工艺，采取无害化工艺将污染消灭在生产之中；改变能源结构(采用无污染或污染小的能源，如太阳能、水电、地热、天然气等)；严格选择原料和燃料(使用低硫少灰的煤或对煤或油进行脱硫预处理)；集中供热(将分散的小锅炉合并为大锅炉，提高热效率，减少污染)。 绿化