《大氣污染控制工程》介紹以能源動力類尤其是固定燃燒源為特色的大氣污染控制的新理論、新方法和新工藝,重點闡述了固定燃燒源顆粒污染物以及典型氣態污染物SO2、NOx、汞及溫室氣體CO2的產生原理、控制理論、技術工藝、設計流程及監測方法,并結合具體案例進行了實踐分析。
本書可作為高等學校能源動力類學科專業本科生、研究生教材,也可供能源、環境和化工等領域的科學研究人員、工程技術人員及管理人員參考使用。
適讀人群 :本書可作為高等學校能源動力類學科專業本科生、研究生教材,也可供能源、環境和化工等領域的科學研究人員、工程技術人員及管理人員參考使用。
近年來,由能源動力等固定源燃燒使用造成的顆粒污染形勢嚴峻。因此,能源動力類相關的固定源大氣污染控制必要而且迫切。《大氣污染控制工程》介紹以能源動力類尤其是固定燃燒源為特點的大氣污染控制的新理論、新方法和新工藝,重點闡述了固定燃燒源顆粒污染物以及典型氣態污染物SO2、NOx、汞及溫室氣體CO2的產生原理、控制理論、技術工藝、設計流程及監測方法,并結合具體案例進行了實踐分析。本書具有實用價值。
能源利用尤其是化石能源利用引起的大氣污染已經成為當前相當一段時期內重要的環境問題。近年來,由能源動力等固定源燃燒使用造成的顆粒污染包括PM10和PM2.5以及硫氧化物、氮氧化物、痕量重金屬汞與溫室氣體二氧化碳的排放形勢依然嚴峻。因此,與能源動力類相關的固定燃燒源大氣污染控制必要而且迫切。
本書按照普通高等學校能源動力類本科專業課程的基本要求,側重能源動力類固定燃燒源污染控制的方向與特征,并結合教學改革實踐經驗編寫而成。主要闡述以能源動力類尤其是固定燃燒源為特色的大氣污染控制新理論、新方法和新工藝。
全書內容共11章。第1章闡述大氣污染的概念、化石能源利用與污染物排放現狀及其計算、我國大氣污染控制的動因與挑戰以及我國大氣質量及污染控制相關標準及其演變與比較。第2~6章為固定源燃燒顆粒污染控制:其中第2章闡述顆粒污染物的基本特性及控制基礎;第3章闡述旋風式顆粒污染控制;第4章闡述靜電式顆粒污染控制;第5章闡述過濾式顆粒污染控制;第6章闡述洗滌式顆粒污染控制。第7~10章為燃燒源典型氣態污染控制:其中第7章闡述二氧化硫污染控制;第8章闡述氮氧化物污染控制;第9章闡述燃燒煙氣汞污染控制;第10章闡述溫室氣體二氧化碳減排與控制。第11章闡述我國大氣污染防治的對策與措施。
本書內容力求有所側重、突出特色、邏輯清晰、結構緊湊,同時注重主題性、新穎性、系統性與實用性的統一。各章內容遵循并貫穿污染成因、控制原理或理論基礎、控制工藝、設計方法、監測規范的主線,利于學生掌握能源動力類大氣污染控制的基本原理、方法、技術和設計等知識模塊,易于學以致用。
本書由上海理工大學趙兵濤主編。編寫人員及具體分工為:上海理工大學趙兵濤編寫第1~7章、第9~11章,并負責全書統稿;東華大學蘇亞欣編寫第8章,并負責全書審核。參與編寫和繪圖工作的人員還有上海理工大學黃朔、鐘美、趙偉、張梓均和王大淇等。
本書得到上海理工大學“精品本科”系列教材建設項目和上海市自然科學基金(項目批準號:17ZR1419300)的資助。編寫工作得到上海理工大學諸多同事以及能源與動力工程學院多屆本科生和研究生的幫助和支持,他們為本書內容提出了許多寶貴的意見和建議。在此一并表示感謝。
由于編者水平有限,書中疏漏與不足之處在所難免,熱誠歡迎讀者批評指正。
趙兵濤
第1章 能源利用與大氣污染1
1.1大氣污染的概念1
1.1.1大氣及其性質1
1.1.2大氣污染及其分類1
1.1.3大氣污染效應的影響因素3
1.2化石能源利用與大氣污染物排放3
1.2.1世界及中國一次能源消費現狀3
1.2.2中國大氣污染物排放現狀5
1.3典型化石燃料燃燒煙氣及污染物排放計算8
1.3.1煤質特性8
1.3.2分析基準9
1.3.3燃燒大氣污染物排放量計算10
1.4我國大氣污染控制標準體系的演變與比較13
1.4.1環境空氣質量標準14
1.4.2大氣污染物排放標準16
思考與習題19
參考文獻19
第2章 顆粒污染控制基礎21
2.1固定源燃燒顆粒污染物形成機制21
2.1.1主要途徑21
2.1.2影響因素23
2.2顆粒污染物的主要性質24
2.2.1顆粒粒徑及其分布24
2.2.2物理性質29
2.2.3化學性質31
2.3氣體顆粒動力學基礎31
2.3.1顆粒受到的流體阻力31
2.3.2重力作用下的顆粒沉降34
2.4顆粒污染控制設備的性能表征34
2.4.1流量34
2.4.2壓降35
2.4.3效率35
2.5固定源顆粒污染物監測37
2.5.1監測規范37
2.5.2鍋爐煙塵及黑度監測39
思考與習題44
參考文獻45
第3章 旋風式顆粒污染控制46
3.1旋風氣體顆粒分離的基本原理46
3.2旋風分離器結構參數46
3.3旋風分離器的流場47
3.3.1切向速度47
3.3.2徑向速度48
3.3.3軸向速度48
3.3.4靜壓分布49
3.4旋風分離器內氣體顆粒動力學50
3.5旋風分離器的性能50
3.5.1分級效率50
3.5.2壓降52
3.6旋風分離器氣體顆粒分離的影響因素53
3.7旋風分離器的分類與組合55
3.8旋風分離器的設計56
3.8.1結構選型56
3.8.2設計方法與流程56
3.8.3設計計算57
思考與習題60
參考文獻60
第4章 靜電式顆粒污染控制61
4.1靜電式顆粒捕獲原理61
4.1.1基本過程61
4.1.2顆粒荷電機制62
4.2靜電場中的氣體顆粒動力學63
4.2.1顆粒驅進速度63
4.2.2顆粒捕獲效率64
4.3靜電顆粒污染控制的影響因素65
4.3.1粉塵顆粒特性65
4.3.2煙氣性質66
4.3.3結構形式68
4.4靜電除塵器的結構與分類69
4.4.1結構組成69
4.4.2主要分類71
4.4.3清灰方式72
4.5高效靜電顆粒污染控制設備72
4.5.1靜電旋風除塵器72
4.5.2電袋復合式除塵器73
4.5.3濕式電除塵器74
4.6靜電除塵器的設計75
4.6.1設計原則與依據75
4.6.2設計方法與流程76
4.6.3設計計算77
思考與習題79
參考文獻80
第5章 過濾式顆粒污染控制81
5.1過濾式顆粒控制基本機理81
5.1.1過濾式顆粒捕獲機制81
5.1.2袋式除塵器工作原理83
5.2袋式除塵器的性能表征84
5.2.1過濾風速84
5.2.2捕獲效率與穿透率84
5.2.3濾料表面的顆粒層質量85
5.2.4壓力損失85
5.3袋式除塵器性能的主要影響因素86
5.3.1過濾風速87
5.3.2顆粒特性87
5.3.3濾料87
5.3.4清灰方式88
5.4袋式除塵器的分類90
5.5袋式除塵器的設計92
5.5.1設計原則與方法92
5.5.2設計計算94
思考與習題95
參考文獻96
第6章 洗滌式顆粒污染控制97
6.1洗滌式顆粒污染控制的基本機理97
6.2洗滌式顆粒捕獲性能的表征98
6.2.1慣性碰撞參數和顆粒捕獲效率98
6.2.2接觸功率和顆粒捕獲效率98
6.3洗滌式顆粒污染控制技術及設備99
6.3.1主要分類99
6.3.2噴淋式99
6.3.3旋流式100
6.3.4沖擊式102
6.3.5文丘里式103
6.4洗滌式除塵脫硫一體化污染控制106
6.4.1旋流板塔106
6.4.2文丘里洗滌塔107
6.4.3洗滌式除塵脫硫設備的性能107
6.5文丘里洗滌器的工藝及設備設計108
6.5.1文丘里洗滌器的工藝108
6.5.2文丘里洗滌器的設計108
6.5.3設計計算110
思考與習題112
參考文獻112
第7章 二氧化硫污染控制114
7.1煤中硫的賦存形態114
7.2燃燒過程SO2的生成機理114
7.3燃燒中SO2控制115
7.4燃燒后SO2控制117
7.4.1技術工藝及其分類117
7.4.2濕式石灰石/石灰法煙氣脫硫118
7.4.3其他典型濕法煙氣脫硫120
7.4.4半干法噴霧干燥煙氣脫硫122
7.4.5干法循環流化床煙氣脫硫124
7.5濕式石灰石法煙氣工藝及設備設計124
7.5.1基本原理與化學過程124
7.5.2工藝流程125
7.5.3工藝參數126
7.5.4技術原則與措施127
7.5.5設計計算128
7.6固定源SO2排放的監測131
7.6.1碘量法131
7.6.2定電位電解法132
7.6.3非分散紅外吸收法133
思考與習題134
參考文獻134
第8章 氮氧化物污染控制136
8.1燃燒過程NOx的生成機理136
8.1.1熱力型NOx136
8.1.2快速型NOx138
8.1.3燃料型NOx139
8.1.4N2O的生成機理139
8.2燃燒中NOx控制140
8.2.1空氣分級燃燒140
8.2.2煙氣再循環法142
8.2.3低過量空氣燃燒143
8.2.4濃淡偏差燃燒143
8.2.5低NOx燃燒器144
8.2.6再燃脫硝144
8.2.7高級再燃技術146
8.2.8燃燒中脫硝技術比較147
8.3燃燒后NOx控制148
8.3.1選擇性催化還原法(SCR)煙氣脫硝148
8.3.2選擇性非催化還原法(SNCR)煙氣脫硝154
8.3.3典型濕法煙氣脫硝157
8.4N2O控制159
8.5煙氣中SO2-NOx及顆粒物的同時脫除161
8.5.1活性炭法161
8.5.2SNOx法162
8.5.3DESONOx法163
8.5.4SNRB(SOx-NOx-ROx-BOx)法164
8.5.5NOxSO技術164
8.5.6電子束脫硫脫硝技術165
8.5.7濕法FGD加金屬螯合物技術166
8.6SCR煙氣脫硝工藝及設計166
8.6.1SCR方案及原理166
8.6.2設計計算167
8.7固定源NOx排放的監測169
8.7.1紫外分光光度法170
8.7.2鹽酸萘乙二胺分光光度法170
8.7.3分散紅外吸收法171
8.7.4定電位電解法172
思考與習題172
參考文獻173
第9章 汞污染控制175
9.1燃煤煙氣汞排放現狀175
9.2燃燒煙氣汞的形態及其性質175
9.2.1煙氣中汞的賦存形態175
9.2.2主要理化性質176
9.3燃燒過程中汞排放的主要影響因素176
9.4燃燒源汞污染排放控制179
9.4.1燃燒前脫汞179
9.4.2燃燒中脫汞180
9.4.3燃燒后脫汞180
9.5吸附法煙氣脫汞的數學模型183
9.5.1吸附過程的物料衡算183
9.5.2氣固兩相間的傳質183
9.5.3吸附劑表面的吸附等溫模型184
9.6吸附法脫汞固定床的設計185
9.6.1固定床吸附過程的物料衡算185
9.6.2固定床吸附過程的計算186
9.7固定源煙氣汞排放的監測187
9.7.1我國煙氣汞監測方法188
9.7.2美國煙氣汞監測方法188
思考與習題191
參考文獻191
第10章 溫室氣體二氧化碳減排與控制192
10.1CO2的排放現狀192
10.1.1CO2排放的總體趨勢192
10.1.2CO2排放的區域性193
10.1.3CO2排放的行業性193
10.2燃燒前CO2捕集194
10.2.1主要原理與工藝194
10.2.2整體煤氣化聯合循環(IGCC)196
10.3燃燒中CO2捕集196
10.4燃燒后CO2捕集197
10.4.1技術工藝分類及特點197
10.4.2化學吸收法198
10.4.3吸附法200
10.4.4膜分離法201
10.5CO2捕獲工藝的比較203
10.6CO2的封存203
10.6.1CO2海洋封存204
10.6.2CO2地質封存205
10.6.3CO2生態封存206
10.7濕法CO2捕集工藝及設計207
10.8全球CO2減排與控制的國際性公約211
思考與習題213
參考文獻213
第11章 我國大氣污染防治的對策與措施214
11.1控制動因214
11.1.1大氣污染形勢的變化214
11.1.2公眾健康的要求214
11.2措施與策略215
11.2.1大氣污染源防治措施215
11.2.2大氣污染綜合防治策略措施216
11.3行動計劃217
11.4面臨的挑戰219
思考與習題219
參考文獻220