第 1 章 空氣污染防制簡介

第 1 章

空氣污染防制簡介

空氣污染就是空氣中存有不該有之物質，且其含量足以產生危害作用。

不該有之物質可危害人體健康、植物、財產、全球環境，影響視覺景觀或 產生臭味，污染物就是會產生這些危害物質。

1.1 空氣汙染防制之沿革

1.2 1969~1970 年急速提升興趣之原因 1.3 髒空氣之移除或排放控制?

例題 1.1

洛杉磯谷地面積是 4083 平方英哩 (square miles)。嚴重污染空氣層 假設平均厚度是 2000 英呎 (ft)。解決洛杉磯空氣污染問題方法之ㄧ，

是把污染空氣抽掉。假設我們每天要把洛杉磯空氣抽至 50 mi 外靠近棕 櫚泉 (Palm Springs) 之沙漠 (假設櫚泉之居民不抱怨)，假設管子中之流速 是 40 ft/s ，則管子之直徑需為多少?

1.4 一問題或一串問題?

表 1.1 1997 年國家排放量估計(百萬公噸/年)

空氣污染排放量 = 人口 × 每個人經濟活動 × 每單位經濟活動之污染量排放 1.5 排放、輸送、接受者

圖 1.1 空氣污染之簡圖，表示排放、輸送、稀釋、轉變和作用之互相關西 圖 1.2 7 月 19 日，1965 年加州洛杉磯部份污染物之平滑平均日濃度圖。

該圖發現 NO => NO ² => O ³ 之流程，及大氣中，CO 行為不同，

並未進行急速之化學反應。

1.6 單位及標準

本書用英制及 SI 單位 1.7 本書的規劃

第 1~7 章涵蓋空氣污染的一般主題；第 8~12 章則討論一直是社會空氣污 染努力焦點的四種污染物；第 13 章討論機動交通工具，這在空氣污染上 扮演著重要角色，也是造成都市空氣污染的重要原因；第 14 章討論大尺度 的問題，包括全球性的問題；第 15 章概略地討論其他五個特殊的空氣污染 主題。

第 2 章

空氣污染之影響 2.1 空氣污染對人體健康之影響

表 2.1 美國目前管制，且被認為對人體健康有危害之空氣污染物

圖 2.1 恕限度與無恕限度之劑量----反應曲線。通常我們不知道曲線形 狀，直線是假設的。

圖 2.2 實際的劑量---反應情形

圖 2.3 造成毒性物質恕限值之生物機制之流體模型。

無害消除機制 (harmless elimination mechanism)(或小到要在實驗偵測極限之 外)

2.1.1 動物實驗

表 2.2 先暴露於臭氧，然後是鏈鎖狀球菌之老鼠的實驗結果。

圖 2.4 曾暴露於臭氧和未暴露於臭氧的控制組之老鼠死亡差異實驗數據。

2.2 空氣污染對財產的影響

圖 2.8 植物死亡、葉子損害、新陳代謝或成長影響之恕限直曲線。

2.3 空氣污染對能見度之影響

圖 2.10 光子和顆粒可能交互作用：(a)來自汽車前燈之光線到達眼睛 ；(b)眼睛看見自由女神像之光景

例題 2.1 圖 2.10 說明通過含有粒狀物空氣的光子可能之命運。假設粒狀物 含量為 50 ug / m³ ，粒徑為 0.3 × 10 ^-6 m ，車燈與眼睛距離為 1 km 比例的光子可望與粒狀物產生碰撞?

第 3 章

空氣污染防制法規，空氣污染防制原理

空氣污染防制工作是基於法規之需求，這些法規會隨著時間而改變 3.1 美國空氣污染法規

圖 3.1 美國空氣污染操作許可之政府機構流程： SIP 3.2 空氣污染防制理念

空氣污染防制之理念是關於如何決定適當環境、適當成本、適當之成本分 攤，這些觀念形成法律基礎和 圖 3.1 之法規。

3.3 四個理念

四個理念為排放標準(meission standards)、空氣品質標準(air quality standards)

排放稅(enission taxes)和成本一效益摽準(cost-benefit standards)。

3.3.1 排放標準理念

排放標準理念(The Emission Standard Philosophy) 之基本觀念是存有 某種最大可能(可行) 程度之排放控制，這程度隨排放源改變而改變 但相同排放源是一定的。

表 3.1 新固定污染源之聯邦功能標準 (NSPS) 表 3.2 空氣污染防制理念之比較

現在聯邦法規中，有著下列義值：

最佳可行性控制技術(best available control technology，BACT)、

合理可行性控制技術(reasonably available control technology，RACT)、

最大可行控制技術(maximum available control technology，MACT)和最低可達 排放率(lowest achievable emission rate，LAER)。

3.3.2 空氣品質標準理念

空氣品質標準理念就是零損害(zero-damage)理念

圖 3.2 國家環境空氣品質標準(亦所謂空氣品質管理)程序之流程圖 3.3.3 排放税理念

以排放稅理念為基礎之法律，將依排放量課徵主要污染物之排放者 3.3.4 成本－效益理念

這理念建議我們決定多少損害可以接受 圖 3.3 污染物損害、防制及總費之關係

第 4 章

空氣污染檢測，排放估算

兩種空氣污染檢測：環境檢測（公眾呼吸之空氣污染物濃度或環境監測）

和污染源檢測（空氣污染源之濃度和／或排放率，或排放源測試），空氣 品質標準需要這兩種檢測

4.1 代表性樣品

任何空氣污染檢測涉及兩個問題，首先要取得適當、代表性樣品；第二要 正確測定污染物濃度。

圖 4.2 說明城市檢測環境 CO 採樣點選擇之問題 4.2 讓代表性樣品進入檢測器

圖 4.4 長且直的導管，站立舒服、可置放設備、有遮兩棚、動力供應 4.3 濃度之測定

污染物可由及時反應儀器簡易測定，大部分是光學原理的儀器 4.4 平均

需要知道一段時間之平均濃度，以便和標準比較 例題 4.2

一個 PM^2.5採樣器在平均流速 16.7L/min 下運轉 24 小時，濾紙原重 0.1400g，採樣 後濾紙乾燥至與原來相同濕度，濾紙重 0.1405g，測空氣中所含 PM2.5平均濃度？

4.5 標準分析方法

表 4.1 環境空氣中主要污染物檢測方法 4.6 測定污物之流量

污染物質量流率（量）是氣體濃度和氣體莫耳（或質量）流率之乘積。

污染物莫耳流量＝氣體莫耳流率×氣體中污染物莫耳濃度 例題 4.3

如圖 4.5 之採樣程序，顯示煙囪中 SO²之濃度是 600ppm，皮氏管及壓力計 指出其流速是 40ft/s，煙囪直徑是 5ft，煙囪氣體之溫度和壓力是 450℉和 1atm。試問 SO²之流量是多少 1b/h？

4.7 等速採樣

在煙囪採樣懸浮微粒時──不是任何氣體採樣──必須維持等速之流速 進入採樣針

圖 4.6 懸浮微粒之等速採樣問題 4.8 排放因子

EPA 發表了一份排放因子之文件。都是引用原先 AP-42 之數字，也都是過 去測結果之彙整，以方便於運用。

表 4.2 在無防制設備下，煙煤和次煙煤的排放因子 例題 4.5

假如例題 4.4 煤中之灰分隨氣流排放，則懸浮微粒之排放因子是多少？

4.9 可見之排放

第 5 章

空氣污染防制工程師的氣象學 5.1 大氣

地球大氣約為 78％氮氣、21％氧氣和 1％氬和其他微量氣體所組成 5.2 水平向大氣運動

大氣的水平向移動，主要是由於地球表面受熱不均所造成，且受地球旋轉

（科氏力）效應及地面和海洋之影響 5.2.1 赤道加熱和極區冷却

圖 5.2 大氣層總循環示意圖 5.2.2 地球旋轉效應

5.2.3 地面和海面的影響 5.3 大氣的垂直移動

在大氣中，任何比其周圍空氣輕的氣塊，將被浮力舉升，而比周圍空氣重 的氣塊則被負浮力降下。

5.3.1 空氣密度隨溫度和濕度而變 5.3.2 空氣密度隨壓力而變

直減率（lapse rate）

超絕熱直減率（superadiabatic lapse rate）

亞絕熱直減率（subadiabatic lapse rate）

5.3.3 大氣穩定

圖 5.6 實際直減率、絶熱直減率和大氣穩定之關係 5.3.4 混合層高

表 5.1 美國鄰近地區的混合層高

圖 5.10 全世界每年的蒸發量、降雨量和逕流量 5.3.5 水分

圖 5.11 標準大氣之高程與溫度、總壓力、純水蒸氣壓及相對濕度的關係 5.4 風

5.1.4 風速 5.4.2 風向

如圖 5.14 的風花圖（wind roses），那代表某地區和種風速和風向頻率的總 合。

5.5 逆溫

產生逆溫的方式有四種：

輻射逆溫 沈降逆溫 排洩逆溫

5.6 燻煙與滯留 圖 5.15 燻煙的形成

氣團有時停留在同一個地點達四天或更久，此時空氣污染濃度升高，有時 候達到致害的程度，這種情形稱為滯留（stagnations）。

5.7 氣象預測

第 6 章

空氣污染物濃度模式 6.1 前言

完美的空氣污染濃度模式可讓我們在任何特定污染排放、任何特定氣象條 件、任何地點、任何時段下，得到可信的污染濃度預測

6.2 固定盒模式

圖 6.1 四方形的城市，圖上所示為用於固定盒模式之符號 例題 6.1

某城市情形如下：W=5km，L=15km，u=3m/s，H=1000m，上風面或背景的 一氧化碳濃度 b=5 µg/m

³

‾

例題 6.2

如例題 6.1 的城市，在已知的氣象條件（u=3m/s，H=1,000m）下發生的機 會是 40％，而其餘 60％，風朝向圖 6.1 的垂直方向吹，風速 6m/s，高相同，

則本市一氧化碳的年平均濃度為多少？

6.3 擴散模式

圖 6.3 高斯煙流理念的坐標系統和專有名詞 高斯噴煙公式（Gaussian puff equation）

P148 (6.27) 例題 6.4

一工廠在高 H 處排放 20 g / s 的 SO^2，風速為 3 m / s。在下風處 1km 處，

σ^y和σ^z的值分別為 30m 和 20m，在煙流路徑中心線上之點及在偏離中心 線 60m，低 20m 處之點，其 SO²濃度各為多少?

圖 6.7 在各種不同穩定條件下，水平擴散係數σ^y為下風點與排放源間距 離的函數

圖 6.8 在各種不同穩定條件下，垂直擴散係數σ^z為下風點與排放源間距 離的函數

表 6.1 大氣穩定分類要件 例題 6.8

一工廠排放 SO² 100 g / s，其煙囪有效高度 H = 50m，風速 3 m / s，

大氣穩定分類為 C 級。試計算煙流中心線下，地面高在距離 0.2、0.4、0.5、

1、5 和 10 km 下風點的濃度。

6.4 煙流上升高度

霍蘭 (Holland) 煙流上升高度公式為 p160. (6.35)

△ h =煙流上升高度，m Vs =煙囪出口流速，m/s D =煙囪直徑，m

U =風速，m/s P =壓力，millibars Ts =煙道氣體溫度，K Ta =大氣溫度，，K 例題 6.9

計算 3m 直徑煙囪的煙流上升高度，出口氣體流速 20 m/s，風速 2 m/s，

壓力 1 atm，煙囪溫度和周圍環境溫度分別為 100℃和 15℃(373 和 288K)。

第 7 章

空氣污染防制概念

7.1 替代的方法

處理空氣污染問題有三種控制方法可以選擇。

7.1.1 改善擴散

7.1.2 程序改變和避免產生污染來減少污染排放 7.1.3 以末端污染防制設備控制污染

7.2 資源回收

若是污染物為有價物質或燃料，則在回收再利用或許比廢棄來的經濟 在廢氣濃度夠高時，回收才有可能。

7.3 污染物的最終去處

若可能，我們避免污染物的形成；若無法做到，則希望把它們攔截下來作 有效利用。但大部分的汙染物我們並不可能使用，若是污染物能燒，通常 以焚化摧毀，這對於大部份的有機化合物可行，但其他多數的汙染物卻無 法燃燒，所以最終去處是攔截下來後送入掩埋場。

7.4 設計空氣污染物防制系統和設備

典型的汙染控制系統由蒐集污染氣體裝置 (例中為集氣罩)，

控制裝置，氣體抽送裝置 (如風扇或鼓風機)，蒐集物的循環或處置裝置，

最後為煙囪。

圖 7.2 排放源無法由密閉管系統連結到控制設備時，典型的煙罩/鼓風機/

控制設備/煙囪設備。

7.5 空氣污染控制設備中的流速

大多數污染氣體流不論是空氣或燃燒廢氣幾乎都在大氣壓力左右，

溫度從室溫到燃燒溫度，燃燒氣體的流力行為和空氣相近，所以在流力計 算上均可視為相同，但兩者的化學性質則不同。

7.6 減少流量和壓力降

所有廢氣都必須送經污染防制設備和相關的管路，然後由煙囪排放。

一般是用風扇或鼓風機推動。驅動這風扇或鼓風機所需的動力在空氣污染 防制設備系統中，佔相當大的成本比例。

若欲減低驅動污染系統中廢氣的需要動力，則必須減少 Q¹，減少△P，增 高η。

例題 7.3

一淨發電量 1000MV 的電廠，煙囪流量約 200 萬 ft³/min(943.9 m³/s)，若裝 設一組空氣污染防制設備，其壓力降 1 psi (6895Pa)，則以 90%效率的風扇 來驅動克服此壓力降，其耗用動力佔發電量之百分比有多少?

7.7 效率、貫穿率、幾個九

防治效率，或簡稱效率 = η p194 (7.7) 貫穿率 = p =1 –效率 (7.8) 例題 7.4

我們打算用四組捕集器串成一系列，每個捕集器的效率為 93%，則總體的 效率如何?

7.8 均質和非均質污染物

集塵器的效率為粒徑的函數，大多數的集塵設備效率，對大粒徑者高，對 小粒徑者低。

例題 7.5

一廢氣含大、中、小三種粒徑污染物，其所佔重量比相同，若廢氣流經過 一集塵器，此集塵器對於大粒徑者效率 99%，中粒徑者效率 75%，小粒徑 者效率 30%，試問總體量百分比效率為何?

例題 7.6

若例題 7.5 下端各再串一相同集塵器則總體效率又為何?

7.9 以惰性物流量的計算基準 圖 7.3 控制設備的物質平衡示意圖 7.10 燃燒

7.10.1 燒什麼?

大部份的燃燒反應形式為:

p200 (7.12) 7.10.2 燃燒熱

高位發熱量(the higher heating value)係假設燃燒產生的水份冷凝，把凝結潛

熱釋出；低位發熱量(the lower heating value)係假設水以氣態離開燃燒器，

所以低位發熱量較高位發熱量低 7.10.3 爆炸或燃燒界限

混合物能燃燒的混合比例上下限界，稱之為稀薄限界或爆炸下限(lean limit or lower explosive limit，LEL)和濃富限界或爆炸上限(rich limit or upper explosive limit，UEL)(燃燒限界 combustible limits 和爆炸限界 explosive limits 為互通的名詞)。

例題 7.7

甲烷化學計量混合物在空氣中燃燒的稀釋限界(LEL)和濃度限界(UEL)為 何?

7.10.4 燃燒反應平衡

7.10.5 燃燒動力學，燃燒速率

7.10.6 混合效果在燃燒反應中的角色 7.10.7 火焰溫度

開放火焰的尖峰溫度依下列因素而定:

圖 7.5 空氣---燃料比和混合程度對燃料廢氣成分的影響 1. 使用的燃料和氧化劑

2. 火焰的大小

3. 燃料—空氣的預混程度 4. 燃料—空氣的預熱量

圖 7.8 比較空氣與燃燒廢氣的流向 7.10.8 燃燒時間

小火焰的燃燒時間很短，大小焰則長些。

表 7.2 各種燃燒器的估算尖峰溫度和燃燒時間 7.10.9 燃燒產物的組成與體積

圖 7.9 一簡單 CxHy 碳氫化合物的燃燒後體積及成分計算之過程

例題 7.9 甲烷以 20%過剩空氣燃燒，空氣中所含水分危 0.0116 莫耳/莫耳 乾空氣，則燃燒空氣與廢氣的流量為多少?其成分又如何?

例題 7.10 一點型匹茲堡層煤成份的分析極限(ultimate analysis)重量比如下:

氫 5.0%，碳 75.8%，氮 1.5%，硫 1.6%，氧 7.4%，灰分 8.7%。以 20%的過 剩空氣量燃燒，其空氣濕度為 0.0116 莫耳/莫耳乾空氣。設完全燃燒，試計 算廢氣量及組成。

7.11 改變體積流率

氣體的體積隨溫度和 / 化學成分的改變而明顯不同，這些變化使各種 空氣污染防制的設計變得複雜。

例題 7.11

以圖 7.10 為某一設備以某單一氣體流入及流出，其性質為空氣，流率 100lbm/min，其流入及流出的體積流率為多少?

圖 7.10 通過一設施後因溫度而改變，其體積流率的變化 7.12 酸露點

若廢氣中無酸氣存在，則廢氣中水份開始凝結的溫度稱為露點(dew

Point)，此乃當水的蒸氣壓力與大氣壓力之比等於廢氣中水蒸氣莫耳分量時 的溫度

例題 7.13

甲烷以 20%過剩空氣燃燒，試計算其露點。

例題 7.14

一燃燒廢氣在 1 大氣壓下，含 11%水和 1 ppm H²SO⁴，若不含 H²SO⁴則露點 溫度為何?若含 H²SO⁴時又為何?

7.13 空氣污染控制用觸媒

空氣污染控制所用觸媒需所經挑選，因為是觸媒選擇性的只催化某一種反 應，不會催化其他反應。

例題 7.15

一典型觸媒支撐材被覆層，內外表面積和 100 ㎡/g，若把它換成平板形式，

密度 2 g/㎝³，則此平板厚度多少?

圖 7.13 支撐上白金觸媒的概圖

第 8 章

粒狀污染物的性質

8.1 一次粒狀物與二次粒狀物 圖 8.1 空中傳播粒狀物的大小和特性

圖 8.2 點燃的香煙顯示透明 (氣態) 區和可見 (煙) 區 二次粒狀污染物(secondary particles)

一次粒狀污染物(primary particles)

“傷肺粉塵＂

可吸入性粒子 (inhalabe particles) 可呼吸性粒子 (respirable particles) 8.2 沉降速度和拖曳力

8.2.1 司脫克定律

圖 8.5 作用在流體中顆粒的各種力

p244 (8.4) 此式常稱為司脫克定律 (Stokes＇law) 例題 8.1

求粒徑 1 μ的球形顆粒在空氣中的終端沉降速度。

8.3 粒徑分佈函數

為了討論這種粒子群及對他們在集塵設備中的作為計算，我們需要某些描 述粒徑分佈的方法。

例題 8.9

一群粒子由三種粒徑組成 1μ、4μ和 10μ，此三種均為球形，密度相同。

則粒徑小於 5μ粒徑者粒子的數目百分比為多少?長度、表面積、和質量百 分比又各為多少?

第 9 章

一次粒狀物之防制

9.1 璧式集塵設備

三種控制設備──重力沉降室、旋風分離器和靜電集塵器──所有 功能均是把粒子導入實壁，讓他們能夠互相黏結而形成凝聚體，以便被集 塵設備去除。

9.1.1 重力沉降室

重力沉降室為一簡易的長形空間，污染氣體緩緩通過，提供足夠 讓粒子重力沉降到底部的時間，為一種老式簡易的設施，必須定期以人工 清理。

圖 9.1 典型重力沉降室示意圖

P286 (9.5)

P287 (9.12)

η合混＝1－exp(-η塊流) (9.13)

例題 9.1

一重力沉降室 H＝2m，L＝10m，Vavg＝1 m/s，在司脫克定律範圍下，計 算混合流和塊流的效率一粒徑關係。

圖 9.2 以塊流和混合流模式所計算的重力沉降室效率之比較 9.1.2 離心分離器

旋風分離器 (cyclone separator)或簡稱旋風器 世界上最廣為使用的粒子捕集設備

，p293 (9.16)

圖 9.4 旋風分離器示意圖

，p294 (9.18) (9.19)

例題 9.4

計算旋風分離器的效率一粒徑關係，Wi＝0.5ft，Vc＝60ft/s，N＝5，

假定分別在塊流和混合流的情況下，且適用司脫克定律。

截取直徑(cut diameter)

截取直徑為集塵效率為 50%所對應的粒徑。

把此定義代入式(9.18)，解塊流模式下依司脫克定律截取直徑:

，p295 (9.20) 例題 9.5

計算一旋風分離器之截取直徑，其入口寬 0.5ft，Vc＝60 ft/s，N＝5。

9.1.3 靜電集塵器

靜電集塵器(ESP)，但係以靜電力驅使粒子到壁上，它能比前兩種設備更有 效地處理更細的粒子。

圖 9.7 一簡化 ESP 示意圖，兩片極版，四條極線，一氣流通道 圖 9.8 現代化 ESP 透視圖

，p307 (9.23) q 為粒子上的電荷，ε為粒子的介電常數 例題 9.9

在一 ESP 中電場強度為 300 kV/m，粒徑 1μ的粒子介電常數為 6，並在此 電場中達到充電平衡，則其所含電荷為多少？

，p308 (9.26) 漂移速度 (drift velocity) 例題 9.10

計算例題 9.9 的粒子漂移速度。

，p310 (9.29) (9.30)

例題 9.11

計算一 ESP 的效率一粒徑關係，粒子的介電常數為 6，(A/Q)＝0.2min/ft (≒0.060 s/m)，只利用混合流公式。

例題 9.13

現存 ESP 的效率為 90%，若希望提升效率到 99%，則需增加多少集塵面積？

例題 9.15

一靜電集塵器由兩組平行板組成，各處理一半的廢氣量，目前的操作效率 95%，若總廢氣流量為定值，而不當分配流量，使三分之二的廢氣通過一 組集塵器，三分之一的廢氣通過另外一組，則總體效率將為多少?

9.2 分隔集塵設備

過濾器和滌塵器則是將氣流分隔成更小的部份而其粒子捕集起來。

y2

y1

9.2.1 表面過濾器

過濾器為一層膜 (鋼片、布、網、或濾紙)，膜上的孔直徑小於要留住的粒 子尺寸。

工業用過濾器，廢水，在各孔隙中的流速很慢 p321 (9.32) (9.33) 圖 9.12 通過表面過濾材的空氣

圖 9.13 典型的抖動一放氣式工業濾袋室 圖 9.14 典型的脈衝噴射式工業濾袋室

例題9.16：Nucla 電廠的濾袋室由六座所組成，每座有 112 支濾袋，每支濾袋直 徑8 in，長 22 ft，其有效過濾面積 46 ft²，全部待過濾的廢氣量為 86,240 ft³ /min

（此為很小的燃煤電廠），清理濾袋的壓力降為0.5 in 水柱高，操作最高壓力降 為3 in 柱高，然後關閉進行濾餅清理，每 1 小時清理一次。廢氣中粒子濃度為 13 grains/ft³，集塵效率 99％，濾餅中個體含量 50％，其餘為空隙。求濾袋關閉 待清理時濾餅厚度與濾餅的透係數 k。

例題 9.17：計算壓力降為 3 in. 水柱時，通過濾器上針孔的體速度。假設此壓力 降對應的為圖 9.15 的 0.39 m/min 線，在此速度下的穩定流穿透率為 0.001，針孔 的直徑為 100μ，推算濾餅上單位面積的針孔數。

9.2.2 深層過濾器

在整個濾材內捕集粒子，這些過濾器稱之為深層過濾器（depth filters）

圖 9.17 流經圓柱體和氣體和粒子行為 圖 9.18 標的物效率為分離的函數

（V y-^氣體－V y-^粒子） pD²V N_s

其中 Ns為分離數，Ns 等於障礙物的直徑除以司脫克停止距離，有人稱 N_s為衝擊參數（impaction parameter）或慣性參數（inertia

parameter）。

例題 9.18：單一圓柱狀纖維直徑 10μ，垂直於流速 1 m/s 的氣流，此氣流含 粒徑 1μ的粒子，其濃度 1 mg/m³，此纖維的集塵率為何？

9.2.3 濾材

過濾器的行為是表面過濾或深層過濾，端視所用濾材而定。

濾袋纖維的材料有棉、毛、玻璃纖維和一些合成纖維，材料的選擇依價格和使用 性而定。

9.2.4 用於粒狀物控制的滌塵器

滌塵器也是利用送入許多小液滴而將帶粒子氣體流分隔。

9.3 捕集器的選擇

在選擇一次粒狀物捕集設備時，必須考慮待捕集粒子的大小、要求的集塵效率、

氣體流量大小、容許的清理時間間隔、粒子詳細的性質。

∫

第 10 章

揮發性有機物（VOCs）之控制 表10.1 1997 年美國 VOC 排放量估算

表10.2 揮發性液體之行為和蒸氣壓 p 及 Patm的關係 10.2 VOCs

VOCs 是室溫下蒸氣壓超過大約 0.01psia（=0.0007atm）之有機液體及固體，它 們的正常沸點最高大約500℉（=260℃）

表10.3 各種 VOC 在 25℃水中的溶解度 10.3 以避免產生的控制方法

避免產生VOCs 的方法有取代、製程修改和洩漏控制。

圖10.2 當有通風貯槽注入液體時，把槽中淨空的蒸氣排出，造成置換損失。

例題10.4 ：圖 10.2 之儲存槽有液體苯，且在 68℉和淨空之氣體苯達成平衡，假 如輸入液體苯，則每立方呎苯輸入時，多少磅苯會在排氣中逸出？它佔入苯多少 比例？

例題10.5：例題 10.4 之儲存槽被大陽加熱至 100℉，蒸氣和液體同時被加熱至此 溫度，則每立方呎之儲存槽有多少磅苯逸出？假設剛開始時，儲存槽有50％的 液體、50％的蒸氣。

圖10.4 浮動屋頂儲存槽，用來儲存大量高蒸氣壓液體。

圖10.5 具有蒸氣回收系統之加油站灌油程序。

圖10.7 三種密封：（a）靜力密封，如碳酸飲料瓶子和瓶蓋；（b）填充密封，如 水龍頭和許多簡單泵浦之閥柄和本體；（c）旋轉密封，如汔車之傳動軸和一些泵 浦

10.4 以濃縮和回收之控制

用冷凝、吸附和吸收等方法來濃縮和回收。

10.4.1 冷凝

可利用冷凝卻氣流至相當低的溫度，使大部分VOCs 變成液體，再利用重力來分 離液體和氣體，以去除大多數空氣中或氣流中之VOCs。

例題10.9：欲處理 1atm，100℉，流量 1,000scfm，含 0.005mol 分量（0.5％，5,000ppm）

甲苯的廢氣，如圖10.8 之方式，以冷卻、凝結和相分離方式，去除 99％的甲苯，

則冷卻溫度應多少？

10.4.2 經由吸附來控制

吸附（adsorption）意謂分子黏在固體表面。相反地，吸收（absorption）是分子 溶解在捕集介質，此可能是液體和固體。被吸收物質是溶解入溶劑，被吸附物質 只在物體表面

10.4.2.1 吸附劑

圖10.10 從氣流中吸附 VOC 之典型組合 10.4.2.2 吸附容量

例題10.11：利用圖 10.11，估計甲苯在典型性碳，1.0atm、100℉和 300℉之下，

吸附容量曲線。

圖 10.11 碳氫化合物及其它氣體在活性碳和矽膠上之吸附曲線（同溫）

例題 10.12：欲處理例題 10.9 的氣流，且去除所有甲苯，假如在生之間操作 8 h，

則需要多少磅之活性碳？（a）假設使用一次拋棄；（b）假設再生至排出氣流含 0.5％甲苯。

10.4.2.3 貫穿性能 10.4.3 吸收（洗滌）

若我們可以找出一種液體溶劑，能溶解 VOC 而對其他污染氣體是不溶的，則可 用吸收來移除其濃縮 VOC，作回收和再利用或摧毀。

吸收劑必要的性質如下：（P.416）

圖 10.15 從氣流中去除物質之一般方法流程圖 10.4.3.1 氣體吸收器及氣提器之設計

例題 10.14：欲處理例題 10.9 的氣流，以適當溶劑回收甲苯，請選擇合適的溶劑 並估算所需溶劑的流率。

例題 10.15：估算例題 10.14 所需的管直徑。

例題 10.16：估算例題 10.14 和例題 10.15 的氣體吸收塔所需高度。

10.5 經由氧化之控制 10.5.1 燃燒（焚化）

圖10.17 經由焚化破壞氣流中 VOC 之組合：（a）簡單熱焚化爐；（b）具有熱回 收之焚化爐；（c）觸媒焚化爐

圖10.18 空氣速率和溫度對碳燃燒速率之影響，個別曲線表示碳表面上不同速率 之空氣流動。

第 11 章 硫氧化物之防制

11.1 硫和氮之氧化－還原化學 表11.1 硫和氮之氧化－還原化學 11.2 硫問題之概述

圖11.1 硫在環境中受人為影響的主要流向圖

工業界最常處理的含硫氣體可分成三類－還原硫、高濃度SO2氣流、稀濃 度SO2氣流

表11.2 美國 1997 年二氧化硫的估計排放量 11.3 從石油及天氣中去除還原硫

例題11.1

釩觸媒

天然氣(≈0.2％之美國消耗）每天 10⁸scf（32.8std m³/s）以圖 10.15 之流程 處理H2S，從 1％或 10,000ppm 降至 4ppm（4ppm 是美國商業天然氣最大容 許量），氣體在 100atm 和 20℃下被處理。假設用水當作洗滌劑，估計所需 之水流量。

11.4 濃廢氣中去除 SO2

SO²＋0.5O2 SO3

SO³＋H²O→H²SO⁴ 例題11.3

美國最大煉銅廠（鹽城的Kennecott）每年產銅 320,000tons， 銅礦主要是 黃銅礦。假設所有硫以SO2 排入大氣，則排放多少？假設所有硫轉換成硫 酸，則每年煉銅廠產生多少硫酸？

11.5 稀薄廢氣中去除 SO2

SO2排放之流程是經由含微細石灰石磨粉之水滌排除之，整個系統稱之為 排煙脫硫（flue gas desulfuriz-ation）

例題11.4

一電力工廠產生10⁶scfm（471.9sm³/s）之廢氣含 0.1％ SO²，我們需要去除 99％再排入大氣中，我們計畫用附近的河水來溶解氣體以達到目標。吸收 塔如圖 10.15 之左邊管柱，在吸附器之底部 yi ^*＝0.8yi，則多大之水流可達 到例題 11.1 之需求？

圖 11.4 利用液體洗滌氣體之合理組合：（a）起泡器；（b）噴霧室；（c）填 充管柱

圖 11.5 強制氧化石灰石濕式洗滌器流程圖 表11.3 典型強制氧化石灰石洗滌器之設計值 表11.4 稀 SO2氣流中去除SO2之數種可能方法 圖11.7 利用乾固體之加入去除 SO2之流程 例題11.7

在圖11.9，試劑比率 1.1：

（a）噴灑乾燥器單獨捕捉SO2百分率效率？

（b）以濾袋室入口進氣之濃度為基準，濾袋單獨捕捉SO2之百分率效率？

（c）每磅饋入氣體所充許之水分？

（d）多少固體饋入，多少比例再生？

（e）噴灑乾燥器中，氣體和固體混合，當它們轉成顆粒時，液滴間的平均 空間多少？

11.6 “燃嬈後洗滌”之替代方案 11.6.1 使用低硫燃料

假如電廠使用低硫煤代替高硫煤，則馬上降低SO2排放，且不必增加昂貴、

困擾之設備和處理固體廢棄物

11.6.2 從燃料中去除硫 11.6.2.1 煤之乾淨化 11.6.2.2 溶劑精煉之煤 11.6.3 改良燃燒過程

圖11.10 合成氣體燃料、氣渦輪、蒸氣渦輪發電廠之流程圖。

第 12 章 氮氣化物之防制

12.1 氮氧化物問題

主要空氣污染物是一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2） 12.1.1 與硫氧化物之比較

這兩者有相似性：

1.酸雨主要成分

2.造成都會區域 PM10和PM2.5的形成 3.呼吸器官之刺激物

4.主要來源是燃燒 主要不同的地方是：

1.機動車輛是氮氧化物之主要排放者，但對硫氧化物卻是次要源頭 2.硫氧化物主要的形成來自燃料之硫含量

氮氧化物一部分來自燃料中之氮含量，但大部分不是 圖12.1 受到人類影響，N 在環境中的主要流向

12.2 熱 NO

在最高溫區，熱機制是產生NO 之最重要途徑

圖12.4 在煤燃燒中，NOX形成之三種NO 機制之分佈 例題12.2

估計在78％N²和 4％O²之下，2,000K＝3,140℉，依如多維琪的熱機制，NO 1 秒後濃度是多少？

12.3 瞬熱 NO

瞬間NO 之產量和溫度關係薄弱，平均大約是 30mg/J（=g/GJ），見例題12.5 12.4 燃料 NO

因此燃料氮在火燄中產生NO 之比例和 NO/O2之比例有關係，在火燄高溫 區，降低氣體之氧含量，可減少燃料氮轉化成NO。

圖 12.8 氮氧化物在燃燒中形成的路徑。

12.5 非燃燒源之氮氧化物

在一些工業及農業製程，硝酸之製造及使用會產生NO 及 NO2

12.6 氮氧化物排放之防制

1.改良燃燒程序避免 NOX之形成。

2.燃燒後，利用化學方法處理燃燒廢氣，轉換 NOX成N²。 12.7 NOX防制之單位及標準

NOX排放通常以ppm、mg/m³、1b/10⁶ Btu、g/GJ 或 µg/kcal 來管制

第 13 章

機動交通工具之問題

第 14 章

空氣污染物與全球氣候變遷

14.1 全球溫暖化

人類把氣態物質排入大氣中，可能會導致地球平均溫度升高，這稱為全球溫暖化

（global warming）或溫室效應（greenhouse effect）。

圖14.2 與全球溫暖化問題相關的各種交互作用及回溯迴路簡化圖 表14.2 溫室氣體

14.2 平流層臭氧耗盡與氟氯碳化物

臭氧在地面上是屬有害的污染物，而在平流層則是有益的紫外線防護層。

表14.3 被認為是破壞臭氧層的含氯化合物

保護臭氧層的唯一方法是，限制那些會對它有害的物質排放 14.3 酸雨

增加經濟活動（因此增加燃料燃燒量），伴隨而來的硫氧化物和氮氧化物排放量 的增加。

這些硫氧化物和氮氧化物經過數小時到數天慢慢地氧化為硫酸和硝酸，然後被雨 滴捕捉，以酸降水回到地面，稱為酸雨（acid rain）。

一般而言，雨水pH 小於 5.6 14.4 法規現狀

「清淨空氣法」要求穩定地減少酸雨前驅物的排放

蒙特婁公約，已使耗用臭氧的化物品總排放量大大地減少 日本東京及巴西里約熱內盧會議達成原則，減少CO2排放