大气污染控制工程电子教案.pdf

1 大气污染控制工程教案大气污染控制工程教案 课程名称：大气污染控制工程 学生专业及年级：环境工程 0203 教师姓名：胡春玲 教师职称：讲师 所用教材： 大气污染控制工程大气污染控制工程 郝吉明、马广大郝吉明、马广大 参考书： 大气污染及其控制大气污染及其控制 彭定一、林少宁彭定一、林少宁 大气污染及其防治大气污染及其防治 唐永鉴唐永鉴 本课程总学时数：64 本学期总学时数：64 本学期上课周数：16 平均每周学时数：4 讲课： 实验：0 测验： 习题课： 课程性质：必修专业课 环境与生物工程学院环境与生物工程学院 辽宁石油化工大学辽宁石油化工大学 2 第一章第一章 概概 论论 【课时安排】 1.1 大气污染和大气污染物 1 学时 1.2 大气污染的综合防治 0.5 学时 1.3 大气环境标准 0.5 学时 总计 2 学时 【掌握内容】 1 基本概念：大气污染、一次污染物、二次污染物 2 大气的组成、大气污染的形成过程、主要的污染源、大气污染物的种类 【熟悉内容】 1 基本概念：大气污染的综合防治 2 大气污染综合防治采取的措施 3 大气环境质量标准、大气污染物排放标准、大气污染控制技术标准、警报标准 【教学难点】 1 大气污染源及污染物的种类 2 一次污染物和二次污染物 【教学重点】 1 大气的组成 2 大气污染源及污染物的种类 3 一次污染物和二次污染物 【教学目标】 1 了解大气污染形成的原因 2 大气污染综合防治采取的措施 【教学内容】 11 大气污染和大气污染物大气污染和大气污染物 一 大气的组成及大气污染 二 大气污染源及污染物的种类 【授课时间】1 学时 【教学手段】课堂讲授 【教学过程】 一 大气的组成及大气污染 1大气 （1）大气的定义：下垫面（即地球表面）0m20003000km 包含的气体 （2）大气的质量：5.31015T （3）空气：小区域的大气 2大气的组成 恒定组分：氮 N2（78.09%） 、氧 O2（20.95%） 、氩 Ar、氖 Ne、氦 He、氪 Kr、氙 Xe 等 组成比例 90km 以下基本保持不变（由于空气的垂真运动、水平运动以及分子扩散） 可变组分：CO2、O3、H2O（0.026%） 随时间、地点、气象条件等不同而变化（例如，CO2来源于燃料的燃烧、有机体的 3 腐解以及动植物的呼吸等，从总量上来讲，夏天冬天，陆地海洋，城市乡村， 在大工业城市 CO2含量高达 0.050.07%） 不定组分：由自然因素和人为因素形成的气态物质和悬浮颗粒 例如，NO2自然因素：雷雨时产生；人为因素：燃料的燃烧 SO2自然因素：火山和温泉的排出物；人为因素：燃料的燃烧 关系： 恒定组分 + 可变组分 = 纯净大气 纯净大气 H2O = 干洁大气 3大气污染 （1）定义；大气污染系指由于人类活动或自然过程引起某些物质介入大气中，呈现出足够的浓 度，达到了足够的时间，并因此而危害了人体舒适，健康和福利或危害了环境。 （2）形成过程：所谓人类活动不仅包括生产活动，而且也包括生活活动，如做饭、取暖、交通 等。自然过程，包括火山活动、山林火灾、海啸、土壤和岩石的风化及大气圈中空气运动等。 一般说来，由于自然环境所具有的物理化学和生物机能(即自然环境的自净作用)，会使自然 过程造成的人气污染，经过定时间后自动消除(即使生态平衡自动恢复)所以可以说，大气 污染主要是人类活动造成的。 二 大气污染源及污染物的种类 1大气污染源 （1）燃料的燃烧：冬季取暖煤烟型污染 （2）工业生产过程：如冶金过程形成的烟 （3）交通运输：汽车废气、扬起的尘土 （4）自然灾害：火山喷发、流星燃烧产生宇宙灰尘 2大气污染物 （1）定义：大气污染物系指由于人类活动或自然过程排入大气的并对人或环境产生有害影响的 那些物质。 （2）种类：按其存在状态可概括为二大类：气溶胶状态污染物，气体状态污染物 气溶胶状态污染物 在大气污染中，气溶胶系指固体粒子，液体粒子或它们在气体介质中的悬浮体。从大气污 染控制的角度，按照气溶胶的来源和物理性质，可将其分为如下几种： a 粉尘(dust)：粉尘系指悬浮于气体介质中的小固体粒子，能因重力作用发生沉降，但在某 一段时间内能保持悬浮状态它通常是由于固体物质的破碎、研磨、分缎、输送等机械过程， 或土壤，岩石的风化等自然过程形成的。粒子的形状往往是不规则的。粒子的尺寸范围，在气 体除尘技术中，一般为 1200m 左右属于粉尘类的大气污染物的种类很多，如粘土粉小， 石英粉尘、煤粉、水泥粉尘、各种金属粉尘等 在大气污染控制中，还根据大气中的粉尘(或烟尘)颗粒的大小，将其分为飘尘、降尘和总 悬浮微粒 飘尘：飘尘指大气中粒径小于 lOm 的固体颗粒它能较长期地在大气中飘浮，有时也 称浮游粉尘 降尘：降尘指大气中粒径大于 lOm 的固体颗粒。在重力作用下它可在较短时间内沉降 到地面。 总悬浮微粒(TSP)：总悬浮微粒系指大气中粒径小于 100m 的所有固体颗粒 b 烟(fume)：烟一般系指由冶金过程形成的固体粒子的气溶胶。 它是由熔融物质挥发后 生成的气态物质的冷凝物，在生 成过程中总是伴有诸如氧化之类的化学反应。烟的粒子尺寸 很小，一般为 0.01 一 lm 左右。产生烟是一种较为普遍的现象，如有色金属冶炼过程中产生的 4 氧化铅烟、氧化锌烟，在核燃料后处理厂中的氧化钙烟等。 c 飞灰(flyash)：飞灰系指随燃料燃烧产生的烟气飞出 的分散得较细的灰分。 d 黑烟(smoke)：黑烟一般系指由燃料燃烧产生的能见气溶胶在某些情况下，粉尘、烟、 飞灰、黑烟等小固体粒子气溶胶 的界限，很难明显区分开，在各种文献特别是工程中，使用 得较混乱，根据我国的习惯，一般可将冶金过程或化学过程形成了固体粒子气溶胶称为烟尘； 将燃料燃烧过程产生的飞灰和黑烟，在不需仔细区分时，也称为烟尘在其他情况，或泛指小 固体粒子的气溶胶时，则通称粉尘。 e 雾(fog)：是气体中液滴悬浮体的总称在气象中指造成能见度小于 lkm 的小水滴悬浮体。 在工程中，雾一般泛指小液体粒子悬浮体，它可能是由于液体蒸汽的凝结，液体的雾化及化学 反应等过程形成的，如水雾、酸雾、碱雾、油雾等 气体状态污染物 气体状态污染物是以分子状态存在的污染物，简称气态污染物。 气态污染物的种类很多，大部分为无机气体常见的有五大类：以二氧化硫为主的含硫化 合物，以氧化氮和二氧化氮为主的含氮化合物，碳氧化物、碳氢化合物及卤素化合物等，如表 1-2 所示 对于气态污染物，又可分为一次污染物和二次污染物。一次污染物是指直接从污染源排到 大气中的原始污染物质；二次污染物是指由一次污染物与大气中已有组分或几种一次污染物之 间经过一系列化学或光化学反应而生成的与一次污染物性质不同的新污染物质。在大气污染中 目前受到普遍重视的一次污染物主要有硫氧化物(SOx )、氮氧化物(NOx)，碳氧化物(CO，CO2) 以及碳氢化物(HC)等受到普遍重视的二次污染物主要是硫酸烟雾(Sulfurous smog)和光化学烟 雾(Photochemicalsmog)。 12 大气污染的综合防治措施大气污染的综合防治措施 一 大气污染综合防治的定义 二 大气污染综合防治的措施 【授课时间】0.5 学时 【教学手段】课堂讲授 【教学过程】 一 大气污染综合防治的定义 所谓大气污染的综合防治，实质上就是对多种大气污染控制技术方案的技术可行性、经济 合理性、实施可能性和区域适应性等作最优化选择和评价，从而得出最优的控制技术方案和工 程措施，达到整个区域的大气环境质量控制目标。 二 大气污染综合防治的措施 1.规划措施：全面规划、合理布局 它的主要任务，一是解决区域的经济和社会发展和环境保护之间的矛盾；二是对已造成的 环境污染和环境问题，提出改善和控制污染的最优化方案。因此，做好城市和大工业区的环境 规划设计工作，采取区域性综合防治措施，是控制环境污染(包括大气污染)的一个重要途径。 现在我国及各工业国家都规定，在兴建大中型工业企业时，要先作环境影响评价，提出环境质 量评价报告书，论证该地区是否建厂，应采取的环境保护措施，以及建厂后对未来环境可能造 成的影响。 2.管理措施：严格环境管理 5 完整的环境管理体制是由环境立法、环境监测机构和环境保护管理机构三部分组成的。环 境法是进行环境管理的依据，它以法律、法令、条例、规定、标准等形式构成一个完整的体系。 环境监测是环境管理的重要手段，没有及时、准确和在主要环境领域内完善的监测网，要进行 有效的环境管理和监督是不可能的。环境保护管理机构是实施环境管理的领导者和组织者。 我国的环境管理体制正在逐步建立和完善。 1979 年公布了 中华人民共和国环境保护法(试 行) ，而后又相继制定了海洋环境保护法(1982 年)、水污染防治法(1984 年)、森林保护法(1984 年)、草原法(1985 年)、大气污染防治法(1987 年)等法律，以及各种环境保护方面的条例、规定 和标准。与此同时，从中央到地方以至各工业企业，也逐步建立了相应的环境保护管理机构及 环境监测中心、站、点，为环境法的实施和严格环境管理提供了保证。 3.技术措施 (1)改革生产工艺，优先采用无污染的工艺，是防治环境污染的根本途径。 (2)严格生产工艺操作， 选配合适的原材料， 有利于减轻污染或对所产生的污染物进行处理。 (3)合理利用能源，改革能源构成，改进燃烧设备和燃烧条件，是节约能源和控制大气污染 的重要途径。 (4)建立综合性工业基地，开展综合利用，使废气、废水、废渣资源化，减少污染物的总排 放量。 4.经济政策 (1)保证必要的环境保护设施的投资。 (2)对治理环境污染从经济上给予鼓励，如低息长期贷款，对综合利用产品实行利润留成和 减免税政策。 (3)贯彻“谁污染谁治理”的原则，并把排污收费的制度和行政、法律制裁措施具体化。一 般分三种形式：排污收费，赔偿损失和罚款，追究行政责任以致刑事责任。 5.高烟囱扩散稀释 采用高烟囱扩散稀释的方法，可以使大气污染物向更高、更广的范围扩散，减轻局部地区 大气污染。因为，我们即使是采用最好的气体净化装置，其排气中总会含有少量有害物质，至 少是其中惰性气体含量高、小含氧气，所以不能直接排到地面上。目前世界上很多国家都主要 采用高烟囱扩散的方法防止 SO2污染。但是，这种高烟囱扩散的方法，只能减轻局部地区大气 污染，排放污染物绝对量并没有减少，而且烟囱越高造价越高(一般是烟囱的造价与其高度的平 方成正比)，所以在实际工作中，还应根据各地区大气污染情况，确定合适的烟囱高度(见第三 章)，同时控制污染物的总排放量。 6.绿化造林 绿化造林，不仅能美化环境，调节空气温度、湿度及城市小气候，保持水土，防风防沙， 而且在净化大气、减低噪声方面也有显著作用。 7.安装废气净化装置 在充分考虑环境规划、合理布局、改革燃料、原料及大气和绿地的自净能力的情况下，若 污染物排放浓度(或排放量)或地面浓度仍达不到大气环境标准时，则必须安装废气净化装置。 对污染源进行治理，安装废气净化装置，是控制大气环境质量的基础，也是实行环境规划等项 综合防治措施的前提。 13 大气环境标准大气环境标准 一 大气环境标准的作用 二 大气环境标准的种类 【授课时间】0.5 学时 6 【教学手段】课堂讲授 【教学过程】 一 大气环境标准的作用 执行环境保护法规、实施大气环境管理的科学依据和手段。 二 大气环境标准的种类 大气环境标准按其用途可分为，有大气环境质量标准、大气污染物排放标准、大气污染控 制技术标准及大气污染警报标准等。按其适用范围可分为，国家标准、地方标准和行业标准。 1大气环境质量标准 大气环境质量标准系以保障人体健康和一定的生态环境为目标而对各种污染物在大气环境 中的容许含量所作的限制规定。它是进行大气环境质量管理及制订大气污染防治规划和大气污 染物排放标准的依据，是环境管理部门的执法依据。 2大气污染物排放标准 大气污染物排放标准系以实现大气环境质量标准为日标，而对从污染源排入大气的污染物 容许含量所作的限制规定。它是控制大气污染物的排放量和进行净化装置设计的依据，同时也 是环境管理部门的执法依据。大气污染物排放标准可分为国家标准、地方标准和行业标准。 3.污染控制技术标准 大气污染控制技术标准是根据污染物排放标准引伸出来的，如燃料、原料使用标准，净化 装置选用标准，排气筒高度标准及卫生防护带标准等。它们都是为保证达到污染物排放标准而 从某一方面作出的具体技术规定，目的是使生产、设计和管理人员容易掌握和执行。 4警报标准 大气污染警报标准是为保护大气环境不致恶化或根据大气污染发展趋势，预防发生污染事 故而规定的污染物含量的极限值。超过这一极限值时就发出警报，以便采取必要的措施。警报 标准的制订，主要建立在对人体健康的影响和生物承受限度的综合研究基础之上。 【作业】课本 P27 习题第 1、2、3、4 题 7 第二章第二章 燃烧与大气污染燃烧与大气污染 【课时安排】 2.1 燃料及其燃烧的过程 1 学时 2.2 烟气体积及污染物排放量计算 1 学时 总计 2 学时 【掌握内容】 1 基本概念：理论空气量、空气过剩系数、理论烟气体积 2 理论空气量和实际空气量的计算 3 理论烟气体积和实际烟气体积的计算 4 燃料完全燃烧的条件 【熟悉内容】 1 基本概念：燃料、燃烧、空燃比、 2 燃烧产生的污染物 【教学难点】 1 理论空气量和实际空气量的计算 2 理论烟气体积和实际烟气体积的计算 【教学重点】 1 理论空气量和实际空气量的计算 2 理论烟气体积和实际烟气体积的计算 【教学目标】 1 根据实际条件进行理论空气量和实际空气量的计算 2 根据实际条件进行理论烟气体积和实际烟气体积的计算 【教学内容】 21 燃料及其燃烧的过程燃料及其燃烧的过程 一 燃料 二 影响燃料燃烧的主要因素 三 燃料燃烧的理论空气量 【授课时间】1 学时 【教学手段】课堂讲授 【教学过程】 一 燃料 1燃料的定义：燃料是指在燃烧过程中，能够放出热量，且在经济上可行的物质。应用于固定 燃烧装置的主要燃料是煤，燃料油和天然气等常规原料，以及统称为非常规燃 料的多种其他原料。 2燃料的分类： 按获得方法分 按物态分 天然燃料 人工燃料 固体燃料 木柴、煤、油页岩 木炭、焦炭、煤粉等 液体燃料 石油 汽油、煤油、柴油、重油 气体燃料 天然气 高炉煤气、发生炉煤气、焦炉煤气 8 简介： 煤 煤是最重要的固体燃料，它是一种复杂的物质聚集体。煤的可燃成分主要是由碳，氢及少 量的氧，氮和硫等一起构成的有机聚合物。煤中的有机成分和无机成分的含量，因煤的种类和 产地的不同而有很大差别 石油 石油是液体燃料的主要来源。 原油是天然存在的易流动的液 体， 比重在 0.78 至 1.00 之间。 它是多种化合物的混合物，主要 由链烷烃、环烷烃和芳香烃等碳氢化合物组成。这些化合物 主要含 碳和氢，还有少量的硫、氮和氧。 天然气 天然气是典型的气体燃料，它的组成一般为甲烷 85、乙烷 10、丙烷 3；含碳更高的 碳氢化合物也可能存在于天然气中。天然气还含有碳氢化合物以外的其它组分，如 H20、CO2、 N2、He 和 H2S 等。 非常规燃料 除了煤，石油和天然气等常规燃料外，所有可燃性物质都包括在非常规燃料之列某些较 低级的化石燃料，如泥炭、焦油砂、油页岩，也作为非常规燃料对待。 二 影响燃料燃烧的主要因素 1燃烧过程及燃烧产物 （1）燃烧的定义：燃烧是可燃混合物的快速氧化过程，并伴随着能量(光和热)的释放，同时使 燃烧的组成元素转化成为相应的氧化物。 （2）燃料燃烧的产物：完全燃烧：CO2、H2O 不完全燃烧： CO2、H2O 、CO、黑烟及其他部 分氧化产物 如果燃料中含有 S 和 N，则会生成 SO2和 NO 空气中的部分 N 可能被氧化成 NOx热力型 NOx2 燃料完全燃烧的条 件（三 T） 1）空气条件：提供适量的空气；空气量过大，会降低炉温，增加热损失，空气量少，燃烧 不充分 2）温度条件（Temperature） ：达到燃料的着火温度 3）时间条件（Time） ：燃料在燃烧室中的停留时间 燃料在高温区停留时间应超过燃料燃烧所需时间 9 4）燃料与空气的混合条件（Turbulence） ：燃料与氧充分混合；混合不充分，则导致不完全 燃烧；混合程度取决于空气的湍流度 Turbulence 通常把温度、时间和湍流称为燃烧过程的“三 T” 。 三 燃料燃烧的理论空气量 1理论空气量 （1）定义：单位量燃料按燃烧反应方程式完全燃烧所需要的空气量称为理论空气量 （2）表示：Va0，m3/kg （3）求解：可根据燃烧方程式计算求得。 建立燃烧化学方化式时，通常假定： a）空气仅是由氮和氧组成的，其体积比为 VN2/VO2= 79.120.9=3.78（摩尔比，体积比） ； b)燃料中的固定态氧可用于燃烧； c)燃料中的硫主要被氧化为 S02； d)燃料中含氮量较低，热型 NOX的生成量较小，在计算理论空气量时可以忽略； e)燃料中氮主要被转化成氮气 N2； f）燃料的化学式设为 CxHySzOw，其中下标 x、y、z、w 分别代表碳、氢、硫和氧的原子数。 由此可得燃料与空气中氧完全燃烧的化学反应方程式： +OzSOH y xCON w z y xO w z y xOSHC wzyx22222 2 ) 24 (76. 3) 24 ( QN w z y x+ 2 ) 24 (76. 3 燃料重量 = 12x+1.008y+32z+16w 则理论空气量 Va0= (x + y/4 + z w/2)（3.78+1） 22.4/（12x+1.008y+32z+16w）m3/kg 例如，煤 47 m3/kg，液体燃料 1011 m3/kg 例 1 已知重油的元素分析如下： C 85.5；H 11.3%；O 2.0；N 0.2%；S 1.0； ；试计算燃油 1kg 所需要的理论空气量。 解： 元素 重量（g） 摩尔数（mol） 需氧量（mol） C 855 71.25 71.25 H 113 56.5 28.25 S 10 0.31 0.31 O 20 0.625 N2 2 燃烧 1kg 重油所需要的氧气量为：71.25 + 28.25 + 0.31 0.625 =99.185 （mol/kg） 则理论空气量 Va0 =（3.78+1）99.18522.4/1000 = 10.62 （m3/kg） 2空气过剩系数 燃料完全燃烧时所需的实际空气量取决于所需的理论空气量和“三 T”条件的保证程度。 在理想的混合状态下，理论量的空气即可保证完全燃烧。但在实际的燃烧装置中，为使燃料完 全燃烧，就必须供给过量的空气 一般把超过理论空气量多供给的空气量称为过剩空气量， 并把实际空气量 Va 与理论空气量 Va0之比定义为空气过剩系数，即 10 0 a a V V = 通常1，值的大小决定于燃料种类、燃烧装置型式及燃烧条件等因素。部分炉型的空气过 剩系数见课本 P41 表 2-5。 3空燃比 AF （1）定义：单位质量燃料燃烧所需要的理论空气质量 （2）求解：由燃烧方程式直接求得 例如，甲烷在理论空气量下的完全燃烧 CH4+2O2+7.52N2-CO2+2H2O+7.52N2 空燃比 2 . 17 16*1 28966* 21 100 *2 AF= 4燃烧产生的污染物 1）燃烧可能释放的污染物： CO2、CO、SOx、NOx、CH、烟、飞灰、金属及其氧化物、未燃烧或部分燃烧的燃料、N2等 2）温度对燃烧产物的绝对量和相对量都有影响，P42 图 2-4 3）燃料种类和燃烧方式对燃烧产物也有影响，P43 表 2-6 22 烟气体积及污染物排放量计算烟气体积及污染物排放量计算 一 烟气体积计算 二 污染物排放量的计算 【授课时间】1 学时 【教学手段】课堂讲授 【教学过程】 一 烟气体积计算 1理论烟气体积 （1） 定义： 在理论空气量下， 燃料完全燃烧所生成的烟气体积称为理论烟气体积， 以 Vfg0表示。 （2）计算： Vfg0 CO2 V干烟气 V湿烟气 SO2 N2 VH2O 燃料中 H 燃烧生成 H2O 燃料中 H2O Va0 带入的 H2O 故 Vfg0 = V干烟气 + VH2O 2烟气体积和密度的校正 装置产生的烟气的温度和压力总是高于标准状态(273K、1atm)，在烟气体积和密度计算中 往往需要换算成为标准状态。大多数烟气可以视为理想气体，所以在烟气体积和密度换算中可 以应用理想气体状态方程。 11 设观测状态：温度 TS、压力 PS、烟气的体积为 VS、密度为S， 标准状态：温度 TN、压力 PN、烟气的体积为 VN，密度为N， 则标准状态下的烟气体积 S N N S SN T T * P P *VV = 标准状态下烟气的密度 N S S N SN T T * P P *PP = 注意：美、日和全球监测系统网的标态为 298K、1atm 3过剩空气校正 以碳在空气中的完全燃烧为例 C 十 O2+376N2C02+376N2 烟气中仅含有 C02和 N2， 若空气过量，则燃烧方程式变为 C+(1+a)O2+(1+a)3. 76N2C02+a02+(1+a)3 .76N2 其中 a 是过剩空气中 O2的过剩摩尔数，则 a1 N76 . 3 O )N76 . 3 O)(a1 ( a 22 22 += + + = 理论空气量 实际空气量 考虑过剩空气校正后，实际烟气体积：) 1( 0 0 += afgfg VVV 二 污染物排放量的计算 例 2 P43 例 2-3，P47 例 2-4 例 3 普通煤的元素分析如下： C 65.7；灰分 18.1；S 1.7；H 3.2；水分 9.0；O 2.3。 （含 N 量不计） 试计算燃煤 1kg 所需要的理论空气量和 SO2在烟气中的浓度（以体积分数计） 。 解： 元素 重量（g） 摩尔数（mol） 需氧量（mol） C 657 54.75 54.75 S 17 0.53 0.53 H 32 16 8 H2O 90 5 0 O 23 0.72 理论空气量)/(70. 6 1000 4 .2276. 4)72. 0853. 075.54( 3 0 kgNmVa= + = 理论烟气量为： CO2：54.75mol SO2：0.53mol H2O：16+521mol N2：）（）（mol48.23672. 0853. 075.5478. 3=+ )/(00. 7 1000 4 .22)48.2362153. 075.54( 3 0 kgNmVfg= + = SO2的量为：)/(0119. 0 1000 4 .2253. 0 3 kgNm= CSO2)(170010 00. 7 0119. 0 6 ppm= 例 4 煤的元素分析结果如下： 12 S 0.6；H 3.7；C 79.5；N 0.9；O 4.7；灰分 10.6。 在空气过剩 20条件下完全燃烧。计算烟气中 SO2的浓度。 解：1kg 煤中： 元素 重量（g） 摩尔数（mol） 需氧量（mol） C 795 66.25 66.25 S 6 0.19 0.19 H 37 18.5 9.25 O 47 1.47 N 9 0.32 需氧气量：)/(95. 7)/22.7447. 125. 919. 025.66 3 0 kgmkgmolVa=+=（ 理论烟气量： )/(19. 8 )/(81.365 78. 322.7432. 05 .1819. 025.66 3 0 kgm kgmol Vfg = = += )/(78. 9) 12 . 1 (95. 719. 8) 1( 30 0 kgmVVV afgfg =+=+= CSO2)(17.435 100078. 9 4 .2219. 0 106ppm= 【作业】课本 P61 习题第 1 题，P62 习题第 2（1） ，3 题 13 第三章第三章 大气污染气象学大气污染气象学 【课时安排】 3.1 大气圈结构及气象要素 2 学时 3.2 大气的运动和风 2 学时 3.3 大气的热力过程 2 学时 总计 6 学时 【掌握内容】 1 基本概念：干绝热直减率、气温垂直递减率 2 近地层中风随高度的变化规律对数规律和指数规律 3 判断大气稳定度的方法 4 辐射逆温、下沉逆温、湍流逆温的形成过程 【熟悉内容】 1 基本概念：气温、逆温、水平气压梯度力、地转偏向力、地转风 2 表征大气状态的各气象要素 3 大气层的垂直分层情况及各层的特点 4 引起大气运动的主要作用力 5 大气边界层中风随高度的变化规律Ekman 螺旋线 6 地方性风海陆风、山谷风、城市热岛环流的形成过程 7 烟流形状与大气稳定度的关系 【教学难点】 1 近地层中风随高度的变化规律（对数规律和指数规律）的应用 2 大气边界层中风随高度的变化规律Ekman 螺旋线 3 地转风的形成 【教学重点】 1 干绝热直减率、气温垂直递减率 2 近地层中风随高度的变化规律对数规律和指数规律 3 判断大气稳定度的方法 【教学目标】 1 应用对数规律和指数规律计算不同高度的平均风速 2 通过干绝热直减率和气温垂直递减率判断大气的稳定度 3 熟悉烟流形状与大气稳定度的关系 4 海陆风、山谷风和城市热岛环流与大气污染的关系 【教学内容】 3.1 大气圈结构及气象要素大气圈结构及气象要素 一 与大气扩散有关的气象要素 二 大气层结构 垂直分层 【授课时间】2 学时 【教学手段】课堂讲授 【教学过程】 14 一 与大气扩散有关的气象要素 1气温 指距离地面 1.5m 高度、在百叶箱中观测到的空气温度 2气压：大气的压强 指单位面积上所承受的大气柱的压力 单位：标准大气压 atm 毫米汞柱 mmHg 毫巴 mb 或 百帕 hPa 关系：1atm101325Pa=760mmHg1013.25mb1013.25hPa 1mb1hPa100Pa 气压的变化用静力学方程描述：: 3气湿：反应大气中水汽含量和空气的潮湿程度 表示方法：绝对湿度每 m3 湿空气中含有的水汽质量，w（kg/m3） 水汽压力Pw （Pv饱和水汽压力） 相对湿度空气的绝对湿度与同温度下饱和空气的绝对湿度的百分比， =w/N = Pw / PN 含湿量（或比湿）湿空气中 1kg 干空气包含的水汽质量，d（kg 水汽/kg 干空气） 露点在一定气压下空气达到饱和状态时的温度，F（） 4风 风：水平方向的空气运动（垂直方向升降气流） 风向：风的来向 方位法：16 个方位或 8 个方位圆周等分 角度法：以 N 为 00，顺时针转 风速：单位时间内空气在水平方向上运动距离（2 或 10min 平均） ，um/s 或 km/h F风力级（012 级） 3 02. 3Fu = 5云：大气中水汽的凝结现象（使气温随高度变化小） 云量: 天空被云遮蔽的成数（我国 10 分，国外 8 分） 阴云密布，云量为 10；碧空万里无云，云量为 0 云高: 云底距地面底高度 低云（2500m 以下） 中云（25005000m） 高云（5000m 以上） 云状:卷云（线）,积云（块）,层云（面）,雨层云(无定形) 6能见度：正常视力的人，在 天空背景下能看清的最远水平距离 级别共 10 级：09 级，相应距离为 5050000 米 oo 5 (3 2 ) 9 CF= o 2 7 3 . 1 5KC=+ oo 9 3 2 5 FC=+ oo 5 (3 2 ) 9 CF= o 2 7 3 . 1 5KC=+ oo 9 3 2 5 FC=+ g z P = 15 二 大气层结构 垂直分层 1定义：指气象要素如气温、气压、大气密度和大气成分等的垂直分布情况 2垂直分布情况： 针对气温的垂直分布，分为五层：对流层、平流层、中间层、暖层、散逸层 对流层（010km 左右） 特点：a）虽然薄，集中了整个大气质量的 3/4，主要天气现象都发生在这一层 b）集中了几乎全部的水蒸气 c）大气的温度随高度的增加而降低，每升高 100m 平均降温 0.65 d）空气垂直气流强烈，水平气流相对较弱，由下垫面受热不均引起 e）温度和湿度的水平分布不均，如热带海洋温暖潮湿，高纬度内陆寒冷干燥 f）污染物的扩散均在对流层（或近地层）中进行 概念：大气边界层对流层下层 12km，地面阻滞和摩擦作用明显 近地层地面上 50100m，热量和动量的常通量层 自由大气大气边界层以上，地面摩擦可以忽略 平流层（对流层顶5055km） 特点：a）同温层对流层顶3540km，温度不随高度变化，气温-550C 左右 b）逆温层同温层顶5055km，气温随高度增加而增加 c）集中了大部分臭氧 d）没有空气对流运动，大气稳定，污染物停留时间很长中间层（平流层顶85km） 特点：a）气温随高度升高而迅速降低 b）大气对流运动强烈 暖层（中间层顶800km） 特点：a）气温随高度升高而增高 b）气体分子高度电离，存在大量的离子和电子电离层 散逸层（暖层以上） 特点：a）空气温度很高 b）空气稀薄 c）空气粒子运动速度很高，可以摆脱地球引力而散逸到太空中 附注：大气压力总是随高度的升高而降低 16 均质大气层8085km 以下，成分基本不变 3.2 大气的运动和风大气的运动和风 一 引起大气运动的作用力 二 大气边界层中风随高度的变化规律Ekman 螺旋线 三 近地层中风随高度的变化规律 四 地方性风局地风 【授课时间】2 学时 【教学手段】课堂讲授 【教学过程】 一 引起大气运动的作用力 1重力 2水平气压梯度力 G 定义：由于水平方向气压差的存在而作用在单位质量空气上的力，叫水平气压梯度力 即 G= 说明：1）实际气体中，水平气压梯度力很小，约为 1mb/100km 2）垂直气压梯度力约为水平气压梯度力 104倍，垂直气压梯度力虽大，但因重力与其平 衡，所以大气实际受到的垂直分力并不大 3）水平气压梯度力虽小，但却是大气水平运动的主要作用力 3地转偏向力（地球自转偏向力）DN 定义：由于地球自转而产生的使运动着的空气偏离气压梯度力方向的力，即 DN = 2vsin v 风速 地球自转角速度 当地纬度 说明：1）DN是伴随风速的产生而产生的 2）北半球垂直指向运动方向的右方 3）由于与运动方向垂直，所以只改变风向，不改变风速 4）正比于，随纬度的增大而增加，赤道为零，两极最大，DN max=2v 4惯性离心力 C 以曲率半径 r 作曲线运动的单位质量空气所受的惯性离心力 C 为： C= v 2/r 5摩擦力（或粘滞力）R 包括：外摩擦力：运动空气所受到的下垫面的阻力 大小：与运动速度和下垫面的粗糙度成正比 方向：与运动方向相反 内摩擦力：方向不同或速度不同的两层空气之间因存在粘性而产生的摩擦力 小结： 1）以上除重力以外的四个水平力中，水平气压梯度力是引起大气水平运动的原动力，而其他三 个力是在空气开始运动之后才产生并起作用的； 2）所起作用视具体情况而不同，如在近地层或低纬度地区，地转偏向力可忽略；近于直线 的空气运动，惯性离心力可忽略；对自由大气，摩擦力可忽略。 所以 对大气的运动，根据牛顿第二运动定律： 17 mdv/dt = mg + G + DN + C + R 二 大气边界层中风随高度的变化规律Ekman 螺旋线假定：水平气压梯度力 G 不随高度变 化 作直线运动 结论：高度增高，风速增大； 风向与等压线的交角随高度增加而减少； 方向逐渐接近地转风 Ekman 螺旋线：把不同高度上的风速用矢量图表示，并投影到同一水平面上，把风矢量顶点连 起来，就得到一风矢量迹线，称为 Ekman 螺旋线 说明： 1）由 Ekman 螺旋线，当到了大气边界层顶时，风速和风向完全接近了地转风 2）自由大气中的风常常和地转风接近 3）地转风：指气压梯度力和地转偏向力达平衡时的风，此时空气团沿等压线（直线）作等速直 线运动 三 近地层中风随高度的变化规律 1对数规律 适用范围：中性层结 式中：u 高度 Z 处的平均风速，m/s； u* 摩擦速度，m/s； k 卡门常数，大气中 k=0.40（0.350.44） ； Z0 地面粗糙度，m，表 3-2 给出了一些有代表性的地面粗糙度。 * 0 l n uZ u kZ = 18 求解粗糙度和摩擦速度： 实际的u*和 Z0值，可根据不同高度上测得的风速按上式求得，将上式变形为： 0 * lnlnZ k u Z k u u= 作图ulnZ 是一条直线，可求得u*和 Z0 2指数规律 适用范围：非中性层结 式中： 高度 Z 处的平均风速，m/s； 1 高度 Z1处的平均风速，m/s； m 稳定度参数 注意：1）参数 m 的变化取决于温度层结和地面粗糙度 2）层结越不稳定，m 越小，表 3-3 给出了六种稳定度时的 m 值 求解稳定度参数m，将上式变形为： 1 1 lnln lnln ZZ uu m = 在气象上测得的风速常为 10m高度的风速，所以上式可写为： 10lnln lnln 10 = Z uu m 例：已知一组实测数据，试计算该地区高度分别为 25m、250m处的平均风速。 （假设为非中性 层结） 高度Z （m） 10 20 30 40 50 平均风速 （m/s） 3 3.5 3.9 4.2 4.5 解： （1）求25 用对数规律求解25 1 1 () m Z uu Z = 19 Z 10 20 30 40 50 lnZ 2.302585 2.9957323.4011973.6888793.912023 3 3.5 3.9 4.2 4.5 以lnZ为横坐标，为纵坐标作图，得=0.9206 lnZ + 0.8186 故u*/k=0.9206 u*/klnZ0=0.8186 因 k=0.40，则u*=0.9206 k=0.37m/s lnZ0=0.8186/0.9206=0.8892 Z0=0.41m 则 25=0.9206 lnZ + 0.8186=0.9206 ln25 + 0.8186=3.78 m/s （2）求 250 用指数规律求解 250 Z 10 20 30 40 50 lnZ 2.302585 2.995732 3.401197 3.6888793.912023 3 3.5 3.9 4.2 4.5 ln 1.098612 1.252763 1.360977 1.4350851.504077 ln-ln1 0.154151 0.108214 0.0741080.068993 lnZ-lnZ1 0.693147 0.405465 0.2876820.223144 mi 0.222392 0.266888 0.2576040.309186 m 0.264017 i 7.017803 6.818219 6.826159 6.8135776.882599 250(m/s)6.87 四 地方性风局地风 1海陆风 海风和陆风的总称，发生在海陆交界地带，以 24 小时为周期，也会发生在内陆湖泊、江河 的水陆交界处，但其活动范围较小。 成因：由于陆地和海洋的热力性质的差异而引起的。 在白天，由于太阳辐射，陆地升温比海洋快；在海陆大气之间产生温度差、气压差，使低 空大气由海洋流向陆地，形成海风，高空大气从陆地流向海洋，形成反海风，它们同陆地上的 上升气流和海洋下降气流一起形成了海陆风局地环流。在夜晚，由于有效辐射发生了变化，陆 地比海洋降温快，在海洋和陆地之间产生了与白天相反的温度差 海陆风的形成有可能造成严重的环境污染事件： 若工厂建在海边，排出的污染物可能在夜间随陆风吹到海上，在白天又随海风吹回来，或进入 20 海陆风局地环流，很难扩散出去。 2山谷风 山风和谷风的总称，发生在山区，以 24 小时为周期的局地环流 成因：主要是由山坡和谷地受热不均而产生的 在白天，太阳先照射到山坡上使山坡上大气比谷地上同高度的大气温度高，形成了由 谷地吹向山坡的风，称为谷风。在高空形成了由山坡吹向山谷的反谷风。它们同山坡上 升气流和谷地下降气流一起形成了山谷风局地环流；在夜间，山坡和山顶比谷地冷却得 快，使山坡和山顶的冷空气顺山坡下滑到谷底，形成了山风。在高空则形成了自山谷向 山顶吹的反山风。它们叫山坡下降气流和谷地上升气流一起构成了山谷风局地环流。 3城市热岛环流 成因：由城乡温度差引起的局地风 城乡温度差异的主要原因是： (1)城市人口密集、工业集中，使得能耗水平高； (2)城市建筑水泥路面等的热容量大 (3)城市上空笼罩着烟雾和 CO2，使地面有效辐射减弱 结果：城市净热量收入比周围乡村多，故平均气温比周围乡村高(特别是夜间)，于是形成了所 谓城市热岛，可以形成一种从周围农村吹向城市的特殊的局地风，即城市热岛环流或城 市风。城乡年平均温差一般为 0.51.5，有时可达 68。若城市周围有较多产生污 染物的工厂，就会使污染物在夜间向市中心输送，造成严重污染，特别是夜间城市上空 有逆温存在时。 21 3.3 大气的热力过程大气的热力过程 一 干绝热直减率 二 气温垂直递减率 三 大气稳定度的定义及判定大气稳定度的方法 四 逆温的形成 五 烟流形状与大气稳定度的关系 【授课时间】2 学时 【教学手段】课堂讲授 【教学过程】 一 干绝热直减率 1定义：干空气（或未饱和的湿空气）在绝热上升或下降过程中，每升高或降低单位高差(通 常取 100m)的温度变化率的负值，称为干空气温度绝热垂直递减率