大气污染的控制

1、第四章 大气污染控制第四章 大气污染控制空气和大气是同义词。一般对于室内或特指某个场所(如车间，会议室和厂区等)供人和动植物生存的气体习惯上称为空气。而在大气物理学、大气气象学、自然地理学以及环境科学的研究中，常常以大区域或全球性的气流为研究对象常用大气。第一节 大气污染及污染物一、大气的演化及其组成第一代大气（原始大气）-氢、氦、氖等。第二代大气（还原大气）-氮、二氧化碳、甲烷、氨和水汽。现代大气（氧气大气）-干洁空气、水汽和悬浮微粒。稳定组分：氮、氧、氩、氖、氦、氪、氢、氙等，这一组分的比例，从地球表面至90公里的高度范围内都是稳定的。不稳定组分：二氧化碳、二氧化硫、甲烷、硫化氢、臭氧、氮

2、氧化物、水汽等。主要来源于自然界的火山爆发、地震、岩石风化、森林火灾等和人类活动产生。 人类的生产生活活动可能改变大气组成引起大气污染。由于大气的整体性和流动性，大气环境问题常常是全球性的、区域性的。目前国际关注的三大环境问题：全球性的酸雨、CO2浓度的增加（温室效应）、臭氧层的破坏都成为全球性的环境问题。 1.大气污染：由于自然的或人为的过程，改变了大气圈中某些原有成分和增加了某些有毒有害物质，致使大气质量恶化，影响原来有利的生态平衡体系严重威胁着人体健康和正常工农业生产，以及对建筑物和设备财产等的损坏。二、大气污染源及污染物 2.大气污染的分类(1)大气污染按其影响所及范围可分为四类：局部

3、性污染、地区性污染、广域性污染、全球性污染。(2)根据能源性质和大气污染物组成和反应，一般特大气污染划分为四种类型；煤炭型、石油型、混合型、持殊型。2.大气污染的分类石油型污染又称排气型或联合企业型污染其一次污染物是烯烃、二氧化氮以及烷、醇、碳基化合物等。二次污染物主要是臭氧、氢氧基、过氧氢基等自由基以及醛、酮和PAN(过氧乙酸硝酸脂)。煤炭型污染的一次污染物是烟气、粉尘和二氧化硫。二次污染物是硫酸及其盐类所构成的气溶胶。混合型污染是指以煤炭为主，还包括以石油为燃料的污染源而排放出的污染物体系。此种污染类型是由煤炭型向石油型过渡的阶段，它取决于一个国家的能源发展结构和经济发展速度，特殊型污染是

4、指某些工矿企业排放的特殊气体所造成的污染，如氯气、金属蒸汽或硫化氢、氯化氢等气体。 (3)根据污染物的化学性质及其存在的大气环境状况，可将大气污染划分为两种类型：还原型和氧化型。还原型是指以煤、石油等为燃料所产生的大气污染，实质上就是第二种分类方法中的煤炭型和混合型污染。伦敦烟雾事件氧化型是指以石油为燃料所产生的大气污染，实质上就是第二种分类方法中的石油型污染。洛杉矶光化学烟雾光化學煙霧【洛杉機煙霧】光化学烟雾是碳氢化合物和氦氧化物在阳光作用下发生光化学反应生成的。美国洛杉矾光化学烟雾事件发生在1940年，其表现是白色烟雾(有时带紫色或黄褐色)，大气能见度降低，具有特殊气味，刺激眼睛和喉粘膜使

5、呼吸困难。其中生成的03 。可使橡胶制品开裂，使植物叶片变黄甚至枯萎，烟雾一般发生在相对湿度较低的夏季晴天，出现在中午或刚过中午，夜间消失。大气中光化学氧化剂（03等)浓度很高。倫敦煙霧(灰煙霧) 伦敦曾多次发生煤烟事件，其中最严重的一次是于1962年12月5日发生的，历时5天，死亡4000多人。伦敦型烟雾是由居民、工厂取暖排放的煤烟和冬季早晨的雾相伴而生。构成这次事件的一次污染物是SO2和煤尘，其二次污染物主要是硫酸雾和硫酸盐气溶胶。硫酸雾是大气中的SO2在相对湿度比较高、气温比较低，而且又有煤烟颗粒物存在时所发生的催化反应而形成的。 大气污染可分为自然的和人为的两大类。前者是自然界所发生火

6、山爆发、地展、台风、森林火灾等自然灾害所造成的。后者是人类活动所排放的有毒有害气体所造成的。目前，一般所说的大气污染多指后者。 人为造成大气污染的污染源较多，根据不同的研究目的以及污染源的特点，污染源的类型有四种划分方法： 3.大气污染源 (1)按污染源存在的形式可划分为固定污染源和移动污染源，此划分法适用于进行大气质量评价时绘制污染派分析图。 固定源就是位置和地点固定不变的污染源。主要指工矿企业在生产中排放的大量污染物。冶金、钢铁、建材等工业企业都是对大气环境污染严重的固定源。 流动污染源是指交通工具在行驶时向大气中排放的有害气体而形成的污染源(2)按污染物排放的方式可划分为高架源、面源、线

7、源，此划分法适用于大气扩散计算。(3)按污染物排放的时间可划分为连续源、间断源、瞬时源，此划分方法适用于分析大气污染物排放的时间规律。(4)按人类社会活动功能划分，还可以分为工业污染源、农业污染源、交通运输污染源和生活污染源等。工业污染源 由火力发电、钢铁、化工和硅酸盐等工矿企业在生产过程、中所排放的煤烟、粉尘及有害化合物等形成的污染源。此类污染源由于不同工矿企业的生产性质和流程工艺的不同，其所排放的污染物种类和数量大不相同，但有一个共同的特点是，排放源集中、浓度高、局地污染强度高。是城市大气污染的罪魁祸首。 钢铁厂排放的废气火力发电厂排烟污染大气排入大气中的烟尘随风扩散大山深处的工厂农业污染

8、源 主要是不当施用农药、化肥、有机粪肥等过程产生的有害物质挥发扩散，以及施用后期NOX、CH4、挥发性农药成分从土壤中逸散进入大气等形成的污染源。 交通运输污染源 由汽车、飞机、火车和轮船等交通运输工具运行时向大气中排放的尾气。这类污染源属流动污染源，主要污染物是烟尘、碳氢化合物、NOX、金属尘埃等，是城市大气环境恶化的主要原因之一。 从油箱和汽化器中挥发的汽油碳氢化合物20%从曲轴箱漏出的气体碳氢化合物 20%汽 车 排 气一氧化碳碳氢化合物氮氧化物生活污染源 是指居民日常烧饭、取暖、沐浴等活动，燃烧化石燃料而向大气排放烟尘、SO2 、NOX等污染物。这类污染源属固定源，具有分布广、排量大、

9、污染高度低等特点，是一些城市大气污染不可忽视的污染源。但是，随着城市电气化的推进，城市生活污染源将从根本上得到遏制。 4.大气污染物一次污染物：直接从污染源排入大气的各种气体、颗粒物质等。二次污染物：某些一次污染物在大气中与其他化学物结合而发生化学反应产生的新的污染物。颗粒物含硫化合物含氮化合物碳氧化合物碳氢化合物卤化物飘尘概念颗粒物：悬浮在大气中的微粒之统称。降尘： 粒径 10微米的固体颗粒物。飘尘： 粒径 d ，称为正常分布层结，或递减层结；气温随高度的增加而增加， 0 ，称为气温逆转，简称逆温；气温随铅直高度的变化等于或近似等于干绝热直减率，= d称为中性层结；气温随铅直高度增加是不变的

10、，= 0 ，称为等温层结。 1正常分布层结（或递减层结）2中性层结3等温层结4逆温zT01234大气稳定度的概念 垂直方向上大气的稳定程度，即是否容易发生对流。 一空气块受外力作用，产生上升或下降运动时，当外力去除后：气块减速并有返回原来高度的趋势（稳定）气块加速上升或下降（不稳定）既不上升也不下降，保持原有运动状态（中性）如果一空气块受到外部作用，获得了向上或向下的初始运动速度后，可能发生三种情况：气块加速上升或下降，称这种大气是不稳定的；气块逐渐减速并有返回原来高度的趋势，称这种大气是稳定的；气块做等速直线运动，称这种大气是中性的。 (1)avav (2) (3)a=0v处于不同平衡状态的

11、小球当-d0，气块加速运动，大气不稳定；当-d0，气块减速运动，大气稳定；当-d=0，大气为中性。对于和d的物理意义应具有较确切认识，d是以质量衡定的一块空气团为对象在干绝热条件下沿垂直上升而导出的气温垂直递减率，是一个由气态方程给定的确定值。则是气温的环境层结, 是在太阳、地球的热量幅射和其他气象因素作用下形成的实际环境状况。 大气稳定度的判定 气块加速运动，大气是不稳定的； 气块减速运动，大气是稳定的；大气是中性的。烟流形状与大气稳定度的关系波浪型: 烟流呈波浪型，污染物扩散良好，全层大气不稳定；锥型：烟流呈圆锥型，发持在中性条件下；扇型：烟流在垂直方向扩散很小，在水平方向扩展成扇形，逆温

12、层结；爬升型（屋脊型）：烟流的下部为稳定状态，上部为不稳定状态，在低层有逆温存在；漫烟型（熏烟型）：烟流的上部为稳定状态，下部为不稳定状态，由辐射逆温引起。温度层结与烟流形状波浪型ZT锥型ZTZT扇 型ZTZT熏烟型爬升型温度层结与烟流形状1、什么是湍流？ 除在水平方向运动外，还会由上、下、左、右方向的乱运动，风的这种特性和摆动称为大气湍流。（有点象分子的热运动） 2、湍流与扩散的关系 把湍流想象成是由许多湍涡形成的，湍涡的不规则运动而形成它与分子运动极为相似。不同的是，分子的运动以分子为单位，湍流以湍涡为单位，湍涡运动速度比分子运动速度大的多，比分子扩散快105106倍。没有湍流运动，污染物

13、的扩散就成了问题。这是因为无湍流时，污染物单靠分子扩散，扩散速度很小；有湍流时，由于其靠湍流扩散，运动的方向和大小都极不规则，使流场各部分间强烈混合，混合加快了扩散速度。若只有风无湍流，从烟囱中排出的废气像一条“烟管”一样几乎保持着同样粗细，吹向下方，很少扩散。 大气湍流3、湍流的形成： 近地层大气湍流有两种：热力湍流、机械湍流。热力湍流：主要由于大气的铅直稳定度而引起，大气的铅直稳定度是由于气温的垂直分布决定的。机械湍流：有动力因子产生，由于大气垂直方向上的风速梯度不同和地面粗糙度不同而产生。 归纳而言：风速越大，湍流越强，污染物扩散速度越快，污染物浓度越低。风、湍流是决定污染物在大气中稀释

14、扩散的最直接因素。逆温辐射逆温下沉逆温平流逆温湍流逆温锋面逆温按成因分为zT0az0bzzz000TTTTedc接地逆温层厚度逆温强度逆温层高度上部逆温层厚度辐射逆温的生成过程下沉逆温的生成过程hhHH湍流逆温的生成过程zT0rrdADBCE混合逆温层锋面逆温的生成过程T1T3T2T4暖空气冷空气层结曲线锋面层湍流扩散的基本理论大气湍流大气的无规则运动称为大气湍流。（风速脉动、风向改变）大气湍流的分类（按成因）热力湍流：由于垂直方向上温度分布不均匀引起。（大气稳定度）机械湍流：由于垂直方向上风速分布不均匀引起。（风速梯度、地面粗糙度）湍流扩散理论梯度输送理论：假定大气湍流引起的某物质的扩散类似

15、于分子扩散，并可用分子扩散方程描述。（类比于菲克扩散理论及傅立叶的固体中的热传导规律）湍流统计理论：泰勒（G.I.Tayler）:应用统计学方法研究湍流扩散问题，提出著名的泰勒公式萨顿（O.G.Sutton）：提出污染物在大气中扩散的实用公式高斯（Gaussian）：应用湍流扩散统计理论提出下态分布假设下的扩散模式。（高斯模式）由湍流引起的扩散高斯扩散模式高斯模式的有关假定坐标系 原点：污染物排放点或排放点在地面的投影点。 x轴：平均风向方向。 y轴：在水平方向上垂直于x轴，正向在x轴的左。 z轴：垂直于水平面xoy，向上为正向。高斯扩散模式的坐标系高斯模式的有关假定 六点假设 1、污染物浓度

16、在y、z轴上的分布符合高斯（正态分） 2、在全部空间中风速是远均匀的、稳定的； 3、源强是连续均匀的； 4、在扩散过程中污染物质的质量是守恒的； 5、在x方向平流作用远大于扩散作用，以平流作用为； 6、地面足够平坦（镜面）。高斯模式的坐标系和基本假设图示无限空间连续点源的高斯模式高架连续点源的高斯模式 HHsHsPC(x,y,z)像源H地面的最大浓度高架源的污染源是在空中，我们时常关心的是污染物到达地面的浓度，而不是空中任一点的浓度。地面浓度是以 x 轴为对称的，x 轴上具有最大值，向两侧方向遂渐减小。因此，地面轴线浓度是我们所关心的。 根据地面轴线浓度公式：式中的两项：一项随 x 而减小，一

17、项随 x 而增大；两项共同作用的结果，必然在某一距离 x 处出现浓度 C 的最大值。另一方面，地面最大污染物浓度出现的位置和数值，与高架污染源在空中的位置有关，空中的位置则是以有效源高表现。因此还要考虑气象因素。 烟气：由烟囱排出的烟气，在其本身所具有的动力和浮力作用下，先上升一定的高度后，然后才在大气湍流的作用下再进行扩散。动力：排烟速度浮力：烟气温度（烟气温度大于环境温度）有效烟囱高度：烟气所达到的高度，HH=Hs+HH：有效烟囱高度Hs: 烟囱几何高度H：烟囱抬升高度烟气抬升高度烟气抬升过程喷出阶段依靠烟流本身的初始动量向上喷射浮升阶段由于烟流的热力作用（烟空），促使烟流在浮力作用下上升

18、瓦解阶段上升一定高度后，烟流与空气充分混合，丧失浮力和动力作用随风飘动，流波动很大变平阶段烟流变平，在大气湍流的作用下，向上下左右扩散，烟羽越来越大（截面积）影响烟气抬升的因素烟流自身的动力性质和热力性质。（由工厂决定）动力性质：烟气出口速度，vs趆大，H趆大；热力性质：烟气出口温度，Ts趆大，H趆大；当地的气象条件和下垫面条件。（由当地环境决）烟囱出口处的平均风速，u趆大，H趆小；大气湍流强度，湍流趆强，H趆小。 中国国家标准中规定的公式：1、当QH2100kW和（TsTa）35K时： 式中：n1,n2,n3系数，按表格查取； Pa大气压力，hPa，取邻近气象站年平均； Qv实际排烟量，m3

19、/s。烟气抬升高度的计算中国国家标准中规定的公式：2、当1700kWQH2100kW时：H2按1中的H计算。中国国家标准中规定的公式：3、当QH1700kW或（TsTa）35K时：4、当10m处的年平均风速小于或等于1.5m/s时：大气稳定度的确定方法根据常规气象资料确定稳定度的级别。A强不稳定B不稳定C弱不稳定D中性E较稳定F强稳定大气稳定度的确定方法中国国家标准中规定的公式1、计算太阳高度角；2、根据太阳高度角与云量确定太阳辐射等级；3、根据太阳辐射等级与地面风速确定大气稳定度。太阳高度角，（）；当地地理纬度，（）；当地地理经度，（）；进行观测的北京时间，h；太阳倾角，（）。一年中的日期序

20、数，0，1，2，3，365。扩散参数的确定PG扩散曲线法：下风距离x查图得到y 、z。大气稳定度中国国家标准中规定的公式：下风距离x a1、r1查表得到 计算y 、z大气稳定度 r1、r2例题1 某城市火电厂的烟囱高100m，出口内径5m，出口烟气流速12.7m/s，温度100，流量250m3/s，烟囱出口处的平均风速4m/s,大气温度20，试确定烟气抬升高度及有效源高。例题2 某石油精炼厂自平均有效源高60m，排出的SO280mg/s，出口风速6m/s,求冬季阴天正下风向距烟囱500m处地面SO2浓度。全球大气环境问题温室效应大气中能产生温室效应的气体主要有二氧化碳,甲烷,臭氧,氟氯烃,氧化

21、氮和水汽等.工业化之后,大气中的二氧化碳含量由280ppm增加到大于356ppm,超过了12万年的最高值(300ppm)；甲烷由0.8ppm增加到1.7ppm；氮的氧化物由280ppm增加到310ppm。以上对增温影响最大的是二氧化碳，占55%。而且，目前发现，以上气体除了甲烷外，全部的寿命都在100年以上。就是说，即使现在不排放任何废气，也得等100年或更长的时间才能够恢复原状。海平面上升的问题。研究表明：1950-1992年间。加州南部海岸带的海平面升高了7.6cm。其中，100米以上浅水区升温0.8摄氏度。中国国家测绘局1992年8月公布，我国海平面年平均升高2-3毫米。天津，莱州湾，长

22、江口，珠江三角洲出现了大面积地面沉降。天津1985-1987年三年下沉了187毫米。塘沽新港码头1966-1985年20年下沉了0.5米，导致屡遭海潮袭击。IPPC（世界气候变化委员会）的出结论：大概每十年，海平面上升3-10厘米。水资源的问题。气候变暖，使一些地区雨量增多，一些地区雨量减少。研究表明，气候变暖会导致地球上的水资源重新分布，总的来看，中纬度有些地方雨水会减少。气候变暖，对农业生产，森林草原，人类身体健康等均有严重的影响。所以，温室效应，是一个非常严峻的问题。酸雨 酸雨的正确名称应该是酸性湿沉降，其实，带酸性的污染物是可以有两种沉降方式的，它们是湿沉降及干沉降。 湿沉降是指那些污

23、染物，随着雨、雪、雾或雹等降水型态而落到地面，雨滴吸收包含了酸性物质，继而降下时再冲刷酸性物质，降到地面； 乾沉降则是指没有水份参与的情况下，带酸性物质从空中降下来的方式，通常，大气中酸性物质可被植被吸附或重力沉降到地面。 由於自然界的现象，例如生物的呼吸，火山的活动等等，引致大气中含有二氧化碳和其他带酸的气体，所以，天然雨水本身略带酸性，雨水的酸度也是以酸碱值来表达的。一般雨水的pH值约为 5.6。 造成雨水带酸的原因很多，其中一个原因来自天然物质。如：火山爆发时，喷出大量的硫化物；海水及湖水释放的硫化氢；动植物分解後释出的有机酸；泥土中的微生物及海藻释放之硫化氢及氮化物等，都会使雨水之pH

24、值降至5.0左右。 工业化後大量使用燃料，燃烧过程中产生出来的二氧化硫，氮氧化物及氯化氢等等，这些污染物被排放至大气当中，经光化学反应生成硫酸、硝酸等酸性物质，使得雨水之pH值降低，形成酸雨。二氧化硫（SO2）的主要来源是燃烧燃料，发电厂烧煤或石油时会排出，炼油厂、炼钢厂、硫酸工厂等在生产程序中也会排放不少该种气体。氮氧化物（NOx）是高温燃烧下的产物，来源也跟二氧化硫相似，在燃烧燃料时被排出，另外，交通工具如气车的废气中也含有大量的氮氧化物。氯化氢（HCl）则源自盐酸工厂、焚化炉等的废气、汽油车的排气等。上世纪50年代中期美国科学家勒姆发现酸雨可导致湖泊和土壤酸化，即酸雨可形成灾难，但是此成

25、果未能为世人重视。50年代初，北欧国家瑞典和挪威渔业减产，原因不明；1959年挪威科学家才揭示元凶是酸雨。欧洲大陆工业排放大量酸性气体，随高空气流飘到北欧，被雨雪冲刷，所形成酸雨使湖泊酸化，导致渔业减产。 60年代，欧洲建立了欧洲大气化学监测网，继而发现pH值低于4.0 的酸雨地区，集中于地势较低地区，如荷兰，丹麦，比利时等。瑞典科学家奥登研究了欧洲的气象和降水，湖水，土壤的化学变化，证实欧洲大陆存在大面积酸雨，是洲级区域环境问题。1973至1975年欧洲经济合作与发展组织开展了专项研究，证实酸雨地区几乎覆盖了整个西北欧。1974年和以后北美证实在美国东北部和与加拿大交界地区亦发现大面积酸雨区域，几乎北美有三分之二陆地面积受到酸雨威胁，甚至在美国夏威夷群岛的迎风一侧，也出现酸雨。再后，东南亚日本、韩国等亦发现大面积酸雨。有位科学家到杳无人烟，且长年冰封雪盖的格陵兰岛，给冰层打钻，取出180年前的冰块，与现在的酸度相比，酸度增长了99倍。至此世人公认酸雨是当前全球性重要区域环境污染问题之一。1986年5月，在环境保护国际会议上，专家们认为，酸雨现象正在发展，它已成为严重威胁世界环境的十大问题之一。地球的南极和北极,终年冰雪,罕见人至,但80年代,挪威科学家在北极圈内大面积地区都测到酸雨(酸雪)。他们认为是前苏联南部工业区排放的大气酸性物质, 随气