第1-2节 大气中污染物的迁移.ppt

1、Chap.2 大气环境化学Atmospheric Environmental Chemistry,1 大气的组成和主要污染物 一、大气的组成 Composition of the atmosphere 干空气： 主要成分：major component N2 78.09%、 O2 20.95%、 Ar 0.93%、 CO2 0.03%;,次要成分：minor component 含量 0.003% 次要成分中可变的: O3、H2S、SO2、NH3、NO、O2、HCHO等，这些痕量气体（trace gas）在大气化学中是 非常重要的。 不可变的: He、Ne、Kr、Xe、CO、H2、N2O等。

2、水汽： 悬浮微粒：灰尘、烟尘、粉尘、水滴等,干空气的成分,二、大气温度层结 由于地球旋转作用以及距地面不同高度的各层次大气对太阳辐射吸收程度上的差异，使得温度、 密度等气象要素在垂直方向上呈不均匀的分布。 人们把静大气的温度和密度在垂直方向上的分布称为大气温度层结和大气密度层结。,1 对流层 troposphere 对流层是大气的底层，其厚度在1012km。相对大气层来讲其厚度是非常薄的，但其质量却占大气总质量的3/4。 对流层内大气的重要热源是来自地面的长波辐射，故离地面越高气温就越低。 随高度升高气温的降低率称为大气垂直递减率，用下式表示：,式中： T 绝对温度，z 高度,在对流层中，平均

3、而言dT/dz 0 ，且0.6 k/100m，即每升高100m温度降低0.6。 由于低层空气受热不均匀，冷热空气垂直对流运动很剧烈，由污染源排放的污染物可被输送到远方，同时，水汽、灰尘较多，象雨、雪、风、云、雷电、冰雹等大气现象都发生在对流层中。,2 平流层 stratosphere 由对流层顶到50km左右高度称为平流层，该层内气体状态非常稳定。25km以下温度随高度保持不变或略有上升, 25km开始气温随高度而升高, 平流层顶可接近0。 在1535km高度范围内存在一臭氧层，可吸收紫外辐射，同时臭氧分解为O2和O，当它们重新合成臭氧时，释放出大量能量，这就是平流层温度升高的原因。 平流层几

4、乎无垂直对流，只能随地球自转而产生平流运动，当污染物进入平流层时会形成一薄层而全球扩散。平流层很少有水汽和灰尘，没有云、雨、雪等天气现象，透明度好，是飞机飞行的理想空间。,3 中间层（过渡层）mesosphere 中间层处于平流层顶至85 km左右的区域，又出现温度随高度升高而下降的现象，对流运动强烈，层顶温度最小值约180K。 4 热层（电离层）thermosphere 热层处于中间层顶至800km左右的区域，离地面最远，直接受阳光辐射，因此温度随高度升高而增加，且在紫外线的作用下产生许多离子，故也称电离层。热层处于高度电离状态，能将电磁波反射回地球，对全球的无线电通讯具有重要意义。,5 逸

5、散层 exosphere 800km以上的高空称为逸散层，也叫外逸层。这里空气稀薄，气体分子受地球的吸引力小，自由行程很大，一个质点被撞击出去以后一般难以再撞回来，而是进入宇宙空间了。根据卫星观察资料发现，宇宙空间每立方米仍约有数十个离子存在，所以，地球大气的宇宙空间并无截然分开的界面。,三、大气污染 air pollution,大气污染是指由于人类或自然过程引起的某些物质进入大气中，呈现出足够的浓度和达到足够的时间并对人和环境产生有害的影响。 大气污染物(pollutant)是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。 1 污染源 固定源：从固定地点排出污染物的污

6、染源。在我国燃煤是主要的固定源。 流动源：交通工具汽车、火车、飞机、轮船等是主要流动污染源。,从污染源分析，大约77的SO2、49的NOx、30的颗粒物来源于固定燃烧；大约有78的CO、48NOx、42CH化合物来源于交通运输。 2 污染物的类别 原生(一次)污染物 (Primary pollutants )：由污染源直接排出的污染物。 次生(二次)污染物 (Secondary pollutants)：原生污染物经化学反应后的产物为次生污染物。,3 大气污染物 Air pollutants 颗粒物 particulate matter 微粒大小particle size 一般用粒径（直径）表示

7、。 粉尘： 烟尘： 燃料燃烧时，从烟囱中排出的颗粒物，排放量与燃煤的性质和燃烧条件有关。 粒径 10 m 的为降尘； 粒径 100 m 的所有颗粒为总悬浮微粒(TSP)。 (有的教科书上已列出粒径 2.5 m的为可吸入尘 respirable particles),颗粒物引起的大气污染对人体的危害与下列条件有关： 颗粒物浓度：浓度越大，危害就越大。 颗粒物的化学成分：一些有毒的成分危害更大。 颗粒物的大小：粒径在0.55m之间的颗粒物对人体危害最大。,(2) SO2 ( Sulfur dioxide ) 我国的大气污染属于煤烟型污染，SO2 是主要指标，由燃煤排放的SO2 官方数字达1500万

8、吨/年。按年产110000万吨、S含量1计，其排放量为： 110000(万吨/年)1SO2 / S 80%(可燃) = 1760 万吨/年 石油裂解、燃烧（含硫在1左右）、硫酸生产都排出大量SO2。每生产1吨硫酸排放20kg SO2 ，烟道气中SO2 的含量在5左右。 按1998年的数据，工业排放SO2 达1593万吨，生活中SO2排放量达497万吨。,(3) NOx Nitrogen oxides NOx 来源主要三个方面 A: 燃料的燃烧 常温下N2 和 O2 并不反应，但在燃烧过程中，当在高温条例下 ( 2100 )，N2 和 O2 就会反应且温度越高，反应速度越快，这是NOx的来源之一

9、。 N2 O2 2 NO 2 NO O2 = 2 NO2,反应机理: 高温下通过氧分子的分解: O2 = 2 O O N2 = NO N (吸热) N O2 = NO O 2 NO O2 = 2 NO2 （慢） 生成NO的慢步骤是吸热反应，因此高温有利于NO的形成，此反应是在高温条件下进行的，生成的NOx 称为热致型NOx 。 由于燃料中含有含氮有机物，燃烧时氧化成 NO，这一类称为燃料NOx，排放量与燃料中含氮量有关，受温度影响很小。,B：汽车尾气 据统计美国的汽车尾气排放NOx占大气污染物中总NOx排放量的48，而且汽车产量增加及汽车加速时NOx排放量增加。 C：工业生产 每生产1吨HNO

10、3 排放25kg Nox ，使用硝酸的工厂也产生大量的NOx排入大气。,(4) CH化合物 Hydrocarbons CH化合物包括：烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃等。 主要来源：汽车尾气、工业生产、燃烧等。 CH化合物是形成光化学烟雾的主要成分，对它的重视也是由此产生的。,(5) CO Carbon monoxide CO有毒，其来源主要是燃料燃烧、汽车尾气和工业生产。一般每万量汽车，每天排放CO约30吨、CH化合物24吨、NOx 0.51.5吨 。,2 大气污染物的迁移,一、辐射逆温层 在对流层中，气温一般随高度增加而降低，但在一定条件下会出现反常现象，即所谓逆温现象(temperature i

11、nversion)，以其稳定性为特点。 当0 时称为等温气层，当 0时称为逆温气层。,逆温现象常发生在较低气层中，气体稳定性特强。逆温形成的过程是多种多样的，由于过程的不同可分为近地面层的逆温和自由大气的逆温两种。 近地面层的逆温：辐射逆温、平流逆温、融雪逆温和地形逆温等。 自由大气的逆温：乱流逆温、下沉逆温和锋面逆温等。,近地面层的逆温多是由于热力条件而形成，以辐射逆温为主。 辐射逆温是地面因强烈辐射而冷却降温所致，多发生在距地面100150m高度内，最有利的条件是平静而晴朗的夜晚。当白天地面受日照而升温时，近地面空气的温度随之升高，夜晚地面由于向外辐射而冷却，使近地面的空气温度自下而上逐渐

12、降低，上面的空气比下面的空气冷却较慢，结果就形成逆温现象。,二、气块的绝热过程和干绝热递减率,如果气块（空气微团）和周围环境间没有发生热量交换，那么它的状态变化就可认为是绝热过程。由污染源排放的污染气体就可视为一个气块。如果固定质量的气块的绝热过程中不发生水相变化就称为干绝热过程，其质量不变。当干气块在绝热上升时由于外界压力减小而膨胀，就要抵抗外界压强而作功，这个功只能依靠消耗本身内能来完成，因而气块温度降低，相反则升高。 描述气块在绝热过程中P、T关系的方程为：,A功热当量； Rd干过程的状态常数； Cpd 干空气的定压比热；,T1、T2和P1、P2分别为绝热过程起始和终结时的温度和压力。

13、利用此公式可求出气块上升到任一高度处的温度值。 干空气在上升时温度降低值与上升高度的比称为干绝热垂直递减率，用d来表示。,即 d0.98102 /m1/100m 利用此d 对于上升的干空气可得到如下公式： T2 = T1 d ( zz0 ) T2干空气到达高z 时的温度； T1 起始高度z0 处的温度； （zz0 ) 为上升高度差。,三、大气稳定度 Atmospheric Stability 大气稳定度是指气层的稳定程度，即大气中某一高度处的气块在垂直方向上的相对稳定程度。 气块在大气中的稳定程度与大气垂直递减率和干绝热垂直递减率有关： 当 d 时，大气是不稳定的。 当 = d 时，大气处于平

14、衡状态。,一般说来，大气垂直递减率越大，气块就越不稳定。在平流层大气垂直递减率是负值，垂直混合极为缓慢，进入平流层的某些污染物难以扩散，可滞流数年。,四、 大气污染数学模式 以高架连续点源大气污染数学模式为例讨论。 1. 烟流模型基本公式 距地面h 高度处有一连续排放点源，以其在地面的垂直投影为原点，x 轴指向平均风向, y 轴在水平面上垂直于x 轴, z 轴垂直于 xoy 平面向上延伸, 建立坐标系。,式中: c污染物浓度，g / m3 ； Q源强， g / s ；,y 用浓度标准偏差表示的y 轴上的扩散系数； z 用浓度标准偏差表示的z 轴上的扩散系数； H 烟流中心距地面高度，也称烟囱有

15、效高度，m；数值为烟囱高度h 与烟羽抬升高度H之和. H = h + H,烟囱高度的平均风速，m / s；,对于一个高架连续点源下风向某一点污染物浓度可用下式表示：,高架连续点源地面浓度: 即: z = 0时：,高架连续点源地面轴线浓度 即: y = 0 、z = 0时：,高架连续点源的地面最大浓度： 当 y = 0 、z = 0 ，并设y / z = a = 常数， 对z 求导并令其等于零, 即：,可得：,地面连续点源扩散模式： 当H = 0 时：,地面连续点源轴线的浓度: 当 y = 0、 z = 0、 H = 0 时：,有效源高计算 烟羽抬升高度的计算十分复杂,通常用经验关系式来计算，例

16、如Holland 公式：,式中： vs 实际状态下的烟流出口速度，m/s； d 烟囱出口直径, m； Ts、Ta 分别为烟气出口温度和环境大气温度，K； p大气压，pa ； Qh 烟气热释放率 J/s ，即单位时间排出烟气的热量；,烟囱高度的平均风速，m / s；,Holland建议，大气不稳定时，用上式计算的H应增加10 20、而稳定时减少10 20； PG扩散曲线法确定y 和z 表223（p.93）将大气扩散稀释能力分为A、B、C、D、E、F六个等级。 图231的PG曲线给出了扩散系数y 和z 与下风向距离(x) 的函数关系。 根据常规气象按表223确定稳定级别，然后在PG曲线图上查了不同

17、距离上的y 和z 值。,4. 高架连续排放点源下风浓度计算实例 例：某火力发电厂的烟囱高20m，顶部直径4 m，SO2 发生率为270g/s，烟囱出口处风速为3m/s，烟气温度598K，地面风速2.1 m/s，风向为西南。如果烟囱顶部的气温为283K，地面气压为100103 pa，烟囱高度处的风速为4m/s ，问在清晨日出时，距离烟囱600 m处，SO2 的浓度是多少？ 解：根据给定的条件，查表223得当时大气稳定度为E 级, 由图231查得下风向600m处的 y 为34 m，z为14 m ，由Holland 公式计算出烟羽升高度：,由于稳定度为E级，可将计算出的烟羽升高度值减少15，即： H

18、 2185 18 (m) 距烟囱下风向600m处SO2 浓度（即高架连续点源地面轴线浓度，y = 0 、z = 0)：,书上其余内容自看。,五、影响大气污染物迁移的因素,1 风和大气湍流的影响 污染物在大气中扩散取决于三个因素：风可使污染物向下风向扩散、湍流可使污染物向各个方向扩散、浓度梯度可使污染物发生质量扩散。 当气块有规则运动时, 其速度在水平方向上的分量称为风, 铅直方向的的分量称为铅直速度.,具有乱流特征的气层称为摩擦层, 亦称乱流层，其底部与地面接触，厚约10001500m。由于地面粗糙不平且受热又不均匀而使其具有乱流特征。 在摩擦层中大气稳定度较低，污染物自排放源向下风向迁移而得

19、到稀释。而摩擦层顶以上的气层称为自由大气，由于其乱流极微弱，污染物很少到达这里。,例如：由于气块受热获得浮力向上做加速运动，根据公式推导可得出其加速度方程为：,dv/dt - 气块加速度； G-重力加速度； T -受热气块温度； -受热气块周围空气的温度。 由此公式可知，由于温差使气块获得浮力加速度，使气块不断上升，直到T与相等。,2 天气形势和地理地势的影响 天气形势是指大范围气压分布的状况，局部地区的扩散条件与大型的天气形势是互相联系的。不利的天气形势和地形特征结合在一起常使某一地区的污染程度大大加重。 逆温：使污染物长时间的积累在逆温层重而不能扩散。,地理形势：不同地形地面之间的物理性质差异引起热状况在水平方向上分布不均匀。这种热力差异在弱的天气系统条件下就有可能产生局地环流：海陆风、城郊风和山谷风。,热 气 流 上 升,冷 气 流 下降,陆 地,海 洋,海风,陆风,白天,夜晚,表面温度高,表面温度低,表面温度高,表面温度低,海陆风,热 气 流 上 升,冷 气 流 下降,陆 地,海 洋,海风,白天,表面温度高,表面温度低,陆风,海陆风,海风,热 气 流 上 升,冷 气 流 下 降,陆 地,海 洋,陆风,夜晚,表面温度高,表面温度低,海风,海陆风,陆风,山谷风,白天：谷风,夜晚：山风,山谷风：谷风,谷风,白天：谷风,山谷风：山风,山风,夜晚：山风,山谷风： 山谷风是山风