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1、第四章 大气污染控制 第四章 大气污染控制 p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：
2、二氧化碳、二氧化硫、甲烷、 硫化氢、臭氧、氮氧化物、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、化器中挥发的汽油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从曲轴箱漏出的气体 碳氢化合物 20% 汽汽 车车 排排 气气 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、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
10、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 p飘尘 概念概念 颗粒物颗粒物：悬浮在大气中的微粒之统称。 降尘：降尘： 粒径 10微米的固体颗粒物。 飘尘：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，= 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 z T 0 1 2 3 4 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
11、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) a v a v (2) (3) a=0 v 处于不同平衡状态的小球 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
12、，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
13、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 Z T 锥 型 Z T Z T 扇 型 Z T Z T 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，污染物的扩散就成了问题。这是因为无湍流时，污染 物单靠分
14、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 在大气中稀释扩散的最直接因素。 逆温
15、 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 z T 0 a z 0 b zz z 0 0 0TTTT ed c 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辐射逆温的生成过程 下沉逆温的生成过程 h h H H 湍流逆温的生成过程 z T 0 r rd A D B C E 混合逆温层 锋面逆温的生成过程 T1 T3 T2 T4 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
16、：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
