大气污染控制工程(全)郝吉明.ppt

大气污染控制工程 教材及参考书籍 教材 蒋文举 宁平主编 大气污染控制工程 高等教育出版社 2006年11月第1版参考书籍 1 姜安玺等编著 空气污染控制 化学工业出版社 2003年6月第1版2 郝吉明 马广大主编 大气污染控制工程 高等教育出版社 2002 83 郭静 阮宜纶主编 大气污染控制工程 北京 化学工业出版社 2001 54 相关资料 如环保部网站 杂志 其他图书资料 第一章概论 一 地球大气层 一 大气组成表干洁空气的组成 二 大气结构 有何特点 有何特点 二 大气污染有关的概念大气污染的概念 ISO定义 指由于人类活动或自然过程使得某些物质进入大气中 呈现出足够的浓度 达到了足够的时间 并因此而危害了人类的舒适 健康和福利或危害了环境的现象 大气污染物 指由于人类活动和自然过程产生的并且对人或环境有害的物质 大气污染物 颗粒污染物 气态污染物 三 大气污染现状 1978 2007年间主要大气污染物的变化趋势 2010年环境空气总体状况2010年 全国废气中二氧化硫排放量2185 1万吨 比上年减少1 3 其中 工业二氧化硫排放量1864 4万吨 占二氧化硫排放总量的85 3 生活二氧化硫排放量320 7万吨 占二氧化硫排放总量的14 7 烟尘排放量829 1万吨 其中 工业烟尘排放量603 2万吨 占烟尘排放总量的72 8 生活烟尘排放量225 9万吨 占烟尘排放总量的27 2 工业粉尘排放量448 7万吨 工业燃料燃烧二氧化硫排放达标率和工业生产工艺二氧化硫排放达标率分别为93 1 和89 8 一 废气及废气中主要污染物排放情况 1 煤炭及燃料油使用情况2010年 全国环境统计的煤炭消费总量35 6亿吨 比上年增加13 3 工业煤炭消费量33 8亿吨 比上年增加14 5 其中 工业煤耗中燃料煤消费量为24 1亿吨 原料煤消费量为9 7亿吨 生活煤炭消费量1 8亿吨 比上年减少5 7 工业 不含车船用 燃料油消费量2087万吨 比上年增加3 5 其中 重油1159万吨 柴油885万吨 2 二氧化硫排放情况2010年 全国工业废气排放量519168亿立方米 标态 比上年增加19 1 全国二氧化硫排放量为2185 1万吨 比上年减少1 3 其中 工业二氧化硫排放量为1864 4万吨 基本与上年持平 占全国二氧化硫排放量的85 3 生活二氧化硫排放量320 7万吨 比上年减少7 9 占全国二氧化硫排放量的14 7 十一五 期间 全国废气中二氧化硫排放总量 工业废气中二氧化硫排放量和生活废气中二氧化硫排放量均呈现逐年下降趋势 2010年全国二氧化硫排放总量较2005年下降了14 3 超额完成了 十一五 总量减排任务 图全国二氧化硫排放量年际变化 2001 2010 3 氮氧化物排放情况2010年 氮氧化物排放量为1852 4万吨 比上年增加9 4 其中 工业氮氧化物排放量为1465 6万吨 比上年增加14 1 占全国氮氧化物排放量的79 1 生活氮氧化物排放量为386 8万吨 比上年减少5 2 占全国氮氧化物排放量的20 9 其中交通源氮氧化物排放量为290 6万吨 占全国氮氧化物排放量的15 7 图全国氮氧化物排放量年际变化 2006 2010 4 烟尘及工业粉尘排放情况2010年 烟尘排放量为829 1万吨 比上年减少2 1 其中 工业烟尘排放量为603 2万吨 基本与上年持平 占全国烟尘排放量的72 8 生活烟尘排放量为225 9万吨 比上年减少7 2 占全国烟尘排放量的27 2 2010年 工业粉尘排放量为448 7万吨 比上年减少14 3 图全国烟尘和工业粉尘排放量年际变化 二 各地区废气中主要污染物排放情况 1 二氧化硫排放情况2010年 二氧化硫排放量超过100万吨的省份依次为山东 内蒙古 河南 山西 河北 贵州 四川 广东 江苏和辽宁 10个省份的二氧化硫排放量占全国排放量的55 6 工业二氧化硫排放量最大的是山东 占全国工业二氧化硫排放量的7 4 生活二氧化硫排放量最大的是贵州 占全国生活二氧化硫排放量的15 9 2 氮氧化物排放情况氮氧化物排放量超过100万吨的省份依次为山东 广东 内蒙古 江苏 河南和河北 6个省份氮氧化物排放量占全国氮氧化物排放量的41 0 工业和生活氮氧化物排放量最大的分别是山东和广东 分别占全国工业和生活氮氧化物排放量的8 0 和12 0 图各地区氮氧化物排放情况 3 烟尘排放情况烟尘排放量超过50万吨的省份依次为内蒙古 辽宁 山西 河南和河北 5个省份烟尘排放量占全国烟尘排放量的35 6 工业和生活烟尘排放量最大的分别是内蒙古和辽宁 分别占全国工业和生活烟尘排放量的7 9 和10 4 图2010年各地区烟尘排放情况 4 工业粉尘排放情况工业粉尘排放量超过30万吨的省份依次为湖南 山西 河北和广西 4个省份工业粉尘排放量占全国工业粉尘排放量的31 2 图2010年各地区工业粉尘排放情况 三 工业行业废气中主要污染物排放情况 1 二氧化硫排放情况2010年 二氧化硫排放量排行前三名的行业依次为 电力热力的生产及供应业 黑色金属冶炼及压延加工业 非金属矿物制品业 3类行业共排放二氧化硫1245 1万吨 占统计工业行业二氧化硫排放量的73 0 与上年相比 3类行业中 黑色金属冶炼及压延加工业 非金属矿物制品业的二氧化硫污染贡献率有所升高 电力热力的生产和供应业略有下降 近几年黑色金属冶炼及压延加工业的污染贡献率持续升高 2 氮氧化物排放情况2010年 氮氧化物排放量位于排名前3位的行业依次为电力热力的生产和供应业 非金属矿物制品业 黑色金属冶炼及压延加工业 3类行业占统计行业氮氧化物排放量的83 5 其中电力热力的生产和供应业占65 1 图工业行业SO2和NOX排放情况 3 烟尘排放情况2010年 烟尘排放量位于排名前3位的行业依次为电力热力的生产和供应业 非金属矿物制品业 黑色金属冶炼及压延加工业 与上年相同 3类行业占统计行业烟尘排放量的65 9 其中电力热力的生产和供应业占36 2 4 工业粉尘排放情况2010年 工业粉尘排放量位于排名前2位的行业依次为非金属矿物制品业 黑色金属冶炼及压延加工业 两个行业占统计行业工业粉尘排放量的79 7 其中 非金属矿物制品业占56 8 黑色金属冶炼及压延加工业占22 9 图工业行业烟尘和粉尘排放情况 四 火电厂二氧化硫排放情况2010年 纳入重点调查统计范围的电力企业2386家 其中 独立火电厂1642家 自备电厂744家 独立火电厂共消耗燃料煤16 6亿吨 占全国工业煤炭消耗量的49 2 二氧化硫排放量为835万吨 比上年减少4 8 占全国工业二氧化硫排放量的44 8 独立火电厂二氧化硫排放量大于50万吨的省份依次为山东 山西 内蒙古 河南和江苏 占全国独立火电厂二氧化硫排放量的37 3 独立火电厂共安装了3266套脱硫设施 比上年增加134套 去除二氧化硫1900万吨 比上年增加35 0 二氧化硫去除率达到69 5 比上年升高7 9个百分点 图2010年各地区独立火电厂二氧化硫排放情况 但我国的大气污染形势仍然比较严峻 一 我国大气污染严重的原因 1 直接燃煤是我国大气污染严重的根本原因 2 能源浪费严重 燃烧方式落后 加重了大气污染 3 交通污染源集中于城市 也是大气污染的原因之一 4 城市布局 工业布局的不够合理 也是大气污染的原因之一 二 我国大气污染的特点 1 我国的主要大气污染物是降尘的总悬浮微粒 其次是SO2 说明是以粉尘和SO2为代表的煤烟型污染 2 我国北方城市大气污染水平高于南方 尤以冬季为甚 冬季高于夏季 早晚高于中午 是大气污染的时空分布特点 为什么 3 产煤区污染严重 尤以高硫煤区为甚 是大气污染的区域性问题 四 大气污染共同特点 一 不可见性 污染物成分测定较困难 二 广泛性 危害的长期性 控制的复杂性 三 无国界性 五 大气污染的危害 一 对人的危害 CO对人体健康的影响 NO2对人体健康的影响 颗粒物对人体健康的危害 突发性严重大气污染事故 注 图为1952年12月伦敦烟雾事件中死亡人数与大气中烟尘和二氧化硫浓度的相关性 二 大气污染对植物的危害 注 二氧化氮浓度和暴露时间与植物死亡 叶器官损伤和新陈代谢或生长影响之间的关系 三 大气污染对材料和器物的危害 注 平均二氧化硫浓度和不同暴露时间与低碳钢的腐蚀之间的关系 1963 1964年9月 在芝加哥的七个地点进行的实验 Source AirandWasteManagementAssociation MajorGreenhouseGases 四 大气污染对气候的危害 大气中二氧化碳含量的变化 全球平均气温的变化 全球碳循环 单位 109tC 全球变暖产生的影响 五 臭氧层破坏 1979 1986年TOMS测得的总臭氧全球平均值 注 Dobson单位 将0 C 标准海平面压力下 10 5m厚的臭氧定义为一个Dobson单位 六 对大气能见度的影响 对大气能见度或清晰度有影响的污染物 一般应是气溶胶粒子 能通过大气反应生成气溶胶粒子的气体或有色气体 包括 总悬浮颗粒物 TSP SO2和其它气态含硫化合物 在大气中以较大反应速率生成硫酸盐和硫酸气溶胶粒子 NO和NO2 在大气中反应生成硝酸盐和硝酸气溶胶粒子 光化学烟雾 反应生成亚微米的气溶胶粒子 能见度与自然景观USEPA在1999年宣布 将在未来几十年内致力于提高国家公园和旷野地区的空气质量 例 美国大烟雾山国家公园 北卡罗莱纳州 照片 晴天 雾天 六 大气污染的防治 一 主要大气污染物的防治技术1 大气颗粒物的控制 1 改变燃料的构成 改进燃烧方式 提高燃料利用率 以减少颗粒物的排放 2 安装除尘装置 在颗粒物排放到大气环境之前 将其除掉 以减轻对大气的污染 2 SO2的污染控制 1 燃料脱硫 2 烟气脱硫 石灰 石灰石洗涤法 氨法 吸附法3 NOX的污染控制 1 改进燃烧技术减少NOx的产生 2 烟气中去除NOx 4 汽车尾气的污染控制第一 最根本和最终的途径 改变汽车的动力 如开发电动汽车及代用燃料汽车 此途径使汽车根本不产生或只产生很少的污染气体 第二 改善现有的汽车动力装置和燃油质量 采用设计优良的发动机 改善燃烧室结构 采用新材料 提高燃油质量等都能使汽车排气污染减少 第三 目前广泛采用的适用于大量在用车和新车的净化技术 采用一些先进的机外净化技术对汽车产生的废气进行净化以减少污染 机外净化技术就是在汽车的排气系统中安装各种净化装置 采用物理的 化学的方法减少排气中的污染物 可分为催化器 热反应器和过滤收集器等两类 前者多用于汽油机汽车 后者多用于柴油机汽车 针对汽车尾气控制的措施与行动 全国机动车尾气排放执行国 标准 为贯彻 中华人民共和国大气污染防治法 控制机动车排放污染 2008年7月1日 全国正式实施 轻型汽车污染物排放限值及测量方法 中国 阶段 GB18352 3 2005 第三阶段限值 简称 国三标准 北京市2008年3月1日起执行机动车国 排放标准 根据北京市 十一五 环境规划和举办奥运会对空气质量的要求 北京市从2008年3月1日起 分两个阶段实施相当于欧 标准的国 标准 二 大气污染的综合防治1 全面规划 合理布局2 建立严格的环境管理方法和制度3 控制大气污染的技术途径 注 中国正在不断提高能源使用的效率 但还未达到美国的水平 1980 1995年数据 控制大气污染的技术措施 清洁生产 清洁的生产过程和清洁的产品可持续发展的能源战略改善能源供应结构和布局 提高清洁能源和优质能源比例提高能源利用效率和节约能源推广少污染的煤炭开采技术和清洁煤技术积极开发利用新能源和可再生能源建立综合性工业基地 各企业间相互利用原材料和废弃物 减少污染物排放总量 4 控制环境污染的经济政策 必要的环境保护投资环保投资占国民生产总值 GNP 的比例 发展中国家为0 5 1 发达国家为1 2 我国目前比例为1 3 1 7 有望达到达到发达国家的水平 实行 污染者和使用者支付原则 可采用的经济手段 建立市场 排污许可证制度等 税收手段 污染税 资源税等 收费制度 排污费等 财政手段 生态环境基金等 责任制度 赔偿损失和罚款等 生态环境基金 山西省政府于2007年通过并公布了 山西省煤炭可持续发展基金征收管理办法 从2007年4月1日起 在山西省行政区域内从事原煤开采的单位和个人 都要缴纳煤炭可持续发展基金 据估算 每年可征收100亿元左右 煤炭可持续发展基金将主要用于解决企业难以解决的跨区域生态环境治理 支持资源型城市 地区 转型和重点接替产业发展 解决因采煤引起的相关社会问题 5 绿化造林6 安装废气净化装置 七 大气环境标准和法规 一 大气环境标准1 大气环境质量标准 1 环境空气质量标准 GB3095 2012 2012年2月29日经国家环保部发布 同时代替GB3095 1996及2000年发布了 环境空气质量标准 的修改单 新标准将环境空气质量功能区分为二类 一类区 为自然保护区 风景名胜区和其它需要特殊保护的地区 二类区 为城镇规划中的确定的居住区 商业交通居民混合区 文化区 一般工业区和农村地区 为特定工业区 环境空气质量标准分为二级 一类区执行一级标准 二类区执行二级标准 下表列出了相关污染物的浓度限值 表各项污染物的浓度限值 续表 各项污染物的浓度限值 续表 各项污染物的浓度限值 注 黄色标注部分指标由环境保护部或省级人民政府根据实际情况确定具体实施方式 其他指标在全国范围内实施 本标准2016年1月在全国范围内实施 关于实施 环境空气质量标准 GB3095 2012 的通知 环境保护部文件环发 2012 11号 一 充分认识实施 环境空气质量标准 的重要意义实施 环境空气质量标准 是新时期加强大气环境治理的客观需求 随着我国经济社会的快速发展 以煤炭为主的能源消耗大幅攀升 机动车保有量急剧增加 经济发达地区氮氧化物 NOx 和挥发性有机物 VOCs 排放量显著增长 臭氧 O3 和细颗粒物 PM2 5 污染加剧 在可吸入颗粒物 PM10 和总悬浮颗粒物 TSP 污染还未全面解决的情况下 京津冀 长江三角洲 珠江三角洲等区域PM2 5和O3污染加重 灰霾现象频繁发生 能见度降低 迫切需要实施新的 环境空气质量标准 增加污染物监测项目 加严部分污染物限值 以客观反映我国环境空气质量状况 推动大气污染防治 实施 环境空气质量标准 是完善环境质量评价体系的重要内容 健全环境质量评价体系 建立科学合理的环境评价指标 使评价结果与人民群众切身感受相一致 逐步与国际标准接轨 是探索环保新道路的重要任务 实施 环境空气质量标准 是落实 国务院关于加强环境保护重点工作的意见 关于推进大气污染联防联控工作改善区域空气质量的指导意见 以及 重金属污染综合防治 十二五 规划 中关于完善空气质量标准及其评价体系 加强大气污染治理 改善环境空气质量的工作要求 实施 环境空气质量标准 是满足公众需求和提高政府公信力的必然要求 与新标准同步实施的 环境空气质量指数 AQI 技术规定 试行 增加了环境质量评价的污染物因子 可以更好地表征我国环境空气质量状况 反映当前复合型大气污染形势 调整了指数分级分类表述方式 完善了空气质量指数发布方式 有利于提高环境空气质量评价工作的科学水平 更好地为公众提供健康指引 努力消除公众主观感观与监测评价结果不完全一致的现象 二 分期实施新修订的 环境空气质量标准 我国不同地区的空气污染特征 经济发展水平和环境管理要求差异较大 新增指标监测需要开展仪器设备安装 数据质量控制 专业人员培训等一系列准备工作 为确保各地有仪器 有人员 有资金 做到测得出 测得准 说得清 确保按期实施新修订的 环境空气质量标准 现提出如下要求 一 分期实施新标准的时间要求2012年 京津冀 长三角 珠三角等重点区域以及直辖市和省会城市 2013年 113个环境保护重点城市和国家环保模范城市 2015年 所有地级以上城市 2016年1月1日 全国实施新标准 二 鼓励各省 自治区 直辖市人民政府根据实际情况和当地环境保护的需要 在上述规定的时间要求之前实施新标准 三 经济技术基础较好且复合型大气污染比较突出的地区 如京津冀 长三角 珠三角等重点区域 要做到率先实施环境空气质量新标准 率先使监测结果与人民群众感受相一致 率先争取早日和国际接轨 三 大力推进大气污染防治 不断改善环境空气质量当前 我国大气污染形势十分严峻 突出表现在大气污染物排放量大 大气环境污染物浓度高 区域性大气复合型污染严重 实施环境空气质量标准 开展监测和公布数据只是解决大气环境问题的第一步 必须大力推进大气污染防治 采取切实措施改善空气质量 近期 环保部门应积极联合有关部门 重点做好以下工作 一 开展科学研究 制定达标规划 在抓紧开展监测与信息发布的基础上 组织力量尽快开展达标减排相关科研 摸清规律 明确排放清单和控制对策 针对空气质量改善途径和阶段目标以及相应的控制工程技术进行科学 系统 深入地研究 探索建立辖区大气环境质量预报系统 逐步形成风险信息研判和预警能力 进一步增强大气污染防治科技支撑 未达到环境空气质量标准的大气污染防治重点城市 要制定达标规划报上级部门批准实施 二 提高环境准入门槛 严把新建项目准入关 严格控制 两高一资 项目和产能过剩行业的过快增长及产品出口 加强区域产业发展规划环境影响评价 严格控制钢铁 水泥 平板玻璃 传统煤化工 多晶硅 电解铝 造船等产能过剩行业扩大产能项目建设 三 深入开展重点区域大气污染联防联控 在京津冀 长三角 珠三角等重点区域实施大气污染防治规划 加大产业调整力度 加快淘汰落后产能 积极推广清洁能源 开展煤炭消费总量控制试点 实施多污染物协同控制 制定并实施更加严格的火电 钢铁 石化等重点行业大气污染物排放限值 大力削减二氧化硫 氮氧化物 颗粒物和挥发性有机物排放总量 四 切实加强机动车污染防治 采取激励与约束并举的经济调节手段 加快推进车用燃油品质与机动车排放标准实施进度同步 提升车用燃油清洁化水平 全面落实第四阶段机动车排放标准 鼓励重点地区提前实施第五阶段排放标准 全面推行机动车环保标志管理 加快淘汰 黄标车 到2015年基本淘汰2005年以前注册运营的 黄标车 加强机动车环保监管能力建设 强化在用车环保检验机构监管 全面提高机动车排放控制水平 五 建立健全极端不利气象条件下大气污染监测报告和预警体系 地级以上城市环保部门要按照 环境空气质量指数 AQI 技术规定 试行 开展环境空气监测结果日报和实时报工作 为公众提供健康指引 引导当地居民合理安排出行和生活 结合当地实际情况 研究制定大气污染防治预警应急预案 构建区域应急体系 出现重污染天气时及时启动应急机制 实行重点排放源限产限排 建筑工地停止土方作业 机动车限行等应急措施 向公众提出防护措施建议 2 其它环境标准 如 工业企业设计卫生标准 TJ36 93等 平时作业 请大家查阅资料 比较新旧大气环境质量标准的区别 并谈谈你对此的看法 2 大气污染物排放标准 大气污染物综合排放标准 1996年4月12日经国家环保局批准 大气污染物综合排放标准 GB16297 1996于1997年1月1日实施 同时取消工业三废排放试行标准GBJ4 73中的废气部分及十个行业标准 包括合成洗涤剂火炸药 雷汞 硫酸 船舶 钢铁 轻金属 重有色金属 沥青及普钙等行业 2 制定地方大气污染物排放标准的方法 GB T13201 91 3 行业标准 火电厂大气污染物排放标准 GB13233 2003 工业炉窑大气污染物排放标准 GB9078 1996 炼焦炉大气污染物排放标准 GB16171 1996 水泥厂大气污染物排放标准 GB4915 1996 恶臭污染物排放标准 GB14554 93 各类机动车执行相应的标准 等 思考 对某个企业如同时存在综合排放标准 地方污染物排放标准和行业标准时 该执行哪一类标准 4 空气质量分级标准 AQI AirQualityIndex的英文缩写 是空气质量指数 其计算公式如下 基本计算式 设I为某污染物的空气质量指数 C为该污染物的浓度 则 式中 C大与C小 在AQI分级限值表中最贴近C值的两个值 C大为大于C的限值 C小为小于C的限值 I大与I小 在API分级限值表中最贴近I值的两个值 I大为大于I的值 I小为小于I的值 公式中四个参数取值见 环境空气质量指数 AQI 技术规定 试行 中的表1 全市AQI的计算步骤a求某污染物每一测点的日均值式中 Ci为测点逐时污染物浓度 n为测点的日测试次数b求某一污染物全市的日均值c将各污染物的市日均值分别代入AQI基本计算式计算所得值 便是每项污染物的AQI分指数 d选取AQI分指数最大值为全市AQI 全市主要污染物的选取AQI max I1 I2 Ii In 各种污染物的污染分指数都计算出以后 取最大者为该区域或城市的空气质量指数AQI 当AQI 50该指数对应的污染物为首要污染物 当AQI 100则该项污染物即为该区域或城市空气中的超标污染物 计算举例 假定某地区的PM10日均值为0 215mg m3 SO2日均值为0 105mg m3 NO2日均值为0 080mg m3 则其质量指数的计算如下 解 按照空气污染指数表 PM10实测浓度0 215mg m3介于0 150mg m3和0 250mg m3之间 按照此浓度范围内质量指数与污染物的线性关系进行计算 即此处浓度限值C2 0 150mg m3 C3 0 250mg m3 而相应的分指数值I2 100 I3 150 则PM10的污染分指数为 I 150 100 0 250 0 150 0 215 0 150 100 132 5这样 PM10的分指数I 132 5 其它污染物的分指数分别为I 77 5 SO2 I 100 NO2 取污染指数最大者报告该地区的空气污染指数 API max 132 5 77 5 100 132超标污染物为PM10 表空气污染指数范围及相应的空气质量类别 中度污染 中度污染 重度污染 严重污染 200 300 极少数易感人群应该减少户外活动 易感人群应该减少长时间户外活动 易感人群应避免长时间户外活动 易感人群应停止户外活动 一般人群减少户外活动 易感人群应留在内 一般人群避免户外活动 空气质量日报举例 空气质量日报举例 1 大气环境基础标准 如名词标准 方法标准 采样分析标准 样品标准 监测样品标准 2 大气污染控制技术标准 如原料 燃料使用标准 净化装置选用标准 排气筒高度标准等 3 环保产品质量标准 它们是为保证前述标准的实施而作出的具体技术规定 目的是使生产 设计管理 监督人员容易掌握和执行 3 环境技术标准 二 法规 中华人民共和国大气污染防治法 现有的大气污染防治法是对1987年通过的大气污染防治法进行修订而来的 从2000年9月1日开始执行 新法的作用表现在以下几方面 强化了酸雨和二氧化硫污染控制推动了煤炭的清洁利用加快了淘汰严重污染大气的落后工艺和设备的步伐开始停止生产和使用无铅汽油法规实施后 一些地区依法强化环境管理 大气环境质量确实得到了改善 但未能有效地遏制大气环境质量的恶化 大气污染形势仍然十分严峻 大多数城市还处于比较严重的污染程度 缺少推动煤炭清洁利用的法律措施 燃煤污染仍然没有得到有效遏制 大中城市机动车排气污染正在迅速增加 大多数城市扬尘污染突出 大气污染物排放总量居高不下 缺少有效的法律措施 现行法律的法律责任部分内容偏少 力度不够 小结 质量标准 排放标准 技术标准与法规的相互关系 平时作业 假定某地区的PM10日均值为0 215mg m3 SO2日均值为0 105mg m3 NO2日均值为0 080mg m3 试计算该地区的空气质量指数 AQI 具体取值见 环境空气质量指数 AQI 技术规定 试行 中的表1 第二章大气物理化学基础 一 大气污染物扩散与气象的关系 一 地球大气特征1 大气的组成 1 恒定组分 指干净大气的组分 H2O CO2除外 2 可变组分 CO2和H2O 3 不定组分 指大气中的污染物质 2 大气的结构及作用 1 结构 前面已介绍 2 作用 A 大气是生命活动不可缺少的物质 大气中的氮和氧等元素是生物体的支柱 每人每天平均吸入15Kg的空气 B 大气通过紫外线照射和雷电火花合成有机物 C 保护地球一切生命的安全 减弱陨石和紫外线的损伤 D 保护地球表面的热量 调节气候 E 大气是某些环境物质运移的载体 二 气象要素1 风与风向 1 风 指大气的水平运动 2 风向 指风的来向 风向可用8个方位或16个方位表示 也可用角度表示 以正北方向为零度 将圆角分为360 顺时针旋转 例如风从北方吹来称为北风 N 或称风向为0 东南方吹来的风称东南风 SE 或称风向135 主导风向 风向是经常变化的 不同地区在一年中都有经常出现的风向 即主导风向 风向频率 表示某风向出现的次数占全年各方向风向出现总次数的百分比 风向决定了污染物的扩散方向 3 风速 指单位时间内空气在水平方向运动的距离 单位用m s或km s表示 风速是一个矢量 具有大小和方向 在大气边界层 指地面向上1000m的大气层 中 磨擦力随高度的增加而减小 当气压梯度力不随高度变化时 风速随距地面高度增加而增大 风向与等压线的交角随高度增加而减小 通常大气中的污染物浓度与风速成反比 风速增加一倍 下风向浓度将减少一半 风向 风速可用风玫瑰图来表示 2 气温与气压 1 气温 这里指地面气温 一般是指距地面1 5m高处在百叶箱中观测到的空气温度 常用的气温单位为摄氏温度 热力学温度 K 和华氏温度 F 三者之间的换算公式如下 T K t 273 15 t 5 9 t F 32 气温与大气污染的关系 近地层大气的温度是不断变化的 近地层大气温度的垂直分布决定了大气的稳定程度 以至影响大气污染物的扩散和稀释 因此气温的垂直分布与大气污染程度密切相关 2 气压 单位面积上承受的大气柱的重力 即大气的压强 大气层中不同的地方气压不同而产生压力差 从而引起空气的运动 气压的单位有 大气压 帕 毫巴 毫米汞柱 它们之间的关系如下1atm 101325Pa 1013 25mbar 760mmHg 3 大气湿度 表示大气中水汽含量和潮湿程度的重要物理量 它与天气变化密切相关 大气湿度的常用表示方法有以下几种 1 绝对湿度 单位体积空气中所含的水汽质量 单位 g m3 2 水汽压力 空气中所含水汽的分压力 与气压用相同单位mmHg或Pa 注意 通常气温条件下水汽压的值与绝对湿度的值相差不大 因此实际工作中常以水汽压来代替绝对湿度 3 相对湿度 大气中水汽压与同一温度下的饱和水汽压之比 用百分数表示 4 露点 气压不变的情况下 降低气温使其达到饱和时的那个温度称为露点 根据气温与露点之差可以判断空气的饱和程度 即相对湿度的大小 差值越大 相对湿度越小 反之亦然 4 云与辐射 1 云 大气中水汽的凝结现象叫做云 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 它分为 总云量 指所有云遮蔽天空的成数 无论其层次高低 低云量 指低云簇中的云遮蔽的成数 云高 云底距地面底高度 它分为 低云 2000m以下 中云 2000 6000m 高云 6000m以上 云状 卷云 线 积云 块 层云 面 雨层云 无定形 几种高度的云 高云 6000m以上 中云 2000 6000m 低云 2000m以下 2 辐射 物质以电磁波形式放射能量 3 云和辐射的关系 云对辐射起屏障作用 它能阻挡白天的太阳辐射 也阻挡地面向上的辐射 总的效果是减少垂直温度梯度 减弱的程度视云量的多少而定 阴天 温度层结的昼夜变化几乎消失 大气接近中性状态 同理 温度层结也随季节变化 例如 夏季递减强度大 频率高 大气不稳定 冬季 逆温强度大 频率高 大气多出现稳定态 由此可见 辐射和云对大气稳定度可产生重要影响 从而影响到大气污染物的扩散稀释 二 影响大气污染物扩散能力的主要因素 大气的运动变化主要是由大气中热能的交换引起的 热能主要来自于太阳 热能的交换使得大气的温度有升有降 空气的运动和气压系统的变化活动 使地球上海陆之间 南北之间 地面和高空之间的能量和物质不断交换 生成复杂的气象变化和气候变化 影响大气污染物扩散的主要因素有两方面 一是气象的动力因素 二是热力因素 一 影响大气污染物扩散的动力因素1 风 对大气污染物质的作用是 1 输送作用 2 稀释作用2 湍流 指大气中存在着不同于主流方向各种尺度的次生运动或称为旋涡运动 1 影响大气湍流的因子 大气垂直稳定度 该因子形成的大气湍流称为热力湍流 近地面的风速 下垫面的粗糙情况等机械因素 该因子形成的湍流称为机械湍流 2 对大气污染物的作用 混合稀释 风和湍流对大气污染的影响 风和湍流是决定污染物在大气中的扩散状态的最直接和最本质的因子 是决定污染物扩散的决定因素 凡有利于增大风速 增强湍流的气象条件 都有利于污染物的稀释扩散 否则将会使污染严重 二 影响大气污染物扩散的热力因素热力因素主要指大气的温度层结和大气稳定度 温度层结 指地球表面上方的大气温度随高度的变化情况 即在垂直方向上的气温分布 气温的垂直分布决定着大气的稳定度 而大气稳定度又影响着湍流的强度 因而温度层结与大气污染程度有着紧密的关系 1 大气边界层的温度场 1 气温垂直递减率 为了描述气温垂直分布的特点 经常利用气温垂直递减率这个概念 它指气温随高度的升高而降低的快慢 用每上升单位高度 100米 的降低值 即气温垂直递减率 T Z来表示 气温垂直递减率 有三种情况 气温随高度的增加而降低 此时 0 气温随高度的升高而增加时 0 气温随高度的升高不变时 0 2 绝热变化和干绝热递减率 绝热变化 空气与外界无热量交换 由于外界压力的变化 使其被压缩或向外膨胀时所引起的温度变化 称为气温的绝热变化 在绝热过程中 空气内能的变化是由于外力压缩它 对它做功 或由空气以膨胀的形式反抗外力做功的结果 当空气上升时 由于周围气压的降低 使空气膨胀而降温 相反空气下降时 由于气压的增加 使空气被压缩而增温 气温干绝热递减率 干空气绝热上升单位距离时的温度降低值 又称为干空气的绝热垂直递减率 表示成 d dTi dZ式中 Ti为干空气团的温度 注 干绝热递增减率为一近似常数 其值大约为1 100m思考 气温垂直递减率和气温干绝热递减率有何区别 2 大气稳定度 1 大气稳定度的含义 指在垂直方向上大气稳定的程度 即大气是否易于发生对流 与 和 d有关 2 大气稳定度的分类 不稳定平衡中性平衡稳定平衡 d d d d d d 不稳定平衡 中性平衡 稳定平衡 0 3 大气稳定度的判定 定性 当 d 时 大气是不稳定的 当 d 时 大气是中性平衡状态 当 d 时 大气是稳定的 4 在大气污染预测模型中 将大气稳定度细分为A B C D E F六个级别 分别代表极不稳定 不稳定 弱不稳定 中性 弱稳定和稳定 按以下方式确定大气稳定度的类型 具体步骤如下 计算太阳倾角计算太阳高度角由云量和太阳高度角查表14 3查出辐射等级数由辐射等级数和地面风速查表14 4得到稳定度等级 帕斯奎尔法 见教材P288 289 后面将进一步介绍 三 几种气象状况对大气污染物扩散的影响 1 逆温的概念 指大气的温度随着高度升高而增加的现象 发生逆温的大气层称作逆温层 在逆温条件下 0 d 大气处于稳定状态 严重影响了污染物的垂直扩散 易造成大气污染 2 逆温的类型 根据逆温发生的原因可分为5类 辐射逆温 接地逆温 经常发生在无风或小风少云的夜晚 由于强烈的有效辐射使地面和近地面大气层强烈冷却降温 而上层空气降温较慢 上暖下冷的逆温现象 下图是辐射逆温的生消过程 地形逆温 是由于局部地区的地形而形成的逆温 主要是在盆地和谷地中 日落后山坡散热较快 使冷空气沿斜坡下滑 把谷底的热空气抬升而形成上部气温比下部气温高的逆温 下沉逆温 沉降性逆温 在高压控制区 高空存在着大规模的下沉气流 由于下沉气流施热增温作用 致使下沉运动的终止高度出现了逆温 多见于副热带反气旋区 特点是范围大 不连接地面而出现在某一高度上 所以又称作上部逆温 锋面逆温 是由于冷暖两种气团相遇 暖气团位于冷气团之上而形成的 下图是其形成的示意图 平流逆温 主要发生在冬季中纬度沿海地区 由于海陆存在温差 当海上暖空气流到陆地上空时 便形成了平流逆温 由于逆温时的大气状态十分恶劣 因此在逆温层内大气的垂直运动受阻 处于逆温层内的烟尘等污染物和水汽凝结物因不易扩散而大量积累 使能见度变坏 空气质量恶化 严重时甚至发生污染事件 3 烟流形状 大气污染状况与大气稳定度的关系 教材P72 大气污染状况与大气稳定度有密切的关系 下面以一高架源连续排放烟云为例来说明大气稳定度对大气污染物的影响 高架源排放的烟云有5种类型 1 翻卷型 波浪形 出现于大气不稳定状态下 0 d的情况下 温度随高度的增加而降低 烟云在上下左右方向上摆动很大 扩散速度较快 烟云呈剧烈翻卷 由于扩散速度较快 靠近污染源地区污染物落地浓度较高 在较远的下风处污染较轻 该种烟云多发生在晴朗的中午 2 锥形烟流 外形类似一个椭圆锥 当烟流离开排放口一定距离后 云轴基本保持水平 烟流比翻卷形规则 大气处于中性或弱稳定 0 d 扩散速度及落地浓度均比翻卷形低 污染物运输较远 该种烟流多出现在阴天或多云天以及冬季夜晚 3 扇形烟流 其扩散在垂直方向受到抑制 在水平方向扩散成扇形 大气处于稳定状态 0 d 出现逆温层 污染物可以传送到很远的下风向 4 屋脊型烟流 其下侧边缘清晰 呈平直状 上部出现湍流扩散 烟囱出口上方大气处于不稳定状态 0 d 下方大气则处于稳定状态 0 d 烟气中污染物不向下方扩散而只向上方扩散 对地面污染较小 该种烟型多出现在日落前后 5 熏烟型 烟流的上侧边缘清晰 呈平直状 烟流的下部有较强的湍流扩散 烟上方有逆温层 烟气上升到一定程度后受到逆温层的控制 烟囱出口上方大气稳定 0 d 下方大气不稳定 d 这种情况下烟云就好象被盖子盖住一样 只能向下部 象烟熏一样直扑地面 在污染源附近的污染物浓度较高 地面污染严重 这是在大气污染预测里备受关注的极端气象条件 3 气压分布与大气污染 1 低压控制区特点 空气有上升运动 云天较多 通常风速也较大与大气污染的关系 大气多为中性或不稳定状态 有利于污染物的稀释扩散 2 强高压控制区 特点 天气晴朗 风速较小 由于大范围内空气的下沉运动 在几百米到一二千米的上空形成下沉逆温 与大气污染的关系 阻挡着污染物向上湍流扩散 若高压大气系统是静止的或移动很慢的微风天气 又连续几天出现逆温时 由于大气对污染物的扩散稀释能力大大下降 将会出现所谓的空气 停滞 现象 这时即使处在正常情况下不足以造成大气污染的污染源 也可能出现大范围的污染危害 如再处于不利的地形条件 就会出现严重的污染情况 如世界闻名的伦敦烟雾事件就是在这样的条件下发生的 4 雾与逆温 雾和逆温与大气污染的关系 一是有利于一次污染物的积累 二是促进二次污染物的形成 时间分布特点 雾并伴随出现的逆温所导致的空气污染以冬季最为严重 秋末初春次之 夏季最轻 例1 1948年10月底 美国多诺拉这个拥有1 4万人的工业小镇 由于大雾和逆温的出现 空气中SO2和金属粉尘等迅速堆集 造成了6000人患病 17人死亡 例2 1930年2月 比利时马斯河谷地区出现大雾和逆温 致使当地工厂排放的大量污染物沉积 导致几千居民发病 死亡60余人 5 局部气流 地形和地貌的差异 加上日照时间的变化 地表热力性质的不均匀性 造成局部热力环流 其水平范围一般在几至几十公里 局部气流对当地的大气污染有显著的影响 常见的有 1 城市热岛效应 Hotislandeffect 热岛效应形成的原因 城市上空污染物具有保温作用 增加了大气的逆辐射 城市建筑物和道路的建材改变了地表热交换和大气的动力学特性 更易大量吸收热辐射 城市大量高层建筑减低风速 使热量水平输送相对困难 城市居民生产 生活形成丰富的热源 热岛环流的形成和危害 形成条件 1 城市热岛效应应在几百米以上有一稳定层所覆盖 而在稳定层以下形成城市混合层 混合层使该层内的垂直浓度趋于均匀 2 热岛效应使农村的冷空气向城市辐合而上升 与大气污染的关系 1 该环流的水平辐射流场使接近地面的污染物向城市聚集 加重了城市的污染 2 其辐合上升气流使高烟囱的烟上升 输往远处 又可减少对城市的污染 影响热岛效应的因素 局部地区气象 如云量 风速 6m s时 等 季节 主要在夏季 地形 建筑形态以及城市规模 性质 例子 东京在2000年夏天超过30摄氏度的日数为67天 有41个热得夜不能寐的夜晚 而10年前只有23天难以入眠 急救车出动次数也从1985年的100次增加到628次 2000年死于热浪的人数达207人 2 山谷风 3 海陆风 谷风 山风 山风 三 大气污染化学 大气污染化学的概念 它是研究大气的组成 各种成分的性质 来源和发生于大气中的化学现象 化学过程及其规律的学科 是大气科学的一个分支 大气污染化学的兴起 1 工业革命后使用煤作燃料发生由煤烟引起的煤烟污染事件 2 二战以后 又大量使用石油作燃料 出现了光化学污染问题 3 核爆炸把放射性尘埃抛射到平流层 造成全球性放射性污染 4 超音速飞机在平流层飞行 排出大量的氮氧化物等 对臭氧层有破坏作用 这些促进了大气污染化学的兴起 20世纪60年代以后 当出现了光化学烟雾 臭氧层破坏 酸雨等一系列环境问题时 人们进一步关注大气污染化学的研究 一 降水与大气污染 降水与大气污染的关系 大气降水对去除大气污染物有重要作用 一般降水前后空气中气溶胶或气态物质可以减少2 3或更多 因此研究降水的成分 降水量 降水的变化 降水的地区差异 有助于探明大气污染状况 为大气污染防治提供重要依据 1 云 雾对大气污染物的作用 1 云雾的形成 云雾是悬浮在大气中的水汽凝结物 可以清除大气中的气溶胶颗粒和气态污染物 云的形成首先是由凝结核活化过程开始 即云雾化学过程首先从气溶胶粒子的云雾内清除过程开始 此过程首先溶解气溶胶物质 大气气溶胶的可溶物质主要是海盐 硫酸和硝酸及其硫酸盐和硝酸盐 2 云雾中的化学反应 云雾滴能吸收大气中的微量组分并在其中发生化学反应 其反应过程如下 CO2 H2OH2CO3H2CO3H HCO3 HCO3 H CO32 NH3 H2O NH4 OH NH4 OHNH4 OH 气体进入水溶液后发生水解可能继续发生下列反应 SO2 O3SO3 O2SO3 H2OH2SO4H2SO42H SO42 SO42 2O3SO42 3O2HSO32 O3H SO42 O2HSO3 H2O2H SO42 H2OSO2 H2O Mn2 O32H SO42 O2 Mn2 气体成分的去向 1 SOX的去向 绝大部分以SO42 的形式存在 HSO32 只存在于酸性溶液中 2 痕量组分的去向 大气中还有一些痕量组分OH HNO2 H2S HC HBr以及有机化学成分等 它们多少也会被云雾滴吸收 但是当云雾消散后 吸收 吸附的污染物及其反应生成物仍可进入大气中 2 影响大气降水中的化学成分的因素 大气降水中的化学成分与其所处地区 季节有很大的关系 1 海陆的差异 海洋来的气团含盐量高 Cl Na 较多 硫酸盐粒子含量较少 内陆气团一般含HCO32 SO42 Ca2 较多 因此沿海地区的降水中所含的Cl Na 较内陆地区高 热带气团中的NH4 HNO3含量较极地气团高 2 城市之间的差异 不同的城市之间自然 人为活动和周围地区的污染物的长距离输送不同 降水云下的气溶胶浓度及化学成分很大程度上代表当地污染物来源分布特点和地形气候特点 城市地区观测的地面降水化学成分及其浓度与当地污染状况有密切的关系 降水过程本身是大气污染物的重要清除过程 多雨地区大气中污染物浓度要比干燥地区低得多 3 不同季节之间的差异 由于不同季节受不同气团的影响 降水中的化学成分也有一定的变化 一般降水的含盐量冬季低于夏季 例子 我国华北和西北地区 夏季降水含盐量在40mg L以上 冬季降水含盐量为15 30mg L 3 降水的pH值 影响降水pH值的因素 1 地理环境和季节的变化 沿海一带pH值较低 与海滨污泥排出大量的硫化氢以及燃烧放出的硫氧化物 氮氧化物有关 内陆地区pH值高是由于含钙土泥散布在空气中 土壤中又排出较多的氨气 使雨水中的Ca2 NH4 增多 导致中和作用的结果 2 阴阳离子的数量 如HCO32 SO42 NO3 Cl 等会引起pH值下降 NH4 Ca2 Mg2 Na 等可引起pH值上升 人们生活生产中排至大气中的SO2转变为硫酸 使雨中H 浓度增加 导致雨水呈强酸性反应 形成酸雨降落 二 酸雨化学 1 酸雨的概念 指空气污染造成的酸性废水 从广义上讲 酸雨是指pH值小于5 6的雨 雪 雾 雹等大气降水和其它酸性沉降物 通常认为大气降水与二氧化碳气体平衡时的酸度 pH 5 6 为降水天然酸度 并将其作为判断是否酸化的标准 当降水的pH值低于5 6时 降水即为酸雨 酸雨中含有多种无机酸或有机酸 其中绝大部分是硫酸和硝酸 2 酸雨的形成 一般认为酸雨主要是由人为排放的硫氧化物和氮氧化物等酸性气体转化而形成的 三 臭氧破坏化学 科学家们认为 臭氧减少是由于人类活动向大气中排入氯氟烃 CFCs 和含溴卤化烷烃哈龙 Halons 等引起的 自然条件如低温 背景气溶胶等为臭氧损耗提供适宜的场所 人为活动排放的物质进入平流层 大大加强了臭氧的清除过程 改变了多少个世纪以来形成的臭氧动态平衡 导致臭氧不断损耗 臭氧的损耗机理如下 Cl O3 ClO O2 Br O3 BrO O2ClO O Cl O2 BrO O Br O2净结果 O3 O 2O2 四 大气污染扩散模式 大气污染扩散的基本问题是研究湍流与烟流传播和物质浓度衰减关系问题 目前广泛应用的理论有三种 1 梯度输送理论 它是菲克用理论类比建立起来的理论 菲克认为分子扩散规律和傅里叶提出的热传导规律类似 这个理论的中心思想是在单位时间内物质经过单位面积输送的通量与浓度梯度成正比 2 湍流统计理论 泰勒首先用统计学的方法去研究湍流扩散问题 该理论的中心是阐述扩散粒子关于时间和空间的概率分布 以便求出扩散粒子的浓度的空间分布和随时间的变化 高斯在大量实测资料分析的基础上 应用湍流统计理论得到了正态分布假设下的扩散模式 即通常所说的高斯模式 它是目前应用最广的模式 3 相似理论 这是在量纲分析的基础上发展起来的理论 利用这些理论进行研究时 常采用数值分析法 现场研究法和实验室模拟研究法三种方法 理论和方法的应用截然不可分 应将它们很好地结合在一起 得出与实际大气污染扩散模式相符合的计算模式 一 点源扩散模式 实际处理的大气污染物排放源有点源 线源 面源和体源几种形式 其中点源是最简单也是最常见的一种污染源形式 1 坐标系 大量的观测事实表明 从点源排放的大气污染物在开阔平坦的地形条件下以烟流形式扩散 并处在湍流随机运动中 其浓度分布通常符合在平均烟流轴两侧是正态分布 即高斯分布的规律 高斯模型的坐标系如下图所示 注 原点O为排放点或高架源排放点在地面的投影 X轴的正方向为平均风