大气污染控制工程第一章.

环境工程——大气污染控制工程谢绍东E-mail:[e-mail].:62755852教材郝吉明马广大主编大气污染控制工程第二版高等教育出版社蒲恩奇主编大气污染治理工程高等教育出版社NoeldeNeversAirPollutionControlEngineering(secondedition)McGraw-Hill教学大纲第一章概论第二章燃烧与大气污染第三章颗粒物污染物控制技术基础第四章除尘装置第五章气态污染物控制技术基础第六章硫氧化物的污染控制第七章固定源氮氧化物污染控制第八章挥发性有机物污染控制第九章城市机动车污染控制第十章大气污染和全球气候第一章概论第一节大气及大气圈国际标准化组织（ISO）给大气和空气的定义：大气是指包围地球周围所有空气的总和(TheentiremassofairwhichsurroundtheEarth)；环境空气是指暴露在人群、植物、动物和解建筑物之外的室外空气(Outdoorairtowhichpeople,plants,animalsandstructuresareexposed)。•因此，1996年我国将原来的《大气环境质量标准》（GB3095-82）改为《环境空气质量标准》（GB3095-1996），其目的在于强调环境空气质量标准，主要规定的是与人类活动关系最密切的近地面空气中的污染物浓度限值。•目前国内外出版的大多数《大气污染控制工程》或《空气污染控制工程》类教材所涉及的内容和范围，基本上都是环境空气的污染和防治，可见“大气”和“空气”是作为同义词使用的，其组成成分在均质层也是一样的；它们的区别在于“大气”指的范围更大，“空气”的范围相对小些。一、大气的结构自然地理学把受地心引力而随地球旋转的大气称为大气圈，厚度大约有10000km。由于大气圈层与宇宙空间很难确切划分，在大气物理学和污染气象学研究中，常把大气圈层上界定为1200-1400km。1400km以外，气体已非常稀薄，就是宇宙空间了。大气圈中的空气分布是不均匀的。海平面上的空气密度最大，近地面的空气密度随高度上升而减小。在地球表面上空400-1400km的大气层，空气是逐渐变稀薄的。地球表面的大气温度不仅随纬度、季节变化，而且随高度变化。大气质量的90％集中在30km以下的范围内，高度100km以上大气的质量仅占大气圈质量的1%。世界气象组织（WMO）根据大气温度的垂直分布特点，并考虑大气垂直运动等情况，将大气分为5层。对流层平流层中间层暖层（热层，电离层）散逸层（逃逸层，外层）均质大气层（简称均质层）：地球表面向上到大约80-85km，主要成分氮和氧的组成比例几乎不变，按气温在垂直方向上的变化分为对流层、平流层和中间层。非均质层对流层•贴着地球表面，其厚度大约为10km－16km，主要成分为N2、O2、H2O、CO2和Ar等。•两个显著特点：一是气温随高度上升而递减，平均每升高100m气温降低0.65℃；二是密度大。大气总质量的75％和90％的水蒸汽集中在此层。该层既有大规模的空气运动，又有强烈的空气垂直运动（即对流运动）以及不规则的湍流运动，从而使不同地区和不同层次的空气得以交换。•在l－2km以下的大气受地表机械、热力学作用强烈，称为边界层或摩擦层，受地表性质影响很大。特别是50-100m以下的贴地层，主要受地表热力的影响，是人类活动的主要场所，进入大气中的污染物绝大部分在此层活动。•lkm－2km以上大气受地表影响小，称为自由大气层，主要天气过程，如雨、雪、雹的形成都在此层。平流层•对流层顶向上到50km左右的大气层，又称同温层，该层主要成分是03、N2、O2。•特点：一、对流层顶到30km左右的大气层气温变化很小，为-55℃左右，故称为同温层；同温层以上的平流层随高度升高而升高，至平流层顶达-3℃。二、空气没有对流运动，以平流运动为主，大气稳定，因此一旦污染物进人平流层，停留时间很长，从而造成较大的全球影响。在高约15-35km的范围内，有厚约20km的臭氧层，臭氧有吸收紫外线的能力，使人类等免受紫外线的辐射。中间层平流层顶到85km高度左右的区域称为中间层。主要特征是温度随高度的增加迅速降低，顶部温度可降到-83℃以下。大气稀薄，主要物质是O2、N2、NO+、02+等。热层从中间层顶向上导800km的区域称为热层，又称电离层，其主要成分是氧。在强烈的紫外线和宇宙射线的作用下，大气中的N2、O2分子电离成了O2+、O+及NO+等离子，该层温度随高度的增加而急剧上升，最高可达1700℃。逃逸层热层以上的大气层称为逃逸层。此处大气极为稀薄，大部分分子电离，气体及微粒受地心引力小，能飞离地球重力场进入太空。二、大气的组成大气干燥清洁的空气水汽悬浮微粒大气是由多种气体混合组成的，按其成分可以概括为三部分，亦即干燥清洁的空气、水汽和悬浮微粒。成分分子量体积比（%）体积比(ppm)氮（N2）28.0178.09氧（O2）32.0020.95氩（Ar）39.9440.93二氧化碳(CO2)44.010.03氖（Ne）20.1830.001818氦（He）4.0030.00055.3臭氧（O3）48.000.000060.01-0.04氢（H2）2.0160.000050.5氪（Kr）83.700微量1氙（Xe）131.300微量0.08甲烷（CH4）16.041.5一氧化二氮（N2O）44.010.5干洁空气的组成氮、氧和氩占干洁大气总体积的99.96%，其他不到0.04%，相对分子量28.966水蒸气在大气中的平均含量不到0.5%，随空间、时间和气象条件变化而变化。在热带雨林地区，其体积分数可达4%；沙漠干燥区或极地区可小于0.01%。一般低纬度地区高于高纬度地区，下层高于上层，夏季高于冬季。水蒸气是实际大气中唯一能在自然条件下发生相变的成分。通过水蒸气相变，使得地表和大气之间以及大气内部的水蒸气、热和能量得以输送和交换。水蒸气对太阳辐射的吸收能力较小，但对地面长波辐射的吸收能力较强。因此，它与二氧化碳一起，对地球起着表保温作用。悬浮颗粒物大气中含有沉降速率很小的固体和液体微粒，称之为悬浮颗粒物或悬浮微粒，它是地层大气的重要组成部分,粒径一般在10-4m-几十m，多集中于大气底层，不论含量还是化学成分都是不变的。组成：固体和水蒸气凝结成的水滴和冰晶；固体微粒可分为有机物和无机物两类。有机物微粒数量较少，主要有植物花粉、微生物和细菌等；无机物微粒数量较多，主要来源于岩石或土壤风化后的尘粒、流星燃烧后的灰烬、火山爆发似的尘埃等。浓度分布随时间、地点和气象条件而变化，通常是陆上多于海上，城市多于乡村，冬季多于夏季。对辐射的吸收与散射，云、雾和降水的形成，大气光电现象具有重要作用，对大气污染有重要影响。第二节大气污染大气中污染物或由它转化成的二次污染物的浓度达到了有害程度的现象，称为大气污染。大气污染的类型以污染源的化学性质及其存在的大气环境状况为依据，大气污染可分为还原型（煤烟型）污染、氧化型（机动车尾气）污染；根据燃料的性质和大气污染物的组成和反应，亦可把大气污染划分为煤烟型、石油型、混合型和特殊型。煤烟型大气污染代表性污染物是由煤炭燃烧时放出的烟气、粉尘、SO2等构成的一次污染物，以及由这些污染物发生化学反应而产生的硫酸、硫酸盐类气溶胶等二次污染物。造成这类污染的污染源主要是工业企业烟气排放物，其次是家庭炉灶等取暖设备的烟气排放。典型的事件是伦敦烟雾事件。光化学烟雾污染由汽车、工厂等污染源排入大气的碳氢化合物（HC）和氮氧化物（NOx）等一次污染物，在阳光的作用下发生光化学反应，生成臭氧(O3)、醛、酮、酸、过氧乙酰硝酸酯（PAN）等二次污染物，参与光化学反应过程的一次污染物和二次污染物的混合物所形成的烟雾污染现象叫做光化学烟雾。20世纪40年代，在美国加利福尼亚州洛杉矶首先发现了光化学烟雾。一、大气污染的回顾第一阶段：18世纪末到20世纪中期，出现所谓的“煤烟型”污染。主要污染物：烟尘、SO2。第二阶段：20世纪50年代至60年代，出现所谓的“石油型”污染。主要污染物：飘尘、重金属、SO2、NOx、CO和CH等。第三阶段：20世纪70年代后期，区域性污染或全球性污染。二、中国的大气污染大气污染成因复杂（复合型污染）燃煤、机动车尾气（SO2、NOx复合型）•SO2和酸雨•NOX和光化学烟雾•烟尘和气溶胶酸雨国际上将酸性强于正常雨水的降水，亦即pH值小于5.6的降水称为酸雨，包括雨、雪和雾。其酸度可能高出正常雨水的100倍。我国是继欧洲、北美之后的世界第三大区域，且降水酸度不断升高。主要分布于长江以南、青藏高原以东地区及四川盆地。华中地区酸雨污染最重,其次是西南地区、华东沿海地区和华南地区，北方城市降水年均pH值低于5.6的有青岛、图们、太原和石家庄。主要分布在长江以南,面积占国土1/3以上;84个城市（有监测的）中pH小于5.6占43个;酸雨频率高于60%的有24个酸雨形成机制酸沉降的影响•对土壤的影响•地表水酸化•对农作物的影响•对森林的影响•对建筑物和文物古迹的影响城市空气污染综合指数北京市SO2和工业粉尘排放总量0510152025303540污染物排放量（万吨）19911992199319941995年份SO2粉尘1984-2000年北京城近郊区大气SO2年日均浓度的年际变化050100150200250300198419861988199019921994199619982000年份SO2浓度值（ug/m3）1900200021002200230024002500260027002800燃煤量（万吨）采暖期年均值非采暖采暖期年均值非采暖燃煤量1981-2000年北京城近郊区大气NOx年均及采暖和非采暖期浓度的年际变化0501001502001981198319851987198919911993199519971999年份NOx浓度值（ug/m3）020406080100120140160机动车保有量（万辆）采暖期年均值非采暖采暖期年均值非采暖机动车保有量1984-2000年北京城近郊区大气CO年日均浓度的年际变化012345678198419861988199019921994199619982000年份CO浓度值（mg/m3）020406080100120140160机动车保有量（万辆）三环内交通环境年均值采暖期年均值非采暖三环内交通环境年均值采暖期年均值非采暖机动车保有量北京市1981-2000年城近郊区总悬浮颗粒物的年际变化趋势0100200300400500600198119821983198419851986198719881989199019911992199219931994199519961997199819992000年份TSP（ug/m3）年均值采暖期非采暖期三、当代世界面临的主要大气环境问题•温室效应•酸雨•臭氧层破坏（1）全球气候变化温室气体与温室效应大气中某些痕量气体含量增加，引起地球平均气温上升的现象称为温室效应。这类痕量气体称之为温室气体，现在发现的主要温室气体有二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、对流层臭氧（O3）、氧化亚氮（N2O）和氯氟烃（CFCs）等。原因大气中CO2浓度在不断增加乱砍乱伐森林使可吸收CO2的森林大面积减少；人类燃烧各种燃料直接排入大气中的CO2量逐年增加；CH4是大气中浓度最高的有机化合物，年增加率是0.8%-1.0%化石燃料、生物质燃烧、稻田、动物反刍和垃圾填埋N2O是地层大气含量最高的含氮化合物农业生产、工业过程以及燃烧过程，以氮计每年向大气中排放约300-800万吨氟里昂臭氧大气中的颗粒物温室效应产生的影响一是全球气温升高自19世纪后期至今的100多年中，全球近地面气温平均升高了0.3-0.6℃。二是海平面上升东京、纽约、伦敦、曼谷、悉尼等都将面临被海水淹没的危险三是气候异常高温次数增多，雨量分布不匀1995年世界CO2排放量排行榜国名二氧化碳排放量（106吨）人口