大气中污染物的迁移

作者:admin 来源:未知 点击数: 发布时间:2020年09月07日

  §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。 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10~12km。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: =- dT dz 式中: T -绝对温度,z -高度 在对流层中,平均而言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15~35km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、 48%NOx、42%CH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 (1) 颗粒物 particulate matter 微粒大小particle size 一般用粒径(直径)表示。 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的为飘尘; 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0.5~5m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1500万吨/年。按年 产110000万吨、S含量1%计,其排放量为: 110000(万吨/年)×1%×SO2 / 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 温度超过1200℃时,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。 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HNO3 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2~4吨、NOx 0.5~1.5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 inversion),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100~150m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: T2 T1 ( P2 P1 ) ARd C pd T1 ( P2 P1 ) 0.286 ARd 0.28( 6 泊松常数) C pd A—功热当量; Rd—干过程的状态常数; Cpd —干空气的定压比热; 时的温T1度、和T2压和力P1。、P2分别为绝热过程起始和终结 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。 d Ag Cpd 2.39 108 980 .665 0.2399 0.977 104 (oC / cm) 即 d=0.98×10-2 ℃/m=1℃/100m 利用此d 对于上升的干空气可得到如下公式: T2 = T1 - d ( z-z0 ) T2-干空气到达高z 时的温度; T1 -起始高度z0 处的温度; (z-z0 ) 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,表明大气是稳定的。 当 d 时,大气是不稳定的。 当 = d 时,大气处于平衡状态。 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。 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: c( x、y、z、H )= 2 Q u y z exp( y2 2 2 y ){exp[ (z H)2 2 2 z ] exp[ (z H)2 2 2 z ]} 式中: c--污染物浓度,g / m3 ; Q--源强, g / s ; u --烟囱高度的平均风速,m / 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 (1) 高架连续点源地面浓度: 即: z = 0时: c(x、y、0、H )= Q u y z exp( y2 2 2 y ){exp( H2 2 2 z )} (2) 高架连续点源地面轴线、H )= Q u y z {exp( H2 2 2 z )} (3) 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: dQ H2 d z [ ua 2 z {exp( 2 2 z )}] 0 可得: cm ax 2Q auH 2 z y (4) 地面连续点源扩散模式: 当H = 0 时: c(x、y、z、0)= Q u y z exp( y2 2 2 y ){exp( z2 2 2 z )} (5) 地面连续点源轴线的浓度: 当 y = 0、 z = 0、 H = 0 时: c(x、0、0、0)= Q u y z 2. 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,例如Holland 公式: H vsd (1.5 2.68105 p Ts Ta d ) 1 u u (1.5vs d 9.79 106 Qh ) Ts 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; u --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%; 3. P-G扩散曲线)将大气扩散稀释能力分为A、B、C、 D、E、F六个等级。 图2-31的P-G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2-23确定稳定级别,然后在P-G 曲线图上查了不同距离上的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 100×103 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2-23得当时大气稳定度为E 级, 由 图2-31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: H= vsd (1.5 2.68105 p Ts Ta d ) u Ts = 3 4 4 1.5 2.68 105 100 103 589-283 589 4 =21(m) 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 = 21×85% = 18 (m) 距烟囱下风向600m处SO2 浓度(即高架连续点源地面轴 线、H )= Q u y z {exp( H2 2 2 z )} = 3.14 270 2.1 34 14 exp 20 182 2 142 =0.0022(g / m3 ) 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1000-1500m。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 T T ( )g dt T dv/dt ---- 气块加速度; G----重力加速度; T’ ----受热气块温度; T----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T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。 海陆风 热 气 流 上 升 海洋 冷 气 流 下 降 陆地 海风 冷 气 流 下 降 海洋 热 气 流 上 升 陆地 陆风 海陆风 陆风 热 气 流 上 升 海洋 冷 气 流 下 降 陆地 海风 海陆风 山谷风 山谷风:谷风 山谷风:山风 山谷风: 山谷风是山风和谷风的总称。它发生在山区,是以 24小时为周期的局地环流。主要是由于山坡和谷地受热 个均而产生的。在白天,太阳先照射到山坡上,使山坡 上大气比谷地上同高度的大气温度高,形成了由谷地吹 向山坡的风,称为谷风。在高空形成了由山坡吹向山谷 的反谷风。它们同山坡上升气流和谷地下降气流一起形 成了山谷风局地环流。在夜间,山坡和山顶比谷地冷却 得快.使山坡和山顶的冷空气顺山坡滑到谷底,形成厂 山风。在高空则形成了由山谷向山顶吹的反山风。它们 同山坡下降气流和谷地上升气流一起构成了山谷风局地 环流。 城郊风: 城市热岛环流是由城乡温度差引起的局地风。产生 城乡温度差异的主要原因是: (1)城市人口密集、工业集中,使得能耗水平高; (2)城市的覆盖物(如建筑、水泥路面等)热容量大、白天 吸收太阳辐射热,夜间放热缓慢,使低层空气冷却变缓; (3) 城市上空笼罩着一层烟雾和CO2, 使地面有效辐射减 弱。 据统计.城乡年平均温差一般为0.4~1.5℃,有时可 达6—8℃。其差值与城市的大小、性质、当地气候条件 及纬度有关。 由于城市温度经常比乡村高(特别是夜间),气压 比乡村低,所以可形成一种从周围农村吹向城市的 特殊的局地风。称为城市热岛环流或城市风。这种 风在市区汇合就会产生上升气流。因此,若城市周 围有较多产生污染物的工厂,就会使污染物在夜间 向市中心输送,造成严虽污染,特别是夜间城市上 空有逆温存在时。 城郊风 冷空气 郊区 热 岛 效 应 城市 城郊风 冷空气 郊区 作业 思考题p. 145: 1、2、3 补充题; 燃料的燃烧过程生成的NOx如何分类,其各 自的生成量与温度和燃料含氮量有何关系?用 方程式表示其反应机理或给予解释。

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