第4章1大气污染

第四章1大气污染要掌握的内容：污染的种类、来源及其危害大气污染物扩散原理及其模式大气污染控制（排放标准、综合控制措施）第一节概述1.大气组成大气是人类及一切生物赖以生存必不可少的物质和基本环境要素之一。（食、水、空气：人缺乏食物约可生存5周；断绝饮水约可生存5天；而离开空气，则5min就会死亡。）通常认为海平面附近的干燥空气是洁净空气，其组成基本不变。1000公里的高空以内称为大气层或大气圈，其密度随着高度的减小而增加，大气质量约99.9％都集中在55km以下的空间。一、大气污染大气组成：①干燥洁净的混合气体（空气）：78.09％N2,20.94％O2,0.934％Ar和0.032％CO2。共占大气总容积的99.996％。(CO2和O3含量甚微，但对大气温度和生物生存起着重要作用。CO2吸收地表的长波辐射，阻止地球散热。0.2510-5％O3吸收太阳紫外辐射99%，集中在20～25km的高度处。）②悬浮微粒：固体微粒（悬浮灰、尘、花粉、细菌、冰晶）、颗粒状液体（水滴、云雾、）。影响大气的能见度，削弱太阳的辐射强度。③水蒸气：含量不大，构成天气现象（云、雾、雨、霜、露）。2.大气污染国际标准化组织(ISO)定义：“空气污染，通常是指由于人类活动和自然过程引起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，并因此而危害了人体的舒适、健康和福利或危害了环境。”其明确了：(1)形成大气污染的原因：自然因素、人为因素；(2)造成大气污染的必要条件：即污染物在大气中要含有足够的浓度，并且停留足够的时间，超过了允许限度，使得大气质量恶化，从而危害了人体的舒适、健康和福利或危害了环境。）3.影响大气污染形成的主要因素污染物浓度愈高，停留时间愈长，污染愈严重。地理、地形特征：影响大气的扩散能力。不同的特征，在不同气候条件下，会形成各种大气环流—风。风可能加速、也可能不利于污染物的扩散。气象条件：不同的气象条件具有不同的稀释扩散能力。包括：风速和风向、大气气温垂直分布和稳定度、降水过程。排放源高度：高烟囱把污染物排向远离污染源的高空，在更广阔的区域中扩散稀释，降低污染物在近地面的浓度。但是污染物的总量没有减少。二、大气污染源定义：造成大气污染的污染物发生源。按排放方式：点源、线源、面源；按排放形式：固定源、流动源；按排放时间：连续源、间断源、瞬时源；按排放位置：地面源、高架源。通常人工污染源分为：①生活污染源。生活中炉灶、热水器、采暖锅炉。②工业污染源。燃料燃烧、工业生产排放的物质。③农业污染源。农药和化肥分解产生有害气体、粉尘飞扬。④交通污染源。交通工具燃烧排放的有害废气。（其中，燃料燃烧排放的大气污染物占70～80％）三、大气污染的分类1.大气污染的类型按大气污染的影响范围：①局部性大气污染：某个污染源的小范围（如某一火电厂）；(Local)②地区性污染：工业区及附近、整个城市；(Regional)③广域性污染：超过行政区域的广大地域；(Widerange)④全球性大气污染：超越国界、全球。（World－wide）按污染物的种类：①煤烟型。煤炭燃烧，SOx、烟尘等，以及形成的二次污染物。②石油型。石油生产、石油制品使用，NOx、COx、HC等，以及形成的光化学烟雾。③混合型。有煤烟型和石油型的综合特征，以煤碳、石油为燃料综合的污染源，以及从工厂企业排出各种化学物质的污染源。④特殊型。某些特殊的气态污染物，如放射性废气、含氯气体、含氟气体。煤炭和石油燃烧排放的废气，在一定的气象条件下形成二次污染的特征：①氧化型大气污染(汽车尾气型)。石油类燃料燃烧，汽车排气中CO2、NOx。强烈阳光作用，污染物发生光化学反应后生成臭氧、过氧乙酰基硝酸酯类等氧化性二次污染物。气象条件：较强烈的阳光，气温高于23℃，湿度低于75％，风速小于3m/s，通常发生在夏、秋季节的白天，以中午污染最严重。（洛杉矶型、石油型）。②还原型大气污染(煤炭型)。煤炭燃烧，产生烟尘、SO2和CO，多发生于煤炭和石油混合使用的地区。气象条件：多云，气温低于8℃，湿度高于85％，基本无风、伴有逆温。一次污染物低空聚积，生成还原性硫酸烟雾。通常发生在冬季，以早晨污染最严重。（伦敦型、煤炭型）。2.我国的大气概况和特点能源消费以煤炭为主，主要是SO2和烟尘的污染，大气污染的特征属于煤烟型。污染水平：北方城市＞南方城市，冬季＞夏季，早晚＞中午。南方城市是酸雨和高硫煤地区的污染，北方城市是冬季采暖期的污染。1997年，污染物排放达到最高值。其中SO2排放过了美国，成为世界SO2排放第一大国。1997年后，烟尘、SO2排放总量呈下降，但数量仍巨大；石油消费和机动车辆急剧增加，氮氧化物污染呈上升。第二节大气污染物已认定的大气污染物约有100种，主要为气溶胶态和气态污染物。气溶胶态污染物气态污染物一、气溶胶态污染物沉降速度可以忽略的固体、液体颗粒在气体介质中的悬浮体。分为以下三种形式:1.粉尘(dust):较小悬浮固体颗粒，＜200μm。煤粉、水泥、金属粉尘、粘土粉尘、石棉等。一般，粉尘＜75μm，粗尘＞75μm。2.烟尘:燃烧、冶金中的细微颗粒：①烟炱(fume)，冶金过程中的固体粒子。熔融物质挥发产生的气态冷凝物，＜1μm。如氧化铝（锌、铅）等；②飞灰(flyash)，燃料燃烧中的细小灰粒，＜10μm；③黑烟(smoke)，燃烧产生的可见气溶胶,燃料高温缺氧，烃类热分解生成的碳黑颗粒，0.01～1μm。3.雾(fog):微小液体颗粒。水雾、油雾、酸雾、碱雾，＜100μm。气象学中是指造成能见度＜lkm的小水滴悬浮体。气溶胶态污染物通常＜500μm。＞100μm的颗粒易于沉降，造成的危害较小。＜100μm的所有固体颗粒物：总悬浮微粒(TSP)①飘尘:＜l0μm，粒度小，质量轻，不易沉降；②降尘:＞l0μm，能靠重力在较短时间内沉降；雾霾天气霾也叫雾霾（烟霞），指空气中的灰尘、硫酸、硝酸、有机碳氢化合物等粒子使大气混浊，视野模糊并导致能见度恶化，如果水平能见度小于10000米时，将这种非水成物组成的气溶胶系统造成的视程障碍称为霾(Haze)或灰霾（Dust-haze），香港天文台称烟霞(Haze)。霾与雾的区别在于发生霾时相对湿度不大，而雾中的相对湿度是饱和的(如有大量凝结核存在时，相对湿度不一定达到100%就可能出现饱和)。一般相对湿度小于80%时的大气混浊视野模糊导致的能见度恶化是霾造成的，相对湿度大于90%时的大气混浊视野模糊导致的能见度恶化是雾造成的，相对湿度介于80-90%之间时的大气混浊视野模糊导致的能见度恶化是霾和雾的混合物共同造成的，但其主要成分是霾。霾的厚度比较厚，可达1－3公里左右。霾与雾、云不一样，与晴空区之间没有明显的边界，霾粒子的分布比较均匀，而且灰霾粒子的尺度比较小，从0.001微米到10微米，平均直径大约在1－2微米左右，肉眼看不到空中飘浮的颗粒物。由于灰尘、硫酸、硝酸等粒子组成的霾，其散射波长较长的光比较多，因而霾看起来呈黄色或橙灰色。一次污染物(从污染源直接排放出的)：SOx、NOx、COx、HC化合物，O3、氟化物等。二次污染物：光化学烟雾、硫酸烟雾等。1.含硫化合物:SO2、SO3和H2S等。SO2：最主要的气态污染物。化石燃料燃烧、有色金属冶炼、火力发电、石油炼制、造纸、硫酸生产及硅酸盐制品熔烧等过程都向大气排放SO2，燃烧SO2约占70％以上。H2S：有机腐败物，造纸、炼油、炼焦、石化、农药等生产中的排放。在大气中很快被氧化成SO3或SO2。2.含氮化合物：NO、NO2、N2O、N2O3、NH3、HCN等，主要是NO和NO2。大约83％的NOX来自燃料燃烧。此外，硝酸、氮肥、石化、炸药生产。3.碳氧化合物：CO、CO2。人工：燃烧。CO排放量为大气污染物之首，但CO的浓度并未持续增加，表明自然界存在抑制CO增长的机制，如土壤微生物的代谢和OH自由基的氧化能将CO转化为CO2。但CO排放集中时，浓度可能达到危害环境水平。二、气态污染物4.碳氢化物：可挥发的各种有机烃类化合物，如烷、烯和芳烃等。大部分来自于植物的分解，人工是石油类物质不完全燃烧和蒸发，汽车尾气排放占有主要的比重。HC是一种强致癌剂，与NOX的共同作用会形成光化学烟雾。5.卤素化合物：含氯、含氟化合物。钢铁、石化、农药、化肥工业的生产过程中都有。排放量不多，对植物生长有很大伤害；破坏臭氧层的主要成分。6.硫酸烟雾：SO2等含硫化合物，在有水雾、颗粒气溶胶、NOx、以及一定气象条件下，发生化学或光化学反应而形成。相对湿度较高，气温较低，并伴有煤烟尘、含有重金属的飘尘等存在时发生的。7.光化学烟雾：阳光紫外线照射，NOx、HC和氧化剂之间发生一系列光化学反应而生成的淡蓝色(有时呈紫色或黄褐色)二次污染物。主要成分是臭氧、过氧乙酰基硝酸酯(PAN)、醛类及酮类等。第三节燃料燃烧燃烧产生的污染物约占全部大气污染物数量的70％。一、燃料性质1.固体燃料：coal－C、H、O、N、S。所含污染物如下：灰：4％～5％－60％～70％，我国25％S：无机硫：黄铁矿硫（FeS2）；有机硫：有机质的复杂化合物；硫酸盐硫：石膏（CaSO4•2H2O）。（无机硫和有机硫参于燃烧；而硫酸盐硫属于灰分。高硫煤＞2％。）N：化合物：挥发分N、焦炭N。2．液体燃料。汽油、煤油、柴油、重油（含S）－C、H高，灰少。3．气体燃料。天然气CH4－气田气、油田伴生气、煤田伴生气。人造气－液化石油气、焦炉煤气、发生炉煤气、高炉煤气。二、燃烧过程燃烧分为固相燃烧、气相燃烧。必要条件：适当空气量，即氧气。（不足，燃烧不完全；过大，降低燃烧温度。）空气过剩系数：实际空气量/理论空气量，用于固定装置。空燃比A/F:空气量/燃料量（质量），用于移动装置。（汽油理论A/F＝15，甲烷理论A/F＝17.2）。良好的燃烧工况还必须满足以下三个基本条件（3T）：①足够的温度。着火温度，燃烧维持较高温度。②充足的时间。才能保证燃料的充分燃烬。③充分的混合。混合不良将产生不完全燃烧产物，相当缺氧燃烧。用湍流度衡量。三、燃烧产物N2、CO2、水蒸气和飞灰，以及O2、SOX、NOX、CO、H2、CH4、HC、碳黑。污染物：SOX、NOX、COx、HC、碳黑、飞灰。SOX：SO2，少量的SO3。NOX：燃料N，空气N生成。主要NO，少量NO2。飞灰：剩余的细微固体颗粒物。CO、H2、CH4、HC、碳黑：不完全燃烧产物。与燃料性质、燃烧方式、燃烧条件有关。第四节大气主要污染物的生成机理及危害一、烟尘：1.烟尘的生成机理（1）气态析出型。固体燃料的挥发分气体、液体燃料蒸发气和气体燃料，高温缺氧（还原性气氛）热分解生成碳黑或积炭。0.01～0.2μm。气相脱氢聚合反应：甲烷CH4→2H2+C乙烷C2H6→3H2+2CC2H6→H2+C2H4（乙烯）乙烯C2H4→H2+C2H2C2H2→H2+2C(2)液态剩余型。液体燃料不完全燃烧：①煤胞、油灰：油滴蒸发产生油蒸气燃烧时，一边膨胀发泡，一边聚缩固化，生成10～300μm、表面光滑致密、内部絮状、难以燃烧的空心焦粒；②石油焦：油雾滴与炽热固体壁面接触时高温裂解，形成颗粒较大的物质，结焦。(3)固态剩余型。固体燃料燃烧时形成，包括未燃尽固定碳和灰分（飞灰），3～100μm。2.影响烟尘生成的因素（1）燃料性质：灰分↑，含水量↓，飞灰浓度↑；气态燃烧的燃料数量越多，碳含量↑，碳黑↑。气、液燃料碳黑多，固体燃料以飞灰为主。（2）燃烧条件：不完全燃烧产生烟尘。（3）燃料粒径：液体燃料粒径越大，其燃尽时间也越长，尘浓度↑↑。固体燃料的燃烧速率取决于氧气向表面的扩散速度，以及在固体表面上进行的化学反应速度。3.烟尘的危害＞10μm能沉降；＜10μm飘尘长期悬浮，易进入呼吸系统，直接进入肺部。烟尘的化学组成很复杂，含有毒物、致癌物，引起肺癌或皮肤癌。二、硫氧化合物主要是SO2，SO3很少。缺氧时，还有H2S和元素S。生成SO2的总放热反应S+O2→SO2（3－1）火焰中的淡蓝色是O原子和SO反应