第一章概論講授2學時講授內容：大氣圈的構成及大氣組成大氣圈（各層特點）大氣組成（恒定組分、可變組分、不定組分）大氣污染的形成大氣污染的含義大氣污染源的分類一次污染物和二次污染物重要的大氣污染物（CO、NOx、SOx、HC、dust、Mist等）大氣的危害大氣污染與氣象的關系大氣污染氣象學的研究狀況影響大氣污染的氣象因子（動力因子、熱力因子）大氣污染的狀況大氣污染防治途徑重點內容：一、二、四，其它為了解。習題：１．某一著名大氣污染事件中，主要污染物有煙塵、CO、CO2、SO2、SO3、光化學煙霧。試指出哪些是一次污染物？哪些是二次污染物？２．簡述生態學原理在大氣污染防治中的應用。３．試述大氣污染與氣象的關系？大氣質量空氣的重要意義：人是完全靠空氣生存的，成年人平均每天約需１Kg糧食和2Kg水，但對空氣的需求就大得多，每天約13.6Kg（合10m3）。若三者都斷絕供應，引起死亡的首先是空氣，要是空氣中混進有毒害的物質，則毒物隨空氣不斷地被吸入肺部，通過血液遍布全身，對人體健康直接產生危害。大氣污染對人的影響不同于土壤和水的污染，它不僅時間長且范圍廣（較多是地域性的，也有全球性的）。地球上發生的八大“公害事件”，其中五起是因大氣污染造成的。當然，空氣污染的原因不只是人類的活動，還有像森林、火災和火山爆發一類的天然事件。不過后者通常在空氣污染中起次要作用。本章僅討論有關認為污染方面的問題，并簡略介紹一些控制污染的技術措施。§1-1大氣圈的構成及大氣組成1.大氣圈隨地球引力而轉的大氣層叫大氣圈。大氣圈的最外層的界限是很難確切劃分的，但大氣也不能認為是無限的。在地球場內受引力而旋轉的氣層高度可達10?000Km。有的學者就以10?000Km作為大氣圈的最外層。一般情況下認為，從地球表面到1?000~1?400Km的氣層作為大氣圈的厚度，超出1?400Km以外氣體非常稀薄，就是宇宙空間了。大氣圈中的空氣分布是不均勻的，海平面上的空氣最稠密。在近地層的大氣層里，氣體的密度隨高度的上升而迅速的變稀。但是在400~1?400Km大氣層里空氣是漸漸變稀薄的。大氣圈的總質量約為6000萬億噸，約為地球質量的百萬分之一。大氣的構造：根據大氣圈中大氣組成狀況及大氣在垂直高度上的溫度變化，劃分大氣圈層的結構如下圖：從地球表面向上，大約到90Km高度，大氣的主要成分氧和氮的組成比例幾乎無什么變化，具有這樣特性的大氣層叫均質大氣層（簡稱均質層）。在均質層以上和外圍空間的大氣層，其氣體的組成隨高度升高有很大變化，這個圈層叫非均質層。在均質層中，根據氣體的溫度沿地球表面垂直方向的變化分為：對流層、平流層、中間層、電離層、散逸層。特點：對流層：１）相對于整個大氣圈厚度而言很薄，按最厚處計，占總厚度的６－9%,占總質量的75%。在這一層中除了有純凈的干空氣以外，還含有一定量的水蒸氣，適度的溫度對人和動植物的生存起到重要的作用。２）一般情況下，溫度自地表面向高空遞減，0.65℃/上升100米在對流層中，由于太陽的輻射以及下墊面特性和大氣環流的影響，使得在該層中出現極其復雜的自然現象，有時形成易于擴散的氣象特征，有時形成對生態系統產生有危害的逆溫氣象條件，雨、雪、霜、霧、雷電等自然現象也都出現在這一層。３）大氣有較強的對流運動，大氣污染也主要發生在這一層，特別是在靠近地面1-2Km的近地層更易造成污染。近地層的大氣污染物的擴散能力主要取決于當時的氣象條件。４）溫度、濕度等各要素水平分布不均勻。平流層：１）在這一層里氣體的溫度差隨高度上升有緩慢的增加，30-35Km，T=-55℃。然后上升（氣溫）較快，這是因為在該層中的臭氧強烈吸收太陽紫外線所致。２）幾乎不存在水蒸汽和塵埃，一般處于平流運動。３）大氣很干燥，沒有云、雨等現象，是飛機理想的飛行區域。中間層：氣溫隨高度增加迅速降低，有強烈的垂直對流運動。電離層：氣溫隨高度增加迅速上升，空氣處于高度電離狀態，發電報是靠這層反射回來。散逸層：氣體溫度很低，氣體粒子能克服地球引力而逸向星際空間。星際空間內每m3空間有數十個離子存在。研究重點：對流層，平流層大氣組成大氣（空氣）從自然科學角度來看，空氣和大氣常常作為同義詞，二者沒有實質性的差別。但在研究近地層的空氣污染規律及對空氣質量進行評價時，為便于說明問題，有時兩個名詞分別使用。一般對于居住在室內或特指某個地方（如車間、廠區等）供動植物生存的氣體習慣上稱為空氣。在大氣物理、大氣氣象、自然地理以及環境科學研究中，常常是以大區域或全球性的氣流作為研究對象，因此，就常用大氣一詞。大氣的組成：大氣是一個多種氣體的混合物，有混合氣體、水氣和懸浮微粒組成，可分為：恒定組分：O2(20.95%)、N2(78.09%)、氬（0.93%）、惰性氣體。上述組分的比例在地球表面上任何地方幾乎是可以看作不變的。可變組分：CO2、水蒸汽、O3這些組分在大氣中的含量是隨季節、氣象的變化以及人們的生產、生活活動的影響而發生變化。不定組分：第一環境問題引起的：由自然界的火山爆發、森林火災、海嘯、地震等暫時性災難所引起的。污染物有塵埃、S、來源H2S、SOx、NOx等。第二環境問題引起的表6-1，P271干潔空氣的組成，正常空氣組成見書P149。由于人類社會的生產工業化和經濟建設速度增長，人口劇增等使得大氣中增加或增多了某些不定組分。大氣中含有的不定組分的種類和多少由地區的條件而定的。冶金工廠、電廠所在的地區，大氣中含有煤煙、塵、SOx、NOx等組分就多。而在化工區，則有機或無機的化學物質等不定組分就多。當這些不定組分排放于大氣中時就會使大氣污染，不定組分達到一定濃度時，將會對動植物造成嚴重的危害，這是環保工作者研究的主要對象。人們所關心的問題：O2會減少嗎？不會。大氣中O2的含量（A、N維諾格拉多夫，1973年蘇聯）年份1970196719511942193519191912O2%20．94620．9220．94620．95220．952．CO2濃度會增加70年代到80年代，CO2平均每天增加2%；不少學者認為70年代到2000年代CO2要增加以上，CO2濃度的增加引起的后果說法不一。§1-1大氣污染1.大氣污染的含義：P272國家標準組織定義（ISO）定義指自然界中局部的職能變化和人類的生產和生活活動改變大氣圈中某些原有成分和向大氣中排放有毒害物質，以致使大氣質量惡化，影響原來有利的生態平衡體系，嚴重威脅著人體健康和正常工農業生產，以及對建筑物和設備財產等的損壞（另一種說法見書上P149）。2.大氣污染源的分類：由四種分類法按污染源存在形式：固定污染源、移動污染源；2)按污染源排放方式：高架源、面源、線源；3)按污染源排放時間：連續源、間斷源、瞬時源；按污染源產生類型：工業污染源、家庭爐灶、汽車排氣。進行大氣質量評價適宜用第一種分法，研究擴散適宜用第二種分法，分析污染物排放時間規律適宜用第三種分法，解決污染物，控制污染物適宜用第四種分法。3.一次污染物和二次污染物一次污染物：指直接從各類污染源排出的物質。可分為：非反應物質，其性質較穩定；反應性物質，性質不穩定，在大氣中常與某些其它物質產生化學反應或作為催化劑促進其它污染物產生化學反應。二次污染物：反應性的二次污染物與大氣中的其它組分反應形成的物質。如二次污染物硫酸煙霧（又稱硫酸氣溶膠）形成過程。往往二次污染物比一次污染物的危害大得多。4.重要的大氣污染物CO、NOx、HC化合物、SOx、微粒、光化學煙霧見書P150-159。在此不做詳細介紹了。主要污染物：粉塵（鋼鐵廠、冶煉廠、水泥廠、建筑材料廠等）；硫化物（民用爐、熱點站、金屬冶煉、硫酸廠）；氮化物（硝酸廠、氮肥廠、炸藥廠）；氧化物（CO、CO2）；鹵化物（氟化物、氯化物、制堿廠）；有機物質的污染。1）CO占總污染量的30%主要來源：汽車排氣占50%危害：與血紅蛋白結合危害人體，排量多會使空氣中O2量降低。2）NOx、NO、NO2本身含氮變成游離氮原子和氧作用（燃NO）來源：①石化燃料的燃燒高溫下，大氣中的氮和氧結合（熱解NO）NOx生成量與燃燒溫度有關②各種工業過程（硝酸廠、氮肥廠、炸藥廠等）危害：①光化學煙霧的主要成分；②對動植物體有強的腐蝕性。3）碳氫化合物（HC）來源：燃料燃燒不完全排放HC化合物，汽車尾氣中有10%HC化合物。美國70年統計，在總HC尾氣中，汽車排氣占48%。危害：光化學煙霧的主要成分。4）硫氧化物來源：①燃料燃燒；②有色金屬冶煉；③民用燃燒爐灶。SO2濃度：3.5%以上高濃度煙氣3.5%以下低濃度煙氣危害：①產生酸雨；②腐蝕生物的機體；③產生化學煙霧。硫酸煙霧的代表事件：倫敦煙霧事件5）微塵分類：氣溶膠中0.1—1μm煙0.1—1μm降塵（>10μm）塵10—100μm飄塵（<10μm）霧1—10μm危害：①引起呼吸道疾病；②致癌作用；③造成煙霧事件（硫酸等，SO2之所以在大氣中造成危害是由于大氣中微塵帶有一些Mn2+、Fe2+等催化劑使6）其他有害物質（石棉、鈹、汞）7）光化學煙霧光化學煙霧早在1946年最早在洛杉磯發現，故又叫“洛杉磯煙霧”。這種煙霧經常發生在夏季和早秋季節，每次事件給人造成很大的災難。光化學煙霧的機理在本世紀五十年代以前還不很清楚，1956年首先由加利福尼亞工科大學哈根.斯特博士提出了光化學煙霧的理論，他認為洛杉磯型的煙霧事件主要由于汽車排出來的尾氣中的NOx、HC在強烈的太陽光作用下發生化學反應造成的。引起光化學煙霧的NO2氣體可吸收300—700nm(納米)波長的光。其中430nm波長以下的紫外線光照射時，可使NO2分解生成的原子氧很快又與空氣中的O2形成O3:按上式可計算出O3濃度，實際上遠比按上推導而得的結論高。主要是：大氣中存在由各種HC化合物，最容易與O原子、O2、O3、NO進行反應生成一系列中間產物和最終產物。如形成光化學煙霧的HC物為醛類時，其主要反應如下：大氣中的一次污染物如汽車、工廠等排放的燃燒生成物和未燃燒物質經過太陽光的照射，各種污染物之間發生反應形成二次污染物——煙霧，被稱為光化學煙霧。反應機理見書。光化學煙霧的主要成分：O3、過氧酰硝酸酯、酮類、醛類各種活性很強的許多自由烴、氮類氧化物。造成光化學煙霧的起始物：NO2形成條件：陽光照射（光波2900—4200?）空氣中存在HC化合物（上午9點—下午2點）晴天，溫度不太高。§1~3大氣污染的危害我國由于大氣污染直接造成的損失是68億/年。汽車的污染也較嚴重，目前世界上有2萬億輛汽車，排放Pb4億萬噸。大氣污染物侵入人體途徑：①表面接觸；②食入含有大氣污染物的食物；③吸入被污染的空氣。危害：①人體健康危害胃癌：城市高于郊區（重慶市區高于郊區8倍）。SO2濃度（ppm）時間危害0.2~0.8持續3天大氣污染事件0.3~1.0一般人能感覺到0.4615平均45歲以上的人死亡增加0.55平均1953年倫敦事件6~12瞬時刺激鼻喉②對植物的危害：葉萎縮、枯爛、吸入到果實中。③局部氣候的影響④對金屬制品、油漆、涂料、建筑、古物等的危害（重慶長江大橋的橋梁）⑤對臭氧層的破壞原因：超音速飛機排放污染物破壞O3層；氟氯昂——冷凍的添加劑。有人估算，目前的臭氧層減少31%，臭氧減少10%，皮膚癌增加。§1~4大氣污染與氣象的關系大氣污染可看作是污染源所排放出的污染物和對污染物起著擴散稀釋作用的大氣，以及承受污染的物體三者相互關聯所產生的一種效應。一個地區的大氣污染情況是與該地區的污染源所排放出的污染物總量有關的。這個總量是不因氣象條件的影響而發生變化的。但是，排放出的污染物的濃度在時空分布上卻是受到氣象條件的控制。由于氣象條件的不同，污染物作用于承受者的污染程度也就不一樣。近幾十年來，世界上發生了多次大氣污染事件，每次污染事件都是在一定地形和一定氣象條件下發生的。我們為了更好地研究大氣污染問題，首先要對與氣象學有關的一些基本概況作一簡單介紹。氣象學的研究現狀影響大氣污染的氣象因子在一個區域或一個城市里既使從污染源排向大氣的污染物的量沒有很大變化但對周圍環境造成的污染效應卻會有很大的不同，有時會對人和動植物造成嚴重危害，有時卻是很輕，這主要是由于在不同的氣象條件下大氣具有不同的擴散稀釋能力所造成的。影響大氣擴散能力的主要因素有兩個：一為氣象的動力因子，一為氣象的熱力因子。氣象的動力因子：主要是指風和湍流，風和湍流對污染物在大氣中的擴散和稀釋起著決定性的作用。風：空氣水平方向的流動叫風（提問）。風在不同時刻有著相應的風向和風速，它不僅對污染物起著輸送的作用，而且還起著擴散和稀釋的作用。風的度量：風的大小叫風速，在單位時間內空氣水平流動的距離；風向：風向決定污染物遷移運動方向，風速決定污染物的擴散稀釋。湍流：除在水平方向運動外還會有上、下、左、右方向的亂動（有點像分子的熱運動），樹葉的來回擺動就是湍流。把湍流想象成是由許多湍渦形成的（它與分子運動極為相似，不同的是分子運動是以分子為單位，湍渦運動速度比分子運動速度多得多。P115從煙囪或其它的污染源排放出的煙云受風的作用傳送到下風向時，如果大氣是做很規則的運動，這里煙云幾乎是一個粗細變化不大的一套煙管運動，污染物難以擴散，實際并不是這樣，煙云在下風向飄移時除其本身的分子擴散外，還受大氣湍流的作用，進入大氣的污染物經過湍流混合作用之后，逐漸分散稀釋。氣象的熱力因子：溫度層結、絕熱直減率、穩定度。1.溫度層結何為溫度層結：溫度隨高度的分布情況，它影響了大氣中垂直方向的流動情況。溫度層結類型：溫度隨高度的增加而降低，一般情況是這種規律；溫度隨高度的升高而升高；隨高度的升高溫度不變氣溫隨高度的變化常以氣溫垂直遞減率γ表示，對于標準大氣來說，整個對流層的氣溫遞減率平均值為0.650C/100m。溫度變化的實質是內能的變化，在逆溫條件下大氣處于穩定狀態，湍流被抑制，污染物不易擴散2．氣溫的干絕熱直減率：氣塊在垂直運動方向上做絕熱上升（或下降）每100米其溫度降低（或升高）10根據熱力學第一定律在絕熱過程中系統的狀態變化及向外作功靠統的內能，大氣中垂直運動的空氣塊向外膨脹或受到外界壓力所引起的溫度變化要比和外界交換熱量所引起的溫度變化大得多，根據理論和實踐證明，對一個干燥或未飽和的濕空氣氣團在大氣中絕熱上升每100米要降溫0.980C，通常近似取為10C。3．大氣的穩定度定義：表示空氣是否安于原來的層次，是否易于發生垂直運動。分類：3類如果氣塊受力離開原來的位置仍加速前進，這時大氣是不穩定的；如果氣塊受力離開原來的位置氣塊逐漸減速，并有返回原來高度的趨勢，這時大氣是穩定的；如果氣塊受力離開原來的位置就在那里，既不加速也不減速，這時大氣是中性的。判別大氣是否穩定取決于氣溫垂直直減率γ與干絕熱直減率γd。γ—γd>0，不穩定；γ—γd<0，穩定；γ—γd=0，中性五．大氣污染的狀況：70年代大氣污染逐步開始改善，60年代到70年代美國、日本污染相當嚴重，所以70年代初到80年代日本大氣治理比美國先進，現在美國已趕上日本，70年代開始出現光化學煙霧（較普遍）。國內現狀：治理剛起步，對燃燒除煙塵基本上沒有注意，大氣污染較嚴重。原因：1）向四化進軍正處于建設初期，工業高速發展，大氣污染相當嚴重；2）能源結構不合理，以煤為主；3）布局不合理（有些工廠明明知道處于上風口還要建），行政管理不合理。六．大氣污染防治途徑1.要搞好大氣污染的防治，必須掌握大氣環境污染的特征。我國大氣環境的特征：普遍受到塵、SO2為主的煙煤型污染；在大城市或特大城市要注意NOX的污染來源：主要是汽車；酸雨；局部地區的污染：如氧化物：包頭、撫順、昆明等；鉛：沈陽、廣州、長春、上海等。大氣污染的特征：污染物微量（百萬分之一計算），濃度用ppm計算；污染物量變化（風經常影響其濃度）；污染物質變化（如NOX和有機物在光的作用下會產生O3、甲醛（PAN）3等。2.大氣污染防治技術看十一章P181-1883.大氣污染的控制途徑控制污染源，改革工藝，合理的工業布局控制污染源之后的排放的污染物，應用各種各樣的治理技術走綜合防治的途徑綜合防治的含義：從全局出發，綜合考慮生產生活等方面的諸因素，圍繞經濟社會發展目標，運用多科學、多途徑、多種手段進行防治，達到經濟效益和環境效益的統一。綜合防治的基本原則：1）防與治相結合，以防為主。2）回收資源與凈化處理相結合，以回收資源為主3）企業治理與區域治理相結合4）人工凈化與自然凈化相結合以北京為例介紹一下綜合防治的實例：北京有十億輛汽車排放的各污染物量見下表：地點NOx(mg/m3)CO日平均標準超標最高一次超標東單路口0.87一級0.0517.4—5.8倍西單路口0.76二級0.113.2—5.1倍新街三級0.15686.8倍汽車尾氣空檔加速定速減速CO%4.91.81.73.4HC(ppm)80054048055001973—1974年對北京幾個交通路口的調查：交通民警園林工人肺結核8.9%—24.5%0慢性鼻炎29.4%—51%15.4%—44.2%咽炎13.9%—32.5%1.9%—22.5%呼吸功能1.72.4（最大呼吸中期流速l/s）解決途徑：1）從汽車工藝上和尾氣凈化來解決（NOx、CO、HC化合物）我國汽車50%基本達到日本排放標準最嚴重的是北京2127廠處的汽車排放的NOx相當于1966年排放量。八十年代國外大量采用汽車凈化器（催化轉化器）。2）從城市道路現代化加強交通管理，發展高速公路立體交叉，自行車多影響汽車的速度。3）交通感到的兩旁綠化、凈化空氣。制定汽車生產和運行時的排放標準。第二章燃燒與大氣污染重點：（二）燃燒計算理論空氣量煙氣量污染物排放量第二章燃燒與大氣污染煙塵、SO2、NOx、等主要是因燃燒而引起的。本章主要介紹燃料燃燒過程中的基本原理、污染物的生成機理以及如何控制燃燒過程，減少污染物的排放。§1.燃料的性質燃料指燃燒過程中能放出熱量，且經濟上可行的物質。燃料的分類：（1）常規燃料：如煤（coal）、patrolum、天然氣等。（2）非常規燃料按其物理狀態分為：（1）固體燃料：揮發分被蒸餾后以氣態燃燒（蒸氣控制）；留下的固定炭以固態燃燒（擴散控制）。（2）液體燃料：有蒸發過程控制（氣態形式燃燒）。氣態燃料：有擴散或混合控制。燃料的性質影響大氣污染物的排放。一、煤：是一種復雜的物質聚集體。主要可燃成分是C、H及少量O2、N2、S等一起構成的有機聚合物。煤中有機成分和無機成分的含量因種類、產地不同而異。1.分類：按基于沉積年代的分類法分為褐煤、煙煤、無煙煤。a.褐煤：是由泥煤形成的初始煤化物，是煤中等級最低的一類，形成年代最短。呈黑色、褐色、泥土色，象木材結構。特點：①揮發分較高，析出溫度低；②燃燒熱值低，不能制炭。干燥后：C含量60—75%，O2含量20—25%。b.煙煤：形成歷史較褐煤長。黑色，外形有可見條紋。揮發分20—45%，C75—90%。成焦性較強，氧含量低，水分及灰分含量不高，適宜工業使用。c.無煙煤：碳含量最高，煤化時間最長的煤，具有明顯的黑色光澤，機械強度高。C含量>93%,無機物量<10%,著火難，不易自燃，成焦性差。2.煤的組成煤的組成測定方法分為工業分析；元素分析兩大類。工業分析：水分、灰分、揮發分、固定碳、S含量、熱值。3.元素分析：用化學法測定去除掉外部水分的主要組分。C、H2、N2、S、O2等。煤中硫的形態有機硫（CxHySz）煤中含硫硫化物硫（FeS2）無機硫無系硫（S硫酸鹽硫（MeSO4）硫酸鹽硫在燃燒時不參加燃燒，留在灰渣里，是灰分的一部分，其它能燃燒放出熱量。我們所說的污染物SOx只包括有機硫、硫化物，不包括MeSO4，而一般給我們的含硫量是指總硫量。應注意。硫化鐵硫：是主要的含硫成分，主要代表黃鐵礦硫。黃鐵礦：硬度6—6.5比重4.7—5.2本無磁性，但在強磁場感應下能轉變為順磁性物，吸收微波能力較強，據此，可把其從煤中脫除。有機硫：以各種官能團形式存在。如噻吩、芳香基硫化物、硫醇等。不易用重力分選的方法除去，需采用化學方法脫硫。石油：石油是液體燃料的主要來源。原油是天然存在的易流動液體。比重0.78—1.00主要含C、H2、少量的S、N2、O2，此外，含有微量金屬（釩、鎳）、砷、鉛、氯等，10ppm左右。原油中的硫大部分以有機硫形式存在，形成非碳氫化合物的巨大分子團，其含硫量變化范圍較大，一般為0.1—7%。原油通過蒸餾、裂化和重態過程生產出各種產品。原油中的S約有80—90%留于重硫分中。硫以復雜的環狀結構存在，而需去除的僅是硫原子，故不能用物理方法分離硫化物。采用高壓下的催化加氫破壞C—S—C鍵形成H2S氣體，可達目的，但費用很高。三、天然氣一般組成CH485%,乙烷10%，丙烷3%，此外還有H2O、CO2、N2、He、H2S等。§2-2燃料燃燒過程影響燃燒過程的主要因素1．燃燒過程及燃燒產物燃燒是可燃混合物的快速氧化過程，并伴有能量的釋放，同時使燃料的組成元素轉化成相應的氧化物。多數化石燃料完全燃燒的產物是CO2、水蒸汽；不完全燃燒過程將產生黑煙、CO和其它部分氧化產物等。若燃料中含S、N會生成SO2和NOx，燃燒溫度較高時，空氣中的部分氮會被氧化成NOx。FuelNOx(燃料型NOx)——燃料中的N)NOx的生成量ThermalNOx(熱型NOx)——高溫時空氣中2．燃料完全燃燒的條件燃料完全燃燒的條件是適量的空氣、足夠的溫度、必要的燃燒時間、燃料與空氣的充分混合。空氣條件：按燃燒不同階段供給相適應的空氣量。溫度條件：只有達到著火溫度，才能與氧化合而燃燒。著火溫度：在氧存在下可燃質開始燃燒必須達到的最低溫度。各種燃燒的著火溫度見表2-3。P348.時間條件：燃料在燃燒室中的停留時間是影響燃燒完全程度的另一基本因素。燃料在高溫區的停留時間應超過燃料燃燒所需時間。燃燒與空氣的混合條件：燃料與空氣中氧的充分混合是有效燃燒的基本條件。在大氣污染物排放量最低條件實現有效燃燒的四個因素：空氣與燃料之比、溫度、時間、湍流度。(三T)3．發熱量及熱損失發熱量單位量燃料完全燃燒產生的熱量。即反應物開始狀態和反應物終了狀態相同情況下（常溫298K,101325Pa）的熱量變化值，稱為燃料的發熱量，單位是KJ/Kg。（固體）KJ/m3(氣體)。發熱量有高位、低位之分。高位：包括燃料燃燒生成物中水蒸汽的汽化潛熱，Qh低位：指燃料燃燒生成物中水蒸汽仍以氣態存在時，完全燃燒釋放的熱量。Q1Q1與Qh的換算見式2.2，2.3。可用氧彈式量熱計測定，也可用經驗公式計算。經驗公式見式2.4。根據煤的工業分析數據計算。煤的發熱量注意：煤中H有兩種形態①可燃氫(參根據燃料的關加燃燒)、自由氫。②結合氫（與O2）系分析數據計算自由氫與C、S結合需應用基來表明組成注：干燥基（上標d）可燃基（上標b）應用基（上標a）氣體燃料的發熱量2.8，2.9。設省煤器、空氣預熱器可降溫，供應防止溫度過低而受酸蝕。一般工業鍋爐160—200℃；大中工業鍋爐120—180℃。熱損失。排煙熱損失：熱損失為6—12%：不完全燃燒熱損失：化學不完全燃燒、機械不完全燃燒。散熱損失：由設備管道溫度高于周圍空氣溫度造成熱損失。燃燒產生的污染物硫的SOx：隨溫度變化不大，主要是煤中S。粉塵：隨溫度的增高、不變、降低而變化。CO及HC化合物煙：隨溫度的增高、不變、降低而變化。NOx：隨溫度的增高、不變、降低而變化。燃料燃燒的理論空氣量1．理論空氣量（）所需要的氧一般從空氣中獲得。單位量燃料按燃燒反應方程式完全燃燒所需的空氣量稱為理論空氣量。理論空氣量（1）可由燃燒反應方程式獲得（2）經驗公式（由熱值）固體燃料液體燃料氣體燃料天然氣（式2.17）建立燃燒化學方程式時，假定：空氣僅由N2和O2組成，氣體積比為79/21=3.76；燃料中的固態氧可用于燃燒；燃料中的硫被氧化成SO2；計算理論空氣量時忽略NOX的生成量；燃料的化學時為CxHySzOw，其中下標x、y、z、w分別代表C、H、S、O的原子數。完全燃燒的化學反應方程式：Q代表燃燒熱理論空氣量：3.6~6.0褐煤一般煤的理論空氣量7.5~8.5無煙煤9~10煙煤液體燃料（燃料油）的煤爐：4.5~5.5干：8.84~9.01煤氣液化氣：2.97天然氣高爐：~0.7濕：11.4~12.12．空氣過剩系數a世紀空氣量Va與理論空氣量Va0之比為空氣過剩系數a通常a>13．空燃比（AF）定義：單位質量燃料燃燒所需的空氣質量，它可由燃燒方程直接求得。4．理論空氣量的經驗計算公式由元素分析可用2.11計算（理論，若知燃料的熱值可用2.13~2.17計算）。例：某燃燒裝置采用重油作燃料，重油成分分析結果如下（按質量）C：88.3%，H：9.5%,S：1.6%，灰分：0.10%。試確定燃燒1kg重油所需的理論空氣量。解：以1kg重油燃燒為基礎，則：重量（g）摩爾數（mol）需氧量（mol）C88373．5873．58H9547．523．75S160．50．5H2O0．50．02780理論需氧量為：73.58+23.75+0.5=97.83mol/kg重油假定空氣中N2與O2的摩爾比為3.76(體積比)則，理論空氣量為：mol/kg重油即Nm3/kg重油§2-3煙氣體積及污染物排放量計算煙氣體積計算1.理論煙氣體積在理論空氣量下，燃料完全燃燒所生成的煙氣體積稱為理論煙氣體積以Vfg0表示，煙氣成分主要是CO2、SO2、N2和水蒸氣。干煙氣：除水蒸氣以外的成分稱為干煙氣；濕煙氣：包括水蒸氣在內的煙氣。Vfg0=V干煙氣+V水蒸氣V理水蒸氣=V燃料中氫燃燒后的水蒸氣+V燃料中所給+V理論空氣量帶入的2.實際煙氣體積Vfg0Vfg=Vfg0+(a-1)Va03.煙氣體積和密度的校正燃燒產生的煙氣其T、P總高于標態（273K、1atm）故需換算成標態。大多數煙氣可視為理氣，故可應用理氣方程。設觀測狀態下：（Ts、Ps下）煙氣的體積為Vs，密度為ρs。標態下：（TN、PN下）煙氣的體積為VN，密度為ρN。標態下體積為：標態下密度為：應指出，美國、日本和國際全球監測系統網的標準態是298K、1atm在作數據比較時應注意。2.過剩空氣較正因為實際燃燒過程是有過剩空氣的，所以燃燒過程中的實際煙氣體積應為理論煙氣體積與過剩空氣量之和。用奧氏煙氣分析儀測定煙氣中的CO2、O2和CO的含量，可以確定燃燒設備在運行中煙氣成分和空氣過剩系數。空氣過剩系數為a=m---------過剩空氣中O2的過剩系數設燃燒是完全燃燒，過剩空氣中的氧只以O2形式存在，燃燒產物用下標P表示，假設空氣只有O2、N2分別為21%、79%，則空氣中總氧量為理論需氧量：0.266N2P—O2P所以若燃燒完全若燃燒不完全產生CO須校正，即從測得的過剩氧中減CO氧化為CO2所需的O2各組分的量均為奧氏分析儀所測得的百分數。3.標況下煙氣量計算的經驗式：P362.23~2.28。污染物排放量的計算例2對例1給定的重油，若燃料中硫會轉化為SOX（其中SO2占97%），試計算空氣過剩系數a=1.20時煙氣中SO2及SO3的濃度，以ppm表示，并計算此時煙氣中CO2的含量，以體積百分比表示。解：由例1可知，理論空氣量條件下煙氣組成（mol）為：CO2：73.58H2O：47.5+0.0278SOX：0.5NX：理論煙氣量：73.58+0.5+(47.5+0.0278)+()=489.45mol/kg重油即489.45=10.96m3N/kg重油空氣過剩系數a=1.2時，實際煙氣量為：其中10.43為理論空氣量，即1Kg重油完全燃燒所需理論空氣量。煙氣中SO2的體積為煙氣中SO3的體積為所以，煙氣中SO2、、SO3的濃度分別為：當α=1.2時，干煙氣量為：CO2體積為：所以干煙氣中CO2的含量以體積計為：例3：已知某電廠煙氣溫度為473K，壓力為96.93Kpa,濕煙氣量Q=10400m3/min,含水汽6.25%（體積），奧薩特儀分析結果是：CO2占10.7%，O2占8.2%，不含CO，污染物排放的質量流量為22.7Kg/min。污染物排放的質量速率（以t/d表示）污染物在煙氣中濃度煙氣中空氣過剩系數校正至空氣過剩系數α=1.8時污染物在煙氣中的濃度。解：（1）污染物排放的質量流量為：（2）測定條件下的干空氣量為：測定狀態下干煙氣中污染物的濃度：標態下的濃度：（3）空氣過剩系數：（4）校正至α=1.8條件下的濃度：§2-4燃燒過程SOx的形成及控制燃料中硫的氧化機理燃料中的硫在燃燒過程中與氧反應，主要產物是SO2和SO3，但SO3的濃度相當低，既使在貧燃料狀態下，生成的SO3也只占SO2生成量的百分之幾。在富燃料狀態下，除SO2外，還有一些其它S的氧化物，如SO及其二聚物（SO）2，還有少量一氧化二硫S2O.這些產物化學反應能力強，所以僅在各種氧化反應中以中間體形式出現。燃燒時：故一般主要生成SO2,計算時可忽略SO3。SOx的控制初步估算：全球從燃燒系統排入大氣的硫化物總量約93×106t/a，其中70%從燃用化石燃料的發電廠排出。進入大氣中SOX轉化成MeSO4，硫酸煙霧等污染環境必須加以控制。控制的辦法有：低硫燃料、燃料脫硫、燃燒過程中脫硫或煙氣脫硫等。燃料脫硫煤炭的固態加工國外要求用于發電、冶金、動力的煤質標準是：煉焦煤：硫分<1%，灰分6~8%；動力煤：硫分0.5~1%，灰分15~20%；故原煤必經分選以除去煤中的礦物質。目前選煤工藝普遍應用的是重力分選法（可降低40~90%的S）,此法對有機硫含量較大或精煉還不能達到環保條例的要求。正在研究的新脫硫法有：浮選法、氧化脫硫法、化學浸出法、化學破碎法、細菌脫硫法、微波脫硫法、磁力脫硫及溶劑精煉等工業上應用的很少。型煤固硫是控制SO2的一條經濟有效途徑。美國型煤，（加石灰）固硫率達87%，煙塵減少2/3；日本蒸汽機車用石灰固硫率達70~80%，脫硫費用僅為選煤的8%；我國已投產的型煤工藝十大類，民用蜂窩煤固硫率>50%，唐山、河北石家莊、承德、北京礦冶研究生院、工業型煤。煤炭的轉化煤炭的轉化主要是氣化、液化。即對煤進行脫硫或加氫改變其原有的碳氫比、使煤轉變為清潔的二次燃料。a)煤的氣化煤的氣化技術發展很快：“第一代”干式排灰的魯奈加壓氣化（已商業化）和科柏斯-托切克氣化；“第二代”液態排渣氣化、 Hygas氣化、Cogas氣化等未商業化；“第三代”處于實驗階段的煤催化氣化。氣化后的叫煤氣：煤氣主要是H2、CO、CH4等煤中硫的H2S形式存在，我國規定標準20mg/m3，生產出煤氣中H2S含量幾百到幾千mg/m3。需去除：方法有干法、濕式法。干法的氧化鐵系為代表。煤的液化直接液化SRC-Ⅱ法煤的液化分兩類間接液化魯奈氣化-弗托合成法煤的液化時耗水量很大，排水含高濃度COD，要求大規模水處理設施。（3）重油脫硫重油脫硫常用的方法：在鉬、鈷和鎳等的金屬氧化物催化劑作用下，通過高壓加氫反應，加斷碳與硫的化合鍵，以氫置換出碳，同時氫與硫作用形成H2S，從重油中分離出來。重油脫硫的困難；要徹底加工燃料，破壞了原來的組織，并產生新的產物：固、液、氣態物。2．硫化床燃燒脫硫硫化床燃燒脫硫具有爐內脫銷脫硫的優點，故普遍受到重視。原理：硫化床燃燒是一低溫燃燒過程。爐內存在局部還原氣氛，熱型Nox基本上不產生，因而Nox的氣成量減少，原理見P55圖2-6。硫化床燃燒脫硫常用的脫硫劑是石灰石或白云石。石灰石粉碎至與煤同樣的粒度（dp2mm左右）與煤同時加入爐內。在1073—1173K下燃燒：（CaO為多孔）達固硫目的。影響脫硫效率的因素有：沸騰床溫度、流化速度、脫硫劑用量等。脫硫劑用量以Ca/S比表示。脫硫率與β和硫化速度的關系：當硫化速率一定時，η隨Ca/S的增大而增大；當Ca/S比一定時，η隨硫化速度的增加而降低。η0.9m/s100η0.9m/s100801.2m/s60V402.4m/s200246氧化鈣再生:氧化鈣與SO2生成的CaSO4在1320K時還原氣氛下分解，重新釋放出SO2，反應式為：（CaO返回硫化床在利用，SO2的濃度一般為6—7%可制H2SO4）再生床面積約為吸收床的1/10。目前流化床燃燒脫硫技術只適用于中小容量的工業鍋爐和爐窯煙氣脫硫的后章節介紹。§2-5NOx的形成及控制(燃燒中)大氣中的NOx90%以上產生于燃燒過程，主要是NO、NO2，在此不詳細介紹。另外燃燒過程除上述污染物外，還有顆粒物、有機物、CO的形成。在此僅介紹一下CO的形成及控制。§2-6NOx的形成及控制CO是所有大氣污染物中量最大，分布最廣的一種。它的危害很大，對人體健康有害，甚至能致死。第三章氣象學基礎知識重點內容：影響大氣污染物擴散的主要因子：風、溫度層結、大氣穩定度、氣溫垂直直減率。大氣污染與氣象關系、溫度層結與大氣污染、穩定度與大氣污染。濃度估算：高斯模式、有效煙囪模式（ΔH+Hs）。廠址選擇和煙囪計算。第三章大氣污染氣象學講課條件：講授課時數：10學時授課內容：§3~1大氣概述§3~2大氣的熱力過程§3~3大氣污染與氣象的關系§3~4大氣擴散試驗及正態分布下的大氣擴散模式§3~5平坦開闊地形上的點源擴散§3~6廠址選擇和煙囪設計污染物排入大氣后是否引起嚴重大氣污染除取決于污染物的排入量外與污染物在大氣中的擴散稀釋速度關系極大。各區域常常進行環境監測，測定各污染物的情況，我們會發現在同天大氣監測值差別很大。而統一污染源不可能差別很大，有時監測值會幾百倍，造成這種現象的原因是與污染物的傳輸擴散與氣象條件有著密切的關系。近年來，在研究各種氣象條件對大氣污染物的傳輸擴散作用和大氣污染物質對天氣和氣候的影響條件中逐漸形成了一門新的分支學科——大氣污染氣象學。本章只討論氣象條件對大氣污染物的傳輸擴散作用，初步掌握廠址選擇和煙囪設計中的一些問題，為進一步學習污染氣象學知識打下基礎。§2~1概述低層大氣的成分：干潔空氣、水汽、氣溶膠粒子。大氣的垂直結構影響大氣污染的主要氣象要素氣象要素（因子）：表示大氣狀態和物理現象的物理量在氣象上稱之。氣象要素的數值是直接觀測獲得的，主要有：氣溫、氣濕、氣壓、風向、風速、云況、能見度、降水、蒸發、日照時數、太陽輻射、地面輻射、大氣輻射等，下面分別介紹幾個：1.氣溫：空氣濕度是反映空氣中水汽含量和空氣潮濕程度的一個物理量，常用的表示方法有：絕對濕度、水蒸氣壓力、體積百分比、含濕量、相對濕度、露點等。風a)定義：什么是風？空氣水平方向的流動叫風。b)形成：風主要由于氣壓的水平分布不均勻而引起的，而氣壓的水平分布不均是由濕度分布不均造成。風的特性用風向與風速表示，它是一向量。由于溫度分布不均而形成的風從圖a看出地面AB上，t1=t2,水平方向上的溫度和氣壓到處相等，AB上空各高度在水平方向上的T、P也到處相等，則等壓（各處氣都相等的面）與地面平行，此時大氣靜止狀（無風）。B來看，A、B兩地受熱不均，A地氣溫高于B地（t1>t2），A地的空氣因受熱膨脹上升而使等壓面抬高，因而在A地上空各高度上的氣壓比B地上空間高度要高，造成等壓面自A地的氣壓必高于B地的氣壓，在水平氣壓梯度力的作用下，空氣自A地某高度流向B地。C來看，由于b空氣流動的結果，B地上空因空氣流入造成堆積而使質量增加，地面氣壓升高。A地上空空氣質量減少，地面氣壓下降，于是地面上產生了自B地指向A地的水平氣壓梯度，因此空氣自B地流向A地這樣形成了高空自A地流向B地，地面自B地流向A地的空氣環流。風的形成除熱力原因外，還有動力原因，自然界的風是由于這兩種原因綜合作用的結果，但只要有溫差存在，空氣就不會停止運動。風的度量風的大小有叫風速：在單位時間內，空氣水平流動的距離，m/s。風速的測定：EL型電接風向風速儀（連續自動測定每10分鐘的平均風速值），通常，氣象臺站測得的風向、風速都是指一定時間的平均值。小時平均風速（一般在一年期間）；10分鐘平均風速（在實驗室）風向：分為16方位，見圖2-2，還有一表示方法，以北為零點，沿順時針方向旋轉。注意字的寫法：NWNWNNNENNEWNWENEWEESEWSWSWSWSSSESSE圖2-2NE東北NNE北東北NWNWNNNENNEWNWENEWEESEWSWSWSWSSSESSE圖2-2性質：隨時在變化，如我國季風是我們的特色（冬天東北風）；隨高度變化，在一定范圍內，風隨高度的增大而增大。地面有建筑物，樹木的影響。風速隨高度變化的曲線叫風速廓線，其數學表達式叫風速廓線模式。風速廓線模式都是在氣象要素正常分布的情況下推導出來的。在近地層中性層結情況下推導的兩個表達式分別為：對數律：Z-------離地面的高度Z0-------粗糙度（m）M-------系數指數律：Z1-------風速儀的高度-------Z1高度處的平均風速（m/s）m---------指數隨地理位置而變山區會產生山風、谷風，海區有海陸風（上海大連等）3．云云是發生在高空的水汽凝結現象。形成的基本條件：水蒸汽和使水蒸汽達到飽和凝結的環境。云的分類：高云：離地面5000m以上，冰晶構成；中云：離地面2500—5000m間，過冷的微小水滴及冰晶構成；低云：離地面2500m以下，由微小水滴和冰晶構成。云量：云量是指云遮蔽天空的成數。將天空分為十份。這十分中被云所遮蓋的成數稱為云量。如在云層中還有少量空隙（空隙總量不到天空的1/20）記為10；當天空無云或云量不到1/20時，云量為0。國外云量與我國云量間的關系，國際云量（8分）總云量：指所有云遮蔽天空的成數，不論云的層次和高度。低云量：低云的云掩蓋天空的成數。云量的紀錄：一般云量/低云量的形式記錄如10/7。云狀：多種多樣，1932年國際云學委員會出版的國際云圖，云狀分為四族十屬。云高：指云底距地面的垂直距離，以米為單位。測定方法：激光測云儀、弧光測云儀等，目力測定法。4．能見度在當時的天氣情況下，正常人的眼睛所能看到的最大距離叫能見度。能見就是能把目標物的輪廓從它的天空背景上分辨出來，為了知道能見距離的遠近，首先必須選擇若干固定的目標物，量出他們距測點的距離。能見度的大小反應了大氣的混濁程度，反應出大氣中雜質的多少。氣壓與高度的關系任一點的氣壓值等于該地單位面積上的大氣柱重量，可見氣壓總是隨高度的增加而降低的。氣壓隨高度遞減關系式可用氣體靜力學方程式描述設一單位截面積的垂直氣柱，在Z高度上氣壓為P，在（Z+ΔZ）氣壓下降數量等ΔZ這段氣柱的重量，即：（P-ΔP）-P=ρgΔZ則ΔP=-ρgΔZ。g---重力加速度；ρ----空氣的密度微分式：dp=-ρgdz-------(a)即靜力方程式，它表示空氣在靜止狀態下，氣壓隨高度的變化規律稱為氣壓梯度或單位高度的氣壓差將氣體狀態方程式PV=nRT以Tm平均氣溫代替真實氣溫T分別從P1P2、Z1Z2積分得：此式即壓高公式------靜力方程式得積分式據實測近地層高度每升高100米，氣壓平均降低約12.4毫巴，在高層小于此值。第二節大氣的熱力過程太陽輻射太陽的輻射能是地球表面和大氣的唯一能量來源，地面和大氣獲得輻射能增熱的同時，本身放出熱輻射而冷卻，所以大氣內部始終存在著冷與暖的變化，冷、暖在某種意義上講決定著空氣的干濕與降水，決定著低氣壓的分布，影響著大氣的運動，也就影響了排放至大氣的污染物質的擴散稀釋。1．什么是輻射自然界中的一切物體都以電磁波的形式時刻不停的向外傳遞能量，這種傳遞能量的方式稱為輻射，以輻射的方式向四周輸送的能量稱輻射能，有時簡稱輻射。輻射能的不同，在于電磁波的波長不同，波長即指兩連續波間波峰至波峰的距離，物體放射的波長視物體的溫度而定，物體的溫度增加放射的波長減短，太陽由于溫度很高，它的輻射波長在0.15—4.0μm（10-4cm）之間。輻射最強在0.475μm附近。地球表面平均溫度在15℃，輻射最強是在10μm附近，太陽放出主要輻射的波長只有地球放出的波長的，所以我們稱太陽輻射是短波，地球輻射是長波，太陽、地球和大氣的輻射波長在0.15—120μm之間，其中0.4—0.76μm可見光波長。波長<0.4μm為紫外線，波長>0.76μm的為紅外線。據估算一年中整個地球可以從太陽獲得1.3×1024卡熱量，在不計大氣影響條件下，一分鐘內太陽投射到地球表面每一平方厘米面積上的能量稱為太陽輻射強度。據計算，在大氣上界，即無大氣影響條件下，與太陽成垂直的平面上，每平方厘米面積上每分鐘獲得的熱量為1.94卡，這是在日地平均距離下求得的，稱為太陽常數。概括而言：（1）太陽表面溫度6000K，它的輻射波長0.15—4.0μm，輻射最強在0.475μm長波；地球表面溫度15℃，它的輻射波長2.0—120μm，輻射最強在10μm短波。（2）各種物體接受輻射波長有選擇性。（3）各種物體高于0℃，就可輻射波長，也可接受輻射波。（4）太陽輻射的波長是地球的。2．大氣對太陽輻射的減弱及影響因素地球周圍若沒有大氣圈，地面可能獲得同樣的太陽輻射強度，但由于大氣的存在使到達地面的太陽輻射強度遠比7.94卡少，這主要由于大氣對太陽輻射有減弱、消耗等影響，主要通過下述作用。吸收輻射大氣中的水蒸汽、CO2、吸收波長較長的紅外部分，O3能強烈吸收紫外線（0.255μm的吸收99%），N2不吸收太陽輻射。大氣吸收太陽輻射后變成了熱能，因此在平流層臭氧比較集中的地方溫度較高。散射作用散射：使太陽輻射的直線射程發生偏斜，向四面八方散開的現象稱為散射。大氣中的云滴、塵粒、空氣分子對太陽輻射有散射作用，散射只改變太陽輻射的方向，對大氣的熱能無影響，經散射，一部分到地面，一部分返宇宙。反射大氣層云層和較大顆粒的塵埃能將一部分太陽輻射反射到空間去，所以陰天地面得到的太陽輻射很少。上述三種作用以反射作用最大，散射次之，吸收最小。透過大氣層輻射能傳遞關系：上述中反射和散射返回宇宙空間的占43%，大氣直接吸收的占14%，其余43%到達地面被地面吸收。（包括直接到達地面的27%和散射回地面的16%兩部分）3．大氣溫度依地面溫度的變化關系輻射能力極大值對應的波長（λmax）同輻射體的絕對溫度T成反比。溫度越高，輻射波長越短。地面溫度為200—300K，據此下地面輻射是種長波輻射，大氣也以長波輻射方式向四周輸送熱量，其中一部分投向地面稱為大氣的逆輻射。這樣大氣能防止地面熱量的大量散失，對地面有保溫作用。地面輻射G1與被地面吸收的大氣逆輻射G2之差稱為地面有效輻射或稱夜間有效輻射R=G1-G2。若無大氣，地面的溫度不是15℃，而是-23℃（據計算）大氣圈的存在防止了夜間地面熱量迅速散失引起的急劇降溫，因而減少了溫度的日變輻。大氣對太陽的短波輻射吸收很少（僅臭氧對其有吸收），而大氣中的水汽、CO2能大量吸收地面的長波輻射，因此太陽輻射不是大氣，特別不是近地層大氣的主要熱源。近地層大氣溫度主要受地表溫度的影響，據統計約有75—95%的地面長波輻射被大氣吸收，而且幾乎在近地面40—50米的氣層中就完全被吸收了。所以地面溫度的同期性變化自然會引起空氣溫度的自然性變化。地面溫度（土壤溫度）的日變化是周期性的，具有一最高值和最低值，在一天里地表溫度最高值在13點左右，最低溫度在日出前后。在陸地上，大氣溫度的波動傳播基本遵從土壤中溫度波動傳播規律，離地面越高，振幅越小，位相越落后，陸地上最高氣溫出現在14點到5點，最低氣溫出現在日出時。海洋氣溫日變輻稍大于水面溫度日變輻，一般洋面溫度晝夜都比氣溫高，洋面氣溫日變輻為1—2℃；內陸湖面氣溫日變幅較大，可達10℃左右，水面最高氣溫出現在12點半左右，最低氣溫出現在日出前后。洋面氣溫日變化是有太陽輻射直接作用造成的。因為海洋水面溫度幾乎晝夜不變，是洋面上空氣含水汽量較多的結果，其日變輻的極值都比水溫提前些。氣溫的年變化曲線與地表溫度年變化曲線平行，但振幅較小。陸地最高月溫在7月，最低月溫在1月。海洋或海濱地帶最高月溫發生在在8月，最低月溫在2月或3月初。1．熱力學第一定律大氣中的熱力學過程遵循熱力學第一定律，即能量守恒定律。加于任一封閉物質（氣體）的熱量等于該物系內能的變化和物系對外所做的功即：在無非膨脹功時，其微分表達式為式中：dQ--------加入物系的熱量R---------氣體常數Cp-------恒壓比2．大氣絕熱過程絕熱過程：運動中跟外部無熱的交換，由于壓力的變化而引起內部的能量的變化。非絕熱過程：運動中跟外部有熱的交換。實際中大氣中的變化是非絕熱變化，但計算時我們近似認為是絕熱變化（氣塊在大氣中的運動）。原因有三：空氣的導熱率較小，變化慢；氣塊大氣中運動很快；氣壓變化很大。大氣的絕熱方程：絕熱：由T1、P1到T2、P2作定積分得因CP-CV=RCP/CV=K空氣=1.404的大氣絕熱方程：3．干絕熱遞減率：一干氣塊在大氣中上升運動時，四周圍氣壓減小而膨脹（P’<P0）一部分內能用于反抗外壓作膨脹，溫度下降（T’<T0）；下降運動時外界壓力逐漸增大（P’>P0），外力對它作壓縮，功轉化為內能，其溫度將上升（T’>T0）。絕熱垂直遞減率：氣塊在絕熱過程中，垂直方向上每升降單位距離的溫度變化值稱為絕熱垂直遞減率（通常取100米），單位：度/100米。干絕熱垂直遞減率(γd):干氣塊在絕熱過程中，垂直方向上每升降單位距離的溫度變化值稱為絕熱垂直遞減率（通常取100米），通常10/100米。準靜力條件絕熱過程中氣溫、氣壓都是指大氣中氣塊本身的特性，但是對于氣壓而言，一般情況P≠P環，若過程進行的十分緩慢，可使外界氣壓變化與系統內部氣壓變化充分平衡，每一瞬間外部氣壓與內部氣壓看成是相等的，即P=P環這個條件稱為準靜力條件。討論的大多數過程我們認為滿足準靜力條件，即P=P’。干絕熱直減率γd定義：（一般dZ=100米）T’-------氣塊溫度；T-------環境溫度。實際中T’與T之差不超過100，T’/T≈1干絕熱氣團是未飽和狀態，不會有狀態的變化，負數表示氣塊在干絕熱上升過程中溫度隨高度的降低，若不計高度緯度影響取g=9.18m/s2，CP=1004.8J/Kg*K則γd=1K/100m這表示干空氣在作干絕熱上升（或下降）運動時，每升高（或下降）100米，溫度降低（或升高）1度。濕空氣的絕熱變化濕空氣團作絕熱升降時情況較復雜，在升降過程中若無相變化，其溫度直減率和干絕熱直減率一樣，每升降100米溫度變化10C，若有相變化，每升高100米，溫度變化小于10C。濕空氣上升達到飽和狀態并開始凝結的高度稱為凝結高度，在凝結高度以下，其溫度變化同干空氣一樣；在凝結高度以上，溫度變化小于干空氣的變化值，飽和空氣每上升（或下降）單位距離空氣的溫度變化稱為濕絕熱遞減率γm，約為0.50C/100米。大氣的靜力穩定度1．氣溫的垂直分布1）溫度層結：溫度隨高度的分布情況稱之溫度層結。它影響了大氣中垂直方向的流動情況，由于地面構筑物不同，溫度層結不同。2）溫度層結類型溫度隨高度的增加而降低，一般情況是這種規律。溫度梯度等于或近似于1℃/100m稱中性。溫度隨高度增加而升高，稱為逆溫。溫度不隨高度變化，稱為等溫。見圖：層結曲線3）溫度層結日變化HHH夜里午上HtHtHt中午下午落日夜里ttt4）溫度變化的實質溫度變化的實質是內能變化。5）環境溫度直減率（定義是干絕熱直減率相同），環境溫度的變化。γ不是一常數，隨太陽輻射、氣候等而變化，對流層環境溫度直減率的平均值為0.65℃/100m。大氣環境的各種狀態：Hγ=0γ<0t①(平均狀態)②(干絕熱狀態)③γ=0（等溫狀態）④γ<0(逆溫狀態)⑤γ>γd(超絕熱狀態)6）位溫（θ）氣塊在不同高度有不同溫度，不好比較，為便于比較，引出位溫。把各層中的氣塊循著干絕熱的程序訂正到一個標準高度10000hPa處，這里具有的溫度稱之為位溫（θ）。任何一氣塊的位溫是不變的。（干絕熱情況）T、P分別為氣塊最初的壓力和溫度，而非絕熱情況下，位溫是變化的。1標準大氣壓力=1013.32mb（毫巴）1mb=103達因/cm2P0=13.596g/cm3×76cm×g×=1013.32mb2．大氣穩定度1）準靜力條件：大氣穩定度：表示空氣是否安于原來的層次，是否易于發生垂直運動。即指大氣沿鉛直方向穩定的程度。2）大氣穩定度的分類（3類）如果氣塊受力離開原來的位置，仍加速前進，這時，大氣是不穩定的。如果氣塊受力離開原來的位置，氣塊逐漸減速并有返回原來高度的趨勢，這是穩定狀態。如果氣塊受力離開原來的位置，就停在哪里，既不加速也不減速，中性狀態。3）如何判別穩定度a．設氣塊狀態為T’、P’、ρ’,環境大氣狀態為T、P、ρ,氣塊受到的浮力為：重力為：它的靜浮力為：因為P=ρRT到達某一位置時P=P’(達準靜力條件)設氣塊在起始位置高度的溫度和環境溫度相同，等于T0∵帶入得對于未飽和空氣，干空氣按γd變化。（認為起始T0’與T0項等）討論：①氣塊上升時,dZ上升。氣塊下降時,dZ下降。∴無論上升，下降均屬于不穩定狀態。②氣塊上升，dZ上升，氣塊下降，dZ下降，在此狀態下不易擴散。γ=0等溫；γ<0逆溫是穩定狀態中更穩定的狀態。③F=0a=0中性狀態>∴判斷大氣是否穩定可利用來判斷。一般實驗時用此法。<>同時對飽和空b．用位溫梯度判別∵∴c．用層結曲線和狀態曲線（上升空氣塊溫度隨高度的變化）判別氣而言可用判別。逆溫逆溫的定義：溫度隨高度的增加而增加，此時逆溫的最危險狀況是逆溫層正好處于煙囪排放口。跟我們研究污染有關的因素：逆溫層的消失時間逆溫層低的高度逆溫層的厚度逆溫的強度（溫度隨高度的變化情況）不同季節都應掌握上述數據。形成逆溫的過程多種多樣，最主要有以下幾種：輻射逆溫（較常見）②平流逆溫③鋒面逆溫④湍流逆溫⑤下沉逆溫自學、要求掌握輻射逆溫的形成機理，了解其它輻射逆溫的形成機理。1．輻射逆溫白天由于太陽射來的輻射能是地面收入的能量比支出的多，地面溫度升高；夜間，地面支出的能量比收入多，地面溫度下降。由于大氣是直接吸收從地面來的輻射能，愈靠近地面的空氣受地表的影響越大，所以接近地面的空氣層在夜間也隨之降溫，而上層空氣的溫度下降得不如近地層空氣快，因此，使近地層氣溫形成上高下低的逆溫層，這種因地面輻射冷卻而形成的氣溫隨高度增加而遞增現象叫輻射逆溫。輻射逆溫開始于日落（圖a），隨著夜深，地面消失的熱量越多，逆溫逐漸向上擴展，黎明時達最強。日出后（圖b），太陽輻射逐漸加強，地面很快增溫，逆溫便自下而上逐漸消失。輻射逆溫在大陸常年出現，以冬季最強。因夏季夜短，逆溫層較薄，消失也快；冬季夜長，逆溫層較厚，消失也慢。在山谷與盆地區域，由于冷卻的空氣沿斜坡流入低谷和盆地，因而常使低谷和盆地的輻射逆溫得到加強，往往持續數天而不消失。輻射逆溫對污染極不利。2．平流逆溫因空氣的平流而產生的逆溫，稱平流逆溫。形成：暖空氣平流到冷的地面或冷的水面上會發生接觸冷卻的作用，下層空氣受地面影響大，降溫愈多，而上層空氣受冷地面的影響小，降溫較少，產生逆溫現象。平流逆溫的形成還與湍流和輻射作用有關。湍流愈強，逆溫層底部氣溫降得愈低，逆溫愈明顯。3．湍流逆溫低層空氣的湍流混合而形成的逆溫叫湍流逆溫。形成過程見圖：圖中的AB是氣層未經湍流混合前的氣溫分布，可以看到當時的γ<γd；低層經湍流混合后，氣溫直減率將逐漸接近干絕熱直減率。這是因為在湍流運動中空氣將上下運動，上升或下沉的空氣溫度都將按干絕熱直減率變化。因此，升到混合層上部的空氣由于降溫比周圍空氣迅速，其溫度比周圍空氣低。同理，下沉空氣比周圍空氣溫度高，這樣混合的結果將是混合層以上的混合層與不受湍流混合影響的上層空氣中間出現了過渡層DC層（逆溫層）。圖a圖b4．下沉逆溫由于空氣下沉壓縮增溫形成的逆溫稱為下沉逆溫。形成：當某一層空氣發生下沉運動時，因氣壓逐漸增大，以及氣層向水平方向輻射，其厚度減少（h’<h）。若下沉過程絕熱且各層中各部分空氣的位置相對不變，這樣空氣層頂部下沉的距離（l+h），要比底部下沉的距離（h’+l）為大。所以頂部空氣的絕熱增溫要比底部多。當下沉到某一高度，出現了空氣層頂部的溫度高于底部的溫度。見圖：下沉逆溫多出現在高壓區內，范圍較廣，厚度很大，冬天常與輻射逆溫結合在一起，它對高架源影響較大。嚴格講，擴散荷點也受電場強弱的影響，因為離子的運動除受擴散力支配外也受電場力支配，如忽略電場力的影響，簡化為只取決于氣體的動力狀況，還將在此條件下（忽略）給出了擴散荷電量的計算公式：（6-6式，P15）第四章除塵技術基礎講授學時：2學時重點：第二節粉塵的粒徑和粒徑分布、重徑、中位徑、stock徑、頻率分布、篩上頻度分布、篩下累計統計。第三節粉塵的物理性質、粉塵的真密度、堆積密度。第四節除塵裝置的性能、除塵效率（總效率、分級效率）習題：P116-117.第四章大氣擴散濃度估算模式1、教學要求：要求了解湍流擴散的基本理論，理解和掌握高斯擴散模式、煙囪高度的設計和廠址的選擇。2、教學重點：掌握影響污染物稀釋擴散法控制的有關條件；污染物濃度估算的高斯模式，煙囪高度的設計方法。3、教學難點：污染物稀釋擴散法控制，污染物濃度估算的高斯模式。§1湍流擴散的基本理論一、湍流概念簡介擴散的要素風：平流輸送為主，風大則湍流大湍流：擴散比分子擴散快105～106倍1、什么是湍流？除在水平方向運動外，還會由上、下、左、右方向的亂運動，風的這種特性和擺動稱為大氣湍流。（有點象分子的熱運動）或者說湍流是大氣的無規則運動。2、湍流與擴散的關系把湍流想象成是由許多湍渦形成的，湍渦的不規則運動而形成它與分子運動極為相似。3、湍流起因有兩種形式：熱力：溫度垂直分布不均（不穩定）機械：垂直方向風速分布不均勻及地面粗糙度4、湍流運動的判據——雷諾數雷諾還找到了由層流運動轉換到湍流運動的判據——雷諾數（Re）臨界雷諾數試驗（圓管）表明：當Re>2000時的流體流動是湍流當Re<2000時的流體流動是層流數值Re＝2000叫臨界雷諾數大氣湍流——臨界雷諾數對于大氣：V=1.5×10-5m2/s若取L=1m只要U>0.1m/s則Re>6000所以通常認為大氣運動都是湍流運動二、湍流擴散理論簡介主要闡述湍流與煙流傳播及湍流與物質濃度衰減的關系1.梯度輸送理論德國科學家菲克，在1855年發表了一篇題為“論擴散”的著名論文。在這篇論文中，他首先提出了梯度擴散理論。他把這個理論表述為：“假定食鹽在其溶劑中的擴散定律與在導體中發生的熱擴散相同，是十分自然的。”通過泰勒（G.I.Tayler）與菲克（A.Fick）擴散理論的類比建立起來的。菲克認為分子擴散的規律與傅立葉提出的固體中的熱傳導的規律類似，皆可用相同的數學方程式描述。湍流梯度輸送理論進一步假定，由大氣湍流引起的某物質的擴散，類似于分子擴散，并可用同樣的分子擴散方程描述。為了求得各種條件下某污染物的時、空分布，必須對分子擴散方程在進行擴散的大氣湍流場的邊界條件下求解。然而由于邊界條件往往很復雜，不能求出嚴格的分析解，只能在特定的條件下求出近似解，再根據實際情況修正。2.相似理論湍流相似擴散理論，最早始于英國科學家里查森和泰勒。后來由于許多科學家的努力，特別是俄國科學家的貢獻，使湍流擴散相似理論得到很大發展。湍流擴散相似理論的基本觀點是，湍流由許多大小不同的湍渦所構成，大湍渦失去穩定分裂成小湍渦，同時發生了能量轉移，這一過程一直進行到最小的湍渦轉化為熱能為止。從這一基本觀點出發，利用量綱分析的理論，建立起某種統計物理量的普適函數，再找出普適函數的具體表達式，從而解決湍流擴散問題。我們把這種理論稱為相似擴散理論。利用這些理論進行研究時，常采用數值分析法、現場研究法和實驗室模擬研究法三種方法。理論和方法的運用不可分割，應該將它們很好地結合在一起，得出與實際大氣污染擴散相符合的計算模式。3.研究湍流的主要方法目前研究湍流的主要方法有兩種：一種是半經驗理論方法，它是通過解運動方程等來研究邊界層大氣運動；是模仿氣體分子運動與氣體宏觀運動的理論處理方法，結合經驗事實，采用適當的參數。雖然這個理論本身還很粗糙，但能夠解決一些實際問題(如物體在流體中運行的阻力)，所以許多應用科學家和工程技術人員對此比較感興趣另一種是湍流統計理論方法，即物理上把湍流視為大大小小不同尺度湍渦的迭加，用數學來描述則是把湍流看成無窮多個頻率各異的波迭加而成，采用數理統計途徑，來分析研究湍流內部結構。將流體的不規則運動視為隨機運動的集合，以數理統計學的方法來研究湍流內部的結構，許多基礎理論科學家就致力于這方面的研究。4.三種理論的比較這三個理論分別：考慮不同的物理機制，采用不同參數，利用不同的氣象資料，在不同的假定條件下建立起來的。它們具有不同的有缺點，只能在一定范圍內使用湍流的概念（運動流場的各種特性量是時間和空間的隨機變量）大氣運動的湍流性（雷諾數遠大于下臨界數）雷諾數（特征尺度、流動速度、分子動力學粘性系數）湍流的基本特征：（1）隨機性，（2）非線性，（3）擴散性，（4）渦旋性，（5）耗散性熱力湍流和機械湍流（不穩定、風切變）大氣湍流與污染物的擴散（快、各種湍渦）研究湍流的主要方法：一種是半經驗理論方法，另一是湍流統計理論方法湍流擴散的梯度輸送理論（歐拉方法）湍流擴散的統計理論（拉格朗日方法）湍流擴散的相似理論二、無界空間連續點源擴散模式ū—平均風速；Q—源強是指污染物排放速率。與空氣中污染物質的濃度成正比，它是研究空氣污染問題的基礎數據。通常：（ⅰ）瞬時點源的源強以一次釋放的總量表示；（ⅱ）連續點源以單位時間的釋放量表示；（ⅲ）連續線源以單位時間單位長度的排放量表示；（ⅳ）連續面源以單位時間單位面積的排放量表示。δy—側向擴散參數，污染物在y方向分布的標準偏差，是距離y的函數，m；δz—豎向擴散參數，污染物在z方向分布的標準偏差，是距離z的函數，m；未知量—濃度c、待定函數A(x)、待定系數a、b；式①、②、③、④組成一方程組，四個方程式有四個未知數，故方程式可解。§3污染物濃度的估算q源強計算或實測平均風速多年的風速資料H有效煙囪高度擴散參數一.煙氣抬升高度的計算抬升高度計算式1.Holland公式：適用于中性大氣條件（穩定時減小，不穩時增加10％～20％）抬升高度計算式（續）2.Briggs公式：適用不穩定及中性大氣條件§4特殊氣象條件下的擴散模式主要指氣象條件與高斯模式不一樣（溫度層結構均一，實際中難以實現）封閉型擴散模式相當于兩鏡面之間無窮次全反射實源和無窮多個虛源貢獻之和n為反射次數，在地面和逆面實源在兩個鏡子里分別形成n個像一、封閉型擴散模式二、熏煙型擴散模式§5城市及山區擴散模式一、城市大氣擴散模式1.面源擴散模式大氣排放規范里規定條件：煙囪高40m；單個排放量<0.04t/h2.常用城市空氣質量模式箱模式單箱模式à多箱模式——如目前用于我國城市空氣污染指數預報的CAPPS模式城市多源模式如EP