內(nèi)科大大氣污染控制工程教案

第一章：緒論

目的要求：了解大氣的組成，大氣污染的含義；國內(nèi)外大氣污染概

況；大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)；大氣污染物的來源和發(fā)

生量；理解大氣污染物及其分類；

重點(diǎn)：大氣污染物的分類，大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的級別和類型；

授課方式：講授、自學(xué)

1.1大氣與大氣污染

一、大氣的組成

1大.氣與空氣

(1)大氣(atmosphere)：是指環(huán)繞地球的全部空氣的總和(Theentire

massofairwhichsurroundstheEarth)；

(2)環(huán)境空氣(ambientair)：是指人類、植物、動(dòng)物和建筑物暴露

于其中的室外空氣。

2.大氣的組成

大氣是由多種氣體混合而成的，其組成可以分為三個(gè)部分：干燥清

潔的空氣、水蒸氣和各種雜質(zhì)。

干潔空氣的主要成分是氮、氯、氮和二氧化碳?xì)怏w，其含量占全部

干潔空氣的99.996%(體積);

水蒸氣含量，平均不到0.5%,導(dǎo)致了各種復(fù)雜的天氣現(xiàn)象，對地面

的保溫起著重要的作用；

大氣中的各種雜質(zhì)是由于自然過程和人類活動(dòng)排到大氣中的各種懸

浮微粒和氣態(tài)物質(zhì)組成的。

二、大氣污染

1、定義

大氣污染指由于人類活動(dòng)或自然過程使得某些物質(zhì)進(jìn)入大氣中，呈

現(xiàn)出足夠的濃度，達(dá)到了足夠的時(shí)間，并因此而危害了人體的舒適、健

康和人們的福利，甚至危害了生態(tài)環(huán)境。大氣污染主要是人類活動(dòng)造成

的。

2、分類

按照大氣污染的范圍來分，大致可分為四種：局部地區(qū)污染、地區(qū)

性污染、廣域污染和全球性污染；

三、全球性大氣污染問題

全球性大氣污染問題包括溫室效應(yīng)、臭氧層破壞和酸雨等三大問題。

1.2大氣污染物及其來源

一、大氣污染物

大氣污染物的種類很多，按其存在狀態(tài)可概括為兩大類：氣溶膠狀

態(tài)污染物和氣體狀態(tài)污染物；

1、氣溶膠狀態(tài)污染物

氣溶膠指沉降速度可以忽略的小固體粒子，液體粒子或他們在氣體

介質(zhì)中的懸浮體系；從大氣污染控制的角度，按照氣溶膠的來源和物理

性質(zhì)，可將其分為如下幾種：

(1)粉塵(dust)

指懸浮于氣體介質(zhì)中的小固體顆粒，受重力作用能發(fā)生沉降，但在

一段時(shí)間內(nèi)能保持懸浮狀態(tài)。顆粒的尺寸范圍一般為l?200um左右；

(2)煙(fume)

一般指由冶金過程形成的固體顆粒的氣溶膠。煙顆粒的尺寸很小，

一般為0.01-1um左右；

(3)飛灰(flyash)

指隨燃料的燃燒產(chǎn)生的煙氣排出的分散的較細(xì)的灰分：

(4)黑煙

指由燃料燃燒產(chǎn)生的能見氣溶膠；

根據(jù)我國的習(xí)慣，一般可將冶金過程和化學(xué)過程形成的固體顆粒氣

溶膠稱為煙塵；將燃料燃燒過程產(chǎn)生的飛灰和黑煙，在不需仔細(xì)區(qū)分時(shí)，

也稱為煙塵。在其它情況下，或泛指小固體顆粒的氣溶膠時(shí)，通稱粉塵。

(5)霧(fog)

是氣體中液滴懸浮體的總稱。工程中，霧一般泛指小液體粒子懸浮

體；

在我國的環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中，還根據(jù)粉塵顆粒的大小，將其分為

總懸浮顆粒物(TSPtotalsuspendedparticles)和可吸入顆粒物(inhalable

particles)

總懸浮顆粒物(TSP)：指能懸浮在空氣中，空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑《

100um的顆粒物；

可吸入顆粒物(PMio)：指懸浮在空氣中，空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑W

10um的顆粒物；

2、氣體狀態(tài)污染物

氣體狀態(tài)污染物是以分子狀態(tài)存在的污染物，簡稱氣態(tài)污染物。氣

態(tài)污染物總體上可分為五大類：含硫化合物、含氮化合物、碳氧化物、

有機(jī)化合物及鹵素化合物；見表1-2所示；

對于氣態(tài)污染物，又可分為一次污染物和二次污染物；

二、大氣污染物的來源和發(fā)生量

1、大氣污染源

大氣污染物的來源可分為自然污染源和人為污染源兩類；

人為污染源的分類：

(1)按污染源的空間分布可分為：點(diǎn)源、面源；

(2)按照人們的社會(huì)活動(dòng)功能不同分為：生活污染源、工業(yè)污染源

和交通運(yùn)輸污染源；

根據(jù)對主要大氣污染物的分類統(tǒng)計(jì)分析，大氣污染源又可概括為三

大方面：燃料燃燒、工業(yè)生產(chǎn)和交通運(yùn)輸；前兩類統(tǒng)稱為固定源，交通

運(yùn)輸工具則稱為流動(dòng)源；

2、大氣污染物的發(fā)生量

表1-3所示，舉實(shí)例，列數(shù)據(jù)進(jìn)行說明；

三、中國城市的大氣污染概況

中國的大氣環(huán)境污染以燃煤型為主，主要污染物為TSP和S02；

列舉近年來的實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行說明；

1.3大氣污染的影響

以自學(xué)為主，附以一些實(shí)際說明，了解大氣對人體健康的影響、對

植物的影響、對器物和材料的影響、對大氣能見度和氣候的影響；

1.4大氣污染綜合防治

一、大氣污染綜合防治的含義

基本點(diǎn)是防與治的綜合；

所謂大氣污染綜合防治，實(shí)質(zhì)上就是為了達(dá)到區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量控

制目標(biāo)，對多種大氣污染控制方案的技術(shù)可行性，經(jīng)濟(jì)合理性、區(qū)域適

應(yīng)性和實(shí)施可能性等進(jìn)行最優(yōu)化選擇和評價(jià)，從而得出最優(yōu)的控制技術(shù)

方案和工程措施：

二、大氣污染綜合防治措施

1、全面規(guī)劃、合理布局

2、嚴(yán)格環(huán)境管理

3、控制大氣污染的技術(shù)措施

(1)實(shí)施清潔生產(chǎn)

(2)實(shí)施可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略

（3）建立綜合性工業(yè)基地

4、控制污染的經(jīng)濟(jì)政策

5、綠化造林

6、安裝廢氣凈化裝置

1.5環(huán)境空氣質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)

一、環(huán)境空氣質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)的種類和作用

1、分類

（1）按其用途可分為：環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)、

大氣污染控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及大氣污染警報(bào)標(biāo)準(zhǔn)等；

（2）按其使用范圍可分為：國家標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；

2、作用

環(huán)境空氣質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)是執(zhí)行環(huán)境保護(hù)法和大氣污染防治法、實(shí)施

環(huán)境空氣質(zhì)量管理及防治大氣污染的依據(jù)和手段

二、環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

1、制定原則

（1）保障人體健康和保護(hù)生態(tài)環(huán)境；

（2）合理地協(xié)調(diào)與平衡實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)所需的代價(jià)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益之間的

關(guān)系；

2、環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

我國1982年制定并于1996年修訂的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》

（GB3095-1996）根據(jù)對空氣質(zhì)量要求的不同，將環(huán)境空氣質(zhì)量分為三

級，將環(huán)境空氣質(zhì)量功能區(qū)分為三類；

三、工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)

我國于1962年頒發(fā)并于1979年修訂的《工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》

（TJ36-79）,規(guī)定了“居住區(qū)大氣中有害物質(zhì)的最高容許濃度”標(biāo)準(zhǔn)和

“車間空氣中有害物質(zhì)的最高容許濃度”標(biāo)準(zhǔn)；

四、大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)

1、制定原則和制定方法

（1）制定原則

以環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，綜合考慮控制技術(shù)的可行性和經(jīng)濟(jì)合

理性以及地區(qū)的差異性，并盡量做到簡明易行；

（2）制定方法

大體上有兩種：按最佳適用技術(shù)確定的方法和按污染物在大氣中的

擴(kuò)散規(guī)律推算的方法。

2、大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)

我國在1996年制定了《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB16297-1996),

規(guī)定了33種大氣污染物的排放限值，其指標(biāo)體系為最高允許排放濃度、

最高允許排放速率和無組織排放監(jiān)控濃度限值。

五、空氣污染指數(shù)及報(bào)告

1、空氣污染指數(shù)分級及其濃度限值

為客觀反映我國空氣污染狀況，今年開始了大中城市空氣污染指數(shù)

(API)日報(bào)工作。目前計(jì)入空氣污染指數(shù)的項(xiàng)目定為：可吸入顆粒物

(PMio)、二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳和臭氧。

2、空氣污染指數(shù)的計(jì)算方法

本章小結(jié)：

第二章燃燒與大氣污染

2.1燃料的性質(zhì)

目的要求：了解燃料的分類、燃料的性質(zhì)，掌握煤的工業(yè)分析、元

素分析和成分表示方法；

重點(diǎn)：煤的工業(yè)分析、元素分析和成分表示方法

授課方式：講授

燃料是指在燃燒過程中，能夠放出熱量，且在經(jīng)濟(jì)上可以取得效益

的物質(zhì)。主要燃料為煤、石油和天然氣等統(tǒng)稱為常規(guī)燃料。

燃料按物理狀態(tài)分為固體燃料、液體燃料和氣體燃料。

一、煤

1、煤的分類

（1）褐煤最低品位的煤，形成年代最短，水分含量高，熱值較低；

（2）煙煤形成年代較褐煤長，適用于工業(yè)上的一般應(yīng)用。

（3）無煙煤碳含量最高、燥化時(shí)間最長的煤。

2、煤的工業(yè)分析

煤的工業(yè)分析包括測定煤中水分、灰分、揮發(fā)分和固定碳，以及估

測硫含量和熱值，是評價(jià)工業(yè)用煤的主要指標(biāo)。

（1）水分包括外部水分和內(nèi)部水分。煤中含水分使熱值降低，影

響燃燒的穩(wěn)定，一般控制煤中水分在左右。

（2）灰分是煤中不可燃礦物物質(zhì)的總稱，其含量和組成因煤種及

粗加工的不同而已，我國煤炭的平均灰分約為25%。

（3）揮發(fā)分煤在與空氣隔絕的條件下加熱分解出的可燃?xì)怏w物質(zhì)

稱為揮發(fā)分，通過將風(fēng)干的煤樣在1200K的爐中加熱7min而測定。揮發(fā)

分主要由氧氣、碳?xì)浠衔?、一氧化碳及少量的硫化氫等組成。在相同

的熱值下，煤中揮發(fā)分越高，就越容易燃著，火焰越長，越易燃燒完全。

（4）固定碳從煤中扣除水分、灰分及揮發(fā)分后剩下的部分就是固

定碳，是燃的主要可燃物質(zhì)。

3、煤的元素分析

元素分析是用化學(xué)方法測定去掉外部水分的煤中主要組分碳、氫、

氮、硫和氧等的含量。

碳和氫是通過燃燒后分析尾氣中二氧化碳和水的生成量而測定的；

氮含量的測定是在催化劑作用下使煤中氮轉(zhuǎn)變?yōu)榘?，繼而用堿吸收，

最后用酸滴定。

測定硫的含量，是將樣品放在氧化鎂和無水碳酸鈉的混合物上加熱，

使硫化物轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩猁}，在以重量法測定硫酸鋼沉淀而決定的。

4、煤中硫的形態(tài)

采用物理、化學(xué)和放射化學(xué)方法測定的結(jié)果證實(shí)，煤中含有四種形

態(tài)的硫：黃鐵礦硫(FeSz)、硫酸鹽硫(MeSOJ、有機(jī)硫(CxHySz)和元

素硫。

煤中各種形態(tài)硫的比例，直接影響煤炭脫硫方法的選擇。人們一般

把硫分劃為硫化鐵硫、有機(jī)硫和硫酸鹽硫三種。前兩種能燃燒放出熱量

稱為揮發(fā)硫，硫酸鹽硫不參加燃燒，是灰分的一部分。

據(jù)分析，低硫煤中主要是有機(jī)硫，約為無機(jī)硫的8倍，高硫煤中主

要為無機(jī)硫，約為有機(jī)硫的3倍；

5、煤的成分表示方法

由于煤中水分和灰分受外界條件的影響，其百分比必然也隨之改變。

要確切說明煤的特性，必須同時(shí)指明百分比的基準(zhǔn)。常用的基準(zhǔn)有：收

到基、空氣干燥基、干燥基和干燥無灰基四種。

(1)收到基：以包括全部水分和灰分的燃料作為100%的成分，亦

即鍋爐燃料的實(shí)際成分(鍋爐爐前使用的燃料)可表示為

Car+Har+Ot,r+N8r+St"'+Aar+Wa,=100%

角碼“ar”表示收到基成分。因?yàn)槭盏交硎镜氖菍?shí)際燃料，所以

在進(jìn)行燃料計(jì)算和熱效應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，都以收到基為準(zhǔn)。

(2)空氣干燥基：以去掉外部水分的燃料作為100%的成分。以角

碼“ad”表示。

C^+H^+O^+N^+S^+A^+r^100%

(3)干燥基：以去掉全部水分的燃料作為100%的成分，以角碼“d”

表不；

(4)干燥無灰基：以去掉水分和灰分的燃料作為100%的成分叫做

干燥無灰基成分。用角碼“daf”表示；

Cinr+Hdnf+Oda,+Ndnf+Sdnf=100%

表2-2給出了我國部分煤種的煤質(zhì)分析結(jié)果。

二、石油

石油是液體燃料的主要來源。

原油雖然易燃，但出于安全和經(jīng)濟(jì)的考慮，一般將原油加工為各種

石油化學(xué)產(chǎn)品。通過蒸飽、裂化和重整等過程，生產(chǎn)出各種汽油、溶劑、

化學(xué)產(chǎn)品和燃料油。

三、天然氣

天然氣是典型的氣體燃料，它的組成一般為甲烷85%,乙烷10%,丙

烷3%；含碳更高的碳?xì)浠衔镆部赡艽嬖谟谔烊粴庵小?/p>

四、非常規(guī)燃料

除了煤、石油、天然氣等常規(guī)燃料外，所有可燃性物質(zhì)都包括在非

常規(guī)燃料之列；

根據(jù)來源，非常規(guī)燃料可分為如下幾類：

（1）城市固體燃料；

（2）商業(yè)和工業(yè)固體廢棄物；

（3）農(nóng)產(chǎn)物及農(nóng)村廢物；

（4）水生植物和水生廢物：

（5）污泥處理廠廢物：

（6）可燃性工業(yè)和采礦廢物；

（7）天然存在的含碳和含碳?xì)涞馁Y源：

（8）合成燃料；

非常規(guī)燃料既能提供能源，又能處置廢物，減輕對環(huán)境的壓力。但

是非常規(guī)燃料的燃燒常常產(chǎn)生出比常規(guī)燃料更嚴(yán)重的空氣污染和水體污

染，應(yīng)予以特殊的注意。

2.2燃料燃燒過程

目的要求：了解燃料燃燒的條件，理解并掌握燃燒所需空氣量的計(jì)

算、理解空氣過剩系數(shù)；

重點(diǎn)難點(diǎn)：燃燒所需空氣量計(jì)算

授課方式：講授

一、影響燃燒過程的主要因素

燃燒是指可燃混合物的快速氧化過程，并伴隨著能量（光和熱）的

釋放，同時(shí)使燃料的組成元素轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的氧化物。

完全燃燒的產(chǎn)物是二氧化碳和水蒸氣，不完全燃燒過程將產(chǎn)生黑煙，

一氧化碳和其他部分氧化產(chǎn)物等大氣污染物；

1、燃料完全燃燒的條件

要使燃料完全燃燒必須具備如下條件

（1）空氣條件

（2）溫度條件燃料只有達(dá)到著火溫度，才能與氧化合而燃燒；

固體燃料〈液體燃料〈氣體燃料

(3)時(shí)間條件燃料在燃燒室中的停留時(shí)間是影響燃燒完全程度的

另一基本因素，燃料在高溫區(qū)的停留時(shí)間應(yīng)超過燃料燃燒所需要的時(shí)間；

(4)燃料與空氣的混合條件

適當(dāng)控制這四個(gè)因素一一空氣與燃料之比、溫度、時(shí)間和湍流度，

是在大氣污染物排放量最低條件下實(shí)現(xiàn)有效燃燒所必須的，評價(jià)燃燒過

程和燃燒設(shè)備時(shí)，必須認(rèn)真考慮這些因素、通常把溫度、時(shí)間和湍流稱

為燃燒過程的“三T”；

二、燃料燃燒的理論空氣量

1、理論空氣量

單位量燃料燃燒按燃燒反應(yīng)方程式完全燃燒所需要的空氣量稱為理

論空氣量；它由燃料的組成決定，可根據(jù)燃燒方程式計(jì)算求得。

建立燃燒方程式時(shí)，做如下假定：

(1)空氣僅是由氮和氧組成的，其體積比為79.1：20.9=3.78：

(2)燃料中的固定態(tài)氧可用于燃燒；

(3)燃料中的硫主要被氧化為二氧化硫：

(4)熱力型NOx的生成量較小，燃料中含氮量也較低，在計(jì)算

理論空氣量時(shí)可以忽略；

(5)燃料中的氮在燃燒時(shí)轉(zhuǎn)化為N?和NO,一般以N2為主；

(6)燃料的化學(xué)式為CxHySzOw,其中下標(biāo)x,y,z,w分別代

表碳、氫、硫和氧的原子數(shù)；

由此，可得燃料與空氣中氧完全燃燒的化學(xué)反應(yīng)方程式：

CxHySzOw+(x+y/4+z-w/2)Oz+3.78(x+y/4+z-w/2)N2------

xCO2+y/2H2+zSO2+3.78(x+y/2+z-w/2)N2+Q(2-5)

例2?1,通過使用燃料完全燃燒化學(xué)方程式，計(jì)算理論空氣量條件卜

的燃料空氣質(zhì)量比，確定燃燒產(chǎn)物氣體的組成；

例2-2,基于燃料的質(zhì)量的元素分析結(jié)果，首先轉(zhuǎn)化為等效的摩爾組

成，然后求燃燒時(shí)的理論空氣量：

2、空氣過剩系數(shù)

在理想的混合狀態(tài)下，理論量的空氣即可保證完全燃燒，但在實(shí)際

的燃燒裝置中，“三T”條件不可能達(dá)到理想化的程度，因此為使燃料完

全燃燒，就必須供給過量的空氣。

一般把超過理論空氣量多供給的空氣量稱為過?？諝饬?，并把實(shí)際

空氣量Va與理論空氣量Va。之比定義為空氣過剌系數(shù)a,即

a=Va/Va°

通常a>l,a值的大小決定于燃料種類、燃燒裝置形式及燃燒條件

等因素。

3、空燃比（AF）

空燃比定義為單位質(zhì)量燃料燃燒所需要的空氣質(zhì)量；可由燃燒方程

直接求得；

三、燃燒產(chǎn)生的污染物

燃料的燃燒過程并不像方程式2-5表示的簡單過程，還有分解和其

他的氧化過程。燃燒煙氣主要由懸浮的顆粒物、燃燒產(chǎn)物、未燃燒和部

分燃燒的燃料、氧化劑以及惰性氣體等組成。

燃燒可能放出的污染物有：二氧化碳、一氧化碳、硫氧化物、氮氯

化物、煙、飛灰、金屬及其氧化物、金屬鹽類等等；他們的形成與燃燒

條件有關(guān)；

例2?3,通過重油燃料計(jì)算理論空氣量，掌握計(jì)算理論空氣量的另一

種思路和方法；

四、熱化學(xué)關(guān)系式

1、發(fā)熱量

燃燒過程是放熱反應(yīng)，釋放的能量（光和熱）產(chǎn)生于化學(xué)鍵的重新

排列。單位燃料完全燃燒時(shí)發(fā)生的熱量變化，即在反應(yīng)物開始狀態(tài)和反

應(yīng)產(chǎn)物終了狀態(tài)相同的情況下（道常為298K和1atm）的熱量變化，稱

為燃料的發(fā)熱量，單位為kJ/kg（固體、液體燃料），或kJ/m3（氣體燃料）；

高位發(fā)熱量包括燃料燃燒生成物中水蒸氣的汽化潛熱；低位發(fā)熱量

是指燃燒產(chǎn)物中的水蒸氣仍以氣態(tài)存在是完全燃燒過程所釋放的熱量；

一般燃燒設(shè)備中的排煙溫度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水蒸氣的凝結(jié)溫度，因此大

都按低位發(fā)熱量計(jì)算燃料發(fā)熱曷。

2、燃燒設(shè)備的熱損失

燃燒設(shè)備的熱損失主要包括排煙熱損失、不完全燃燒熱損失和爐體

散熱損失等；

（1）排煙熱損失

主要是由于排煙帶走了一部分熱量所造成的，可根據(jù)排煙的熠與進(jìn)

入鍋爐冷空氣的焰之差來計(jì)算；影響排煙熱損失的主要因素是排煙溫度

和排煙體積；

（2）不完全燃燒熱損失

包括化學(xué)不完全燃燒和機(jī)械不完全燃燒；前者是由于煙氣中含有殘

余的可燃?xì)怏w所造成的，主要為一氧化碳，還有少量的氫氣和甲烷；后

者是由于灰中含有未燃盡的碳造成的；

(3)散熱損失

由于鍋爐爐墻、爐筒、聯(lián)箱、汽水管道等部分溫度高于周圍空氣溫

度，因而有部分熱量散失到空氣中而造成的損失；

3.3煙氣體積及污染物排放量計(jì)算

目的要求：理解并掌握煙氣體積的計(jì)算及污染物排放量的計(jì)算；

重點(diǎn)難點(diǎn)：煙氣體積及污染物排放體積的計(jì)算；

授課方式：講授

一、煙氣體積計(jì)算

1、理論煙氣體積

在理論煙氣量下，燃料完全燃燒所生成的煙氣體積稱為理論煙氣體

積，以Vfg。表示；

煙氣成分主要是二氧化碳、二氧化硫、氮?dú)夂退魵?。通常把煙?/p>

中除了水蒸氣以外的部分稱為干煙氣，把包括水蒸氣在內(nèi)的煙氣稱為濕

煙氣。所以理論煙氣體積等于干煙氣體積與水蒸氣體積之和；

理論水蒸氣體積是由三部分枸成的；燃料中的氫燃燒后生成的水蒸

氣體積，燃料中所含水蒸氣體積和由供給的理論空氣量帶入的水蒸氣體

積；

2、煙氣體積和密度的校正

燃燒裝置產(chǎn)生的煙氣的溫度和壓力總是高于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(273K,latm),

在煙氣體積和密度計(jì)算中往往需要換算成為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。

若設(shè)觀測狀態(tài)下(溫度Ts,壓力Ps)煙氣的體積為Vs、密度為PS,

在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(溫度Tn,壓力Pn)煙氣的體積為Vn,密度為Pn,貝!由

理想氣體狀態(tài)方程可得標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的煙氣體積：Vn=Vs賽果

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下煙氣的密度：普看

3、過?？諝庑Ｕ?/p>

燃燒過程中的實(shí)際煙氣體積應(yīng)為理論煙氣體積與過?？諝饬恐汀?/p>

以碳在空氣中的完全燃燒為例

C+O2+3.78N2——CO2+3.78N2

煙氣中僅含有CO2和N2,若空氣過量，則燃燒方程式變?yōu)?/p>

C+(1+a)02+(1+a)3.78N2——CO2+aO2+(1+a)3.78N2

其中a是過剩空氣中02的過剩摩爾數(shù)。根據(jù)定義，空氣過剩系數(shù)：

實(shí)際空氣量(1+a)(O2+3.78N2)t

理論空氣量O2+3.78N2

要計(jì)算a,必須知道過剩氧的摩爾數(shù)。

若燃燒是完全的，過剩空氣中的氧僅能以02的形式存在，假如燃

燒產(chǎn)物以下表p表示

C+(1+a)O2+(1+a)3.78N2——CChp+Chp+N2P

其中，O2p=aO2,表示過剩氧量，N2P為實(shí)際空氣量中所含的總氮量。

假設(shè)空氣的體積組成為20.9%Ch和79.1%N2,則實(shí)際空氣量中所含的總

氧量為：(20.9/79.1)N2P=0.264N2P

理論需氧量為0.264N2P-O2p，因此空氣過剩系數(shù)

102P

a=1+------------------

0.264N2P-02P

如果是不完全燃燒，產(chǎn)生co,過剩氧量必須加以修正，即從測得

的過剩氧中減去氧化CO為CO2所需要的氧。因此

.Ozp_0.5COp

a-1+-----------------------------------

0.264N2P-(O2p-0.5COp)

式中各組分的量均為奧薩特儀所測得的各組分的百分?jǐn)?shù)。

例題，不完全燃燒根據(jù)奧薩特儀測定結(jié)果計(jì)算實(shí)際煙氣體積.

二、污染物排放量的計(jì)算

根據(jù)測定煙氣中污染物的濃度，實(shí)際排煙量，計(jì)算污染物的排放量。

例題2-4,掌握理論煙氣量、實(shí)際煙氣量及其中某種成分含量的計(jì)算，

通過計(jì)算過程，鞏固所學(xué)基本知識(shí)及基本概念；

例題2?5,掌握煙氣密度的校正及過剩空氣的校正；

2.4燃燒過程污染物的形成與控制

目的要求：了解燃燒過程硫氧化物、顆粒物、氮氧化物、有機(jī)污染

物等污染物的形成機(jī)理；

重點(diǎn)難點(diǎn)：無

授課方式：講授、自學(xué)

一、燃燒過程硫氧化物的形成與控制

1、燃料中硫的氧化機(jī)理

(1)燃料中硫的氧化

燃料中的硫在燃燒過程中與氧反應(yīng)，主要產(chǎn)物是SO2和so”但so.

的濃度相當(dāng)?shù)停词乖谪毴剂蠣顟B(tài)下，生成的SO3也只占SO2生成量的

百分之幾。在富燃料狀態(tài)，除了二氧化硫外，還有一些其他硫的氧化物，

如一氧化硫SO及其二聚物(SO)2,還有少量的一氧化二硫S2O。由于

它們的化學(xué)反應(yīng)能力強(qiáng)，所以僅在各種氧化反應(yīng)中以中間體的形式出現(xiàn)。

燃燒過程硫的氧化產(chǎn)物不僅造成大氣污染，而且由于它們的腐蝕性，

會(huì)引起燃?xì)廨啓C(jī)和其他工業(yè)動(dòng)力裝置中一些嚴(yán)重的物理問題，也可能影

響到氮氧化物的形成。因而研究硫化物氧化過程的重要性不僅在于它可

能提供控制硫氧化物排放的其他新方法，而且對其他污染物的生成機(jī)理

及其濃度的影響也很重要。

對于H2S、COS和CS2的燃燒機(jī)理已有相當(dāng)詳細(xì)的描述，但很少知

道煤炭燃燒過程中放出的其他一些含硫氣體的燃燒機(jī)理。

(2)H2S的氧化

H2s的氧化過程分三個(gè)階段。首先，大部分H2s被消耗掉，其燃燒

產(chǎn)物主要是S02和H20。主要反應(yīng)為

O+HiS^SO+Hi

SO+O2―>so：+0

還有某種程度的鏈分支反應(yīng)

O+HZSTOH+SH

在第二階段，SO濃度減少，OH濃度達(dá)到其最大值，SO2達(dá)到其最

終濃度。反應(yīng)(2-17)較(2-14)所起的作用大。最后，當(dāng)氫濃度達(dá)到最

大值時(shí)，水的濃度開始卜一升，其反應(yīng)為

Hz+OfOH+H

H+Ch-OH+O

OH+H2TH2O+H

(3)CS2和COS的氧化

(4)元素硫的氧化

純硫氧化的惟一特點(diǎn)在于生成的SO3所占SOx的百分比較通常情況

高得多(約20%)。

(5)有機(jī)硫化物的氧化

燃料中的有機(jī)硫可能以硫醇、硫化物或二硫化物的形式存在，它們

燃燒的主要產(chǎn)物都是二氧化硫。

2.SCh和SCh之間的轉(zhuǎn)化

3、硫氧化物形成的控制

初步估算表明，全球從燃燒系統(tǒng)排入大氣的硫化物總量為93X

106t/a,其中大約70%由燃用化石燃料的發(fā)電廠排出。在排入大氣后，硫

的氧化物迅速轉(zhuǎn)化為硫酸鹽和硫酸污染環(huán)境，因此必須控制燃燒生成的

SO2?？刂频姆椒ㄓ校翰捎玫土蛉剂?，燃料脫硫，燃燒過程中脫硫或煨氣

脫硫。因低硫燃料的儲(chǔ)量不大，因而使用上受到限制。燃料脫硫、燃燒

過程中脫硫和煙氣脫硫?qū)⒃诘诎苏轮性敿?xì)講述；

二、燃燒過程中顆粒污染物的形成與控制

1、碳粒子的生成

燃燒過程中生成一些主要成分為碳的粒子，通常由氣相反應(yīng)生成積

炭，由液態(tài)燃燃料高溫分解產(chǎn)生的那些粒子都是結(jié)焦或煤胞。

(1)積炭的生成

火焰中形成的積炭由大量粗糙的球形粒子組成，很像項(xiàng)鏈上的珍珠，

其粒徑在100到2000埃之間，隨火焰的形式而明顯改變。生成積炭的過

程有三個(gè)階段：第一階段是最復(fù)雜的所謂核化過程，即發(fā)生氣相脫氫反

應(yīng)并產(chǎn)生凝聚相固體碳，后一階段就在這些核表面上發(fā)生一些非均質(zhì)反

應(yīng)，最后階段是一種較為緩慢的聚團(tuán)或凝聚過程。

是否出現(xiàn)積炭主要取決于核化步驟和氧化這些中間體的那些反應(yīng)速

率是否較快。燃料的分子結(jié)構(gòu)是影響積炭的主導(dǎo)因素。通常碳?xì)浔仁强?/p>

制積炭趨勢的度量，有機(jī)化合物的不飽和度對生碳有一定影響，支鏈化

合物比直鏈化合物釋放碳的趨勢要大。

實(shí)踐證明，如果讓碳?xì)浠衔锶剂吓c足量的氧化合，能夠防止積炭

生成。

(2)石油焦和煤胞的生成

液態(tài)燃料的燃燒尾氣不僅含有氣相過程形成的積炭，而且也會(huì)含有

由液態(tài)燃燃料本身生成的碳粒。燃料油霧滴在被充分氧化之前，與熾熱

壁面接觸，會(huì)導(dǎo)致液相裂化，接著發(fā)生高溫分解，最后出現(xiàn)結(jié)焦；由此

產(chǎn)生的碳粒叫做石油焦，是一種比積炭更硬的物質(zhì)。多組分重殘油的燃

燒實(shí)驗(yàn)表明，燃料液滴燃燒的后期，將生成一種稱為煤胞的焦粒，并且

難以燃燒。

2、燃煤煙塵的形成

（1）黑煙和飛灰的形成

固體燃料燃燒產(chǎn)生的顆粒物通常稱為煙塵，包括黑煙和飛灰兩部分。

黑煙主要是未燃盡的碳粒，飛灰主要是燃料中含有的不可燃礦物質(zhì)顆粒，

是灰分的一部分。其發(fā)生量可在派出口用儀器直接測量，也可根據(jù)物料

平衡關(guān)系間接計(jì)算；

如果燃燒條件非常理想，煤可以完全燃燒，即完全氧化為C02,等

氣體，余下為灰分。如果燃燒不夠理想，甚至很差，煤不但燃燒不好，

而且在高溫下發(fā)生熱解作用。煤熱解很易形成多環(huán)化合物，這樣就會(huì)冒

黑煙。雖然開展了許多研究，但我們多形成黑煙的機(jī)制的認(rèn)識(shí)并不十分

完全。已經(jīng)證明，當(dāng)碳與氧的摩爾比接近與1.0時(shí)，最易形成黑煙。在

黑煙中含有花、慈、苯并花等。燃燒裝置不同，燃燒條件不同，產(chǎn)生這

些多環(huán)芳香燒的數(shù)量有很大差異。在理想條件下，是否容易形成黑煙，

與煤的種類和質(zhì)量有很大關(guān)系。煙煤最易形成黑煙，無煙煤和焦炭不易

產(chǎn)生黑煙。

（2）影響燃煤煙氣中飛灰排放特征的因素

燃煤尾氣中飛灰的濃度和粒度與燥質(zhì)、燃燒方式、煙氣流速、爐排

和爐膛的熱負(fù)荷、鍋爐運(yùn)行負(fù)荷以及鍋爐結(jié)構(gòu)等多種因素有關(guān)。

燃燒方式不同，排塵濃度相差很大，煤粉爐的煙塵量最大；燃燒方

式對煙塵顆粒分布影響也很大，煤粉爐的煙塵顆粒最細(xì)，見表2-8和表

2-9；

煤質(zhì)對排塵濃度也有較大影響，一般灰分越高，含水量越少，排塵

濃度就越高；

煙氣流速越低，排塵濃度也越低；

爐排和爐膛的熱負(fù)荷也將對排塵濃度產(chǎn)生影響。爐排熱負(fù)荷是指每

平方米爐排面積上每小時(shí)燃料燃燒所釋放出來的熱量。爐排熱負(fù)荷增加，

導(dǎo)致單位爐排面積上燃煤量增加，則流過爐排的氣流速度也將成正比增

力口，灰分被氣流夾帶而飛逸的可能性就越大,爐腹熱負(fù)荷是每立方米爐

膛體積內(nèi)每小時(shí)燃料燃燒所釋放出的熱量。爐膛必須保持足夠的燃燒空

間，以使燃燒過程逸出的可燃?xì)怏w有充分的時(shí)間進(jìn)行燃燒，提高鍋爐的

消煙效果；

鍋爐的運(yùn)行負(fù)荷也對鍋爐的排塵濃度產(chǎn)生影響。鍋爐運(yùn)行負(fù)荷是指

鍋爐每小時(shí)蒸發(fā)量與該鍋爐額定蒸發(fā)量的百分比；鍋爐負(fù)荷越高，燃煤

量越大，煙氣量必然增大，排塵濃度就會(huì)增加。

（3）煙塵的控制

對于已形成的煙塵，在隨煙氣外排時(shí)，采取除塵措施可降低對大氣

的污染。消煙除塵，首先應(yīng)考慮煙塵形成機(jī)理，盡可能把煙塵消滅在燃

料燃燒過程中。黑煙是燃料不完全燃燒的產(chǎn)物，故可通過改善燃燒條件

來減少排放量。

煙煤等在高溫條件下產(chǎn)生大量的揮發(fā)分，供氧不足時(shí)形成黑煙。采

用上點(diǎn)火下加煤，供給二次空氣等措施可使燃料充分燃燒，消除黑煙。

液體燃料為減少燃燒產(chǎn)生的黑煙，除與空氣均勻混合之外，油料霧化要

良好，粒徑和油滴分布要適當(dāng)。經(jīng)驗(yàn)證明，在燃料受熱前與一部分空氣

混合，是防止黑煙生成的有效措施。

三、燃燒過程中其他污染物的形成與控制

除前面講到的污染物外，燃燒過程還產(chǎn)生氮氧化物、有機(jī)污染物和

一氧化碳等。第九章詳細(xì)討論燃燒過程中氮氧化物的形成，這里僅對有

機(jī)污染物和一氧化碳的形成做簡要介紹；

1、有機(jī)污染物的形成與控制

（1）燃燒過程中有機(jī)污染物的形成

有機(jī)污染物是指未燃盡的碳?xì)浠衔?，是燃料燃燒不完全的結(jié)果。

有些碳?xì)浣M分對人體健康的危害并不嚴(yán)重，在低濃度下是惰性的。

多核有機(jī)化合物（POM）當(dāng)積累到某一臨界濃度后能夠引起癌癥。比較

活潑的碳?xì)浠衔锟赡苁钱a(chǎn)生光化學(xué)煙霧的直接原因。

排出的碳?xì)浠衔锏南鄬舛仁苋剂辖M成的影響很大，對于含有較

大濃度烯崎和芳香燃的燃料，燃燒尾氣含有較高濃度的易反應(yīng)的碳?xì)浠?/p>

合物和POM.燃燒過程中，碳?xì)浠衔锿ㄟ^鏈?zhǔn)椒磻?yīng)進(jìn)行熱分解，同時(shí)

也會(huì)發(fā)生合成反應(yīng)。

（2）燃燒過程中有機(jī)污染物的控制

要同時(shí)滿足減少碳?xì)浠衔锖偷趸飪烧叩呐欧帕?，只能通過控

制混合的型式，溫度水平和在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的停留時(shí)間分布來實(shí)現(xiàn)。

2、一氧化碳的形成與控制

一氧化碳是所有大氣污染物中量最大、分布最廣的一種，也是燃燒

過程中產(chǎn)生的主要污染物之一。一氧化碳的來源是汽車排氣。

目前可以肯定，最初存在于燃料中的所有碳都將形成一氧化碳。因

此，所有控制一氧化碳排出努力都集中在完全氧化一氧化碳為二氧化碳，

而不是企圖阻止它的形成。在火焰溫度下，足夠的氧存在并且停留時(shí)間

足夠長，一氧化碳濃度可以達(dá)到豐常低的水平，轉(zhuǎn)變成二氧化碳。

3、汞的形成

作業(yè)：P61-62：1、3、4、6；

本章小結(jié):

第三章大氣污染氣象學(xué)

3.1大氣圈結(jié)構(gòu)及氣象要素

目的要求：了解大氣圈的結(jié)構(gòu)，掌握主要?dú)庀笠丶捌浔硎痉椒ǎ?/p>

重點(diǎn)難點(diǎn)：主要?dú)庀笠氐谋硎痉椒ǎ?/p>

授課方式：講授：

一、大氣圈垂直結(jié)構(gòu)

1、大氣圈及其垂直結(jié)構(gòu)

大氣圈：自然地理學(xué)將受地心引力而隨地球旋轉(zhuǎn)的大氣層稱為大氣

圈；在大氣物理學(xué)和污染氣象學(xué)研究中，常把大氣圈的上界定為

1200-1400km：

大氣圈的垂直結(jié)構(gòu)：是指氣象要素的垂直分布情況，如氣溫、氣壓、

大氣密度和大氣成分的垂直分布。

2、氣溫的垂直分布情況

根據(jù)氣溫在垂直于下墊面（即地球表面情況）方向上的分布情況，

可將大氣圈分為五層：對流層、平流層、中間層、暖層和散逸層；

（1）對流層指大氣圈最低的一層。對流層的厚度隨緯度的增加而

降低；對流層的主要特征是：

a、對流層雖然很薄，但卻集中了整個(gè)大氣質(zhì)量的3/4和幾乎全部水

汽，主要的大氣現(xiàn)象都發(fā)生在這一層，它是天氣變化最復(fù)雜、對人類活

動(dòng)影響最大的一層；

b、大氣溫度隨高度增加而降低，每升高100m平均降溫約0.65℃；

C、空氣具有掰烈的對流運(yùn)動(dòng)，主要是由于下墊面受熱不均勻及其本

身特征不同造成的；

d、濕度和溫度的水平分布不均勻，在熱帶海洋上空，空氣比較溫暖

潮濕，在高緯度內(nèi)陸上空，空氣比較寒冷干燥，因此也經(jīng)常發(fā)生大規(guī)模

空氣的水平運(yùn)動(dòng)。

在大氣邊界層中，由于氣流運(yùn)動(dòng)受地面摩擦的影響，故風(fēng)速隨高度

的增加而增大。在這一層中，大氣上下有規(guī)則的對流和無規(guī)則的湍流運(yùn)

動(dòng)都比較盛行，加上水汽充足，直接影響著大氣污染物的傳輸、擴(kuò)散和

轉(zhuǎn)化。

（2）平流層從對流層頂?shù)?0-55km高度的一層稱為平流層。從對

流層頂?shù)?5-40km左右的一層，氣溫幾乎不隨高度變化，為-55℃左右，

故稱為同溫層。從這以上到平流層頂，氣溫隨高度增高而增高，至平流

層頂達(dá)-3℃左右，也稱逆溫層。

平流層集中了大氣中大部分臭氧，并在20-25km高度上達(dá)到最大值，

形成臭氧層。

平流層中，幾乎沒有大氣對流運(yùn)動(dòng)，大氣垂直混合微弱，極少出現(xiàn)

雨雪天氣，所以進(jìn)入平流層中的大氣污染物的停留時(shí)間很長。

（3）中間層從平流層頂?shù)?5km高度的一層稱為中間層。

這一層的特點(diǎn)是，氣溫隨高度的升高而迅速降低，其頂部氣溫可達(dá)

-83℃以下。因此大氣的對流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，垂直運(yùn)動(dòng)明顯。

（4）暖層從中間層頂?shù)?00km高度為暖層。其特點(diǎn)是，在強(qiáng)烈的

太陽紫外線和宇宙射線作用下，再度出現(xiàn)氣溫隨高度升高而增高的現(xiàn)象。

暖層氣體分子被高度電離，存在著大量的離子和電子，故又稱為電離層。

（5）散逸層暖層以上的大氣層統(tǒng)稱為散逸層。它是大氣的外層，

氣溫很高，空氣極為稀薄，空氣粒子運(yùn)行速度很高，可以擺脫地球引力

而散逸到太空中。

二、主要?dú)庀笠?/p>

表示大氣狀態(tài)的物理量和物理現(xiàn)象，稱為氣象要素。氣象要素主要

是：氣溫、氣壓、氣濕、風(fēng)向、風(fēng)速、云況、能見度等。

1、氣溫氣象上講的地面氣溫一般指距離地面1.5m高處百葉箱中

觀測到的空氣溫度。它反映了某一條件下空氣分子平均動(dòng)能的大??；

表示氣溫高低常用的溫度有兩種：攝氏溫度和熱力學(xué)溫度。兩種溫

度的換算關(guān)系如下：

lK=ir+273.15

百葉箱：安裝溫、濕度儀器用的防護(hù)設(shè)名.它的內(nèi)外部分應(yīng)為白色。

白色的,不容易吸熱。百葉箱的作用是防止太陽對儀器的直接輻射和地

面對儀器的反射輻射,保護(hù)儀器免受強(qiáng)風(fēng)、雨、雪等的影響,并使儀器

感應(yīng)部分有適當(dāng)?shù)耐L(fēng),能真實(shí)地感應(yīng)外界空氣溫度和濕度的變化。白

天,空氣對太陽輻射的吸收能力弱于任一種溫度感應(yīng)元件;夜晚,空氣

的紅外輻射能力又弱于任一種溫度感應(yīng)元件的表面。任何直接暴露在空

氣中的測溫元件,其測量值在白天將系統(tǒng)偏高于氣溫,夜間則系統(tǒng)偏低。

為避免這種輻射誤差,必須對測溫元件采取有效的輻射屏蔽措施。百葉

箱是其中的一種,廣泛安裝在氣象臺(tái)站網(wǎng)的氣象觀測場上。百葉箱通常

由木質(zhì)和玻璃鋼兩種材料制成。百葉箱里一般放四只溫度計(jì):兩個(gè)豎著

放的,即干球溫度計(jì)和濕球溫度計(jì),干球溫度計(jì)的讀數(shù)就是當(dāng)時(shí)的氣溫。

而用這兩個(gè)溫度計(jì)的讀數(shù)經(jīng)過簡單計(jì)算就可以計(jì)算出來當(dāng)時(shí)的空氣濕度

另外還有兩個(gè)躺著放的溫度計(jì),即最高溫度計(jì)和最低溫度計(jì)。用他們可

以得出一天內(nèi)的最高溫度和最低溫度。

2、氣壓大氣的壓強(qiáng)。靜止大氣中某觀測高度上的氣壓值等于其單

位面積上所承受的大氣柱的重量；

氣壓一般用水銀氣壓柱或空盒氣壓表測定；

氣象上常采用百帕(hPa)作單位，lhPa=100Pa。國際上規(guī)定：溫度

0℃、緯度45°的海平面上的氣壓為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

3、氣濕空氣的濕度簡稱氣濕，表示空氣中水汽含量的多少。氣濕

常用的表示方法有絕對濕度、水汽壓、飽和水汽壓、相對濕度、含濕量、

水汽體積分?jǐn)?shù)及露點(diǎn)等。大氣的濕度是決定云、霧、降水、蒸發(fā)等天氣

狀況的重要因素。

(1)絕對濕度在濕空氣中含有的水汽質(zhì)量(kg),稱為濕空氣

的絕對濕度。

pw=pw/7?wT(3-1)

(2)相對濕度空氣的絕對濕度(夕卬)與同溫度下飽和空氣的絕

對濕度(小，)之百分比，稱為空氣的相對濕度。由式(3-1)可知，它

等于空氣的水汽分壓與同溫度下飽和空氣的水汽分壓/X之百分比，即

^=pw//9vxlOO=pw/pvxlOO(3-2)

(3)含濕量濕空氣中1kg干空氣所包含的水汽質(zhì)量(kg)稱為空

氣的含濕量，氣象中也稱為比濕，其定義式為

d=pw//?<i(3-3)

其中：pd為干空氣的密度，kg/m3；

由理根氣體狀態(tài)方程及式3-1、3-2、3-3,可將含濕量表示成

6=2=見=包.^^=包._^_34)

p、R、、pdRwp-pwR、\p-(ppv

p-----濕空氣的總壓力；

pd---干空氣分壓，因而p二處+〃卬；

干空氣的氣體常數(shù)R/=287.0J/(kg?K),濕空氣R「=461.4J/

(kg.K),則R4/=287.0/461.4=0.622,帶入式3-4得，

d=0.622工0.622—^―=0.622(3-5)

pdp-pwP~(PP'

在工程中常將濕空氣的含濕量定義為1標(biāo)準(zhǔn)立方米(1m/)干空氣

所含的水汽質(zhì)量(kg)其單位為kg水汽/mJ干空氣，并用的表示，則

得do=dpNd(3-6)

夕AW為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(273.15K,101325Pa)下干空氣的密度(kg/m-)。

考慮到Rd/Rw=0.8040W,則得

do=0.804上=0.804—^—=0.804叱(3-7)

pdp-pwp-(ppv

(4)水汽體積分?jǐn)?shù)對于理想氣體來說，混合氣體中某一氣體的體

積分?jǐn)?shù)等于其摩爾分?jǐn)?shù)，所以水汽的體積分?jǐn)?shù)可表示為

&=也=_do_=_dp^_eg)

pp0.804+Jo0.804+dpzd

例3-1通過例題對氣溫、氣壓尤其是氣濕的幾種常用表示方法進(jìn)行

鞏固掌握；

(5)露點(diǎn)在一定氣壓下空氣達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的溫度，稱為空氣的

露點(diǎn)。

4、方向和風(fēng)速

(1)風(fēng)向氣象上把空氣的水平運(yùn)動(dòng)稱為風(fēng)，垂直方向的空氣運(yùn)動(dòng)

稱為升降氣流；

風(fēng)向是指風(fēng)的來向；風(fēng)向可用8個(gè)方位或16個(gè)方位來表示；

(2)風(fēng)速單位時(shí)間內(nèi)空氣在水平方向運(yùn)行的距離，單位用m/s或

km/h表示；

通常氣象臺(tái)站所測定的風(fēng)向和風(fēng)速，都是指一定時(shí)間的平均值；

根據(jù)自然現(xiàn)象將風(fēng)力分為13個(gè)等級(0-12級)，若用F表示風(fēng)力等

級，則風(fēng)速u(單位：km/h)為〃^3.02廬；

由于地面對風(fēng)產(chǎn)生摩擦，起阻礙作用，所以風(fēng)速隨高度升高而增加。

100m高處的風(fēng)速約為1m高處風(fēng)速的3倍；

5、云

云是漂浮在空氣中的水汽凝結(jié)物；這些水汽凝結(jié)物是由大量小水滴

或小冰晶或兩者的混合物構(gòu)成的。

云的生成與否、形成特征、量的多少、分布及演變，不僅反映了當(dāng)

時(shí)大氣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而且預(yù)示著天氣演變的趨勢；

云對太陽輻射和地面輻射起反射作用，反射的強(qiáng)弱視云的厚度而定；

從污染物擴(kuò)散的觀點(diǎn)看，主要關(guān)心的是云的云量及云高；

(1)云高是指云底距離地面的高度；

根據(jù)云底高度可將云分為：高云：云底高度一般為5000m以上；中

云：云底高度一般在2500-5000m之間；低云：云底高度一般在2500m

以下；

（2）云量云量是指云遮蔽天空的成數(shù)；

我國將天空分為10份，云遮蔽了幾份，云量就是幾；

總云量：指所有云遮蔽天空的成數(shù)，不論云的層次和高度；

低云量：指低云遮蔽天空的成數(shù)；

云量記錄：一般總云量和低云量以分?jǐn)?shù)的形式計(jì)入觀測記錄?？傇?/p>

量作分子，低云量作分母，如10",5/5等；任何情況下，低云量不得大

于總云量；

6、能見度

能見度是指視力正常的人在當(dāng)時(shí)的天氣條件下，能夠從天空背景中

看到或辨認(rèn)出目標(biāo)物（黑色，大小適度）的最大水平距離，單位用m或

km：

能見度表示了大氣清潔、透明的程度，觀測值通常分為10級，如表

3-1所示；

7、降水降水是指從大氣中降落至地面的液態(tài)或固態(tài)水的通稱。如

雨、雪等。降水量是指從大氣中降落至地面未經(jīng)蒸發(fā)、滲透和流失而在

水平面上積聚的水層厚度，以毫米為單位。降水是清除大氣污染物的重

要機(jī)制之一。

3.2大氣的熱力過程

目的要求：了解大氣熱力過程、逆溫，掌握大氣穩(wěn)定度及其判別；

重點(diǎn)：大氣穩(wěn)定度的判別，逆溫的類型；

授課方式：講授

一、太陽、大氣和地面的熱交換

太陽是地球和大氣的主要熱源，低層大氣的增熱和冷卻，是太陽、

大氣和地面之間進(jìn)行熱量交換的結(jié)果。

太陽、大氣和地面之間的熱量交換過程，首先是太陽短波輻射加熱

了地球表面，然后是地面長波輻射加熱大氣。因此，近地層大氣溫度隨

地表溫度的升高而增加（自下而上地被加熱）；隨地表溫度的降低而降低

（自下而上地被冷卻）；地表溫度的周期性變化引起低層大氣溫度隨之周

期性的變化；

二、氣溫的垂直變化

氣溫的垂直分布與空氣污染有密切關(guān)系，這是因?yàn)闅鉁氐拇怪狈植?/p>

決定大氣穩(wěn)定度，而大氣穩(wěn)定度影響空氣運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而影響污染物的擴(kuò)散

稀釋。

1、大氣的絕熱過程與泊松方程

如果大氣中某一空氣塊作垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)與周圍空氣不發(fā)生熱量交換，

則將這樣的狀態(tài)變化過程稱為大氣的絕熱過程。

絕熱上升時(shí)，氣塊內(nèi)能減少，溫度降低；絕熱下降時(shí)，內(nèi)能增加，

溫度升高；

空氣塊的升降過程中因膨脹或被壓縮引起的溫度變化，要比它與外

界進(jìn)行熱交換引起的溫度變化大得多，所以一般可將沒有水相變化的空

氣塊的垂直運(yùn)動(dòng)近似地看作為絕熱過程。

根據(jù)熱力學(xué)第一定律和理想氣體狀態(tài)方程，可以推導(dǎo)出描述大氣熱

力過程的微分方程：

dP

dQ-CpdT-RT—(310)

其中：Q—加入體系的熱量；

Cp-干空氣的定壓比熱，Cp=1005J/(kg?K)；

R一干空氣的氣體常數(shù)，R=287.0J/(kg-K)；

【輻射能的吸收和轉(zhuǎn)換,空氣的增熱與冷卻,蒸發(fā)與凝結(jié)等，實(shí)質(zhì)

上是一種熱能的轉(zhuǎn)換,它服從熱力學(xué)系統(tǒng)的能量守恒定律,即熱力學(xué)第

一定律,其表達(dá)式為dQ=C\，dT+PdV,它表示加入任一熱力學(xué)系統(tǒng)的熱

量dQ,應(yīng)等于系統(tǒng)本身內(nèi)能的增加值CvdT,以及系統(tǒng)對外力做的功P3。

其中Cv為比定容熱容,匕T分別為系統(tǒng)的容積和溫度,P為外界壓力。

將狀態(tài)方程PV=RT代入上式,并取Cp-Cv=R,則上式改寫為

dP

dQ=CPdT-RTy,該式為氣象上常用的熱力學(xué)第一定律形式,將此式

改寫為dT=登+旦?史；可以看出,影響氣溫變化的原因有兩個(gè):一

CpCpP

是由于空氣與外界有熱量交換:一是由于外界壓力的變化使空氣膨脹或

壓縮:當(dāng)空氣團(tuán)作鉛直運(yùn)動(dòng)時(shí),外界的氣壓變化很大,且氣壓變化的影

響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過氣團(tuán)與周圍熱交換的影響時(shí),可以認(rèn)為空氣團(tuán)的溫度變化主

要受氣壓變化的影響,而不考慮熱交換的影響,及過程視為絕熱的；】

對于大氣的絕熱過程，dQ=0,上式變?yōu)?/p>

dTRdP

—二—?—z(3-11)

TCpP

將此式從氣塊升降前的狀態(tài)(To,Po)積分到氣塊升降后的狀態(tài)(T,

P),則得到：

T」P、尚

------------=1—(3-12)

To(P。，

上式稱為泊松方程(Poisson),他描述了氣塊在絕熱升降過程中，氣

塊的初始狀態(tài)與終態(tài)之間的關(guān)系，說明絕熱過程中氣溫的變化完全是由

氣壓變化引起的。

2、干絕熱直減率

干空氣塊(包括未飽和的濕空氣塊)絕熱上升或下降單位高度(通

常取100m)時(shí)，溫度降低或升高的數(shù)值，稱為干空氣溫度絕熱垂直遞減

率，簡稱干絕熱直減率，以Yd表示，其定義式為：

'z/T

=--(3-13)

[dZ)d

式中：下標(biāo)i一表示空氣塊；

下標(biāo)d一表示干空氣；

利用式(3-11)和(3-13)及氣壓隨高度變化的氣體靜力學(xué)方程等

關(guān)系式，可以得出：

yd=-[—1(3-14)

VdZhCp

式中重力加速度g=9.81m/s2,干空氣定壓比熱Cp=1005J/(kg?K),

則Ydt0.98K/100m。通常取Yd%lK/100m,它表示干空氣塊(或未飽和

的濕空氣塊)每升高(或下降)EOm時(shí)，溫度降低(或升高)約IKo

3、位溫

為了比較不同高度上兩氣塊的熱狀態(tài)，單純比較它們的溫度是不行

的，因?yàn)闅鈮簩釥顟B(tài)也有影響，只有將兩氣塊沿干絕熱過程訂正到一

個(gè)相同的氣壓后才能比較；

一干空氣塊絕熱升降到標(biāo)準(zhǔn)氣壓(lOOOhPa)處所具有的溫度稱為它

的位溫，以。表示。由式(3-12)得

R

(1000/f1000Y288

c/=/o----=/o----(3-15)

IPo)IPoJ

對上式兩端取對數(shù)后微分，代入絕熱方程(3-11)可得到絲=0,

0

則d0=0,常數(shù)。這表明干空氣塊作絕熱升降運(yùn)動(dòng)時(shí)，雖然其溫度

E是變化的，但其位溫確是不變的。所以。比Ti更能代表氣塊的熱力學(xué)

狀態(tài)。

4、氣溫的垂直分布

AT

氣溫隨高度的變化可以用氣溫垂直遞減率/=-丁來表示，簡稱氣

dZ

溫直減率。它指單位高度(通常取100m)氣溫的變化值。

在大氣污染中經(jīng)常用到氣溫星直遞減率Y和干絕熱垂直遞減率Yd,

二者意義不同。Yd表示干空氣在絕熱升降過程中每變化單位高度干空氣

自身的溫度變化，是一個(gè)物理常數(shù)，表示干空氣的某種熱力學(xué)性質(zhì)。而

丫表示實(shí)際環(huán)境大氣溫度隨高度的分布，它是一個(gè)變量。

若氣溫隨高度增加是遞減的，丫為正值，反之為負(fù)值；

氣溫隨垂直高度的分布，可用坐標(biāo)圖上的曲線表示，如圖3.3所示。

這種曲線稱為氣溫沿高度分布曲線或溫度層結(jié)曲線，簡稱溫度層結(jié)。

大氣中的溫度層結(jié)有四種類型：a、氣溫隨高度增加而遞減，且丫>

丫”稱為正常分布層結(jié)或遞減層結(jié)；b、氣溫直減率接近等于lk/lOOn,

即丫=Yd,稱為中性層結(jié)；c、氣溫不隨高度變化，即丫=0,稱為等溫層

結(jié)：d、氣溫隨高度增加而增加，即YV0,稱為氣溫逆轉(zhuǎn)，簡稱逆溫。

一般來說，在對流層中，氣溫隨高度的增加而降低，形成了氣溫下

高上低狀況，即丫>0；邊界層大氣中溫度隨高度的分布規(guī)律受下墊面影

響很大，溫度變化情況復(fù)雜。

三、大氣穩(wěn)定度

1、大氣穩(wěn)定度的概念

污染物在大氣中的擴(kuò)散與大氣穩(wěn)定度有密切關(guān)系。大氣穩(wěn)定度是指

在垂直方向上大氣穩(wěn)定的程度，限是否易于發(fā)生對流。

對于大氣穩(wěn)定度可以作這樣的理解，如果一空氣塊受到外力的作用，

產(chǎn)生了上升或下降的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)外力去除后，可能發(fā)生三種情況：a、氣塊

減速并有返回原來高度的趨勢，則稱這種大氣是穩(wěn)定的，b.氣塊加速上

升或下降，稱這種大氣是不穩(wěn)定的；c、氣塊被外力推導(dǎo)某一高度后，既

不加速也不減速，保持不動(dòng)，稱這種大氣是中性的；

2、大氣穩(wěn)定度的判別

判別大氣是否穩(wěn)定，可用氣塊法來說明。假設(shè)一氣塊的狀態(tài)參數(shù)為

L,P，和Pi,周圍大氣狀態(tài)參數(shù)為T、P和P,則單位體積氣塊所受四周

大氣的浮力為Pg,本身重力為Pg,在此二力作用下產(chǎn)生的向上加速度

為a=（3-16）

Pi

利用準(zhǔn)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PWP環(huán),若過程進(jìn)行的十分緩慢,可使

外界氣壓變化與系統(tǒng)內(nèi)部氣壓變化充分平衡,每一瞬間外部氣壓與內(nèi)部

氣壓看成是相等的，即p=p環(huán),這個(gè)條件稱為準(zhǔn)靜力條件.討論的大多數(shù)

過程我們認(rèn)為滿足準(zhǔn)靜力條件，即P=P'.）和曜想氣悔狀態(tài)方程,則芍

&=也旦（3.17）

T

若在氣塊運(yùn)動(dòng)過程中滿足絕熱條件，則氣塊運(yùn)動(dòng)4Z高度時(shí)，其溫

度Ti=Tio-Yd^Z；而同樣高度的周圍空氣溫度T=To-Y4Z。假設(shè)起始溫

度相等,即To=Tio,則有則有

〃（.一*）"（3-18）

T

從式（3?18）可見，（/-%/）的符號(hào)決定了氣塊加速度a與其位移4

Z的方向是否一致，也就決定了大氣是否穩(wěn)定。若△Z〉。，則有三種情

況：

（1）Y>Yd,a>0,氣塊加速度與其位移方向相同，氣塊加速運(yùn)

動(dòng)，大氣不穩(wěn)定；

（2）y<yd,a<0,氣塊加速度與其位移方向相反，氣塊減速運(yùn)

動(dòng)，大氣穩(wěn)定；

（3）y=Yd,a=0,大氣是中性的；

大氣穩(wěn)定度還可以通過圖3-4來進(jìn)一步說明；

大氣穩(wěn)定度還可以用位溫梯度進(jìn)行判別v對式(3-15)兩邊取對數(shù),

在對高度Z求偏微分，可以得到：

—=—(/J-/)(3-19)

dZ丁'/)

可見8I9/8ZYO,即丫＞丫」時(shí)，大氣不穩(wěn)定；8。/次80時(shí)，即

時(shí)，大氣穩(wěn)定；ee/ez=o時(shí)，大氣是中性的；

四、逆溫

在邊界層中，由于氣象和地形等條件的影響，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)氣溫隨

高度增加而升高的現(xiàn)象，稱為逆溫。出現(xiàn)逆溫的氣層，稱為逆溫層。逆

溫出現(xiàn)時(shí)YVO,大氣處于非常穩(wěn)定狀態(tài)，大氣的垂直運(yùn)動(dòng)很難發(fā)展，污

染物質(zhì)的輸送和力,散受到抑制，因此可能造成嚴(yán)重的大氣污染。所以逆

溫層又稱為阻擋層。根據(jù)逆溫形成原因可將其分為5種。

1、輻射逆溫由于地面強(qiáng)烈輜射冷卻而形成的逆溫,稱為輻射逆溫。

2、下沉逆溫由于空氣下沉受到壓縮增溫而形成的逆溫稱為下沉逆

溫。

圖3-6下沉逆溫形成示意圖

3、平流逆溫由暖空氣平流到冷地面上而形成的逆溫稱為平流逆

溫。

4、湍流逆溫低層空氣因湍流混合形成的逆溫，稱為湍流逆溫。

5、鋒面逆溫鋒面逆溫是由大氣中冷暖空氣團(tuán)相遇形成的?個(gè)傾斜

過度層(稱為鋒面)，較暖的空氣總是位于較冷空氣之上而形成的逆溫。

五、煙流形狀與大氣穩(wěn)定度的關(guān)系

大氣污染狀況與大氣穩(wěn)定度有密切關(guān)系。大氣穩(wěn)定度不同，高架點(diǎn)

源排放的煙流擴(kuò)散形狀和特點(diǎn)不同，造成的污染狀況差別很大。典型的

煙流形狀有五種：

1、波浪型煙流呈波浪狀，污染物擴(kuò)散良好，發(fā)生在全層不穩(wěn)定大

氣中。

2、錐型煙流呈圓錐形，發(fā)生在中性條件下；

3、扇型煙