大氣污染物與溫室氣體排放（第5講）

1、化石能源大氣污染物與溫室氣體排放天然氣柴油煤炭大氣污染物不完全燃燒CO,HC,炭黑少量SO2,NOXSO2,NOX,CO炭黑,顆粒SO2,NOX,顆粒輕油，燃氣煤，木材輕油，重油煤，燃氣礦物煤，褐煤燃氣，重油家庭取暖工業(yè)鍋爐電站鍋爐燃燒過程產(chǎn)生各種污染物車輛排放大氣污染的定義廣義地說，是指自然現(xiàn)象和人類活動向大氣中排放了過多的煙塵和廢氣，使大氣的組成發(fā)生了改變，或介入了新的成分，而到達了有害程度通常說的大氣污染是指人類活動造成的大氣污染可分作四類： 局部地區(qū)污染煙囪 地區(qū)性污染工業(yè)區(qū) 廣域污染酸雨 全球性大氣污染溫室氣體氮氧化物NOx氮氧化物有N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4和N2O5

2、， NOx是其總代表式，在大氣中常見的氮氧化物污染物是NO和NO2NO是無色氣體，毒性不太大，但進入大氣后，會被氧化成NO2；NO2是一種紅棕色的、具有惡臭刺激的氣體，其毒性約為NO的5倍，NO2會參與大氣中的光化學反響，形成光化學煙霧，其毒性更大NOx主要來自化石燃料的燃燒，如鍋爐和汽車煤中氮元素的來源煤中氮起源于煤形成時期植物中的蛋白質(zhì)、氨基酸、生物堿、葉綠素以及細菌等，絕大局部為有機氮。煤中氮元素分子結(jié)構(gòu)氨基酸NOx生成途徑煤燃燒產(chǎn)生的NOx與溫度的關(guān)系 熱力型NOx (Thermal NOx)空氣中的氮氣在高溫下氧化而生成的NOx 燃料型NOx (Fuel NOx)燃料中含有的氮化合物

3、在燃燒過程中熱分解而又接著氧化而生成的NOx 快速型NOx (Prompt NOx)燃燒時空氣中的氮和燃料中的碳氫離子團如CH等反響生成的NOxNOx的危害酸雨破壞臭氧層毒性的光化學煙霧二氧化硫SO2 煤中硫的賦存形態(tài)苯硫酚噻吩苯并噻吩煤中的硫通常以有機硫和無機硫的狀態(tài)存在。有機硫是指與煤有機結(jié)構(gòu)相結(jié)合的硫，其組成結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。有機硫主要來自成煤植物和微生物的蛋白質(zhì)。煤中無機硫主要來自礦物質(zhì)中各種含硫化合物，主要有硫化物硫和少量硫酸鹽硫。硫化物硫以黃鐵礦為主，多呈分散狀賦存于煤中。黃鐵礦有機硫形態(tài)無機硫形態(tài) SO2產(chǎn)生和酸雨形成SO2產(chǎn)生：含有硫的煤燃燒生成二氧化硫 S+OSO 酸雨形成：二氧

4、化硫和水作用生成亞硫酸 SO+HOHSO亞硫酸 亞硫酸在空氣中可氧化成硫酸 2HSO+O2HSO硫酸攝于1908年攝于1968年煙粉塵13成核 凝聚 煤顆粒 焦炭顆粒 灰顆粒 焦炭燒盡 飛灰（1-20m） 微粒（0.1m） 凝聚灰（1-20m） 焦炭破碎 蒸發(fā) 無機蒸汽 異相凝結(jié) 礦物質(zhì) 燃煤過程飛灰顆粒形成機理煤顆粒在燃燒過程中，不可燃的局部礦物質(zhì)直接變成灰，也有一些堿性金屬類先揮發(fā)，然后又凝聚成飛灰。PM2.5來源PM2.5細顆粒物化學組成水溶性離子有機碳/元素碳元素來 源二氧化硫氮氧化物氨氣揮發(fā)性有機物直接排放重點污染源移動源（機動車）工業(yè)源（電廠，水泥，鋼鐵，石化）面源（建筑揚塵、秸稈

5、焚燒等民用，商業(yè)，天然源）氣態(tài)向顆粒態(tài)化學轉(zhuǎn)化PM2.5/PM0.1的健康危害PM2.5/PM0.1比粗顆粒更容易深入人體肺部，對人體健康產(chǎn)生更大危害。PM10PM2.5.頭發(fā)引發(fā)哮喘, 肺癌,生殖健康, , 諸多疾病 PM0.1我國PM2.5污染嚴重全球PM2.5濃度分布衛(wèi)星圖2001-2006汞汞的危害及排放現(xiàn)狀汞是一種神經(jīng)毒物，而且是一種生物積累物質(zhì)，對人群健康威脅很大。目前認為造成汞環(huán)境污染的來源主要是天然釋放如火山噴發(fā)和人為因素。據(jù)統(tǒng)計，全球每年向大氣中排放總量約為5000噸，其中4000噸是人為的結(jié)果。 2003年初，聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署UNEP發(fā)表的一份調(diào)查報告指出，燃煤電廠是最大的

6、人為汞污染源，約占總重量的2/3。全球大氣汞濃度的空間分布圖東亞南非北美中東部歐洲大部印度燃煤過程中汞的存在形式煙氣中的汞主要以三種形式存在：元素汞Hg0、氧化態(tài)汞Hg2+和顆粒態(tài)汞HgP。Hg2+易溶于水且易附著在顆粒物上，故可用常規(guī)的污染物控制設(shè)備除去。 HgP在大氣中停留的時間很短，也可以用除塵設(shè)備收集。而Hg0易揮發(fā)且難溶于水，很難被除塵設(shè)備捕獲，幾乎全部排放到大氣中，形態(tài)相比照較穩(wěn)定且停留時間很長，平均可達一年左右，易形成長距離大范圍的污染。溫室氣體氣候變暖？氣候騙局？溫室效應(yīng)和溫室氣體太陽地球熱量先要搞清楚地球在太陽照耀下為什么能保持適宜的氣溫熱量傳遞的三種形式熱輻射導(dǎo)熱對流太陽是

7、以熱輻射的形式將熱量傳給地球普朗克定律真空中黑體輻射單色強度與波長的函數(shù)關(guān)系：Eb=f (,T)黑體發(fā)射的光譜是連續(xù)光譜；所有波長下的光譜輻射力都隨溫度升高而增大；一定溫度下，黑體光譜輻射力隨波長的變化有峰值。溫度升高時峰值向短波方向移動。只要溫度高于絕對零度，物體就會不斷把熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠?。黑體模型圖太陽和地球的輻射光譜比較地球大氣層構(gòu)成輻射特性入射透射吸收不同的介質(zhì)輻射特性不一樣陽光照在3. 6mm厚浮法玻璃上的例子反射進出大氣層的能量是平衡的太陽輻射穿過大氣層時，大氣分子對電磁波的某些波段有吸收作用。吸收作用使輻射能量轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿拥膬?nèi)能，從而引起這些波段太陽輻射強度的衰減，某些波段的電磁波

8、完全不能通過大氣。因此在太陽輻射到達地面時，形成了電磁波的某些缺失帶。大氣吸收氣體主要有O3、CO2、水汽等。大氣吸收選擇性吸收溫室效應(yīng)溫室氣體能吸收地表長波輻射，使大氣變暖，與“溫室作用相似。假設(shè)無“溫室效應(yīng)，地球外表平均溫度是 -18，而非現(xiàn)在的15 。溫室氣體溫室氣體包括大氣層中的水蒸氣、二氧化碳、甲烷、氮氧化物，也包括近幾十年來人類活動排放的氯氟甲烷HFCs、氫氟化物、全氟化物PFCs、硫氟化物SF6、氯氟化物CFCs等 。其中CO2、CH4、N2O等被政府間氣候變化委員會IPCC,2007稱為長壽命的溫室氣體LLGHGs。各種溫室氣體在大氣中相對二氧化碳影響的時間2021年CO2排放

9、量前10位國家2021年CO2排放量國家清單中國CO2排放量歷史軌跡從歷史來看CO2排放量氣候變暖觀點由來與爭議早期的科學研究1824年發(fā)表了?地球及其表層空間溫度概述?首先提出溫室效應(yīng)的觀點。1896年發(fā)表了?大氣中的二氧化碳對地球溫度的影響?提出人類所排放的CO2氣體會使大氣變暖，當時認為是一個好消息，冬天會暖和一些。讓巴普蒂斯約瑟夫傅立葉Jean Baptiste Joseph Fourier1768年3月21日1830年5月16日法國數(shù)學家、物理學家斯萬特奧古斯特阿累尼烏斯Svante August Arrhenius 1859年2月19日 1927年10月2日瑞典物理化學家1903年

10、獲諾貝爾化學獎Atmospheric CO2 concentrations measured at Mauna Loa Observatory: The Keeling Curve.查里斯大衛(wèi)基林Charles David Keeling 1928年4月20日2005年6月20日美國地理化學家基林曲線加州大學斯克里普斯海洋研究所的2位科學家羅格雷維爾Roger Revelle，1950-1964年海洋所所長和漢斯聚斯Hans Suess最早認識到，海洋作為CO2匯的能力是有限的，對大氣中CO2含量升高產(chǎn)生了興趣，雷維爾希望考察一下阿累尼烏斯的觀點。為此，需觀測大氣中CO2含量。雷維爾于是在19

11、56年將基林招入海洋所，在夏威夷海拔5000米的茂納羅亞火山頂上建立了一個觀測站，基林每天到那里測量大氣中CO2的含量?；智€引起了世界的關(guān)注。古氣候演變的研究冰芯研究 冰川學家研究南極大陸冰蓋的年齡及其形成的歷史過程時，發(fā)現(xiàn)從冰川的冰芯樣品中，不僅能測定冰川的年齡及其形成過程，還可以得到相應(yīng)歷史年代的氣溫和降水資料，以及相應(yīng)年代的二氧化碳等大氣化學成分含量，從而開辟了恢復(fù)古氣候和古環(huán)境的新的道路。 N2OCO2CH4冰中氘距今時間千年/2005年前由于同位素較輕的水更容易從海洋中蒸發(fā)而形成大陸冰頁，生存在冰河紀時期的海洋生物貝殼中18O的含量會相對較多，其相對濃度可以用來表征陸地冰川的容量

12、變化。從圖中可以看出，過去幾十萬年間地球的氣候大多是寒冷的，只是間或有相對較短的溫暖期。圖中的陰影局部用來表示現(xiàn)在及以前的4個間冰期的時間跨度。大氣中CO2濃度變化65萬年來CO2濃度變化1751年來每年碳排放大氣中CO2濃度變化很大，從25萬年前的380ppm到冰河期最低的180ppm，CO2濃度變化大約10萬年為一周期，在1750年前大約有一千年CO2濃度維持在280ppm。從1750年開始CO2濃度持續(xù)上升，到2005年已到達377ppm。這和人類活動有關(guān)。全球氣溫變化1880年來氣溫變化有沒有對應(yīng)關(guān)系？氣侯變化歷史重建溫度CO21998年，美國賓州大學 Michael Mann教授通過對樹木年輪的研究 ，提出了“曲棍球棒曲線形狀的1000年來北半球氣溫變化圖，這和CO2的歷史變化曲線相吻合。1999年“曲棍球棒曲線被聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會IPCC引用而被廣泛關(guān)注，并引起強烈爭議。爭議2002年， Jan Esper 同樣采用樹木年輪的方法得出截然不同的結(jié)果，有人分析Michael Mann 的 統(tǒng)計算法有誤，并認為用樹木年輪的方法不適宜。也有歷史學家從文獻分析提出存在中世紀溫暖期和隨后的小冰川時代。2021