空氣污染及控制

1. 空氣污染及控制 莊煒志 99.04.13

2. 空 氣 • 空氣按其成份可概括分為三部份： • 乾潔的空氣： • 主要成份：氮、氧、氬與二氧化碳氣體約佔全部乾潔空氣之99.96％ • 次要成份：氖、氦 、氪與甲烷 • 乾潔空氣的平均分子量為 28.966 ，在標準狀態下（ 273°K , 1atm ) ，其密度為 1.293kg／m3。 • 水汽：0.02~6％ • 懸浮微粒：主要是空氣塵埃及懸浮在空氣中之其它雜質。

3. 空氣污染 • 空氣污染：存在於戶外大氣中一種或多種之污染物或其結合物，其數量及延時(持續時間)足以構成或有傾向傷害人類、動植物之生命、財產，或不合理地干擾人們享用舒適之生活，利用財物與經營事業者。 • 空氣污染：是一種『不良的空氣品質狀態』，當污染物質超過大氣涵容能力時造成污染，對人體健康及自然生態有不良影響。

4. 空氣污染來源 • 依以污染發生型態區分 • 自然污染源：如火山爆發及森林火災等。 • 人為污染源：如鍋爐用油燃燒、汽車排放污染物等。 • 依污染源排放型態區分 • 點源：污染物由一固定排放口排出者，如：煙囪、工廠通風口。 • 線源：道路上移動之交通工具之污染源，如：公路、鐵路 • 面源：污染源面積大或為逸散者，如：塗料及溶劑使用及露天燃燒等。 • 依法規分類 • 移動污染源：指因本身動力而改變位置之污染源，如：汽(機)車、火車、船舶、航空器等。 • 固定污染源：指前項所稱移動污染源以外之污染源，如：工廠、營建工程等。

5. 空氣污染物 空氣污染防制法定義：「空氣中足以直接或間接妨害健康或生活環境之物質」 1 . 氣狀污染物：SOx、CO、NOx、CxHy、HCl、CS2、CmHnXx、CFCs。 2.粒狀污染物：懸浮微粒、金屬燻煙及其化合物、煙霧（黑煙及油煙）、酸霧、落塵、石綿。 3.衍生性污染物：光化學霧及光化學性高氧化物（O3、PAN）。 4.毒性物質︰氟化物、Cl2、NH3、H2S、HCHO、含重金屬之氣體、VCM、CBs、HCN、Dioxins、致癌性多環芳香烴、致癌揮發性有機物、石綿及含石綿之物質及硫酸、硝酸、磷酸、鹽酸氣 5 . 惡臭物質：氨氣、硫化氫、硫化甲基類、硫醇類、甲基胺類。 6.有機溶劑蒸氣。 7.塑、橡膠蒸氣。 8.其他公告物質。

6. 空氣污染物（續） • 氣態污染物之分類 • 一次污染物 • 指直接從污染源排至空氣中之原始污染物質 • 硫氧化物（SOx）、氮氧化物（NOx）與碳氫化物（HC）等。 • 二次污染物 • 指由一次污染物與空氣中已有組份或數種一次污染物間，經由化學或光化學反應，而生成與一次污染物不同之新污染物質。 • 硫酸煙霧（ Sulfurous smog ）及光化學煙霧（ Photochemical smog ）、臭氧（O3）等。

7. 空氣污染物的問題 • 懸浮微粒（ PM10）問題 • 污染源(如營建工程)直接排放的粒狀物質，約佔70%~90% 。 • 由硫氧化物、氮氧化物等污染物，在大氣反應生成細微粒物質（二次氣膠），如硫酸鹽及硝酸鹽等，約佔懸浮微粒10%~30% 。 • 來自境外的長程傳輸氣膠。 • 能見度問題 • 細懸浮微粒具有削減光線強度的特性，在其濃度偏高而且不利擴散的時候，即易產生能見度不佳情況 • 在台灣南部地區的冬季尤其容易發生。

8. 空氣污染物的問題（續） • 沙塵暴問題 • 大陸西北乾燥的黃土高原及戈壁沙漠的沙塵暴，最常發生在春季，尤其每年3至5月間，強風吹起沙塵，部分進入對流層高空向東傳送，通常大陸沙塵隨著冷鋒移動影響周圍地區。 • 沙塵暴使空氣變得混濁，能見度大為減小的一種災害性天氣現象。 • 酸雨問題 • 工業及電廠大量燃燒，排出許多硫氧化物及氮氧化物，遇上水氣後就形成酸性物質而隨著雨降至地面，即謂酸雨。 • 台灣西半部部份地區有酸雨現象，其量測的酸鹼值範圍在 4.5~5.6 之間(酸鹼值在 5以下界定為酸雨) • 花東地區則較為良好，多無酸雨現象。

9. 空氣污染物的問題（續） • 臭氧問題 • 臭氧主要為碳氫化合物及氮氧化物經光化學反應所形成之二次污染物。 • 臭氧超過空氣品質標準地區多發生於大都會周邊及較偏遠地區，以南台灣地區（高雄縣市及屏東縣）最為嚴重。 • 在南部地區以秋冬季節較高，北部地區則以夏季測值較高。 • …

10. 空氣污染物的影響 • 空氣污染對植物及作物的影響 影響植物的生長，使植物葉子組織破壞，而導致枯黃、掉葉、捲葉等病症；此外，也會造成湖泊及土壤的酸化現象，終至破壞整個生態系統。 1.懸浮微粒會使葉面佈滿灰塵，影響植物的光合作用。 2.臭氧、二氧化氮及二氧化硫會形成酸雨而傷害葉片，使得葉面產生斑點，影響樹木生長速率。 3.紫外線照射則會造成植物生長緩慢，果實變小。 4.硫氧化物造成水稻壞疽黑斑。 5.臭氧使煙草葉面產生白點變色。

11. 空氣污染物的影響（續） • 空氣污染物對健康的影響 空氣污染的形式有很多種，而且對人體器官的影響也不完全相同，它在無形、無聲、無息中，逐漸侵蝕我們的肺部、黏膜、神經系統等。 1.一氧化碳會破壞血液中紅血球攜帶氧氣的功能。 2.苯可引起血癌的發生。 3.懸浮微粒會影響呼吸道系統並引發氣喘病的發生。 4.鉛及氮氧化物都會損害紅血球、肝、腎、神經及智力。 5.酸雨會刺激皮膚及眼睛。 6.紫外線照射則會導致皮膚癌及白內障病等病變。

12. 空氣污染物的影響（續） • 歷史上最嚴重的空氣污染事件 • 英國倫敦煙霧 倫敦的煙霧主要是由硫氧化物引起的。倫敦煙霧事件發生在1952年冬季，低溫潮濕的雲霧覆蓋倫敦，而成千上萬煙囪照樣排放大量廢氣，導致硫氧化物凝結在煙塵上形成酸霧，造成了4000多人的死亡，因而被稱為「殺人煙霧」。 • 美國洛杉磯光化學煙霧 洛杉磯則是由臭氧引起的光化煙霧。洛杉磯煙霧事件出現於1951年，主要係因為汽車排放大量的氮氧化物及一氧化碳，加上當地陽光強烈照射，車輛廢氣在陽光作用下，產生光化學反應，形成以臭氧為主的光化煙霧。這種煙霧使人眼睛紅腫、喉嚨疼痛、呼吸困難、視力減退及手足痙癵等危害。

13. 空氣污染的擴散 與 氣象之關係

14. 大氣層的結構 • 大氣層的結構是指氣象之垂直分佈情況，如氣溫、氣壓、大氣密度及大氣成份的垂直分佈等。 • 根據氣溫在地球表面方向上的分佈，可將大氣分為五層，即對流層、平流層、中問層、暖層與散逸層。

15. 對流層 • 對流層是大氣層最低的一層。由於對流程度在熱帶要比寒帶強烈，故下墊面算起之對流層的厚度，將隨緯度增加而降低，一般熱帶約 16~17km，溫帶約 10~12 km，兩極附近只有 8~9km 。對流層主要的特徵是： • 對流層薄，但卻集中大氣質量之3/4及大部分的水汽，主要的大氣現象均發生在這層中，天氣變化最複雜，對人類活動影響最大的一層 • 氣溫隨高度增加降低，平均每升高 100m 降溫約 0.65℃ • 空氣具有強烈的對流運動，主要由於下墊面受熱不均所造成 • 溫度與濕度的水平分佈不均勻，在熱帶海上空，空氣較溫暖潮濕，在高緯度內陸上空，空氣較寒冷乾燥，因此經常生空氣的水平運動。

16. 大氣邊界層（或摩擦層） • 對流層的下層，厚度約為 1~2km，氣流受地面阻滯及摩擦的影響很大。 • 受地面冷熱的直接影響，氣溫的日夜變化很明顯，特別是近地層，晝夜可相差十幾乃至幾十度。 • 由於氣流運動受地面摩際的影響，故風速隨高度的增高而增大。在這一層中，大氣上下有規則的對流與無規則的湍流運動均較盛行，加上水汽充足，將直接影響污染物的傳輸、擴散與轉化。 • 近地層 • 從地面至 100m 左右的一層。 • 在近地層中，垂直方向之熱量與動量的交換甚微，所以上下溫差大（可達 1~2℃）。 • 自由大氣 • 在近地層以上，氣流受地面摩擦的影愈來愈小。

17. 平流層 • 平流層從對流層頂至 50~60km 稱為平流層。 • 主要特點有 • 從對流層頂至 35~40 km 左右的一層，氣溫幾乎不隨高度變化稱為同溫層 • 從此以上至平流層頂，氣溫隨高度增高而增高，稱為逆溫層。 • 機乎沒有空氣對流運動，空氣垂直混合微弱。

18. 中間層 • 從平流層頂至 85km 稱為中間層。 • 主要特點是氣溫隨高度增高而降低，因之空氣具有強烈的對流運動，垂直混合明顯。

19. 暖層 • 從中間層頂至 800km為暖層。 • 主要特點 • 在強烈的太陽紫外線及宇宙射線作用下，再度出現溫度隨高度上升而增高的現象。 • 暖層空氣處於高度的電離狀態，存著大量的離子及電子，故又稱電離層。

20. 散逸層 • 暖層以上之大氣層統稱為散逸層。 • 它是大氣的外層，氣溫很高，空氣極為稀薄，空氣粒子的運動速度很高，可擺脫地球引力而散逸至太空中。

22. 氣象之特性 • 氣溫、氣壓、濕度、風向、風速、雲況與能見度等。 • 氣象觀測

23. 氣流運動與熱導效應 • 海陸風(Sea-land breeze) • 因海洋與陸地受熱不均造成海陸溫差而在海濱附近形成日夜變化的風。 • 從海上吹向陸地的風，稱為海風。 • 從陸地吹向海洋的風，稱為陸風。 • 海陸風的強度和海陸溫差大小有關，白天海陸溫差較大，夜間海陸溫差較小，所以海風比陸風強。 海陸風示意圖 來源：臺灣大百科全書

24. 氣流運動與熱導效應(續) • 山谷風(Mountain-valley wind) • 來自山頂之風稱為山風 • 來自山谷之風稱為谷風 • 白天斜坡的地表因為太陽照射而增溫，使得與地表接觸的空氣也隨之增溫，比周遭同一高度的空氣溫度高、密度小，使空氣沿斜坡向上流動，形成谷風。 • 夜間由於斜坡地表長波輻射冷卻，使得與地表接觸的空氣比谷中同一高度上的空氣降溫較快。由於空氣變冷，密度變大的空氣沿著斜坡下滑到谷底，造成山風。 • 由於白天山、谷之間的溫差常大於夜間，所以谷風的風速常會大於山風。 山谷風示意圖 來源：臺灣大百科全書

25. 大氣穩定度 與 氣象特性

26. 氣旋與反氣旋 • 氣旋(cyclone) • 低氣壓四周的空氣易向中心流入，因而發生氣流的旋轉，故名氣旋。 • 氣旋區的空氣不斷上升，水汽遇冷凝結，易於成雲致雨，天氣多變之區。 • 反氣旋(anticyclone) • 高氣壓中心的空氣向外流動，和氣旋的運轉適相反，故稱反氣旋。 • 反氣旋區的空氣多下沈，使其密度和溫度均增加，成為天氣穩定晴朗之區。

27. 乾絕熱傾率 • 當一乾燥氣團上升時，由於環境氣壓減低而使氣團體積膨脹，在膨脹的過程會消耗一部份的熱量（內能），而使該氣團溫度降低，因氣團上升而冷卻的速率稱之為乾絕熱傾率（ Dry adiabatic lapse rate ) • 所謂絕熱係指上升氣團溫度降低與周圍空氣的溫度無關 • 理想絕熱氣團約每上升100公尺，溫度降低 1℃

28. 優勢傾率（ Prevailing lapse rate ) • 係指實際溫度與高程關係圖中的溫度傾率，大氣溫度與高程之關係可能成反比（即高程越高，大氣溫度越低），亦有可能成正比（即高程越高，溫度越高，此為較反常的現象） • 當優勢傾率與乾絕熱傾率完全相同時，稱當時大氣屬中性穩定（ Neutral stability ) 。 • 當大氣溫度傾率大於1℃/100m 時，稱為超絕熱傾率（Superadiabaticl lapse rate ) ，這時大氣屬不穩定狀態，會出現很強的垂直空氣流動及紊流現象 • 當大氣溫度傾率低於 1℃/100m 時，稱為次絕熱傾率（Sub- adiabatic lapse rate )，這時大氣屬於穩定狀態，污染物較不易擴散。

29. 溫層逆轉（Temperature inversion) • 當大氣溫度隨高度而上升，亦即暖空氣在冷空氣上方，形成溫度反常現象，稱為溫層逆轉（Temperature inversion)，將使地面污染物垂直擴散困難重重 • 溫層逆轉形成的因素有： 1 沉降性逆溫（subsidence inversion ) 沉降性逆溫主要為滯留性的高氣壓天氣系統形成，當氣流下降壓縮造成底層空氣溫度增加。以致上面較冷氣層與下面較熱氣層間形成逆溫層。此逆溫層多發生在離地數百公尺到1公里的高度，其厚度與溫度傾率都相當大，即使在白天地面受熱產生之對流效應仍無法突破此逆溫層，故造成污染物的混合受到限制，造成高濃度的空氣污染現象。 2 地形性逆溫（topographical inversion ) 在盆地或河谷地區常發生地形性逆溫層，夜間在山坡之空氣因輻射冷卻作用形成較重氣流而滑入谷地，形成下冷上熱的溫層逆轉現象，此種逆溫層稱為地形性逆溫，時常造成盆地內嚴重的空氣污染現象。 3 鋒面逆溫（frontal inversion ) 當冷空氣團與暖空氣團界面交接處，因冷空氣較重切入暖空氣的下方，形成鋒面逆溫。由於此種逆溫層移動較快，較不易造成空氣污染事件。

30. 平均安定範圍 弱遞減 安定範圍 逆溫 強遞減 100 不安定範圍 優勢傾率

31. 大氣穩定度與煙囪排放煙流型態 1 線圈型煙流（Looping plume）又稱蛇行型煙流 • 當大氣溫度的優勢傾率屬於絕熱傾率時，氣流為不穩定狀態，此時熱煙流之上昇與下降之冷氣流產生對流作用，從側面觀之呈現較劇烈的波浪形擴散狀態。 • 對煙囪排放物言，擴散能力加大，大氣稀釋率增加。 • 煙囪污染物易於近距離內被帶到地面。 • 大多發生在晴朗天氣、中午風力微弱，大氣強烈不穩定時。

32. 大氣穩定度與煙囪排放煙流型態（續） 2 圓錐型煙流（Coning plume） • 當大氣溫度的優勢傾率接近乾絕熱溫度傾率時，大氣屬於中性穩定狀，此時大氣之擴散能力屬於中等強度，煙流在上下左右約呈錐狀之型態擴散此煙流 • 大多發生在陰天或夜問吹強風時發生。

33. 大氣穩定度與煙囪排放煙流型態（續） 3 扇型煙流（ Fanning plume ) • 當大氣溫度之優勢傾率屬於穩定之逆溫狀態時，垂直方向的氣流擾亂被抑制，故煙流無法以垂直方向擴散，只能在近水平面上呈現左右的延散現象。 • 穩定狀態時煙流只能在水平方向內擴散，煙流內的污染物質不易被稀釋。 • 對於地面之空氣品質而言，因污染物仍停留在較高的高度反而不易受到污染。 • 如果污染處於近地排放或遇地形阻隔，因污染物質不易向上擴散，則地面會產生相當高的濃度。 • 此煙流大都發生於晴朗天氣，夜間至早晨天氣很穩定時發生。

34. 大氣穩定度與煙囪排放煙流型態（續） 4 屋頂型煙流（ Lofting plume ) 當煙囪高度以下屬於逆溫層，而煙囪高度以上屬於溫度遞減時，煙流只能向上擴散，無法向下擴散，形成屋頂型煙流。此種狀態主要發生在晴天日落後 1 小時內，地面因輻射冷卻產生很淺的逆溫層。此型態只要煙囪有效高度足夠，地面就不易產生嚴重的污染現象

35. 大氣穩定度與煙囪排放煙流型態（續） 5 ．燻煙型煙流（ Fumigation plume ) • 當煙囪排放口處有一逆溫層，而在下方存在一超絕熱遞減時，則會產生燻煙型煙流。 • 主要發生在無雲的早晨，當地面逆溫層逐漸因日照能量加熱產生一淺的對流不穩定層，而深夜的逆溫層仍殘存在上空時，就易於發生燻煙煙流狀況。 • 由於逆溫層存在於對流不穩定層，污染物只能在逆溫層下混合，因此很容易在煙囪下風處造成高濃度的燻煙污染狀態。

36. 氣象與空氣污染之關係 1 風速： • 排放於天空之煙，因風速愈大愈能搬運至遠處 • 風速愈大，煙囪有效高度愈低，著地之距離小，又因風速之變動使煙上下擺動擴散愈好。 2 風向： • 風向之變動使煙水平方向振動。 • 煙依平均風向決定其方向，主風向下風處易受較大之影響。 3 氣溫： 煙囪排放之煙溫度一般較空氣溫度為高，溫度差愈大擴散愈好。

37. 氣象與空氣污染之關係（續） 4 ．空氣之成層狀態 （1）空氣溫度斜率（ slope ) : 空氣之熱安定與否，決定於氣溫減率。設氣溫減率為 r ，乾燥空氣絕熱減率為 rd ，即 r < rd ：安定 r = rd ：中立 r > rd ：不安定 （2） 溫度斜度與煙之擴散 （3）逆轉層（ inversion layer ） （4）紊流

38. 氣象與空氣污染之關係（續） • 當氣流接近地表面時，受到地形、地表物、摩擦力以及垂直熱對流等影響，而出現紊亂流動狀態，稱為紊流（ Turbulence ）。 • 紊流越強可促使空氣污染物越容易與乾淨空氣混合、稀釋及擴散，而紊流產生的原因有三： 1.地面摩擦所造成的垂直風切，稱之為強迫對流。 2.較熱地面所造成的不均勻熱對流，稱之為自由對流。 3 .向上空氣流的延散、偏向及擺動。

39. 空氣之擴散作用 大氣擴散作用可分為主動擴散作用與被動擴散作用： • 主動擴散作用，煙囪或排氣口的噴流或熱昇力引起的紊流，對污染物產生的擴散作用，這種擴散稱為前期擴散。 • 被動擴散作用，煙流夾雜污染物進入大氣中，其擴散作用完全受制於大氣中的紊流，這種擴散稱為後期擴散。

41. 煙囪有效高度 H 除了煙囪本身的高度（ h ）外，亦包括排放時噴出的動力及熱浮力所能達到的高度（ △ h ）。 • H = h 十 △ h

42. 例題 一發電廠具有 2 米直徑之煙囪，以 15m / sec 速率排放廢氣，其熱排放率為 4,800 仟焦耳／秒，風速為 5m / sec，中性穩定。 試估算煙柱上升的高度？如煙囪幾何高度為 40 公尺，試求其有效煙囪高度？ ［解］ △h=035Vs · d/u +2.64(Qs)0.5 / u △ h = 0.35(15)(2)/5+2.64 (4800) 05/5 △ h = 38.7m H ＝ h 十 △ h ＝40m + 38.7m = 78.7m

43. 被動擴散（高斯擴散模式） 有關污染物於污染源下風處濃度的估算，常利用最簡易的高斯擴散模式 ( Gaussian diffusion model ) ，有關高斯擴散模式之限制如下： • 擴散係數σy，σz，在長距離（超過 1 km）預測時，並不正確。 • 使用較短的平均時間所導出的擴散係數（ σy，σz），以預測數小時或較長時問的平均濃度，將會產生誤差。 • 忽略因摩擦力影響而使風向轉變的作用 • 不考慮風向的移動，經過時間及距離的變化。 • 忽略了煙流達到地面時，被吸收或沉降作用（如 S02 被植物吸收）。 • 忽略了沿煙柱軌跡的任何化學變化如 S02---S03---H2S04 。 • 只適用於連續點源煙道排氣系統，非連續之噴氣不適用。 • 風向主軸無擴散作用

44. 高斯煙流擴散模式

45. 粒狀污染物之防治技術

46. 粒狀物之去除基礎 • 流體阻力 • 減速運動 • 重力沉降 • 離心沉降 • 慣性沉降 • 靜電沉降 • 擴散沉降

47. 重力式除塵器 • 重力沉降室是借由重力作用，使塵粒從氣流中沉降分離之除塵裝置。 • 含塵氣流進入重力沉降室後，由於擴大流動截面積，而使氣體流速大為降低，使較重顆粒在重力作用下緩慢向灰斗沉降。 Vo：水平速度 Us：沉降速度 重力式除塵器

48. 慣性式除塵器 • 在沉降室內設置擋板，使含塵氣流衝擊在擋板上，氣流方向發生轉變，藉助塵粒本身的慣性力作用，使其與氣流分離。

49. ( a ）單級型 ( b ）多級型 衝擊式慣性除塵器

50. (a) 彎管型 (b）百葉窗型 (c）多層隔板型 反轉式慣性除塵器