大气污染控制工程课件

大气污染控制工程课件第1页，课件共76页，创作于2023年2月2第4章大气扩散浓度估算模式1、教学要求要求了解湍流扩散的基本理论，理解和掌握高斯扩散模式、烟囱高度的设计和厂址的选择。2、教学重点掌握影响污染物稀释扩散法控制的有关条件；污染物浓度估算的高斯模式，烟囱高度的设计方法。3、教学难点污染物稀释扩散法控制，污染物浓度估算的高斯模式。第2页，课件共76页，创作于2023年2月3§1湍流扩散的基本理论一、湍流概念简介扩散的要素风：平流输送为主，风大则湍流大湍流：扩散比分子扩散快105～106倍1、什么是湍流？除在水平方向运动外，还会由上、下、左、右方向的乱运动，风的这种特性和摆动称为大气湍流。（有点象分子的热运动）或者说湍流是大气的无规则运动。2、湍流与扩散的关系把湍流想象成是由许多湍涡形成的，湍涡的不规则运动而形成它与分子运动极为相似。3.湍流起因有两种形式：热力：温度垂直分布不均（不稳定）机械：垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度第3页，课件共76页，创作于2023年2月4二、湍流扩散理论简介主要阐述湍流与烟流传播及湍流与物质浓度衰减的关系1.梯度输送理论德国科学家菲克，在1855年发表了一篇题为“论扩散”的著名论文。在这篇论文中，他首先提出了梯度扩散理论。他把这个理论表述为：“假定食盐在其溶剂中的扩散定律与在导体中发生的热扩散相同，是十分自然的。”通过泰勒（G.I.Tayler）与菲克（A.Fick）扩散理论的类比建立起来的。菲克认为分子扩散的规律与傅立叶提出的固体中的热传导的规律类似，皆可用相同的数学方程式描述。湍流梯度输送理论进一步假定，由大气湍流引起的某物质的扩散，类似于分子扩散，并可用同样的分子扩散方程描述。为了求得各种条件下某污染物的时、空分布，必须对分子扩散方程在进行扩散的大气湍流场的边界条件下求解。然而由于边界条件往往很复杂，不能求出严格的分析解，只能在特定的条件下求出近似解，再根据实际情况修正。第4页，课件共76页，创作于2023年2月5二、湍流扩散理论简介2.湍流统计理论：泰勒(G．I．Tayler)首先应用统计学方法研究湍流扩散问题，并于1921年提出了著名的泰勒公式。湍流统计理论假定：流体中的微粒与连续流体一样，呈连续运动，微粒在进行传输和扩散时，不发生化学和生物学反应；微粒的大小和质量不计，并将微粒运动看作是相对于一定空间发生的。图4-1表示从污染源释放出的粒子，在风沿着x方向吹的湍流大气中扩散的情况。假定大气湍流场是均匀、稳定的。从原点释放出的一个粒子的位置用y表示，则y随时间而变化，但其平均值为零。如果从原点放出很多粒子，则在x轴上粒子的浓度最高，浓度分布以x轴为对称轴，并符合正态分布。第5页，课件共76页，创作于2023年2月6图4-1由湍流引起的扩散第6页，课件共76页，创作于2023年2月73.相似理论湍流相似扩散理论，最早始于英国科学家里查森和泰勒。后来由于许多科学家的努力，特别是俄国科学家的贡献，使湍流扩散相似理论得到很大发展。湍流扩散相似理论的基本观点是，湍流由许多大小不同的湍涡所构成，大湍涡失去稳定分裂成小湍涡，同时发生了能量转移，这一过程一直进行到最小的湍涡转化为热能为止。从这一基本观点出发，利用量纲分析的理论，建立起某种统计物理量的普适函数，再找出普适函数的具体表达式，从而解决湍流扩散问题。我们把这种理论称为相似扩散理论。利用这些理论进行研究时，常采用数值分析法、现场研究法和实验室模拟研究法三种方法。理论和方法的运用不可分割，应该将它们很好地结合在一起，得出与实际大气污染扩散相符合的计算模式。

第7页，课件共76页，创作于2023年2月8第8页，课件共76页，创作于2023年2月9

大气湍流与污染物的扩散图a表示烟团在比它尺度小的湍涡作用下，一边随风迁移，一边受到湍涡的搅扰，边缘不断与周围空气混合，体积缓慢地膨胀，烟团内部的浓度也不断地降低。图8.3b表示烟团受到大尺度湍涡的作用。这时烟团主要被湍涡所挟带，本身增长不大。图8.3c表示烟团受到大小尺度相当的湍涡扯动变形，这是一种最强的扩散过程。在实际大气中同时存在着各种不同大小的湍涡，扩散过程是上述几种过程共同完成的。第9页，课件共76页，创作于2023年2月10§2高斯扩散模式一、高斯模式的有关假定1.坐标系坐标系取排放点（无界源、地面源或高架源排放点）在地面的投影点为原点，主风向为x轴，y轴在水平面内垂直于x轴，正方向在x轴的左侧，z轴垂直于水平面，向上为正，即右手坐标系。食指—x轴；中指—y轴；拇指—z轴。此坐标系中，烟流中心与x轴重合或烟流在oxy平面的投影为x轴。2.四点假设

a．污染物浓度在y、z方向上分布为正态分布b．全部高度风速均匀稳定c．源强是连续均匀稳定的d．扩散中污染物是守恒的（不考虑转化）

第10页，课件共76页，创作于2023年2月11

高斯扩散模式坐标系高斯扩散模式的坐标系第11页，课件共76页，创作于2023年2月12二、无界空间连续点源扩散模式第12页，课件共76页，创作于2023年2月13上式中：ū—平均风速；Q—源强是指污染物排放速率。与空气中污染物质的浓度成正比，它是研究空气污染问题的基础数据。通常：（ⅰ）瞬时点源的源强以一次释放的总量表示；（ⅱ）连续点源以单位时间的释放量表示；（ⅲ）连续线源以单位时间单位长度的排放量表示；（ⅳ）连续面源以单位时间单位面积的排放量表示。σy—水平（横向）扩散参数，污染物在y方向分布的标准偏差，是距离y的函数，m；σz—铅直（竖向）扩散参数，污染物在z方向分布的标准偏差，是距离z的函数，m；未知量—浓度c、待定函数A(x)、待定系数a、b；式①、②、③、④组成一方程组，四个方程式有四个未知数，故方程式可解。第13页，课件共76页，创作于2023年2月14第14页，课件共76页，创作于2023年2月15第15页，课件共76页，创作于2023年2月16

三、高架连续点源扩散模式高架源既考虑到地面的影响，又考虑到高出地面一定高度的排放源。地面对污染物的影响很复杂，如果地面对污染物全部吸收，则⑧式仍适用于地面以上的大气，但根据假设④可认为地面就象镜子一样对污染物起全反射作用，按全反射原理，可用：“像源法”处理这类问题。可以把P点污染物浓度看成为两部分作用之和，一部分实源作用，一部分是虚源作用。见下页图：相当于位置在（0，0，H）的实源和位置在（0，0，-H）的像源，当不存在地面时在P点产生的浓度之和。（1）实源作用：由于坐标原点原选在地面上，现移到源高为H处，相当于原点上移H，即原式⑧中的Z在新坐标系中为（Z-H）,不考虑地面的影响，则：第16页，课件共76页，创作于2023年2月17第17页，课件共76页，创作于2023年2月18第18页，课件共76页，创作于2023年2月19第19页，课件共76页，创作于2023年2月20第20页，课件共76页，创作于2023年2月21

以上模式适用于气态污染物和粒径小于10μm的飘尘，对于大10μm的颗粒物，由于自身的沉降作用，浓度分布将有所改变。7、倾斜烟云模式在预测上述颗粒时，假设沉积和无沉积有相同的分布形式，但在整个烟云离开源以后，便以重力终端速度下降（ut）,此时，只要将高斯模式中有效源高H用())来置换即可得到倾斜烟云模式。第21页，课件共76页，创作于2023年2月22→第22页，课件共76页，创作于2023年2月23

四、颗粒物扩散模式粒径小于15μm的颗粒物可按气体扩散计算大于15μm的颗粒物：倾斜烟流模式

地面反射系数第23页，课件共76页，创作于2023年2月24§3污染物浓度的估算q

源强计算或实测

平均风速多年的风速资料

H

有效烟囱高度

、扩散参数一.烟气抬升高度的计算

初始动量：速度、内径烟温度－>浮力烟气抬升第24页，课件共76页，创作于2023年2月25

一.烟气抬升高度的计算抬升高度计算式

1.Holland公式：适用于中性大气条件（稳定时减小，不稳时增加10％～20％）

Holland公式比较保守，特别在烟囱高、热释放率比较强的情况下第25页，课件共76页，创作于2023年2月26一、烟气抬升高度的计算抬升高度计算式（续）2.Briggs公式：适用不稳定及中性大气条件

第26页，课件共76页，创作于2023年2月27一、烟气抬升高度的计算抬升高度计算式（续）3.我国“制订地方大气污染物排放标准的技术方法”(GB/T13201-91)中的公式

第27页，课件共76页，创作于2023年2月28第28页，课件共76页，创作于2023年2月29第29页，课件共76页，创作于2023年2月30

二、扩散参数的确定P－G曲线法P－G曲线Pasquill常规气象资料估算Gifford制成图表第30页，课件共76页，创作于2023年2月31a．稳定度级别中，A为强不稳定，B为不稳定，C为弱不稳定，D为中性，E为较稳定，F为稳定；b．稳定度级别A～B表示按A、B级的数据内插；c．夜间定义为日落前一小时至日出后一小时；d．不论何种天气状况，夜间前后各一小时算作中性，即D级稳定度；e．强太阳辐射对应于碧空下的太阳高度角大于60。的条件；弱太阳辐射相当于碧空下太阳高度角为15。～35。。在中纬度地区，仲夏晴天的中午为强太阳辐射，寒冬晴天中午为弱太阳辐射。云量将减少太阳辐射，云量应与太阳高度一起考虑。例如，在碧空下应是强太阳辐射，在有碎中云(云量6／10到9／10)时，要减到中等太阳辐射，在碎低云时减到弱辐射；

第31页，课件共76页，创作于2023年2月321.扩散参数的确定－P－G曲线法P－G曲线的应用根据常规资料确定稳定度级别第32页，课件共76页，创作于2023年2月331.扩散参数的确定－P－G曲线法P－G曲线的应用利用扩散曲线确定和第33页，课件共76页，创作于2023年2月341.扩散参数的确定－P－G曲线法P－G曲线的应用地面最大浓度估算第34页，课件共76页，创作于2023年2月35例4—2某石油精炼厂自平均有效源高60m处排放的SO2量为80g／s，有效源高处的平均风速为6m／s，试估算冬季阴天正下风向距离烟囱500m处地面上的SO2浓度。解：在阴天大气条件下，稳定度为D级，由表4—4查得，在x=500m处，σy=35.3m，σz=18.1m。把数据代人式(4—9)中得到

第35页，课件共76页，创作于2023年2月362.扩散参数的确定－中国国家标准规定的方法稳定度分类方法改进的P－T法

太阳高度角

（式4-29，地理纬度，倾角）

辐射等级稳定度云量（加地面风速）

第36页，课件共76页，创作于2023年2月372.扩散参数的确定－中国国家标准规定的方法扩散参数的选取扩散参数的表达式为（取样时间0.5h，按表4-8查算）平原地区和城市远郊区，D、E、F向不稳定方向提半级工业区和城市中心区，C提至B级，D、E、F向不稳定方向提一级丘陵山区的农村或城市，同工业区取样时间大于0.5h，不变，第37页，课件共76页，创作于2023年2月38第38页，课件共76页，创作于2023年2月39第39页，课件共76页，创作于2023年2月40例4—3在例4—1的条件下，当烟气排出的SO2速率为150g／s时，试计算阴天的白天SO2的最大着地浓度及其出现的距离。解：(1)确定大气稳定度：根据题设，阴天的白天为D级。根据扩散参数的选取方法，城区中的点源，D级向不稳定方向提一级，则应为C级。(2)计算最大着地浓度：由例4—1计算结果，有效源高H=304.9m，由式(4—11)求得出现最大着地浓度时的垂直扩散参数：

第40页，课件共76页，创作于2023年2月41第41页，课件共76页，创作于2023年2月42例4—4某工厂位于城市远郊区，锅炉烟囱高度为85m，出口内径4m，烟气出口温度140℃，烟气流量为244800m3/h，SO2排放率为50g／s。烟囱出口高度处平均风速为4.0m/s，当地大气压力为813hPa，环境气温为20℃。试计算7月15日晴天12时的地面轴线浓度分布情况，计算范围从距烟囱500m起，间隔500m，计算到下风向4000m止(当地纬度φ=24。30‘，经度λ=102。20‘)。解：(1)计算烟气抬升高度和有效源高：由式(4—23)计算烟气热释放率：

第42页，课件共76页，创作于2023年2月43晴天可认为总云量和低云量皆小于4，查表4—5，确定太阳辐射等级为+3。估计距地面l0m高处的风速，利用式(3—23)和表3—3(80页)反算出u=2.9m／s。查表4—6，大气稳定度应为A～B级，本题取B级。第43页，课件共76页，创作于2023年2月44(3)浓度估算：先对扩散参数修正，根据国家标准规定，对于城市远郊区平坦地区，B级稳定度的扩散参数仍取B级时的值。按表4—8中的幂函数计算(或近似查表4—4)，不同下风距离处扩散参数σy和σz的数值如下：

第44页，课件共76页，创作于2023年2月45§4特殊气象条件下的扩散模式主要指气象条件与高斯模式不一样（温度层结构均一，实际中难以实现）

封闭型扩散模式相当于两镜面之间无穷次全反射实源和无穷多个虚源贡献之和

n为反射次数，在地面和逆面实源在两个镜子里分别形成n个像第45页，课件共76页，创作于2023年2月46

一、封闭型扩散模式计算简化：第46页，课件共76页，创作于2023年2月47例4—5某电厂烟囱有效高度为150m，SO2的排放量为151g/s，在夏季晴朗的下午，地面风速为4m/s。由于上部锋面逆温将使垂直混合限制在1.5km以内。试估算正下风向3km、11km和8km处的SO2浓度。解：夏季晴朗的下午，太阳辐射为强辐射，在地面风速为4m/s时，由表4—3查得大气稳定度为B级。由式(4—33)有

由表4—8中幂函数反算出xD=4967m。当x=3km<xD时，地面轴线浓度(式4—9)：第47页，课件共76页，创作于2023年2月48第48页，课件共76页，创作于2023年2月49

二、熏烟型扩散模式假设：

D

换成hf（垂向均匀分布）；q只包括进入混合层部分，

则仍可用上面公式

第49页，课件共76页，创作于2023年2月50二、熏烟型扩散模式第50页，课件共76页，创作于2023年2月51例4—6某电厂烟囱有效高度150m，SO2排放量151g/s。夜间和上午地面风速为

4m/s，夜间云量3/10。若清晨烟流全部发生熏烟现象，确定下风向16km处的地面轴线浓度。

第51页，课件共76页，创作于2023年2月52§5城市及山区扩散模式一、城市大气扩散模式1.线源扩散模式第52页，课件共76页，创作于2023年2月53例4—7在阴天情况下，风向与公路垂直，平均风速为4m/s，最大交通量为8000辆/h。车辆平均速度为64km/h，每辆车排放CO量为2×10-2g/s，试求距公路下风向300m处的CO浓度。第53页，课件共76页，创作于2023年2月54

一、城市大气扩散模式2.面源扩散模式大气排放规范里：在一定区域范围内，以低矮密集的方式自地面或近地面的高度排放污染物的源，如工艺过程中的无组织排放、储存堆、渣场等排放源。第54页，课件共76页，创作于2023年2月55

一、城市大气扩散模式2.面源扩散模式（续）假定：(1)每一面源单元的污染物排放量集中在该单元的形心上；(2)面源单元形心的上风向距离x0处有一虚拟点源，它在面源单元中心线处产生的烟流宽度()等于面源单元宽度W；(3)面源单元在下风向造成的浓度可用虚拟点源在下风向造成的同样的浓度所代替。第55页，课件共76页，创作于2023年2月56二、山区扩散模式山区流场由于受到复杂地形的热力和动力因子影响，流场均匀和定常的假定难以成立对风向稳定、研究尺度不大、地形较为开阔及起伏不大的地区，浓度基本上遵循正态分布规律，只是扩散参数比平原地区大很多，向不稳定方向提级。第56页，课件共76页，创作于2023年2月57§6烟囱高度的设计

烟囱不单是一排气装置，也是控制空气污染、保护环境的重要设备。烟囱高度、出口直径、喷出速度等工艺参数应满足减少对地面污染的需要。增加烟囱高度可以减轻污染源对局部地区的污染，大体上C地面∝1/H2，但超过一定高度后再增加高度，对地面浓度的影响甚微，而烟囱的造价却随高度增加而急剧增大（烟囱的造价∝H2），所以并不是烟囱愈高愈好。设计烟囱高度的基本原则是既要保证排放物造成的地面最大浓度或地面绝对最大浓度不超过国家大气质量标准，又应做到投资最省。第57页，课件共76页，创作于2023年2月58一、烟囱高度计算

烟囱高度的计算分为：①精确计算法；②简化计算法。烟囱高度一般按锥型扩散正态分布模式导出的简化公式计算，据对地面浓度要求不同，有两种计算法方法：（一）保证地面最大浓度不超过允许浓度的计算方法（二）保证地面绝对最大浓度不超过允许浓度的计算方法。1.按地面最大浓度的计算方法以地面最大浓度不超过规定为依据，保证地面最大浓度不超过允许浓度的计算公式第58页，课件共76页，创作于2023年2月59第59页，课件共76页，创作于2023年2月60

一、烟囱高度的计算2.按地面绝对最大浓度计算第60页，课件共76页，创作于2023年2月613.根据一定保证率计算烟囱高度∵由地面最大浓度计算法→HS较矮，当u＜ū时，地面浓度超标；由地面绝对最大浓度计算法→HS较高，无论u多大，地面浓度不超标，但烟囱造价高。∴在确定保证率后，ū、稳定度取一定值后代入上述公式，可得某一保证率的气象条件下的烟囱高度，较前面较合理。4.根据点源烟尘允许排放率设计（P值法计算烟囱高度）根据“指定大气污染物排放标准的技术方法”GB/T13201-91中规定的点源烟尘允许排放率计算式：式中：Qe－烟尘允许排放速率，t/h；

Pe－烟尘排放控制系数，t/(h·m2)；

H－有效源高，m。由此得烟囱高度为：第61页，课件共76页，创作于2023年2月62二、烟囱设计中的若干问题1.分析拟建厂地区可能产生的烟型及频率，正确选用烟囱高度计算公式。烟型不同产生的地面最大浓度不同，烟囱高度的计算公式不同，因此确定烟型很重要。常用两种方法：1）选用最不利的烟型相应的烟囱高度计算公式；2）选择保证一定的地面最大浓度出现频率和持续时间的烟型及相应的烟囱高度计算公式。2.抬升公式很多，用何公式应按具体情况而定，一般选我国公式3.公式中与气象有关的参数取值有两种方法：①取多年平均值；②取某一保障频率的值：如已知ū＞3m/s的频率为80%，取3m/s可保证有80%不超标，而地面平均最大浓度可能比规定标准更低。第62页，课件共76页，创作于2023年2月63第63页，课件共76页，创作于2023年2月64

§3-6厂址选择

一、选择厂址所需的气候资料

气候资料是指气象资料的常年统计形式。1、风向和风速气候资料：为了一目了然，常把风资料画成风玫瑰图。图a是风向玫瑰图；图b风速玫瑰图是各个风向的平均风速绝对值。图c是风速和风向频率复合图，该图矢线长度代表风向频率大小，矢线末端的风速羽代表平均风速，每一羽可表示0.5或1.0m/s。第64页，课件共76页，创作于2023年2月65风向（风速）玫瑰图：在8个或16个方向上给出风向（风速）的相对频率或绝对值，用线段表示，连接各端点即成。风玫瑰图可按多年（5-10年或更长）的平均值作；也可按某月或某季的多年平均值作，山区地形复杂，风向、风速随地形和高度而变，可做出不同地点和高度的风玫瑰图。静风（风速<0.5m/s）或微风（风速为0.5～1.5m/s）情况大气通风条件差，容易引起高浓度污染，尤其是长时间静风会使污染物大量积累，引起严重污染。因此，在空气污染分析中不仅应统计静风频率，有条件还要统计静风持续时间。第65页，课件共76页，创作于2023年2月66第66页，课件共76页，创作于2023年2月67第67页，课件共76页，创作于2023年2月682.大气稳定度的气象资料一般气象台没有近地层大气逆温层结的详细资料，但可据pasquill或我们废气排放制定标准中规定的方法。利用已知的气象资料进行分类，统计出月（年、季）各稳定度频率，作出必要的图表。3.混合层高度的确定

混合层高度是影响混合物铅直扩散的重要参数。由于温度层结的昼夜变化，混合层高度也随时间变化。混合层高度可看作气块作干绝热上升运动的上限高度，具体地指出污染物在铅直方向的扩散范围。第68页，课件共76页，创作于2023年2月69（即：干绝热递减率上限高度。混合层愈高，则污染物垂直扩散的范围越大。）受太阳辐射的影响，午后混合层高度最大，在温度—高度图上，从下午最大地面温度作干绝热线，与早晨温度