大氣污染控制工程08級(jí)大氣課件

1、第四章 大氣污染物擴(kuò)散模式1.湍流擴(kuò)散的基本理論2.擴(kuò)散模式3.污染物濃度的估算方法4.特殊氣象條件下的擴(kuò)散模式5.城市及山區(qū)的擴(kuò)散模式6.煙囪高度設(shè)計(jì)7.廠址選擇1、教學(xué)要求了解湍流擴(kuò)散的基本理論，理解和掌握擴(kuò)散模式、學(xué)會(huì)估算污染物濃度，了解煙囪高度設(shè)計(jì)的一些原則。2、教學(xué)重點(diǎn)大氣擴(kuò)散的理論和擴(kuò)散模式，估算污染物濃度、煙氣抬升高度。3、教學(xué)難點(diǎn)擴(kuò)散模式第一節(jié) 湍流擴(kuò)散的基本理論湍流的基本概念湍流大氣的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)風(fēng)速的脈動(dòng)風(fēng)向的擺動(dòng)起因與兩種形式熱力：溫度垂直分布不均（不穩(wěn)定）機(jī)械：垂直方向風(fēng)速分布不均勻及地面粗糙度大氣擴(kuò)散的要素風(fēng)：主風(fēng)方向上，平流輸送為主，湍流大，污染物擴(kuò)散速快湍流：擴(kuò)散比

2、分子擴(kuò)散快105106倍若只有風(fēng)無湍流，從煙囪中排出的廢氣像一條“煙管”一樣幾乎保持著同樣粗細(xì)，吹向下方，很少擴(kuò)散。湍流的判據(jù)由層流運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換到湍流運(yùn)動(dòng)的判據(jù)雷諾數(shù)（Re）臨界雷諾數(shù)試驗(yàn)（圓管）表明：當(dāng)Re2000時(shí)的流體是 湍流當(dāng)Re0.1m/s則Re6000所以通常認(rèn)為大氣運(yùn)動(dòng)都是湍流運(yùn)動(dòng)R LUe大氣擴(kuò)散試驗(yàn)方法簡介1、示蹤劑濃度測量法優(yōu)點(diǎn)：可直接測得數(shù)據(jù)，只要網(wǎng)點(diǎn)布置得當(dāng)，就可對(duì)整個(gè)濃度場進(jìn)行分析。缺點(diǎn)：人力、物力耗費(fèi)大，不經(jīng)濟(jì)。示蹤劑：要求靈敏度高，無毒，性能穩(wěn)定，檢驗(yàn)方法可靠。常用的有：熒光微粒、六氟化硫（SF6）、SO2等。2、“標(biāo)記粒子”軌跡法優(yōu)點(diǎn)：精度高、適于大尺度擴(kuò)散研究；缺

3、點(diǎn)：工作量大，不經(jīng)濟(jì)，多次觀察等。湍流擴(kuò)散理論主要闡述湍流與煙流及湍流與物質(zhì)濃度衰減的關(guān)系1.梯度輸送理論類比于分子擴(kuò)散，污染物的擴(kuò)散速率與負(fù)濃度梯度成正比研究方法：利用方法，在充滿流體的空間固定多個(gè)點(diǎn)，量測各固定點(diǎn)上的各個(gè)參數(shù)的變化。理論基礎(chǔ)：質(zhì)量守恒定律，把擴(kuò)散類似分子擴(kuò)散，脈動(dòng)值用平均值代替。2.湍流統(tǒng)計(jì)理論圖4-1，正態(tài)分布研究方法：日方法，空間有一微團(tuán)，跟隨微團(tuán)時(shí)各個(gè)點(diǎn)的規(guī)律。理論基礎(chǔ)：解決擴(kuò)散參數(shù)時(shí)用二元相關(guān)理論：方差、概率。實(shí)用模式模式正態(tài)分布假設(shè)下的擴(kuò)散模式3.相似理論庢編著，1990大氣污染物理學(xué)基礎(chǔ)，湍流統(tǒng)計(jì)理論出的一個(gè)粒子的位置用y表示，則y隨時(shí)間而變化，但其平均從原點(diǎn)值

4、為零。如果從原點(diǎn)放出很多粒子，則在x軸上粒子的濃度最高，濃度分布以x軸為對(duì)稱軸，并符合正態(tài)分布。相似理論基本觀點(diǎn)是，湍流由許多大小不同的湍渦所，大湍渦失去穩(wěn)定成小湍渦，同時(shí)發(fā)生了能量轉(zhuǎn)移，這一過程一直進(jìn)行到最小的湍渦轉(zhuǎn)化為熱能為止。第二節(jié)擴(kuò)散模式模式的有關(guān)假定坐標(biāo)系排放點(diǎn)（點(diǎn)源或地面源）或高架源排放點(diǎn)在地面的投影點(diǎn)為原點(diǎn)，右手坐標(biāo)，軸正向?yàn)槠骄L(fēng)向，y為橫風(fēng)向，z為垂直向四點(diǎn)假設(shè)a污染物濃度在y、z風(fēng)向上分布為正態(tài)分布eay 2ebz 2c c 0c c 0b全部空間中風(fēng)速均勻穩(wěn)定,風(fēng)只在一個(gè)方向做穩(wěn)定的水平運(yùn)動(dòng)（=常數(shù) ）c源強(qiáng)Q是連續(xù)均勻穩(wěn)定的d擴(kuò)散中污染物質(zhì)量是守恒的（不考慮轉(zhuǎn)化，污染物

5、沒有沉降、化合和分解；地面對(duì)其起全反射作用，不發(fā)生吸收或吸附作用）擴(kuò)散模式擴(kuò)散模式的坐標(biāo)系空間連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散模式由正態(tài)分布假定，得下風(fēng)向任一點(diǎn)的濃度分布22c( x, y, z) A( x)eay ebz(1)由概率統(tǒng)計(jì)理論寫出方差的表達(dá)式y(tǒng)2cdy2z cdz(2)2200yz00cdycdz由假定d源強(qiáng)積分式q ucdydz(3)（時(shí)間物料守恒）1未知數(shù)：濃度c，待定函數(shù)A(x)，待定系數(shù)a,b（2 2）積分，可以解出四個(gè)未知數(shù)：得到模式y(tǒng)2z2qc( x, y, z) exp()(4)2u 2222yzyz空間連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散模式上式中： 平均風(fēng)速, m/sq源強(qiáng)是指污染物排放速率。與空氣中污

6、染物質(zhì)的濃度成正比，它是研究空氣污染問題的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通常：（）瞬時(shí)點(diǎn)源的源強(qiáng)以一次的總量表示；（）連續(xù)點(diǎn)源以時(shí)間的量表示；（）連續(xù)線源以時(shí)間長度的排放量表示；（）連續(xù)面源以時(shí)間面積的排放量表示。 y側(cè)向擴(kuò)散參數(shù)，污染物在y方向分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差，是距離y的函數(shù)，m； z豎向擴(kuò)散參數(shù)，污染物在z方向分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差，是距離z的函數(shù)，m；煙流的形態(tài)y2z2qc( x, y, z) exp()2u 2y2z22yz高架連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散模式鏡像全反射像源法c(x, y, z, H z)實(shí)源：c(x, y, z, H z)像源：實(shí)源的貢獻(xiàn)y2(z H )2qc( x, y, z, H ) exp()2u y z2

7、222yy像源的貢獻(xiàn)y2( z H )2qc( x, y, z, H ) exp()222u 2y2zyz實(shí)際濃度)exp (z H ) exp (z H ) 222qyc( x, y, z, H ) exp(2u y z222222yyz高架連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散模式地面濃度模式：取z0代入上式，得y2H 2qc( x, y, 0, H ) exp() exp()u 2222yzyz地面軸線濃度模式：再取y=0代入上式H 2qc( x, 0, 0, H ) exp()u 2z2yz地面最大濃度模式：考慮地面軸線濃度模式H 2qc( x, 0, 0, H ) exp()u 2z2yz上式，x增大，則 y

8、 、 z增大，第一項(xiàng)減小，第二項(xiàng)增大，必然在某x 處有最大值高架連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散模式地面最大濃度模式（續(xù)）： y const （實(shí)際中成立）設(shè)zdc( x, 0, 0, H ) 0d z由此求得 z2qHc|uH 2ez x xcmaxmax2y模式（令H0）：地面源y2z2qc( x, y, z, 0) exp()u 2222yzyz相當(dāng)于源的2倍（鏡像垂直于地面，源強(qiáng)加倍）顆粒物擴(kuò)散模式粒徑小于15m的顆粒物可按氣體擴(kuò)散計(jì)算大于15m的顆粒物，具有明顯的重力沉降作用：傾斜煙流模式(1 a)q2u y z(H v x / u)2y2c( x, y, 0, H ) exp() expt2y2z22

9、2 dgvt pp18地面反射系數(shù)第三節(jié) 污染物濃度的估算實(shí)際濃度)exp (z H ) exp (z H ) 222qyc( x, y, z, H ) exp(2u y z2222y2y2zq 源強(qiáng)計(jì)算或?qū)崪yu 平均風(fēng)速多年的風(fēng)速資料H 有效煙囪高度 y、擴(kuò)散參數(shù)z1.煙氣抬升高度的計(jì)算有效源高H Hs HHsH煙囪幾何高度抬升高度煙氣抬升初始動(dòng)量： 速度、內(nèi)徑煙溫度 浮力煙氣抬升高度的計(jì)算浮升階段階段變平階段HHs圖煙氣抬升與擴(kuò)散噴出階段煙氣抬升高度的計(jì)算影響煙云抬升的影響煙云抬升的很多，這里只考慮幾種重要：（1）煙氣本身的a）煙氣出口速度（Vs）：決定了煙起初始動(dòng)力的大?。籦）熱排放率（

10、QH）煙囪口排出熱量的速率QH 越高煙云抬升的浮力就越大，大多數(shù)煙云抬升模式認(rèn)，其中=1/41，常取為2/3。為QHc）煙囪幾何高度（看法不一）2 s 3 有人認(rèn)為有影響：；有人認(rèn)為無影響。（2）環(huán)境大氣a）煙囪出口高度處風(fēng)速越大，抬升高度愈低。 b）大氣穩(wěn)定度不穩(wěn)時(shí)，抬升較高；中性時(shí)，抬升稍高；穩(wěn)定時(shí)，抬升低。c）大氣湍流的影響大氣湍流越強(qiáng)，抬升高度愈低。（3）下墊面等的影響煙氣抬升高度的計(jì)算抬升高度計(jì)算式Holland公式：適用于中性大氣條件（穩(wěn)定時(shí)減小，（1）不穩(wěn)時(shí)增加1020）TaH vs D (1.5 2.7 TsD) 1 (1.5v D 9.6 103Q )sHTuusHollan

11、d公式比較保守，特別在煙囪高、熱率比較強(qiáng)的情況下煙氣抬升高度的計(jì)算抬升高度計(jì)算式（續(xù)）（2）Briggs公式：適用不穩(wěn)定及中性大氣條件當(dāng)QH 21000kW時(shí)1/3 x2/3 u1x 10HH =0.362QsH2/3 u1x 10HH =1.55Q1/3 HsHs 21000kW時(shí)當(dāng)QH1x 3x *H =0.362QH x u1/31/3x 3x *H =0.332QH H3/52/5s3/5 u6/ 5 H3/5x*=0.33QHs煙氣抬升高度的計(jì)算抬升高度計(jì)算式 （續(xù)）（ 3 ） 我 國 “ 制 訂 地 方 大 氣 污 染 物 排 放 標(biāo) 準(zhǔn) 的 技 術(shù) 方法”(GB/T13201-9

12、1)中的公式 21 00 k W( T s T a ) (1 )當(dāng) Q和35K 時(shí)H 1 Hn Hn un 0 Q12Hs T TTQ= 0 .3 5P QTHaVasTs 210 0 k W 時(shí)(2 )當(dāng) 17 00 k WQH 17 00 ) Q H= H ( H HH121400 0 . 0 1Q 17 00 ) 2 (1 . 5 v s D)0 . 04 8 ( Q H=HH1uu 17 00 k W T(3 )當(dāng) Q35 K 時(shí)或H2 (1 . 5 v s D 0 . 0 1Q) H =Hu( 4 ) 當(dāng) 10 m 高或 等 于 1 . 5 m / s 時(shí)處的年平均風(fēng)速 小 于( d

13、 T a H = 5 .5 Q0 .0 0 9 8 ) 3 / 81 / 4Hd z擴(kuò)散參數(shù)的確定擴(kuò)散參數(shù)的性質(zhì)隨著擴(kuò)散距離的加長，增大。隨著水平和垂直湍流的強(qiáng)烈交換，大氣處于不穩(wěn)定=f（穩(wěn)狀態(tài)，較大，即與穩(wěn)定度密切相關(guān)。定度）。穩(wěn)定度、擴(kuò)散距離一定時(shí)，與粗糙度有關(guān)。粗糙趨于穩(wěn)定，越小。確定的方法示蹤實(shí)驗(yàn)法；風(fēng)標(biāo)法；經(jīng)驗(yàn)方法（應(yīng)用最廣泛）擴(kuò)散參數(shù)的確定PG曲PG曲PG曲線Pasquill常規(guī)氣象資料估算Gifford制成圖表方法要點(diǎn)大氣分成AF共六個(gè)穩(wěn)定度等級(jí)（云、日照、風(fēng)速）x y曲線（六條）（對(duì)應(yīng)A、BF穩(wěn)定度級(jí)）擴(kuò)散參數(shù)的確定PG曲PG曲線的應(yīng)用根據(jù)常規(guī)資料確定穩(wěn)定度級(jí)別擴(kuò)散參數(shù)的確定P

14、G曲PG曲線的應(yīng)用利用擴(kuò)散曲線確定 y 和 z擴(kuò)散參數(shù)的確定PG曲PG曲線的應(yīng)用地面最大濃度估算 HH 2|由 H和x xcmaxzz曲線（圖4-5）反查出 xcmax zz由 xx曲線（圖4-4）查 y由 y x由式（4-10）求出Cmax2qH z cmax|uH 2ez x xcmax2y擴(kuò)散參數(shù)的確定中國規(guī)定的方法穩(wěn)定度分類方法改進(jìn)的PT法高度角（式4-29，地理緯度，傾角）輻射等級(jí)穩(wěn)定度（加地面風(fēng)速）云量擴(kuò)散參數(shù)的確定中國規(guī)定的方法擴(kuò)散參數(shù)的選取擴(kuò)散參數(shù)的表達(dá)式為（取樣時(shí)間0.5h，按表4-8查算） y 1x 1 , aax2z2平原地區(qū)和城市遠(yuǎn)郊區(qū)，D、E、F向不穩(wěn)定方向提半級(jí)工業(yè)

15、區(qū)和城市中心區(qū)，C提至B級(jí)，D、E、F向不穩(wěn)定方向提一級(jí)丘陵山區(qū)的農(nóng)村或城市，同工業(yè)區(qū)取樣時(shí)間大于0.5h， z 不變， 2 y ( )1qy21例題1某發(fā)電廠煙囪高度120m，內(nèi)徑5m，排放速度13.5m/s，煙氣溫度為418K。大氣溫度288K，大氣為中性層結(jié)，源高處的平均風(fēng)速為4m/s。試用、（x=10Hs）、GB/T1320191中的公式計(jì)算煙氣抬升高度。解:公式TT13. H (v 1s .D 5557D s.a2( 1).5Ts4u例題1公式T 288Ta2.72.7418Q52k9W521 21000kWsD22v13. 5Hs336 6 T4189.109.10s且x=2100

16、kW，TsTa=130K35KH n Q 1n120129/ 53212/ 431244m.9310H（發(fā)電廠位于城市近郊，取n=1.303，n1=1/3，n2=2/3）例題2某污染源排出SO2量為80g/s，有效源高為60m，煙囪出口處平均風(fēng)速為6m/s。試估算冬季陰天正下風(fēng)方向距離煙囪500m處地面上的SO2濃度。解: 冬季陰天條件下穩(wěn)定度為D,由表4-4查,x=500m處, 35.3m, z 18.1my由大氣污染控制工程P88（49）得22qH8060C exp() exp() 0.0273mg / m32 6 35.318.1 u y z2 18.12z2例題3某一工業(yè)鍋爐煙囪高30

17、m，直徑0.6m，煙氣出口速度為20m/s，煙氣溫度為405K，大氣溫度為293K，煙囪出口處風(fēng)速4m/s，SO2排放量為10mg/s。試計(jì)算中性大氣條件下SO2的地面最大濃度和出現(xiàn)的位置。解:由公式求得TT 0. 293 )H (v 1sD 52064057D 5s.a.2( ) 1.52.7 06.m 84Ts4405u H3s 0 5H . 84煙囪有效高度為H35m.84例題3由大氣污染控制工程P89 （410）、（411） z2qH35.84C時(shí)， z 25.34mmax uH 2e 22y取穩(wěn)定度為D級(jí)，由表44查得與之相應(yīng)的x=750m。 y此時(shí) 50m代入上式2 10 25.34 0.231g / m3Cmax 4 35.842 e50第六節(jié) 煙囪高度的設(shè)計(jì)煙囪高度的計(jì)