大气污染控制工程-第四章

第四章大气污染物扩散模式主要内容:1.湍流扩散的基本理论2.高斯扩散模式3.污染物浓度的估算方法4.特殊气象条件下的扩散模式5.城市及山区的扩散模式6.烟囱高度设计学习要求:掌握大气扩散的理论和扩散模式，学会估算污染物浓度、烟气抬升高度，确定烟囱高度和厂址第一节湍流扩散的基本理论扩散的要素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倍湍流的基本概念湍流——大气的无规则运动风速的脉动风向的摆动起因与两种形式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湍流扩散理论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类比于分子扩散，污染物的扩散速率与负浓度梯度成正比2.湍流统计理论泰勒－图4-1，正态分布萨顿实用模式高斯模式第二节高斯扩散模式高斯模式的有关假定坐标系右手坐标，y为横风向，z为垂直向四点假设a．污染物浓度在y、z风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）高斯扩散模式高斯扩散模式的坐标系无界空间连续点源扩散模式由正态分布假定，得下风向任一点的浓度分布(4-1)方差的表达式(4-2)由假定d源强积分式（单位时间物料守恒）(4-3)未知量：浓度C，待定函数A(x)，待定系数a,b把式(4-1)代入(4-2)中，积分得：（4-4）22(,,)()eeaybzcxyzAx2200ddyycycy2200ddzzczczddqucyz221/2,1/2yzab将式（4-4）和（4-1）代入式（4-3）中，积分得：（4-5）将式（4-4）、（4-5）代入式（4-1）得无界空间连续点源扩散的高斯模式：（4-6）()2yzqAxu2222(,,)exp[()]222πyzyzqyzcxyzu高架连续点源扩散模式镜像全反射----像源法实源：像源：(,,,)cxyzHz(,,,)cxyzHz2222()(,,,)exp[()]222πyyyzqyzHcxyzHu实源的贡献2222()(,,,)exp[()]222πyyyzqyzHcxyzHu实源的贡献2222()(,,,)exp[()]222πyzyzqyzHcxyzHu像源的贡献2222()(,,,)exp[()]222πyzyzqyzHcxyzHu像源的贡献222222()()(,,,)exp(){exp[]exp[]}2222πyyzyzqyzHzHcxyzHu实际浓度222222()()(,,,)exp(){exp[]exp[]}2222πyyzyzqyzHzHcxyzHu实际浓度（4-7）高架连续点源扩散模式2222(,,0,)exp()exp()22πyzyzqyHcxyHu地面浓度模式：取z＝0代入上式，得2222(,,0,)exp()exp()22πyzyzqyHcxyHu地面浓度模式：取z＝0代入上式，得22(,0,0,)exp()2πzyzqHcxHu地面轴线浓度模式：再取y=0代入上式22(,0,0,)exp()2πzyzqHcxHu地面轴线浓度模式：再取y=0代入上式22(,0,0,)exp()2πzyzqHcxHuyz上式，x增大，则、增大，第一项减小，第二项增大，必然在某x处有最大值地面最大浓度模式：考虑地面轴线浓度模式22(,0,0,)exp()2πzyzqHcxHuyz上式，x增大，则、增大，第一项减小，第二项增大，必然在某x处有最大值yz上式，x增大，则、增大，第一项减小，第二项增大，必然在某x处有最大值地面最大浓度模式：考虑地面轴线浓度模式（4-8）（4-9）高架连续点源扩散模式yzconstd(,0,0,)0dzcxHmax22πzyqcuHemax|2czxxH地面最大浓度模式（续）：设（实际中成立）由此求得yzconstd(,0,0,)0dzcxHmax22πzyqcuHemax|2czxxH地面最大浓度模式（续）：设（实际中成立）由此求得2222(,,,0)exp[()]22πyzyzqyzcxyzu地面源高斯模式（令H＝0）：相当于无界源的2倍（镜像垂直于地面，源强加倍）2222(,,,0)exp[()]22πyzyzqyzcxyzu地面源高斯模式（令H＝0）：相当于无界源的2倍（镜像垂直于地面，源强加倍）（4-10、11）（4-12）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2222(1)(/)(,,0,)exp()exp[]222πtyzyzaqyHvxucxyHu2pp18tdgv第三节污染物浓度的估算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uyz1.烟气抬升高度的计算初始动量：速度、内径烟温度－浮力：温差烟气抬升sHHHsHH――烟囱几何高度――抬升高度有效源高sHHHsHH――烟囱几何高度――抬升高度有效源高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偏差更大3ssaHs1(1.52.7)(1.59.610)svDTTHDvDQTuu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H11/32/3sH11/32/3sH21000kW10=0.36210=1.55当时sQxHHQxuxHHQHuH11/31/3H3/52/5Hs6/53/53/5Hs21000kW3*=0.3623*=0.332*=0.33当时QxxHQxuxxHQHxQHu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12Hsa1nn0HsHaVasHH121sH12100kW()35K=0.351700kW2100kW1700=()4002(1.50.01)0.04=sQTTHnQHuTQPQTTTTQQHHHHvDQHu(1)当和时(2)当时HHsH1/43/8aH8(1700)1700kW35K2(1.50.01)=10m1.5m/sd=5.5(0.0098)dQuQTvDQHuTHQz(3)当或时(4)当高处的年平均风速小于或等于时例4-1某城市火电厂的烟囱高100m，出口内径5m。出口烟气流速12.7m/s，温度100℃，流量250m3/s。烟囱出口处的平均风速4m/s，大气温度20℃，试确定烟气抬升高度及有效源高。解：用公式（4－23）计算烟囱的热释放率QH=0.35×978.4×250×(140-20)/(140+273)=24875kW2100kW，且ΔT≧35K，运用式（4－22）计算，查表4－2得n0=1.303,n1=1/3,n2=2/3按“制定原则和方法”的公式，抬升高度ΔH=1.303×248751/3×1002/3×4-1=204.9m则有效源高H=Hs+ΔH=100+204.9=304.9m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yz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Hmax|2czxxzH~zxmaxcx~yxmaxC由和由曲线（图4-5）反查出由曲线（图4-4）查由式（4-10）求出yHmax|2czxxzH~zxmaxcx~yxmaxC由和由曲线（图4-5）反查出由曲线（图4-4）查由式（4-10）求出y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：在阴天条件下，大气稳定度为D级，由表4-4查得，在x=500m处，=35.3m，=18.1m。代入式（4-9）得：yz22253(500,0,0,60)exp()280160exp[()]3.14635.318.1218.12.7310/zyzQHcugm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）0arcsin[sinsincoscoscos(15300)]ht（4-29）式扩散参数的确定－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，1221,aayzxx2121()qyyz[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：查表4-4或按表4-8中的幂函数计算，在C级稳定度，=215.6m时，由式4-10求得最大着地浓度：max304.9215.63582zxxHmzmax3998,358yxmm53max225.6910/yzQgmuHe第四节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22(2)exp[]2πzyzqHnDCu封闭型扩散模式计算简化：1.当（尚未到封闭阶段）（烟流半宽度）查P－G曲线4-9式计算地面轴线浓度Dxx2.15zDHDx1.当（尚未到封闭阶段）（烟流半宽度）查P－G曲线4-9式计算地面轴线浓度Dxx2.15zDHDx011d1DzDD2.当，z向浓度混合均匀，z分布函数为D2xx22(,)exp()22πyyqycxyuD011d1DzDD2.当，z向浓度混合均匀，z分布函数为D2xx22(,)exp()22πyyqycxyuD2.当，z向浓度混合均匀，z分布函数为D2xx22(,)exp()22πyyqycxyuDDD2xxx3.DxxD2xx内插（假定变化为线性），按z值插值DD2xxx3.DxxD2xx内插（假定变化为线性），按z值插值（4-36）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22211exp()d22π(,,0,)exp(),()/22πpFfzyffyfqPPyxyHPhHuh2.15152.158oyyfyHtgH