1、大气污染控制工程大气污染控制工程第十章第十章 大气扩散与污染控制大气扩散与污染控制第十章第十章 大气扩散与污染控制大气扩散与污染控制 污染物排入大气后，在大气中扩散稀释，并被传输和转化。根据当地地形、地物和气象条件，采取有利的排放方式（如高烟囱、排放地点），减少其环境影响，这是一种有效而经济的污染控制方式。主要的气象要素大气的热力学过程大气的运动和风大气扩散模式 大气污染浓度估算 烟囱计算 厂址选择 第十章第十章 大气扩散与污染控制大气扩散与污染控制 风是指水平方向的空气运动，垂直方向的空气运动称为升降气流。风具有方向（指风的来向）和大小（m/s）。风向常以八或十六个方向，或用角度（0 360
2、）表示二、风、风风向的表示方法风玫瑰图二、风、风三、云 云是由飘浮在空中的大量小水滴或小冰晶或两者的混合体构成的。云按其高度不同分为高云、中云和低云。云会阻挡太阳对地表的辐射，云的状态和云量多少影响大气的稳定度，从而影响污染物的扩散。云量是指云遮蔽天空的份数。我国将天空分为十份，云遮蔽了几份，云量就是几。能见度是指视力正常的人在当时天气条件下，能够从天空背景中看到或辨认出目标物（黑色，大小适度）的最大水平距离，单位m或km。能见度反映了大气清洁、透明的程度。四、能见度第二节 大气的热力学过程太阳、大气和地面的热交换 气温的垂直分布 大气稳定度 逆温 大气稳定度与烟流扩散的关系 一、太阳、大气和
3、地面的热交换 太阳辐射是地球上的主要热源，低层大气的加热和冷却是太阳、大气和地面之间热交换的结果。太阳向地面的辐射以短波辐射为主，而大气本身吸收短波的能力很弱，地球表面上分布的陆地、海洋、植被等直接吸收太阳辐射的能力很强；地表吸收太阳辐射后并向空中进行长波辐射，大气吸收长波辐射的能力很强。因此近地层大气温度变化主要受地表温度的影响，随地表的温度的升高或降低，近地面空气自下而上被加热或冷却。二、气温的垂直分布绝热上升或绝热下降绝热上升或绝热下降:在大气中，某一气团（气块）因某种原因作上升或下降运动，在运动过程中不与周围大气热量交换。干绝热直减率干绝热直减率:干空气块绝热上升或下降100m时，温度
4、降低或升高的值，用 表示:d(/)diddT dz 根据热力学第一定律和气体状态方程，可以得出，/0.98/100dpg CCm气温直减率:真实大气的气温随高度的变化,温度层结曲线，简称温度层结。大气中的温度层结有四种类型：1 ，递减或超绝热；2 ，中性；3 =0，等温；4 0，气温逆转，简称逆温。(/)dT dz 温度层结曲线dd二、气温的垂直分布三、大气稳定度三、大气稳定度 大气稳定度是指大气在铅直方向上稳定的程度。大气就整体而言，是经常处于静力平衡状态的，但是个别气块由于各种因素往往偏离这种状态，产生上升或下降的铅直运动。单位体积的空气块在大气中受到两种力的作用，即自身的重力 和四周大气
5、对它的浮力：igiiagg 利用状态方程可得：当空气块上升 时，则：决定了 和 a的方向是否一致，即决定了大气的稳定程度，所以可以把 和 的大小比较作为大气稳定度的判据。iTTagTz0iidTTz0TTz 00iTTdagzTdzd三、大气稳定度三、大气稳定度 当 时，a 和 的方向一致，开始的运动将加速进行，大气是不稳定的。当 时，a 和 的方向相反，开始的运动将受到抑制，大气是稳定的。当 时，a=0,大气是中性的。dzdzd 具有逆温层的大气层是稳定的。某一高度上的逆温层就象一个“盖子”一样，阻碍大气的铅直运动，不利于污染物的扩散稀释。根据逆温层出现的高度不同，逆温可分为接地逆温和不接地
6、逆温。根据逆温的形成过程，可分为辐射逆温、下沉逆温、平流逆温、湍流逆温和锋面逆温五种。四、逆温四、逆温 1 1辐射逆温辐射逆温：由于地面强烈辐射冷却而形成的逆温称为辐射逆温。夜间逆温深度逐步增加，到清晨最厚。随着白天的 到来，地面开始加热，逆 温逐渐自地面开始向上消 失，成为不接地逆温，此 时容易产生熏烟型污染。到上午910点逆温全部 消失。辐射逆温的形成和消失四、逆温四、逆温 2 2 下沉逆温下沉逆温 在高气压区里存在着下沉气流，由于气流的下沉使其气温绝热上升，因此也会形成逆温层，称之为下沉逆温，下沉逆温持续时间很长，范围很广，厚度也较大。四、逆温四、逆温沉降逆温的形成 3 平流逆温 当暖空
7、气平流到冷地面上时，下层空气受地表影响大，降温多，而上层空气降温少，故形成逆温，称之为平流逆温。平流逆温的强弱取决于暖空气与冷地面的温差。四、逆温四、逆温 4 4 湍流逆温湍流逆温 低层空气湍流混合形成的逆温湍流逆温的形成四、逆温四、逆温 5 5 锋面逆温锋面逆温 在对流层中，冷暖空气相遇，暖空气密度小就会爬到冷空气上面去，冷空气重，则会沉入到暖空气下方，这样就形成了一个向冷空气方向倾斜的过渡锋面。如果锋面处冷暖空气的温差很大，即可在冷空气侧出现逆温。这种逆温沿着锋面的狭长地带分布，当锋面移动或停滞时，容易发生严重污染。四、逆温四、逆温d大气稳定度和烟型1 1 波浪型波浪型 ，大气全层不稳定。
8、烟流上下飞舞，沿主导风向流动扩散很快，形成波浪型。这种烟型多发生在晴天中午和午后。2 2 圆锥型圆锥型 =，大气处于中性或弱稳定状态，烟流的扩散在水平、垂直方向大致相同，烟气沿风向愈扩愈大形成锥形。多发生在阴天中午或冬季夜间。d五、大气稳定度与烟流扩散的关系 3 3 扇型扇型 0，大气处于强稳定状态，温度层结为逆温，烟流的扩散在铅直方向受抑制，在水平方向扩展成扇形。这种烟型在晴天从夜间到早上常见。4 4 屋脊型屋脊型 上层 ，下层 ，上层大气为不稳定状态，下层为稳定状态。烟流受逆温层的阻挡不向下扩散，只向上扩散呈屋脊型。这种情况常见于日落前后。dd五、大气稳定度与烟流扩散的关系 d5 5 熏烟
9、型熏烟型 下层 ，上层 0，上层大气处于稳定状态，而下层为不稳定状态。烟流向上的扩散受抑制，能在近地面附近扩散，往往在下风向造成比其它形式严重得多的地面污染，许多烟雾事件就是在此条件下形成的。这种情况多发生在冬季日出前后。五、大气稳定度与烟流扩散的关系 引起大气运动的作用力 大气边界层中风随高度的变化 地方风 第三节 大气的运动和风 作用于大气的力，有气压梯度力；地转偏向力(科里奥利力)；摩擦力；大气作曲线运动时还要受到惯性离心力的作用。这些力之间不同的结合构成了不同形式的运动，但水平气压梯度力是引起大气运动的直接动力。一、引起大气运动的作用力一、引起大气运动的作用力二、大气边界层中风随高度的
10、变化 在大气边界层中，由于摩擦力随高度增加而减少，当气压梯度力不随高度变化时，风速随着高度的增加而增大，风向与等压线的交角随高度的增加而减少，在北半球，风向随着高度增加向右偏转，到达边界层顶时，风的大小、方向完全与地转风（自由大气中的风）一致。爱克曼螺线风速随高度的变化可以采用指数律来描述：11()mzuuz二、大气边界层中风随高度的变化 指 数 m 的 值稳 定 度ABCDE、F城 市0.100.150.200.250.30乡 村0.070.070.100.150.25 当无实测值时，在200m以下，可查表选取，在200m以上的风速取200m处的风速。风对排入大气的污染物有两种作用，一种是输
11、送作用，另一种是对污染物的冲淡稀释作用，然而在某些局部地区，由于受下垫面的强烈影响，形成了与一般情况下截然不同的风场，风的这两种作用也产生了完全不同的效果。三、地方风1.1.山谷风山谷风 山谷风是山风和谷风的总称，是以24h为周期的局地循环。山谷风是由于山坡与谷地受热不均匀而产生。山谷风环流三、地方风2.2.海陆风海陆风海陆风是海风和陆风的总称，发生在海陆交界地带，也是以24h为周期的大气局地循环。海陆风环流成因主要是由于海洋和陆地的热力性质差异而引起的。三、地方风“热岛效应”引起的城乡大气环流三、地方风3.3.城市热岛环流城市热岛环流工业的发展，人口的集中，使城市热源和地面覆盖物与郊区形成显
12、著的差异，从而导致城市比周围地区热的现象，称之为城市热岛效应。在晴朗平稳的天气下可以形成一种从周围农村吹向城市的特殊局地风，称为城市热岛环流或城市风。第四节 大气扩散模式高斯扩散模式有上部逆温时的扩散模式熏烟扩散模式颗粒物扩散模式城市和山区的扩散模式 高斯扩散模式是在污染物浓度符合正态分布的前提下导出的，其基本假设为：烟羽的扩散在水平和垂直方向都是正态分布；在扩散的整个空间风速是均匀的、稳定的；污染源排放是连续的、均匀的；污染物在扩散过程中没有衰减和增生；在x方向，平流作用远大于扩散作用；地面足够平坦。一、高斯扩散模式高斯扩散模式 扩散模式的坐标系 污染物在扩散中无衰减和增生，地面对污染物没有
13、吸收、吸附作用。就像一面镜子，对污染物起着全反射的作用，可以用“像源法”来解决这个问题。一、高斯扩散模式高斯扩散模式由地表面产生的全反射空间任意一点的污染物浓度：22222()()exp()expexp22yzyzyzHzH Qy z,Hu2z2一、高斯扩散模式高斯扩散模式 反映了实源的贡献，反映了虚源的贡献。2()exp2zH2z2()exp2zH2z 1 高架连续点源地面浓度222exp()exp()22yyzyH Qy,Hu2z 2 高架连续点源地面轴线浓度2exp()2yzH Q,Hu2z3 高架连续点源的最大地面浓度一、高斯扩散模式高斯扩散模式2./2zyz xeHH 2Q,Huma
14、xmaxmax 上部逆温层就像一个盖子使污染物的铅直扩散受到限制，扩散只能在地面和逆温层底之间进行，所以又称为“封闭”型扩散。推导这种情况下的扩散公式是把逆温层底看成和地面一样能起全反射的镜面，烟云多次反射，污染物浓度可看成是实源和无穷多对虚源作用之总和。二、有上部逆温时的扩散模式22222(2)(2)exp()exp 22nyzy zyz HnLz HnL Qyz,Hu2z2 地面和逆温层底对烟云多次反射模型 二、有上部逆温时的扩散模式 混合层高度是从地面算起至第一层稳定层底的高度，决定于起始温度的垂直结构和地面的增温情况。可用绝热线上升法 来确定：任一时间 的地面温度和 绘 制的直线与北京
15、时间 7点探空曲线的交点，可作为该时间的混合层 高度。d混合层高度的估算方法 二、有上部逆温时的扩散模式(1)当D时，烟流扩散不受逆温的影响，扩散公式采用高斯模式进行计算。(2)当2D 时，污染物经过多次反射后，在z方向上浓度渐趋均匀，水平方向仍呈正态分布，地面浓度的计算公式为：22exp()22yyy Qy,Hu L(3)当D0)13/23/16.1uxFH,F 3/1)/(4.2SuFH,F SuxF/)/(ZTgSa1 霍兰德式sasTTTdsgvF42当大气为中性或不稳定时(/z0)13/23/16.1uxFH,3.5*13/23/1)5.3(6.1uxFH ,3.5*当F55时，3/
16、514Fx，F55 时,5/234Fx 一、烟气抬升高度的计算3 国家标准推荐式 我国制定地方大气污染物排放排放标准的技术方法GB/T 13201-91推荐的烟气抬升公式如下：(1)当QH2100 kJ/s,T35K时：1021uHQnHnsnH0.35HvsTQpqTT=Ts-Ta一、烟气抬升高度的计算系数系数n0、n1、n2的值的值QH/(kJs-1)地表状况n0n1n2QH 21000农村或城市远郊区1.4271/32/3城区1.3031/32/321000QH2100且T35K农村或城市远郊区0.3323/52/5城区0.2923/52/5(2)当1700kJ/sQH654/4-2-1
17、+1+2+357/4-10+1+2+38/4-100+1+17/570000+18/800000二、扩散参数的确定 表10-6大气稳定度等级地面风速/（ms-1）太阳辐射等级+3+2+10-1-2 1.9ABABBDEF22.9BBCDEF34.9CBCCDDE55.9CDDDDD 6CDDDDD二、扩散参数的确定下风距离和水平扩散参数的关系下风距离和铅直扩散参数的关系知道某时某地的大气稳定度后，可以从经验曲线上查到各个距离的y y 和z z的值。二、扩散参数的确定2 国标推荐的扩散参数(1)平原地区农村及城市远郊区的扩散参数选取方法 A、B、C级稳定度直接由表查扩散参数y y 和z z 幂指
18、数。D、E、F级稳定度需要向不稳定方向提半级后查算。(2)工业区或城区的扩散参数选取方法 工业区A、B级不提级，C级提到B级，D、E、F级向不稳定方向提一级再按表查算。(3)丘陵山区的农村或城市 其扩散参数的选取法同城市工业区 二、扩散参数的确定(4)取样时间 大于30min取样时间，铅直扩散参数不变，横向扩散参数按下式计算：pyytt)(1212p时间稀释指数，当0.5ht1h,p=0.2,1ht100h,p=0.3。三、大气污染物浓度计算 大气污染物的一次浓度计算采用前面介绍的扩散模式进行计算。它对应的是一种气象条件下的污染物浓度分布。采用前面介绍的模式计算的污染物浓度取样时间与选用的扩散
19、参数取样时间对应。通过取样时间的修正可以换算到1h、2h以至24h平均浓度，但更长时间的平均浓度不能用这种方法进行计算。1 一次浓度三、大气污染物浓度计算2 2 长期平均浓度长期平均浓度(,)(,)ijkijkijkD uAf D uA(Di i,uj j,Ak k)风向为Di i风速等级为uj j稳定度级别为Ak k这种气象条件下的1小时浓度；f(Di i,uj j,Ak k)相应气象条件的出现频率。三、大气污染物浓度计算 例10-2 在东径104，北纬31的某平原郊区，建有一工厂。工厂产生的含SO2 2废气是通过一座高110m，出口内径2m的烟囱排放的。废气量为4105 m3/h(烟囱出口
20、状态)，烟气出口温度150，SO2 2 排放量为400kg/h。在1999年7月13日北京时间12时，当地的气象状况是：气温35，云量2/2，地面风速3m/s，大气压力1105 Pa.试计算此时距烟囱3000m的轴向浓度和由该厂造成的SO2 2 最大地面浓度及产生距离。解：（1）确定大气稳定度 稳定度分类方法采用修订的帕斯奎尔法PS法，由表 10-5和表10-6可知，需先求得h0 0。由式（10-46）得三、大气污染物浓度计算由式（10-45）计算得到：dn=194，)30015cos(coscossinsinsin0tArch=31,t=13h,=1040n=(360d/365)=191.3
21、4=0.006918-0.399912cos0+0.070257sin0-0.006758cos20+0.0009079sin20-0.002697cos30+0.001480sin30180/=21.96 代入上式求得 h0=80.91三、大气污染物浓度计算 由云量2/2和h0=80.91查表10-5可得辐射等级+3。由太阳辐射等级+3地面风速3m/s查表10-6知此时大气稳定度为B类。(2)烟囱口风速 msHuu)10/(10B类稳定度，m=0.07 m/s 5.3)10/110(307.0u（3）烟囱有效高度 烟气抬升公式采用国标推荐式 QH=0.35pqvT/Ts=0.351000(4
22、105/3600)(150-35)/(273.15+150)=10568.88kJ/s由QH=10568.88kJ/s和T=115K 采用式(10-38)；1021uHQnHnsnH 由平原郊区及QH H查表10-3得：n0=0.332,n1=3/5,n2=2/5三、大气污染物浓度计算 H=0.332(10568.88)3/5(110)2/5/3.5=161.45 mH=Hs+H=110+161.45=271.45 m（4）3000米处轴线浓度 当x=3000m时，由图10-18 和图10-19可查得B类稳定度下：y y=395m,z z=363m,代入式（10-9）：26222400 10/
23、3600271.45(3000,0,0,271.45)exp()exp()0.05323.5 395 3632 363yzzQHu mg/m3 （5）最大地面浓度及产生距离 由式（10-11）可知：max/2271.45/2zx xHm191.94 m 查图10-20可知，max=1684 m三、大气污染物浓度计算此时,y=238.5m，由式（10-10）得：6max2222400 10/3600 191.943.5271.45238.5zyQeuHe=0.081 mg/m3 第六节 烟囱计算烟囱高度的计算 烟囱出口直径的计算 一、烟囱高度的计算污染物地面浓度与烟囱高度的平方成反比，但烟囱的造
24、价也近似地与烟囱高度的平方成正比，为了达到环保和经济两方面的协调统一，需要确定一个合理的烟囱高度。1 1 按最大着地浓度设计的烟囱高度按最大着地浓度设计的烟囱高度根据最大着地浓度和有效烟囱高度的关系式,烟囱高度用下式计算：02()zsByQHHeu一、烟囱高度的计算2 按绝对最大着地浓度设计的烟囱 地面最大浓度公式是在风速不变的情况下导出的，实际上风速是变化的。当同时考虑风速对烟气抬升高度和扩散稀释的作用时，它的作用是相反的。存在某个风速值,它使最大地面浓度达到极大 ,这个风速称为危险风速或临界风速，用 表示。cuabsm一、烟囱高度的计算 通常，抬升公式可写为：，B代表抬升公式中除 以外的其
25、它因子，将它代入最大浓度公式,令 ，可得 =B/Hs，此时的地面浓度为：uBH/u/0ddu cu2/2absmzyscQeH u此时的烟囱高度为:002()2()zzsByycBQQHeBeu一、烟囱高度的计算3 按照一定保证率的计算方法 从环保和经济两方面来看，选择一个具有可接受的保证率的风速来设计烟囱高度是比较合理的，它可以保证在可接受的保证率下地面污染物浓度不超过允许标准。对于污染较大但出现频率较低的气象条件，可以通过污染预报用调节生产的办法来解决。一、烟囱高度的计算下洗现象及其地面浓度下沉现象及其地面浓度 4 烟囱设计时的注意事项（1）使烟囱能避免气流下洗现象或下沉现象的影响，要求烟
26、囱高度至少为邻近建筑物或障碍物高度的2.5倍。一、烟囱高度的计算（2）避开烟囱有效高度H与出现频率最高或较多的混合层高度相等，因为此时的情况最坏，地面浓度等于一般情况下的2倍。二、烟囱出口直径的计算烟囱出口直径可由下式计算：烟囱出口直径的设计主要是选择一个合适的烟气出口速度问题，选择烟气出口速度的一个重要原则是：避免下洗现象或下沉现象的发生。根据气流下沉的经验法则，选取（vs/u）2.5 作为设计准则是合适的。svvqD4二、烟囱出口直径的计算例10-3地处丘陵的某炼油厂要进行扩建，拟新建一烟囱排放污染物。烟囱排放条件为：出口内径3m，出口速度15m/s，排放温度140，大气温度17，硫化氢排
27、放量7.2kg/h。离该厂2500m有一城镇，大气中硫化氢的现状浓度是0.5g/m3，为使该城镇大气中H2S的浓度低于10g/m3，问要建多高的烟囱才能满足要求？设计风速取3m/s.二、烟囱出口直径的计算解：硫化氢的排放量Q=7.2kg/h=2106g/s 烟云抬升采用霍兰德式：)7.25.1(dTTTudVHSaSS3)15.273140()15.27317()15.273140(7.25.13315=58.7m/xy取 =0.9,则由式（10-44）可得到烟囱高度为：02()zsByQHHeu=7.58)5.010(39.010226e=63m 即修建63m的烟囱就能满足要求。m第七节 厂
28、址选择厂址选择所需要的气候资料 长期平均浓度 厂址选择 一、厂址选择中所需要的气候资料1 风向、风速的资料风向、风速的资料 通常把风向，风速的资料按每小时值整理出日、月(季)、年的风向、风速分布的频率，并作成表格或风向风速玫瑰图等。山区地形复杂，风向、风速随地点和高度变化很大，则应作出不同观测点和不同高度的风玫瑰图。由于长时间的静风会使污染物大量积累，并引起严重污染，在大气污染分析工作中，常常把静风(风速小于1m/s)和微风(风速在12 m/s之间)的情况单独分析。不但要统计静风出现的频率，而且还要进一步分析静风的持续时间，并绘出静风持续时间的频率图。一、厂址选择中所需要的气候资料 2 2大气
29、稳定度的资料大气稳定度的资料 一般气象台站没有近地层大气温度层结构的详细资料，可根据帕斯奎尔方法或帕斯奎尔特纳尔方法，利用已往的风向、风速、总云量低云量的原始记录，对当地的大气稳定度进行分类然后统计出月(季)、年各种稳定度的出现频率，作出相应的图表。同时，还应特别注意统计逆温的资料，如发生时间、持续时间、发生的高度、平均厚度及逆温强度等。一、厂址选择中所需要的气候资料3 混合层高度的确定混合层高度的确定 混合层高度是影响污染物垂直扩散的重要参数。混合层高度以看作是气块作绝热亡升运动的上限高度，具体地指出污染物在垂直方向的扩散范围。二二、长期平均浓度长期平均浓度 在厂址选择或环境评价中，更关心的
30、是长期平均浓度的分布，通过计算某个污染源周围的污染物浓度分布情况，进而可以作出长期平均污染浓度的等值线图。由此可以评价这个污染源对周围大气环境的污染贡献，进一步决定在该地是否建这样的工厂。三、厂址选择 1 本底浓度本底浓度 本底浓度是该地区已有的污染物浓度水平。在本底浓度已超过国家有关环境空气质量标准的地区不宜建新厂。有时本底浓度虽未超标，但加上拟建工厂的贡献后将超标，而且在短期内也难以解决，也不适宜建厂。三、厂址选择2 风向、风速与静风 污染危害的程度是与受污染的时间和污染浓度有关，所以希望居住区、作物生长区等能设在受污染时间短，污染浓度又低的位置。故确定工厂和居民区的相对位置时，要考虑风向
31、、风速两个因素，为此定义一个污染系数：平均风速风向频率污染系数 某风向污染系数小，表示从该风向出来的风所造成的污染小，即该方位的下风向的污染物长期平均浓度就低，因此污染源可布置在污染系数小的方位。三、厂址选择 全年静风频率很高(如超过40)或静风持续时间很长的地区，可能引起严重污染，则不宜建厂。山区地面多静风，而在某高度以上仍保持一定风速，故只要有效源高足以超出地形高度的影响，达到恒定风速层内，就不致形成静风型污染，故仍可考虑建厂。3 大气稳定度与逆温 主要应收集逆温层的强度、厚度、出现频率和持续时间等资料，要特别注意逆温同时又出现小风和静风的情况。三、厂址选择三、厂址选择 逆温层对高架源和地
32、面源产生的影响是不同的。近地层的接地逆温层对地面源的影响很大，往往导致较高的污染物地面浓度。贴地逆温(接地逆温)对高架源的影响有两种情况：一是高架源的排放口经常处在逆温层中，此时在污染源附近的地面浓度值偏低、在较远处的地面浓度值偏高。在接地逆温消失过程中，有时还产生熏烟型污染。二是高架源的烟囱口高于贴地逆温层顶，此时地面浓度值低。故在近地层逆温频率高、持续时间长的地区，是不宜建厂的。三、厂址选择4 地形地形 (1)山谷较深，走向与盛行风向交角为45135时，谷风风速经常很小，不利于扩散稀释。若烟囱有效高度又不能超过经常出现静风及小风的高度时，山谷内则不宜建厂。(2)排烟高度不可能超过下坡风厚度及背风坡湍流区高度时，在这种背风坡地区不宜建厂。(3)在谷地建厂时应考虑四周山坡上的居民区及农田的高度，若排烟有效高度又不能超过其高度时，也不宜建厂。三、厂址选择(4)四周地形很高的深谷地区，冷空气无出口静风频率高且持续时间长，逆温层经久不散，也不宜建厂。(5)在海陆风较稳定的大型水域与山地交界的地区不宜建厂。必须建厂时，应该使厂区与生活区的连线与海岸平行，以减少海陆风造成的污染。
