大氣污染擴散基礎知識（大氣污染控制技術）

大氣污染基本知識大氣擴散基礎知識學習內容一、煙氣在大氣中擴散的計算二、煙囪高度與廠址選擇一、煙氣在大氣中擴散的計算

大氣擴散的基本問題，是研究湍流和煙流傳輸與污染物濃度衰減的關系問題。為了推斷各種條件下污染物傳輸及濃度時空分布規(guī)律，必須將各種污染源、氣象參數(shù)以及下墊面條件下大氣污染過程模式化。高斯在分析了大量擴散試驗資料的基礎上，應用湍流統(tǒng)計理論得到了正態(tài)分布假設下的擴散模式，即——高斯模式。1、高架連續(xù)點源的高斯擴散模式高斯煙流中心線上的濃度分布（1）高斯模式的建立

假定條件：污染物的平均濃度在y、z軸上的分布符合正態(tài)分布；擴散物質在擴散過程中不發(fā)生衰減，與空氣無相對運動（污染物質量守恒）；在擴散的整個空間中風速是均勻、穩(wěn)定的；污染源的源強為連續(xù)的，均勻的。（2）高架連續(xù)點源擴散模式（高斯模式）式中：C(x,y,z,H)——有效源高H的源在下風向空間點(x,y,z)處造成的濃度（mg/m3）；

H——有效源高，m；Q——源強，單位時間污染源排放的污染物（mg/s）；

——為源高處平均風速（m/s），m/s；

——分別為橫向、豎向方向上任一點煙氣分布曲線的標準偏差，即擴散系數(shù)（m）。根據(jù)高斯模式可求出下風向任一點污染物的濃度當y=0時，C（x，0，z，H）即為煙流中心線上污染物的濃度；當z=0時，C（x，y，0，H）即為污染物的地面濃度；當y=0，z=0時，C（x，,0，0，H）即為煙流地面中心線上污染物的濃度；當z=0，H=0時，C（x，y，0，0）即為地面連續(xù)點源的污染物地面濃度；當y=0，z=0，H=0時，C（x，0，0，0）即為地面連續(xù)點源地面中心線上污染物的濃度。1）地面上任意一點濃度C(x,y,0,H)模式（2）地面軸線濃度C(x,0,0,H)模式2、煙氣抬升現(xiàn)象和煙氣抬升高度計算

有效源高（H）是指：從煙囪排放的煙云距地面的實際高度。包括兩部分：煙囪高度（或排氣筒）本身高度（Hs）；煙氣抬升高度（△H）。即：H=Hs+

△H產生煙云抬升的原因有：煙囪出口處的煙流具有一定的初速度——初始動量；出口處煙流溫度高于周圍空氣溫度而產生的凈浮力。抬升高度計算霍蘭德公式我國國家標準中規(guī)定的公式注意：公式的使用范圍公式中符號的物理意義和單位（1）霍蘭德公式：式中：

us——煙氣出口處流速，m/s；

D——煙囪出口處的內徑，m；

——煙囪出口處的平均風速，m/s；

QH——煙氣熱排放率，kJ/s；

Ts——煙氣出口溫度，K；

Ta——大氣溫度，K。QH可按下式進行計算：ρs——煙囪排出口處，Ts溫度下煙氣的密度，kg/m3；cp——恒壓下煙氣的比熱容，kJ/(kg·K)，可查氣體平均比熱容?；籼m德公式的應用：該式適宜于中性條件；計算不穩(wěn)定條件下的煙氣抬升高度時，煙氣實際抬升高度比計算值增加10%～20%；計算穩(wěn)定條件下的煙氣抬升高度時，煙氣實際抬升高度比計算值減小10%～20%；該式較保守，不適宜計算溫度較高的熱煙氣或高于100m的煙囪的抬升高度。（2）國家標準中的規(guī)定的計算公式《制定地方大氣污染物排放標準的技術方法》1）當QH≥2100kJ/s，且（Ts-Ta）≥35K時，煙氣抬升高度可用下式計算。QH可用下式計算：其中：Qv——實際排煙量，m3/s；Hs——煙囪距離地面的幾何高度，m；pa——大氣壓力，hPa；

n0，n1，n2值為系數(shù)或指數(shù)，查表。

——按指數(shù)關系換算到煙囪出口處的平均風速。（2）國家標準中的規(guī)定的計算公式2）當1700kJ/s＜QH＜2100kJ/s，煙氣抬升高度可用下式計算?！鱄2可按下式計算：（2）國家標準中的規(guī)定的計算公式3）當QH≤1700kJ/s或者Ts-Ta＜35K時，煙氣抬升高度可用下式計算。例題：

某城市火電廠的煙囪高100m，煙氣排出口內徑5m，出口煙氣流速12.7m/s，溫度100℃，流量250m3/s，煙囪出口處的風速4m/s，大氣溫度20℃，試確定煙氣抬升高度及有效源高度。例題：

某城市火電廠的煙囪高100m，出口內徑5m，出口煙氣流速12.7m/s，溫度100℃，流量250m3/s，煙囪出口的風速4m/s，溫度20℃，當?shù)貧鈮涸嚧_定煙氣抬升高度及有效源高度。解：已知：Hs=100m，Qv=250m3/s，D=5m，us=12.7m/s，Ts=100+273.15=373.15K，Ta=20+273.15=293.15K，=4m/s先計算煙氣的熱釋放率QH抬升高度H=Hs+△H=100+204.9=304.9m（六）煙囪高度和廠址選擇1、煙囪高度的計算

煙囪本身并不能減少排入大氣的污染物數(shù)量，但它能使污染物從局部地區(qū)轉移到很大的范圍內擴散，利用大氣的自凈能力使地面濃度控制在人們可以接受的范圍內。煙囪越高，煙氣上升力越強，燃料燃燒也較好，污染物可以在離地面較高的大氣中擴散，再加上高空風速大，稀釋能力強，可使大氣污染程度減輕。（1）根據(jù)地面污染物最大濃度計算法設計

該法以地面最大濃度不超過《環(huán)境空氣質量標準》規(guī)定的濃度為依據(jù)，直接由地面最大濃度公式求出煙囪高度。式中：C0為《環(huán)境空氣質量標準》規(guī)定的某污染物的濃度限值，Cb為其環(huán)境本底值。（2）根據(jù)點源煙囪允許排放率設計根據(jù)《制定大氣污染物排放標準的技術方法》中規(guī)定的點源煙塵允許排放率計算式：式中：Qe——煙塵允許排放速率，t/h；Pe——煙塵排放控制系數(shù)，t/(h·m2），按所在行政區(qū)及功能表查；點源煙囪Pe值表地區(qū)序號1)一類功能區(qū)二類功能區(qū)三類功能區(qū)123456756652.52.5215-2018-2515-2515-207.5-157.5-106-925-5030-5030-5025-5012.5-3812.5-2510-23我國各地區(qū)總量控制系數(shù)A、低源分擔率、點源控制系數(shù)P值地區(qū)序號省(市)名AaP總量控制區(qū)非總量控制區(qū)1新疆,西藏,青海7.0-8.40.15100-150100-2002黑龍江,吉林,遼寧,內蒙古(陰山以北)5.6-7.00.25120-180120-2403北京,天津,河北,河南,山東4.2-5.60.15100-180120-2404內蒙古(陰山以南),山西,陜西(秦嶺以北),寧夏,甘肅(渭河以北)3.5-4.90.20100-150100-2005上海,廣東,廣西,湖南,湖北,江蘇,浙江,安徽,海南,臺灣,福建,江西3.5-4.90.2550-10050-1506云南,貴州,四川,甘肅,(渭河以南),陜西(秦嶺以南)2.8-4.20.1550-7550-1007靜風區(qū)(年平均風速小于1m/s)1.4-2.80.2540-8040-90（3）國家大氣污染物排放標準對排氣筒幾何高度的確定1）綜合性排放標準對排氣筒高度的確定除需遵守《排放標準》標準值外，還應高出周圍200m半徑范圍的建筑5m以上，不能達到該要求的排氣筒，應按其高度對應的表列排放速率標準嚴格50%執(zhí)行。2）新污染源排氣筒一般不應低于15m。3）兩個排放相同污染物的排氣筒，若其距離小于其幾何高度之和，應合并視為一個等效排氣筒。4）行業(yè)性大氣污染物排放標準對排氣筒高度的限定水泥工藝生產設備排氣筒最低限值2、廠址選擇

從防止大氣污染的角度考慮，理想的建廠位置是污染物背景濃度小，大氣擴散稀釋能力強，排放的污染物被輸送到城市或居民區(qū)的可能性最小的地方。2、廠址選擇（1）背景濃度背景濃度是指該地區(qū)已有的污染物濃度水平。它是由當?shù)仄渌廴驹春瓦h距離輸送來的污染物造成。背景濃度超過環(huán)境空氣質量標準的地區(qū)不宜建廠。背景濃度沒有超過環(huán)境空氣質量標準，加上擬建廠造成的污染物濃度以后，若不超過環(huán)境空氣質量標準，短期內又無法克服的，也不宜建廠。（2）風向和風速氣候資料：污染源相對居住區(qū)來說，應設在最小頻率風向的上側，使居住區(qū)受害時間最少；應盡量減少各工廠的重復污染，不宜把各污染源配置與最大頻率風向一致的直線上；煙囪及無組織排放量大或廢氣毒性大的工廠，應使其與居住的距離更遠些；污染源應位于農作物和經濟作物抗害能力最弱的生長季節(jié)的主導風向的下側。污染系數(shù)：風向頻率/平均風速。某一風向污染系數(shù)小，表示該風向吹來的風所造成的污染小，所以污染源應設在污染系數(shù)最小方向的上側。某地風向頻率及污染系數(shù)從上表可看出，若只考慮風向頻率，工廠應設在居民區(qū)的西南方；若從污染系數(shù)考慮，則廠址應選在西北方。風向NNEESESSWWNW合計風向頻率風速污染系數(shù)污染系數(shù)百分率1653.2121142.8101234.0142145.3191033.312723.5131133.71312627100--1003）大氣溫度層結的影響由于一般污染物多在距離地面幾百米范圍內進行擴散，所以，離地面幾百米以內的大氣溫度層結對污染物的擴散稀釋過程有重要影響。對污染物擴散最不利的是近地層輻射逆溫和上部逆溫，因此應收集有關逆溫層厚度、高度、強度、出現(xiàn)頻率和持續(xù)時間資料。（3）大氣溫度層結的影響逆溫對高架源污染影響分為兩種情況：高架源出口在逆溫層之中，逆溫層鉛直湍流微弱，鉛直擴散慢，污染源附近的地面濃度反而低。遠距離的地面濃度比沒有逆溫層時要高，高濃度的范圍也大。近地面的逆溫破壞時產生熏煙型擴散，造成高濃度，但時間短，30—60min。高架源排煙口高于逆溫層頂，產生屋脊型擴散，對擴散有利。（3）大氣溫度層結的影響逆溫層對近地面源影響很大，往往在近距離內造成很高的污染物濃度。工廠常用跑、冒、滴、漏等無組織排放，逆溫時地面風速很小，擴散稀釋速率很慢，結果在廠區(qū)內及附近造成高濃度污染。（4）對地形的考慮

由于水陸交界、山區(qū)、大城市等地，局部地區(qū)地形地物會改變距地氣象條件，形成獨特的大氣擴散規(guī)律，出現(xiàn)一些特殊的空氣污染過程。（4）對地形的考慮故：選擇廠址時應考慮的地形因素有：若山谷很深，且其走向與盛行風交角在45～135°間，谷內風速經常很小，不利于污染物擴散，若有效源高不能超過經常出現(xiàn)靜風及微風的高度，則不宜建廠；有效源高不可能超過下坡風厚度和背風坡湍流區(qū)時，煙流會被氣流下壓導向地面，或因為強烈的鉛直混合擴散到地面，從而引起地面高濃度，不宜建廠；谷底四周山坡上有居民局及農田的，而有效源高又不可能超過山高時，煙氣將直接吹向坡地，造成高濃度，這種谷地不宜建廠。（4）對地形的考慮四周有高地形環(huán)繞的山谷凹地中，經常出現(xiàn)強而厚的逆溫層的地方不宜建廠；煙流雖能過山，但仍可能在背風面形成污染時，不能將居民點布置在背風面污染區(qū)中；在海陸風較穩(wěn)定的大型水域沿岸或山地交界的靠山地段不利于污染物的輸送與稀釋，這類地區(qū)不宜建廠。大氣污染基本知識大氣擴散基礎知識任務二大氣擴散基礎知識學習內容一、主要的氣象要素二、影響大氣污染物擴散的因素

一、主要的氣象要素氣象要素——表示大氣狀況的物理量和物理現(xiàn)象。與大氣污染關系密切的氣象要素主要有：（1）氣溫（2）氣壓（3）空氣濕度（氣濕）（4）風（風向、風速）（5）云量云狀（6）能見度（7）降水量

（1）氣溫

天氣預報中：距地面1.5m高、百葉箱內測得的氣溫。表示方法：攝氏溫度（℃）和熱力學溫度（K）。t（K）=t（℃）+273.15

（2）氣壓

任一點的氣壓值等于該地單位面積上所承受的垂直空氣柱的質量。

（單位：Pa）

1atm＝101326Pa=760mmHg=1013.26mb

據(jù)實測近地層高度每升高100米，氣壓平均降低約12.4毫巴（1mb=100Pa)。（3）濕度

表示大氣中水汽含量和空氣潮濕程度的物理量。是決定云、霧、降水等天氣狀態(tài)的重要因素。絕對濕度——空氣中水蒸氣分壓力與同溫度下飽和水氣壓的比值，用百分比表示。

（4）風向風速風的形成：風主要由于氣壓的水平分布不均勻而引起的，而氣壓的水平分布不均是由溫度分布不均造成。

風的形成除熱力原因外，還有動力原因，自然界的風是由于這兩種原因綜合作用的結果，但只要有溫差存在，空氣就不會停止運動。水平方向的空氣運動稱為風。

（垂直方向－升降氣流）風的來向叫風向表示方法：8或16個方位圓周等分；角度；高空用36個方位圓周等分。風速：單位時間內空氣在水平方向上運動距離。

(km/s)

F——風力級（0～12級）（5）云

云：是大氣中的水汽凝結現(xiàn)象。是漂浮在空中的大量小水滴、小冰晶或兩者的混合物構成的。從污染的角度考慮，主要關心云量和云高。

云量：在我國，將天空分為10等份，有幾分天空被云遮蓋，云量就是幾。如：云占天空的1/10，云量記為1。云高：指云底距地面的垂直距離，以米為單位。

高云（5000m以上）低云（2500米以下）中云（2500～5000m）（6）能見度

在當時的天氣條件下，視力正常的人能夠從天空背景中看到或辨認出目標物的最大水平距離（0~9級，相應距離為50～50000米）

，單位：m、Km。

能見度的大小反應了大氣的混濁現(xiàn)象，反映出大氣中雜質的多少。大氣中的霧、水汽、煙塵等，可使能見度降低。

二、影響大氣污染物擴散的因素（1）風對大氣污染物擴散和輸送的影響（2）湍流對大氣污染物的影響（3）大氣穩(wěn)定度與逆溫對大氣污染的影響（4）城市下墊面對大氣污染物擴散的影響（5）地形對大氣污染擴散的影響（6）海陸風對大氣污染物擴散的影響（7）降水對大氣污染擴散（1）風對大氣污染物擴散和輸送的影響影響方面：風向和風的速率。風向：影響污染物的水平遷移擴散方向，總是不斷將污染物向下風方向輸送，污染區(qū)總是分布在下風方向上，高污染濃度常出現(xiàn)在大污染源的下風向。風速：決定了大氣擴散稀釋作用的強弱和對污染物輸送距離的遠近。

風速越大，單位時間內混入煙氣中的清潔空氣愈多，大氣擴散稀釋作用越強；風速越大，污染物輸送的距離越遠，但濃度將變得很小。風速廓線——風速隨高度變化的曲線風速廓線模式—對數(shù)律風速廓線和指數(shù)律風速廓線。1）對數(shù)律風速廓線表達式：式中：

——高度z處的平均風速，m/s；u*——摩擦速度，m/s；k——卡門常數(shù)，k=0.44；z0——地面粗糙度，cm。風速廓線——風速隨高度變化的曲線具有代表性的z0地面類型z0具有代表性的z0草原農作物地面分散的樹林分散的大樓（城市）密集的大樓（大城市）1～1010～3030～100100～40040031030100＞300指數(shù)律風速廓線2）指數(shù)律風速廓線數(shù)學表達式：式中：

——欲求高度z上的風速，m/s；

——已知高度z1上的風速，

m——風速指數(shù)，隨湍流強度加強而降低。穩(wěn)定度極不穩(wěn)定不穩(wěn)定若不穩(wěn)定中性若穩(wěn)定穩(wěn)定m0.100.150.200.250.300.30不同穩(wěn)定度的m值（2）湍流對大氣污染物的影響湍流：在實際生活中可以感到風速時大時小，有陣性，而且沿主導風向常出現(xiàn)左右和上下的無規(guī)則擺動。大氣的這種無規(guī)則的陣性和擺動稱為湍流。污染物排入大氣后，形成濃度梯度，它們除隨風作整體漂移外，湍流混合作用會不斷將周圍的清新空氣卷入已污染的煙氣，將煙氣帶到周圍空氣中，使污染物質從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)分散、稀釋——湍流擴散過程。

（3）大氣穩(wěn)定度與逆溫對大氣污染的影響大氣穩(wěn)定度：表示空氣塊在豎直方向的穩(wěn)定程度，及氣塊是否安于原來所在的層次，是否易于發(fā)生對流。分為：穩(wěn)定：如果空氣團受力移動后，逐漸減速，并有返回原來高度的趨勢；中性：若受力被推動某一高度后，既不加速也不減速，保持不動；不穩(wěn)定：空氣團離開原位，并有遠離原來高度的趨勢。（3）大氣穩(wěn)定度與逆溫對大氣污染的影響當大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)時，對流與湍流容易發(fā)生，污染物的擴散稀釋能力強；

當大氣處理穩(wěn)定狀態(tài)時，對流與湍流受到抑制，污染物難于擴散稀釋。不同大氣穩(wěn)定度導致從煙囪排出的煙流呈不同的形狀。逆溫層：地球表面上方大氣圈各層的溫度隨高度的不同而發(fā)生變化。不同氣層的氣溫隨高度的變化常用氣溫垂直遞減率γ表示：γ>0,氣溫隨高度增加而降低；γ=0，隨高度不變，等溫層；γ<0，隨高度增加而增加。（逆溫層）不穩(wěn)定，對流強烈。多出現(xiàn)在太陽光較強的中午；中性。多云或陰天的白天，強風的夜晚或冬季夜間。穩(wěn)定狀態(tài)。弱晴朗的夜晚和早晨。排出口上方不穩(wěn)定，下方穩(wěn)定。出現(xiàn)于日落后，地面有逆溫層穩(wěn)定，高空受冷空氣不穩(wěn)定；排出口上方穩(wěn)定，下方不穩(wěn)定。出現(xiàn)于日出后，地面逆溫層被日照破壞，高空仍保持逆溫。（4）城市下墊面對大氣污染物擴散的影響城市特點：