大气污染控制讲义....iversonzwl

大气污染控制工程 1 第一章第一章概论概论 大气污染的关注 1 局地或者区域污染到全球性气候变化 2 污染物由一次污染物到二次污染 物及微量有毒有害物质 3 大气污染控制技术也有末端控制到清洁生产为中心 的全过程控制 第一节第一节 大气和大气污染大气和大气污染 一 大气的组成一 大气的组成 大气与空气大气与空气 定义 定义 大气是指环绕地球的全部空气的总和 环境空气是指人类 植物 动物和建筑物暴露于其中的室外空气 区别和联系 区别和联系 大气所指的范围比空气大 大气和空气皆指环境空气 大气的组成大气的组成 大气是由多种气体混合组成的 按其成分可以概括为干燥清洁的空气 水 汽和悬浮微粒三部分 干燥清洁的空气见表 1 1 干洁空气的组成比例在 0 90km 范围内基本保持不变 大气中的水汽含量变化较大 其变化范围可达 0 01 4 许多天气现象与水汽含量有关 大气中的悬浮微粒主要是大气尘埃和 悬浮杂质 表表 1 1 干洁空气的组成干洁空气的组成 成分分子量体积比 成分分子量体积比 10 6 氮 N2 28 0178 09氖 Ne 20 1818 氧 O2 32 0020 95氦 He 4 0035 3 氩 Ar 39 940 93氪 Kr 83 801 二氧化碳 CO2 44 010 03氢 H2 2 0160 5 氙 Xe 131 300 08 臭氧 O3 48 000 01 0 04 甲烷 CH4 16 041 5 二 大气污染二 大气污染 大气污染 定义 定义 大气污染通常系指由人类活动和自然过程引起某些物质进入大气后 呈现出足够的浓度 达到足够的时间 并因此对人体的舒适 健康和福利或环 境造成危害 分类 分类 按大气污染的范围来说 大致可分为四类 1 局部地区污染 如 受某个工厂烟囱排气的直接影响 2 地区性污染 如工矿区域及其附近地区 或整个城市大气受到污染 3 广域污染 在大城市 大工业地带可以看到的 广域污染 4 全球性污染 如大气中硫氧化物 氮氧化物 二氧化碳和飘尘 大气污染控制工程 2 的不断增加 造成跨国界的酸性降雨和温室气体效应 全球性大气污染受到世 界各国的关注 需要国际间的合作加以解决 表表 1 2 清洁空气与被污染空气中污染物的含量清洁空气与被污染空气中污染物的含量 污染物清洁空气中的含量 10 6 污染空气中的含量 10 6 二氧化硫0 001 0 010 02 2 氮氧化物0 001 0 010 01 0 5 碳氢化物11 20 一氧化碳 15 200 二氧化碳310 330350 370 颗粒物 10 20 g m370 700 g m3 影响大气污染的主要因素影响大气污染的主要因素 污染物的排放情况 大气的自净过程 以及污 染物在大气中的转化情况 三 全球性大气污染问题三 全球性大气污染问题 温室效应温室效应 定义 定义 温室气体可以使太阳短波辐射几乎无衰减的通过 同时可以吸收地 面长波辐射 由此引起全球气温升高的现象 温室气体温室气体 甲烷 一氧化二氮 臭氧 氟氯碳 CFCs 水蒸气等 二氧化碳是最重要的温室气体 近 100 年 全球平均气温上升了 0 3 0 6 海平面上升了 14 25cm 见下表 臭氧层破坏臭氧层破坏 臭氧 臭氧 O3含量一亿分之一 集中在平流层 具有强烈吸收紫外线的功能 国际臭氧层日国际臭氧层日 9 月 16 日是 消耗臭氧层物质消耗臭氧层物质 通常简称为 ODS Ozone depletion substance 破环原因 破环原因 氟氯碳 CFCs 氮氧化物排放 南极臭氧层南极臭氧层 最新探测数据显示 今年南极上空臭氧层空洞正以近 年 来最快的速度扩展 目前空洞面积已超过 万平方公里 直逼 年同期的历史最高记录 万平方公里 预计空洞面积还将进一步扩大 造成这一现象的原因主要是氯氟烃 甲基溴 哈龙等人工合成化学物质通过光 化学作用对臭氧的消耗 而且人类几十年前排放的臭氧层消耗物质目前仍存在 于大气中 另外 除了化学物质的排放 气候也是影响臭氧层损耗情况的重要 因素 去年 南极地区气温偏高 使得臭氧层损耗减弱 而今年该地区较为寒 冷 也加剧了臭氧层空洞的扩大 南极臭氧层恢复至少需要 50 年 结果结果 皮肤癌 角膜炎赠加 生态系统破坏 酸雨酸雨 定义 定义 pH 小于 5 6 的大气降水 原因 原因 硫氧化物 氮氧化物的排放 在大气中形成硫酸和硝酸 以酸沉降 的形式返回地面 分布 分布 欧洲 北美 东亚 中国的西南 华南 东南严重 大气污染控制工程 3 一般认为酸雨中各种酸的贡献率为 H SO 65 HNO 30 HCl 5 国外如日本等酸雨严重 早在 1975 年东京一次酸雨的 竟达 3 1 我国 过去对 SO2 未加控制 SO2排放量逐年增加 1983 1991 年每年以 3 84 的速度 增长 1991 1994 年 SO2 排放量从 1495 万吨增至 1825 万吨 2000 年 SO2 排 放量将达 2600 万吨 超过美国 目前居世界第一 因此 近年来我国许多地区 酸雨不断发生 特别是西南 因燃烧大量高含硫煤而造成 酸雨影响生态 使 水质下降 土壤贫化 森林 作物枯萎 鱼类死亡 腐蚀金属和建筑物等 第二节第二节 大气污染物及其来源大气污染物及其来源 一 大气污染物一 大气污染物 大气污染物定义 大气污染物定义 大气污染物是指由于人类活动或自然过程排放到大气 并对人或环境产生 有害影响的物质 大气污染物分类 大气污染物分类 1 按存在状态分类 气溶胶状态污染物 按存在状态分类 气溶胶状态污染物 颗粒污染物也称为气溶胶状态污 染物 是指固体粒子 液体粒子或它们在气体介质中的悬浮体 和气体状态污 和气体状态污 染物 染物 以二氧化硫为主的含硫化合物 以一氧化氮和二氧化氮为主的含氮化合 物 碳的氧化物 碳氢化合物及卤素化合物 1 11 1 根据气溶胶的来源和物理性质 可将其分为如下几种 根据气溶胶的来源和物理性质 可将其分为如下几种 1 粉尘 dust 系指悬浮于气体介质中的细小固体粒子 通常是由固体 物质的破碎 分级 研磨等机械过程或土壤 岩石风化等自然过程形成 粉尘 粒径一般在 200 m 2 烟 fume 通常系指由冶金过程形成的固体粒子的气溶胶 它是由熔 融物质挥发后生成的气态物质的冷凝物 在生产过程中总是伴有诸如氧化之类 的化学反应 烟是很细的微粒 粒径范围一般为 0 01 1 m 3 飞灰 flyash 系指由燃料燃烧产生的烟气带走的灰分中分散得较细的 粒子 灰分 ash 系含碳物质燃烧后残留的固体渣 尽管其中可能含有未完全 燃尽的燃料 作为分析目的而总是假定它是完全燃烧的 4 黑烟 smoke 通常系指由燃烧产生的能见气溶胶 黑烟的粒度范围为 0 05 1 m 5 雾 气体中液滴悬浮体的总称 能见度300重污染 健康人运动耐受力降 低 有明显强烈症状 提前出现某些疾病 老年人和病人应当留在室内 避免体力消耗 一般人群应避 免户外活动 第二章第二章 燃烧与大气污染燃烧与大气污染 本章介绍燃烧过程的基本原理 污染物的生成机理 以及如何控制燃烧过 程以便减少污染物的排放量 第一节第一节 燃料的性质燃料的性质 燃料 燃烧过程中 能够放出热量 且在经济上可以取得效益的物质 分类 固体燃料 固体燃料燃烧困难 容易发生不完全燃烧 产生的污染物量大 液体燃料和气体燃料 物理状态 非常规燃料及常规燃料 煤 石油 天然气等化石燃料 一 煤一 煤 煤可分为褐煤 最低品位的煤 烟煤和无烟煤 含炭量高 三大类 煤的工业成分分析 水分 内水分 外水分 灰分 平均灰分 25 主 要指煤中所含碳酸盐 粘土矿物质以及微量的稀土元素等 挥发分 固定碳 以及估测硫含量和热值 这是评价工业用煤的主要指标 煤的元素分析 C H O S N 其测定方法了解 煤中硫的形态四种 有机硫 硫铁矿硫 主要为黄铁矿硫 硫酸盐硫和 有机硫 前两种挥发硫 硫酸盐硫是灰分的一部分 据分析 低硫煤中主要为有机硫 高硫煤中主要为无机硫 煤中成分的表示方法 收到基 空气干燥基 干燥基 干燥无灰基 定义 及符号表示 二 石油二 石油 液体燃料主要是石油 原油是天然存在的由链烷烃 环烷烃和芳香烃等碳 氢化合物组成的混合液体 含碳 氢和少量的氧 氮 硫等元素 还含有 微量金属元素 如钒 镍等 也可能受氯 砷和铅的污染 液体燃料发热量高 燃烧产生的污染量较少 三 天然气三 天然气 天然气是气态的化石燃料 主要由甲烷 约 85 乙烷 约 10 丙烷 3 等碳氢化合物组成 还可能含有水蒸气 二氧化碳 氮 氦和硫化氢等 气体 天然气中硫化氢 惰性组分含量超过一定值时 会影响燃烧效率 气体燃料容易燃烧 燃烧效率高 产生的污染物量很少 大气污染控制工程 11 四 非常规燃料四 非常规燃料 除常规燃料外的可燃物质即为非常规燃料 第二节第二节 燃料燃烧过程燃料燃烧过程 一 影响燃烧的主要因素一 影响燃烧的主要因素 燃烧过程及燃烧产物燃烧过程及燃烧产物 燃烧是可燃混合物的快速氧化并伴随着能量释放的过程 化石燃料完全燃 烧产物为二氧化碳和水 但如果燃烧条件控制不佳 就产生一氧化碳和黑烟 主要是碳氢化合物 等不完全燃料产物 燃料中的硫 氮等杂质元素还会产 生二氧化硫和氮氧化合物 燃料完全燃烧的条件燃料完全燃烧的条件 1 空气条件 燃料燃烧时必须保证供应与燃料燃烧相适应的空气量 如果空气供应不 足 燃烧就不完全 相反空气量过大 也会降低炉温 增加锅炉的排烟损失 因此按燃烧不同阶段供给相适应的空气量是十分必要的 2 温度条件 燃料只有达到着火温度 才能与氧化合而燃烧 着火温度系在氧存在下 可燃质开始燃烧所必须达到的最低温度 各种燃料都具有自己的特征着火温度 按固体燃料 液体燃料 气体燃料的顺序上升 各种燃料的着火温度见表 2 1 表 2 1 燃料的着火温度 燃料着火温度 K 木炭593 643 无烟煤713 773 重油803 853 发生炉煤气973 1073 氢气853 873 甲烷923 1023 当温度高于着火温度且放热速率高于向周围的散热速率 从而能够维持在 较高的温度时 才能使燃烧过程继续进行 3 时间条件 燃料在燃烧室中的停留时间是影响燃烧完全程度的另一基本因素 燃料在 高温区的停留时间应超过燃料燃烧所需要的时间 因此 在所要求的燃烧反应 速度下 停留时间将决定于燃烧室的大小和形状 反应速度随温度的升高而加 快 所以在较高温度下燃烧所需要的时间较短 4 燃料与空气的混合条件 燃料和空气中氧的充分混合也是燃烧完全的基本条件 混合程度取决于空 气的湍流度 若混合不充分 将导致不完全燃烧产物的产生 对于蒸气相的燃 烧 湍流可以加速液体燃料的蒸发 对于固体燃料的燃烧 湍流有助于破坏燃 料产物在燃料颗粒表面形成的边界层 从而提高表面反应的氧利用率 并使燃 烧过程加速 大气污染控制工程 12 适当地控制空燃比 温度 时间和湍流度 是实现有效燃烧和低污染排放 所必须的条件 评价燃烧过程和燃烧设备时 必须认真地考虑这些因素 通常 把温度 时间和湍流度称为燃烧过程的 三 T 二 燃料燃烧过程中的理论空气量二 燃料燃烧过程中的理论空气量 理论空气量理论空气量 单位量燃料按燃烧反应方程式计算求得燃烧所需要的空气量称为理论空气 量 建立燃烧化学方程式时 通常假定 空气仅是由氮和氧组成的 其体积比为 79 21 3 76 燃料中的固定态氧可用于燃烧 燃料中的硫主要被氧化为 SO2 燃烧中忽略 NOx 的生成可 燃料的化学式为 CxHySzOw 其下标 x y z w 分别代表碳 氢 硫和氧的原子数 由此可得燃料与空气中氧完全燃烧的化学反应方程式 2 8 其中 Q 代表燃烧热 空气过剩系数空气过剩系数 燃料完全燃烧时所需的实际空气量取决于所需的理论空气量和 三 T 条 件的保证程度 在理想的混合状态下 理论量的空气即可保证完全燃烧 但在 实际的燃烧装置中 三 T 条件不可能达到理想化的程度 因此为使燃料完 全燃烧 就必须供给过量的空气 一般把超过理论空气量多供给的空气量称为 过剩空气量 并把实际空气量 Va 与理论空气量 Vao 之比定义为空气过剩系数 即 2 3 通常 1 值的大小决定于燃料种类 燃烧装置型式及燃烧条件等因 素 表 2 3 给出了不同燃料和炉型的空气过剩系数 炉子的空气过剩系数炉子的空气过剩系数 燃烧方式烟煤无烟煤重油煤气 手烧炉和抛煤机炉1 3 1 51 3 2 0 链条炉1 3 1 41 3 1 5 悬燃炉1 21 251 15 1 21 05 1 1 空然比空然比 有时也采用空燃比 AF 这一术语 空燃比定义为单位质量燃料燃烧所 需要的空气质量 它可以由燃烧方程式直接求得 例如 甲烷在理论空气量下 的完全燃烧 大气污染控制工程 13 CH4 2O2 7 52N2 CO2 2H2O 7 52N2 空燃比 2 2 三 燃烧产生的污染物三 燃烧产生的污染物 燃烧产生的污染物主要有二氧化碳 硫氧化物 氮氧化物 烟 飞灰 金 属及氧化物等 四 热化学关系式四 热化学关系式 发热量发热量 高位发热量 水蒸气的气化潜热 和低位发热量 燃料燃烧设备的热损失燃料燃烧设备的热损失 排放热损失 6 12 排烟带走热量 与排烟温度和体积 正相关 有关 不完全燃烧热损失 化学和机械不完全燃烧 散热损失 第三节第三节 烟气体积及污染物排放量计算烟气体积及污染物排放量计算 一 烟气体积计算一 烟气体积计算 理论烟气体积理论烟气体积 定义 定义 在理论空气量下 燃料完全燃烧所生成的烟气体积称为理论烟气体 积 以 Vfg0表示 烟气成分烟气成分 主要是二氧化碳 二氧化硫 氮气和水蒸气 干烟气和湿烟气 理论水蒸气体积 燃料中氢燃烧后生成的 燃料中所含的水蒸气体积 有 理论空气量带入的水蒸气体积 烟气体积和密度的校正烟气体积和密度的校正 燃料装置产生的烟气温度和压力总是高于标准状态 在体积和密度计算中需要 换算成标准状态 根据克拉伯龙方程 可推导出 体积和密度的表达式 pM RT 过剩空气校正过剩空气校正 实际烟气体积 理论烟气体积 过剩空气量 通过奥式烟气分析仪测定 可以确 定烟气成分和空气过剩系数 Va 改为 Va0 理论空气量 过剩空气1 0 afgfg VVV 大气污染控制工程 14 二 污染物排放量的计算二 污染物排放量的计算 排放量 浓度 烟气量 浓度由化学计量式进行预测或监测 第四章 大气扩散浓度估算模式 第一节 湍流扩散的基本理论 一 一 湍流概念简介湍流概念简介 定义定义 大气的无规则运动叫做湍流 分类 按成因 分类 按成因 热力湍流 由于垂直方向温度分布不均匀引起的 其强度取 决于大气稳定度 和机械湍流 垂直方向上风速分布不均匀及地面粗糙度引起 的 其强度取决于风速梯度和地面粗糙度 风和湍流是决定污染物在大气中扩散稀释的最直接最本质的因素 风速越大 湍流越强 污染物的扩散速度越快 污染物的浓度越低 补充 湍流特性可用湍流强度或标准差来描写 湍流强度有两种表示法 一种是 湍流强度 速度方差 一种是相对湍流强度 在实际应用中 相对湍流强度应 用较多 习惯上称它为湍流强度 将风速在坐标轴上投影后 湍流强度 速度方差 可表示为 2 1 2 1 1 uu n n i i 相对湍流强度的定义式为 u i u 风向摆动也可用风位角的方差或标准差来描述 描述湍流运动有两种方法 一种是欧拉法 它在空间划出一个控制体为对 象 考察流体流经它的情形 欧拉法注重于特定时刻整个流场及某定点不同时 刻的流体运动性质 另一种是拉格朗日法 它在流体运动时 追随研究一个典 型的流体单元 按照湍流形成的原因可分两种湍流 由铅直方向气温分布的不均匀性产生 的湍流 叫热力湍流 它的强度主要取决于大气稳定度 由铅直方向风速分布 的不均匀性及地面粗糙度产生的湍流 叫机械湍流 它的强度主要取决于风速 梯度和地面粗糙度 实际湍流是上述两种湍流的迭加 湍流有极强的扩散能力 它比分子扩散快105 106倍 大气中污染物能被扩 散 主要是湍流的贡献 和烟团尺度相仿的湍流 对烟团扩散能力最强 比烟 团尺度大好多倍的大湍涡 对烟团起搬运作用 使烟流摆动 扩散作用不大 比烟团尺度小好多倍的小湍涡 对烟团的扩散能力较小 二 湍流扩散理论二 湍流扩散理论 大气污染控制工程 15 1 梯度输送理论 2 湍流统计理论 3 相似理论 1 湍流梯度输送理论湍流梯度输送理论 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 菲克定律的 数学陈述 2 2 x C K dt dC 它是一维的大气扩散方程式 是经典的热传导方程式 湍流梯度输送理论的基本假定是 由湍流所引起的局地的某种属性的通量与 这种属性的局地梯度成正比 通量的方向与梯度方向相反 比例系数 K 称为湍 流交换系数 2 2 湍流统计理论 湍流统计理论 泰勒是湍流统计理论的创始人之一 他在1921 年发表的论文中 首先应用 统计学的方法来研究湍流扩散问题 提出了著名的泰勒公式 它把描写湍流的 扩散参数 Y2 t 和另一统计特征量相关系数 R 建立起关系 只要能找到相关 系数的具体函数 通过积分就可求出扩散参数Y2 t 污染物在湍流中扩散问题 就得到解决 萨顿首先找到了相关系数的具体表达式 应用泰勒公式 提出了 解决污染物在大气中扩散的实用模式 成为这一领域的先驱者 高斯烟流模式 是在大量实测资料分析的基础上 应用统计理论得到的 它是目前应用较广的 模式 3 3 相似扩散理论相似扩散理论 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 第二节 高斯扩散模式 一 高斯模式的有关假设一 高斯模式的有关假设 坐标系坐标系 高斯模式的坐标系为 以排放点 无界点源或地面源 或高架源排放点在地 面的投影点为原点 平均风向为 x轴 y 轴在水平面内垂直于x 轴 y 轴的正 向在 x 轴的左侧 z 轴垂直于水平面 向上为正方向 即为右手坐标系 在这 种坐标系中 烟流中心或与 x 轴重合 无界点源 或在 xoy 面的投影为 x 轴 高架点源 高斯模式的四点假设高斯模式的四点假设 高斯模式的四点假设为 1 污染物在空间 yoz 平面中按高斯分布 正态分布 在 x方向只考虑迁移 不考虑扩散 2 在整个空间中风速是均匀 稳定的 大气污染控制工程 16 风速大于 lm s 3 源强是连续均匀的 4 在扩散过程中污染物质量是守衡 的 对后述的模式只要没有特殊指明 以上四点假设条件都是遵守的 二 二 无界空间连续点源扩散模式无界空间连续点源扩散模式 由正态分布的假设 1 写出下风向任意点 x y z 污染物平均浓度分布的 函数为 22 bzay eexAzyxC 由概率统计理论可以写出方差的表达式 0 0 2 2 Cdy Cdyy y 0 0 2 2 Cdz Cdyz z 由假设 4 可写出 dzCdyuQ 上述四个方程 组成一个方程组 源强Q 平均风速u 标准差 y z为已 知量 浓度C 待定函数A x 待定系数a 和 b为未知量 因此 方程组可求解 将式 5 19 依次代入式 5 20 的两式中 积分后得到 2 2 1 y a 2 2 1 z b zy u Q xA 2 最后得到无界空间连续点源高斯模式 22 exp 2 2 2 2 2 zy zy zy u Q zyxC 式中 y z为污染物在y z方向的标准差 u为平均风速 m s Q 源强 三 高架连续点源扩散模式三 高架连续点源扩散模式 高架连续点源的扩散问题 必须考虑到地面对扩散的影响 根据前述假设 4 可以认为地面象镜面那样 对污染物起着全反射的作用 按照全反射原理 可 以用像源法来处理这类问题 如图5 6所示 我们可以把 P 点的污染物浓度看成是两部分之和 一部分是 不存在地面影响情况下 P 点所具有的污染物浓度 另一部分是由于地面反射 作用所增加的污染物浓度 这相当于实源在地面下的 H 位置处的像源 按照 无限空间连续点源模式 在P点所造成的污染物浓度 首先看实源的作用 P 点在以实源排放点 有效源高处 为原点的坐标系 无 限空间 中的铅直坐标 距烟流中心线的铅直距离 为 z H 当不考虑地面影 响时 浓度按式 5 24 计算 它在 P 点所造成的污染物为 大气污染控制工程 17 2 2 exp 2 2 2 2 2 1 zy zy Hzy u Q C 像源的作用 P 点在以像源排放点 负的有效源高处 为原点的坐标系 无限 空间 中的铅直坐标 距像源产生的烟流中心线的铅直距离 为 z H 它在 P 点产生的污染物浓度也按式 5 24 计算 它在 P 点所造成的污染物为 2 2 exp 2 2 2 2 2 2 zy zy Hzy u Q C P 点的实际污染物浓度应为实源和像源作用之和 即 21 CCC 2 exp 2 exp 2 exp 2 2 2 2 2 2 2 z zy zy Hz Hzy u Q C 式 5 27 为高架连续点源正态分布假设下的扩散模式 由这一模式可求出 下风向任一点的污染物浓度 按照这一普适公式 如果 H 0 则对应于地面源的 情况 如果z 0 则对应于连续点源作用下 地面处的污染物浓度情况 如果 z 0且 y 0 则对应于点源作用下 正风向轴线上 地面处的污染物浓度情况 在实施环境评价时 我们往往特别关注这样一些特殊情况 表5 2 归纳总结了这 些高斯模式的浓度扩散公式 根据地面轴线浓度公式 2 exp 0 0 2 2 z zy H u Q xC 地面最大浓度 y z Hue Q C 2 max 2 2 H m xxz 5 25 5 27 5 26 大气污染控制工程 18 四 地面连续点源扩散模式四 地面连续点源扩散模式 22 exp 2 2 2 2 zyzy Hy u Q 一 一 颗粒物的扩散模式颗粒物的扩散模式 对于粒径小于15微米的颗粒物 其地面浓度可按气体扩散模式计算 对于 粒径大于15微米的颗粒物 按倾斜烟流模式计算 表表 高斯模式的浓度扩散公式汇总 地面源 H 0 高架源 H 0 无界 任一点 C x y z 22 exp 2 2 2 2 2 zyzy zy u Q 2 2 exp 2 2 2 2 2 zyzy Hzy u Q 半无界 任一点 C x y z 22 exp 2 2 2 2 zyzy zy u Q 2 exp 2 exp 2 exp 2 2 2 2 2 2 2 z zy zy Hz Hzy u Q C 地面点 C x y 0 2 exp 2 2 yzy y u Q 22 exp 2 2 2 2 zyzy Hy u Q 地面轴线 上点 HHs Hs P C x y z 像源 图 高架连续点源高斯模式的推导 H 5 27 5 24 5 29 5 32 5 30 5 31 5 33 5 28 大气污染控制工程 19 C x 0 0 zy u Q 2 exp 2 2 zzy H u Q 第三节 污染物浓度的估算 一 一 烟气抬生高度的计算烟气抬生高度的计算 烟囱高度 Hs 为定值 以 H 表示烟流抬升高度 只要计算出 H 值 将 烟囱实体高度 Hs 与 H 取和 H Hs H 产生烟流抬升的原因有两个 一是烟囱出口处的烟流具有一定的初始动量 二是由于烟流温度高于周围空气温度而产生的净浮力 影响这两种作用的因素 很多 归结起来可分为排放因素和气象因素两类 排放因素有烟囱出口的烟流 速度 烟气温度和烟囱出口内径 气象因素有平均风速 环境空气温度 风速 垂直切变 湍流强度及大气稳定度 由于影响烟流抬升的因素较多 使烟流抬 升问题变得十分复杂 到目前为止 国内外已提出的烟流抬升公式有数十个之 多 还没有一个公式考虑了上述所有这些因素 大多数烟流抬升公式是半经验 的 是在各自有限的 观测资料基础上归纳出来的 所以具有局限性 1 霍兰德霍兰德 Holland Holland 公式公式 霍兰德采用了勒普由风洞实验得出的动力抬升公式 并增加了浮力抬升项 利用三个发电厂烟流上升轨迹的照片进行了校核 于1953年得出中性条件适用 的公式 1 7 25 1 uD T T DVH s s 或 1 01 0 5 1 uQDVH hs 式中 Qh 烟气热释放率 KJ s Vs 排气筒出口处 平均烟流速度 m s D 排气筒出口处 直径 m Ts 烟气出口温度 K u 排气筒出口处平均风速 m s 无实测值时 用 10m 处平均风速 10u和风速廓线计算 此后公式中符号同上者不予说明 考虑到大气稳定度的影响 霍兰德建议 对不稳定大气 按上式计算出的 H再增大 10 20 对稳定大气 按上式计算出的 H 减小10 20 国内外 学者都认为霍兰德公式保守 特别对高烟囱 强热源计算结果偏低 烟气的热释放率是指单位时间内向环境释放的热量 即 5 36 5 37 大气污染控制工程 20 Nph TQCQ 这里 T 是烟气温度与环境温度的差值 QN 是烟气折合成标准状态时的体 积流量 NM3 s CP 是标准状态下的定压热容 1 298 KJ 度 NM3 当烟气以 实际出口温度Ts K 时的排烟流量Qv m3 s 表示时 热释放率的计算公式为 v s ah Q T T PQ 5 3 这里 Pa 大气压力 KPa 2 布里吉斯 布里吉斯 BriggsBriggs 公式 公式 布里吉斯在 2 3 次律 抬升公式的基础上 先后推导出一系列抬升公式 然后用实测资料进行参数估值 推算常数项 该模型获得了广泛的应用 它适 应于不稳定和中性条件 3 我国国家标准规定的公式 制定地方大气污染物排放标准的技术防法 GB T 13201 91对烟气抬升计 算公式作了如下规定 小风1 5m s 10u 0 5m s 静风10u 0 5m s 二 扩散参数的确定二 扩散参数的确定 扩散参数 y z的确定 可以现场测定 也可以风洞模拟试验确定 还可以通过实测和 试验数据归纳整理的经验公式或图表来估算 1 P G 扩散曲线法 帕斯圭尔和吉福德 要点要点 根据太阳辐射情况和距地面 10m 高风速将大气的扩散稀释能力划分 为 A F 六个稳定度级别 然后根据试验数据和理论考虑 用曲线表示每一个稳 定度级别的 y z随下风距离的变化 应用 应用 根据常规气象资料确定稳定度级别 利用扩散曲线确定 y z 浓度估算 2 2 我国国家标准中规定的方法我国国家标准中规定的方法 稳定度分类方法 太阳辐射等级数 云量 1 10太阳辐射等级数 总云量 低云量夜间 h 15 15 h 35 35 h 65 h 65 4 4 2 1 1 2 3 5 7 4 10 1 2 3 8 4 100 1 1 5 5 7 0000 1 8 8 00000 5 34 5 35 大气污染控制工程 21 大气稳定度的等级 太 阳 辐 射 等 级地面风速 m s 3 2 1012 1 9 AA B BDEF 2 2 9A BBCDEF 3 4 9BB CCDDE 5 5 9CC DDDDD 6 DDDDDD 扩散参数的选取 太阳倾角的概略值 月旬赤纬角 度 月旬赤纬角 度 月旬赤纬角 度 上 22上 17上 7 中 21中 19中 3 1 下 19 5 下 21 9 下 1 上 15上 22上 5 中 12中 23中 8 2 下 9 6 下 23 10 下 12 上 5上 22上 15 中 2中 21中 18 3 下 2 7 下 19 11 下 21 上 6上 17上 22 中 10中 14中 23 4 下 13 8 下 11 12 下 23 其中 P G 扩散曲线 幂函数数据如下 1 1 x y 2 2 x z 稳定度等 级 P S 1下风距离 m 2 下风距离 m 0 9010740 4258090 10001 121540 079990 300 1 5260 008548300 500 A 0 8509340 602052 10002 108810 000212 500 0 914370 2818460 10000 9410150 127190 500B 0 8650140 396353 10001 093560 057025 500 0 9193250 22950 10000 9410150 1146820 500B C 0 8750860 314238 10001 00770 075718 500 0 9242790 1771540 10000 9175950 106803 C 0 8851570 232123 1000 0 9268490 143940 10000 8386280 1261520 2000 0 886940 189396 10000 756410 2356672000 10000C D 0 8155750 136659 10000 D0 9294810 1107260 10000 8262120 1046341 1000 1 2 大气污染控制工程 22 0 6320230 4001671000 10000 0 8887230 146669 10000 555360 810763 10000 0 9251180 09856310 1000o 7768640 1046340 2000 0 8927940 124308 10000 5723470 4001672000 10000D E 0 4991491 0381 10000 0 9208180 0860010 10000 788370 0927530 1000 0 8968640 124308 10000 5651880 4333841000 10000E 0 4147431 73241 10000 0 9294810 05536340 10000 78440 0620770 1000 0 5259690 3700151000 10000F 0 8887230 073348 10000 3226592 40691 10000 第四节 特殊气象条件下的扩散模式 一 封闭型扩散模式一 封闭型扩散模式 实际中 时常会出现这样的气温层结 低层为不稳定大气 在离地面几百 米到 1 2km 高空 存在一个明显的逆温层 即通常所称的上部逆温情况 它 使污染物的铅直扩散受到抑制 实际上被限制在地面到逆温层之间进行 因此 有上部逆温时的扩散亦称为封闭型扩散 为推导封闭型扩散 首先假设 扩散 制到逆温层中的污染物可忽略不计 把逆温层底和地面看作是起全反射的镜面 这样 封闭型扩散实际上是污染物在地面和逆温层底之间的空间进行扩散 仍 可用像源法处理这个问题 这时污染源在两个镜面上所形成的像不是一个 而 是无穷多个像对 污染物的浓度可看成是实源和无穷多对像源作用之和 于是 地面到上部逆温层底之间的空间中任一点的污染物浓度可以在高斯模式的高架 源基础上叠加计算 由于实际计算公式过于复杂 我们采用一种简化的方法 分为三种情况 1 X XD时 z D H 2 15 根据图表查出对应的下风距 离x 即为XD 进而可求地面轴线浓度 H 图 高架连续点封闭型扩散模式 0 Hs h 0 XD 大气污染控制工程 23 2 X 2XD 可得到 2 exp 2 2 2 yy y hu Q C 3 当在二者之间 利用内插值法求得 二 熏烟型扩散模式二 熏烟型扩散模式 在夜间 当存在辐射逆温时 高架连续点源排放的烟流排入稳定的逆温层 中 形成平展型扩散 这种烟流在铅直方向为漫扩散 在源高度上形成一条狭 长的高浓度区 日出以后 太阳辐射逐渐增加 地面逐渐变暖 辐射逆温从地 面开始破坏 逐渐向上发展 当辐射逆温破坏到烟流下边缘稍高一些时 在热 力湍流的作用下 烟流中的污染物便发生了强烈的向下混合作用 增大了地面 的污染物浓度 这个过程称为熏烟 漫烟 过程 熏烟过程可一直进行到烟流上边 缘处的逆温破坏为止 这一过程多发生在早晨 8 00 10 00 因地而异 熏 烟过程持续时间在 0 5 2 小时左右 分四种情况 hf H 2 z 第五节 城市和山区的扩散模式 一 城市大气扩散模式一 城市大气扩散模式 线源扩散模式线源扩散模式 1 1 无限长线源扩散模式无限长线源扩散模式 当风向与线源垂直时 主导风向的下风向为x 轴 连续排放的无限长线源下风向浓度 模式为 2 2 2 2 2 2 2 exp 2 2 exp 2 exp z z l yz zy l H u Q dy yH u Q C 当风向与线源不垂直时 如果风向和线源交角为 且 45 线源下风向的浓度模 式为 2 2 2 exp 2 z z l H Sinu Q C 2 2 有限长线源扩散模式有限长线源扩散模式 当估算有限长线源产生的环境浓度时 必须考虑有限长线源两端引起的 边缘效应 随着接收点距线源距离的增加 边缘效应将在更大的横风距离 上起作用 当风向垂直于有限长线源时 通过所关心的接收点作垂直于有限长 线源的直线 该直线与有跟长线源的交点选作坐标原点 直线的下风方向为x轴 线源的范围为从y1延伸到y2 有限线源扩散模式为 yy p p z z l y p y p dpp H u Q C 2 2 1 1 2 2 2 1 25 0exp 2 1 2 exp 2 式中 大气污染控制工程 24 面源扩散模式 1 箱模式 2 转化为点源的面源模式 3 窄烟流模式 二 山区扩散模式二 山区扩散模式 1 封闭山谷扩散模式 2 NOAA 美国国家海洋和大气局 National Oceanic and Atmospheric Administration 和 EPA Environmental Protection Agency 模式 3 ERT 环境技术有限公司 模式 第六节 烟囱高度的设计 一 烟囱高度的计算一 烟囱高度的计算 确定烟囱高度 既要满足大气污染物扩散稀释要求 又要节约投资 最终 保证地面浓度不超过 环境空气质量标准 根据地面浓度的要求不同 计算方 法如下 1 按地面最大浓度 由高斯模式 最大地面浓度 y z C eHu q C 2 max 2 HHH s H CCue q H yb z s 2 0 2 按地面绝对最大浓度按地面绝对最大浓度 sc y z s absm HBu BeH q C 2 y z bcy z b s CCue q CCeB H 2 2 00 第一种方式 Hs 较小 只要 u 小于 地面浓度便会超标 u 第二种方式 Hs 较大 无论风速大小 地面浓度皆不会超标 但烟囱造价大 因此烟囱设计可按最大浓度的一定保证率来计算 3 按一定的保证律按一定的保证律 4 P 值法值法 26 10HPq H P q Hs 6 10 二 烟囱设计中的几个问题 1 上述烟囱设计公式皆为锥形烟流一高斯模式导出 温度层结相同 在逆 温频率较高地区 应按逆温层结模式较核 封闭和熏烟型 大气污染控制工程 25 2 烟流抬升高度影响烟囱高度 故烟流抬升高度应按相近条件计算 一般 采用国家标准中推荐的公式 3 烟囱高度不得低于它从属建筑物高度 2 倍 不得低于它所附属的 建筑物高度的 2 倍 出口烟气流速不得低于该高处平均风速的 1 5 倍 15 30m s 排烟温度宜在 100 以上 几个烟囱布置接近时 应采用集 合式 多管 烟囱 第七节 厂址选择 一 厂址选择中所需要的气候资料一 厂址选择中所需要的气候资料 1 风向和风速 静风 平均风速 0 5m s 小风 0 5 1 5m s 风向频率和风速复 合玫瑰图 见课本 111 页 污染系数玫瑰图 矢线长度表频率 失线尾端羽数表平均风速 污染系数 平均风速 风向频率 2 大气稳定度的气候资料 3 混合层高度 混合层高度的确定 在温度层结曲线图上 从下午最大地面温度点作干绝热线 与早晨温度层 结线的交点的高度 即为全天混合层高度 二 长期平均浓度的估算 污染物浓度在一定时间内数据是变化的 要计算长期平均浓度 可用以下 方法 最大混合层高度 日最高温度 大气污染控制工程 26 1 利用叠加法计算长期平均浓度 2 按风向方位计算的长期平均浓度 气象部门把风划有 16 个方位 一个方位相当于 22 5 扇形 假定 在同一扇形内各个角度的风向具有相同频率 即 Y 方向浓度相 同 当吹某一扇形风时 全部污染物都落在这一扇形内 由 2 得 AB 上的总浓度 dyoHyxcC 弧 AB 上的平均浓度C 2 2 2 1 2 exp 16 2 2 16 2 1 z z H ux q dyHoyxC x C 将地面浓度公式代入以上积分式 可以导出按风向方位计算的平均浓度 三 厂址选择 1 背景浓度 本底浓度 2 风向 风速 污染程度与时间 浓度有关 污染系数 平均风速 风向频率 污染系数玫瑰图 3 温度层结 选厂 扩散最不利条件应是近地层逆温 辐射 和上层逆温 4 地形 考虑地域性风场 山谷风 海陆风 城市热岛 习题 习题 例例5 15 1 某城市电厂有一座高100m的烟囱 烟囱出口内径5m 烟囱出口烟流速度 17 42m s 烟囱出口工况烟气流量 342 m3 s 烟气温度100 大气温度20 烟囱出口 处平均风速4m s 试用霍兰德和布里吉斯公式计算0 9 和 1 3 km 处阴天时的抬升高度 解 热释放率为 25673342 373 80 1005 35 3skJQ T T PQ v s ah 计算结果和使用公式如表5 3所示 计算表明 即使将霍兰德公式的结果再放大一倍 仍小于用布里吉斯公式计算的结果 因此 适当选用抬升公式在环境评价工作中具有重要意义 环境评价导则规定 对于一 二级评价项目 可通过实际观测 采用更符合实际条件的烟气抬升公式 o A X P B B 大气污染控制工程 27 表表5 35 3 电厂烟流抬升高度的计算公式和结果 模型x计算公式 结果 m 霍兰德 1 01 0 5 1 uQDVH hs 97 布里吉斯 0 9 10Hs 1 3 2 3 1 55 1 uHQH sh 246 第五章第五章 颗粒污染物控制技术基础颗粒污染物控制技术基础 大气污染控制中涉及到的颗粒物 一般是指所有大于分子的颗粒物 但实 际上最小界限为 0 01 微米 粉体 呈堆积状态存在的颗粒物 通常称为粉尘 本章主要讲述了颗粒的粒径分布等特性及除尘装置性能表示方法 最后对粉尘 颗粒在各种力场中的空气动力学行为 分离 沉降 捕集进行了扼要介绍 研究粉尘的物理特性 这些物理特性是研究颗粒分离 沉降和捕集的机制 选 择 设计 使用除尘装置的基础 第一节 颗粒的粒径及粒径分布 一 颗粒的粒径一 颗粒的粒径 颗粒的大小不同 物理和化学性质不同 对除尘装置的性能影响较大 粒径定义方法 粒径定义方法 1 用显微镜观测时 采用三种方法 定向直径 菲雷特直径 dF 颗粒在投 影图同一方向上的最大投影长度 定向面积等分直径 马丁直径 dM 在投影 图上的按同一方向将颗粒投影面积二等分的线段长度 投影面积直径 黑乌 德直径 dA 与颗粒投影面积相等的圆的直径 据分析 dF dA dM 2 用筛分法测定时 筛分直径 颗粒物能够通过的最小方筛孔的宽度 3 用光散射法测定时 等体积直径 dV 与颗粒体积相等的圆球的直径 若颗粒 体积为 V 则 3 1 6 V dV 4 用沉降法测定 斯托克斯直径 ds 同一流体中与颗粒的密度相同和沉降速 度相等的圆球的直径 空气动力学当量直径 da 为空气中与颗粒的沉降速度 相等的单位密度相等的圆球的直径 除尘技术中应用最多的 定向直径 dF 几何性质测定 定向面积等分直径 dM 投影面积直径 dA 筛分直径 d 物理性质测定 斯托克斯直径 dS 等体积直径 dV 空气动力学直径 da 大气污染控制工程 28 圆球度 圆球度 颗粒形状和圆球型颗粒不一致程度的尺度 定义 与颗粒体积相等的 圆球的表面积和颗粒的表面积之比 s 1 某些颗粒的圆球度圆球度 颗粒种类 s 砂粒 0 534 0 628 烟煤 0 625 粉煤 0 696 破啐的固体 0 63 二 粒径分布二 粒径分布 定义 定义 粒径分布是指不同粒径范围内的颗粒的个数 质量或表面积 所占 的比例 也称作粉尘的分散度 以颗粒的个数表示所占比例时 称为个数分布 同理 称为质量分布或表面积分布 除尘技术中多用质量分布 1 个数分布 个数频率 个数筛下累积频率 个数频率密度 个数中位直径 NMD 累积频 率等于 0 5 时对应的粒径 2 质量分布 质量频率 也称作频数 粒径 dp至 dp dp 之间的粉尘质量占粉尘试 样总质量的百分数 即 100 m m g 并有 g 100 质量筛下累积频率 小于某一粒径 dp的所有粒子质量占粉尘试样总质量的百分 比数称为筛下累积分布 dpdp dpqgG 00 质量频率密度 频度 指粉尘中某粒径的粒子质量占其试样总质量的百分数 f m 单位粒径间隔宽度时的频率分布 1 um dp g q 质量中位直径 MMD 质量累积频率 0 5 时对应的粒径 三 平均粒径三 平均粒径 大气污染控制工程 29 平均粒径表示方法平均粒径表示方法 1 众径 dd 粒径分布中频度 q 值最大时所对应的粒径 0 22 pp ddGddddq 的拐点 2 中位直径 d50 粒径分布的累积频率等于 50 的粒径 即把频度分布曲线下面 积二等分时所对应的粒径 3 长度 算术 平均直径 所有颗粒直径之和与颗粒总数之比 i pii L n dn d 4 表面积平均直径 2 1 2 i pii S n dn d 5 体积平均直径 3 1 3 i pii v n dn d 6 表面积 体积平均直径 2 3 pii pii sv dn dn d 7 几何平均粒径 为 N 个颗粒的粒径之积的 N 次方根 即 N g dddd 1 321 或 Nnnn g dddd 1 321 321 N dn d pii g ln ln N dn d pii g ln exp 四 粒径分布函数四 粒径分布函数 正态分布函数 对数正态分布函数 罗辛 拉姆勒分布函数 1 对数正态分布函数 粒径的频度分布可用正态分布函数表示 2 2 2 exp 2 1 pp p dd dq 式中 p d 为正态分布的两个特征函数 p d 在正态分布中的平均粒径 glp dddd 50 2 1 2 1 N ddn ppii 一般粒径频度分布曲线 不像正态分布那样对称 大都向大频度颗粒方向偏离 但用 lndp代替 dp后 频度分布曲线就呈对称的钟形曲线 符合正态分布 因此 大气污染控制工程 30 我们认为粉尘粒径分布符合对数正态分布 对数正态分布的两个特征数 N dn d ii g ln ln 2 1 2 1 ln ln ln N ddn gpii g 对数正态分布的频度分布函数可表示 g gp gp p dd d dq 2 2 ln2 ln