第3章烟气的排放(2)

1、1 u一、高斯模式的有关假定 u1.坐标系 u坐标系取排放点（无界源、地面源或高架源排放点）在地面 的投影点为原点，主风向为x轴，y轴在水平面内垂直于x轴， 正方向在x轴的左侧，z轴垂直于水平面，向上为正，即右手坐 标系。食指x轴；中指y轴；拇指z轴。此坐标系中，烟 流中心与x轴重合或烟流在oxy平面的投影为x轴。 u2.四点假设 ua污染物浓度在y、z风向上分布为正态分布 ub全部高度风速均匀稳定 uc源强是连续均匀稳定的 ud扩散中污染物是守恒的（不考虑转化） 2 u高斯扩散模式的坐标系 3 3、无界情况下的扩散模式无界情况下的扩散模式 有正态分布假设 可写出浓度分布函数 () ( ) 2

2、2 , bzay zyx eexAC - = 由统计理论可写出方差表达式 = 0 0 2 2 cdy cdyy y s = 0 0 2 2 cdz cdzz z s 根据假设的连续性条件可写出 cdydzuQ - - = 4 u 上式中：上式中： 平均风速； Q源强是指污染物排放速率。与空气中污染物质的浓度成正 比，它是研究空气污染问题的基础数据。通常： （）瞬时点源的源强以一次释放的总量表示； （）连续点源以单位时间的释放量表示； （）连续线源以单位时间单位长度的排放量表示； （）连续面源以单位时间单位面积的排放量表示。 y侧向扩散参数，污染物在y方向分布的标准偏差，是距离y 的函数，m；

3、z竖向扩散参数，污染物在z方向分布的标准偏差，是距离z 的函数，m； 未知量浓度c、待定函数A(x)、待定系数a、b； 式、组成一方程组，四个方程式有四个未知数， 故方程式可解。 5 由 查 表 或 将 式 级 数 展 开 可 得 ： - - - = = 0 2 3 2 00 4 2 2 22 a dyey a dyedye ay ayay 代 入 式 ： a a a y 2 1 2 4 2 3 2 = s ， 2 2 1 y a s = ； 同 理 得 ： 2 2 1 z b s = 6 将、代入中，得： ( )( ) ( ) ( )( ) yzzy z y z z y y z y z y

4、uxAuxA z de y deuxA dzedyexAudydzeexAuQ z y z y z y ssss ss ss s s s s s s 22 22 22 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 = = = - - - - - - - - - - - - 其中：( ) u Q xA zys s2 = 再将、代入式得 无界状况下，下风向任意位置的污染物浓度（g/m 3） () -= 2 2 2 2 , 22 exp 2 zyzy zyx zy u Q C ssss 7 三、高架连续点源扩散模式三、高架连续点源扩散模式 高架源既考虑到地面的影响，又考虑到高出地面

5、一定高 度的排放源。地面对污染物的影响很复杂，如果地面对污 染物全部吸收，则式仍适用于地面以上的大气，但根据 假设可认为地面就象镜子一样对污染物起全反射作用， 按全反射原理，可用：“像源法”处理这类问题。可以把P 点污染物浓度看成为两部分作用之和，一部分实源作用， 一部分是虚源作用。见下页图：相当于位置在（0，0，H） 的实源和位置在（0，0，-H）的像源，当不存在地面时在P 点产生的浓度之和。 （1）实源作用实源作用：由于坐标原点原选在地面上，现移到源高 为H处，相当于原点上移H，即原式中的Z在新坐标系中 为（Z-H）,不考虑地面的影响，则： () - -= 2 2 2 2 1 22 exp

6、 2 zyzy Hzy u Q C ssss 8 实源 虚源 H H P(x,y,z) 反射区 Z+H Z-H Z 有效源高H=Hs+H 9 （2）像源作用：源高H，P点距像源产生的烟流中心线的距离为Z+H，则： () -= 2 2 2 2 2 22 exp 2 zyzy Hzy u Q C ssss （3）P点的实际浓度为两源作用之和： ()() - - - -= = 2 2 2 2 2 2 21 2 exp 2 exp 2 exp 2 zzy zy HzHzy u Q CCC sssss 即高架连续点源正态分布假设下的扩散模式。 （4）高架连续点源正态分布下地面浓度扩散模式 Z=0时即得地

7、面浓度模式： () - -= 2 2 2 2 2 exp 2 exp, 0 , zyzy Hy u Q HyxC ssss 10 （5）高架连续点源正态分布下地面轴线浓度模式 () - = 2 2 2 exp, 0 , 0 , z zy H u Q HxC sss （6）高架连续点源正态分布下地面最大浓度模式及位置 y、z是距离x的函数（而x是t的函数） ，且随x的增大而增大， 在上式中 zy u Q ss 随x增大而减小，而 - 2 2 2 exp z H s 随x的增大而 增大，两项共同作用的结果必将在某一距离x上出现最大浓度Cmax。 求最大浓度利用求极值的方法，即0= dx dc ，作

8、一些近于实际的 假设常数）(const z y = s s ，即y、z随x增加的倍数相同。 11 由 0 2 exp 2 2 = - = zzyzz H u Q d d d dc sssss 得 = y z eHu Q C s s 2 max 2 且最大浓度出现于满足下列关系的下风处： 2 2 2 H z =s 2 max H XCXz = = s 则风速不变时，可导出 2 max euH Q c = 12 5、地面连续点源扩散模式 令H=0 的地面连续点源扩散模式 - -= 2 2 2 2 2 exp 2 exp zy zy zy u Q C ssss 可见地面源所造成的浓度为无界情况下浓度

9、的2 倍。 6、地面源下风向地面轴向浓度 当y=0，z=0，H=0 得： () zy x ue Q c ss = 0,0,0, 13 u粒径小于15m的颗粒物可按气体扩散计算 u大于15m的颗粒物：倾斜烟流模式 w 地面反射系数地面反射系数 22 22 (1)(/ ) ( , ,0,)exp()exp 222 - =- t yzyz a qyHv x u c x yH usss s 2 pp 18 = t dg v 14 uPG曲线法 PG曲线Pasquill常规气象资料估算 Gifford制成图表 15 uPG曲线的应用 u根据常规资料确定稳定度级别 16 uPG曲线的应用 u利用扩散曲线确

10、定 和y s z s 17 uPG曲线的应用 u地面最大浓度估算 H max | 2 c zx xz H ss = = z xs max c x y xs max C w由由和和 w由由曲曲线线（图图4-5）反反查查出出 w由由曲曲线线（图图4 4- -4 4）查查 w由由式式（4 4- -1 10 0）求求出出 y s H max | 2 c zx xz H ss = = z xs max c x y xs max C w由由和和 w由由曲曲线线（图图4-5）反反查查出出 w由由曲曲线线（图图4 4- -4 4）查查 w由由式式（4 4- -1 10 0）求求出出 y s 18 u稳定度分类

11、方法 u改进的PT法 太阳高度角太阳高度角 （式（式4-29，地理纬度，倾角），地理纬度，倾角） 辐射等级辐射等级 稳定度稳定度 云量云量 （加地面风速）（加地面风速） 19 u扩散参数的选取 u扩散参数的表达式为（取样时间0.5h，按表查算） u平原地区和城市远郊区，D、E、F向不稳定方向提 半级 u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 u丘陵山区的农村或城市，同工业区 u取样时间大于0.5h， 不变， 20 uq 源强 计算或实测 u 平均风速 多年的风速资料 uH 有效烟囱高度 u 、 扩散参数 u y s z s 一一.烟气抬升高度的计算烟气抬升高度的计算 初

12、始动量：初始动量： 速度、内径速度、内径 烟温度烟温度 浮力浮力 烟气抬升烟气抬升 s HHH= s HH 烟烟囱囱几几何何高高度度抬抬升升高高度度 有有效效源源高高 s HHH= s HH 烟烟囱囱几几何何高高度度抬抬升升高高度度 有有效效源源高高 21 烟气抬升分为四个阶段： 喷出阶段：从烟囱喷出后，因自身的初始动量继续 上升，初始动量作用逐渐消失 浮升阶段：由于烟气温度比周围的温度高 瓦解阶段：周围空气卷进来，使烟气的内外温差和 上升速度都显著降低 变平阶段：在有风速的情况下，烟云很快倾斜弯曲 ，烟流逐渐趋于变平，通常认为抬升高度和风速成 反比 22 u抬升高度计算式 u1. Holla

13、nd公式：适用于中性大气条件（稳定 时减小，不稳时增加1020） HollandHolland公式比较保守，特别在烟囱高、热释放率比较强的公式比较保守，特别在烟囱高、热释放率比较强的 情况下情况下 3 ssa H s 1 (1.52.7)(1.59.6 10) - - = s v DTT HDv DQ Tuu 23 u抬升高度计算式（续） 2.Briggs公式：适用不稳定及中性大气条件 H 1 1/32/3 sH 1 1/32/3 sH 21000kW 10 =0.362 10 =1.55 - - 当时 s Q xHHQxu xHHQHu H 1 1/31/3 H 3/52/5 Hs 6 /5

14、 3/53/5 Hs 21000kW 3 * =0.362 3 * =0.332 *=0.33 - - 当时Q xxHQxu xxHQH xQHu 24 u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 （式（2）中H2按公式（1 ）计算） 12 Hsa 1 nn 0Hs HaVas H H 121 sH 1 2 1 0 0 k W()3 5 K = 0 .3 5 1 7 0 0 k W2 1 0 0 k W 1 7 0 0 =() 4 0 0 2 (1 .50 .0 1)0 .0 4 = s QTT Hn QHu T QP QT

15、TT T Q Q HHHH v DQ H u - - = =- - - - ( 1 ) 当和时 ( 2 ) 当时 H H sH 1 / 43 / 8 a H 8(1 7 0 0 ) 1 7 0 0 k W3 5 K 2 (1 .50 .0 1) = 1 0 m1 .5 m /s d = 5 .5(0 .0 0 9 8 ) d Q u QT v DQ H u T HQ z - - ( 3 ) 当或时 ( 4 ) 当高 处 的 年 平 均 风 速 小 于 或 等 于时 25 u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） u封闭型扩散模式 u相当于两镜面之间无穷次全反射 u实

16、源和无穷多个虚源贡献之和 un为反射次数，在地面和逆面 u实源在两个镜子里分别形成n个像 2 2 (2) exp 2 - - =- zyz qHnD C uss s 26 u计算简化： 1.当当（尚尚未未到到封封闭闭阶阶段段） w（烟烟流流半半宽宽度度） w查查PG曲曲线线 w4-9式式计计算算 地地面面轴轴线线浓浓度度 D xx 2.15 z DH s - = D x 1.当当（尚尚未未到到封封闭闭阶阶段段） w（烟烟流流半半宽宽度度） w查查PG曲曲线线 w4-9式式计计算算 地地面面轴轴线线浓浓度度 D xx 2.15 z DH s - = D x 0 11 d1= D z DD 2.当

17、当，z z向向浓浓度度混混合合均均匀匀，z z分分布布函函数数为为 D 2xx 2 2 ( , )exp() 22 =- y y qy c x y uDss 0 11 d1= D z DD 2.当当，z z向向浓浓度度混混合合均均匀匀，z z分分布布函函数数为为 D 2xx 2 2 ( , )exp() 22 =- y y qy c x y uDss 2.当当，z z向向浓浓度度混混合合均均匀匀，z z分分布布函函数数为为 D 2xx 2 2 ( , )exp() 22 =- y y qy c x y uDss DD 2xxx 3. D =xx D 2=xx 内内插插（假假定定变变化化为为线线

18、性性），按按z值值插插值值 DD 2xxx 3. D =xx D 2=xx 内内插插（假假定定变变化化为为线线性性），按按z值值插插值值 27 u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 2 2 2 11 exp()d 22 ( , ,0,)exp(), ()/ 22 - - =-=- p Ffz yf fyf qPP y x yHPhH uh s ss 2.1515 2.158 = o y yfy H tg H s ss 28 29 5 烟囱高度的设计烟囱高度的设计 烟囱不单是一排气装置，也是控制空气污染、保护环境的重要设 备。烟囱高度、出口直径、喷

19、出速度等工艺参数应满足减少对地 面污染的需要。增加烟囱高度可以减轻污染源对局部地区的污染增加烟囱高度可以减轻污染源对局部地区的污染 ，大体上，大体上C地面 地面 1/H2（见书P88图3-24所示），但超过一定高度后但超过一定高度后 再增加高度，对地面浓度的影响甚微，而烟囱的造价却随高度增再增加高度，对地面浓度的影响甚微，而烟囱的造价却随高度增 加而急剧增大（烟囱的造价加而急剧增大（烟囱的造价H2），），所以并不是烟囱愈高愈好所以并不是烟囱愈高愈好。 设计烟囱高度的基本原则:是既要保证排放物造成的地面最大浓度 或地面绝对最大浓度不超过国家大气质量标准，又应做到投资最 省。 一、烟囱高度计算 烟

20、囱高度的计算分为：精确计算法；简化计算法。 烟囱高度一般按锥型扩散正态分布模式导出的简化公式计算，据对地面浓度要 求不同，有两种计算法方法：（一）保证地面最大浓度不超过允许浓度的计算 方法；（二）保证地面绝对最大浓度不超过允许浓度的计算方法。 1.按地面最大浓度的计算方法 以地面最大浓度不超过规定为依据，保证地面最大浓度不超过允许浓度的计算 公式 30 由地面最大浓度模式 y z eHu Q C s s = 2 max 2 及 HHH S =，可导出烟囱高度 H Cue Q H y z S -= s s max 2 一般地面最大浓度不应超过最大允许浓度值C0（标准浓度） ， 设本底浓度为Cb，

21、 又为考 虑今后的发展有一余地， 于是Ck值为() bK CC k fP C-= 0 ， 其中 f该项目可占的污染权重； k污染源密集系数； P地形因子。 则CmaxCk，那么设计的烟囱高度为：H Cue Q H yk z S -= s s2 式中H根据自选的抬升公式计算； 可取当地烟囱高度的长度平均风速； y z s s 一般 取0.51.0。 31 u2.按地面绝对最大浓度计算 max C u （4-10） max (321)HHC- 出出现现极极大大值值 max C u （4-10） max (321)HHC- 出出现现极极大大值值 1 B H u = （代入 s = B HH u 2

22、max c s d 0 d = C B u H u （危危险险风风速速危危险险风风速速） ）1 B H u = （代入 s = B HH u 2 max c s d 0 d = C B u H u （危危险险风风速速危危险险风风速速） ） 此时 s c 2 = BH HH u absm 2 ssc () 2e2e zz yy qq C H BH u ss ss = 代代入入下下式式可可得得 s c0 2e() = - z yb q H ucc s s 此时 s c 2 = BH HH u absm 2 ssc () 2e2e zz yy qq C H BH u ss ss = 代代入入下下式式

23、可可得得 s c0 2e() = - z yb q H ucc s s 32 3.根据一定保证率计算烟囱高度 由地面最大浓度计算法HS较矮， 当u时， 地面浓度超标； 由地面绝对最大浓度计算法HS较高，无论u多大，地面浓度 不超标，但烟囱造价高。 在确定保证率后，、稳定度取一定值后代入上述公式，可 得某一保证率的气象条件下的烟囱高度，较前面较合理。 4.根据点源烟尘允许排放率设计（P值法计算烟囱高度） 根据“指定大气污染物排放标准的技术方法”GB/T13201-91中 规定的点源烟尘允许排放率计算式： 式中：Qe烟尘允许排放速率，t/h； Pe烟尘排放控制系数，t/(hm2)； H有效源高，m

24、。 由此得烟囱高度为： 62 10 - =HPQ ee H P Q H e e s - = 6 10 33 二、烟囱设计中的若干问题 1.分析拟建厂地区可能产生的烟型及频率，正确选用烟囱高度计算公式分析拟建厂地区可能产生的烟型及频率，正确选用烟囱高度计算公式 。 烟型不同产生的地面最大浓度不同，烟囱高度的计算公式不同，因此确定 烟型很重要。常用两种方法： 1）选用最不利的烟型相应的烟囱高度计算公式； 2）选择保证一定的地面最大浓度出现频率和持续时间的烟型及相应的烟囱 高度计算公式。 波型: 发生在天气晴朗，风速不大，比较缓和的日子里，近距离造成短时 间的污染浓度比锥形高。近地层中，低矮烟囱发热

25、量小的污染源以此烟型 为例，并应校核逆温层情况。 锥型:100m左右的烟囱多发生此烟型。此烟型发生在温度层结近中性或中 等到大风的情况，即发生在多云有风的白天或有风的夜晚。 平展型和漫烟型: 较大的发电厂以漫烟型为主，夜间多为平展型，日出 后一段时间发生漫烟型。 封闭型: 大于200m的较高烟囱以此型为主。观测发现：当混合层厚度在 7601065m间时，它造成的地面最大浓度可达锥形的三倍，Cmax可持续2 4小时，常出现在早晨和中午。 34 地面最大浓度与B/H关系很大，在某一比值以后，污染浓度主要 取决于B，烟囱高度只起次要作用。此时靠增加Hs减少污染浓度 不经济。总之，目前Hs计算以锥形模

26、式为主，对超高型烟囱无成 熟可靠的方法。 2.抬升公式很多，用何公式应按具体情况而定，在一般情况下，抬升公式很多，用何公式应按具体情况而定，在一般情况下， 应优先采用国家标准中推荐的公式。应优先采用国家标准中推荐的公式。 3.公式中与气象有关的参数取值有两种方法公式中与气象有关的参数取值有两种方法： 取多年平均值；取某一保障频率的值：如已知3m/s的频 率为80%，取3m/s可保证有80%不超标，而地面平均最大浓度可 能比规定标准更低。 35 （4）其其它它考考虑虑 Hs为周围建筑物的1.52.5倍（避免建筑物背风面湍流影响） ； 烟气出口速度Vs应为2030m/s，并5.1 u V s （避

27、免下沉现象） ； 分散的烟囱不利于抬升，当需要几个烟囱时，尽量采用多筒集合式烟囱。 厂址选择和烟囱设计是一复杂的综合性很强的问题，必须统观多种因素， 才能得到较合理的方案。 （5）烟烟囱囱出出口口直直径径D的的计计算算 公式： s v V Q D 4 = 其中：Qv烟气排放量，m/s； Vs烟气出口速度，m/s。 36 一、选择厂址所需的气候资料一、选择厂址所需的气候资料 气候资料气候资料是指气象资料的常年统计形式。 1、风向和风速气候资料： 为了一目了然，常把风资料画成风玫瑰图。图a是风向玫瑰图；图b风速玫 瑰图是各个风向的平均风速绝对值。图c是风速和风向频率复合图，该图矢 线长度代表风向频

28、率大小，矢线末端的风速羽代表平均风速，每一羽可表示 0.5或1.0m/s。 。 风向（风速）玫瑰图风向（风速）玫瑰图：在8个或16个方向上给出风向（风速）的相对频率或 绝对值，用线段表示，连接各端点即成。 风玫瑰图可按多年（5-10年或更长）的平均值作；也可按某月或某季的多年 平均值作，山区地形复杂，风向、风速随地形和高度而变，可做出不同地点 和高度的风玫瑰图。 静风（风速1.0m/s）或微风（风速为12m/s）情况大气通风条件差，容易 引起高浓度污染，尤其是长时间静风会使污染物大量积累，引起严重污染。 因此，在空气污染分析中不仅应统计静风频率，有条件还要统计静风持续时 间。 37 图a 风向

29、玫瑰图 图b 风速玫瑰图 NW N NE E S SE SW W S SE E SW W NW N NE 图 c 风 速 和 风 向 频 率 复 合 图 38 2.大气稳定度的气象资料 一般气象台没有近地层大气逆温层结的详细资料，但可据 pasquill或我们废气排放制定标准中规定的方法。利用已知的气象 资料进行分类，统计出月（年、季）各稳定度频率，作出必要的 图表。 3.混合层高度的确定 混合层高度是影响混合物铅直扩散的重要参数。由于温度层结 的昼夜变化，混合层高度也随时间变化。混合层高度可看作气块 作干绝热上升运动的上限高度。（即：干绝热递减率上限高度。 混合层愈高，则污染物垂直扩散的范围越大。）具体指出污染物 在铅直方向的扩散范围。受太阳辐射的影响，午后混合层高度最 大，在温度高度图上，从下午最大地面温度作干绝热线，与早 晨温度探空曲线的交点高度为午后混合