大气污染扩散基础知识（大气污染控制技术）

大气污染基本知识大气扩散基础知识学习内容一、烟气在大气中扩散的计算二、烟囱高度与厂址选择一、烟气在大气中扩散的计算

大气扩散的基本问题，是研究湍流和烟流传输与污染物浓度衰减的关系问题。为了推断各种条件下污染物传输及浓度时空分布规律，必须将各种污染源、气象参数以及下垫面条件下大气污染过程模式化。高斯在分析了大量扩散试验资料的基础上，应用湍流统计理论得到了正态分布假设下的扩散模式，即——高斯模式。1、高架连续点源的高斯扩散模式高斯烟流中心线上的浓度分布（1）高斯模式的建立

假定条件：污染物的平均浓度在y、z轴上的分布符合正态分布；扩散物质在扩散过程中不发生衰减，与空气无相对运动（污染物质量守恒）；在扩散的整个空间中风速是均匀、稳定的；污染源的源强为连续的，均匀的。（2）高架连续点源扩散模式（高斯模式）式中：C(x,y,z,H)——有效源高H的源在下风向空间点(x,y,z)处造成的浓度（mg/m3）；

H——有效源高，m；Q——源强，单位时间污染源排放的污染物（mg/s）；

——为源高处平均风速（m/s），m/s；

——分别为横向、竖向方向上任一点烟气分布曲线的标准偏差，即扩散系数（m）。根据高斯模式可求出下风向任一点污染物的浓度当y=0时，C（x，0，z，H）即为烟流中心线上污染物的浓度；当z=0时，C（x，y，0，H）即为污染物的地面浓度；当y=0，z=0时，C（x，,0，0，H）即为烟流地面中心线上污染物的浓度；当z=0，H=0时，C（x，y，0，0）即为地面连续点源的污染物地面浓度；当y=0，z=0，H=0时，C（x，0，0，0）即为地面连续点源地面中心线上污染物的浓度。1）地面上任意一点浓度C(x,y,0,H)模式（2）地面轴线浓度C(x,0,0,H)模式2、烟气抬升现象和烟气抬升高度计算

有效源高（H）是指：从烟囱排放的烟云距地面的实际高度。包括两部分：烟囱高度（或排气筒）本身高度（Hs）；烟气抬升高度（△H）。即：H=Hs+

△H产生烟云抬升的原因有：烟囱出口处的烟流具有一定的初速度——初始动量；出口处烟流温度高于周围空气温度而产生的净浮力。抬升高度计算霍兰德公式我国国家标准中规定的公式注意：公式的使用范围公式中符号的物理意义和单位（1）霍兰德公式：式中：

us——烟气出口处流速，m/s；

D——烟囱出口处的内径，m；

——烟囱出口处的平均风速，m/s；

QH——烟气热排放率，kJ/s；

Ts——烟气出口温度，K；

Ta——大气温度，K。QH可按下式进行计算：ρs——烟囱排出口处，Ts温度下烟气的密度，kg/m3；cp——恒压下烟气的比热容，kJ/(kg·K)，可查气体平均比热容。霍兰德公式的应用：该式适宜于中性条件；计算不稳定条件下的烟气抬升高度时，烟气实际抬升高度比计算值增加10%～20%；计算稳定条件下的烟气抬升高度时，烟气实际抬升高度比计算值减小10%～20%；该式较保守，不适宜计算温度较高的热烟气或高于100m的烟囱的抬升高度。（2）国家标准中的规定的计算公式《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》1）当QH≥2100kJ/s，且（Ts-Ta）≥35K时，烟气抬升高度可用下式计算。QH可用下式计算：其中：Qv——实际排烟量，m3/s；Hs——烟囱距离地面的几何高度，m；pa——大气压力，hPa；

n0，n1，n2值为系数或指数，查表。

——按指数关系换算到烟囱出口处的平均风速。（2）国家标准中的规定的计算公式2）当1700kJ/s＜QH＜2100kJ/s，烟气抬升高度可用下式计算。△H2可按下式计算：（2）国家标准中的规定的计算公式3）当QH≤1700kJ/s或者Ts-Ta＜35K时，烟气抬升高度可用下式计算。例题：

某城市火电厂的烟囱高100m，烟气排出口内径5m，出口烟气流速12.7m/s，温度100℃，流量250m3/s，烟囱出口处的风速4m/s，大气温度20℃，试确定烟气抬升高度及有效源高度。例题：

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，烟囱出口的风速4m/s，温度20℃，当地气压试确定烟气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先计算烟气的热释放率QH抬升高度H=Hs+△H=100+204.9=304.9m（六）烟囱高度和厂址选择1、烟囱高度的计算

烟囱本身并不能减少排入大气的污染物数量，但它能使污染物从局部地区转移到很大的范围内扩散，利用大气的自净能力使地面浓度控制在人们可以接受的范围内。烟囱越高，烟气上升力越强，燃料燃烧也较好，污染物可以在离地面较高的大气中扩散，再加上高空风速大，稀释能力强，可使大气污染程度减轻。（1）根据地面污染物最大浓度计算法设计

该法以地面最大浓度不超过《环境空气质量标准》规定的浓度为依据，直接由地面最大浓度公式求出烟囱高度。式中：C0为《环境空气质量标准》规定的某污染物的浓度限值，Cb为其环境本底值。（2）根据点源烟囱允许排放率设计根据《制定大气污染物排放标准的技术方法》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/(h·m2），按所在行政区及功能表查；点源烟囱Pe值表地区序号1)一类功能区二类功能区三类功能区123456756652.52.5215-2018-2515-2515-207.5-157.5-106-925-5030-5030-5025-5012.5-3812.5-2510-23我国各地区总量控制系数A、低源分担率、点源控制系数P值地区序号省(市)名AaP总量控制区非总量控制区1新疆,西藏,青海7.0-8.40.15100-150100-2002黑龙江,吉林,辽宁,内蒙古(阴山以北)5.6-7.00.25120-180120-2403北京,天津,河北,河南,山东4.2-5.60.15100-180120-2404内蒙古(阴山以南),山西,陕西(秦岭以北),宁夏,甘肃(渭河以北)3.5-4.90.20100-150100-2005上海,广东,广西,湖南,湖北,江苏,浙江,安徽,海南,台湾,福建,江西3.5-4.90.2550-10050-1506云南,贵州,四川,甘肃,(渭河以南),陕西(秦岭以南)2.8-4.20.1550-7550-1007静风区(年平均风速小于1m/s)1.4-2.80.2540-8040-90（3）国家大气污染物排放标准对排气筒几何高度的确定1）综合性排放标准对排气筒高度的确定除需遵守《排放标准》标准值外，还应高出周围200m半径范围的建筑5m以上，不能达到该要求的排气筒，应按其高度对应的表列排放速率标准严格50%执行。2）新污染源排气筒一般不应低于15m。3）两个排放相同污染物的排气筒，若其距离小于其几何高度之和，应合并视为一个等效排气筒。4）行业性大气污染物排放标准对排气筒高度的限定水泥工艺生产设备排气筒最低限值2、厂址选择

从防止大气污染的角度考虑，理想的建厂位置是污染物背景浓度小，大气扩散稀释能力强，排放的污染物被输送到城市或居民区的可能性最小的地方。2、厂址选择（1）背景浓度背景浓度是指该地区已有的污染物浓度水平。它是由当地其他污染源和远距离输送来的污染物造成。背景浓度超过环境空气质量标准的地区不宜建厂。背景浓度没有超过环境空气质量标准，加上拟建厂造成的污染物浓度以后，若不超过环境空气质量标准，短期内又无法克服的，也不宜建厂。（2）风向和风速气候资料：污染源相对居住区来说，应设在最小频率风向的上侧，使居住区受害时间最少；应尽量减少各工厂的重复污染，不宜把各污染源配置与最大频率风向一致的直线上；烟囱及无组织排放量大或废气毒性大的工厂，应使其与居住的距离更远些；污染源应位于农作物和经济作物抗害能力最弱的生长季节的主导风向的下侧。污染系数：风向频率/平均风速。某一风向污染系数小，表示该风向吹来的风所造成的污染小，所以污染源应设在污染系数最小方向的上侧。某地风向频率及污染系数从上表可看出，若只考虑风向频率，工厂应设在居民区的西南方；若从污染系数考虑，则厂址应选在西北方。风向NNEESESSWWNW合计风向频率风速污染系数污染系数百分率1653.2121142.8101234.0142145.3191033.312723.5131133.71312627100--1003）大气温度层结的影响由于一般污染物多在距离地面几百米范围内进行扩散，所以，离地面几百米以内的大气温度层结对污染物的扩散稀释过程有重要影响。对污染物扩散最不利的是近地层辐射逆温和上部逆温，因此应收集有关逆温层厚度、高度、强度、出现频率和持续时间资料。（3）大气温度层结的影响逆温对高架源污染影响分为两种情况：高架源出口在逆温层之中，逆温层铅直湍流微弱，铅直扩散慢，污染源附近的地面浓度反而低。远距离的地面浓度比没有逆温层时要高，高浓度的范围也大。近地面的逆温破坏时产生熏烟型扩散，造成高浓度，但时间短，30—60min。高架源排烟口高于逆温层顶，产生屋脊型扩散，对扩散有利。（3）大气温度层结的影响逆温层对近地面源影响很大，往往在近距离内造成很高的污染物浓度。工厂常用跑、冒、滴、漏等无组织排放，逆温时地面风速很小，扩散稀释速率很慢，结果在厂区内及附近造成高浓度污染。（4）对地形的考虑

由于水陆交界、山区、大城市等地，局部地区地形地物会改变距地气象条件，形成独特的大气扩散规律，出现一些特殊的空气污染过程。（4）对地形的考虑故：选择厂址时应考虑的地形因素有：若山谷很深，且其走向与盛行风交角在45～135°间，谷内风速经常很小，不利于污染物扩散，若有效源高不能超过经常出现静风及微风的高度，则不宜建厂；有效源高不可能超过下坡风厚度和背风坡湍流区时，烟流会被气流下压导向地面，或因为强烈的铅直混合扩散到地面，从而引起地面高浓度，不宜建厂；谷底四周山坡上有居民局及农田的，而有效源高又不可能超过山高时，烟气将直接吹向坡地，造成高浓度，这种谷地不宜建厂。（4）对地形的考虑四周有高地形环绕的山谷凹地中，经常出现强而厚的逆温层的地方不宜建厂；烟流虽能过山，但仍可能在背风面形成污染时，不能将居民点布置在背风面污染区中；在海陆风较稳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输送与稀释，这类地区不宜建厂。大气污染基本知识大气扩散基础知识任务二大气扩散基础知识学习内容一、主要的气象要素二、影响大气污染物扩散的因素

一、主要的气象要素气象要素——表示大气状况的物理量和物理现象。与大气污染关系密切的气象要素主要有：（1）气温（2）气压（3）空气湿度（气湿）（4）风（风向、风速）（5）云量云状（6）能见度（7）降水量

（1）气温

天气预报中：距地面1.5m高、百叶箱内测得的气温。表示方法：摄氏温度（℃）和热力学温度（K）。t（K）=t（℃）+273.15

（2）气压

任一点的气压值等于该地单位面积上所承受的垂直空气柱的质量。

（单位：Pa）

1atm＝101326Pa=760mmHg=1013.26mb

据实测近地层高度每升高100米，气压平均降低约12.4毫巴（1mb=100Pa)。（3）湿度

表示大气中水汽含量和空气潮湿程度的物理量。是决定云、雾、降水等天气状态的重要因素。绝对湿度——空气中水蒸气分压力与同温度下饱和水气压的比值，用百分比表示。

（4）风向风速风的形成：风主要由于气压的水平分布不均匀而引起的，而气压的水平分布不均是由温度分布不均造成。

风的形成除热力原因外，还有动力原因，自然界的风是由于这两种原因综合作用的结果，但只要有温差存在，空气就不会停止运动。水平方向的空气运动称为风。

（垂直方向－升降气流）风的来向叫风向表示方法：8或16个方位圆周等分；角度；高空用36个方位圆周等分。风速：单位时间内空气在水平方向上运动距离。

(km/s)

F——风力级（0～12级）（5）云

云：是大气中的水汽凝结现象。是漂浮在空中的大量小水滴、小冰晶或两者的混合物构成的。从污染的角度考虑，主要关心云量和云高。

云量：在我国，将天空分为10等份，有几分天空被云遮盖，云量就是几。如：云占天空的1/10，云量记为1。云高：指云底距地面的垂直距离，以米为单位。

高云（5000m以上）低云（2500米以下）中云（2500～5000m）（6）能见度

在当时的天气条件下，视力正常的人能够从天空背景中看到或辨认出目标物的最大水平距离（0~9级，相应距离为50～50000米）

，单位：m、Km。

能见度的大小反应了大气的混浊现象，反映出大气中杂质的多少。大气中的雾、水汽、烟尘等，可使能见度降低。

二、影响大气污染物扩散的因素（1）风对大气污染物扩散和输送的影响（2）湍流对大气污染物的影响（3）大气稳定度与逆温对大气污染的影响（4）城市下垫面对大气污染物扩散的影响（5）地形对大气污染扩散的影响（6）海陆风对大气污染物扩散的影响（7）降水对大气污染扩散（1）风对大气污染物扩散和输送的影响影响方面：风向和风的速率。风向：影响污染物的水平迁移扩散方向，总是不断将污染物向下风方向输送，污染区总是分布在下风方向上，高污染浓度常出现在大污染源的下风向。风速：决定了大气扩散稀释作用的强弱和对污染物输送距离的远近。

风速越大，单位时间内混入烟气中的清洁空气愈多，大气扩散稀释作用越强；风速越大，污染物输送的距离越远，但浓度将变得很小。风速廓线——风速随高度变化的曲线风速廓线模式—对数律风速廓线和指数律风速廓线。1）对数律风速廓线表达式：式中：

——高度z处的平均风速，m/s；u*——摩擦速度，m/s；k——卡门常数，k=0.44；z0——地面粗糙度，cm。风速廓线——风速随高度变化的曲线具有代表性的z0地面类型z0具有代表性的z0草原农作物地面分散的树林分散的大楼（城市）密集的大楼（大城市）1～1010～3030～100100～40040031030100＞300指数律风速廓线2）指数律风速廓线数学表达式：式中：

——欲求高度z上的风速，m/s；

——已知高度z1上的风速，

m——风速指数，随湍流强度加强而降低。稳定度极不稳定不稳定若不稳定中性若稳定稳定m0.100.150.200.250.300.30不同稳定度的m值（2）湍流对大气污染物的影响湍流：在实际生活中可以感到风速时大时小，有阵性，而且沿主导风向常出现左右和上下的无规则摆动。大气的这种无规则的阵性和摆动称为湍流。污染物排入大气后，形成浓度梯度，它们除随风作整体漂移外，湍流混合作用会不断将周围的清新空气卷入已污染的烟气，将烟气带到周围空气中，使污染物质从高浓度区向低浓度区分散、稀释——湍流扩散过程。

（3）大气稳定度与逆温对大气污染的影响大气稳定度：表示空气块在竖直方向的稳定程度，及气块是否安于原来所在的层次，是否易于发生对流。分为：稳定：如果空气团受力移动后，逐渐减速，并有返回原来高度的趋势；中性：若受力被推动某一高度后，既不加速也不减速，保持不动；不稳定：空气团离开原位，并有远离原来高度的趋势。（3）大气稳定度与逆温对大气污染的影响当大气处于不稳定状态时，对流与湍流容易发生，污染物的扩散稀释能力强；

当大气处理稳定状态时，对流与湍流受到抑制，污染物难于扩散稀释。不同大气稳定度导致从烟囱排出的烟流呈不同的形状。逆温层：地球表面上方大气圈各层的温度随高度的不同而发生变化。不同气层的气温随高度的变化常用气温垂直递减率γ表示：γ>0,气温随高度增加而降低；γ=0，随高度不变，等温层；γ<0，随高度增加而增加。（逆温层）不稳定，对流强烈。多出现在太阳光较强的中午；中性。多云或阴天的白天，强风的夜晚或冬季夜间。稳定状态。弱晴朗的夜晚和早晨。排出口上方不稳定，下方稳定。出现于日落后，地面有逆温层稳定，高空受冷空气不稳定；排出口上方稳定，下方不稳定。出现于日出后，地面逆温层被日照破坏，高空仍保持逆温。（4）城市下垫面对大气污染物扩散的影响城市特点：