污染气象学课件：3_3 模式计算参数 (2)

1、第三章 大气扩散估算 3.1 大气扩散型 3.2 连续烟流高斯扩散模式 3.3 模式计算参数 一、稳定度分类 二、大气扩散参数 三、风速 的计算 四、源强 的计算 五、烟气有效高度H的计算 1. 烟气抬升过程 2.实用抬升公式,三、 风速 的计算,注意：计算公式中的风速，理论上指烟气有效高度处的风速，由于不方便给定，实用中取烟囱口处的风速。 气象测风高度常规为10米： 如何确定烟囱口处风速？,系留气球探测,小球测风,实际测量,2004-10-12,风廓线拟合-平坦开阔地形 ： 中性层结 对数律 非中性，偏离对数律， 符合幂指数律 为应用方便， 统一用幂指数律 m为经验指数.,GB/T 1320

2、191 制定地方大气污染物排放标准的技术方法,和 P140数值不同,例：,张家口发电厂位于张家口和宣化之间。设计烟囱高240米。,？,四、源强Q的计算,源强Q是单位时间内从污染源排放污染物的质量。 按时间分： 瞬时源： g或mg 爆炸 间歇源： g或mg 工艺流程 连续点源： g/s或mg/s 烟囱、电厂 按几何形状分 点源： 工厂一定高度的烟囱排放 面源： 稠密居民区中的家用炉灶，城市 线源： 繁忙的公路干线，飞机 体源： 爆炸,锅炉烟囱排放,锅炉燃料不同，生成的污染物不一样。 燃煤锅炉 (SO2, 烟尘，NOx) 燃油锅炉(SO2,， NOx) 燃气锅炉(NOx),污染源源强Q的估算方法有

3、：,现场实测对有组织排放源 为实测浓度（mg/m3） 为废气体积排放率（m3/s）,2.物料衡算法 为投入物料总量 为所得产品量总和 为物料或产品流 失量总和,3.经验估算法 根据生产过程中单位产品的经验排放系数进行计算，求得污染物排放量的计算方法。只要取得准确的单位产品的经验排放系数，就可以使污染物排放量的计算工作大大简化。 SO2排放量估算 煤中可燃硫一般占总量的70%90%， 平均取80% 根据S氧化成SO2的化学关系： S+O2= SO2 即32克S氧化成64克SO2。,因此: 燃煤生成SO2的排放量为： QSO2=2*0.8*B*S=1.6BS（kg/h） B为耗煤量kg/h， S为

4、煤的含硫量%，范围 0.3-5%。 燃油生成SO2的排放量为： QSO2=2BS（kg/h） -全部燃烧 燃天然气 ，可忽略, 燃煤产生NOx的估算 一般根据经验数据作估计： 1t煤约生成89kg NOx ， 1t石油约生成9.112.3kg NOx ， 1t天然气约生成6.4kg NOx 。, 燃煤烟尘排放量估算 B为耗煤量kg/h A为煤的尘分含量（%） 烟煤 无烟煤 煤矸石 12-16 34 50-60 d为烟气中烟尘占煤炭总尘分含量的百分数， 一般取值15%20% 为除尘效率（%）,采取环保措施： 除尘 脱硫 脱硝,五、烟气有效高度H,烟气-烟气抬升 (烟气-烟流),烟气从烟囱排放后，

5、由于动力和热力作用的结果，烟气会继续上升，经过一段距离后逐渐变平，即烟流的有效高度比烟囱实际高度要高，即： 有效高度H为烟囱几何高度hs与烟气抬升高度h之和。 Hs是一定的，关键是h的问题。 关于烟气抬升高度h的计算,已进行了大量的试验研究和理论探讨。得出过供各种条件下应用的许多烟气抬升高度计算公式，并已初步确定了烟气抬升的物理模型和基本理论体系。,1、烟气抬升过程 造成抬升的原因（抬升因子）,烟气自烟囱排出后形成烟流并可上升至相当高度，能够到达的高度与烟源自身条件和周围环境的气象条件有关。 一般烟气抬升能将烟源的实际排放高度提高到210倍的有效源高高度上，从而可能使地面最大浓度降低3100倍

6、。,烟气抬升几何模型,有风弯曲烟流模型，抬升大致经历4个阶段:喷出阶段、浮升阶段、瓦解阶段和变平阶段，最后达到烟流抬升高度h的终极抬升阶段。,抬升的四个阶段： 喷出阶段：烟气在自身具有的初始动量（由出口速度提供）作用下垂直向上喷射 特点：内部流动均匀，外形清晰整齐 动力抬升 （一般维持至烟囱口径10倍 左右水平距离的范围）,抬升的四个阶段： 浮升阶段：由于烟气与环境温差造成的浮力加速度的作用，使烟气上升速度超过动力上升速度并使烟流继续上升，进入浮力抬升阶段。 特点：烟流体增大。 浮力抬升起主导作用，由速度切变 造成卷挟是导致烟气与周围空气混合 的主要因素（自生湍流） 。 环境湍流的作用还较弱。

7、 是热烟流抬升的主要阶段。,抬升的四个阶段： 瓦解阶段： 升速减缓，速度切变造成的自生湍流减弱。 环境湍流的作用明显增强并逐渐达到占主导。环境湍涡大量卷入烟流体，使其自身结构在短时间内瓦解，烟气原先的动力抬升和热力抬升的性质消失，烟流的抬升基本停止。 这个阶段通常较短。 变平阶段： 环境湍流起主要作用，抬升完全停止 烟流随风飘动，变平。,抬升过程复杂多变，不可能完全按上述模型划出典型阶段。大量观测试验表明，影响热烟流抬升的基本因子可归纳成以下3类: 1）排放源及排放烟气的性质。 烟气的初始动量和浮力是决定其上升高度的基本因素 2）环境大气的性质。 烟气与周围空气混合的速率(平均风速和环境湍流强

8、度 )对烟流抬升的影响也十分重要。 烟气所在气层的温度层结表征大气稳定度状况，是影响烟气抬升的又一个重要因子。 3）下垫面性质。 地形，地面粗糙度,影响烟气抬升的因子有： 内因：初始动量、浮力 外因：大气层结、湍流状况 当烟气出口速度小，浮力小，而周围风速大 下泄，下洗（烟囱口变黑）,烟气抬升理论 垂直抬升（无风大气） 定义：平均抬升速度： “体积”通量： 浮力通量：,假定烟气内部的物理属性分布均匀，只是到了烟气的边缘上才突变成与周围大气相应的属性，分布呈现凸形式，即“TopHat”模型。,支配垂直抬升的MTT方程组(Morton,Turner,Taylor),(A) (B) (C),大气稳定

9、度参量,物理意义是单位质量空气在垂直方向移动单位距离， 因浮力作功而引起的加速度变化。 在体积通量V一定的情况下，对应三种稳定度状况，分别有,浮力参数Fz,物理意义是单位时间单位质量烟气所受到的浮力贡献（增加动量）,用排放口烟流参数表示,R0为排放出口半径, W0为出口速度初始值 Ts为烟气温度, Ta为大气温度,在抬升高度实用计算中常采用烟源的热释放率QH这一特征参量，,物理意义是单位时间、单位质量烟气升高T度释放的热量。,换算关系,g=9.8米/秒2，cp=240卡/千克度时，,Fz=3.710-5QH,取,千克/米3，,有,讨论动量-浮力对抬升的作用：,实验得：卷夹系数=,0.16（无浮

10、力抬升）射流 0.1250.155 （浮升烟云）,弯曲烟云抬升 定义：水平体积通量： 垂直动量的水平通量： 因 支配方程：,(D) (E) (F),实验得： 卷夹系数=,0.4+1.2（W/u)-1 动量抬升 0.6 （浮升）,卷夹系数=,0.16 动量 0.1250.155 浮力,由支配方程,可推得弯曲烟云抬升路径(中性大气) 中性层结条件下，S=0, Fz=F0Z=常数,积分公式(F)有:,(D) (E) (F),因,可得,积分上式，最后可得,抬升路径（中性大气）： 只有动量作用 只有浮力作用 实际问题，主要为浮力， 称为中性大气弯曲烟气抬升Briggs2/3路径方程 中性条件下，动量抬升

11、与抬升时间1/3成正比， 浮力抬升与抬升时间2/3成正比,稳定无风大气中的抬升,稳定时 S0, 为Brunt-Vaisala频率 利用无风垂直抬升方程中的动量守恒和浮力守恒方程，得到简谐振动方程 利用初始条件：t 0时， 初始动量 初始浮力 简谐振动方程解为： 由上式可知：只有动量作用，达到抬升最高时 只有浮力作用，达到抬升最高时 最大抬升高度：需要相似方法或半经验附加条件才能确定 实验得到：,稳定有风大气中的弯曲抬升 由弯曲烟云抬升方程，利用 可得出： 对浮升烟云（F0m=0）有： 不稳定层结下的抬升 因 即浮力通量及上升速度均持续增大，抬升无止境。实际上不可能，浮力加强与湍流混合作用相互抵

12、消。由于不稳定时湍流强，实验不易准确，观测资料离散大，实用时用中性公式，只是取比中性是大一些的实验系数。 大气湍流对抬升的作用 烟云抬升不能到无穷，原因有二: 一是上部遇到稳定层结， 二是大气湍流作用，湍流越强，抬升越弱，呈反平方规律,环境湍流与烟气抬升 (不成熟) 环境湍流在烟流抬升的后期阶段有重要支配作用。为得到实用的合理的终极抬升高度，需要考虑环境湍流作用，作为一种闭合假设求解支配方程，求得终极抬升高度；或者根据试验观测，定出终极抬升距离xT，代入抬升高度公式以求得终极抬升高度。 （1）引入环境湍流影响的闭合假设 分段作用模式, 假定前期抬升由自生湍流支配，后期则完全由环境湍流支配。 突

13、然作用模式，假定环境湍流在完成抬升的主要阶段不起作用，整个抬升过程始终遵循三分之二次律，一旦环境湍流发生作用，抬升就突然截止。 从抬升的前期就考虑环境湍流的作用，自生湍流和环境湍流的联合作用模型。 （2）受环境湍流制约的烟流抬升 溃散模式和触地模式 机械湍流制约时的烟气抬升 对流湍流制约时的烟气抬升,小结 中性大气垂直抬升方程 很快过渡到2/3规律 中性大气弯曲烟云抬升 Briggs（浮升烟云） 稳定无风抬升 稳定有风抬升 上述公式统称为Briggs抬升公式,动量抬升 t1/3 浮升 t2/3,不稳定层结下的抬升 实用时用中性公式，只是取比中性是大一些的实验系数。,2.实用经验抬升公式 Hol

14、land公式（1953） U-出口处水平风速(m/s)； w0-烟气出口速度(m/s)； D-出口直径(m)； QH-烟气的热释放率(卡/秒)。,理论公式,R0-排放口半径； W0-出口速度； s-烟气密度； Ts-烟气温度； Ta-大气温度； Cp-烟气的定压比热(kJ/kg.k)。 评论：20世纪50-70年代很流行，但结果偏低很多。 我国：规定小烟囱可用，但需大2倍。,Lucas公式（电厂） 60年代根据大电厂结果 结果对中、小烟囱偏高，大烟囱偏低。目前少用。 Concawe公式（西欧石油组织专家组） 大型烟囱结果偏低，中小烟囱适用。目前用得较多。,Briggs公式 中性.不稳定 Bri

15、ggs认为，x=10hs时烟气抬升达到最大高度，故 （相应的下风向距离称为终极抬升距离） 结果偏高.,稳定： F0z-浮力通量，m4/s2； u-平均风速，m/s； x-下风距离，m。 评论：Briggs公式理论很严密，国际上最流行，但中性偏 高一点，平坦地形、高烟囱好。,我国标准推荐形式 在我国由国家环保局和国家技术监督局联合发布的国家标准制定地方大气污染物排放标准的技术方法GB/T13201-91，给出了抬升高度计算公式。该方案是以三分之二次律为基础，按我国专门的烟流抬升观测试验资料为依据，给出有关系数，结合国情给出计算公式和处理方法 当 千焦耳/秒，且烟气温度与环境气温的差值 其中：,p

16、为气压，取邻近气象站的年平均值，hPa； Qv为实际排烟率，米3/秒；,n0为烟气热状况及地表状况系数； n1为烟气热释放率指数； n2为烟囱高度指数；,用幂次律换算到烟囱口 m值选择,为源出口处(烟囱口高度处)平均风速，米/秒 。,当 千焦耳/秒时 式中 w0为烟气出口速度，米/秒， D为烟囱出口内径，米 。,当 千焦耳/秒或 时 对地面年平均风速 的地方 为排放源高度以上环境温度垂直变化率， 取值不小于0.01K/米。, 烟气抬升与高架稳定层及穿透,在抬升过程，出现下层大气中性或不稳定，上部有一定厚度的稳定层。抬升受上部稳定层限制： 1）如稳定层底相当低，烟流可能完全伸进稳定层 2）如稳定

17、层底较高，烟流不能完全穿透，那么烟流可能部份穿透稳定层。,如果烟流能够穿透上部稳定层，即使只是部份穿透，污染物的地面浓度可以大为降低；否则烟流将封闭在稳定层以下，这会对地面造成较高的污染物浓度。,对大气层结垂直不均一情况，确定烟流抬升高度至关重要，通常，不可能以一个公式计算。,Briggs（1975）假定烟流的终极抬升 落在烟囱上方逆温层高度zi的2倍范围内，只有部份烟（成数p）穿透逆温层。 他提出穿透部分（成数）的公式为,烟流被逆温层底反射并向下散布为（1-p）。当式中： 时， 烟流在混合层顶以上， 全穿透； 时， 烟流在混合层内， 全封闭； 则为 部分穿透。,Zi,2Zi,高架逆温层高度在烟囱顶以上zi处,小结 抬升实验技术较难 抬升问题复