昆明理工大气污染控制(考研).ppt

第1讲 概论,大气污染控制工程一、大气污染及其分类二、大气污染的影响三、大气污染防治法规与标准体系四、中国的大气污染综合防治,一、大气污染及其分类,1.大气污染及大气污染物的定义如果大气中的某种物质达到一定浓度，并持续足够的时间，以致对公众健康、动物、植物、材料、大气特性或环境美学产生可测量的不利影响，这就是大气污染。引起大气污染的物质就称为大气污染物。,2.大气污染物的分类,按污染物的状态分气溶胶状态污染物：以颗粒状态存在于大气中的污染物。气体状态污染物：以分子状态存在于大气中的污染物。按污染物的来源分一次大气污染物：直接以原始形态排放入大气中的污染物。二次大气污染物：大气中的一次污染物通过化学反应生成的化学物质（大气污染物）。,3.倍受关注的大气环境问题和污染物,（1）光化学烟雾:光化学烟雾是大气中氮氧化物和碳氢化合物在紫外线照射下反应生成的多种污染物的混合物。光化学烟雾最具危害的两种物质是臭氧(O3)和过氧乙酰硝酸酯(peroxyacetylnitrates,PAN)。,光化学烟雾实例,细颗粒物对人体健康和大气环境质量造成的危害要远比粗颗粒物大细颗粒物本身可能是有毒、有害物质细颗粒物易成为其它污染物的运载体和反应体细颗粒物污染可导致低能见度显著降低,（2）细微颗粒物污染,（3）酸沉降:,酸沉降是指某一平面上具有致酸潜势的物质的积累。致酸物质是自然和人为活动的过程中产生的。致酸物质按存在形态分为干和湿两种。,酸雨的危害,水的低pH值使得鱼的骨骼畸形生长，最终导致死亡,引起树木的大量不正常死亡,严重腐蚀建筑物,中国酸雨的分布变化主要位于长江以南,（4）全球变暖和气候变化:,Major Greenhouse Gases,全球平均气温的变化,大气中二氧化碳含量的变化,政府间气候变化专门委员会（IPCC）得到的几个重要结论：,在过去的100年间，地球的平均温度增加了0.30.6，海平面高度增加了1025cm。气温和海平面高度仍会持续上升。众多模型的模拟结果表明，到2010年气温将增加13.5，海平面上升1595cm。气温升高和大气中温室气体的浓度具有很强的相关性。人类活动极大地增加了大气中温室气体的含量。,4.中国城市的大气污染概况,1999年全国重点城市主要大气污染物分布,TSPSO2NOx,2002年中国城市空气质量状况,不同空气质量状况下的人口比例,全国城市空气质量分级比例,不同规模城市空气污染程度（2002年）,二、大气污染的影响,1.对人体健康的影响CO对人体健康的影响,NO2对人体健康的影响,2.对植物的伤害,注：二氧化氮浓度和暴露时间与植物死亡、叶器官损伤和新陈代谢或生长影响之间的关系,Source：Springer-Verlag and Prof.D.C.MacLean,3.对器物和材料的影响,注：平均二氧化硫浓度和不同暴露时间与低碳钢的腐蚀之间的关系（19631964年9月，在芝加哥的七个地点进行的实验）,Source：Air and Waste Management Association,4.对大气能见度的影响,对大气能见度或清晰度有影响的污染物，一般应是气溶胶粒子、能通过大气反应生成气溶胶粒子的气体或有色气体，包括：总悬浮颗粒物（TSP）SO2和其它气态含硫化合物，在大气中以较大反应速率生成硫酸盐和硫酸气溶胶粒子NO和NO2，在大气中反应生成硝酸盐和硝酸气溶胶粒子光化学烟雾，反应生成亚微米的气溶胶粒子,能见度与大气中颗粒物浓度的关系,应用最广的估算能见度的方程是Koschmeider方程：LV为能见度范围，即一般人刚刚可以将暗色物体（例如山或高楼）从天空的背景上分辨出来的距离。此方程是估算方程，基于大气颗粒物为一般组成的情况。,能见度与自然景观USEPA在1999年宣布，将在未来几十年内致力于提高国家公园和旷野地区的空气质量例：美国大烟雾山国家公园（北卡罗莱纳州）照片,晴天雾天,三、大气污染防治法规与标准体系,1.中华人民共和国大气污染防治法1987年9月5日由第六届全国人大常委会第22次会议通过，1988年6月1日起执行1995年8月29日，第八届全国人大常委会第15次会议对该法进行了修订2000年对该法再次修订,1995年8月29日修改后的大气污染防治法，在控制大气污染，改善大气环境质量方面起到了积极的作用：,强化了酸雨和二氧化硫污染控制推动了煤炭的清洁利用加快了淘汰严重污染大气的落后工艺和设备的步伐开始生产和使用无铅汽油法规实施后，一些地区依法强化环境管理，大气环境质量确实得到了改善,但未能有效地遏制大气环境质量的恶化：,大气污染形势仍然十分严峻，大多数城市还处于比较严重的污染程度；缺少推动煤炭清洁利用的法律措施，燃煤污染仍然没有得到有效遏制；大中城市机动车排气污染正在迅速增加；大多数城市扬尘污染突出；大气污染物排放总量居高不下，缺少有效的法律措施；现行法律的法律责任部分内容偏少，力度不够。,2.大气环境质量标准体系,GB30951996环境空气质量标准GB162971996大气污染物综合排放标准GB 132712001锅炉大气污染物排放标准GB49152004水泥厂大气污染物排放标准GB90781996工业炉窑大气污染物排放标准GB161711996炼焦炉大气污染物排放标准GB132232003火电厂大气污染物排放标准GB1455493恶臭污染物排放标准GWPB 11999轻型汽车污染物排放标准 GB14761.293车用汽油机排气污染物排放标准GB14761.593汽油车怠速污染物排放标准GB14761.693柴油车自由加速烟度排放标准GB14761.793汽车柴油机全负荷烟度排放标准,3.中华人民共和国国家标准 环境空气质量标准 Ambient air quality standard GB30951996(代替GB309582)国家环境保护局1996-01-18批准1996-10-01实施,主题内容与适用范围本标准规定了环境空气质量功能区划分、标准分级、污染物项目、取值时间及浓度限值，采样与分析方法及数据统计的有效性规定。本标准适用于全国范围的环境空气质量评价。,环境空气质量功能区的分类和标准分级,环境空气质量功能区分类一类区为自然保护区、风景名胜区和其它需要特殊保护的地区。二类区为城镇规划中确定的居住区、商业交通居民混合区、文化区、一般工业区和农村地区。三类区为特定工业区。环境空气质量标准分级（环境空气质量标准分为三级）一类区执行一级标准二类区执行二级标准三类区执行三级标准,各项污染物的浓度限值,空气污染指数分级标准(试行),空气污染指数分级浓度限值,计算公式：当第k种污染物浓度为 时，其分指数为,四、中国的大气污染综合防治,1.能源利用情况,注：中国正在不断提高能源使用的效率，但还未达到美国的水平（1980-1995年数据）,2.主要污染物排放,注：近年来GDP持续增长，主要污染物排放却有所下降来源：中国统计年鉴，中国环境状况公报,3.控制大气污染的技术措施,清洁生产：清洁的生产过程和清洁的产品可持续发展的能源战略改善能源供应结构和布局，提高清洁能源和优质能源比例提高能源利用效率和节约能源推广少污染的煤炭开采技术和清洁煤技术积极开发利用新能源和可再生能源建立综合性工业基地：各企业间相互利用原材料和废弃物，减少污染物排放总量,4.控制污染的经济政策,必要的环境保护投资环保投资占国民生产总值（GNP）的比例，发展中国家为0.5%1，发达国家为1%2我国目前比例为0.7%0.8，希望能达到1.5实行“污染者和使用者支付原则”，可采用的经济手段：建立市场（排污许可证制度等）税收手段（污染税、资源税等）收费制度（排污费等）财政手段（生态环境基金等）责任制度（赔偿损失和罚款等）,第2讲 燃烧与大气污染,1.燃料的性质2.燃料的燃烧过程及燃烧产物3.燃烧所需空气量和产生烟气量的计算4.燃烧过程中硫氧化物的形成5.燃烧过程中颗粒污染物的形成6.燃烧过程中其他污染物的形成,第一节 燃料的性质,1.燃料的分类,2.燃料的化学组成,典型液体和气体燃料的化学组成成分,2.燃料的化学组成,典型固体燃料的化学组成成分,3.燃料组成对燃烧的影响,碳：可燃元素。1 kg纯碳完全燃烧时，放出32860 kJ的热量。不完全燃烧生成CO时，放出9268kJ的热量。无烟煤含碳量约90%98%，一般煤的含碳量约50%95%。氢：是燃料中发热量最高的元素。煤中氢的含量为2%10%1 kg氢完全燃烧时能放出120500 kJ的热量。,3.燃料组成对燃烧的影响,氧：氧在燃料中与碳和氢生成化合物，降低了燃料的发热量氮：燃料中含氮量很少，一般为0.5%1.5%硫：以三种形态存在：有机硫、硫化铁硫和硫酸盐硫。前两种能放出热量，称之为挥发硫。硫燃烧生成产物为SO2和SO3，其中SO2占95%以上。,3.燃料组成对燃烧的影响,水分：煤中水分由表面（外部）水分和吸附（内部）水分组成。外部水分可以靠自然干燥除去。内部水分要放在干燥箱中加热到102105C，保持2h后才能除掉。灰分：是燃料中不可燃矿物质。,4.煤的分类和组成,煤的基本分类褐煤：热值为30004000kcal/kg最低品位的煤，形成年代最短挥发分大于40%，适于烧锅炉、气化烟煤：热值为42007500kcal/kg形成年代较褐煤长，碳含量75%90，成焦性较强挥发分在10%40%之间，适于炼焦、气化、动力燃料无烟煤：热值为42007500kcal/kg煤化时间最长，含碳量最高（高于93），成焦性差挥发分小于10%，适于民用、冶金、建材、气化,4.煤的分类和组成,煤的成分分析工业分析（proximate analysis）测定煤中水分、挥发分、固定碳和灰分。估测碳含量和热值，是评价工业用煤的主要指标。元素分析（ultimate analysis）用化学分析的方法测定去掉外部水分的煤中主要组分碳、氢、氮、硫和氧的含量。,4.煤的分类和组成,煤中硫的形态,4.煤的分类和组成,煤的成分的表示方法 要确切说明煤的成分，必须同时指明百分比的基准，常用的基准有以下四种：收到基：锅炉炉前使用的燃料，包括全部灰分和水分 空气干燥基：以去掉外部水分的燃料作为100%的成分，即在实验室内进行燃料分析时的试样成分,4.煤的分类和组成,干燥基：以去掉全部水分的燃料作为100%的成分，干燥基更能反映出灰分的多少 干燥无灰基：以去掉水分和灰分的燃料作为100%的成分,4.煤的分类和组成,煤的成分的表示方法及其组成的相互关系,第二节 燃料燃烧过程及燃烧产物,1.燃烧过程及燃烧产物 燃烧过程是可燃物的快速氧化过程（放热反应）完全燃烧的产物：CO2、H2O不完全燃烧的产物：CO2、H2O&CO、黑烟及其他部分氧化产物如果燃料中含有S和N，则会生成SO2和NO空气中的部分N可能被氧化成NO热力型NOx,2.燃烧过程产生的污染物,燃烧可能释放的污染物：CO2、CO、SOx、NOx、CH烟、飞灰、金属及其氧化物等温度对燃烧产物的绝对量和相对量都有影响（见后图）燃料种类和燃烧方式对燃烧产物也有影响,3.燃烧产物与温度的关系,4.燃料完全燃烧的条件（3T）,空气条件：提供充足的空气；但是空气量过大，会降低炉温，增加热损失温度条件（Temperature）：达到燃料的着火温度时间条件（Time）：燃料在高温区停留时间应超过燃料燃烧所需时间燃料与空气的混合条件（Turbulence）：燃料与氧充分混合,第三节 燃烧所需空气量和产生烟气量的计算,1.燃料燃烧烟气量计算的假定：空气组成：20.9%O2和79.1%N2，两者体积比为：N2/O2=3.78气体的标准状态：温度273.15k,压力101325Pa燃料中的氧可用于燃烧燃料中硫被氧化为 SO2不考虑NOX的生成燃料的化学式为CxHySzOw,2.燃烧方程式,燃料重量=12x+1.008y+32z+16w,3.燃料燃烧所需的空气量,理论空气量：按化学反应式计算，燃料完全燃烧时所需要的空气量,3.燃料燃烧所需的空气量,空气过剩系数实际空气量与理论空气量之比。以表示，通常1所需实际空气量,部分炉型的空气过剩系数,4.燃烧产生的烟气量,烟气量计算（CO2、SO2、N2和H2O）完全燃烧时理论烟气量（m3/kg)完全燃烧时理论干烟气量（m3/kg),4.燃烧产生的烟气量,完全燃烧时实际烟气量（m3/kg)完全燃烧时实际干烟气量（m3/kg),燃料燃烧烟气量计算实例,例题 某种煤（收到基）的元素分析为：C 65.7%；H 3.2%；S 1.7%；O 2.3%；灰分 18.1%；水分 9.0%。假设空气过剩系数为1.4，燃料完全燃烧。假定空气中不含水分。1）计算燃煤1kg所需要的理论空气量和实际空气量；2）计算燃煤1kg所产生的理论烟气量和实际烟气量；3）计算实际烟气中SO2的浓度以（mg/m3表示）；4）假定烟尘的排放因子为20%，计算实际烟气中烟尘的浓度（以mg/m3表示）。,煤组成的表示方法:CxHySzOw,已知：C:65.7%,H:3.2%,S:1.7%,O:2.3%灰分:18.1%,水分:9%，按1000g煤计算可燃元素 质量g 摩尔数 C 657 12=54.75 H 32 1=32 S 17 32=0.53 O 23 16=1.44 水分 90 18=5 灰分 181化学分子式:C54.75H32S0.53O1.44,1）理论空气量、实际空气量的计算,2）理论烟气量、实际烟气量的计算,3）计算实际烟气中SO2的浓度（mg/m3）,1kg煤中含硫17g,可产生34g二氧化硫1kg煤燃烧产生的烟气量为9.685m3。烟气中二氧化硫浓度为：,4）计算实际烟气中烟尘的浓度,1kg煤中含灰分181g,20%进入烟气，1kg煤燃烧产生的烟气量为9.685m3。烟气中烟尘浓度为：,第3讲 大气污染气象学,教学内容1大气圈结构及气象要素2大气的热力过程3大气的运动和风,1、教学要求要求了解与大气污染相关的气象学基本知识，理解和掌握大气圈的结构、主要气象要素、大气稳定度和逆温的概念。2、教学重点掌握大气层结构及大气的热力过程。3、教学难点大气的热力过程、大气稳定度和逆温。,建议学时数：2学时,大气扩散,1大气圈结构及气象要素,一、大气圈垂直结构,高度(km),一、大气圈垂直结构,每升高100m，气温降低0.65,N2,O2,Ar,CO2,Ne,He,Kr,H2,Xe,O3,越往上氧、氦等气体的原子态越多,紫外线的强烈照射，N2和O2产生不同程度的离解,一、大气圈垂直结构,大气层的结构。大气层可以分为对流层（最贴近地面、密度最大的一层）、平流层（较高的、气体组成相同但密度较小的气层）以及电离层（由已电离的气体组成）,图 行星边界示意图,在对流层内，从动力学的观点可把大气层次划分为:自由大气层、边界层(摩擦层)和近地面层,一、大气圈垂直结构,对流层（10km左右）集中了大气质量的3/4和全部的水蒸气，主要天气现象都发生在这一层温度随高度的增加而降低，每升高100m平均降温0.650C强烈对流作用温度和湿度的水平分布不均,近地层地面上50100m，热量和动量的常通量层,一、大气圈垂直结构,平流层（对流层顶5055km）同温层对流层顶3540km，气温-550C左右同温层以上，气温随高度增加而增加集中了大部分臭氧没有对流运动，污染物停留时间很长中间层（平流层顶85km）气温随高度升高而迅速降低对流运动强烈,一、大气圈垂直结构,暖层（中间层顶800km）气温随高度升高而增高气体分子高度电离电离层散逸层（暖层以上）气温很高，空气稀薄空气粒子可以摆脱地球引力而散逸大气压力总是随高度的升高而降低均质大气层8085km以下，成分基本不变,大气气压场分布,大气水汽分布,二、主要气象要素,气象要素（因子）：表示大气状态的物理现象和物理量，气象学中统称为。与大气污染关系密切的气象要素主要有：气温 气压 空气湿度（气湿）、风（风向、风速）云量云状 能见度 降水 蒸发、日照时数、太阳辐射、地面辐射、大气辐射等。,二、主要气象要素,1气温 表示大气温度高低的物理量。天气预报中：1.5m高、百叶箱内气温。,二、主要气象要素,2气压 任一点的气压值等于该地单位面积上的大气柱重量.气压总是随高度的增加而降低的。气压随高度递减关系式可用气体静力学方程式描述，即P=-gZ，其积分式压高公式：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)，在高层小于此值。单位：mb（毫巴）大气的压强1atm101326Pa1013.26mb=760mmHg静力学方程:,二、主要气象要素,3气湿 反映空气中水汽含量和空气潮湿程度的一个物理量。常用的表示方法有：绝对湿度、水蒸气压力、体积百分比、含湿量、相对湿度、露点等。绝对湿度1m3湿空气中含有的水汽质量相对湿度空气的绝对湿度与同温度下饱和空气的绝对湿度的百分比含湿量湿空气中1kg干空气包含的水汽质量水汽体积分数水汽在湿空气中所占的体积分数露点同气压下空气达到饱和状态时的温度,二、主要气象要素,3气湿,二、主要气象要素4.风向和风速（wind speed and direction)什么是风？空气的流动就形成风。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。,二、主要气象要素,4风向和风速 水平(horizontal)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（16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（2或10min平均）(km/h)F风力级（012级）,二、主要气象要素,4风向和风速 风玫瑰图,风速,m/s,某地区1988年的风玫瑰图。同心圆表示风的频率，例如，吹南风的频率约为11，其中风速大于10.82m/s的频率约为1，风速在3.355.41m/s的频率为3.5左右。,二、主要气象要素5、云云：是发生在高空的水汽凝结现象。形成的基本条件：水蒸汽和使水蒸汽达到饱和凝结的环境云量：指云遮蔽天空的成数。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；在云层中有少量空隙（空隙总量不到天空的1/20）记为10；当天空无云或云量不到1/20时，云量为0。国外，将天空分为8等份。国外云量与我国云量间的关系，国外云量1.25=我国云量总云量：指所有云遮蔽天空的成数，不论云的层次和高度。低云量：低云的云掩盖天空的成数。云量的记录：一般总云量/低云量的形式记录，如10/7。云状：多种多样，1932年国际云学委员会出版的国际云图将云状分为四族十属。云高：指云底距地面的垂直距离，以米为单位。测定方法：激光测云仪、弧光测云仪等，目力测定法,云,高云（5000m以上）,中云（2500-5000m）,低云（2500米以下）,二、主要气象要素,6能见度能见度：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距离级别（09级，相应距离为5050000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、主要气象要素7、太阳高度角 太阳高度角为太阳光线与地平线间的夹角，是影响太阳辐射强弱的最主要的因子之一。ho即太阳高度角，它随时间而变化。8、降水 降水是指大气中降落至地面的液态或固态水的通称。如雨、雪等。降水是清除大气污染物的重要机制之一。,2大气的热力过程,一、太阳、大气和地面的热交换1、什么是辐射？自然界中的一切物体都以电磁波的形式时刻不停的向外传递能量，这种传递能量的方式称为辐射，以辐射的方式向四周输送的能量称辐射能，有时简称辐射。2、大气对太阳辐射的减弱及影响因素（1）吸收辐射;（2）散射作用;（3）反射;（4）透过大气层.3、大气温度依地面温度的变化关系 地面温度（土壤温度）的日变化是周期性的，具有一最高值和最低值，在一天里地表温度最高值在13点左右，最低温度在日出前后。气温的年变化曲线与地表温度年变化曲线平行，但振幅较小。太阳以紫外线、可见光、红外线的形式辐射热量太阳辐射加热地球表面地面长波辐射加热大气近地层大气温度随地表温度变化,太阳能,太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（约为3.751026W）的22亿分之一，但已高达173,000TW（1012W），也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能，所以广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换,太阳常数,地球在日地平均距离处时，和太阳光垂直的大气上界单位面积每单位时间所接收的所有波长的太阳辐射总能量它常以S表示，其值为：1.96 卡（厘米2分）1 367 瓦米2多数文献上：1 370 瓦米2一年中由于日地距离的变化所引起太阳辐射强度的变化不超过上3.4,太阳辐射光谱,太阳辐射的能量主要分布在可见光区和红外区可见光区占太阳辐射总量的50红外区占43紫外区只占能量的7在波长0.48微米的地方，太阳辐射的能力达到最高值，数值约为3.0卡/cm2.分以上,辐射的规律,(1)所有物体不论其温度如何，都向外放射辐射能。高温的太阳和地球都在不停地向外辐射能量(2)温度较高的物体单位面积放射的总能量，要比温度低的物体放射多。如太阳表面温度为6000K，而地球表面的平均温度为288K，因而，太阳表面单位面积上放射的能量要比地球表面放射的能量大几百万倍(3)物体温度愈高，其放射的最大辐射的波长愈短；反之，物体的温度愈低，其放射的最大辐射波长愈长。例如，太阳放射的最大辐射波长0.5微米，而地球放射的最大辐射波长为10微米。(4)辐射能力强的物体，其吸收辐射的能力也强；反之，辐射能力弱的物体，吸收能力也弱。黑体吸收能力最强，放射能力也最强。地球和太阳，对于它们各自的温度而言，都是吸收和放射能力很强的物体，可看作是近似黑体。而地球大气则是选择性的吸收和辐射体。对于某种确定波长的辐射可让其透过(即不吸收)；对于另外波长的辐射，则近乎不透明的(即吸收很强),太阳辐射在大气中的减弱,太阳辐射通过大气时，分别受到大气中的水汽、二氧化碳、微尘、氧和臭氧以及云滴、雾、冰晶、空气分子的吸收、散射、反射等作用，而使投射到大气上界的太阳辐射不能完全到达地面假设大气层顶的太阳辐射是100。那么太阳辐射通过大气后发生散射、吸收和反射(反射云量反射表示)，向上散射占4，大气吸收占21,云量吸收占3,云量反射占2330反射和散射回宇宙20被大气吸收50被地面吸收,大气中云层和较大颗粒的埃尘能将太阳辐射中的一部分能量反射到宇宙空间去。其中反射最明显的是云。不同的云量，不同的云状，云的不同厚度所发生的反射是不同的。高云：平均反射25中云：平均反射50低云：平均反射65稀薄云：10-20%很厚的云层：反射可达90云量反射平均：达5055,大气对太阳辐射的反射,二、气温的垂直变化,气温直减率（大气）干空气绝热绘制温度递减率 干绝热直减率（空气团）一般满足，大气绝热过程，系统与周围环境无热交换,1.气温直减率,定量：热力学第一定律（第一定律状态方程）其中,1.气温直减率,1.气温直减率,代入上式得：,实际中，Ti、T 相差10K，则,2.气温的垂直分布（温度层结）,气温的垂直分布温度层结,1.大气稳定度的概念,定义：大气在垂直方向上稳定的程度；反映其是否容易对流定性描述：,不稳定条件下有利于扩散,三、大气稳定度,2.大气稳定度的判据,定量判断,三、大气稳定度,则有判据：,2.大气稳定度的判据,四、逆温,逆温不利于扩散辐射：,1.辐射逆温：地面白天加热，大气自下而上变暖；地面夜间变冷，大气自下而上冷却,四、逆温,辐射逆温的生消过程,四、逆温,2.下沉逆温（多在高空大气中，高压控制区内）,四、逆温,3.平流逆温 暖空气平流到冷地面上而下部降温而形成,四、逆温,5.锋面逆温,五、烟流型与大气稳定度的关系,波浪型（不稳）锥型（中性or弱稳）扇型（逆温）爬升型（下稳，上不稳）漫烟型（上逆、下不稳）,3大气的运动和风,一、引起大气运动的作用力,二、大气边界层中风随高度变化,Ekman（爱克曼）螺旋线（北半球下视，地偏力指向运动右方，故顺时针；南半球则相反）高度增高，风速增大，方向逐渐接近地转风。,三、近地层风速廓线模式,1.对数律风速廓线模式平均风速随高度变化中性层结：对数律，粗糙度和摩擦速度,三、近地层风速廓线模式,2.指数律风速廓线模式平均风速随高度变化非中性层结：指数律，稳定度参数,四、地方性风场,1海陆风,四、地方性风场,2山谷风,四、地方性风场,3城市热岛环流,图3-1城市热岛示意图,第4讲 大气扩散浓度估算模式,教学内容1湍流扩散的基本理论2高斯扩散模式3污染物浓度的估算方法4特殊气象条件下的扩散模式5城市及山区的扩散模式6烟囱高度设计7厂址选择,1、教学要求要求了解湍流扩散的基本理论，理解和掌握高斯扩散模式、烟囱高度的设计和厂址的选择。2、教学重点掌握影响污染物稀释扩散法控制的有关条件；污染物浓度估算的高斯模式，烟囱高度的设计方法。3、教学难点污染物稀释扩散法控制，污染物浓度估算的高斯模式。,1湍流扩散的基本理论,一、湍流概念简介扩散的要素风：平流输送为主，风大则湍流大湍流：扩散比分子扩散快105106倍1、什么是湍流？除在水平方向运动外，还会由上、下、左、右方向的乱运动，风的这种特性和摆动称为大气湍流。（有点象分子的热运动）或者说湍流是大气的无规则运动。2、湍流与扩散的关系 把湍流想象成是由许多湍涡形成的，湍涡的不规则运 动而形成它与分子运动极为相似。3.湍流起因有两种形式：热力：温度垂直分布不均（不稳定）机械：垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度,4.湍流运动的判据雷诺数,雷诺还找到了由层流运动转换到湍流运动的判据雷诺数（Re）临界雷诺数试验（圆管）表明：当Re2000时的流体流动是 湍流当Re0.1m/s则Re6000所以通常认为大气运动都是湍流运动,二、湍流扩散理论简介,主要阐述湍流与烟流传播及湍流与物质浓度衰减的关系1.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。”通过泰勒（G.I.Tayler）与菲克（A.Fick）扩散理论的类比建立起来的。菲克认为分子扩散的规律与傅立叶提出的固体中的热传导的规律类似，皆可用相同的数学方程式描述。湍流梯度输送理论进一步假定，由大气湍流引起的某物质的扩散，类似于分子扩散，并可用同样的分子扩散方程描述。为了求得各种条件下某污染物的时、空分布，必须对分子扩散方程在进行扩散的大气湍流场的边界条件下求解。然而由于边界条件往往很复杂，不能求出严格的分析解，只能在特定的条件下求出近似解，再根据实际情况修正。,二、湍流扩散理论简介,2.湍流统计理论：泰勒(GITaYler)首先应用统计学方法研究湍流扩散问题，并于1921年提出了著名的泰勒公式。湍流统计理论假定：流体中的微粒与连续流体一样，呈连续运动，微粒在进行传输和扩散时，不发生化学和生物学反应；微粒的大小和质量不计，并将微粒运动看作是相对于一定空间发生的。图4-1表示从污染源释放出的粒子，在风沿着x方向吹的湍流大气中扩散的情况。假定大气湍流场是均匀、稳定的。从原点释放出的一个粒子的位置用y表示，则y随时间而变化，但其平均值为零。如果从原点放出很多粒子，则在x轴上粒子的浓度最高，浓度分布以x轴为对称轴，并符合正态分布。,图4-1由湍流引起的扩散,3.相似理论,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。利用这些理论进行研究时，常采用数值分析法、现场研究法和实验室模拟研究法三种方法。理论和方法的运用不可分割，应该将它们很好地结合在一起，得出与实际大气污染扩散相符合的计算模式。,大气湍流与污染物的扩散,图a表示烟团在比它尺度小的湍涡作用下，一边随风迁移，一边受到湍涡的搅扰，边缘不断与周围空气混合，体积缓慢地膨胀，烟团内部的浓度也不断地降低。图8.3b表示烟团受到大尺度湍涡的作用。这时烟团主要被湍涡所挟带，本身增长不大。图8.3c表示烟团受到大小尺度相当的湍涡扯动变形，这是一种最强的扩散过程。在实际大气中同时存在着各种不同大小的湍涡，扩散过程是上述几种过程共同完成的。,4.研究湍流的主要方法,目前研究湍流的主要方法有两种：一种是半经验理论方法，它是通过解运动方程等来研究边界层大气运动；是模仿气体分子运动与气体宏观运动的理论处理方法，结合经验事实，采用适当的参数。虽然这个理论本身还很粗糙，但能够解决一些实际问题(如物体在流体中运行的阻力)，所以许多应用科学家和工程技术人员对此比较感兴趣另一种是湍流统计理论方法，即物理上把湍流视为大大小小不同尺度湍涡的迭加，用数学来描述则是把湍流看成无穷多个频率各异的波迭加而成，采用数理统计途径，来分析研究湍流内部结构。将流体的不规则运动视为随机运动的集合，以数理统计学的方法来研究湍流内部的结构，许多基础理论科学家就致力于这方面的研究。,5.三种理论的比较,这三个理论分别：考虑不同的物理机制，采用不同参数，利用不同的气象资料，在不同的假定条件下建立起来的。它们具有不同的有缺点，只能在一定范围内使用,湍流的概念（运动流场的各种特性量是时间和空间的随机变量）大气运动的湍流性（雷诺数远大于下临界数）雷诺数（特征尺度、流动速度、分子动力学粘性系数）湍流的基本特征：（1）随机性，（2）非线性，（3）扩散性，（4）涡旋性，（5）耗散性热力湍流和机械湍流（不稳定、风切变）大气湍流与污染物的扩散（快、各种湍涡）研究湍流的主要方法：一种是半经验理论方法，另一是湍流统计理论方法湍流扩散的梯度输送理论（欧拉方法）湍流扩散的统计理论（拉格朗日方法）湍流扩散的相似理论,2高斯扩散模式,一、高斯模式的有关假定1.坐标系坐标系取排放点（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。2.四点假设 a污染物浓度在y、z风向上分布为正态分布b全部高度风速均匀稳定c源强是连续均匀稳定的d扩散中污染物是守恒的（不考虑转化）,高斯扩散模式坐标系,高斯扩散模式的坐标系,二、无界空间连续点源扩散模式,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；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。,1.高斯烟流的形态,2.高斯烟流的浓度分布,高斯烟流中心线上的浓度分布,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：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：,以上模式适用于气态污染物和粒径小于10m的飘尘，对于大10m的颗粒物，由于自身的沉降作用，浓度分布将有所改变。7、倾斜烟云模式在预测上述颗粒时，假设沉积和无沉积有相同的分布形式，但在整个烟云离开源以后，便以重力终端速度下降（ut）,此时，只要将高斯模式中有效源高H用()来置换即可得到倾斜烟云模式。,四、颗粒物扩散模式,粒径小于15m的颗粒物可按气体扩散计算大于15m的颗粒物：倾斜烟流模式,地面反射系数,3污染物浓度的估算,q 源强 计算或实测 平均风速 多年的风速资料 H 有效烟囱高度、扩散参数,一.烟气抬升高度的计算,一.烟气抬升高度的计算,抬升高度计算式 1.Holland公式：适用于中性大气条件（稳定时减小，不稳时增加1020）,Holland公式比较保守，特别在烟囱高、热释放率比较强的情况下,一、烟气抬升高度的计算,抬升高度计算式（续）2.Briggs公式：适用不稳定及中性大气条件,一、烟气抬升高度的计算,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,二、扩散参数的确定,PG曲线法PG曲线Pasquill常规气象资料估算Gifford制成图表,1.扩散参数的确定PG曲线法,PG曲线的应用根据常规资料确定稳定度级别,1.扩散参数的确定PG曲线法,PG曲线的应用利用扩散曲线确定 和,1.扩散参数的确定PG曲线法,PG曲线的应用地面最大浓度估算,2.扩散参数的确定中国国家标准规定的方法,稳定度分类方法改进的PT法,2.扩散参数的确定中国国家标准规定的方法,扩散参数的选取扩散参数的表达式为（取样时间0.5h，按表4-8查算）平原地区和城市远郊区，D、E、F向不稳定方向提半级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丘陵山区的农村或城市，同工业区取样时间大于0.5h，不变，,4 特殊气象条件下的扩散模式,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）封闭型扩散模式相当于两镜面之间无穷次全反射实源和无穷多个虚源贡献之和 n为反射次数，在地面和逆面实源在两个镜子里分别形成n个像,一、封闭型扩散模式,计算简化：,二、熏烟型扩散模式,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,二、熏烟型扩散模式,5 城市及山区扩散模式,一、城市大气扩散模式1.线源扩散模式,一、城市大气扩散模式,2.面源扩散模式大气排放规范里规定条件：烟囱高40m；单个排放量0.04t/h,一、城市大气扩散模式,2.面源扩散模式（续）简化为点源的面源扩散模式（续）形心上风向距x0处有一虚拟点源，其烟流在形心处宽度正好与正方形宽度相等 烟流宽度：中心线到浓度为中心处距离的两倍（正态分布：）确定、之后即可按点源计算面源浓度,一、城市大气扩散模式,2.面源扩散模式（续）窄烟流模式某点的污染物浓度主要取决于上风向面单元的源强，上风向两侧单元对其影响很小某点的污染物浓度主要由它所在的面单元的源强决定,3.常用城市空气质量模式,箱模式单箱模式多箱模式如目前用于我国城市空气污染指数预报的CAPPS模式城市多源模式如EPA推荐的ISC模式（Industrial Source Complex Model）光化学模式如EPA推荐的UAMV（Urban Airshed Model）模式线源模式如CALINE模式，用于计算公路的污染物排放,城市空气质量模式的发展,第一代模式