冷却塔烟气抬升高度及污染物浓度变化.pdf

第26卷第1期
气象与环境学报
Vol 26 No
2010年2月
JOURNAL OF METEOROLOGY AND ENVIRONMENT
February 2010
冷却塔烟气抬升高度及污染物浓度变化
刘玉初杨洪斌汪浤宇邹旭东
(中国气象局沈阳大气坏境研究所,辽宁阳110016)
摘要:介绍了冷却塔烟气排放原理及德国VDI3784的S/P模式,结合实例研究了冷却塔烟气排放不同参数、不同大气条
件下烟气抬升高度变化特征,并使用德国VDI3945的 Austal2000模式分析了冷却塔与烟匈的排放浓度对比。结果表明:烟气
拾升高度主要取決于出口温度气环境温度之差;随着风速的増大,拾升高度明显变小;随着直径的増加,烟气拾升高度也増加;
随着出口速度的増加,拾升高度增加的相对较多;随着出口温度的增加,烟气抬升高度在逐淅増加,稳定度决定増加的倍数。
VDI3945模拟结果表明:小时浓度值差别相对较小,而年平均浓度值差别较大,日平均值的差别介于小时与年平均值之间
关键词:冷却塔;烟气抬升高度;S/P模式;污梁物浓度变化
中图分类号:X513文献标识码:A文章编号:1673-503X(2010)01-0040-05
得结果?,山于其含热量较大,冷却塔烟气在排放原
1引言
点中等距离处的拾升高度迅速超过烟烟气抬升高
度,其烟气的轮廓较窄,扩散的距离远。经过十儿
大气是人类赖以生存的最基本的环境要素之牛来对这一技术的试验、研究、改进,德国已出台了
。月前我国火电厂烟气经除尘、湿法脱硫(WF-冷却塔烟气排放的技术标准和评价准则。目前,我
GD)后,主要是经气气換热系统(GGH)加热后(由国华能北京热电厂二期已引进该项技术并成功实
约45℃加热到80℃以上)再通过烟凶排放到大气施,成为国内首家尤烟囪电厂。由于该找术存在巨
中,这对大气造成很大的影响。而GH的设置,不大的技术、环境、经济优势,正逐步受到国内电力行
但导致系统复杂,初始投资费用增大,而日山于GGH业的广泛关注。木文将基于冷却塔气排放技术的
及烟道烟风阻力的増加,加大了脱硫风机的负荷,导原理,并借助冷却塔烟气排放抬升模式对其烟气排
运行赏用増加,并且GGH还是造成FGD斗枚停放特征作全面分析。
机的主要设备2。根据国内外近年来对烟气抬升机
理的最新研究表明:烟气抬升决定于烟气的浮力通
2冷却塔烟气排放技术原理及模式介绍
量、动量通量及环境风速等。饱和的湿?气在拾升2.1技术原理
过程中,会因为压强的降低及饱和比湿的小而出
冷却塔烟气排放技术是将脱硫后的浄烟气送入
现水蒸气凝结,水蒸气凝结会释放凝结澘热,这会使自然通风冷却塔与冷却塔气流一起排入大气的烟气
湿烟气温度升高,浮力増加。当饱和的湿烟气升入排放技术。其基本原理是利用冷却塔巨大的热渌空
饱和大气环境中,这种潜热释放会明显改变抬升高气对脱硫后的浄烟气形成一个环状气幕,对脱硫后
度,抬升高度公成倍的增加。山于湿烟气的凝结浄烟气形成包裏和抬升(图1)?,増加烟气的抬升
效应,有湿烟气引起的地面最大浓度只比80℃的干
烟气地面浓度大15%以内。研究表明,取消GGH
时烟气抬升高度及落地浓度对环境的影响与有GGH
时相差不大?。鉴于近年来流行的WFGD加GGH
的烟排放方式的许多问题不断显现,我国越米越
图1烟气动力垂直方向流场
多的电力企业开始关注更经济、更稳定高效、更环保高度,从而促进烟气中污染物的扩散。冷却塔排烟
的冷却塔烟气排放技术(我国称为“烟塔合一技与烟囱排烟的根本区別在于:烟气或烟气混合物的
术”)。冷却塔烟气排放技术最早应用于德国1982浮力通量不同、动量通量不同、初始浓度不同。这
牛8月投运的福克林根( Volklingen)试验电厂。德项是除外部因索(气象条件等)外影响烟气抬升和扩
国科学家于1984-1985年在 Volklingen实验电厂测散效果的决定性内部因素。用代表排放口动力和热
收稿日期:2009-11-13;修订日期:2010-01-15
基金项目:中国气象局沈阳大气环境研究所公益项目“气候変化背景下大气边界层探测及大气环境数偵模拟研究”资助
作者简介:刘玉彻,女,1979年生,助理研究员,主要从事大气环境研究作,E-mail:lwlye79ctom.com。
第1期
刘下彻等:冷却塔烟气抬高度及污染物浓度变化
力关系的运动学相似数 Froude数来比较,冷却塔排
动量方程:
放比烟排放有一个数量级的提高。冷却塔排放的
Froude数值一般为0.35-0.6,而烟排的 Froude
u, (u u,) rdr
grdrsin0 (2)
ds Jo
0
数值一般小于0.1,反映出冷却塔排放初始抬升能力
方程:
是烟肉的数倍。原因是按热效率分排,冷却塔的混
合烟气帯走的热量占全厂的50%左白:烟肉烟气帯曲=( sarco2"sim- -Cobu. sin o
走的热量只占5%左右,差別非常大。尽管传统烟妇ds
一般比双曲线冷却塔要高,烟排放的烟气温度也
比冷却塔排出混合气体的温度高,但由于烟气与冷
0方程为rー和∞-方向运动方程结合的结果,描
却塔中的水汽混合后,大量的水汽能将烟气分散、沖述了烟气轨迹与水平面之间的角度变化。
淡。这种大量的混合气流有着巨大的热释放能力和
包含水汽q和液态水o的总体水量=+o的
抬升力,能使其渗入到大气的逆温层中;另一方面、平衡方程:
混合气流还具有较强的惯性,使其对风的敏感度比
d/。s。(L、+a)rdr=ー
(u +u)rd
烟囱排出的烟气对风的感度要低,后者极易被风
吹散。这就是通过冷却塔排放?气与通过高度较高
和热量平衡方程
的烟囱排放烟气其烟气的最終抬升高度与扩散效果
相当的主要原因。
u ) rd
as J0
2.2冷却塔烟气排放抬升模式
dt
日前我国对冷却塔排出烟气拎升高度的计算模
sin(。+a)rdr
式没有标准规定,所以选用徳国空气清沾标准VID
3784标准(德国工业协会,1990)8所规定的冷却塔
(5)
排放烟气抬升高度的计算模式,即S/P模式。S/P
式(5)中,s、r和为山线坐标(m,m,角度);xy和
模式为三维流体动力学积分模式,其方程主要描述
为正交坐标(m,m,m);a、u。和a分别为环境风
了尢穷小体积元素的质早、动量、静态污染物质量淞速;s方向风速分量,烟气相对周围风速的余值(m
度及能量的守恒。选用曲线坐标,其S轴与烟气勃Ss);7。、7分別为环境温度和烟气相对周围温度的
线一致,长度和角度垂直于S轴。假定时间平均的
余值(K);p1pa分判为周围空气密度和烟气相对周
流场不变,气压分为静力和不规则气压扰动,通过设『围密度的余值(kg/m);9a%分別为环境水汽量和
湍流、夹卷、轴对称、廓线分布相似、环境气流水平相烟气相对周围水汽量的余值(g/kg):。为烟气相対
性等假设后(图3)D,求解上述质量、动量、水汽周画大て水汽总量的余值():K为烟气半径
积分形式的守恒方程,得出烟塔合一排放的烟气抬
m);b为?气宽度(m);E为周围空气的混合率
升高度。
E=-va(R)R;c为气压函数的拖曳系数;L为蒸发
质量方程: