燃煤发电厂烟塔合一环境影响之一_烟气抬升高度的对比计算_崔克强

第18卷 第1期

环 境 科 学 研 究Research of Environmental Sciences

Vol. 18, No. 1, 2005

燃煤发电厂烟塔合一环境影响之一

烟气抬升高度的对比计算

崔克强, 李 浩

(中国环境科学研究院, 北京 100012)

摘要:介绍了德国导则规范的计算冷却塔排放烟气抬升高度的S P 模式。利用S P 模式做不同大气稳定度条件下不同环境风速的烟气抬升对比计算; 确定了同等条件下不同烟气排放速度对烟气抬升高度的影响。作为对比, 计算了同样烟气排放量情况下通过烟囱排放烟气的抬升高度。计算结果表明, 在弱风状况下从冷却塔排放的烟气由于热力作用其抬升高度比从烟囱排放显著提高。个例计算结果表明, 在极不稳定状况下, 当风速大于4 5m s 时, 冷却塔排放烟气抬升高度低于烟囱排放烟气。关键词:烟塔合一; 烟气抬升高度; S P 模式

中图分类号:X169 文献标识码:A 文章编号:1001-6929(2005) 01-0027-04

传统的大气扩散分析认为, 烟囱高度和烟气温度越高, 对污染物扩散越有利。目前由于湿法脱硫技术较成熟, 而被广泛采用。脱硫后烟气含水量大幅度增加、温度大幅度降低, 其抬升能力已经大大下降, 而且今后新建电厂烟气基本都为脱硫后排放, 如何分析脱硫后烟气抬升是一个现阶段较敏感问题。为增加脱硫后烟气抬升和获得更好的扩散效果, 近十几年来德国较广泛地采用了烟塔合一的排放技术, 其技术原理是利用冷却塔巨大的热空气抬升脱硫后的烟气。烟塔合一排放技术在实际应用中已体现出明显的优势。

根据德国空气清洁法, 德国规范了冷却塔烟气抬升高度的计算标准

[1]

选择。

1 1 S P 模式简介

S P 模式为三维流体动力学积分模式。其模式方程选用曲线坐标形式, 其中s 轴与烟气轴线一致。原始方程经过一些简化和近似后, 得到质量、动量、能量、水汽积分形式的守恒方程。

质量方程:

d s

动量方程:

d s

u r d r =

d

R

E (1)

d

gr d r sin (2) 0

, 该标准认定S P 模式为计算冷

0R 0

R

u d (u g +u d ) r d r =-

R

却塔烟气抬升高度的标准模式。笔者介绍了S P 模

[2-3]式的基础理论, 并利用该模式做不同大气稳定度条件下烟气抬升高度的对比计算。

方程:=d s

-

d 22

gr d r cos -u E sin -D bu sin

022

1 烟塔合一冷却塔排放烟气抬升高度计算

通过冷却塔排放烟气与烟囱排放出的烟气相比有明显特点, 其烟气本身具有显著的热含量。对冷却塔

排放和烟囱排放而言, 代表排放口动力和热力关系的运动学相似数Froude 数有一个量级上的区别。冷却塔排放的烟气由于热力引起的动力抬升作用大约是烟囱排放的10倍, 由此形成在弱风情况下冷却塔排放的烟气有明显的抬升。污染物地面浓度与烟气抬升后有效源高的平方成反比, 因此在弱风条件下冷却塔排放相比烟囱排放而言对低空侵害小得多。在大风状况时, 情况相反, 冷却塔排放烟气抬升高度低于烟囱排放烟气。但在大风状况下, 总的背景适宜于污染物扩散, 因而总体来说烟气通过冷却塔排放是一种很好的

u (u +u ) r d r

d

g

d

(3)

方程为r 和 方向运动方程结合的结果, 描述了烟气轨迹与水平面之间的角度变化。

包含水汽q 和液态水 的总体水量 =q + 的平衡方程:

d d s

R

d d

d (u g +u d ) r d r =-d s d s

(u +

g

R

u d ) r d r (4)

热量平衡方程:

R

T d +

L c p d (u g +u d ) r d r =

sin (u g +u d ) r d r (5)

-

d T g L d q

++d z c p c p d z

R

其中, s , r , 为曲线坐标, m, m, ( ) ; x , y , z 为正交坐

收稿日期:2004-09-09

, , .

标, m, m, m; u , u g , u d 分别为环境风速、s 方向风速分, s; T , T d

28环 境 科 学 研 究第18卷

境温度和烟气相对周围温度的余值, K; 0, d 分别为周围空气密度和烟气相对周围密度的余值, kg m ; q , q d 分别为环境水汽量和烟气相对周围水汽量的余值, g kg; d 为烟气相对周围大气水汽总量的余值, g kg; 为烟气轨迹与水平面之间的角度, ( ) ; R 为烟气半径, m; b 为烟气宽度, m; E 为周围空气的混合率, E =- d (R ) R ; c D 为气压函数的拖曳系数; c p 为比热; L 为蒸发比热。

冷却塔烟气排放相对于烟囱排放具有显著的热含量, u d , T d , d 和 d 等物理量描述了冷却塔排放烟气的特征。在假定这些量具有相似分布特征条件下, 将式(1) ~(5) 中的R 从0积分到 , 得到描述风速、温度、总体水量截面最大值量和变量 , b 的微分方程式。在关系式d z =d s sin 和d x =d s c os 的帮助下, 这些变量从s 坐标转为x , z 坐标函数。

1 2 不同大气稳定度条件下不同环境风速的烟气抬

升高度对比计算

冷却塔排放烟气抬升高度与冷却塔本身的物理结构(冷却塔高度, 出口处直径) , 冷却塔出口处烟气流量和湿空气混合物的温度, 排放速度等, 以及周围大气的风速、风向、稳定度、温度等有关。下面利用S P 模式做不同大气稳定度条件下不同环境风速的烟气抬升高度对比计算。

华能北京热电厂采用烟气通过冷却塔排放在国内尚为首创。用S P 模式, 在给定其他输入值, 如冷却塔出口直径45 7m, 冷却塔高度104 5m, 烟气排放速度3 2m s, 烟气温度36 , 烟气含液态水量0 003等前提下, 计算不同稳定度条件下不同环境风速冷却塔烟气的抬升高度。图1显示了在极不稳定(稳定度的分类和确定采用我国1993年发布的环境影响评价技术

[4]

3

导则中的方法) 大气状况下不同环境风速时冷却塔烟气的抬升高度。由图1可见, 风速越小, 烟气抬升越高。在静风时烟气可迅速抬升至1100m 。当风速小于3m s 时, 烟气可以抬升至800m 以上; 当风速大于3m s 时, 烟气仅可抬升至300m 。

在不稳定状态下, 当风速大于0 8m s 时, 烟气抬升小于600m; 当风速大于2m s 时, 烟气仅可抬升至200m 。在中性大气状态下, 烟气最大抬升到800m 左右; 当风速大于2 2m s 时, 烟气抬升高度在200m 以下; 当风速大于6m s 时, 烟气抬升高度在100m 以下。在稳定和极稳定大气状况下, 烟气最大只能抬升210和130m 。图2给出了同样风速(2m s) 不同稳定度状况时烟气抬升情况。由图2可见, 大气状态越不稳定, 烟气抬升越高。

图2 风速2m s 时, 不同稳定度烟气抬升情况Fi g. 2 The rise of the emi tted plume in different

air stability in 2m s wind speed

1 3 烟气排放速度对烟气抬升高度的影响

在给定其他输入值, 如冷却塔出口直径45 7m, 冷却塔高度104 5m, 环境风速1 6m s, 烟气温度36 , 烟气含液态水量0 003等前提下计算不同烟气排放速度冷却塔烟气的抬升高度。图3为不稳定大气状况下不同烟气排放速度冷却塔烟气的抬升高度情况。

烟气排放速度 (m s -1) :1 2 5; 2 3 5;

风速 (m s -1) :1 0 1; 2 0 3; 3 0 5; 4 0 7; 5 0 8; 6 1 2; 7 1 5; 8 2 1; 9 2 9; 10 3 3; 11 3 8; 12 4 4

3 4 5; 4 6 0; 5 7 0; 6 8 0; 7 9 0

图3 不稳定大气状况下不同烟气排放

速度下的抬升高度

Fig. 3 For unstable air condi tion the rise of the

emitted plume in different ex i t velocity

图1 极不稳定状况下不同风速烟气抬升高度Fig. 1 For extremely u nstable air condition the rise of the

in wind

在不稳定大气状况下, 当烟气排放速度从3m s 增大到9m s 时, 烟气最大抬升高度由360m 变为800m 。在中性大气状况下, 当烟气排放速度从3m s 增大到9m s 时, 烟气最大抬升高度由320m 变为580m 。在稳定大气状况下, 当烟气排放速度从3m s 增大到9m s 时, 烟气最大抬升高度由140m 变为220m 。1 4 模式计算的可靠性

M. Schatzmann 汇集了27次实验室和60次观测数据, 用于校正和验证S P 模式。每个模式计算结果用最少2个实时观测数据作对比, 包括其抬升轨迹、局地稀释和宽度, 实验室数据与计算结果比较一致。按Argonner 标准, 计算结果和实际观测数据相比, 模式计算的抬升高度相对准确度可达75%, 而烟气宽度可达80%。

升高度, m 。

b. 中性条件下:

h =2 84Q

0 333

x

0 667

u

-1

h max =102Q

0 6000

u

-1

h +H 800

c. 稳定或极稳定条件下:

h =3 34Q

0 333

x

0 667

u

-1

h max =74 4Q h max =85 2Q

其中源高处环境风速:

0 3330 333

u u

-0 333-0 333

(极稳定) (稳定)

m

u (H ) =u a H z a

式中, u a , z a 为地面常规风速和观测高度; m 为随稳定度变化的指数, 其中:极不稳定m =0 09, 不稳定m =0 20, 中性 m =0 22, 中性 m =0 28, 稳定m =0 37, 极稳定m =0 42。

2 2 从冷却塔排放和从烟囱排放烟气抬升高度对比

利用S P 模式和2 1节抬升公式做不同大气稳定度条件下不同风速的烟气抬升对比计算。

2. 2. 1 大气不稳定状况下

在大气不稳定状况下, 不同风速的抬升高度计算结果见图4。当风速为1 5m s 时通过冷却塔排放烟气可抬升到1100m, 而通过烟囱排放则只能达到600m 。当风速为3和4 5m s 时, 通过冷却塔排放烟气可抬升到550和400m, 而通过烟囱排放则只能达到

300和200m 。

2 从冷却塔排放和从烟囱排放烟气抬升高度

对比计算

2 1 德国导则规范的烟囱排放烟气抬升高度计算公式为了对比的一致性, 使用德国验证和规范后的烟

[5]

囱排放烟气抬升高度的计算公式。

a. 不稳定条件下:

h =3 34Q

0 333

x

0 667

u

-1

h max =146Q

0 6000

u

-1

h +H 1100

式中, Q 为排放热量, MW; x 为距离排放源的水平距离, m; u 为源高风速, m s; H 为源高, m; h 为烟气抬

图4 不稳定大气状况下不同风速的抬升高度对比

Fi g. 4 The parallel plume rise in unstable air

2. 2. 2 中性大气状况下

在中性大气状况下, 不同风速的抬升高度计算结果见图5。不同风速下通过冷却塔排放烟气可抬升到200~380m, 而通过烟囱排放则只能达到70~200m 。2. 2. 3 稳定大气状况下

在稳定大气状况下, 不同风速的抬升高度计算结果见图6。通过冷却塔排放比通过烟囱排放烟气多抬升30m 左右。

采用德国经验公式的计算结果表明, 在弱风情况下冷却塔排放的烟气有明显的抬升。在大风状况时, 情况相反, 冷却塔排放烟气抬升高度低于烟囱排放烟气。至于在多大风速时冷却塔排放烟气抬升高度低于烟囱, 取决于许多因素。在计算的个例中, 冷却塔出口直径45 7m, 高度104 5m, 烟气排放速度3 2m s, 烟气温度36 , 烟气含液态水量0 003等条件不变, 在极不稳定状况下, 当风速大于4 5m s 时, 冷却塔排

图5 中性大气状况下不同风速的抬升高度对比

Fig. 5 The parallel plu me rise in neutral

air

图6 稳定大气状况下不同风速的抬升高度对比

Fig. 6 T he parallel plu me rise in stable air

放烟气抬升高度低于烟囱。定大气状况下, 当烟气排放速度从3m s 增大到9m s 时, 烟气最大抬升高度由140m 变为220m 。

在不稳定大气状况下通过冷却塔排放烟气抬升高度与通过烟囱排放相比高200~500m; 在中性和稳定大气状态下, 通过冷却塔排放比通过烟囱排放烟气抬升高150和30m 左右。

3 结论

在国内燃煤电厂烟气通过冷却塔排放仍属于新课题, 但在德国已经应用了20多年。介绍了依据德国空气清洁法制定的VDI 3784标准中认定的S P 模式。利用S P 模式做冷却塔排放的烟气在不同大气稳定度条件下不同环境风速的烟气抬升高度对比, 结果显示:大气状况越不稳定, 风速越小, 烟气抬升越高。在不稳定和极不稳定大气状况下, 在静风时烟气可迅速抬升至1100m 。在极不稳定状态下, 当风速小于3m s 时, 烟气可以抬升至800m 以上; 当风速大于3m s 时, 烟气仅可抬升至300m 。在不稳定、中性和稳定大气状况下, 不同烟气排放速度对冷却塔烟气的抬升高度影响显著:在不稳定大气状况下, 当烟气排放速度从3m s 增大到9m s 时, 烟气最大抬升高度由360m 变为800m; 在中性大气状况下, 当烟气排放速度从3m s 增大到9m s 时, 烟气最大抬升高度由320m 变为580m; 在稳

参考文献:

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Entwicklung

und

anwendung

eines

k hlturm -schwadenmodells[M]. Berlin:E Schmi dt Verlag, 1984.

[4] Manier G. Vergleich z wischen ausbrei tungs klassen und tempetar -urgradienten[J]. Meteorologische Rundschau, 1975, 28:6-11.

[5] VDI 3782Blatt 3, Ausbrei tung von l uftverunreini gungen in der

atmos ph re:berechnung der abgasfahnen berh hung[S].

Study on Biodegradability of Alkyl Phen ols by Tol ypothrix and QSBR

ZHAO Li , LI U Zheng -tao , FE NG Liu , SHEN Ping -ping , KONG Zh-i ming

1, 2

3

1

4

5

(1. College of Chemical Eng i neering, Beijing Uni versity of Chemical T echnology, Beijing 100029, China; 2. Departmen t of Resource &Environmental Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454100, China; 3. Chinese Research Academy of Environmental

Sciences, Beijing 100012, China; 4. Departmet of Biochemi stry, Nanjin g Universi ty, Najing 210093, China;

5. Department of Environmental Science, Nanjing University, Nanjing 210093, China)

Abstract :The biodegradation kinetic constants K of eight kinds of alkyl phenols by T olypothrix were obtained by simulating the degradation process wi th the second -order kinetic equation. Many physicochemical parameters of eight alkyl phenols were calculated using PM3method contained in the sem-i empi rical molecular orbital package (MOPAC) and referring to other li teratures. With regression analysis by the compu ter soft ware SPSS, the q uantitative structure -biodegradability relationship (QSBR) study was made for biodegradation data lg K . The results indicate that lg K OW , M w , 1X ,

2

X , H f and can well correlate with the rate of alkyl phenols biodegradation, in which 2X has the best simulating effect. On this basis, preli m-i

nary analysis of alkyl phenols biodegradation mechanism holds that steric parameters were dominan t factors governing the biodegradability of alkyl phe -nols; but the effect of H f and electronic parameter on the final biodegradation products should not be ignored. Key words :alkyl phenols; biodegradation; QSBR

The Environmental Effect of Natu ral Draft Coo ling Towers with Flu e

Gas In jection in a Burn ing Coal Plant Part :

the Paralle l Calcu lation of Plume Rise

C UI Ke -qiang, LI Hao

(Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, Chi na)

Abstract :The S P model, an integral model for calculating cooling tower plume rise developed in German guidelines, is introduced. The rise of a cooling tower plume is compu ted for differen t air stabili ties and di fferent wind velocities with the corresponding control data. The parallel plume rise of gas from a chimney or a cooling tower is calculated. The results show that, i n the soft wind condition the rise from a cooling tower is remarkably higher than the rise from a chimney because of its heat release. An example result shows that, under extremely unstable air condition wi th wind ve -locity greater than 4 5m s, the rise from a cooling tower is lower than that from a chimney. Key words :natural draft cooling towers (NDCT) wi th flue gas injection; plume rise; S P model

The Environmental Effect of Natu ral Draft Coo ling Towers with Flu e

Gas In jection in a Burn ing Coal Plant Part :the Evaluation of En vironment Effect for the Case at

Huaneng Be ijin g Thermoelectric Plant

C UI Ke -qiang, C HAI Fa -he

(Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, Chi na)

Abstract :An atmospheric dispersion model after VDI guidelines in Germany is introduced. This model is a Lagran g ian particle model after TA Luf 2002of Germany. The addi tional pollutant ground mass concentration from natural draft cooling towers (NDC T) with flue gas injection of 120m hi gh in Huaneng Beijing Thermoelectr ic Plant is calculated and, as a parallel calculation, the additional pollutant ground mass concentration from a 240m high chi mney is calculated. The results show that the yearly average pollutant ground mass concentration from a 120m high cooling tower is lower than that from a 240m high chimney.

Key words :natural draft cooli ng towers (NDC T) with flue gas injection; pollutant dispersion model; additional pollu tan t ground mass concentrati on