冷却塔烟气抬升高度及污染物浓度变化

书书书第２６卷第１期２０１０年２月气象与环境学报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＭＥＴＥＯＲＯＬＯＧＹＡＮＤＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＶｏｌ．２６Ｎｏ．１Ｆｅｂｒｕａｒｙ２０１０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“气候变化背景下大气边界层探测及大气环境数值模拟研究”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工作，Ｅｍａｉｌ：ｌｗｌｙｃ７９＠ｔｏｍｃｏｍ。冷却塔烟气抬升高度及污染物浓度变化刘玉彻　杨洪斌　汪宏宇　邹旭东（中国气象局沈阳大气环境研究所，辽宁沈阳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囱的排放浓度对比。结果表明：烟气抬升高度主要取决于出口温度气环境温度之差；随着风速的增大，抬升高度明显变小；随着直径的增加，烟气抬升高度也增加；随着出口速度的增加，抬升高度增加的相对较多；随着出口温度的增加，烟气抬升高度在逐渐增加，稳定度决定增加的倍数。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；污染物浓度变化　　中图分类号：Ｘ５１３　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１６７３－５０３Ｘ（２０１０）０１－００４０－０５　　１　引言大气是人类赖以生存的最基本的环境要素之一［１］。目前我国火电厂烟气经除尘、湿法脱硫（ＷＦＧＤ）后，主要是经气气换热系统（ＧＧＨ）加热后（由约４５℃加热到８０℃以上）再通过烟囱排放到大气中，这对大气造成很大的影响。而ＧＧＨ的设置，不但导致系统复杂，初始投资费用增大，而且由于ＧＧＨ及烟道烟风阻力的增加，加大了脱硫风机的负荷，导致运行费用增加，并且ＧＧＨ还是造成ＦＧＤ事故停机的主要设备［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量、动量通量及环境风速等。饱和的湿烟气在抬升过程中，会因为压强的降低及饱和比湿的减小而出现水蒸气凝结，水蒸气凝结会释放凝结潜热，这会使湿烟气温度升高，浮力增加。当饱和的湿烟气升入饱和大气环境中，这种潜热释放会明显改变抬升高度，抬升高度会成倍的增加［３］。由于湿烟气的凝结效应，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［４］。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［５］。鉴于近年来流行的ＷＦＧＤ加ＧＧＨ的烟囱排放方式的许多问题不断显现，我国越来越多的电力企业开始关注更经济、更稳定高效、更环保的冷却塔烟气排放技术（我国称为“烟塔合一技术”）。冷却塔烟气排放技术最早应用于德国１９８２年８月投运的福克林根（Ｖｏｌｋｌｉｎｇｅｎ）试验电厂。德国科学家于１９８４—１９８５年在Ｖｏｌｋｌｉｎｇｅｎ实验电厂测得结果［６］，由于其含热量较大，冷却塔烟气在排放原点中等距离处的抬升高度迅速超过烟囱烟气抬升高度，其烟气的轮廓较窄，扩散的距离更远。经过十几年来对这一技术的试验、研究、改进，德国已出台了冷却塔烟气排放的技术标准和评价准则。目前，我国华能北京热电厂二期已引进该项技术并成功实施，成为国内首家无烟囱电厂。由于该技术存在巨大的技术、环境、经济优势，正逐步受到国内电力行业的广泛关注。本文将基于冷却塔烟气排放技术的原理，并借助冷却塔烟气排放抬升模式对其烟气排放特征作全面分析。２　冷却塔烟气排放技术原理及模式介绍２１　技术原理冷却塔烟气排放技术是将脱硫后的净烟气送入自然通风冷却塔与冷却塔气流一起排入大气的烟气排放技术。其基本原理是利用冷却塔巨大的热湿空气对脱硫后的净烟气形成一个环状气幕，对脱硫后净烟气形成包裹和抬升（图１）［７］，增加烟气的抬升图１　烟气动力垂直方向流场高度，从而促进烟气中污染物的扩散。冷却塔排烟与烟囱排烟的根本区别在于：烟气或烟气混合物的浮力通量不同、动量通量不同、初始浓度不同。这三项是除外部因素（气象条件等）外影响烟气抬升和扩散效果的决定性内部因素。用代表排放口动力和热　第１期刘玉彻等：冷却塔烟气抬升高度及污染物浓度变化４１　　　力关系的运动学相似数Ｆｒｏｕｄｅ数来比较，冷却塔排放比烟囱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，而烟囱排的Ｆｒｏｕｄｅ数值一般小于０１，反映出冷却塔排放初始抬升能力是烟囱的数倍。原因是按热效率分摊，冷却塔的混合烟气带走的热量占全厂的５０％左右；烟囱烟气带走的热量只占５％左右，差别非常大。尽管传统烟囱一般比双曲线冷却塔要高，烟囱排放的烟气温度也比冷却塔排出混合气体的温度高，但由于烟气与冷却塔中的水汽混合后，大量的水汽能将烟气分散、冲淡。这种大量的混合气流有着巨大的热释放能力和抬升力，能使其渗入到大气的逆温层中；另一方面，混合气流还具有较强的惯性，使其对风的敏感度比烟囱排出的烟气对风的敏感度要低，后者极易被风吹散。这就是通过冷却塔排放烟气与通过高度较高的烟囱排放烟气其烟气的最终抬升高度与扩散效果相当的主要原因。２２　冷却塔烟气排放抬升模式目前我国对冷却塔排出烟气抬升高度的计算模式没有标准规定，所以选用德国空气清洁标准ＶＩＤ３７８４标准（德国工业协会，１９９０）［８］所规定的冷却塔排放烟气抬升高度的计算模式，即Ｓ／Ｐ模式。Ｓ／Ｐ模式为三维流体动力学积分模式，其方程主要描述了无穷小体积元素的质量、动量、静态污染物质量浓度及能量的守恒。选用曲线坐标，其Ｓ轴与烟气轴线一致，长度和角度垂直于Ｓ轴。假定时间平均的流场不变，气压分为静力和不规则气压扰动，通过设湍流、夹卷、轴对称、廓线分布相似、环境气流水平相似性等假设后（图３）［９］，求解上述质量、动量、水汽积分形式的守恒方程，得出烟塔合一排放的烟气抬升高度。质量方程：ｄｄｓ∫Ｒ０ｕｄｒｄｒ＝Ｅ（１）　　动量方程：ｄｄｓ∫Ｒ０ｕｄ（ｕｇ＋ｕｄ）ｒｄｒ＝－∫Ｒ０ρｄρ０ｇｒｄｒｓｉｎθ（２）θ方程：ｄθｄｓ＝－∫Ｒ０ρｄρ０ｇｒｄｒｃｏｎθ－１２ｕ∞Ｅｓｉｎθ－槡２２πｃＤｂｕ２∞ｓｉｎ２θ∫Ｒ０ｕｄ（ｕｇ＋ｕｄ）ｒｄｒ（３）θ方程为ｒ－和φ－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σ的总体水量ζ＝ｑ＋σ的平衡方程：ｄｄｓ∫Ｒ０ξｄ（ｕｇ＋ｕｄ）ｒｄｒ＝－ｄξｄｄｓ∫Ｒ０（ｕｇ＋ｕｄ）ｒｄｒ（４）和热量平衡方程：ｄｄｓ∫Ｒ０Ｔｄ＋Ｌｃｐｑ()ｄ（ｕｇ＋ｕｄ）ｒｄｒ＝－ｄＴ∞ｄｚ＋ｇｃｐ＋Ｌｃｐｄｑ∞ｄ()ｚｓｉｎθ∫Ｒ０（ｕｇ＋ｕｄ）ｒｄｒ（５）式（５）中，ｓ、ｒ和φ为曲线坐标（ｍ，ｍ，角度）；ｘ、ｙ和ｚ为正交坐标（ｍ，ｍ，ｍ）；ｕ∞、ｕｇ和ｕｄ分别为环境风速；ｓ方向风速分量，烟气相对周围风速的余值（ｍ／ｓ）；Ｔ∞、Ｔｄ分别为环境温度和烟气相对周围温度的余值（Ｋ）；ρ０、ρｄ分别为周围空气密度和烟气相对周围密度的余值（ｋｇ／ｍ３）；ｑ∞、ｑｄ分别为环境水汽量和烟气相对周围水汽量的余值（ｇ／ｋｇ）；ξｄ为烟气相对周围大气水汽总量的余值（ｇ／ｋｇ）；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＝－ｖｄ（Ｒ）Ｒ；ｃＤ为气压函数的拖曳系数；Ｌ为蒸发比热。Ｓ／Ｐ模式的两个固定参数：地面２ｍ处的年平均温度和年平均相对湿度要以当地情况而定，见图２。图２　Ｓ／Ｐ模式的符号定义和类似假设说明４２　　　气象与环境学报第２６卷　３　模式计算结果分析表１给出了使用Ｓ／Ｐ模式计算时所用的冷却塔表１　烟气抬升高度计算时所用的各种参数取值直径／ｍ高度／ｍ出口速度／（ｍ·ｓ－１）出口温度／℃相对湿度／（％）液态水含量／（μｇ／Ｌ）４０１３０４５４３６１０００００３及烟气参数取值，气象条件（主要是风速、环境温度、环境湿度和大气稳定度）作为变量。参数发生变化时，烟气抬升高度也会发生变化，特别是当烟气出口温度大于环境温度，而且二者之差增大时，烟气抬升高度也会明显增大。需要指出的是：模型原理和计算模拟的结果表明，烟气抬升高度主要取决于出口温度和环境温度之差，只要二者之差变化不大，烟气抬升高度就不会发生大的变化，相应的地面浓度也不会发生较大的变化。　　表２给出了不同条件下烟气抬升的最大高度。表２　不同环境风速条件下烟气抬升的最大高度ｍ环境风速／（ｍ·ｓ－１）ＦＥＤＣＢＡ０１３３０４４３７６８００５８０１２１１０１２１１０２１０３２４３５３２１０７０７６７９６０１１０２２１１００３０５１９４０２５４２５１０７５７１４７１６４１１０１５０７１６３９２１２９４０９４４６０９５５９４１１０２２０８１５３１１９８１３７３９４２２０５０８５１１０３４１２１２６７１６０９２８６３３２１８３８０８１０３５５１５１１５７１４５７２５２２２８００３２９５９２４６２１９９８１２５８２１４８２３４５２７５５７１７８２９８２４１０５７１８２５２０１８２３４６４３５５３３７４９９７０１６８１１８８５２１７８３５１６３８６６３８７２１５１６１７３０１９８５２９６８４４５６７７６４１３３６１５５８１７７８２６０９６０３５６５１９９５７１１７３１３３８１９８０８０２０１３００６３７８２５９５５１４７０可见，随着风速的增大，抬升高度明显变小，当稳定度为Ｆ风速为０１ｍ／ｓ到８０ｍ／ｓ时，烟气抬升最大高度为从３３０４ｍ降低到２０１ｍ，可见降低幅度非常大。在其他稳定度也发生这样的情况。特别是在Ｄ类稳定度，当环境风速从０１ｍ／ｓ增加到８０ｍ／ｓ时，抬升高度将从８００ｍ变为６３７ｍ。另外，随着大气稳定性的增加，抬升高度也明显变小，当风速为０１ｍ／ｓ时稳定度类别从Ａ类变到Ｆ类时，抬升高度将从１１０２１ｍ变为３３０４ｍ。特别是在环境风速为１２ｍ／ｓ时，当稳定度类别从Ａ类变到Ｆ类时，抬升高度将从１０３５５ｍ变为１２６７ｍ，几乎减少８倍。可见，稳定度类别从Ａ变化到Ｆ，风速不变，抬升高度逐渐减少。　　为了测试Ｓ／Ｐ模式中各参数变化对烟气抬升高度的影响，选用几个关键参数进行敏感性试验。表３表３　环境风速为１５ｍ／ｓ不同直径条件下烟气抬升的最大高度ｍ出口直径／ｍＦＥＤＣＢＡ３０９４３１１８１２０２５２２３４２６３９６０６１４０１１５７１４５７２５２２２８００３２９５９２４６５０１３３６１６９１２９７３３３１３３９０４１１００３６０１４９０１８９２３３８４３７８１４４７１１１００４７０１６２２２０６６３７５９４２０７５０００１１０１６８０１７３７２２１９４０９９４５９３５４９８１１０１９９０１８３９２３５４４４０９４９４７５９７１１１０８０９０ｍ比３０ｍ２０２０２２２２２３１８给出了环境风速为１５ｍ／ｓ条件下，其他参数不变，只是当冷却塔直径发生变化时，烟气抬升了高度的变化。由表３可见，随着出口直径的增加，烟气抬升高度在逐渐增加。在各类稳定度条件下，当出口直径从３０ｍ变到９０ｍ时，烟气抬升高度增加了０８—１３倍，这是在烟气出口速度等不变的前提下得出的结果。其他参数不变，表明直径的增加，则表示出口烟气量的增加，也就意味着烟气的热含量增加，所以烟气抬升高度相应的增高了。同样随着稳定度类别从Ａ到Ｆ，环境风速不变，出口直径不变烟气抬升高度逐渐降低。　　表４给出了环境风速为１５ｍ／ｓ条件下，其他表４　环境风速为１５ｍ／ｓ不同出口速度时烟气抬升的最大高度ｍ出口速度／（ｍ·ｓ－１）ＦＥＤＣＢＡ２５７２５８４６１２６８１３８９１５９２７９７２３０８６６１０３５１６３１１７８７２０７１８２７９４０１０７５１３３