煙囪設(shè)計(jì)與污染控制

董 鳳

（上海紡織建筑設(shè)計(jì)研究院，上海200060）

煙囪設(shè)計(jì)與污染控制

董 鳳

（上海紡織建筑設(shè)計(jì)研究院，上海200060）

火電機(jī)組煙囪位置的選擇，需考慮排煙對(duì)大氣環(huán)境的影響。煙囪設(shè)計(jì)應(yīng)按我國(guó)環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行，還需考慮風(fēng)速、風(fēng)向及湍流強(qiáng)度等參數(shù)對(duì)煙囪排煙的影響。還要根據(jù)機(jī)組所處位置，避開地形上的不利因素，盡可能地減少?gòu)U氣排放對(duì)大氣環(huán)境的影響。

機(jī)組；煙囪；設(shè)計(jì)；位置；排煙；污染；控制；環(huán)境

0 概 述

在機(jī)組煙囪的布置設(shè)計(jì)中，除了應(yīng)根據(jù)鍋爐的蒸發(fā)量，確定排風(fēng)量及煙道截面外，還需根據(jù)不同地區(qū)的氣象條件和局部地形等實(shí)際情況，確定鍋爐煙囪的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)，還要符合GB13271-2014（鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)）我國(guó)環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1 煙囪的設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)煙囪時(shí)，應(yīng)根據(jù)機(jī)組所處地區(qū)的氣象條件，考慮平均風(fēng)速、風(fēng)向、湍流強(qiáng)度及溫度垂直梯度等參數(shù)的變化情況。氣象參數(shù)對(duì)煙囪排煙的綜合影響，如圖1所示。

圖1 氣象參數(shù)對(duì)煙囪排煙的綜合影響

1.1 風(fēng)對(duì)煙囪排煙的影響

風(fēng)對(duì)煙囪排煙有很大的影響，表現(xiàn)為風(fēng)對(duì)煙塵的輸送和稀釋作用，對(duì)環(huán)境的污染濃度與風(fēng)速成反比。在大范圍內(nèi)，風(fēng)速主要受氣壓場(chǎng)和大氣溫度場(chǎng)的影響。在小范圍內(nèi)，風(fēng)速則受地形及地面粗糙度的影響。地面越粗糙，風(fēng)速越小。平原上的風(fēng)速比山區(qū)的風(fēng)速大，高空的風(fēng)速比地面風(fēng)速大。

（1）風(fēng)速的垂直變化規(guī)律

風(fēng)速的垂直變化規(guī)律，可用公式表示為：

μ10—所在地氣象臺(tái)（站）距地面10 m高度處定時(shí)觀測(cè)的平均風(fēng)速值，m/s；

Δh—該氣象臺(tái)（站）地面海拔高度高于工礦區(qū)地面海拔高度的數(shù)值，m。

（2）風(fēng)速的計(jì)算

計(jì)算風(fēng)速的對(duì)數(shù)公式，適用于平坦開闊地區(qū)，計(jì)算公式為：

式（2）中：μ—離地面Zm高度上的平均風(fēng)速，m/s；

μ1—離地面Z1m高度上的平均風(fēng)速，m/s；

Z0—大氣墊面的粗糙度，m。

對(duì)于不同地面的粗糙度Z0值，如表1所示。

表1 不同地面的粗糙度Z0值

（3）指數(shù)公式計(jì)算法

風(fēng)速還可按指數(shù)公式進(jìn)行計(jì)算，公式為：

式（3）中：μ—離地面Zm高度上的風(fēng)速，m/s；μ1—離地面Z1m高度上的風(fēng)速，m/s；

α—冪指數(shù)，一般情況下α=0.25～0.5。

1.2 湍流對(duì)煙囪排煙的影響

湍流是指空氣在短時(shí)間內(nèi)和小范圍內(nèi)的一種復(fù)雜的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。由于湍流的擴(kuò)散，是在水平和垂直兩個(gè)方向上進(jìn)行的，污染物的濃度與水平和垂直兩個(gè)方向湍流擴(kuò)散率的乘積成反比，湍流越強(qiáng)，擴(kuò)散稀釋的速度就越快，污染物的濃度便隨之降低。

（1）大氣湍流強(qiáng)度的判別

大氣湍流強(qiáng)度的判別方法，通常用理查遜數(shù)（Richar-dson number）進(jìn)行計(jì)算和判斷。計(jì)算公式為：

式（4）中：g—重力加速度，m/s2；

θ—位溫，即任意高度上空氣質(zhì)點(diǎn)絕熱變化到氣壓1000mbar的高度上所具有的溫度；

式（5）中：T—空氣質(zhì)點(diǎn)原來(lái)的溫度，K；

P—空氣質(zhì)點(diǎn)原來(lái)的氣壓，mbar；

當(dāng)Ri＜0.25～0.5時(shí)，湍流易于發(fā)展；

當(dāng)Ri＞0.25～0.5時(shí)，湍流不易發(fā)展。

（2）湍流的方向和速度

湍流的方向和強(qiáng)度大小經(jīng)常發(fā)生變化，呈正態(tài)分布規(guī)律，由湍流引起煙氣中的有害氣體的濃度和粉塵濃度，隨空間和時(shí)間的分布也呈正態(tài)分布規(guī)律。煙塵平均濃度的正態(tài)分布，如圖2所示。

圖2 煙塵平均濃度的正態(tài)分布

1.3 大氣穩(wěn)定對(duì)煙囪排煙的影響

大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，將影響排煙的擴(kuò)散能力。大氣越不穩(wěn)定，越有利于大氣污染物的擴(kuò)散稀釋。相反，大氣越穩(wěn)定，越不利于大氣污染的擴(kuò)散稀釋。當(dāng)形成逆溫時(shí)，大氣非常穩(wěn)定，逆溫層如象一個(gè)蓋子，阻擋大氣污染物的擴(kuò)散稀釋，使污染物停滯積聚在靠近地面的大氣層中，從而加劇了大氣污染的危害程度。

大氣垂直穩(wěn)定度（簡(jiǎn)稱大氣穩(wěn)定度），是大氣的一種熱力性質(zhì)指標(biāo)。大氣中的氣團(tuán)，如果在垂直運(yùn)動(dòng)中受到抑制，則大氣屬穩(wěn)定狀態(tài)。如氣團(tuán)移動(dòng)后，有遠(yuǎn)離原來(lái)位置的趨勢(shì)，屬不穩(wěn)定狀態(tài)。如該氣團(tuán)隨遇而安，則呈中性平衡狀態(tài)。

2 地形對(duì)煙囪排煙的影響

當(dāng)風(fēng)吹向山峰時(shí)，受污染的是山峰背面，而不是迎風(fēng)面。適當(dāng)提高煙囪的高度，即可解決山峰背面受污染的問(wèn)題。山峰對(duì)煙囪排煙擴(kuò)散的影響，如圖3所示。

圖3 山峰對(duì)煙囪排煙擴(kuò)散的影響

在懸崖壁背風(fēng)面建立的機(jī)組煙囪，在排煙時(shí)易產(chǎn)生渦流，此時(shí)，煙囪的排煙，可能被直接帶至地面。因此，需建造高于懸崖的煙囪，但成本太高，所以，不適宜在峭壁的背風(fēng)面建立鍋爐房。懸崖峭壁背風(fēng)面渦流的形成，如圖4所示。

圖4 懸崖峭壁背風(fēng)面渦流的形成

過(guò)山氣流也會(huì)對(duì)煙囪的排煙產(chǎn)生影響，如圖5所示。當(dāng)煙囪位置在A點(diǎn)，相當(dāng)于在懸峭壁的背風(fēng)面，煙囪排煙反旋向下，在原地打轉(zhuǎn)，形成局部地區(qū)的高濃度污染。當(dāng)煙囪位于B點(diǎn)時(shí)，剛好受到背風(fēng)坡下壓的過(guò)山氣流影響，使煙氣向地面聚集。C點(diǎn)在山谷的中部，處于比較平直的過(guò)山氣流中，煙氣可以被輸送到較遠(yuǎn)的地方。D點(diǎn)相當(dāng)于在山峰的迎風(fēng)面，排出的煙氣將污染背風(fēng)面的A、B點(diǎn)。因此，受地形的限制，導(dǎo)致過(guò)山氣流對(duì)煙囪排煙產(chǎn)生多種影響，可能使某些區(qū)域陷入嚴(yán)重污染之中。

圖5 過(guò)山氣流對(duì)煙囪排煙的各種影響

在山谷中，晝夜的空氣環(huán)流形成了山谷風(fēng)。因?yàn)樯狡潞蜕焦鹊氖軣岵痪鶆颍滋斓年?yáng)光使山坡受熱，并將熱量傳遞給空氣，空氣受熱后上升，谷底較冷的空氣隨即進(jìn)行填補(bǔ)，從而形成從山谷刮向山坡的風(fēng)（稱為谷風(fēng)）。由于谷風(fēng)的原因，形成煙氣在該區(qū)域內(nèi)反旋積聚，該地區(qū)將呈現(xiàn)出高濃度污染。在白天，谷風(fēng)對(duì)煙囪排煙的影響，如圖6所示。

圖6 谷風(fēng)對(duì)煙囪排煙的影響（白天）

在夜間，山坡比山谷底部冷卻得快，山坡上的空氣相應(yīng)地變冷而下滑，形成一股沿著山坡向山谷底部吹的風(fēng)（稱為山風(fēng)）。山谷風(fēng)隨水平溫度變化而變化，陰天比晴天的山谷風(fēng)小。山谷風(fēng)的厚度和山谷周圍山的高度相近，且山谷風(fēng)的厚度往往要超過(guò)山風(fēng)的厚度。這種山風(fēng)，導(dǎo)致煙塵在原地打轉(zhuǎn)，污染了山谷。在夜間，山風(fēng)對(duì)煙囪排煙的影響，如圖7所示。

圖7 谷風(fēng)對(duì)煙囪排煙的影響（夜間）

海陸風(fēng)會(huì)引起氣流的局部環(huán)流。有陽(yáng)光照射的白天，陸地比海面的溫度增加快，地面層風(fēng)由海洋吹向陸地（稱為海風(fēng)）。在夜間，陸地溫度冷卻快，出現(xiàn)了相反的風(fēng)向，風(fēng)由陸地吹向海洋（稱為陸風(fēng)），形成近地面的大氣環(huán)流。因此，在沿海或湖濱邊建鍋爐房時(shí)，應(yīng)考慮地理位置等因素的影響。海陸風(fēng)的形成及對(duì)排煙的影響，如圖8所示。

圖8 海陸風(fēng)對(duì)排煙的影響

此外，城市的“熱島”效應(yīng)，也會(huì)影響排煙氣的擴(kuò)散。城市里人口集中，有大量不同形式的熱源，密集的建筑群和大面積的瀝青路面，將太陽(yáng)輻射熱反射至近地層空氣中。城市內(nèi)的風(fēng)速小，不易散熱，使城市中心溫度通常比郊區(qū)高出2～3℃。市區(qū)內(nèi)白天溫度高，空氣密度小而形成上升氣流，郊區(qū)冷空氣將被補(bǔ)充流入市區(qū)；在夜間，熱島效應(yīng)減弱，但氣流的循環(huán)過(guò)程仍在繼續(xù)，只是環(huán)流的規(guī)模縮小，此時(shí)，煙囪排煙擴(kuò)散較困難，易導(dǎo)致污染。控制大氣污染物的標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示。

表2 大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)分析，計(jì)算了風(fēng)速和湍流強(qiáng)度，并考慮了各種地形對(duì)煙囪排煙的影響。對(duì)煙囪位置的選擇，應(yīng)從減少地區(qū)的大氣污染著手。根據(jù)我國(guó)大氣污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)煙囪時(shí)，應(yīng)考慮各方面的影響因素，確保綠色發(fā)展，改善生態(tài)環(huán)境。

[1]鍋爐房實(shí)用設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫組.鍋爐房實(shí)用設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[2]郝吉明，馬廣大，王書肖.大氣污染控制工程[M].北京：高等教育出版社，2010.

[3]GB13271-2014.鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S] .

Chimney Design and Pollution Control

DONG Feng
（Shangtex Architectural Design Research Institute，Shanghai 200060，China）

The chimney position of the fossil fired power unit must consider the influence of the smoke exhaust on the atmospheric environment.Chimney design should be in accordance with the requirements of China′s environmental protection standards，but also need to consider the impact on the chimney smoke by the wind speed，wind direction and turbulence intensity and other parameters.According to the location of the unit，to avoid the unfavorable factors in the terrain，as far as possible to reduce the impact of emissions on the atmospheric environment.

unit；chimney；design；location；exhaust smoke；pollution；control；environment

TK264 69

A

1672-0210（2016）02-0044-04

2016-05-09

董鳳（1965-），女，工程師，畢業(yè)于上海工程技術(shù)大學(xué)，從事熱能動(dòng)力機(jī)械的設(shè)計(jì)工作。