燃煤電廠煙塔合一排煙方式環境影響分析

張曉旭　李志強　劉　盛　劉　玲　吳　岳

（1天津市環境保護科學研究院天津3001912天津市聯合環保工程設計有限公司天津300191 3天津市大氣污染防治重點實驗室天津300191）

燃煤電廠煙塔合一排煙方式環境影響分析

張曉旭1,2,3李志強1,2,3劉盛1,2,3劉玲1,2,3吳岳1,2,3

（1天津市環境保護科學研究院天津3001912天津市聯合環保工程設計有限公司天津300191 3天津市大氣污染防治重點實驗室天津300191）

以某電廠為例，采用AUSTALL2000大氣預測模式分別預測煙塔合一排煙方式和煙囪排煙方式的大氣環境影響。從環境影響方面對比，煙塔模式明顯優于煙囪模式。但煙塔合一排放方式在特殊氣象條件下，在近距離會產生較高濃度區，因此，需要對煙塔合一排放方式的近距離大氣環境進行數值模擬預測，采取劃定環境保護距離的措施。總體來說煙塔合一排煙方式具有很好的環境效益。

煙塔合一；煙囪；大氣環境影響

1　研究背景

隨著國民經濟的發展,冷卻塔的應用越來越廣泛。冷卻塔給人民帶來利益的同時,也給人民帶來了危害[1]。煙氣的熱抬升高度主要取決于三個因素，即排氣筒的高度、煙氣與環境的溫差、煙氣熱釋放率。而煙氣與環境的溫差最終也反映在煙氣的熱釋放率上。煙氣通過冷卻塔排放，煙氣和冷卻塔的熱汽團混合一起外排，具有巨大的熱釋放率[2]。雖然冷卻塔比煙囪低，其內混合氣體的溫度比煙囪的煙氣溫度也低，但是，冷卻塔中的水汽與凈煙氣混合后，大量的水汽將煙氣分散、沖淡，這種混合氣流總熱量大，有巨大的抬升力，同時由于其體積流量大，對風的敏感度比煙囪排出的煙氣低，不易被風吹散；但由于冷卻塔高度比煙囪低，在特殊天氣下容易產生煙氣下洗現象，因此，為了選出最優排樣方式，需要采用德國模式AUSTALL2000對比兩種排煙方式的大氣環境影響[3]。

2　模式簡介

煙塔合一技術首先由德國發展起來并在德國得到廣泛應用和發展。目前在國內的應用還剛剛開始，還沒有適應我國環境條件的經驗公式，煙氣抬升高度和空氣污染物擴散模式有待進一步研究，因此，本次大氣預測采用德國擴散模型,該模型依據德國2002年空氣清潔標準的污染物擴散模式（VDI3945第三部分）研制，其算法采用拉格朗日粒子跟蹤擴散模型，考慮建筑物和地形的影響，采用全年逐時的風向、風速等氣象數據生成三維風場，通過計算隨時間變化的污染物煙團的路徑和空間分布來確定污染物的濃度。該模式包含了平均風速場輸送、大氣擴散、重顆粒物沉降、地面干沉降及一階化學反應等物理過程。

3　兩種排煙模式大氣環境影響對比分析

為了在同一模式下對兩種排煙方式直接對比，充分論證煙塔和煙囪排煙的環境影響。本節采用德國模式對煙囪排煙時大氣污染物濃度進行預測，利用逐日逐時氣象資料，當預測的污染源正常穩定運行時，預測冷卻塔和煙囪排煙方式常規大氣污染物的小時、日均、年均最大地面濃度值。德國模式設置參數見表1。

表1　德國模式參數選取

經計算，采用德國模式預測的冷卻塔和煙囪排煙方式的小時、日均、年均最大地面濃度值均能滿足《環境空氣質量標準》（GB3095-2012）二級標準要求，對比表分別見表2。說明煙塔排煙對環境的影響小于煙囪排煙對環境的影響。

表2　德國模式預測煙塔合一和煙囪排煙污染物最大地面濃度值對比表

4　數值模擬

由于煙塔合一的環境影響受到氣象、地形、排放方式的影響，加之確定和預測該技術對環境的影響涉及到流體力學、熱力學、環境科學、計算數學等多學科、多領域，加大了分析的難度。本次評價采用計算流體力學（CFD）為平臺，計算不同氣象條件和排煙方式下冷卻塔周邊的流場、壓力場和污染物濃度場[4]址區域特征氣象條件及不同排放方式下，采用FLUENT軟件計算煙塔周邊速度場、壓力場、空腔區以及濕沉降的分布[5]模擬結果上看：

（1）雖然冷卻塔比煙囪低，其內混合氣體的溫度比煙囪的煙氣溫度也低，但是，冷卻塔中的水汽與凈煙氣混合后，大量的水汽將煙氣分散、沖淡，這種混合氣流總熱量大，有巨大的抬升力，同時由于其體積流量大，對風的敏感度比煙囪排出的煙氣低，不易被風吹散；因此在大多數天氣情況下，冷卻塔的排放效果都能夠比同等煙囪好，利于環保。

（2）在煙塔下風向區域確實存在由不同渦旋形成的空腔區，且具有高濃度污染物聚集的現象，但均處于空中，未發現與地面相接的現象。

（3）在1km以內近距離區域上空，渦旋形成和破碎的過程較快，并處于不斷形成、不斷消失的狀態；在遠距離處，渦旋穩定存在，但受長距離傳輸和污染物不斷擴散的影響，其內部濃度逐漸減弱。

（4）空腔區400m范圍內，受煙流渦旋形成、破碎的影響，渦旋內高濃度區域在120m～200m之間波動，400m以外的區域渦旋穩定形成。

（5）空腔區范圍在400m左右，因為數值模擬計算可能相對保守，將距離擴大500m作為大氣防護距離。

（6）根據數值模擬來判斷煙塔合一類項目大氣防護距離具有一定的理論基礎和實踐經驗，但缺乏實驗驗證工作，可以采用無人機大氣監測的方法來監測冷卻塔高空污染物[6]，能夠更好地評價冷卻塔排煙的環境空氣質量[7]。

圖1　冷卻塔排煙計算網格

圖2　冷卻塔排煙空腔區范圍

5　結語

通過以上章節對排煙冷卻塔排煙方式的分析，得出以下結論：(1）從本項目煙囪方案和煙塔方案預測結果對比可知，采用煙塔合一排放方式和煙囪排煙方式對大氣環境均不會造成很大的影響。采用德國模式對煙囪排煙時大氣污染物濃度進行預測的結果說明，從污染物小時、日均、年均最大地面濃度對比，煙塔排煙對環境的影響小于煙囪排煙對環境的影響。所以從環境影響方面對比，煙塔模式明顯優于煙囪模式。但煙塔合一排放方式在特殊氣象條件下，在近距離會產生較高濃度區，因此需要將對煙塔合一排放方式對近距離大氣環境質量產生的影響進行預測，采取劃定環境保護距離的措施。總的來說，煙塔合一排煙方式具有很好的環境效益。

[1]孟鳳鳴.冷卻塔影響評價技術分析[J].環境科學與管理2018(11).

[2]張麗娜.數值風洞與物理風洞對煙塔合一排煙的比較研究[J].環境科學與技術2013(05).

[3]張麗娜.采用數值風洞模型對熱電廠煙塔合一大氣污染擴散的研究[J].環境污染與防治2013(04).

[4]李志強.利用fluent模型對煙塔合一大氣污染擴散數值風洞研究[A].2011中國環境科學學會學術年會論文集（第二卷）,2011(08).

[5]王占山,潘麗波,李云婷,等.火電廠大氣污染物排放標準對區域酸沉降影響的數值模擬[J].中國環境科學,2014,34（9）:2420-2429.

[6]付朝陽,金勤獻,孫鵬程.區域環境監測預警體系建設框架研究[J].環境科學,2008.

[7]朱京海,徐光,劉家斌.無人機遙感系統在環境保護領域中的應用研究[J].環境保護與循環經濟,2011.

天津市環境保護局專項資金項目（H-201301-J-HG-001)；天津市環境保護科學研究院院長基金項目(YZJJ-2015-005)；天津市環境保護科學研究院院長基金項目(YZJJ-2015-002)。

張曉旭（1987—），男，碩士，主要研究方向為大氣污染數值模擬與大氣環境影響評價。