濕煙羽消散技術對污染物擴散特性的影響

馬修元，惠潤堂，楊愛勇國電環境保護研究院，江蘇 南京 210031

濕煙羽消散技術對污染物擴散特性的影響

馬修元，惠潤堂，楊愛勇
國電環境保護研究院，江蘇 南京 210031

濕法脫硫出口的飽和濕煙氣直接由煙囪排入環境會形成濕煙羽，產生視覺污染。分析了濕煙羽的形成和消散過程，重點考察直接加熱、降溫再熱和直接降溫等濕煙羽消散技術對顆粒物、SO2和NO2擴散特性的影響。結果表明：濕煙羽消散技術對環境顆粒物濃度影響很小，顆粒物最大落地濃度占標率小于1.5%，顆粒物最大落地濃度遠低于GB 3095—2012《環境空氣質量標準》的濃度限值；降溫再熱和直接加熱可以促進SO2和NO2在環境中的擴散，2種技術分別使SO2和NO2最大落地濃度占標率降低了31.5%和15.1%；采用直接降溫技術消散濕煙羽后，SO2和NO2最大落地濃度占標率分別小于20%和70%，SO2和NO2最大落地濃度仍低于GB 3095—2012的濃度限值。

濕煙羽；污染物；加熱；降溫；高斯模式

目前，燃煤電廠主要采用濕法脫硫脫除煙氣中的SO2。煙氣經過濕法脫硫石膏漿液的洗滌，溫度降至45～55 ℃，呈飽和狀態[1-3]。如果濕法脫硫后的飽和濕煙氣直接排放，濕煙氣中的水蒸氣在溫度和飽和濕度均較低的環境空氣中會凝結成小液滴，其對光線產生折射和散射作用，使煙囪出口的煙羽呈白色或灰色，稱為濕煙羽(俗稱大白煙)[4-6]。近年來，部分電廠周邊民眾開始要求企業治理濕煙羽形成的視覺污染。目前電廠為了提高環境效益，開始配置低低溫省煤器，提高煙氣排放溫度，有效減輕了濕煙羽[7]。采取煙溫控制方式減輕或消除濕煙羽會對煙氣的抬升與擴散產生影響，從而影響污染物的擴散。

為了研究濕煙羽消散技術對污染物擴散特性的影響，分析了濕煙羽的形成過程，并針對濕煙羽的成因提出了相應的消散技術，同時重點考察了煙氣直接加熱、降溫再熱和直接降溫等濕煙羽消散技術對顆粒物、SO2和NO2擴散特性的影響。文中討論的顆粒物只包括煙氣攜帶的一次顆粒物，不包括SO2和NO2在環境中形成的二次顆粒物。

1 濕煙羽的形成和消散

濕煙羽的形成和消散過程如圖1所示。假定濕煙氣在煙囪出口的狀態點為A，環境空氣的狀態點為C，濕煙氣由煙囪進入環境空氣的過程中，其狀態點沿曲線ADF變化，隨著溫度的降低，煙氣的飽和濕度降低，濕煙氣中過飽和的水蒸氣凝結成小液滴，形成濕煙羽。當飽和濕煙氣的狀態點達到F后，濕煙氣與環境空氣的混合過程沿FC線變化，濕煙氣變為非飽和狀態，不再有小液滴凝結、析出，同時濕煙氣中的小液滴開始蒸發，濕煙羽逐漸消失。

圖1 濕煙羽的形成和消散過程Fig.1 Schematic diagram of wet plume formation and dispersion

如果濕煙氣的初始狀態點和環境空氣狀態點的連線AC與飽和曲線不相交，即濕煙氣與環境空氣混合過程中濕煙氣始終不會變為飽和狀態，則濕煙氣在煙囪出口不會形成濕煙羽[8-10]。基于濕煙羽形成機理，有3種技術可以消除濕煙羽：1)煙氣直接加熱。煙氣直接加熱可使濕煙氣的狀態點由A變為B，BC線與飽和曲線不相交，濕煙氣與環境空氣混合過程不會形成濕煙羽。2)煙氣降溫再熱。降溫可以將濕煙氣的狀態點由A變為D，再熱可以將濕煙氣的狀態點由D變為E，EC線與飽和曲線不相交，濕煙氣與環境空氣混合過程不會形成濕煙羽。3)煙氣直接降溫。煙氣直接降溫將濕煙氣的狀態點由A變為F，FC線與飽和曲線不相交，濕煙氣與環境空氣混合過程不會形成濕煙羽。

2 環境影響計算

2.1 數學模型

為了考察濕煙羽消散技術對顆粒物、SO2和NO2等污染物在環境大氣中擴散的影響，煙囪出口下風向污染物濃度(C)采用式(1)進行計算[11-12]，式(1)適用于高架連續點源污染物排放模式。

(1)

σy=γ1xa1

(2)

σz=γ2xa2

(3)

式中：Q為污染物源排放速率，gs；為煙囪出口的大氣平均風速，ms；σy、σz為擴散參數；H為有效源高，m；γ1為橫向擴散回歸系數，取0.2；a1為橫向擴散回歸指數，取0.9；γ2為鉛直擴散回歸系數，取0.92；a2為鉛直擴散回歸指數，取0.11；x為煙囪下風向距離，m；y為垂直于x方向的距離，m。

有效源高(H)等于煙囪實體高度(Hs)與煙氣抬升高度(△H)之和。

當ΔT=Ts-Ta≥35 K，且QH≥2 100 kW時，

(4)

當ΔT=Ts-Ta<35K時，

(5)

QH=0.35PaQvΔTTs

(6)

式中：n0為煙氣熱狀況及地表狀況系數，取1.303；n1為煙氣熱釋放速率指數，取13；n2為煙囪高度指數，取23；QH為熱釋放速率，kW；Pa為當地大氣壓，hPa；Qv為實際排煙速率，m3s；Ts為煙氣出口溫度，K；Ta為環境大氣溫度，K；vs為煙氣排放速度，ms；D為煙囪出口直徑，m。

為了考察顆粒物、SO2和NO2等污染物對環境的影響，分析了濕煙羽消散技術對污染物地面濃度占標率變化的影響。

pi=CiC0i×100%

(7)

式中：pi為第i個污染物的地面濃度占標率，%；Ci為第i個污染物的地面濃度，mgm3；C0i為第i個污染物的環境空氣質量標準，mgm3。C0i選用GB 3095—2012《環境空氣質量標準》中1 h平均取樣時間的二級標準的濃度限值；對于沒有小時濃度限值的污染物，取日平均濃度限值的3倍。

2.2 煙氣參數

在分析濕煙羽消散技術對顆粒物、SO2和NO2等污染物擴散特性影響的過程中，假定煙囪高度為210 m，煙氣排放速度為20 ms，煙氣溫度為45 ℃，環境溫度為10 ℃，環境平均風速為3 ms，氣象條件為晴天。煙氣直接加熱技術對煙氣的升溫幅度為22.3 ℃，升溫后煙氣溫度變為67.3 ℃；煙氣降溫再熱技術先將濕煙氣降溫5 ℃，然后將煙氣再熱至52.7 ℃；煙氣直接降溫技術將煙氣溫度降低20～25 ℃。煙氣中顆粒物、SO2和NO2的排放濃度按照《煤電節能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》中規定的東部地區新建燃煤機組排放限值10、35和50 mgm3作為煙囪出口的初始排放值，對應的污染物排放速率為5.65、19.8和28.3 gs。顆粒物、SO2和NO2的環境空氣濃度標準分別為900、500和200 μgm3。

3 結果與討論

在煙氣降溫過程中，濕煙氣中的小液滴攜帶顆粒物一起落入集液罐，對顆粒物有一定的脫除作用。煙氣降溫再熱技術對煙氣的降溫幅度較小，換熱設備對顆粒物的脫除效率在50%左右；煙氣直接降溫技術對煙氣的降溫幅度較大，換熱設備對顆粒物的脫除效率在70%左右[13-15]。降溫對煙氣中SO2和NO2濃度的影響較小，因此不考慮換熱設備對SO2和NO2的脫除效率。

3.1 濕煙羽消散技術對煙氣抬升高度的影響

濕煙羽消散技術主要是通過煙氣溫度控制來實現，溫度發生變化時煙氣的抬升高度隨之發生改變，進而影響煙氣中污染物的擴散特性。為了準確分析濕煙羽消散技術對污染物擴散特性的影響，首先分析濕煙羽消散技術對煙氣抬升高度的影響，結果如圖2所示。由圖2可知，煙氣直接加熱和煙氣降溫再熱技術可以增大煙氣的抬升高度，促進煙氣中污染物的擴散；煙氣直接降溫技術會減小煙氣的抬升高度，降低煙氣中污染物的擴散。

圖2 濕煙羽消散技術對煙氣抬升高度的影響Fig.2 Uplifted height of plume

3.2 濕煙羽消散技術對顆粒物擴散特性的影響

圖3為采用濕煙羽消散技術前后煙氣中顆粒物落地濃度隨距離的變化。由圖3可以得出顆粒物的最大落地濃度和距離如表1所示。

圖3 顆粒物濃度與濕煙羽飄散距離的關系Fig.3 Curves of particulate concentration changing with the wet plume length

表1 污染物的最大落地濃度和距離

由圖3和表1可知，煙氣直接加熱消除濕煙羽后，煙氣中顆粒物的最大落地濃度為原煙氣的68.5%，最大落地濃度距離與原煙氣相比增大了12.2%。采用煙氣降溫再熱技術消除濕煙羽后，煙氣中顆粒物的最大落地濃度為原煙氣的42.4%，落地距離與原煙氣相比變化不大。用煙氣直接降溫技術消除濕煙羽后，煙氣中顆粒物的最大落地濃度為原煙氣的44.21%，落地距離與原煙氣相比減小了11.3%。綜合比較結果表明，采用3種不同的濕煙羽消散技術后，顆粒物最大落地濃度均有不同程度的降低。

圖4為采用濕煙羽消散技術前后煙氣中顆粒物濃度占標率隨距離的變化。由圖4可以看出，實施不同的濕煙羽消散技術后，顆粒物最大落地濃度占標率均小于1.5%，顆粒物最大落地濃度遠低于環境空氣質量濃度標準，表明采用濕煙羽消散技術對周圍環境顆粒物濃度的影響很小。

圖4 顆粒物濃度占標率的變化Fig.4 Ratio curves of particulate concentration to environmental standard

3.3 濕煙羽消散技術對SO2擴散特性的影響

圖5 SO2濃度與濕煙羽飄散距離的關系Fig.5 Curves of SO2 concentration changing with the wet plume length

圖5為采用濕煙羽消散技術前后煙氣中SO2落地濃度隨距離的變化。SO2的最大落地濃度和距離如表1所示。由圖5和表1可知，將煙氣直接加熱消除濕煙羽后，煙氣中SO2的最大落地濃度為原煙氣的68.5%；最大落地濃度距離與原煙氣相比增長了12.2%。采用煙氣降溫再熱技術消除濕煙羽后，煙氣中SO2的最大落地濃度為原煙氣SO2最大落地濃度的84.9%，落地距離與原煙氣相比變化不大；用煙氣直接降溫技術消除濕煙羽后，煙氣中SO2的最大落地濃度為原煙氣的147.4%，落地距離與原煙氣相比減小了11.3%。綜合比較結果表明，采用煙氣直接加熱和煙氣降溫再熱技術消除濕煙羽后，SO2的最大落地濃度有不同程度的降低，而采用煙氣直接降溫技術消除濕煙羽后，SO2的最大落地濃度有增大趨勢。

圖6為采用濕煙羽消散技術前后煙氣中SO2濃度占標率隨距離的變化。由圖6可見，采用煙氣直接降溫技術消除濕煙羽消后，SO2最大落地濃度占標率小于20%，SO2最大落地濃度低于GB 3095—2012的濃度限值；采用煙氣降溫再熱技術和煙氣直接加熱技術消除濕煙羽后，SO2最大落地濃度占標率與原煙氣相比分別降低了31.5%和15.1%。綜合比較結果表明，采用煙氣降溫再熱技術和煙氣直接加熱技術消除濕煙羽對SO2擴散有促進作用。

圖6 SO2濃度占標率的變化Fig.6 Ratio curves of SO2 concentration to environmental standard

3.4 濕煙羽消散技術對NO2擴散特性的影響

圖7為采用濕煙羽消散技術前后煙氣中NO2落地濃度隨距離的變化。NO2的最大落地濃度和距離如表1所示。由圖7和表1可知，將煙氣直接加熱消除濕煙羽后，煙氣中NO2的最大落地濃度為原煙氣的68.5%，最大落地濃度距離與原煙氣相比增長了12.2%；采用煙氣降溫再熱技術消除濕煙羽后，煙氣中NO2的最大落地濃度為原煙氣的84.9%，落地距離與原煙氣相比變化不大；用煙氣直接降溫技術消除濕煙羽后，煙氣中NO2的最大落地濃度為原煙氣的147.4%，落地距離與原煙氣相比減小了11.3%。綜合比較結果表明，采用煙氣直接加熱和煙氣降溫再熱技術消除濕煙羽后，NO2的最大落地濃度有不同程度的降低，而采用煙氣直接降溫技術消除濕煙羽后，NO2的最大落地濃度有增大趨勢。

圖7 NO2濃度與濕煙羽飄散距離的關系Fig.7 Curves of NO2 concentration changing with the wet plume length

圖8為采用濕煙羽消散技術前后煙氣中NO2濃度占標率隨距離的變化。由圖8可見，采用煙氣直接降溫技術消除濕煙羽后，NO2最大落地濃度占標率小于70%，NO2最大落地濃度仍低于GB 3095—2012的濃度限值；采用煙氣降溫再熱技術和煙氣直接加熱技術消除濕煙羽后，NO2最大落地濃度占標率與原煙氣相比分別降低了31.5%和15.1%，表明采用煙氣降溫再熱技術和煙氣直接加熱技術消除濕煙羽對NO2擴散具有促進作用。

圖8 NO2濃度占標率與濕煙羽飄散距離的關系Fig.8 Ratio curves of NO2 concentration to environmental standard

4 結論

(1)飽和濕煙氣由煙囪直排會形成濕煙羽，造成視覺污染；煙氣直接加熱、降溫再熱和直接降溫可有效消除濕煙羽。

(2)采用濕煙羽消散技術對環境顆粒物濃度的影響很小，顆粒物最大落地濃度占標率小于1.5%，遠低于GB 3095—2012的濃度限值。

(3)采用煙氣降溫再熱技術和煙氣直接加熱技術消除濕煙羽對SO2和NO2擴散有促進作用，2種技術使NO2和SO2最大落地濃度占標率分別降低了31.5%和15.1%。

(4)采用煙氣直接降溫技術，SO2最大落地濃度占標率小于20%，NO2最大落地濃度占標率小于70%，均低于GB 3095—2012的濃度限值。

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Effects of wet plume elimination technology on pollutants diffusion

MA Xiuyuan, HUI Runtang, YANG Aiyong
State Power Environmental Protection Research Institute, Nanjing 210031, China

Wet plume forms when the wet flue gas from the wet desulphurization system exits into the ambient air, which would bring about visual pollution. The formation and dispersion process of wet plume was analyzed. The effects of wet plume elimination technologies, such as direct heating, cooling and reheating, direct cooling, on the diffusion characteristics of particulate, SO2and NO2were investigated. The results showed that the wet plume elimination technologies have little effect on ambient particulate concentration; the ratio of maximum ground-level particulate concentration to ambient particulate standard is less than 1.5%, which indicates that the maximum ground-level particulate concentration is much lower than that ofAmbientAirQualityStandard(GB 3095-2012). The direct heating as well as cooling and reheating of flue gas can promote the diffusion of SO2and NO2, and the ratios of maximum ground-level concentration of SO2and NO2to ambient standard values can be reduced by 31.5% and 15.1%, respectively by the two technologies. By direct cooling of flue gas, the ratios of maximum ground-level concentration of SO2and NO2to ambient standard values are less than 20% and 70%, respectively, which shows that the maximum ground-level concentrations of SO2and NO2are below the air quality standards.

wet plume; pollutants; heating; cooling; Gaussian model

2017-02-23

國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目(2013AA065401)；國家科技支撐計劃項目(2015BAA05B01)

馬修元(1984—)，男，工程師，博士，主要研究方向為燃煤煙氣污染物控制技術研究，mxy4815@163.com

X131.1

1674-991X(2017)05-0533-06

10.3969j.issn.1674-991X.2017.05.073

馬修元，惠潤堂，楊愛勇.濕煙羽消散技術對污染物擴散特性的影響[J].環境工程技術學報,2017,7(5):533-538.

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