馬修元，惠潤(rùn)堂，楊愛(ài)勇國(guó)電環(huán)境保護(hù)研究院，江蘇 南京 210031

濕煙羽消散技術(shù)對(duì)污染物擴(kuò)散特性的影響

馬修元，惠潤(rùn)堂，楊愛(ài)勇
國(guó)電環(huán)境保護(hù)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(huán)境會(huì)形成濕煙羽，產(chǎn)生視覺(jué)污染。分析了濕煙羽的形成和消散過(guò)程，重點(diǎn)考察直接加熱、降溫再熱和直接降溫等濕煙羽消散技術(shù)對(duì)顆粒物、SO2和NO2擴(kuò)散特性的影響。結(jié)果表明：濕煙羽消散技術(shù)對(duì)環(huán)境顆粒物濃度影響很小，顆粒物最大落地濃度占標(biāo)率小于1.5%，顆粒物最大落地濃度遠(yuǎn)低于GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的濃度限值；降溫再熱和直接加熱可以促進(jìn)SO2和NO2在環(huán)境中的擴(kuò)散，2種技術(shù)分別使SO2和NO2最大落地濃度占標(biāo)率降低了31.5%和15.1%；采用直接降溫技術(shù)消散濕煙羽后，SO2和NO2最大落地濃度占標(biāo)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(jīng)過(guò)濕法脫硫石膏漿液的洗滌，溫度降至45～55 ℃，呈飽和狀態(tài)[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(huán)境空氣中會(huì)凝結(jié)成小液滴，其對(duì)光線產(chǎn)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(lái)，部分電廠周邊民眾開(kāi)始要求企業(yè)治理濕煙羽形成的視覺(jué)污染。目前電廠為了提高環(huán)境效益，開(kāi)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(huì)對(duì)煙氣的抬升與擴(kuò)散產(chǎn)生影響，從而影響污染物的擴(kuò)散。

為了研究濕煙羽消散技術(shù)對(duì)污染物擴(kuò)散特性的影響，分析了濕煙羽的形成過(guò)程，并針對(duì)濕煙羽的成因提出了相應(yīng)的消散技術(shù)，同時(shí)重點(diǎn)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(shù)對(duì)顆粒物、SO2和NO2擴(kuò)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(huán)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(guò)程如圖1所示。假定濕煙氣在煙囪出口的狀態(tài)點(diǎn)為A，環(huán)境空氣的狀態(tài)點(diǎn)為C，濕煙氣由煙囪進(jìn)入環(huán)境空氣的過(guò)程中，其狀態(tài)點(diǎn)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(guò)飽和的水蒸氣凝結(jié)成小液滴，形成濕煙羽。當(dāng)飽和濕煙氣的狀態(tài)點(diǎn)達(dá)到F后，濕煙氣與環(huán)境空氣的混合過(guò)程沿FC線變化，濕煙氣變?yōu)榉秋柡蜖顟B(tài)，不再有小液滴凝結(jié)、析出，同時(shí)濕煙氣中的小液滴開(kāi)始蒸發(fā)，濕煙羽逐漸消失。

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

如果濕煙氣的初始狀態(tài)點(diǎn)和環(huán)境空氣狀態(tài)點(diǎn)的連線AC與飽和曲線不相交，即濕煙氣與環(huán)境空氣混合過(guò)程中濕煙氣始終不會(huì)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，則濕煙氣在煙囪出口不會(huì)形成濕煙羽[8-10]。基于濕煙羽形成機(jī)理，有3種技術(shù)可以消除濕煙羽：1)煙氣直接加熱。煙氣直接加熱可使?jié)駸煔獾臓顟B(tài)點(diǎn)由A變?yōu)锽，BC線與飽和曲線不相交，濕煙氣與環(huán)境空氣混合過(guò)程不會(huì)形成濕煙羽。2)煙氣降溫再熱。降溫可以將濕煙氣的狀態(tài)點(diǎn)由A變?yōu)镈，再熱可以將濕煙氣的狀態(tài)點(diǎn)由D變?yōu)镋，EC線與飽和曲線不相交，濕煙氣與環(huán)境空氣混合過(guò)程不會(huì)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(tài)點(diǎn)由A變?yōu)镕，F(xiàn)C線與飽和曲線不相交，濕煙氣與環(huán)境空氣混合過(guò)程不會(huì)形成濕煙羽。

2 環(huán)境影響計(jì)算

2.1 數(shù)學(xué)模型

為了考察濕煙羽消散技術(shù)對(duì)顆粒物、SO2和NO2等污染物在環(huán)境大氣中擴(kuò)散的影響，煙囪出口下風(fēng)向污染物濃度(C)采用式(1)進(jìn)行計(jì)算[11-12]，式(1)適用于高架連續(xù)點(diǎn)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(fēng)速，ms；σy、σz為擴(kuò)散參數(shù)；H為有效源高，m；γ1為橫向擴(kuò)散回歸系數(shù)，取0.2；a1為橫向擴(kuò)散回歸指數(shù)，取0.9；γ2為鉛直擴(kuò)散回歸系數(shù)，取0.92；a2為鉛直擴(kuò)散回歸指數(shù)，取0.11；x為煙囪下風(fēng)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(shí)體高度(Hs)與煙氣抬升高度(△H)之和。

當(dāng)ΔT=Ts-Ta≥35 K，且QH≥2 100 kW時(shí)，

(4)

當(dāng)ΔT=Ts-Ta<35K時(shí)，

(5)

QH=0.35PaQvΔTTs

(6)

式中：n0為煙氣熱狀況及地表狀況系數(shù)，取1.303；n1為煙氣熱釋放速率指數(shù)，取13；n2為煙囪高度指數(shù)，取23；QH為熱釋放速率，kW；Pa為當(dāng)?shù)卮髿鈮?，hPa；Qv為實(shí)際排煙速率，m3s；Ts為煙氣出口溫度，K；Ta為環(huán)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(duì)環(huán)境的影響，分析了濕煙羽消散技術(shù)對(duì)污染物地面濃度占標(biāo)率變化的影響。

pi=CiC0i×100%

(7)

式中：pi為第i個(gè)污染物的地面濃度占標(biāo)率，%；Ci為第i個(gè)污染物的地面濃度，mgm3；C0i為第i個(gè)污染物的環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，mgm3。C0i選用GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中1 h平均取樣時(shí)間的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的濃度限值；對(duì)于沒(méi)有小時(shí)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(shù)

在分析濕煙羽消散技術(shù)對(duì)顆粒物、SO2和NO2等污染物擴(kuò)散特性影響的過(guò)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(huán)境溫度為10 ℃，環(huán)境平均風(fēng)速為3 ms，氣象條件為晴天。煙氣直接加熱技術(shù)對(duì)煙氣的升溫幅度為22.3 ℃，升溫后煙氣溫度變?yōu)?7.3 ℃；煙氣降溫再熱技術(shù)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(shù)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(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)》中規(guī)定的東部地區(qū)新建燃煤機(jī)組排放限值10、35和50 mgm3作為煙囪出口的初始排放值，對(duì)應(yīng)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(huán)境空氣濃度標(biāo)準(zhǔn)分別為900、500和200 μgm3。

3 結(jié)果與討論

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

3.1 濕煙羽消散技術(shù)對(duì)煙氣抬升高度的影響

濕煙羽消散技術(shù)主要是通過(guò)煙氣溫度控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，溫度發(fā)生變化時(shí)煙氣的抬升高度隨之發(fā)生改變，進(jìn)而影響煙氣中污染物的擴(kuò)散特性。為了準(zhǔn)確分析濕煙羽消散技術(shù)對(duì)污染物擴(kuò)散特性的影響，首先分析濕煙羽消散技術(shù)對(duì)煙氣抬升高度的影響，結(jié)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(shù)可以增大煙氣的抬升高度，促進(jìn)煙氣中污染物的擴(kuò)散；煙氣直接降溫技術(shù)會(huì)減小煙氣的抬升高度，降低煙氣中污染物的擴(kuò)散。

圖2 濕煙羽消散技術(shù)對(duì)煙氣抬升高度的影響Fig.2 Uplifted height of plume

3.2 濕煙羽消散技術(shù)對(duì)顆粒物擴(kuò)散特性的影響

圖3為采用濕煙羽消散技術(shù)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(guān)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(shù)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(shù)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(jié)果表明，采用3種不同的濕煙羽消散技術(shù)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(shù)前后煙氣中顆粒物濃度占標(biāo)率隨距離的變化。由圖4可以看出，實(shí)施不同的濕煙羽消散技術(shù)后，顆粒物最大落地濃度占標(biāo)率均小于1.5%，顆粒物最大落地濃度遠(yuǎn)低于環(huán)境空氣質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)，表明采用濕煙羽消散技術(shù)對(duì)周圍環(huán)境顆粒物濃度的影響很小。

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

3.3 濕煙羽消散技術(shù)對(duì)SO2擴(kuò)散特性的影響

圖5 SO2濃度與濕煙羽飄散距離的關(guān)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(shù)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(zhǎng)了12.2%。采用煙氣降溫再熱技術(shù)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(shù)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(jié)果表明，采用煙氣直接加熱和煙氣降溫再熱技術(shù)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(shù)消除濕煙羽后，SO2的最大落地濃度有增大趨勢(shì)。

圖6為采用濕煙羽消散技術(shù)前后煙氣中SO2濃度占標(biāo)率隨距離的變化。由圖6可見(jiàn)，采用煙氣直接降溫技術(shù)消除濕煙羽消后，SO2最大落地濃度占標(biāo)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(shù)和煙氣直接加熱技術(shù)消除濕煙羽后，SO2最大落地濃度占標(biāo)率與原煙氣相比分別降低了31.5%和15.1%。綜合比較結(jié)果表明，采用煙氣降溫再熱技術(shù)和煙氣直接加熱技術(shù)消除濕煙羽對(duì)SO2擴(kuò)散有促進(jìn)作用。

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

3.4 濕煙羽消散技術(shù)對(duì)NO2擴(kuò)散特性的影響

圖7為采用濕煙羽消散技術(shù)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(zhǎng)了12.2%；采用煙氣降溫再熱技術(shù)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(shù)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(jié)果表明，采用煙氣直接加熱和煙氣降溫再熱技術(shù)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(shù)消除濕煙羽后，NO2的最大落地濃度有增大趨勢(shì)。

圖7 NO2濃度與濕煙羽飄散距離的關(guān)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(shù)前后煙氣中NO2濃度占標(biāo)率隨距離的變化。由圖8可見(jiàn)，采用煙氣直接降溫技術(shù)消除濕煙羽后，NO2最大落地濃度占標(biāo)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(shù)和煙氣直接加熱技術(shù)消除濕煙羽后，NO2最大落地濃度占標(biāo)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(shù)和煙氣直接加熱技術(shù)消除濕煙羽對(duì)NO2擴(kuò)散具有促進(jìn)作用。

圖8 NO2濃度占標(biāo)率與濕煙羽飄散距離的關(guān)系Fig.8 Ratio curves of NO2 concentration to environmental standard

4 結(jié)論

(1)飽和濕煙氣由煙囪直排會(huì)形成濕煙羽，造成視覺(jué)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(shù)對(duì)環(huán)境顆粒物濃度的影響很小，顆粒物最大落地濃度占標(biāo)率小于1.5%，遠(yuǎn)低于GB 3095—2012的濃度限值。

(3)采用煙氣降溫再熱技術(shù)和煙氣直接加熱技術(shù)消除濕煙羽對(duì)SO2和NO2擴(kuò)散有促進(jìn)作用，2種技術(shù)使NO2和SO2最大落地濃度占標(biāo)率分別降低了31.5%和15.1%。

(4)采用煙氣直接降溫技術(shù)，SO2最大落地濃度占標(biāo)率小于20%，NO2最大落地濃度占標(biāo)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(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2013AA065401)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAA05B01)

馬修元(1984—)，男，工程師，博士，主要研究方向?yàn)槿济簾煔馕廴疚锟刂萍夹g(shù)研究，mxy4815@163.com

X131.1

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

10.3969j.issn.1674-991X.2017.05.073

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