论文部分内容阅读
摘 要：电厂一直被群众视为排污大户，喀什城区目前正在修建的华电喀什热电二期在满足城区热电需要的同时，不可避免的成为了当地居民关注的排污热点。该研究通过高斯扩散模型和锅炉燃烧经验方程以及烟囱设计高度来模拟评估二期2×350MW超临界机组建成后对周边环境的污染影响，结果表明，烟囱设计210m高度对周边污染质量浓度接近0，因此烟囱设计高度科学合理，高斯扩散模型在模拟计算大气污染影响区域范围方面可以广泛运用。
关键词：超临界机组；烟囱；污染；评价
中图分类号 TU761.2 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2016）19-0069-04
Abstract：Power plant has been the masses as the large sewage，under construction of the Huadian Kashi thermoelectric second period to meet the needs of urban heat and power，Kashi City inevitably has become sewage focus of the attention of the local residents.By Gaussian diffusion model and boiler combustion empirical equation，and the boiler design to simulate the assessment phase 2·350MW supercritical units after the completion on the surrounding environment pollution. Results show that，210m chimney design height of pollution of the surrounding mass concentration is close to 0，therefore the chimney design show highly scientific and reasonable.
Key words：Supercritical unit； Chimney； Pollution； Evaluation
随着城市化进程的加快，全国不同城市空气质量都受到了一定程度的影响，虽然我国对城市大气污染的控制和治理取得了巨大的成果，但未来一段时期内其仍将是研究的热点问题[1]。以煤炭为主的能源结构，使得燃煤产生的颗粒物成为我国大部分城市大气污染的重要来源[2]。目前，我国电力结构中仍然以火力发电为主，燃煤产生的大气污染如果处理不当，将会对城市大气质量产生严重的影响。为此，中国于2004年颁布并实施了《火电厂大气污染物排放标准》GB13223-2003[3]。火力发电形成的大气污染物是以大气扩散的形式对城市环境产生影响，目前国内外关于大气扩散模式研究很多，高斯模式是目前应用较广，适合单个连续点源的小尺度扩散模式。喀什热电二期的锅炉相距较近，可认为为单点模式。喀什市区平坦的地形也较为适合有界条件的高斯模式[4-5]。
华电喀什热电二期（后简称二期）位于喀什市东面，距市中心5km。目前正在建设之中，附近有315国道从勘测区北侧400m处通过，交通便利，厂址高程约1 295m。现有2×350MW超临界机组HG-1200/25.4-YM1锅炉，2台350MW锅炉是哈尔滨锅炉厂有限责任公司自主开发设计、制造的超临界350MW锅炉。锅炉炉型是HG-1200/25.4-YM1型，为超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉，单炉膛、一次再热、采用前后墙对冲燃烧方式、平衡通风、紧身封闭、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉，采用不带再循环泵的大气扩容式启动系统。设计煤种为烟煤。本文通过已有理论对二期建成后产生的大气排放进行研究，主要研究污染排放的影响区域、影响半径以及对城区的影响面积，为污染防治和电厂设计提供参考。
1 自然条件
1.1 气象条件 喀什地区盛行东北风，平均风速2.7m/s，最大风速方向平均15.69°（以正北为0°，顺时针度量），年均温度24.8℃。
1.2 厂址地形 厂址地形平坦开阔，厂区地层主要由第四纪全新统（Q4）冲、洪积粉土、粉质粘土、细砂等组成，工程地质条件较为复杂，地基岩土工程性质一般，土层厚度大。
1.3 厂址工程地质 地震动参数为50年超越概率为10%的地震动峰值加速度为0.358g，相应的地震基本烈度为Ⅷ度，设计地震分组为第二组，地震动反应谱特征周期为0.65S。
2 锅炉排放污染物扩散模式
考虑地面对污染扩散的影响，本研究选择有界条件的高斯模式，分式如下：
式中：C（x，y，z，H）为有效源高H的源在下风向空间点C（x，y，z）处造成的浓度，单位mg/m3；Q为源强，单位mg/m3；v为源高处平均风速，单位m/s；σy、σx为横向扩散系数。大气扩散参数根据我国《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》（GB/T 13201-9），对喀什热电二期按照城市远郊区选取扩散参数，喀什市区太阳高度选择全年均值约50°，总云量和低云量均小于40%，确定太阳辐射等级为+1，地面10m风速为1.83m/s，确定大气稳定度为B级。
2.1 参数的获取方式和数值来源
2.1.1 排放烟气量的估算 根据根据锅炉出厂参数理论模拟源强，源强计算采用经验公式：
式中：Q1为燃料的单位发热量，单位kJ/m3；为空气过剩系数；为燃料燃烧所需理论空气量，单位m3/kg。
按照BMCR符合情况，机器燃煤量为151.74t/h，计算可知锅炉烟气量为2.4060×106m3/s。 2.1.1 烟气抬升高度估算 根据国家标准（GB/T 13201-91）“制定地方大气污染物排放标准的技术方法”中推荐的抬升公式，当烟气排放率Qh≥2100kJ/s，且△T≥35K时：
式中：Qh为烟气释放率，单位kJ/s；Qv为实际排烟率，单位m3/s；Ts为烟气出口温度，单位K；Ta为环境大气平均温度，取当地近5年平均值，单位K；H为烟囱距离地面的几何高度，单位m；Pa为大气压力，单位hPa，可取临近气象台的季或年的平均值；即ΔT=Ts-Ta，单位K；n0，n1，n2为系数，按表5查询。假定烟囱出口温度77℃（350K），为实际排烟率和源强一致，计算值为2.4060×106m3/s。大气稳定度选择为城市C级，选取参数m值计算风速，烟囱出口处平均风速为，m=0.2，10m高风速均值1.837m/s。
烟气抬升高度H=79.200 8m，因此有效源高约290m，烟囱高度210m。
3 结果与分析
通过模拟不同的烟囱高度对周围环境的影响，分析烟囱的适合高度。
3.1 不设烟囱或烟囱故障时下风向污染分布 模拟计算结果显示：不设烟囱或烟囱故障时的下风向污染较为严重，污染物整个覆盖50～75°N、30～39°E（图1）。图2为污染物浓度随经纬度位置变化的变化情况，纬度39.4°N左右的污染物浓度为4×10-16～10×10-16mg/m3，纬度39.2～39.4°N污染物浓度主要集中在0.5×10-15～1.5×10-15mg/m3，纬度35～40°N污染物的浓度为0～1×10-7mg/m3。污染物浓度随经度的变化情况为75.5～76°E污染物的浓度在4×10-16～10×10-16mg/m3，75～75.5°E污染物的浓度在0.5×10-15～1.5×10-15mg/m3。
3.2 设计高度210m（有效源高290m时）下风向污染分布 当烟囱设计高度为210m时，在50～75°N、30～39°E污染物的浓度为0（图3）。图4为污染物浓度随经纬度位置变化的数值变化，验算结果也表明纬度39.2～39.4°N污染物浓度为0，纬度30～40°N污染物的浓度为0。污染物浓度随经度的变化情况为75.5～76.5°E污染物的浓度为0，75～76°E污染物的浓度也为0。可见烟囱设计高度210m（有效源高290m时）对下风向不会产生污染。
4 结论
喀什热电二期的锅炉相距较近，可以用单点模式模拟计算。地形平坦条件的大气污染扩散可以采用有界条件的高斯模式。喀什市区平坦的地形也较为适合该扩散模式。当不设烟囱或烟囱故障时，锅炉产生的污染影响范围较大，污染物浓度高，将会对市区环境产生严重影响。通过模拟证实烟囱设计高度210m时地面下风向地区污染物质量浓度接近于0，说明210m的烟囱设计高度为科学合理高度，锅炉排放的废弃物不会对周边环境产生影响。
参考文献
[1]环境保护部.2008中国环境质量报告[M].北京：环境科学出版社，2009.
[2]李培，王新，柴发合，等.我国城市大气污染控制综合管理对策[J].环境与可持续发展.2011（5）：8-14.
[3]曹文洁.关于露天煤矿粉尘扩散模拟与分析[J].环境与可持续发展，2015（1）：108-111.
[4]马春香，赵淑敏.几种大气污染扩散模式的应用比较[J].环境科学与管理，2007，32（10）：35-36.
[5]张园园，张巨伟，尚思思，等.泄漏气体扩散模型的研究与应用[J].当代化工，2013，42（4）：507-510.
[6]肖建明，陈国华，张瑞华.高斯烟羽模型扩散面积的算法研究[J].计算机与应用化学，2006，23（6）： 559-564.
[7]方立军，尹荣荣，高建强.燃煤电厂烟囱内烟气温度分布计算[J].热能动力工程，2015，30（3）： 453-455，499.
[8]刘玉彻，杨洪斌，汪宏宇，等.冷却塔烟气抬升高度及污染物浓度变化[J].气象与环境学报，2010，26（1）： 40-44.
（责编：张宏民）
关键词：超临界机组；烟囱；污染；评价
中图分类号 TU761.2 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2016）19-0069-04
Abstract：Power plant has been the masses as the large sewage，under construction of the Huadian Kashi thermoelectric second period to meet the needs of urban heat and power，Kashi City inevitably has become sewage focus of the attention of the local residents.By Gaussian diffusion model and boiler combustion empirical equation，and the boiler design to simulate the assessment phase 2·350MW supercritical units after the completion on the surrounding environment pollution. Results show that，210m chimney design height of pollution of the surrounding mass concentration is close to 0，therefore the chimney design show highly scientific and reasonable.
Key words：Supercritical unit； Chimney； Pollution； Evaluation
随着城市化进程的加快，全国不同城市空气质量都受到了一定程度的影响，虽然我国对城市大气污染的控制和治理取得了巨大的成果，但未来一段时期内其仍将是研究的热点问题[1]。以煤炭为主的能源结构，使得燃煤产生的颗粒物成为我国大部分城市大气污染的重要来源[2]。目前，我国电力结构中仍然以火力发电为主，燃煤产生的大气污染如果处理不当，将会对城市大气质量产生严重的影响。为此，中国于2004年颁布并实施了《火电厂大气污染物排放标准》GB13223-2003[3]。火力发电形成的大气污染物是以大气扩散的形式对城市环境产生影响，目前国内外关于大气扩散模式研究很多，高斯模式是目前应用较广，适合单个连续点源的小尺度扩散模式。喀什热电二期的锅炉相距较近，可认为为单点模式。喀什市区平坦的地形也较为适合有界条件的高斯模式[4-5]。
华电喀什热电二期（后简称二期）位于喀什市东面，距市中心5km。目前正在建设之中，附近有315国道从勘测区北侧400m处通过，交通便利，厂址高程约1 295m。现有2×350MW超临界机组HG-1200/25.4-YM1锅炉，2台350MW锅炉是哈尔滨锅炉厂有限责任公司自主开发设计、制造的超临界350MW锅炉。锅炉炉型是HG-1200/25.4-YM1型，为超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉，单炉膛、一次再热、采用前后墙对冲燃烧方式、平衡通风、紧身封闭、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉，采用不带再循环泵的大气扩容式启动系统。设计煤种为烟煤。本文通过已有理论对二期建成后产生的大气排放进行研究，主要研究污染排放的影响区域、影响半径以及对城区的影响面积，为污染防治和电厂设计提供参考。
1 自然条件
1.1 气象条件 喀什地区盛行东北风，平均风速2.7m/s，最大风速方向平均15.69°（以正北为0°，顺时针度量），年均温度24.8℃。
1.2 厂址地形 厂址地形平坦开阔，厂区地层主要由第四纪全新统（Q4）冲、洪积粉土、粉质粘土、细砂等组成，工程地质条件较为复杂，地基岩土工程性质一般，土层厚度大。
1.3 厂址工程地质 地震动参数为50年超越概率为10%的地震动峰值加速度为0.358g，相应的地震基本烈度为Ⅷ度，设计地震分组为第二组，地震动反应谱特征周期为0.65S。
2 锅炉排放污染物扩散模式
考虑地面对污染扩散的影响，本研究选择有界条件的高斯模式，分式如下：
式中：C（x，y，z，H）为有效源高H的源在下风向空间点C（x，y，z）处造成的浓度，单位mg/m3；Q为源强，单位mg/m3；v为源高处平均风速，单位m/s；σy、σx为横向扩散系数。大气扩散参数根据我国《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》（GB/T 13201-9），对喀什热电二期按照城市远郊区选取扩散参数，喀什市区太阳高度选择全年均值约50°，总云量和低云量均小于40%，确定太阳辐射等级为+1，地面10m风速为1.83m/s，确定大气稳定度为B级。
2.1 参数的获取方式和数值来源
2.1.1 排放烟气量的估算 根据根据锅炉出厂参数理论模拟源强，源强计算采用经验公式：
式中：Q1为燃料的单位发热量，单位kJ/m3；为空气过剩系数；为燃料燃烧所需理论空气量，单位m3/kg。
按照BMCR符合情况，机器燃煤量为151.74t/h，计算可知锅炉烟气量为2.4060×106m3/s。 2.1.1 烟气抬升高度估算 根据国家标准（GB/T 13201-91）“制定地方大气污染物排放标准的技术方法”中推荐的抬升公式，当烟气排放率Qh≥2100kJ/s，且△T≥35K时：
式中：Qh为烟气释放率，单位kJ/s；Qv为实际排烟率，单位m3/s；Ts为烟气出口温度，单位K；Ta为环境大气平均温度，取当地近5年平均值，单位K；H为烟囱距离地面的几何高度，单位m；Pa为大气压力，单位hPa，可取临近气象台的季或年的平均值；即ΔT=Ts-Ta，单位K；n0，n1，n2为系数，按表5查询。假定烟囱出口温度77℃（350K），为实际排烟率和源强一致，计算值为2.4060×106m3/s。大气稳定度选择为城市C级，选取参数m值计算风速，烟囱出口处平均风速为，m=0.2，10m高风速均值1.837m/s。
烟气抬升高度H=79.200 8m，因此有效源高约290m，烟囱高度210m。
3 结果与分析
通过模拟不同的烟囱高度对周围环境的影响，分析烟囱的适合高度。
3.1 不设烟囱或烟囱故障时下风向污染分布 模拟计算结果显示：不设烟囱或烟囱故障时的下风向污染较为严重，污染物整个覆盖50～75°N、30～39°E（图1）。图2为污染物浓度随经纬度位置变化的变化情况，纬度39.4°N左右的污染物浓度为4×10-16～10×10-16mg/m3，纬度39.2～39.4°N污染物浓度主要集中在0.5×10-15～1.5×10-15mg/m3，纬度35～40°N污染物的浓度为0～1×10-7mg/m3。污染物浓度随经度的变化情况为75.5～76°E污染物的浓度在4×10-16～10×10-16mg/m3，75～75.5°E污染物的浓度在0.5×10-15～1.5×10-15mg/m3。
3.2 设计高度210m（有效源高290m时）下风向污染分布 当烟囱设计高度为210m时，在50～75°N、30～39°E污染物的浓度为0（图3）。图4为污染物浓度随经纬度位置变化的数值变化，验算结果也表明纬度39.2～39.4°N污染物浓度为0，纬度30～40°N污染物的浓度为0。污染物浓度随经度的变化情况为75.5～76.5°E污染物的浓度为0，75～76°E污染物的浓度也为0。可见烟囱设计高度210m（有效源高290m时）对下风向不会产生污染。
4 结论
喀什热电二期的锅炉相距较近，可以用单点模式模拟计算。地形平坦条件的大气污染扩散可以采用有界条件的高斯模式。喀什市区平坦的地形也较为适合该扩散模式。当不设烟囱或烟囱故障时，锅炉产生的污染影响范围较大，污染物浓度高，将会对市区环境产生严重影响。通过模拟证实烟囱设计高度210m时地面下风向地区污染物质量浓度接近于0，说明210m的烟囱设计高度为科学合理高度，锅炉排放的废弃物不会对周边环境产生影响。
参考文献
[1]环境保护部.2008中国环境质量报告[M].北京：环境科学出版社，2009.
[2]李培，王新，柴发合，等.我国城市大气污染控制综合管理对策[J].环境与可持续发展.2011（5）：8-14.
[3]曹文洁.关于露天煤矿粉尘扩散模拟与分析[J].环境与可持续发展，2015（1）：108-111.
[4]马春香，赵淑敏.几种大气污染扩散模式的应用比较[J].环境科学与管理，2007，32（10）：35-36.
[5]张园园，张巨伟，尚思思，等.泄漏气体扩散模型的研究与应用[J].当代化工，2013，42（4）：507-510.
[6]肖建明，陈国华，张瑞华.高斯烟羽模型扩散面积的算法研究[J].计算机与应用化学，2006，23（6）： 559-564.
[7]方立军，尹荣荣，高建强.燃煤电厂烟囱内烟气温度分布计算[J].热能动力工程，2015，30（3）： 453-455，499.
[8]刘玉彻，杨洪斌，汪宏宇，等.冷却塔烟气抬升高度及污染物浓度变化[J].气象与环境学报，2010，26（1）： 40-44.
（责编：张宏民）