燃煤电厂烟塔合一排烟方式环境影响分析

张晓旭　李志强　刘　盛　刘　玲　吴　岳

（1天津市环境保护科学研究院天津3001912天津市联合环保工程设计有限公司天津300191 3天津市大气污染防治重点实验室天津300191）

燃煤电厂烟塔合一排烟方式环境影响分析

张晓旭1,2,3李志强1,2,3刘盛1,2,3刘玲1,2,3吴岳1,2,3

（1天津市环境保护科学研究院天津3001912天津市联合环保工程设计有限公司天津300191 3天津市大气污染防治重点实验室天津300191）

以某电厂为例，采用AUSTALL2000大气预测模式分别预测烟塔合一排烟方式和烟囱排烟方式的大气环境影响。从环境影响方面对比，烟塔模式明显优于烟囱模式。但烟塔合一排放方式在特殊气象条件下，在近距离会产生较高浓度区，因此，需要对烟塔合一排放方式的近距离大气环境进行数值模拟预测，采取划定环境保护距离的措施。总体来说烟塔合一排烟方式具有很好的环境效益。

烟塔合一；烟囱；大气环境影响

1　研究背景

随着国民经济的发展,冷却塔的应用越来越广泛。冷却塔给人民带来利益的同时,也给人民带来了危害[1]。烟气的热抬升高度主要取决于三个因素，即排气筒的高度、烟气与环境的温差、烟气热释放率。而烟气与环境的温差最终也反映在烟气的热释放率上。烟气通过冷却塔排放，烟气和冷却塔的热汽团混合一起外排，具有巨大的热释放率[2]。虽然冷却塔比烟囱低，其内混合气体的温度比烟囱的烟气温度也低，但是，冷却塔中的水汽与净烟气混合后，大量的水汽将烟气分散、冲淡，这种混合气流总热量大，有巨大的抬升力，同时由于其体积流量大，对风的敏感度比烟囱排出的烟气低，不易被风吹散；但由于冷却塔高度比烟囱低，在特殊天气下容易产生烟气下洗现象，因此，为了选出最优排样方式，需要采用德国模式AUSTALL2000对比两种排烟方式的大气环境影响[3]。

2　模式简介

烟塔合一技术首先由德国发展起来并在德国得到广泛应用和发展。目前在国内的应用还刚刚开始，还没有适应我国环境条件的经验公式，烟气抬升高度和空气污染物扩散模式有待进一步研究，因此，本次大气预测采用德国扩散模型,该模型依据德国2002年空气清洁标准的污染物扩散模式（VDI3945第三部分）研制，其算法采用拉格朗日粒子跟踪扩散模型，考虑建筑物和地形的影响，采用全年逐时的风向、风速等气象数据生成三维风场，通过计算随时间变化的污染物烟团的路径和空间分布来确定污染物的浓度。该模式包含了平均风速场输送、大气扩散、重颗粒物沉降、地面干沉降及一阶化学反应等物理过程。

3　两种排烟模式大气环境影响对比分析

为了在同一模式下对两种排烟方式直接对比，充分论证烟塔和烟囱排烟的环境影响。本节采用德国模式对烟囱排烟时大气污染物浓度进行预测，利用逐日逐时气象资料，当预测的污染源正常稳定运行时，预测冷却塔和烟囱排烟方式常规大气污染物的小时、日均、年均最大地面浓度值。德国模式设置参数见表1。

表1　德国模式参数选取

经计算，采用德国模式预测的冷却塔和烟囱排烟方式的小时、日均、年均最大地面浓度值均能满足《环境空气质量标准》（GB3095-2012）二级标准要求，对比表分别见表2。说明烟塔排烟对环境的影响小于烟囱排烟对环境的影响。

表2　德国模式预测烟塔合一和烟囱排烟污染物最大地面浓度值对比表

4　数值模拟

由于烟塔合一的环境影响受到气象、地形、排放方式的影响，加之确定和预测该技术对环境的影响涉及到流体力学、热力学、环境科学、计算数学等多学科、多领域，加大了分析的难度。本次评价采用计算流体力学（CFD）为平台，计算不同气象条件和排烟方式下冷却塔周边的流场、压力场和污染物浓度场[4]址区域特征气象条件及不同排放方式下，采用FLUENT软件计算烟塔周边速度场、压力场、空腔区以及湿沉降的分布[5]模拟结果上看：

（1）虽然冷却塔比烟囱低，其内混合气体的温度比烟囱的烟气温度也低，但是，冷却塔中的水汽与净烟气混合后，大量的水汽将烟气分散、冲淡，这种混合气流总热量大，有巨大的抬升力，同时由于其体积流量大，对风的敏感度比烟囱排出的烟气低，不易被风吹散；因此在大多数天气情况下，冷却塔的排放效果都能够比同等烟囱好，利于环保。

（2）在烟塔下风向区域确实存在由不同涡旋形成的空腔区，且具有高浓度污染物聚集的现象，但均处于空中，未发现与地面相接的现象。

（3）在1km以内近距离区域上空，涡旋形成和破碎的过程较快，并处于不断形成、不断消失的状态；在远距离处，涡旋稳定存在，但受长距离传输和污染物不断扩散的影响，其内部浓度逐渐减弱。

（4）空腔区400m范围内，受烟流涡旋形成、破碎的影响，涡旋内高浓度区域在120m～200m之间波动，400m以外的区域涡旋稳定形成。

（5）空腔区范围在400m左右，因为数值模拟计算可能相对保守，将距离扩大500m作为大气防护距离。

（6）根据数值模拟来判断烟塔合一类项目大气防护距离具有一定的理论基础和实践经验，但缺乏实验验证工作，可以采用无人机大气监测的方法来监测冷却塔高空污染物[6]，能够更好地评价冷却塔排烟的环境空气质量[7]。

图1　冷却塔排烟计算网格

图2　冷却塔排烟空腔区范围

5　结语

通过以上章节对排烟冷却塔排烟方式的分析，得出以下结论：(1）从本项目烟囱方案和烟塔方案预测结果对比可知，采用烟塔合一排放方式和烟囱排烟方式对大气环境均不会造成很大的影响。采用德国模式对烟囱排烟时大气污染物浓度进行预测的结果说明，从污染物小时、日均、年均最大地面浓度对比，烟塔排烟对环境的影响小于烟囱排烟对环境的影响。所以从环境影响方面对比，烟塔模式明显优于烟囱模式。但烟塔合一排放方式在特殊气象条件下，在近距离会产生较高浓度区，因此需要将对烟塔合一排放方式对近距离大气环境质量产生的影响进行预测，采取划定环境保护距离的措施。总的来说，烟塔合一排烟方式具有很好的环境效益。

[1]孟凤鸣.冷却塔影响评价技术分析[J].环境科学与管理2018(11).

[2]张丽娜.数值风洞与物理风洞对烟塔合一排烟的比较研究[J].环境科学与技术2013(05).

[3]张丽娜.采用数值风洞模型对热电厂烟塔合一大气污染扩散的研究[J].环境污染与防治2013(04).

[4]李志强.利用fluent模型对烟塔合一大气污染扩散数值风洞研究[A].2011中国环境科学学会学术年会论文集（第二卷）,2011(08).

[5]王占山,潘丽波,李云婷,等.火电厂大气污染物排放标准对区域酸沉降影响的数值模拟[J].中国环境科学,2014,34（9）:2420-2429.

[6]付朝阳,金勤献,孙鹏程.区域环境监测预警体系建设框架研究[J].环境科学,2008.

[7]朱京海,徐光,刘家斌.无人机遥感系统在环境保护领域中的应用研究[J].环境保护与循环经济,2011.

天津市环境保护局专项资金项目（H-201301-J-HG-001)；天津市环境保护科学研究院院长基金项目(YZJJ-2015-005)；天津市环境保护科学研究院院长基金项目(YZJJ-2015-002)。

张晓旭（1987—），男，硕士，主要研究方向为大气污染数值模拟与大气环境影响评价。