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施工方案
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烟囱高空设计、烟囱新建施工方案
日期:2010-7-6 17:12:35 编辑:信息中心 点击次数:

一、烟囱高度的设计方法

高架连续点源的典型代表就是孤立的高烟囱。烟囱的作用除了利用热烟气与环境冷空气之间的密度差产生的自生通风力来克服烟气流动阻力向大气排放外,还要把烟气中的污染物散逸到高空之中,通过大气的稀释扩散能力降低污染物的浓度,使烟囱的周边的环境处于允许的污染程度之下。

1. 烟囱高度对烟气扩散的影响

烟囱高度对扩散稀释污染物以及降低污染物的落地浓度起着重要作用。由高斯扩散模式可见,落地最大浓度与烟囱有效高度的平方成反比。一个高烟囱所造成的地面污染物浓度,总是比相同排放强度的低烟囱所造成的浓度低,如图5-20所示。其中,C(h2)<C(h1),即烟囱下风向高烟囱的地面烟气浓度小于低烟囱,只有当离开烟囱相当长的距离后烟气浓度曲线才逐渐接近。此外,Xmax(h2)>Xmax(h1),Cmax(h2)<Cmax(h1),即低烟囱的污染物最大落地浓度Cmax位于离烟囱较近的距离Xmax处,而且数值上比高烟囱污染物的最大落地浓度要大得多。因此,高烟囱的作用不是将高浓度的烟气由近处转移至远处,而是使下风处约10 km范围内的烟气浓度都降低了。

烟囱的设计应合理地确定烟囱高度,做到既减少污染又不浪费。因为高烟囱虽然非常有利于污染物浓度的扩散稀释,但烟囱达到一定高度后,再继续增加高度对污染物落地浓度的降低已无明显作用,而烟囱的造价也近似地与烟囱高度的平方成正比。因此,烟囱高度设计的基本要求是,在排放源造成的地面最大浓度不超过国家规定的数值标准下,使得建造投资费用最小。

2. 烟囱高度的设计方法

烟囱高度应满足排放总量控制的要求。目前,烟囱高度的计算一般采用按烟气在有效高度H处的正态分布扩散模式推导确定的简化公式,主要以地面最大浓度为依据,可以有以下两种计算方法:

(1)按污染物的地面最大浓度计算的h。若国家规定的排放标准浓度为C0,当地本底浓度为Cb,则烟囱排放污染物产生的地面最大允许浓度应满足Cmax≤C0-Cb。如果设计有效高度为H的烟囱,当σz/σy=常数(一般取0.5~1.0)时,由式(5-26)求解可得烟囱高度:

m (5-42)

(2)按污染物的地面绝对最大浓度计算的h。 烟囱排放污染物产生的地面绝对最大允许浓度应满足Cabsm≤C0-Cb。当σz/σy=常数(一般取0.5~1.0)时,可得烟囱高度:

m (5-43)

上述两种计算方法的差别在于风速取值不同。式(5-42)中按地面最大浓度计算h时取多年平均风速u,而式(5-43)则取用危险风速ucr计算h,这是考虑风速变化对地面最大浓度Cmax到的影响,当风速增加时,一方面使Cmax减小(见式5-26);另一方面,从烟流抬升公式(5-36)可见烟流抬升高度Δh减小,则Cmax反而增大。这双重相反影响的结果,定会在某一风速下出现地面最大浓度的极大值,称为地面绝对最大浓度Cabsm。当出现绝对最大浓度时的风速即为危险风速ucr。显然,风速取值不同,计算结果也不同。

将烟流抬升高度公式代入式(5-26)中,对u求导,并令dCmax/du=0,即可解得危险风速ucr。再将ucr代入式(5-26)中,便可得到式(5-43)。

3. 影响烟囱设计高度的因素

设计烟囱高度首先要考虑所用公式是否适当,能否代表实际的烟流扩散型式,其次是选择合理的计算参数。

(1)计算公式。烟囱高度设计中,选择适当的计算公式是准确确定烟囱高度的必要条件。除了上述介绍的以外,还有一些计算公式。这些公式对地形地貌及气象条件的依赖性很强,且计算结果差别也很大。例如上述两种烟囱高度计算公式,按u=5m/s和ucr=15m/s分别计算,可达h=0.46hcr,即按u计算的烟囱高度还不到按ucr计算结果的一半。设计时应结合当地实际状况,考虑可能出现的最不利的气象条件,以及地面最大浓度的数值、出现的频率与持续时间,从而选择适合相应条件的计算公式。

(2)气象参数。主要的气象参数有风速和扩散参数。

近地面的风速是影响大气扩散和烟囱高度的重要因素。如前所述,随着风速的增大,一方面增强了大气对污染物扩散稀释的能力,直接使地面最大浓度值减小;另一方面减小了烟流的抬升高度,降低了烟囱有效高度,反而使地面最大浓度值增大。因此,当烟囱的几何高度一定时,地面最大浓度将随风速由小增大而出现最大值,如图5-21所示。

若按危险风速或地面绝对最大浓度要求设计烟囱高度,实际风速下地面浓度均不会超标,但烟囱高、投资大;若按平均风速或地面最大浓度要求来设计,则烟囱较矮,可节省费用,但风速小于平均风速时,地面浓度可能超标。因此对于不同的地区,应当考虑一个合理的计算风速。

通常是确定出一个地面浓度不会超标的保证率,以此确定用于烟囱高度设计的计算风速,即这个高度可保证在所确定的保证率内地面浓度不会超标。对有抬升烟源的情况,用图5-21加以说明。若规定地面污染浓度不超过0.9Cabsm,由曲线查得,当风速u/ u cr<0.52或u/ u cr>1.92时,Cmax<0.9 Cabsm 。如果这两区间风速的累计出现频率为90%,此即为抬升烟源的风速保证率,则计算风速应为0.52 u cr或1.92 u cr。

扩散参数对烟囱高度的设计影响也很大,选择时还需要根据当地的气象条件与实测σz、σy数据的统计分析。

(3)烟流出口速度vS。污染物地面最大浓度随烟囱的高度和出口烟气流速的增加而降低。为了保证在烟囱高度处的平均风速u较大的情况下,不因过分降低烟气抬升高度而造成局部污染浓度过高,一般要求vS/u>1.5。当有几个烟源相距较近时,可采用集合式的单座烟囱以提高vS。考虑到设备运行有先后或启停时的vS不致过低,还可采用多筒集合式烟囱排放。但在集合温度相差较大的烟囱排烟时,要认真考虑。应当注意的是,如果烟流抬升高度主要取决于热力抬升,则过高的vS对烟流抬升的作用并不大,反而增大了烟气流动的阻力。

根据烟气流速度即可计算烟囱出口截面的内直径。

(4)烟气的干、湿沉降。为避免出现烟气的干、湿沉降现象,以及烟流受建筑物背风面涡流区影响,从而增加烟囱附近地区的污染浓度,要求烟囱与附近建筑物相距约20倍烟囱高度的距离,其高度不得低于周围建筑物高度的2.5倍。对于排放生产性粉尘的烟囱,其高度从地面算起应当大于15m,排气口高度应高于主厂房最高点3m以上,烟流出口速度vS=20~30m/s.

此外,还可以考虑改进烟囱结构。例如,在烟囱出口处安装一个帽沿状的,向外延伸的尺寸不小于烟囱出口直径的水平圆盘;将烟囱出口段设计成文丘里喷管形状以提高烟气的动力抬升高度,但不应过分增大阻力。

(5)烟囱的散热。了提高出口烟气温度,增加进烟气的热力抬升能力,在烟囱设计过程中应考虑尽量减少烟道与烟囱的散热损失。例如,一座中型火电厂的排烟温度为150℃左右,如果风速为5 m/s,每提高1℃烟气温度,可使抬升高度增加约1.5m。

总之,烟囱设计应当综合考虑各种因素的影响,才能得到较合理的设计方案。

 

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