（环境科学专业论文）发电厂烟塔合一污染物扩散实验研究.pdf

山东师范大学硕士学位论文 硕士学位论硕士学位论文文 论论 文文 题题 目：目： 发电厂烟塔合一污染物扩散实验研究发电厂烟塔合一污染物扩散实验研究 学科专业名称 环境科学 申 请 人 姓 名 赵 丹 指 导 教 师 刘厚凤 教 授 陈义珍 研究员 论文提交时间 2010 年 4 月 单位代码 10445 学 号 2007020921 分 类 号 x169 研究生类别 硕士研究生 山东师范大学硕士学位论文 独独 创创 声声 明明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 （注：如 没有其他需要特别声明的，本栏可空）或其他教育机构的学位或证书使用过的材 料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名： 导师签字： 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 学校学校 有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权 学校学校 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在 解密后适用本授权书） 学位论文作者签名： 导师签字： 签字日期：20 年 月 日 签字日期：20 年 月 山东师范大学硕士学位论文 i 目 录 摘 要 . i abstract . i 1. 绪论. 1 1.1 研究背景及意义 . 1 1.2. “烟塔合一”技术概述 . 2 1.2.1 “烟塔合一”技术的概念 . 2 1.2.2 烟塔排烟的基本型式 . 2 1.2.3 排烟冷却塔工艺特点 . 3 1.2.4 “烟塔合一”技术的利用现状 . 4 1.3 国内外研究现状 . 7 1.3.1 国外研究现状 . 7 1.3.2 国内研究现状 . 8 1.4 研究内容和技术路线 . 8 1.4.1 研究内容 . 8 1.4.2 技术路线 . 9 2. 试验期间机组运行情况 . 10 2.1 试验电厂及机组概况 . 10 2.1.1 三河电厂概况 . 10 2.1.2 试验机组概况 . 11 2.2 试验期间电厂运行工况 . 13 2.2.1 一期试验期间工况 . 13 2.2.2 二期试验期间工况 . 14 2.3 试验期间污染物排放情况 . 16 2.3.1 煤质状况 . 16 2.3.2 污染物排放状况 . 17 2.4 本章小结 . 18 3. 烟塔排放、扩散及环境试验 . 19 3.1 烟塔排放口参数试验 . 19 3.1.1 试验目的 . 19 3.1.2 试验设计 . 19 3.1.3 试验结果分析 . 20 3.1.4 影响烟塔混合烟气抬升的因素 . 25 3.1.5 小结 . 27 3.2 排烟冷却塔烟羽拍照试验 . 27 3.2.1 试验目的 . 27 3.2.2 研究方法 . 27 3.2.3 现场试验设计和工作内容 . 27 3.2.4 地面气象资料分析 . 27 3.2.5 试验结果分析 . 29 3.2.6 小结 . 33 山东师范大学硕士学位论文 ii 3.3 sf6大气扩散示踪试验 . 33 3.3.1 试验目的 . 33 3.3.2 试验设计 . 33 3.3.3 试验数据的质量保证 . 38 3.3.4 试验结果分析 . 39 3.3.5 典型试验分析 . 43 3.3.6 小结 . 45 3.4 空气质量影响模拟研究 . 47 3.4.1 空气质量模式介绍 . 47 3.4.2 参数选取 . 51 3.4.3 结果对比分析 . 51 3.4.4 小结 . 54 3.5 本章小结 . 55 4. 结论与展望 . 57 4.1 主要结论 . 57 4.2 展望 . 58 参考文献：. 59 攻读硕士学位期间发表的学术论文 . 61 致谢 . 62 山东师范大学硕士学位论文 i 发电厂烟塔合一污染物扩散实验研究 摘 要 烟塔合一技术因其较大的技术、环境和经济优势在德国迅速发展。近年来该 技术在我国也被迅速推广。 华能北京热电厂是国内首家引进德国烟塔工艺和设备 的电厂，河北三河电厂是国内首座自主设计建设的烟塔合一工程的电厂。目前国 内并没有针对烟塔排放的环境影响进行扩散试验研究， 本研究将对燃煤电厂使用 烟塔排放烟气技术和政策取向提供参考依据。 本次烟塔合一扩散试验选取河北三河电厂二期工程 3#烟塔为研究对象，分 别于 2008 年 3 月（非采暖期） 、2009 年 1-2 月（采暖期）进行二期试验观测，通 过烟羽拍照、sf6示踪扩散试验对烟塔排放烟气的排放参数、烟气抬升、扩散等 问题进行了分析研究，主要结论如下： （1）在电厂典型工况条件下，测试烟塔排放口及塔体内部混合烟气的流速、 温度、压强和相对湿度等参数的分布。结果表明：在烟塔出口和塔体内部，混合 烟气各参数的分布均是非均匀的。试验期间，经过湿法脱硫和电除尘处理后的烟 气流经烟塔出口时总平均流速为 3.0m/s，总平均温度为 19.8，总平均湿度为 90.0%。塔体内部混合烟气各参数垂直分布规律为：温度、压强和相对湿度均为 中心高、边缘低，但流速分布不同，在塔体上部流速分布呈中心高、边缘低，而 在下部则呈中心低、边缘高。 （2）通过对试验期间烟羽照片的分析表明：在大气稳定度为不稳定或中性 情况下，风速较小时，烟塔烟羽扩散比烟囱高；风速较大时比烟囱扩散低，不过 大风条件下总的背景适宜于污染物扩散。在大气稳定情况下，烟塔烟羽扩散高度 较低，且低于烟囱抬升高度。 （3）sf6扩散示踪试验共进行 24 次试验，19 次试验取得有效数据，基本涵 盖了大风、小风以及各种大气稳定度类型。分析得出：风速较小时，单位源强对 应的最大落地浓度较大；风速较大时，单位源强对应的最大落地浓度较小。不稳 定状况下，单位源强对应的最大落地浓度较大；稳定状况下，单位源强对应的最 大落地浓度较小，中性条件居中。与通常模式模拟结果表现的规律一致。类推得 出电厂排放 nox 的环境影响可接受。 山东师范大学硕士学位论文 ii （4）对比空冷烟塔合一、湿冷烟塔合一和烟囱三种排烟方式污染物的落地 浓度预测值可知，稳定条件下，污染物落地浓度预测值全部为 0；中性条件下， 污染物落地浓度湿冷烟塔排放大于烟囱排放，空冷烟塔排放污染物落地浓度最 小；不稳定条件下，烟囱排放污染物落地浓度最高，风速为 1.5 和 3.0m/s 时，空 冷烟塔和湿冷烟塔相差不多；风速为 4.5m/s 时，湿冷烟塔排放污染物落地浓度 较高，但仍介于空冷与烟囱之间。总之，中性条件下，湿冷烟塔合一污染物落地 浓度较大；不稳定条件下，烟囱排放污染物落地浓度较大。且干冷塔的环境影响 总体上要小于烟囱和湿冷塔排放方案。 （5）烟塔合一排烟的适用情况主要包括北方干燥、半干燥地区有建筑物限 高的区域，或者景观环境有特殊要求的地区。 关键字关键字：烟塔合一；扩散试验；发电厂； 分类号：分类号：x169 山东师范大学硕士学位论文 i an atmospheric diffusion experiment research of pollutant discharged by cooling towers of power plant abstract the cooling towers with flue gas injection were developing rapidly in germany because of his technical environmental and economic advantages. in recent years the technology had been rapidly expanded in china. huaneng beijing thermal power plant was the first power plants, which applied the cooling towers with flue gas injection in china. hebei sanhe power plant was the first power plants of design and construction independence with this technology. there was no diffusion experiment research of pollutant discharged by cooling towers of power plant. this study would provide technical and policy reference to coal-fired power plant on using cooling towers with flue gas injection. the diffusion experiment was divided into two phases, first phase is in march 2008 (heating season), and the other is from january to february in 2009 (non-heating season). this thesis conducted a detailed analysis of test data and concludes as follows: (1) measure the inside and outlet of the cooling tower emission parameters on typical working condition, such as velocity, temperature, atmospheric pressure and humidity. the results showed that the distributions were non-uniform. at the outlet of the cooling tower, all the emission parameters of the edge were low, while the parameter values of the center were high. during the experiments, the whole average was 3.0 m/s. the whole average was 19.8 . the whole average was 90.0%. generally speaking, on the upside of cooling tower, all the emission parameters of the edge were low, while the parameter values of the center were high. on the edge of cooling tower, the temperature, atmospheric pressure and humidity of the edge were low, while the velocity of the center was high. (2) analysis the plume photos and concluded as follows: in unstable or neutral conditions, the cooling tower plume was higher than the stack when wind velocity was low, while it was lower than stack when wind velocity was high. but it was 山东师范大学硕士学位论文 ii suitable for pollutant dispersion wind velocity was high. the cooling tower plume was lower than the stack in stable condition. (3) sanhe power plant cooling tower of sf6 tracer experiments carried on fifteen experiments. and ninteen experiments obtained effective data, which basically obtained the high wind, low wind and various types of atmospheric stability. when wind velocity was low, the ground maximum concentration was high. when wind velocity was high, the ground maximum concentration was low. the ground maximum concentration was high in unstable condition, and it was low in stable condition, and it was medium in neutral condition. this was consistent with the rule of models simulations. by analogy, we could obtain the environmental effect of nox was acceptable. (5) compare the ground maximum concentration of pollutant discharged from dry cooling tower, wet cooling tower and stack. the ground maximum concentration was zero in stable condition. in neutral condition, the ground maximum concentration of pollutant discharged from wet cooling tower was higher than that from stack, and that from wet cooling tower was low. in unstable condition, the ground maximum concentration from stack was highest. and that from dry cooling tower was as much as that from wet cooling tower when wind velocity was 1.5 and 3.0 m/s. that from wet cooling tower was medium when wind velocity was 4.5 m/s. in short, the ground maximum concentration from wet cooling tower was higher in neutral condition, while that from stack was higher in unstable condition. and the environmental effect of dry cooling tower was smaller than these of wet cooling tower and stack. (6) the suitable condition of cooling towers with flue gas injection was the dry, semi-dry areas which exist building height limit in the northern, or the areas that had special demand of landscape environment. key words: cooling towers with flue gas injection; diffusion experiment; power plants 山东师范大学硕士学位论文 1 1. 绪论 1.1 研究背景及意义 “烟塔合一”技术，即取消火电厂的排放烟囱，锅炉产生的烟气经除尘、脱硫 甚至脱硝后引至自然通风冷却塔排放到大气中1-3的烟气排放技术。 烟气与冷却塔羽烟混合排放的概念由来已久， 早在1967年10月， 德国balcke 公司就申请了烟气排放专利4-5， 其中提到“烟道最好为 1015m 高的柱状， 布置 在冷却设备中间，顶部超出冷却塔”、“采用此种方法，减少了对环境的危害”。 西方发达国家自 20 世纪 70 年代相继在燃煤电厂采用烟气脱硫装置， 主要采 用石灰石湿法脱硫技术6。湿法脱硫技术因其工艺成熟、稳定可靠、运行成本低 廉成为技术主流7。但原烟气脱硫后的净烟气需设置净烟气再热器（ggh）将净 烟气加热至 80 左右送到烟囱中排至大气7-8。 烟塔合一技术首先是在德国发展起来9-10源于德国执行联邦防污染法 ， 法律第十三条规定要求燃烧热负荷大于 100 mw 的燃烧设备要安装烟气脱硫设 备。 在烟气通过烟囱排放的情况下， 烟囱出口烟温最低应为 345 k （72 ） 11-12。 但该温度限制对于通过冷却塔排放烟气的电厂的燃烧设备无效。 故烟塔合一技术 在德国迅速发展13-18。 随着我国大气污染防治法规的日趋严格， 电厂烟气脱硫技术得到迅速推广和 普及。目前国内运行和在建的脱硫装置中，湿法脱硫工艺占 90%以上。近年来烟 塔合一技术在我国被迅速推广10。该技术优势在于：取消了烟气再热器(ggh) 和烟囱，减少了工程投资和运行费用。利用烟塔水蒸气的巨大热焓，可提高脱 硫后净烟气的抬升高度，有利于降低污染；由于省去了烟气再热系统，还避免 了因未净化烟气旁路排放而造成的最终脱硫效率的下降。此外，一些城市电厂由 于烟囱的限高要求，故采用新排烟技术如烟塔合一技术以达到特殊的环境要求 9。 华能北京热电厂是国内首家引进德国烟塔工艺和设备的电厂19-22， 河北三河 电厂是国内首座自主设计建设的烟塔合一工程的电厂23-24。 随着该技术的迅速推 广，政府和专家对电厂应用该排放方式后对大气环境的影响表现了高度的关注， 但国内尚没有针对烟塔排放的扩散和影响的相关试验研究。 本论文通过三河电厂 烟塔合一污染物扩散试验， 通过对边界层气象条件、烟塔排放源排放参数和排放 山东师范大学硕士学位论文 2 源排放污染物对地面浓度的贡献时试验测试， 分析烟塔排放对空气环境质量的影 响； 为烟塔排放源排放参数提供试验例证资料；根据气象条件和烟塔排放源排放 参数，进行烟塔排放烟气的扩散模式计算，研究验证烟塔排放烟气扩散模式；以 及为烟塔合一技术在国内的应用提供技术支持。 1.2. “烟塔合一”技术概述 1.2.1 “烟塔合一”技术的概念 “烟塔合一”技术，即取消火电厂的排放烟囱，锅炉产生的烟气经除尘、脱硫 甚至脱硝后引至自然通风冷却塔排放到大气中1-3的烟气排放技术。 （如图 1-1） 图 1-1 烟塔结构示意图 1.2.2 烟塔排烟的基本型式 烟塔排烟分为湿冷塔（二次循环冷却塔） 、干冷塔（空气间接冷却塔） 、及三 塔合一三种情况。目前国内外的“烟塔合一”以湿冷塔居多25。 湿冷塔烟塔合一 （见图 1-2） 即脱硫后的烟气通过湿式冷却塔排放到大气中。 主要以蒸发过程散热。塔内水、空气和烟气直接接触进行热交换。湿冷塔的适应 地区较大，除局地地形条件复杂（如山谷、河谷等） 、逆温强度高、有特殊逆温 情况地区外，均可采用。 山东师范大学硕士学位论文 3 图 1-2 湿冷塔的内部结构图 图 1-3 干冷塔的内部结构 干冷塔烟塔合一 （见图 1-3） 即脱硫后的烟气通过干式冷却塔排放到大气中。 主要以传导、对流散热。塔内水与空气、烟气不接触而是经过带鳍管组的散热器 与空气接触散热。干式冷却塔耗资大、效率低，但省水。此方式占地面积大，基 建投资较高，但发电标准煤耗率及运行费用较低；干冷塔烟塔合一还需当地的气 温、风速、地形等条件符合机组冷却效率等工艺要求，主要适合中国三北地区。 早在上世纪七十年代初，匈牙利布达佩斯的 hungarian matra 电厂26-27就建 成并投入使用这种空冷塔，见图 1-4。 图 1-4 匈牙利布达佩斯的 hungarian matra 电厂 三塔合一，是将脱硫吸收塔布置到空冷塔的内部。即烟囱、脱硫塔、冷却塔 三塔合一28。 1.2.3 排烟冷却塔工艺特点 根据湿法脱硫工艺流程，采用自然通风冷却塔排放脱硫后烟气，整个烟气排 山东师范大学硕士学位论文 4 放系统有旁路式和直通式两种方式（见图 1-5） 。 旁路式系统的设置既允许脱硫装置与主机（锅炉）同步运行，又允许脱硫装 置停运时，主机仍可运行。正常情况下是利用冷却塔排放烟气，但当脱硫装置停 运时，由于烟气的温度和二氧化硫的含量相对较高，不能通过冷却塔直接排放， 故需另建一座干式烟囱，设置旁路供排放烟气使用。 图 1-5 利用冷却塔排烟工艺流程图 直通式的系统要求主机与脱硫装置必须同步运行，不必另设烟囱。 旁路烟气排放系统大多应用在早期改造的脱硫系统中， 随着脱硫技术的发展 和脱硫装置可利用率的不断提高，到目前完全达到与主机媲美的程度。在这样的 背景下，近年来西欧国家的新建电厂大多采用直通式无旁路的烟气排放系统。 国外的成功经验表明对于采用技术先进、性能稳定的脱硫装置的电厂来说， 采用直通式无旁路烟气系统是安全可行的29。 1.2.4 “烟塔合一”技术的利用现状 1.2.4.1 国外已建成的排烟冷却塔 自 1982 年德国 volkingen 电站25第一次将冷却塔排放脱硫烟气应用于实际 工程至今已有二十年了，国外经过多年来对这一技术的试验、研究、分析和不断 改进，现已日趋成熟。对这一技术的工业应用以德国的 shu 公司和比利时的 hamon 公司为代表30，在德国和其它国家已改建和新建了很多无烟囱电厂（见 表 1-1） 。 目前在德国已应用得非常成熟，已有 20 多座电厂采用，装机总容量超过 山东师范大学硕士学位论文 5 12000 mw,最大单机容量已达到 978mw10。烟塔合一技术在德国取得成功后， 也逐渐向世界其他国家推广。如波兰在 1994 年开始改造了亚沃滋诺电厂，其中 3 号机组有一座高 120 m、底部直径 95 m 的自然通风冷却塔，用于排放脱硫后 烟气4。图 1-6 为 niederaussem 电厂和 schwarze pumpe 电厂烟塔合一机组烟气 抬升照片。 图 1-6 niederaussem 电厂（左）和 schwarze pumpe 电厂（右） 表 1-1 国外采用冷却塔排放烟气机组概况 投产时间 客户 国家 电厂 机组容量 1982 saarberwerke ag 德国 volklingen 1 230mw 1985 r.w.e.energie ag 德国 weisweiler unit g/h 2 300mw 1987 r.w.e.energie ag 德国 neurath 3 300mw 1987 r.w.e.energie ag 德国 neurath 2 600mw 1987 r.w.e.energie ag 德国 niederaussem 4 300mw 1987 r.w.e.energie ag 德国 niederaussem 2 600mw 1990 saarberwerke ag 德国 volklingen 1 210mw 1991 preussenelekta 德国 staudinger unit 5 1 550mw 1993 preag 德国 rostock unit d 1 550mw 1994 veag 德国 boxberg 2 500mw 1996 veag 德国 boxberg 1 907mw 1997 veag 德国 schwarze pumpe 2 800mw 1997 veag 德国 lippendort 2 933mw 1997 希腊 megalopolis 1 1000mw 2000 mavir rt 匈牙利 metra 2 220mw 2001 r.w.e.energie ag,essen 德国 niederaubem unit k 1 950mw 2004 euas 土耳其 can 2 160mw 1.2.4.2 国内采用排烟冷却塔的运行实例 目前，我国在消化吸收这一技术的试验研究成果和运行经验的基础上，把冷 却塔排烟技术广泛应用于我国的电力建设工程， 华能北京热电厂是我国首个烟塔 山东师范大学硕士学位论文 6 合一工程19-22，河北三河电厂是国内首座自主设计建设的烟塔合一工程的电厂 23-24。此外，天津东北郊热电厂、哈尔滨第一热电厂、大唐锦州热电厂、天津军 粮城热电厂等一系列工程23均采用烟塔合一技术实现脱硫后低温烟气的排放。 目前国家审批的采用烟塔合一的电厂已达到 10 多个，以湿冷烟塔为主25。 华能北京热电厂引进国外技术（见图 1-7） ，对一期四台 830t/h 超高压塔式 直流锅炉进行脱硫技术改造，每一台炉配一座吸收塔，同时新建一座 120m 高、 出口直径 49.4m 的自然通风冷却塔进行烟气排放。截止到 2006 年 12 月 20 日 4 台机组脱硫系统和烟塔合一工程全部 投入运行， 华能北京热电厂成为我国首 个取消烟囱的火电厂， 该项工程是亚洲 首个烟塔合一工程19-22。 （图中左边为 原来的 3 座冷却塔， 右边为新建的采用 烟塔合一技术的冷却塔。 ）从排放烟气 的外部轮廓可以看出， 通常情况下， 其 烟气的抬升是很高的。 图 1-7 华能北京热电厂 大唐哈尔滨第一热电厂232 300mw 新建工程对 2 台锅炉产生的烟气采用高 效电除尘器进行除尘、石灰石石膏湿法脱硫工艺进行脱硫、选择性催化还原 （scr）烟气脱硝系统进行脱氮处理，同时，在炉后建 2 座高 105m，出口内径 约 47m 的双曲线自然通风冷却塔，将 2 台炉处理后的净烟气从约 29m 高处分 别送入冷却塔中心，与冷却塔的热蒸汽一起排放。脱硫塔靠近冷却塔布置，可以 缩短烟道长度，减少烟气温降。在循环水管路上设计循环水升压泵来保证烟塔的 进水量和进水水压，从而保证烟塔有足够大的热交换量。 本研究的试验电厂，三河发电有限责任公司（见图 1-8）是第一个采用国产 化烟塔合一技术的机组23-24。 二期工程扩建两台300mw热电联产燃煤发电机组， 采用冷却塔排放脱硫后烟气时，每机配一座淋水面积 5000m2的逆流式自然通风 冷却塔。冷却塔高 120m，出口直径 55m，进风口高度 7.8m，环型基础外侧直径 94m，淋水装置顶标高 11.5m。脱氮、除尘、脱硫后的烟气通过净化气管道由收 水器上部的壳体进入塔内，烟道直径 5m，中心标高 17m。本期工程无旁路烟气 山东师范大学硕士学位论文 7 系统，脱硫装置与主机（锅炉）同步运行。烟气由烟道进入冷却塔内，与冷却塔 中的水气混合后通过冷却塔的出口排入大气。 图 1-8 三河发电有限责任公司 1.3 国内外研究现状 1.3.1 国外研究现状 烟塔合一技术首先是从德国发展起来的。1977 年德国研究技术部和 saarbergwergwerkeag 公司联合设计了 v lklingen 电厂，该厂的烟塔合一机组于 1982 年 8 月开始运行，1985 年完成一系列测评。自此烟塔合一技术在德国新建 厂广泛采用，并对一批老机组也进行了改造。目前德国采用烟塔合一技术运行的 电厂有 20 多座，装机总容量超过 12000mw。并且，德国结合工程实际制订了烟 塔合一的相关技术标准和