脱硫烟气对大气质量影响评估

1 烟塔合一技术概述

国内越来越多的电力公司开始关注脱硫后的烟气通过冷却塔排放这项技术 (简称烟塔合一技术),国外研究机构认为[1], 利用冷却塔气流的提升力和循环冷却水的潜热, 把脱硫后烟气中残留的污染物排入大气, 在多数天气情况下, 比同等烟气从烟囱排出抬升的高度要高, 落地质量浓度也相对要低。但国内的气象条件和国外不同, 因此, 应用国外的 S/P 模式[2], 评估国内电厂利用自然通风冷却塔排放脱硫后烟气对大气环境的影响, 有助于推动这项技术在中国的脱硫电厂中应用, 并取得良好的经济效益和环境效益。烟塔合一是利用高度超过 100 m 的自然通风冷却塔, 用玻璃钢烟道将脱硫后的净烟气引入塔中心集中排放(见图 1)。

2 评估的基本模式

2.1 概述

国内尚无冷却塔抬升计算模式, 因此采用德国空气清洁标准制定的 VDI3784《环境气象学 冷却塔烟气排放扩散模型》标准。该标准规范了冷却塔排放评估的启准条件和用 S/P 模式作为烟羽抬升计算的标准办法。同时依照德国 2000 年空气清洁标准研制的污染物扩散模式[3](VDI 3945) 计算冷却塔排放污染物的落地质量浓度。理想的冷却塔气流模型如图2 所示。

2.2 冷却塔排放评估的启准条件(Froude 数)

采用上述模式进行评估的基本条件是: 确定冷却塔排放口动力和热力关系的运动学相似数( FD数) , 即 FD大于或等于 0.35; 否则不能采用上述模式。

2.3 S/P 模式

计算冷却塔排出烟羽抬升高度的 S/P 模式(M.Schatzmann 和 A.J.Policastro 模式)是三维流体动力学整型模式, 由质量、动量、能量和质量浓度守恒方程构成。选用曲线坐标, 其 S 轴与烟缕轴线一致, 长度和角度垂直于 S 轴。有 5 个方程: 质量方程、动量方程、能量守恒方程、大气要素平衡方程以及描述烟羽气态和液态水的热力学方程(Clausius- Clapeyron 方程), 其未知数在给定初始数据后可解方程组得出。

3 评估所需的基本参数及计算结果

3.1 密度系数(FD)

各种工况下 FD密度系数必须大于 0.35, 方可继续采用 S/P 模式进行计算。这个计算已在 S/P 模式计算中自动给出, 也可手工计算。需指出的是, 冷却塔出口混合气体是均匀的。

3.2 S/P 模式所需的基本参数

(1)冷却塔的高度、出口内径。

(2) 冷却塔出口混合气体的排放速度、温度、相对湿度和液态水含量; 排放速度一般为 3～6 m/s,如上述国内某电厂为 3.7 m/s, 德国某褐煤电厂为4.1 m/s; 根据进塔空气的温度、流量和循环水温度差、流量, 以及进塔脱硫烟气的温度、流量计算; 混合气体相对湿度为 100%; 德国液态水含量一般为0.2～2 g/kg, 一般计算取值为保守的 3 g/kg, 但国内的值为 10g/kg 以上, 甚至可达 40g/kg。

(3)冷却塔周围气象数据。

a. 垂直断面风速。根据地面 10 m 风速(uR) 计算, 但高度不大于 200 m 时有效, 高度超过 200 m时, 以 200 m 高度的风速取值, 这个公式与国内相同[4], 但幂指数有差异。

b. 垂直断面空气温度。垂直断面空气温度用下式计算。

c. 垂直断面空气相对湿度。中欧的 Φ(Z)=77%,当冷却塔断水运行时, Φ(Z)=0%, 具体到电厂区域,以该地区的相对湿度数值取代。

(4)其他气象数据。计算稳定度所需的云量、低云量、降水和混合层厚度。某电厂冷却塔出口混合气体污染物排放质量浓度见表 2。

3.3 德国 2000 年空气清洁标准研制的污染物扩散模式(VDI 3945)

依照德国 2000 年空气清洁标准研制的污染物扩散模式(VDI 3945 第 3 部分) 进行, 通过计算污染颗粒物路径和空间分布确定污染物质量浓度。计算结果存在统计不稳定性。不稳定性与应用的颗粒数有关, 可通过增加颗粒数来减小统计不稳定性。利用 VDI3782 和 VDI3784 标准分别计算烟囱和冷却塔排放抬升高度和落地质量浓度。模式需以下输入资料: 冷却塔的高度和直径, 混合废气参数, 混合气体排放量和热流量, 考察点位置, 随时间变化的气象数据和污染物排放量。模式中很重要的几个参数: 颗粒释放率: 单位时间颗粒物释放的越多, 结果中的样品错误越小;网络距: 大的网络距可减小样本错误, 但网络距大小有其限制, 如某电厂采用 250 m×250 m 网络距,预测范围 30 km×30 km; 积分时间; 沉降: 沉降率采用 VDI 3782/1 确定值; 化学转换: 考虑一阶化学转换, 转换率采用 VDI 3782/1 确定值; 大气稳定度: 大气边界层通过粗糙度, Monin- Obukhov 长度, 混合长度确定。

4 冷却塔排放烟羽抬升原理

冷却塔烟气排放具有显著的潜热, 在弱风情况下, 冷却塔排放烟羽抬升明显。一般情况下污染物地面质量浓度与抬升高度的平方成反比, 在弱风条件下, 冷却塔排放相比烟囱排放要好。在大风状况时,情况相反, 但总体情况适宜于污染物扩散。如果把脱硫净烟气与冷却塔气流混合, 那么气流中可见和不可见部分中的空气有害物质量浓度分布和水蒸气体积浓度分布相似或接近相等, 国外的测量结果也有这个结论。

5 气象数据

5.1 基本气象参数

电厂区域上空 120 m、250 m、500 m 或其他高度的风向频率、风速, 近几年逐月气温、相对湿度、气压、10m 风速、风频、降水量等。

5.2 低空风场特征

分析由地面 10～500m 低空层内, 主导风向和出现的频率是否符合爱克曼螺线规律, 如不符合应分析原因。如某电厂由地面 10～500m 低空层内, 最多风向由西南偏西(SSW) 向北风(N) 方向偏转, 且北风出现的频率逐层加大, 符合风向随高度增加向右偏转的爱克曼螺线规律。

5.3 逆温特征

掌握了厂址地区低空温度垂直分布、逆温演变及混合层变化的一些规律。如某电厂夏季以抬升逆温较多, 其次的是由辐射形成的接地逆温, 由大尺度天气系统形成的上部逆温较少。冬季接地逆温频率大于夏季, 高层逆温频率则夏季为高。

5.4 大气稳定度

利用常规的地面气象观测资料, 如风速、云与太阳辐射状况等, 采用 HJ/T2.2- 93《环境影响评价技术导则大气环境》中推荐的 P- S 法进行稳定度分类,分析电厂区域的大气稳定度, 列出分类统计, 需注意的是中国的大气稳定度分类与德国的相反。如某电厂区域大气稳定度 D 类出现频率最高,各季及全年出现频率为 30%左右, 其次是 F 类, 年频率为 27.2%, 冬季频率最高, 达到 40%, 可见冬季大气多为稳定状态; 夏、秋季不稳定状态出现频率比冬、春季要高, 其中秋季 A 类稳定度频率可达15.3%, 电厂区域的气象条件以中性或不稳定气象条件为主, 主要在春、夏、秋 3 个季节。

5.5 大气混合层厚度

根据实测的低空探空、小球测风资料或其他资料, 分别采用廓线法和公式计算法对不同稳定度下的混合层高度进行估算, 同时还提出混合层高度的推荐值。如某电厂区域 120 m、240 m 高空风向均以 NW为主, 大气中性或不稳定气象条件占多数, 逆温层厚度不足 100 m, 冷却塔的排放在多数情况下对污染物扩散很有效。

5.6 空气环境影响评价标准

根据 GB3095—1996《环境空气质量标准》中不同环境空气质量功能区的划分, 电厂区域一般执行二级标准或三级标准。

6 冷却塔的抬升和扩散计算

用上述参数, 通过用 FORTRAN5 和 FORTRAN77 编写的 VDSIP.FOR 程序, 在其子程序 COMMV里写进这些参数, 并命名为 VDIIN.DAT, 经过计算,数据即可输出在名为 VDIOUT.DAT 的文件中。模式以单个冷却塔为单元进行计算, 若为多个冷却塔排放, 则分别计算。

6.1 抬升高度计算

如采用前述抬升高度计算模式, 可得某电厂冷却塔排放: 在不稳定大气状况下, 烟羽很易抬升至700 m 以上, 弱风时甚至可抬升至 1 000 m 以上。在中性大气状态下, 烟羽最大抬升可到 900 m;在稳定大气状况下, 烟羽最大则只能抬升 200m。

6.2 扩散计算

采用电厂区域每日 24 h 的观测数据建立气象输入程序, 逐小时计算污染物质量浓度, 并在此基础上得出逐日的日均质量浓度和年均质量浓度。需说明的是, 在计算时考虑了二氧化硫转化成二次粒子的情况, 同时将烟尘作为 PM10考虑, 同时年均质量浓度最大值小于空气质量标准的 1%, 认为对大气环境没有影响, 最大值出现在距污染源 50倍源高范围内。如某电厂高度为 120 m 的冷却塔排放烟气时SO2年均质量浓度分布如图 3 所示。图中“”形黑点为电厂位置, 计算范围 6 km×6 km 内 SO2年均质量浓度最大值约 0.16 !g/m3, 约占空气质量二级标准的 0.26%, 最大值位于电厂以南约 5km 处。PM10、NOx的分布与此类似, 但 PM10的分布由于存在转化, 其变化规律与 SO2和 NOx并不完全相同。同时, 还应列出各种污染物的年最大值、天最大值等计算结果, 以及对各关心点质量浓度的附加年均值,日最大值等。

6.3 不同大气稳定状态下冷却塔排放污染物的落地质量浓度

根据计算结果, 绘成在大气不稳定气象条件下冷却塔排放脱硫后烟气造成的地面污染物质量浓度曲线, 如某电厂在不稳定气象条件下的 SO2落地质量浓度分布如图 4 所示。

6.4 与烟囱排放的比较

为了明显地看出冷却塔排放的效果, 可比较在不同稳定度气象条件下, 一定高度的烟囱和冷却塔排放效果的落地质量浓度(见图 5)。分析表明, 静风或小风气象条件下, 烟囱排放脱硫后烟气造成的落地二氧化硫质量浓度比烟塔合一略高, 出现的下风向距离也略短, 这主要是在静风或小风气象条件下, 冷却塔的抬升比烟囱略好所引起。出现最大落地质量浓度后, 2 种方式最终造成的落地二氧化硫质量浓度几乎完全相同, 并迅速减少。

7 结语

(1) 可利用德国 VDI 3784 标准的 S/P 模式计算冷却塔烟羽抬升高度和扩散, 以及德国 2000 年扩散模式(VDI3945) 计算冷却塔排放污染物落地质量浓度, 但相应的参数要进行修正, 并对结果进行分析。

(2)可用烟囱排放烟羽抬升的 VDI 3782 标准计算烟囱抬升高度和污染物落地质量浓度, 与冷却塔排放进行对比分析。

(3) 应用上述模式计算某电厂烟气通过自然通风冷却塔排放, 污染物的落地质量浓度小于环境空气质量标准的 1%, 排放效果在大多数气象条件下好于烟囱。

应用 S/P 模式评价自然通风冷却塔排放脱硫后烟气对大气环境的影响在中国还没有先例, 某电厂的评估结果于 2004 年 7 月由国内著名的高等院校、环境研究机构等进行评审, 认为这种环境影响计算方案, 理论依据充分, 评价结论可信, 并建议对烟塔合一技术的环境影响进行跟踪监测, 总结经验; 对脱硫后湿烟气经冷却塔排放的环境影响计算模式进行更充分和详细的论述, 形成规范, 以备推广。