烟囱设计与污染控制

董 凤

（上海纺织建筑设计研究院，上海200060）

烟囱设计与污染控制

董 凤

（上海纺织建筑设计研究院，上海200060）

火电机组烟囱位置的选择，需考虑排烟对大气环境的影响。烟囱设计应按我国环境保护标准的要求进行，还需考虑风速、风向及湍流强度等参数对烟囱排烟的影响。还要根据机组所处位置，避开地形上的不利因素，尽可能地减少废气排放对大气环境的影响。

机组；烟囱；设计；位置；排烟；污染；控制；环境

0 概 述

在机组烟囱的布置设计中，除了应根据锅炉的蒸发量，确定排风量及烟道截面外，还需根据不同地区的气象条件和局部地形等实际情况，确定锅炉烟囱的设计方案，同时，还要符合GB13271-2014（锅炉大气污染物排放标准）我国环境保护标准的要求。

1 烟囱的设计参数

设计烟囱时，应根据机组所处地区的气象条件，考虑平均风速、风向、湍流强度及温度垂直梯度等参数的变化情况。气象参数对烟囱排烟的综合影响，如图1所示。

图1 气象参数对烟囱排烟的综合影响

1.1 风对烟囱排烟的影响

风对烟囱排烟有很大的影响，表现为风对烟尘的输送和稀释作用，对环境的污染浓度与风速成反比。在大范围内，风速主要受气压场和大气温度场的影响。在小范围内，风速则受地形及地面粗糙度的影响。地面越粗糙，风速越小。平原上的风速比山区的风速大，高空的风速比地面风速大。

（1）风速的垂直变化规律

风速的垂直变化规律，可用公式表示为：

μ10—所在地气象台（站）距地面10 m高度处定时观测的平均风速值，m/s；

Δh—该气象台（站）地面海拔高度高于工矿区地面海拔高度的数值，m。

（2）风速的计算

计算风速的对数公式，适用于平坦开阔地区，计算公式为：

式（2）中：μ—离地面Zm高度上的平均风速，m/s；

μ1—离地面Z1m高度上的平均风速，m/s；

Z0—大气垫面的粗糙度，m。

对于不同地面的粗糙度Z0值，如表1所示。

表1 不同地面的粗糙度Z0值

（3）指数公式计算法

风速还可按指数公式进行计算，公式为：

式（3）中：μ—离地面Zm高度上的风速，m/s；μ1—离地面Z1m高度上的风速，m/s；

α—幂指数，一般情况下α=0.25～0.5。

1.2 湍流对烟囱排烟的影响

湍流是指空气在短时间内和小范围内的一种复杂的不规则运动。由于湍流的扩散，是在水平和垂直两个方向上进行的，污染物的浓度与水平和垂直两个方向湍流扩散率的乘积成反比，湍流越强，扩散稀释的速度就越快，污染物的浓度便随之降低。

（1）大气湍流强度的判别

大气湍流强度的判别方法，通常用理查逊数（Richar-dson number）进行计算和判断。计算公式为：

式（4）中：g—重力加速度，m/s2；

θ—位温，即任意高度上空气质点绝热变化到气压1000mbar的高度上所具有的温度；

式（5）中：T—空气质点原来的温度，K；

P—空气质点原来的气压，mbar；

当Ri＜0.25～0.5时，湍流易于发展；

当Ri＞0.25～0.5时，湍流不易发展。

（2）湍流的方向和速度

湍流的方向和强度大小经常发生变化，呈正态分布规律，由湍流引起烟气中的有害气体的浓度和粉尘浓度，随空间和时间的分布也呈正态分布规律。烟尘平均浓度的正态分布，如图2所示。

图2 烟尘平均浓度的正态分布

1.3 大气稳定对烟囱排烟的影响

大气处于稳定状态时，将影响排烟的扩散能力。大气越不稳定，越有利于大气污染物的扩散稀释。相反，大气越稳定，越不利于大气污染的扩散稀释。当形成逆温时，大气非常稳定，逆温层如象一个盖子，阻挡大气污染物的扩散稀释，使污染物停滞积聚在靠近地面的大气层中，从而加剧了大气污染的危害程度。

大气垂直稳定度（简称大气稳定度），是大气的一种热力性质指标。大气中的气团，如果在垂直运动中受到抑制，则大气属稳定状态。如气团移动后，有远离原来位置的趋势，属不稳定状态。如该气团随遇而安，则呈中性平衡状态。

2 地形对烟囱排烟的影响

当风吹向山峰时，受污染的是山峰背面，而不是迎风面。适当提高烟囱的高度，即可解决山峰背面受污染的问题。山峰对烟囱排烟扩散的影响，如图3所示。

图3 山峰对烟囱排烟扩散的影响

在悬崖壁背风面建立的机组烟囱，在排烟时易产生涡流，此时，烟囱的排烟，可能被直接带至地面。因此，需建造高于悬崖的烟囱，但成本太高，所以，不适宜在峭壁的背风面建立锅炉房。悬崖峭壁背风面涡流的形成，如图4所示。

图4 悬崖峭壁背风面涡流的形成

过山气流也会对烟囱的排烟产生影响，如图5所示。当烟囱位置在A点，相当于在悬峭壁的背风面，烟囱排烟反旋向下，在原地打转，形成局部地区的高浓度污染。当烟囱位于B点时，刚好受到背风坡下压的过山气流影响，使烟气向地面聚集。C点在山谷的中部，处于比较平直的过山气流中，烟气可以被输送到较远的地方。D点相当于在山峰的迎风面，排出的烟气将污染背风面的A、B点。因此，受地形的限制，导致过山气流对烟囱排烟产生多种影响，可能使某些区域陷入严重污染之中。

图5 过山气流对烟囱排烟的各种影响

在山谷中，昼夜的空气环流形成了山谷风。因为山坡和山谷的受热不均匀，白天的阳光使山坡受热，并将热量传递给空气，空气受热后上升，谷底较冷的空气随即进行填补，从而形成从山谷刮向山坡的风（称为谷风）。由于谷风的原因，形成烟气在该区域内反旋积聚，该地区将呈现出高浓度污染。在白天，谷风对烟囱排烟的影响，如图6所示。

图6 谷风对烟囱排烟的影响（白天）

在夜间，山坡比山谷底部冷却得快，山坡上的空气相应地变冷而下滑，形成一股沿着山坡向山谷底部吹的风（称为山风）。山谷风随水平温度变化而变化，阴天比晴天的山谷风小。山谷风的厚度和山谷周围山的高度相近，且山谷风的厚度往往要超过山风的厚度。这种山风，导致烟尘在原地打转，污染了山谷。在夜间，山风对烟囱排烟的影响，如图7所示。

图7 谷风对烟囱排烟的影响（夜间）

海陆风会引起气流的局部环流。有阳光照射的白天，陆地比海面的温度增加快，地面层风由海洋吹向陆地（称为海风）。在夜间，陆地温度冷却快，出现了相反的风向，风由陆地吹向海洋（称为陆风），形成近地面的大气环流。因此，在沿海或湖滨边建锅炉房时，应考虑地理位置等因素的影响。海陆风的形成及对排烟的影响，如图8所示。

图8 海陆风对排烟的影响

此外，城市的“热岛”效应，也会影响排烟气的扩散。城市里人口集中，有大量不同形式的热源，密集的建筑群和大面积的沥青路面，将太阳辐射热反射至近地层空气中。城市内的风速小，不易散热，使城市中心温度通常比郊区高出2～3℃。市区内白天温度高，空气密度小而形成上升气流，郊区冷空气将被补充流入市区；在夜间，热岛效应减弱，但气流的循环过程仍在继续，只是环流的规模缩小，此时，烟囱排烟扩散较困难，易导致污染。控制大气污染物的标准，如表2所示。

表2 大气环境质量标准

3 结 语

通过分析，计算了风速和湍流强度，并考虑了各种地形对烟囱排烟的影响。对烟囱位置的选择，应从减少地区的大气污染着手。根据我国大气污染物的排放标准，在设计烟囱时，应考虑各方面的影响因素，确保绿色发展，改善生态环境。

[1]锅炉房实用设计手册编写组.锅炉房实用设计手册[M].北京：机械工业出版社，2003.

[2]郝吉明，马广大，王书肖.大气污染控制工程[M].北京：高等教育出版社，2010.

[3]GB13271-2014.锅炉大气污染物排放标准[S] .

Chimney Design and Pollution Control

DONG Feng
（Shangtex Architectural Design Research Institute，Shanghai 200060，China）

The chimney position of the fossil fired power unit must consider the influence of the smoke exhaust on the atmospheric environment.Chimney design should be in accordance with the requirements of China′s environmental protection standards，but also need to consider the impact on the chimney smoke by the wind speed，wind direction and turbulence intensity and other parameters.According to the location of the unit，to avoid the unfavorable factors in the terrain，as far as possible to reduce the impact of emissions on the atmospheric environment.

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TK264 69

A

1672-0210（2016）02-0044-04

2016-05-09

董凤（1965-），女，工程师，毕业于上海工程技术大学，从事热能动力机械的设计工作。