湿烟羽消散技术对污染物扩散特性的影响

马修元，惠润堂，杨爱勇国电环境保护研究院，江苏 南京 210031

湿烟羽消散技术对污染物扩散特性的影响

马修元，惠润堂，杨爱勇
国电环境保护研究院，江苏 南京 210031

湿法脱硫出口的饱和湿烟气直接由烟囱排入环境会形成湿烟羽，产生视觉污染。分析了湿烟羽的形成和消散过程，重点考察直接加热、降温再热和直接降温等湿烟羽消散技术对颗粒物、SO2和NO2扩散特性的影响。结果表明：湿烟羽消散技术对环境颗粒物浓度影响很小，颗粒物最大落地浓度占标率小于1.5%，颗粒物最大落地浓度远低于GB 3095—2012《环境空气质量标准》的浓度限值；降温再热和直接加热可以促进SO2和NO2在环境中的扩散，2种技术分别使SO2和NO2最大落地浓度占标率降低了31.5%和15.1%；采用直接降温技术消散湿烟羽后，SO2和NO2最大落地浓度占标率分别小于20%和70%，SO2和NO2最大落地浓度仍低于GB 3095—2012的浓度限值。

湿烟羽；污染物；加热；降温；高斯模式

目前，燃煤电厂主要采用湿法脱硫脱除烟气中的SO2。烟气经过湿法脱硫石膏浆液的洗涤，温度降至45～55 ℃，呈饱和状态[1-3]。如果湿法脱硫后的饱和湿烟气直接排放，湿烟气中的水蒸气在温度和饱和湿度均较低的环境空气中会凝结成小液滴，其对光线产生折射和散射作用，使烟囱出口的烟羽呈白色或灰色，称为湿烟羽(俗称大白烟)[4-6]。近年来，部分电厂周边民众开始要求企业治理湿烟羽形成的视觉污染。目前电厂为了提高环境效益，开始配置低低温省煤器，提高烟气排放温度，有效减轻了湿烟羽[7]。采取烟温控制方式减轻或消除湿烟羽会对烟气的抬升与扩散产生影响，从而影响污染物的扩散。

为了研究湿烟羽消散技术对污染物扩散特性的影响，分析了湿烟羽的形成过程，并针对湿烟羽的成因提出了相应的消散技术，同时重点考察了烟气直接加热、降温再热和直接降温等湿烟羽消散技术对颗粒物、SO2和NO2扩散特性的影响。文中讨论的颗粒物只包括烟气携带的一次颗粒物，不包括SO2和NO2在环境中形成的二次颗粒物。

1 湿烟羽的形成和消散

湿烟羽的形成和消散过程如图1所示。假定湿烟气在烟囱出口的状态点为A，环境空气的状态点为C，湿烟气由烟囱进入环境空气的过程中，其状态点沿曲线ADF变化，随着温度的降低，烟气的饱和湿度降低，湿烟气中过饱和的水蒸气凝结成小液滴，形成湿烟羽。当饱和湿烟气的状态点达到F后，湿烟气与环境空气的混合过程沿FC线变化，湿烟气变为非饱和状态，不再有小液滴凝结、析出，同时湿烟气中的小液滴开始蒸发，湿烟羽逐渐消失。

图1 湿烟羽的形成和消散过程Fig.1 Schematic diagram of wet plume formation and dispersion

如果湿烟气的初始状态点和环境空气状态点的连线AC与饱和曲线不相交，即湿烟气与环境空气混合过程中湿烟气始终不会变为饱和状态，则湿烟气在烟囱出口不会形成湿烟羽[8-10]。基于湿烟羽形成机理，有3种技术可以消除湿烟羽：1)烟气直接加热。烟气直接加热可使湿烟气的状态点由A变为B，BC线与饱和曲线不相交，湿烟气与环境空气混合过程不会形成湿烟羽。2)烟气降温再热。降温可以将湿烟气的状态点由A变为D，再热可以将湿烟气的状态点由D变为E，EC线与饱和曲线不相交，湿烟气与环境空气混合过程不会形成湿烟羽。3)烟气直接降温。烟气直接降温将湿烟气的状态点由A变为F，FC线与饱和曲线不相交，湿烟气与环境空气混合过程不会形成湿烟羽。

2 环境影响计算

2.1 数学模型

为了考察湿烟羽消散技术对颗粒物、SO2和NO2等污染物在环境大气中扩散的影响，烟囱出口下风向污染物浓度(C)采用式(1)进行计算[11-12]，式(1)适用于高架连续点源污染物排放模式。

(1)

σy=γ1xa1

(2)

σz=γ2xa2

(3)

式中：Q为污染物源排放速率，gs；为烟囱出口的大气平均风速，ms；σy、σz为扩散参数；H为有效源高，m；γ1为横向扩散回归系数，取0.2；a1为横向扩散回归指数，取0.9；γ2为铅直扩散回归系数，取0.92；a2为铅直扩散回归指数，取0.11；x为烟囱下风向距离，m；y为垂直于x方向的距离，m。

有效源高(H)等于烟囱实体高度(Hs)与烟气抬升高度(△H)之和。

当ΔT=Ts-Ta≥35 K，且QH≥2 100 kW时，

(4)

当ΔT=Ts-Ta<35K时，

(5)

QH=0.35PaQvΔTTs

(6)

式中：n0为烟气热状况及地表状况系数，取1.303；n1为烟气热释放速率指数，取13；n2为烟囱高度指数，取23；QH为热释放速率，kW；Pa为当地大气压，hPa；Qv为实际排烟速率，m3s；Ts为烟气出口温度，K；Ta为环境大气温度，K；vs为烟气排放速度，ms；D为烟囱出口直径，m。

为了考察颗粒物、SO2和NO2等污染物对环境的影响，分析了湿烟羽消散技术对污染物地面浓度占标率变化的影响。

pi=CiC0i×100%

(7)

式中：pi为第i个污染物的地面浓度占标率，%；Ci为第i个污染物的地面浓度，mgm3；C0i为第i个污染物的环境空气质量标准，mgm3。C0i选用GB 3095—2012《环境空气质量标准》中1 h平均取样时间的二级标准的浓度限值；对于没有小时浓度限值的污染物，取日平均浓度限值的3倍。

2.2 烟气参数

在分析湿烟羽消散技术对颗粒物、SO2和NO2等污染物扩散特性影响的过程中，假定烟囱高度为210 m，烟气排放速度为20 ms，烟气温度为45 ℃，环境温度为10 ℃，环境平均风速为3 ms，气象条件为晴天。烟气直接加热技术对烟气的升温幅度为22.3 ℃，升温后烟气温度变为67.3 ℃；烟气降温再热技术先将湿烟气降温5 ℃，然后将烟气再热至52.7 ℃；烟气直接降温技术将烟气温度降低20～25 ℃。烟气中颗粒物、SO2和NO2的排放浓度按照《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)》中规定的东部地区新建燃煤机组排放限值10、35和50 mgm3作为烟囱出口的初始排放值，对应的污染物排放速率为5.65、19.8和28.3 gs。颗粒物、SO2和NO2的环境空气浓度标准分别为900、500和200 μgm3。

3 结果与讨论

在烟气降温过程中，湿烟气中的小液滴携带颗粒物一起落入集液罐，对颗粒物有一定的脱除作用。烟气降温再热技术对烟气的降温幅度较小，换热设备对颗粒物的脱除效率在50%左右；烟气直接降温技术对烟气的降温幅度较大，换热设备对颗粒物的脱除效率在70%左右[13-15]。降温对烟气中SO2和NO2浓度的影响较小，因此不考虑换热设备对SO2和NO2的脱除效率。

3.1 湿烟羽消散技术对烟气抬升高度的影响

湿烟羽消散技术主要是通过烟气温度控制来实现，温度发生变化时烟气的抬升高度随之发生改变，进而影响烟气中污染物的扩散特性。为了准确分析湿烟羽消散技术对污染物扩散特性的影响，首先分析湿烟羽消散技术对烟气抬升高度的影响，结果如图2所示。由图2可知，烟气直接加热和烟气降温再热技术可以增大烟气的抬升高度，促进烟气中污染物的扩散；烟气直接降温技术会减小烟气的抬升高度，降低烟气中污染物的扩散。

图2 湿烟羽消散技术对烟气抬升高度的影响Fig.2 Uplifted height of plume

3.2 湿烟羽消散技术对颗粒物扩散特性的影响

图3为采用湿烟羽消散技术前后烟气中颗粒物落地浓度随距离的变化。由图3可以得出颗粒物的最大落地浓度和距离如表1所示。

图3 颗粒物浓度与湿烟羽飘散距离的关系Fig.3 Curves of particulate concentration changing with the wet plume length

表1 污染物的最大落地浓度和距离

由图3和表1可知，烟气直接加热消除湿烟羽后，烟气中颗粒物的最大落地浓度为原烟气的68.5%，最大落地浓度距离与原烟气相比增大了12.2%。采用烟气降温再热技术消除湿烟羽后，烟气中颗粒物的最大落地浓度为原烟气的42.4%，落地距离与原烟气相比变化不大。用烟气直接降温技术消除湿烟羽后，烟气中颗粒物的最大落地浓度为原烟气的44.21%，落地距离与原烟气相比减小了11.3%。综合比较结果表明，采用3种不同的湿烟羽消散技术后，颗粒物最大落地浓度均有不同程度的降低。

图4为采用湿烟羽消散技术前后烟气中颗粒物浓度占标率随距离的变化。由图4可以看出，实施不同的湿烟羽消散技术后，颗粒物最大落地浓度占标率均小于1.5%，颗粒物最大落地浓度远低于环境空气质量浓度标准，表明采用湿烟羽消散技术对周围环境颗粒物浓度的影响很小。

图4 颗粒物浓度占标率的变化Fig.4 Ratio curves of particulate concentration to environmental standard

3.3 湿烟羽消散技术对SO2扩散特性的影响

图5 SO2浓度与湿烟羽飘散距离的关系Fig.5 Curves of SO2 concentration changing with the wet plume length

图5为采用湿烟羽消散技术前后烟气中SO2落地浓度随距离的变化。SO2的最大落地浓度和距离如表1所示。由图5和表1可知，将烟气直接加热消除湿烟羽后，烟气中SO2的最大落地浓度为原烟气的68.5%；最大落地浓度距离与原烟气相比增长了12.2%。采用烟气降温再热技术消除湿烟羽后，烟气中SO2的最大落地浓度为原烟气SO2最大落地浓度的84.9%，落地距离与原烟气相比变化不大；用烟气直接降温技术消除湿烟羽后，烟气中SO2的最大落地浓度为原烟气的147.4%，落地距离与原烟气相比减小了11.3%。综合比较结果表明，采用烟气直接加热和烟气降温再热技术消除湿烟羽后，SO2的最大落地浓度有不同程度的降低，而采用烟气直接降温技术消除湿烟羽后，SO2的最大落地浓度有增大趋势。

图6为采用湿烟羽消散技术前后烟气中SO2浓度占标率随距离的变化。由图6可见，采用烟气直接降温技术消除湿烟羽消后，SO2最大落地浓度占标率小于20%，SO2最大落地浓度低于GB 3095—2012的浓度限值；采用烟气降温再热技术和烟气直接加热技术消除湿烟羽后，SO2最大落地浓度占标率与原烟气相比分别降低了31.5%和15.1%。综合比较结果表明，采用烟气降温再热技术和烟气直接加热技术消除湿烟羽对SO2扩散有促进作用。

图6 SO2浓度占标率的变化Fig.6 Ratio curves of SO2 concentration to environmental standard

3.4 湿烟羽消散技术对NO2扩散特性的影响

图7为采用湿烟羽消散技术前后烟气中NO2落地浓度随距离的变化。NO2的最大落地浓度和距离如表1所示。由图7和表1可知，将烟气直接加热消除湿烟羽后，烟气中NO2的最大落地浓度为原烟气的68.5%，最大落地浓度距离与原烟气相比增长了12.2%；采用烟气降温再热技术消除湿烟羽后，烟气中NO2的最大落地浓度为原烟气的84.9%，落地距离与原烟气相比变化不大；用烟气直接降温技术消除湿烟羽后，烟气中NO2的最大落地浓度为原烟气的147.4%，落地距离与原烟气相比减小了11.3%。综合比较结果表明，采用烟气直接加热和烟气降温再热技术消除湿烟羽后，NO2的最大落地浓度有不同程度的降低，而采用烟气直接降温技术消除湿烟羽后，NO2的最大落地浓度有增大趋势。

图7 NO2浓度与湿烟羽飘散距离的关系Fig.7 Curves of NO2 concentration changing with the wet plume length

图8为采用湿烟羽消散技术前后烟气中NO2浓度占标率随距离的变化。由图8可见，采用烟气直接降温技术消除湿烟羽后，NO2最大落地浓度占标率小于70%，NO2最大落地浓度仍低于GB 3095—2012的浓度限值；采用烟气降温再热技术和烟气直接加热技术消除湿烟羽后，NO2最大落地浓度占标率与原烟气相比分别降低了31.5%和15.1%，表明采用烟气降温再热技术和烟气直接加热技术消除湿烟羽对NO2扩散具有促进作用。

图8 NO2浓度占标率与湿烟羽飘散距离的关系Fig.8 Ratio curves of NO2 concentration to environmental standard

4 结论

(1)饱和湿烟气由烟囱直排会形成湿烟羽，造成视觉污染；烟气直接加热、降温再热和直接降温可有效消除湿烟羽。

(2)采用湿烟羽消散技术对环境颗粒物浓度的影响很小，颗粒物最大落地浓度占标率小于1.5%，远低于GB 3095—2012的浓度限值。

(3)采用烟气降温再热技术和烟气直接加热技术消除湿烟羽对SO2和NO2扩散有促进作用，2种技术使NO2和SO2最大落地浓度占标率分别降低了31.5%和15.1%。

(4)采用烟气直接降温技术，SO2最大落地浓度占标率小于20%，NO2最大落地浓度占标率小于70%，均低于GB 3095—2012的浓度限值。

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Effects of wet plume elimination technology on pollutants diffusion

MA Xiuyuan, HUI Runtang, YANG Aiyong
State Power Environmental Protection Research Institute, Nanjing 210031, China

Wet plume forms when the wet flue gas from the wet desulphurization system exits into the ambient air, which would bring about visual pollution. The formation and dispersion process of wet plume was analyzed. The effects of wet plume elimination technologies, such as direct heating, cooling and reheating, direct cooling, on the diffusion characteristics of particulate, SO2and NO2were investigated. The results showed that the wet plume elimination technologies have little effect on ambient particulate concentration; the ratio of maximum ground-level particulate concentration to ambient particulate standard is less than 1.5%, which indicates that the maximum ground-level particulate concentration is much lower than that ofAmbientAirQualityStandard(GB 3095-2012). The direct heating as well as cooling and reheating of flue gas can promote the diffusion of SO2and NO2, and the ratios of maximum ground-level concentration of SO2and NO2to ambient standard values can be reduced by 31.5% and 15.1%, respectively by the two technologies. By direct cooling of flue gas, the ratios of maximum ground-level concentration of SO2and NO2to ambient standard values are less than 20% and 70%, respectively, which shows that the maximum ground-level concentrations of SO2and NO2are below the air quality standards.

wet plume; pollutants; heating; cooling; Gaussian model

2017-02-23

国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2013AA065401)；国家科技支撑计划项目(2015BAA05B01)

马修元(1984—)，男，工程师，博士，主要研究方向为燃煤烟气污染物控制技术研究，mxy4815@163.com

X131.1

1674-991X(2017)05-0533-06

10.3969j.issn.1674-991X.2017.05.073

马修元，惠润堂，杨爱勇.湿烟羽消散技术对污染物扩散特性的影响[J].环境工程技术学报,2017,7(5):533-538.

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