工厂烟囱高度的计算方法.pdf

1、第9卷第1期1988年2月上海金属(有色分册)H ANSGHAIMET ALS(Nonfer rousFaesiuele)Vol.。沁.1February,1 95名工厂烟囱直径和高度的计算方法张传秀(上海冶金设计研究院)从环境卫生与烟囱造价出发,题,并介绍了设计计算方法。关健词工厂烟囱烟囱直径摘要讨论了烟囱直径和高度设 计 计算时所应考虑的问烟囱高度计算方法一概述烟囱高度越低造价越廉,建造厂家总希望烟囱低些,直径大些,因为这样施工方便。与此相 反由于烟囱越高污染物落在地面的浓度越小,所以环境管理部门则希望烟囱高些。其实,即使单纯从环保角度来考虑也并非烟囱越高越好,有时烟囱高却会加重对环境的污

2、染。例如,某发电厂原设计中主烟囱污染物浓度影响的高值区落在非敏感的且本底浓度较低的平顶山山坡上,即使浓度不算很低,但这种浓度分布是合理的,如果再加高烟囱,虽然落地浓度有所降低,但污染物浓度高值区却会爬过山坡进入市区而增加市区污染的比例,故不可取。与此相反,对于 宝钢烧结厂和电厂这二个主要污染源选 用2 0。米的高烟囱,影响评价预测结果表明,二者的污染物浓度高值区相接近,从而增加了叠加效应,且又落在目前本底值已较高的敏感区,故不理想。为此还不如将其中的一个从2 00米降至15 0米左右,这样污染物落地浓度虽然高一些,但其高值区前移至本底值较低的非敏感区,而且还可以减弱或避免二者的叠加效应,从环境

3、卫生和经济效益来看都是有利的。烟囱直径,以往的设计常常是偏大的,故很难使烟气达到正常的抬 升,有时甚至会出现烟气直线下洗,造成近距离地面的严重污染。本文拟就 上述问题作一些分析。二烟 囱出口直径的设计计算1。烟囱出口处风速云的计算风速五随高度而变化。在平 原地区,这种变化常用对数律和幂函数律两种风速廓线模式进行描述,而较常用的则是后一种,其公式如下:五=五。(z/z。)式中:石、瓦一对应于高度z(米)、:。(米)处的风速(m/s);m一风速切变指数,取值范围 常 为0。150。2 52。烟囱出口处烟速w.的确定制订地方大气污染物排放标准的技术原则和方法(GB384 0一83)(以下简称技术原则

4、)中规定:烟气出口速度w.不 得低于烟囱高度处平均风速石的1.5倍,即w:/云)1.5。国内一些资料推荐取w,=2 0一30m/s,而国外常规定取w,=3 03 5ms/;也有人把云理解为有效源高H.处的风速,还有人22上海金属(有色分册)第,卷建议取w,/五二2.5。鉴于此,本文建议实际设计时取w.应二2.。;如果对于电厂等热烟气施放源,可取w,/五)1.5,但不 得小于1.2。因为小于1.2就很难达到正常的抬升,而且可能会出现烟气下洗,造成下风向近距离的地面污染。对于冷排放源一般不得低于2。003.烟囱出口直径的计算(D二三/二亘二,vo。7 8 5W,若取w:/云=2.0,则D=57云式

5、中:D一烟囱出口处内径(m);Q,一实际排烟率(m3/s)。如果据此设计的烟囱与其稳定性和施工的可行性不相一致,可先按其稳定性及施工的可行性进行基础和筒身设计,最后在烟囱上部出口处采取局部收缩的办法来满足这一要求。三烟囱高度的设计计算国内从环保角度来确定烟囱高度的办法可分作两类:(1)以大气质量标准为依 据利用大气扩散模式计算,(2)以污染物排放标准为依据内插计算。显然前一种方法更合理。1.烟气拾升离度八H的计算在没有下沉气流或气团的情况下,从烟囱排出的烟气凭借其浮力和动能还要继续上升一段垂直距离,然后再向下风向扩散。烟气又继续上升的这段距离叫抬升高度,常简称.抬升”或“抬高”。也有人这样定义

6、“抬升”:抬升是指从烟囱顶部到污染物分布质量中心轴线之间的距离。有效高度则是指烟囱几何高度H.与抬升H之 和,即:H.二H,+H式中:H一烟源有效高度(m),Hs一烟囱几何高度(m),H一烟气抬升高度(m)。一般认为烟气的抬升由两部分组成,即由浮力抬升和动力抬升组成。浮力抬升的大小主要取决于烟气和周 围大气的密度差;动力抬升主要取决于烟囱出口直径D和烟气出口速度w.。除此以外,抬升还与下列 因素有关:(1)大气的性质:烟气与周 围大气混合得快慢对抬升有直接的影响,(2)烟流所处大气层的温度层结:稳定的温度层结抑制烟气的抬升,不稳定的温度层结促进烟气的抬升,(3)下堑面粗糙度:城市等粗糙的下堑面

7、上空湍流较强,不利于烟气的抬升,郊区或乡村粗糙度小的下堑面 上空湍流较弱,有利于烟气的抬升,(4)风速:小的风速或静风干扰小,有利于烟气抬升,大风速干扰大,不利于烟气抬升。目前,用于计算烟气抬升的公式不下4 0个,但没有一个公式能兼综合考虑以上诸因素。现将国内常使用的几个抬升公式列于表1,供有关人员从事烟囱设计时参考。表i中:a、1 10、nz、nZ、mo、ml、mZ、Y。、丫一、Y:、a。、a一、aZ、b。、b:、b:、e:、e:一均为常数系数;.T、T.、T一分别为大气温度、烟气温度、两者温差(。K);D一烟囱出口内径(m);w一烟气出口速度(m/s);云一烟囱几何高度处的风速(m/)s,

8、H一烟囱几何高度(m);e一位温(),00e/z为位温梯度(k/100m);QH、Q。、qH一为排热率,其单位分别为Ke al8/、CalS/、KJ/s;x一离开烟囱的距离(下风向)(m),F一烟气浮力通量(m4s/“);计算公第1期工厂烟囱直径和高度的计算方法国内常使用的烟气拾升公式序号计算公式适I)条件Mosea nsdCarson公式=C:黔旦+C:里供适用于平原地区、中性大气 条件、Q,H8.4xl o.J/s的点源,但 结 果常偏低。扣一厂卜!Holla nd公H二1.SWsD/五,。I_T,、,=WoD妙5+2,矛言D)/“11二2(1.SWsD+4x10一,Q,一)/u适用于 平

9、原地区、Q“x(2.ixl o4)/s或么T 3 5OK的条件,但结果 往让偏低。CONCAWE公式1二0.1了SQ尹HI,2/丽适 用于有风、中性大气层结下的小烟囱。Lu e a s公式H二24Q产H,2/五H=(12.5+。.0 9Hs)适用于 强热源,对中小型烟砚结果常偏低。美国 TV A公式H=l i 4aFl,/五技术原则公式一磕币一H=n。Q乳,H号,/H二m。Q哥H罗/“I一卜r。Q分.砂理一.夕旦一1 r:一“、HL一.T沼H=a。q圣 泣一:x一 2/诬参照技术原则适用于不 稳定和中性大气条件,绪果较适 中。宝饥公式H二b。F:xbZ/用于大型强热源式为:F二9ow.oD2.

10、T/(4T.)式中:g一重力加速度(m/扩)这几个公式各有千秋,在选用时一定要弄清它们的适用条件和范围,不能随意套用,实际设计应用时,应再查 阅有关资料。2.烟白有效高度H。的计算对于平原地区,中性气象条件和连续排放的点源,其烟囱有效高度与污染物排放量、地面最大浓度 的关系可采用简化的高斯扩散模式描述:对于平原农村:H.二。.252(聂)。“H“052(、粉)“对于城市远郊:式中:Q一源强(mg/)s,C二一地面最大浓度(mg/N m),H一烟囱有效高度(m)。3。烟白几何高度的计算及修正(1)烟囱几何高度的计算H,=H。一H(2)烟囱几何高度的修正技术原则中规定:烟囱高度不得低于它附近建筑物

11、高度的1.52.5倍。因为环境建筑的机械湍流高度一般是建筑物高度的2倍左右,向下风向延伸的水平距离约是建筑物高度的51 0倍,一般说来,烟囱高度是建筑物的2.5倍才能避开建筑物机械湍流的24上 海 金 属(有色分册)第,卷影响,所以通常把2.5倍的建筑物高度叫“起码高度”。用前述方法计算后的烟囱高度必须用“起码高度”进行修正;如果很难做到,一般也不应使烟囱低于建筑物高度的1.5倍。文中“附近”一词多指烟囱与建筑物之 距离x满足如下条件:0(x(ZH,四应注意的几个问题1。地面.大落地浓度C二的确定烟囱高度和直径的设计通常是基于这样一个基本原则:保证地面污染物最大落地浓度(包括本底)不超过某一规

12、定限 值(记为C.)。在我国,通常取C:等于大气质量标准的规定值,若已有本底值C、,则C二不得超过C,与C、之 差,即:C二(C:一C、。据此设计 的烟囱高度也是一个低限。C.的确定要 视 当地的具体情况而定,大气环境容量通常不会只 让一个烟囱占用,有时c.会取得更小,如国外有的取c二=李一、8l、,。、_,一一卜,一-一-金)(C,一C、)。对于 巳开发的地区和未开发25/一一“,“,曰“”卜/.从的地区、对于工业 规划区和非工业规 划区等,共取值方法都有所不同,通常可用下式他、。1,。、确定,C二“宕c:一C“,“,“,”。但最好的办法是与环保管理部门协商确定。2.地面浓度分布的合理化烟囱

13、直径和高度计算并不复杂,但要把环境卫生和 经济效益统一起来却不是一件容易的事。工程上常常是多个同类或不同类污染源密集或呈直线排列、也可能任意排列,在某种风向和扩散条件下,各烟囱最大落地浓度区域可能重合、产生叠加效应;前面提到的宝钢电厂和烧结厂二主烟囱就属这种情况。要做到地面污染物浓度分布合理,不仅应减弱或避免叠加效应,而且还应该使最大落地浓度区域避开高本底值区和“敏感区”,这就要求在设计前应对当地的地形、地貌、环境本底等情况有所了解,这样才有可能使设计的烟囱比较合理。3.计算结果出现异常在进行烟囱设计时,有时会出现Hs为负值、污染物排放量越大而烟囱几何高度越低等异常情况;这主要是抬升公式选择不

14、当所引起的,因此选择合适的抬升公式是准确、合理确定烟囱高度的前提。在选用抬升公式时,一定要仔细分析当地的地形、地貌、气象等条件、抬升公式的使用范围和适用条件,然后再选择最佳公式进行计算,如果当地巳做过大气环境影响评价或气象观测试验,就要及时收集这方面的资料,对其进行研究分析。4.超商烟白的效益增加烟囱高度可以降低污染物落地浓度,但随着烟囱高度的增加,其环境效益却越来越差,而烟囱造价却激剧增加,见表2。由表可见,烟囱的高度通常不宜超过2 0。米。超高烟囱还存在上部逆温问题。烟囱越高,上部逆温越明显,实际观测发现,大于200米的高烟囱,封闭型扩散占主 导地位,表2烟白离度与造价、效益的关系Hs(m

15、)CmHs/C二100效益(%)造价比2 2 200 0 025 0 0 0 400 0 0,。50 0 0 0 00 0 0。25 5 50。16 6 60.1 1 1 10。08 8 80.06 6 63 3 3。招招1。8 8 81.0 0 00.6 6 60.4 4 44 4 4。5 5 5l 0 0 02 3 3 358 8 8140第1期工厂烟囱直径和高度的计算方法对烟气中污染物的稀释和扩散十分不利。国外许多文献报导,酸雨的人为源主要是超高烟囱;因为烟囱越高,烟气中的污染物在高空的滞留时间越长,转化成酸雨的几率也就越大。采用超高烟囱来减轻地面污染本来就是一种消极的措施,所以实际设计

16、时应通过技术经济分析和环境效益分析来确定合适的烟囱高度。5.其它方面的考虑一般说来,增加烟囱高度可减轻地面污染。目前,用高烟囱或超高烟囱排放某些大气污染物仍不失为减轻环境污染的一项重要措施,但这是一种消极的办法,故应适可而止。现今,对烟尘的治理,国内已有成熟的技术和经验,不应靠增加烟囱高度来加大排放量,而应选用高效率的除尘器除尘,做到最大限度地减少其绝对排放量。但烟气温度对抬升能起很大的作用,据有关资料介绍,对于中等规模的发电厂,若排出烟气温度为10 0 2 00,在sms/的风速条件下,烟气温度每升高1就可使抬升增加1.5米左右。因此建议对这类温度较高而又含气态有害物的烟气尽可能采用干法除尘

17、。对气量大、浓度低的502、NO二烟气控制,目前国内尚无技术上成熟、经济上可行的好措施,这才不得不依靠加高烟囱来满足排MethodforCaleulati放标准。但施工设计时应考虑到今后的发展,留有足够空地以便将来安装烟气脱硫装置。当烟气量过大时,一般不宜采用多烟囱分散排放,因为分散排放对烟气抬升不利,从减轻环境污染的角度来看也是不合理的,所以应尽可能采用单烟囱或集合烟囱排放。五结束语上述计算方法都是以中性或近中性大气条件下的锥型扩散为基础的,实际上还存在其它类型的扩散,例如波型扩散、扇型扩散、漫烟型扩散、屋脊型扩散和封闭型扩散等。一般来说,对于只有几十米高的低矮烟囱,尤其是城市的低矮烟囱,最

18、好查 阅有关资料按波型扩散进行计算;对于高烟 囱或超高烟囱,目前尚无成熟可靠的办法,在缺少混合层等资料时,可按封闭型扩散计算。参考文献l 西安冶金建筑学院环境工程 教研室,环境 质t评价,1 98 4年8月幻 西安冶金建筑学院环境保护教研室,大气污染控制工 程)(下册19 8。年3 马广大主编,大气污染控制工程,中国环境 科学出版社,1985年们蔡存福,工矿企业大气环境影响评 价中 应考虑的几个间翅,19 8 6年5李宗恺,空气污染气象学 原 理及应 用,气象出版社,1 9 85年1月6制订地方大气污染物排放标准的技术原 则 和方法,GB384 0一8 37 环境工 程,1 9 8 5年第3期

19、8通风除尘,1 98 3年第1期ngtheDiamete r sandHeightsofFa eto ryChimn eysZ hangChu an xiu(Sha nghalMetallu rgiealDesignandResearehInstitute)Abstr aetThea fctorsgo v e r ningthee aleulatio nofdiametersandheightofa fetoryehimneysaredise u ss edintermsofen vir onme ntalhygieneandeost.Themethodo fre ale ulatingdiamete r sa ndheightsofeh imn eys15ProPos ed。Kevwo rds:Faeto ryeh imneys,D iameterofeh imn ey,Heightofehimn ey,Caleulatingmethod.