Austal 2000应用于国内“烟塔合一”类项目大气影响评价

Austal 2000应用于国内“烟塔合一”类项目大气影响评价 Austal 2000应用于国内“烟塔合一”类项目 大气影响评价 第24卷第1期环境监测管理与技术2012年2月 ? 争鸣与探索? Austal2000应用于国内”烟塔?一,,I=l类项目大气影响评价 周阳,王红宇,李志强,王伟,赫洁 (1.天津市大气污染防治重点实验室,天津300191;2.天津市环境保护科学研究院,天津 300191; 3.天津市联合环保工程设计有限公司,天津300191;4.河北工业大学,天津300401) 摘要:简述了德国”烟塔合一”类大气污染扩散模式,以及相关模式Austal2000的应用方法,修 正了气象参数以适合 本地化应用.以天津某电厂为实例,将Austal2000模式”烟塔合一”和烟囱排烟方式的计算结 果进行了对比分析.结果表 明,在进行本地化修改后,Austal2000模式适用于国内有关项目大气预测评价,但从环境影响 角度考虑,”烟塔合一”相对于 高烟囱排放方式没有明显优势,应用时需慎重. 关键词:大气扩散;环境影响评价;烟塔合一;Austal2000;S/P模式 中图分类号:X820.3文献标识码:B文章编号:1006—2009(2012)01—0056—06 ApplicabilityofAustal2000inAtmosphericImpactAssessmentfor „„CoolingTowerwithFlueGasInjection??ProjectinChina ZHOUYang?,,WANGHong.yu,,LIZhi.qiang?,WANGWei?,HEJie (1.TianjinAirPollutionControlLaboratory,n? in300191,China;2.Tianj?inAcademyofEnvironmental Science,Tianjin300191,China;3.Tia,inUnitedEnvironmentalEngineeringDesignCo.Ltd,Tianjin 300191,China;4.HebeiUniversityofTechnology,n.in300401,China) Abstract:ItwasintroducedGermanatmosphericdispersionmodel”coolingtowerwithfluegasinjection?? andrelatedmodelAustal2000forVDIguidelineapplication.SeveralmeteorologicalparametersinAustal2000 weremodifiedtoadaptmeteorologicalconditionwherethepowerplantlocated.ApowerplantprojectinTianjin wasselectedasanexampletocompareandanalyzetheAustal2000calculationresultsoffluegasexhaustby coolingtowerandbyhighchimney.Theresultsshowedthatafterlocalizedmodification,Austal2000wassuit— ablefortileatmosphericdispersioncalculationofthe”coolingtowerwithfluegasinjection”projectinChina. Comparedwithhighstackemission,”coolingtowerwithfluegasinjection??projectdonoobviousadvant agesto environmental1yfriendly,SOapplicationofsuchprojectneededtoconsidercarefully. Keywords:Atmosphericdiffusion;Environmentalimpactassessment;Coolingtowerwithfluegasinje c? tion;Austal2000;S/PModel 目前,几乎所有火电厂被要求将烟气脱硫后排 放.在各种脱硫技术中,湿法烟气脱硫具有烟气停 留时间短,脱硫效率高,吸收剂利用率高等优点得 到广泛应用.但是采用湿法脱硫后的烟气温度通 常为45?,65?,采用高烟囱排放时,必须加装 烟气再加热装置(GGH)以增加烟气抬升高度,使 得污染物得以有效扩散. “烟塔合一”技术是将脱硫后的烟气通过通风 冷却塔排放.该技术利用冷却塔的湿热空气对烟 一 S6一 气进行包裹产生较大的热力和动力抬升以增加烟 气高度,从而促使烟气中污染物扩散.采用”烟塔 合一”技术的电厂可以不设高烟囱,省去了烟囱和 烟气再加热装置投资,但冷却塔需进行结构加强和 防腐处理.”烟塔合一”技术简化了火电厂的烟气 系统,节约了投资,提高了能源利用效率. 收稿日期:2011—02—17;修订日期:2011—11—18 作者简介:周阳(1982一),男,湖南汨罗人,工程师,硕士,从事 大气污染扩散模式研究. 第24卷第l期周阳等.Austa12000应用于国内”烟塔合一”类项目大气影响评价2012年2月 1”烟塔合一”技术 根据德国《联邦空气质量控制法》中的大气污 染预防技术条例(TechnicalOrdinanceonAirPollu- tionPrevention),大型燃烧电厂的烟气经过湿法脱 硫后,必须再加热到?72?才能排放,通过冷却塔 排放烟气的电厂不受此规定限制….受此条例影 响,从20世纪80年代开始,”烟塔合一”技术在德 国新建电厂中得到广泛应用.德国也在一系列工 程实践中制定了”烟塔合一”的相关技术和评 价准则.常见的排烟冷却塔平面布置及内部结构 见图1和图2. 汽机房; 煤仓间; 集中控制楼; 锅炉房: 烟气治理设施; 烟道: 1#冷却塔(排娴塔); 2#冷却塔(排烟塔) 图1排烟冷却塔平面布置 Fig.1Layoutofcoolingtowerexhaust l一脱硫装置;2一吸收塔喷淋层;3一冷却塔;4一收水器; 5一配水层;6一填料层;7一烟道;8一防噪墙;9一进水管. 图2双烟道排烟冷却塔立体剖面 Fig.2Three—dimensionalprofileofdoubleflues exhaustcoolingtower 从21世纪初开始,鉴于”烟塔合一”技术的众 多优点及在国外的成功应用,加之一些地区对新建 电厂区域有净空高度限制或景观要求,该技术在我 国开始陆续被推广采用.如华能北京热电厂,大唐 哈尔滨第一热电厂,天津军粮城热电厂等均在湿法 脱硫后采用该技术排烟.针对该类项目的大气 扩散模式选取是在进行该类项目大气环境影响评 价预测分析时需要慎重考虑的问题. 2”烟塔合一”大气预测评价模式选取 2.I模式选取 我国《大气环境影响评价技术导则》(HJ2.2 — 2008)[33(简称《新导则》)中大气评价进一步预 测的推荐大气扩散计算模式是Aermod,ADMS和 Calpuff.关于该类模式与之前的《环境影响评 价技术导则大气环境》(HJ/T2.2—93)高斯 模式比较,前人做过许多工作.结果表明,与高斯 模式相比,《新导则》模式无论在计算参数确定还 是计算结果准确性上都拥有众多优点.然而, 《新导则》模式在进行点源扩散计算时主要针对从 常规烟囱排放的干烟气,其在计算烟气抬升时没有 考虑潜热及烟羽下洗对抬升的影响.”烟塔合一” 烟气排放方式与常规烟囱排放有很大不同,其排放 含有巨大潜热的湿烟团,排烟情景见图3. 图3烟塔合一烟气排放 Fig.3Fluegasexhaustfromcoolingtowerwith fluegasinjection 因此对”烟塔合一”类电厂的大气环境影响预 测时,不宜采用《新导则》中的推荐模式进行大气 污染扩散计算与评价. 目前国内”烟塔合一”类技术的应用刚刚起 步,针对这方面大气环境影响预测的研究工作开展 不多,尚无成熟的预测模式可供应用.德国此类工 作开展较多,专门制定了针对”烟塔合一”排烟方 式抬升计算的《大气污染物扩散模式VDI3784 Part2》.该标准了冷却塔排烟评估的启准条 件和烟羽抬升计算方法S/P模式.同时根据德国 《联邦空气质量控制法》制定了《大气污染物扩散 模式VDI3945Part3》,用于计算排放污染物在 空气中的质量浓度. 依照上述标准开发了相应的大气扩散计算模 式程序Austal2000,无缝集成了”烟塔合一”排烟 第24卷第1期周阳等.Austal2000应用于国内”烟塔合一”类项目大气影响评价2012年2月 烟气的抬升计算S/P模式VDISP程序.该模式不 同于高斯烟羽模式,采用拉格朗日粒子随机游走模 式,通过释放模拟粒子模拟污染物迁移扩散,通过 跟踪模拟颗粒的路径和空间分布计算污染物浓度? 分布.Austal2000由于其专业性,针对性而成为德 国”烟塔合一”大气扩散计算的法规模式,我国采 用该模式进行”烟塔合一”项目的大气扩散计算更 专业,计算结果也更为合理,可信. 2.2Austal2000模式 Austal2000模式应用于冷却塔排烟大气扩散 计算主要分为大气污染物扩散模式和烟气抬升模 式2部分.大气扩散模式依据的是德国《大气污 染物扩散模式VDI3945Part3》中描述的污染物扩 散模式;对于冷却塔排烟的烟气抬升计算,该模式 依据的是《大气污染物扩散模式VDI3784Part2》 中描述的S/P模式,通过该模式确定烟气自冷却 塔排出后的最终抬升高度和水平方向上的扩散 距离. 2.2.1S/P模式 S/P模式为三维流体动力学整型模式,由质 量,动量,能量和浓度守恒方程构成.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.烟团喷射路径不可预知,必须解得.将原始方 程中变量分为平均状况值和波动值,经过Reynold 平均和Prandt|边界层简化,假定时间平均的流场 不变,气压分为静力和不规则的气压扰动,采用 Boussinesq近似,得到守恒方程的整形形式. 质量方程: 芸』udr=E 动量方程: c”+”,rdr=一1fsin 守恒: grd..s一”Esi一c.6(si)z Pozz7r 大气要素平衡方程: 芸』c+udr=一dc~f(u+u【1)rdr 描述烟团气态和液态水的热力学方程(Clau— sius—Clapeyron方程)决定了烟团的宽度,对其方程 积分得到指数,扩展为泰勒级数,用比湿代其 水气压得到比湿差和温度差的关系: s,?一咖+击Td+(忐) × ??] 上述守恒方程中代入剖面函数,并从0积分到 尺一?,得到描述截面最大值的量u,,和因 变量0,b.在关系式dz=ds?sin0和dx:ds?cosO 的帮助下这些变量从s坐标转为,z坐标函数. 最后在给定初始场后数字解方程组. 2.2.2VDI3945Part3空气质量模式 VDI3945Part3模式采用拉格朗日粒子跟踪 方法,通过计算污染物喷烟团的路径和空间分布确 定污染物浓度.该模式的烟团输送和扩散由随机 游走过程确定. 烟团位置移动和湍流变化形式为: =+Jr[()+”+U](1) “=1/,(x)?五+W(2) 式中:,u为时间t时刻的值;未,五为时间t— 时刻的值;V(x)为平均风速;为湍流风速;U为附 加风速,像烟气热力作用的抬升,沉降等;?为速度 增值;为马尔可夫过程因子. 质量变化: m=+?Am(3) 式中:m为物质被一个颗粒输送掉的量. 转换矩阵系数A跟时间无关,并满足rlAI <1. 物质在空间,时间段[t,t]的时间空间 平均浓度c ?P IR ?fA()m(,)dt = tt (4)一(— A) 其中:当颗粒在空间时函数A(t)=1,否 则为零. 3模式计算的相关参数 3.1Austal2000计算参数 Austal2000模式计算所需要输入的气象参数 主要包括全年逐时的风向,风速及Klug/Manier大 气稳定度,Klug/Manier大气稳定度从极稳定到极 不稳定分别用阿拉伯数字1到6,其分类方法与我 . 量.l d能一一: — d—d 第24卷第1期周阳等.Austal2000应用于国内”烟塔合一”类项目大气影响评价2012年2月 国采用的Pasquil1分类法相似,但顺序相反,即用 Pasquil1分类法计算出的大气稳定度为极稳定时, 其对应数字在Klug/Manier分类中表示的是极不 稳定.因此在进行逐时稳定度计算可以仍采用文 献[5]中推荐的Pasquill法,根据所在地经纬度及 逐时风速,总云,低云及太阳辐射状况等进行计算, 将计算结果倒置后使用. 模式中涉及的地形参数主要包括地表粗糙度. 模式中污染源基本参数与Aermod模式中采 用的参数相同,包括污染源坐标,冷却塔高度,冷却 塔出口直径,烟气出口温度,出口流速及烟气排放 速率.另外”烟塔合一”计算模式中还要求两个关 于烟气方面的参数烟气相对湿度(%)和烟气液态 含水量(kg/kg).与Aermod等其他模式不同,Aus— tal2000通过释放模拟粒子跟踪污染物的迁移扩 散,因此模拟粒子释放速率等级参数(qs)是影响 计算结果的重要参数,该参数为整数型无量纲参 数,每增1,释放模拟粒子数加倍,计算结果不确定 性降低为原来的1/?2,但计算所花费的时间也随 之加倍.另外由于Austal2000计算立体单元网格 内的污染物平均浓度,因此,网格间距及层高度设 置也会影响浓度计算结果. 3.2Austal2000与S/P模式衔接 Austal2000程序在计算烟塔排烟烟气抬升时, 首先创建一张内部表存储已计算过的抬升高度及 抬升距离及其对应的冷却塔出口附近环境风速 (最多存储近200个),以后每次计算抬升前,先依 次计算当前环境风速与内部表中存储的已计算过 的环境风速的偏差,如果偏差<10%,则将该风速 对应的抬升高度和抬升距离作为当前风速下的抬 升高度和距离,而不再调用S/P模式计算,否则将 冷却塔高度,出口内径,出口烟气温度,烟气出口流 速,模拟风场计算后的冷却塔旁10In高度处风速 等参数写入VDIIN.DAT文件传递给S/P模式进行 抬升计算. S/P模式进行烟气抬升计算需要满足一定的 启准条件,即最小弗洛德数(F.数).F.是用于表 征冷却塔排放口动力和热力关系的运动学相似度 的无量钢参数.在《大气污染物扩散模式VDI 3784Part2》中规定,F.必须?0.35,否则不能采 用S/P模式进行抬升计算. F.=“/~/(I?lp.I)gD 式中:”,为冷却塔出13处的烟气排放速率, m/s;Ap为冷却塔出口处烟气和周围空气密度差, kg/m;p.为冷却塔出13处周围空气密度,kg/m;g 为重力加速度;D为冷却塔出口直径,m. 从公式可以看出,F数与烟气排放速率成正 比,与冷却塔出口直径成反比.计算完成,S/P模 式将计算结果写入VDIOUT.DAT文件返还给Aus— tal2000,否则认为当前小时抬升高度为0,并将错 误信息报告给Austal2000. 3.3模式输出结果 经过逐时计算后,Austal2000模式最终输出各 污染物的敏感点,计算单元网格的最大值和出现位 置以及各污染物各网格单元小时,日均最大值和年 均值. 4Austal2000应用于国内项目的适用性探讨 Austal2000模式基于德国空气质量控制法规 研发,模式内置了许多针对欧洲特点的参数,其计 算结果给出等方面也与《新导则》的要求存在一定 差别.在研究利用该模式时,主要存在以下几个 问题. (1)数据输出的法规符合性问题.依据《新导 则》模式计算结果应给出各污染物计算网格小时,日 均和年均最大值以及出现位置和时间,各敏感点各 污染物小时,日均最大值和出现时间以及年均值. 目前,Austal2000模式输出为1h,8h,24h及 年均值浓度极值结果及出现位置.该结果与《新 导则》要求不完全相符,如Austal2000给出计算结 果中不包括NO日均质量浓度最大值,模式均未 给出网格点及敏感点污染物的小时和日均质量浓 度极值出现时间,这一点也与《新导则》要求不符. 针对该问题,要求对Austal2000原始输出的逐日 逐时计算结果重新进行统计分析处理,输出符合 《新导则》要求的计算结果. (2)模型参数本地化应用问题.将Austal 2000应用于我国”烟塔合一”类项目大气计算的最 大问题在于气象参数的设定.Austal2000及相应 烟塔排烟烟气抬升高度计算模式,针对欧洲中部地 区的气候特点,各稳定度下的风幂指数,气温垂直 递减率及混合层高度,环境温度,环境相对湿度等 参数均在程序中以固定值形式给出,如将地表2m 高度处的环境温度固定为l0?,将空气相对湿度 固定为77%.然而中国幅员辽阔,各地气候条件 一 59— 第24卷第1期周阳等.Austal2000应用于国内”烟塔合一”类项目大气影响评价20l2年2月 与中欧相比肯定存在很大不同,在国内采用该模式 进行计算,应当针对当地气象条件特点对上述参数 进行修改后重编译程序. 对Austal2000及烟气抬升计算的VDISP源程 序进行修改,将上述参数的调用改为程序运行时从 外部文件读入,以便随时根据计算需要修改参数而 不需要每次对程序进行编译.另外原有程序在抬 升计算时采用了单一固定环境温度和相对湿度值, 为更好地反映实际气象状况,将其改为逐时值. (3)计算结果表达不确定性.由于Austal2000 模式采用释放模拟颗粒跟踪污染物的迁移扩散,所 有计算结果均对应一个统计不确定性.模型控制 模拟粒子释放速率的参数qs的设定直接影响模型 计算结果.计算时需要根据机器配置设定一个合 适的qs值以便在可接受的计算耗时内将计算结果 不确定性控制在一个较小范围. 5模式案例分析 采用上述方法,以天津市某新建”烟塔合一” 的电厂为例,将模式中涉及参数按天津实际气象条 件参数修改后,采用Austal2000对其进行大气扩 散计算,同时设计了相应高烟囱排放作为计算 对比参考.各污染物排放速率在2种排放方案中 相同,NO均以NO:计,且暂不考虑化学反应.计 算中采用的具体污染物排放参数见表1,所采用模 式参数见表2,气象参数见表3. 表1大气污染源计算参数 Table1Calculationparametersofairpollutionsource 表2Austal2000模式计算参数浓度对比分析,分析结果见表4. Table2Austal2000calculationparameters ?模拟区域的下热面为城市近郊;模拟粒子释放速率等级参数qs 为Austal2000模式中控制模拟粒子释放速率的无量纲整数型参 数,取值范围为一4,4,默认取值为0.该值设置越大,表示单位时 问内模式释放的模拟粒子数越多,计算结果不确定性越小,同时计 算耗时越长. 表3Austal2000气象参数 Table3Austal2000meteorologicparameters 经采用全年逐时气象数据进行计算,统计分析 后得出各种污染物小时,日均及年均最大落地质量 一 60一 表4污染物最大地面质量浓度值对比 Table4Comparisionofmaximumsurface pollutantconcentration 从计算结果对比分析可见,”烟塔合一”排烟 方式的小时,日均及年均最大地面落地质量浓度值 均大于高烟囱排放方式质量浓度值,因此从环境影 响角度考虑,全年气象条件下,”烟塔合一”方案对 环境影响要大于高烟囱排放方案. 鉴于2种排烟方式对环境影响的贡献值均在 空气质量二级标准值可接受范围内,当受净空高度 第24卷第1期周阳等.Austal2000应用于国内”烟塔合一”类项目大气影响评价2012年2月 等条件限制时,”烟塔合一”方案不失为一种较好 选择,但该方案在国内大规模推广应用还需慎重, 尤其是在大风不利气象条件下,”烟塔合一”排烟 方式烟气下洗容易在冷却塔附近产生较高污染物 质量浓度区,造成不利环境影响,应用时需严格设 置安全防护距离. 6结语 “烟塔合一”技术在我国应用刚起步,在当前 情况下,采用Austal2000对其进行大气扩散计算 比《新导则》推荐模式更有针对性.但运用该模式 需要对模式原有输出结果进行修改以输出符合 《新导则》要求的结果,同时对有关气象参数应进 行本地化修改以更好地符合当地实际情况.对模 式本身今后还应对其中更多参数选取与设置开展 更多研究,分析其与我国实际情况的相符性,从而 使模型更好地运用于国内项目大气扩散计算. [参考文献] [1]TechnicalDivisionofEnvironmentalMeteorology.VDI3784 (上接第13页) 综上所述,由于染料基质复杂,其中二嗯英的 预处理和检测技术无法统一,因而需要根据染料的 性质,选择最佳的分析方法.染料中二嗯英含量较 高,原料中的氯醌类物质是其主要污染源.我国是 染料生产大国,但是对染料中二嗯英的调查研究甚 少.吕亚辉等…对中国和27个国家的二嗯英排 放清单进行比较研究,结果表明,虽然中国的二嗯 英人均产污水平远低于其他国家,但全国二嗯英的 年排放总量,大气年排放量及本地污染指数较大, 开展二嗯英减排工作势在必行.目前我国对垃圾 焚烧,再生有色金属,炼钢生产,制浆造纸等行业, 已经完成或正在开展二嗯英排放因子及年排放量 的调查工作.因此,建立染料类化工生产中二嗯英 类污染物的分离分析方法,推进该行业二嗯英排放 因子的研究,摸清我国染料类行业的二嗯英污染现 状等工作显得非常迫切. [参考文献] [1]张济宇.二嗯英[J].环境监测管理与技术,1999,11(6):46. [2]KRIZANECB,MARECHALAML,VONCINAE,eta1.Pres. enceofdioxinsintextiledyesandtheirfateduringthedyeing processes[J].ActaChim.Slov.,2005,52:111—118. 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