大气污染控制工程烟囱高度设计剖析.docx
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大气污染控制工程烟囱高度设计剖析
《大气污染控制工程》大作业
——大同二电厂二期工程火电厂烟囱设计
姓名:
学号:
指导教师:
北京交通大学
土木建筑工程学院市政与环境工程系
2013年10月21日
第一章山西省煤炭资源及电厂分布介绍
1山西煤炭资源简介
1.1得天独厚的山西煤炭资源
山西是我国最大产煤省,素有“煤乡之称”。
煤炭资源优势得天独厚,储量大、分布广、品种全、质量优、易开采。
全省含煤面积6.2万平方公里,占国土面积的40.4%,自北向南分布有大同、宁武、西山、河东、沁水、霍西6大煤田和浑源、繁峙、五台、垣曲、平陆5个煤产地,含煤地层有石炭二叠系、侏罗系及下第三系。
1995年全国第三次煤田预测资料显示,全省2000米煤炭资源总量为6400亿t,占全国的16%,截止1996年末累计探明储量2662亿t,占全国27%(其中:
煤焦煤占57%),保有储量2613亿t,占全国的27%,境内各类煤矿批准占用储量约1500亿t。
据1986年中国煤炭分类国家标准,山西拥有14个牌号的煤种,由其是大同的动力煤,阳泉、晋城的无烟煤,离柳、乡宁的稀有炼焦煤储量大、分布广,开发历史久远,特别是改革开放以来在市场上开创了极佳的品牌效应;山西成煤时期主要在古生代,主要含煤地层为石炭、二迭系和侏罗系;部分为第三系;目前开发的煤炭平均埋深在300~500m,地质构造大部分地区较为简单,开采条件好。
煤质优良,大部分为低硫、低灰、高发热量。
1.2煤炭开采给山西造成的生态环境影响
1.2.1严重的水资源破坏和水污染
采煤造成严重的水资源破坏,加剧了水资源短缺。
根据《山西省煤炭开采对水资源的破坏影响及评价》结果,山西每开采1吨煤直接破坏2.48吨水资源。
每年开采的5亿吨煤,破坏的水资源达12亿立方米左右,相当于山西省整个引黄工程的总引水量。
而山西人均水资源拥有量不到全国平均水平的五分之一,水资源短缺严重影响山西人民的正常生产和生活。
1.2.2触目惊心的大气污染
煤尘、矸石山自燃、燃煤锅炉形成了煤矿区以二氧化硫和烟尘为主要的高浓度污染物,形成了危害严重的煤烟型大气污染,城市的空气质量极其恶劣。
根据山西省环保局统计,2003年山西省煤矿区二氧化硫排放量达32.97万吨,烟尘年排放量达44.82万吨,分别占到全省排放量的32%和51.5%。
1.2.3土地资源的严重破坏
近20多年来,山西作为国家主要能源基地,加强了基地建设力度,更大规模地开采煤炭,造成矿区土地塌陷、地表扰动、崩塌、泥石流等严重的地质灾害。
据调查统计,截2004年,山西省矿区面积累计已达8000平方公里,其中采空区面积达5000平方公里,引起和潜在严重地质灾害的区域约2940平方公里,每年新增塌陷区面积约94平方公里。
目前,全省矿区土地破坏已遍及大同、朔州、晋中、晋城、长治、临汾、阳泉、吕梁、太原等多个地市,发生次生地质灾害的范围波及1900个自然村,涉及95万人。
1.2.4生态环境破坏的经济损失代价
煤炭工业造成的环境污染损失主要包括大气环境污染损失、水环境污染损失和固体废弃物损失等方面。
根据山西省有关部门测算结果,2003年山西省煤炭开采造成的大气、水及固体废弃物污染的环境损失约62亿元,平均环境污染损失为13.78元/吨煤。
山西省煤炭工业造成的生态破坏经济损失核算主要包括以下内容:
采煤造成的水资源性破坏的损失、采煤漏水造成的缺水人口、采煤造成的水土流失、森林资源生长量损失、采煤占地损失、破坏植被引起释氧减少的损失、采煤破坏耕地的复垦费用、消耗坑木及生物多样性损失、生态重建恢复植被费用、湿地生态系统损失、土地塌陷损失、物种资源丧失等。
2003年采煤造成的生态破坏经济损失核算结果为226.77亿元,平均吨煤生态破坏经济损失为50.45元。
2山西省火电厂概况
2.1火电厂统计
所在市
电厂名称
装机容量(万kW)
备注
阳
泉
市
南煤龙川
2×13.5
阳光电厂
120
向阳泉市及平定县采暖供热
山西国阳新能股份有限公司第三热电厂
6
河坡电厂阳泉市
30
阳煤电厂
40.5
长
治
市
武乡电厂
2×60
漳泽电厂
84
山西漳山发电有限责任公司
2×30+2×60
容海电厂
2×13.5
王曲电厂
2×60
国家“西电东送”北通道重点工程项目之一
潞安余吾电厂
2×13.5
晋
城
市
阳城电厂
6×35+2×60
向江苏送电
晋城热电
2×30
成庄电厂
5
寺河煤层气发电厂
12
兰花大宁煤层气发电厂
3.5
朔
州
市
永皓电厂
2×5
神头一电厂
120
向本省和京津唐地区供电
神头二电厂
2×50
向本省和京津唐地区供电
格瑞特煤矸石综合利用电厂
2×13.5
平朔煤矸石发电有限公司
2×5+2×30
小五台风电
4.125
风电
败虎堡风电
3.375
风电
国电洁能有限公司右玉
4.95
风电
国电高家堡风电
4.95
风电
晋
中
市
安平电厂
2×15
榆社电厂
80
榆次热电
60
运
城
市
大唐国际运城发电有限公司
2×60
运城关铝热电有限公司
2×20
河津电厂
2×35
华泽电厂
2×30
蒲光电厂
2×30
忻
州
市
同华电厂
120
保德电厂
27
广宇电厂
27
繁峙云雾峪风电
4.95
风电
神池霸业梁
9.75
华能宁武风电
4.95
风电
万家寨水电
54
水电
河曲电厂
120
天桥水电
12.8
水电
龙口水电
42
水电
西龙池抽水蓄能电站
120
主要承担山西电网的调峰、填谷任务
临
汾
市
临汾热电
2×30
侯马晋田热电厂
10
山西兆光发电有限责任公司
2×30+2×60
向山西南网供电
吕
梁
方山电厂
10
柳林电厂
2×10+2×60
2.2主要电厂介绍
2.2.1大同二电厂
山西大同二电厂隶属国电电力公司,位于山西省大同市南郊光华路,全厂占地面积453.56公顷,与京大高速公路紧紧相连,交通便利,是我国西电东送的主力电厂。
主要担负着向首都北京输送优质电能的任务,建厂近30年,年平均在发电量70亿千瓦以上,为首都的建设及国民经济的发展做出了巨大贡献。
国电大同第二发电厂一期建有6台200MW机组,二期两台600MW亚临界直接空冷机组(7、8号机组)于2005年全部投产发电,三期装有2×660MW超临界直接空冷机组,2009年5月28日,9号机组完成了“168”小时试运,2009年10月,10号机组完成“168”小时试运,三期工程全部竣工,总装机容量达到3720MW即372万千瓦。
大同第二发电厂DG670-5型锅炉由东方锅炉厂生产,最大连续蒸发量为670t/h。
锅炉为П形布置。
三期扩建工程三大主机中锅炉由东方锅炉(集团)股份有限公司设计制造,为自然循环煤粉炉。
1988年11月25日一期工程全部完工,共安装六台国产20万千瓦发电机组,总装机容量120万千瓦,年发电量70亿千瓦时以上。
和一期同步建成的500千伏超高压输变电站是华北电网西电东送的重要枢纽,将内蒙和山西的部分电力汇集于此,通过大房(大同-房山)500千伏超高压输电线路送往京津唐电网。
大同第二发电厂二期扩建工程是一座大型坑口电站,设计装机容量为2×600MW,二期工程在空冷、脱硫及中水利用等方面均处于国内领先水平,要求建造一流示范电厂。
烟囱为两炉共用的双筒式钢筋混凝土结构全程负压烟囱,设计高度为240m,出口直径为10m。
该烟囱由钢筋混凝土基础、钢筋混凝土内外筒、信号平台(三层)、顶部平台、烟道接口和其他附属设施等七部分组成。
国电大同第二发电厂(三期)扩建工程建2×660兆瓦超临界直接空冷机组。
项目总投资50亿元,由国电电力发展股份有限公司与北京国际电力开发投资公司分别按60%和40%的比例共同出资建设。
建设周期:
自2007年起至2009年止。
建厂投产20年间,大同第二发电厂创造了良好的经济效益和社会效益。
特别是在2001年划归国电电力发展股份有限公司以来,企业按照上市公司的要求,在中国国电集团公司和国电电力发展股份有限公司的正确领导下,深化改革、强化管理、提高效益,取得了显著的成效。
截至2003年底,大同第二发电厂已累计发电1200多亿千瓦时,同时,就地消化转化煤炭资源5000余万吨,共计缴纳各种税款10亿余元。
荣获“全国火力发电效益十佳企业榜第六位”、“山西省双文明建设先进单位”和国电集团“一级奖状”等。
2.2.2神头第一电厂
神头第一发电厂位于雁门关外,桑干河源头,东至首都北京360公里,南踞山西省省会太原239公里。
是一座装机容量120万千瓦的国有特大型企业,先后安装有两台5万千瓦国产机组(根据有关规定现已关停)、两台20万千瓦原苏联机组、四台20万千瓦捷克机组,是华北电网骨干火力发电企业之一,担负着向本省和京、津、唐地区的供电任务。
该厂分三期建设,一期安装两台国产5万千瓦机组(现已划归山西晋能集团公司),二期安装两台原苏联20万千瓦机组,三期安装四台捷克20万千瓦机组。
1977年2月17日首台机组投产,1987年12月最后一台机组并网发电。
锅炉为两台67OT/H自然循环汽包炉,四台65OT/H直流锅炉,六台200MW汽轮发电机组。
发电燃料用该厂西侧有储量为126亿吨煤田。
用水主要为神头泉组,平均流量为每秒6立方米。
灰场有两座,其中一座在建。
生产系统为管路水力除灰。
通过神大线等14回线路并入电网。
神头发电厂位于山西省朔州市神头镇,非常靠近平朔煤田,是典型的坑口电厂。
电厂最初在1956年就开始筹划,但因为经济困难,而且总体设计思路多次变更,所以一直处于筹备阶段。
1966年文化大革命开始后,设计主要考虑的是“进山进洞”,到了1972年又调整为“靠路靠水”,在经过多方比较后,最终选定在靠近同蒲铁路的神头泉边兴建。
从1972年到1993年的21年中,电厂实现了连续建设、连续投产。
1973年起,首先由山西省地方政府在这里建设了两台均为7.5万千瓦的小型机组,于1977年投产。
但这两台机组的效能不佳,后来都被降为5万千瓦。
在一期完工的同年,电厂被上划到中央政府,并开始二期工程的建设,安装两台从苏联引进的发电机组,于1981年完工。
1982年起,中国和捷克政府合作,在神头建设了三期工程,安装四台捷克产的20万千瓦发电机组,于1987年全部建成。
在最初规划的时候,神头就被设计成了“一厂两站”,分为两套系统,可分别扩展。
第二电厂于1987年开工,位置在第一电厂的西侧,安装两台同样是捷克产的50万千瓦发电机组,直接向京津唐电网供电。
神头第一发电厂一期的业主为山西晋能集团朔州能源发展有限公司,该公司的主要股东有山西省晋能集团有限公司(90%)、山西朔州环宇有限公司(10%)。
近年来,山西神头一电厂把技术创新作为迎接新挑战、占领制高点的法宝,积极推行科技兴厂战略,大刀阔斧地对洋设备进行技术改造,使企业在激烈的市场竞争中昂首挺立于不败之地。
神头一电厂是一座装机容量120万千瓦的大型骨干发电企业。
投产之初,由于设备制造工艺差、稳定运行水平低、锅炉泄漏等故障频发,严重制约了生产的发展。
生产实践使厂党政一班人认识到,电力企业作为技术密集型企业,必须注重技术创新。
为此,厂里确立以人才为主的发展观和科技进步机制。
始终把智力劳动作为重要资本和技术创新的第一要素,坚持稳定工程师、技术员、工人技师等“第一生产力”,做到生活上关心、政治上信任、工作上重用。
近几年,厂里建起了“高工住宅楼”和“科技档案楼”;设立了生产技术处、成立了计算机中心、试验中心、科学技术协会等科技机构;推行了技术主管负责制和全员培训、持证上岗制度;在全厂生产车间组织了上百个分门别类的专业技术攻关小组,承担各类攻关课题;建立起了科技人员政绩档案。
通过对重大技改项目实行公开招标,对重大设备隐患采取定期分析研究,对机组大小修立足于动大手术,对科技人员压担子、加任务等一系列措施的落实,成功地攻克了捷制锅炉频繁泄漏、热工保护误动、厂用电率高、汽轮机转子掉叶片、磨煤机大小牙轮磨损等一大批影响机组稳定运行的设备隐患和技术难题,完成了150多项重大科技攻关项目。
去年,他们抓住设备和检修质量两个关键环节,在成功进行了3号、4号机组设备改造的基础上,又完成了5号机组热控DCS改造以及锅炉受热面改造;完成了500千伏电抗器保护系统改造,解决了一批影响机组安全稳定经济运行的重点技术难题,使洋设备再现了活力,让老机组焕发了青春。
技术创新使神头一电厂6台进口主力20万机组健康水平和自动化程度大幅度提高,有力地推动了生产经营蒸蒸日上,促进了各项经济指标全线飘红。
截至6月30日,该厂累计完成发电量38.01亿千瓦时,完成全年计划任务的51.37%,超时间进度3.58个百分点,多发电13153万千瓦时,比去年同期多发电39894万千瓦时,提前6天完成上半年生产任务;综合厂用电率比去年同期降低1.03个百分点,供电煤耗完成382克/千瓦时,与年计划持平,创出历史同期最高水平。
3号机组连续安全运行412天,创全国同类型机组长周期运行历史最好水平。
全厂实现了连续安全生产766天的好成绩。
2.2.3神头第二发电厂
神头第二发电厂位于山西省朔州市,安装有两台500MW燃煤机组。
是山西省乃至华北地区第一座单机容量最大的火力发电厂,是山西电网和京津唐电网的主力发电厂之一。
神头第二发电厂位于朔州市境内,于1988年3月正式开工,1991年7月建厂,是山西省乃至华北地区第一座单机容量最大的火力发电厂,是山西电网和京津唐电网的主力发电厂之一,设计总装机容量为2000-2200MW,分两期建成。
一期工程是国家“七五”、“八五”期间重点建设项目,二期扩建工程于1997年7月经国务院批准,可行性研究报告2001年2月经国家计委批准,2002年8月正式开工,预计2005年投入商业运营,该项目是国家“西电东送”北通道首批开工项目之一。
神头二电厂的烟囱高度为270m,出口直径为9m,于1990年月竣工,结合工程特点和已掌握的经验,选择了90m标高以下内筒双滑,外筒翻板,在90m标高将滑升模具拆装到外筒壁上,一直双滑到270m,内筒90~100m段砖砌体挂吊盘的施工方案。
第二章设计计算实例
1计算方法
烟囱高度的设计不仅要满足在建设项目投产后,大气污染物在一定范围内不允许超过环境目标浓度值,另一方面还要考虑造价的影响。
通常有两种途径进行计算:
按地面最大浓度公式和地面绝对最大浓度公式计算。
这里采用前者,计算公式为:
文献指出,在应用
(1)式计算Hs时,ΔH可直接按《制定地方大气污染物排放标准的技术方法—GB/T13201-91》计算,但因为ΔH的计算依赖于Hs,不能再Hs未知时计算
。
因此建立如下联立方程组确定Hs和ΔH,同时求解Hs和ΔH:
从文献介绍来看,ΔH的经验公式很多,而且他们之间彼此差别较大,在完全相同的烟源参数和气象条件下,不同的ΔH经验公式计算值之间相差几倍的情形并不少见。
同时,ΔH随气象参数变化而有很大不同。
在计算Hs时,一般采用中性状态下的ΔH。
这里选定GB/T13201-91中的经验公式:
2大同二电厂二期工程烟囱设计计算
2.1原始资料
大同二电厂二期工程装机容量为2×60万kw,采用晋华宫矿煤。
根据资料,一台60万kw的火电机组年消耗原煤150万吨。
厂区建在大同市南郊区,属于远郊区,周围10km内地势较平坦且无其他污染源,县气象站观测多年平均风速为2.9m/s,年平均气压为895.2hpa,年平均气温为278.8K,空气过剩系数为1.4,烟气出口温度为389K。
晋华宫矿煤成分见下表:
项目
单位
晋华宫矿煤
工业分析
Mad
%
14.1
Vdaf
%
34.52
Aar
%
15.18
元素分析
Car
%
65.2
Har
%
4.21
Oar
%
6.43
Nar
%
0.88
Sar
%
0.7
Mar
%
7.4
Aar
%
15.18
低位发热量
KJ/kg
25080
哈氏可磨性系数
HGl
62
变形温度DT
℃
1220
软化温度ST
℃
1310
流动温度FT
℃
1360
灰分分析
SiO2
%
58.61
Al2O3
%
20.09
Fe2O3
%
10.7
CaO
%
1.54
2.2燃烧的计算
耗煤量
以1kg设计煤种为基础,则:
质量/g
物质的量/mol
理论需氧量/mol
C
652
54.33
54.33
H
42.1
42.1
21.05
O
643
40.19
20.09
S
7
0.22
0.22
N
8.8
0.63
0
H2O
74
4.11
0
理论需氧量为
即
理论空气量条件下烟气组成(mol)为:
CO2:
54.33,H2O:
(21.05+4.11),SO2:
0.22,N2:
0.315+55.51×3.78
理论烟气量为:
即
空气过剩系数
时,实际烟气量为
实际排烟率为
2.3大气稳定度的确定
2.3.1大同地理气象资料
大同市位于山西省北部,地处黄土高原东北边缘。
地理坐标为东经112°34′到114°33′,北纬39°03′到40°44′之间,平均海拔1056米。
北以外长城为界,与内蒙古自治区相邻,西、南与本省朔州市、忻州地区相连,东与河北省相接。
大同处温带大陆性季风气候区,受季风影响,四季分明,春夏秋凉爽,昼夜温差大,年平均气温3.6~7.5℃,最冷月为1月份,平均气温是-11.3℃。
春季里气温回升很快,平均气温7~9℃,总是乍暖还寒;多大风,降雨较少,平均降水量仅为50mm左右,占年降水量的15%,时有飞雪相随,且下且化。
夏季气候温和,平均气温在19~22℃之间,雨水集中,平均降水量近250mm,占全年降水量的60%以上;大同的夏天凉爽舒适,多温和的东南风,旅游者们多于夏季来此避暑胜地观光。
秋季来临后气温便逐渐下降,平均气温在6~8℃之间,这时常碧空万里、天高气爽。
冬季较为漫长,长达四个多月,盛行西北风,日短天寒。
平均气温在零下7~12℃之间。
年日照时数较长,约为2800小时,光能利用潜力十分可观。
2.3.2大气稳定度计算
观测时间为10月下旬,太阳倾角为-12°。
太阳高度角的计算
代入得:
总云量/低云量符合(5~7)/4条件,查表4-5得太阳辐射等级数为0,地面风速为2.9m/s,查表4-6得大气稳定度等级为D级。
2.4扩散参数的确定
对于城市远郊区,D稳定度按向不稳定方向提半级计算,则按C~D计算。
2.5烟囱高度的计算
SO2排放源强按下式计算(脱硫效率按85%计,SOX中SO2占97%)
代入得:
烟囱出口处平均风速计算
,m为不同稳定度条件下的风廓线幂指数,见下表
A
B
C
D
EF
城市
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
乡村
0.07
0.07
0.10
0.15
0.25
由实际资料得烟囱高度大于200m,因此选用公式4,若最终结果求出烟囱高度大于200m,则计算正确。
中性条件下城市远郊区D取0.25代入得:
烟气热释放率按下式计算
,
烟囱高度按下式计算
根据《环境空气质量标准GB3905-2012》大气二级标准为环境目标值,采用年均浓度限值0.05mg/m3。
(6)式中,
若取0.5则不保险,取1.0则太保守,本计算中先取0.75,计算出烟囱高度及抬升高度后再检验。
将各有关数据代入(6)式得
联立(5)和(7)
解得:
2.6检验扩散参数并计算地面最大浓度
垂直扩散参数
按表4-8幂指数计算,在C~D稳定度
时,
则
,在0.5~1.0之间。
因此在误差允许范围内计算正确。
最大地面浓度为
2.7烟气速度及烟囱内径的计算
出口烟速、出口内径这两个参数,与排气筒排放烟气量有直接关系。
单位时间内通过烟囱出口的烟气量(即排烟率Qv)除以烟囱出口面积即为出口烟速νs。
通常,出口内径应根据设计最佳出口流速确定。
烟气出口流速,涉及到“经济流速”的工程设计理念和烟囱高度合理性的问题。
从大气污染物排放和扩散角度来讲,在保证满足排气筒设计要求的前提下适当加大出口烟速,有利于烟气及污染物的动力抬升和降低落地浓度。
但是,出口烟速过高则易导致送风、排烟系统压力过大,经济上不适宜,且烟气在烟囱出口处会出现急剧夹卷效应;而出口烟速过低易造成烟气在烟囱出口处出现下洗,从而排烟不畅,不利于烟气排放和迅速扩散,既影响相关排烟设备正常运行和经济技术设计最优化,同时也会出现漫烟等扩散造成局部重污染。
两者形成平衡,才是合理。
根据排气筒出口处的烟气速度νs不得小于按下式计算出风速µc的1.5倍,以避免烟囱本身引起的下洗现象。
且为了获得较高的烟气抬升高度,排气筒出口烟气速度νs宜为20~30m/s。
根据之前的计算,烟囱出口处的风速为
代入(9)式得
查《制定地方大气污染物排放标准的技术方法GB/T13201-91》附录C得
代入(8)式得:
则
,取νs=27m/s
烟囱出口内径为
2.8结果讨论
计算烟囱高度为230m与实际烟囱高度为240m基本接近,相对误差为4%。
计算内径6m与实际内径10m均有一定差距,相对误差为40%,可能由于烟囱出口烟气速度选取过大,若按排气筒出口烟气速度不低于出口高度风速的1.5倍算,烟气速度约为9.2m/s,则内径为10.05m,约为10m。
烟囱底部直径
,I为锥度,一般取0.02~0.03,本设计为钢筋混凝土烟囱,I取0.02。
则
10m内径的烟囱最小厚度为200mm,根据设计资料,顶部外径为11.18m,底部外径为20.38m。
其他两个电厂计算过程同此计算过程,因此省略。
在此计算中可能还存在以下原因,使结果在有效误差范围内:
(1)SO2背景值取值不当,在计算中发现浓度限值与背景值的差值对烟囱有效源高的影响很大,很小的波动可能会引起几十米的误差,但又无法查到设计资料的背景值,因此通过试算大体取了一个值。
(2)耗煤量不准确,150吨/台只是新闻里的数据,并没有很精确。
(3)扩散参数取值不够精确,刚开始只是估算了0.75,实际算出来是0.64,,二者之间有差别。
第三章烟囱图纸
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