大气污染控制工程烟囱高度设计剖析

/《大气污染限制工程》大作业——大同二电厂二期工程火电厂烟囱设计姓班级名：学班级号：指导老师：北京交通高校土木建筑工程学院市政和环境工程系2013年10月21日书目TOC\o"1-3"\h\u第一章山西省煤炭资源及电厂分布介绍 11山西煤炭资源简介 11.1得天独厚的山西煤炭资源 11.2煤炭开采给山西造成的生态环境影响 11.2.1严峻的水资源破坏和水污染 11.2.2骇人动目的大气污染 11.2.3土地资源的严峻破坏 21.2.4生态环境破坏的经济损失代价 22山西省电厂概况 22.1电厂统计 22.2主要电厂介绍 42.2.1大同二电厂 42.2.2神头第一电厂 62.2.3神头其次发电厂 8其次章设计计算实例 81计算方法 82大同二电厂二期工程烟囱设计计算 92.1原始资料 92.2燃烧的计算 102.3大气稳定度的确定 112.3.1大同地理气象资料 112.3.2大气稳定度计算 112.4扩散参数的确定 112.5烟囱高度的计算 112.6检验扩散参数并计算地面最大浓度 132.7烟气速度及烟囱内径的计算 132.8结果探讨 14第三章烟囱图纸 15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料资料显示，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，特殊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洁，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严峻的水资源破坏和水污染采煤造成严峻的水资源破坏，加剧了水资源短缺。依据《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吨煤干脆破坏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，水资源短缺严峻影响山西人民的正常生产和生活。1.2.2骇人动目的大气污染煤尘、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，形成了危害严峻的煤烟型大气污染，城市的空气质量极其恶劣。依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土地资源的严峻破坏近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、倒塌、泥石流等严峻的地质灾难。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，引起和潜在严峻地质灾难的区域约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，发生次生地质灾难的范围波及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。依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、破坏植被引起释氧削减的损失、采煤破坏耕地的复垦费用、消耗坑木及生物多样性损失、生态重建复原植被费用、湿地生态系统损失、土地塌陷损失、物种资源丢失等。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主要担当山西电网的调峰、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+2×602.2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，和京大高速马路紧紧相连，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。国电大同其次发电厂一期建有6台200MW机组，二期两台600MW亚临界干脆空冷机组（7、8号机组）于2005年全部投产发电，三期装有2×660MW超临界干脆空冷机组，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。大同其次发电厂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合于此，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。大同其次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，要求建立一流示范电厂。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。国电大同其次发电厂（三期）扩建工程建2×660兆瓦超临界干脆空冷机组。项目总投资50亿元，由国电电力发展股份有限公司和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，大同其次发电厂创建了良好的经济效益和社会效益。特殊是在2001年划归国电电力发展股份有限公司以来，企业依据上市公司的要求，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，大同其次发电厂已累计发电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（依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月最终一台机组并网发电。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，特别靠近平朔煤田，是典型的坑口电厂。电厂最初在1956年就起先筹划，但因为经济困难，而且总体设计思路多次变更，所以始终处于筹备阶段。1966年文化大革命起先后，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，电厂被上划到中心政府，并起先二期工程的建设，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。其次电厂于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，干脆向京津唐电网供电。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、占据制高点的法宝，主动推行科技兴厂战略，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，严峻制约了生产的发展。生产实践使厂党政一班人相识到，电力企业作为技术密集型企业，必需注意技术创新。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”，做到生活上关切、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，担当各类攻关课题；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，对重大设备隐患实行定期分析探讨，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，胜利地攻克了捷制锅炉频繁泄漏、热工爱护误动、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，在胜利进行了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500千伏电抗器爱护系统改造，解决了一批影响机组平安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，完成全年安排任务的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，和年安排持平，创出历史同期最高水平。3号机组连续平安运行412天，创全国同类型机组长周期运行历史最好水平。全厂实现了连续平安生产766天的好成果。2.2.3神头其次发电厂神头其次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。神头其次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，可行性探讨报告2001年2月经国家计委批准，2002年8月正式开工，预料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，结合工程特点和已驾驭的阅历，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，始终双滑到270m，内筒90~100m段砖砌体挂吊盘的施工方案。其次章设计计算实例1计算方法烟囱高度的设计不仅要满意在建设项目投产后，大气污染物在肯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肯定最大浓度公式计算。这里采纳前者，计算公式为：文献指出，在应用（1）式计算Hs时，ΔH可干脆按《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的计算依靠于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的阅历公式许多，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阅历公式计算值之间相差几倍的情形并不少见。同时，ΔH随气象参数改变而有很大不同。在计算Hs时，一般采纳中性状态下的ΔH。这里选定GB/T13201-91中的阅历公式：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，采纳晋华宫矿煤。依据资料，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，四周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%14.1Vdaf%34.52Aar%15.18元素分析Car%65.2Har%4.21Oar%6.43Nar%0.88Sar%0.7Mar%7.4Aar%15.18低位发热量KJ/kg25080哈氏可磨性系数HGl62变形温度DT℃1220软化温度ST℃1310流淌温度FT℃1360灰分分析SiO2%58.61Al2O3%20.09Fe2O3%10.7CaO%1.542.2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/molC65254.3354.33H42.142.121.05O64340.1920.09S70.220.22N8.80.630H2O744.110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，和内蒙古自治区相邻,西、南和本省朔州市、忻州地区相连，东和河北省相接。大同处温带大陆性季风气候区，受季风影响，四季分明，春夏秋凉快，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。夏季气候温柔，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；大同的夏天凉快舒适，多温柔的东南风，旅游者们多于夏季来此避暑胜地观光。秋季来临后气温便渐渐下降，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，光能利用潜力特别可观。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ABCDEF城市0.100.150.200.250.30乡村0.070.070.100.150.25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依据《环境空气质量标准GB3905-2012》大气二级标准为环境目标值，采纳年均浓度限值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上升度后再检验。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