大氣污染控制工程煙囪高度設計剖析

/《大氣污染限制工程》大作業(yè)——大同二電廠二期工程火電廠煙囪設計姓班級名：學班級號：指導老師：北京交通高校土木建筑工程學院市政和環(huán)境工程系2013年10月21日書目TOC\o"1-3"\h\u第一章山西省煤炭資源及電廠分布介紹 11山西煤炭資源簡介 11.1得天獨厚的山西煤炭資源 11.2煤炭開采給山西造成的生態(tài)環(huán)境影響 11.2.1嚴峻的水資源破壞和水污染 11.2.2駭人動目的大氣污染 11.2.3土地資源的嚴峻破壞 21.2.4生態(tài)環(huán)境破壞的經(jīng)濟損失代價 22山西省電廠概況 22.1電廠統(tǒng)計 22.2主要電廠介紹 42.2.1大同二電廠 42.2.2神頭第一電廠 62.2.3神頭其次發(fā)電廠 8其次章設計計算實例 81計算方法 82大同二電廠二期工程煙囪設計計算 92.1原始資料 92.2燃燒的計算 102.3大氣穩(wěn)定度的確定 112.3.1大同地理氣象資料 112.3.2大氣穩(wěn)定度計算 112.4擴散參數(shù)的確定 112.5煙囪高度的計算 112.6檢驗擴散參數(shù)并計算地面最大濃度 132.7煙氣速度及煙囪內徑的計算 132.8結果探討 14第三章煙囪圖紙 15第一章山西省煤炭資源及電廠分布介紹1山西煤炭資源簡介1.1得天獨厚的山西煤炭資源山西是我國最大產(chǎn)煤省，素有“煤鄉(xiāng)之稱”。煤炭資源優(yōu)勢得天獨厚，儲量大、分布廣、品種全、質量優(yōu)、易開采。全省含煤面積6.2萬平方公里，占國土面積的40.4%，自北向南分布有大同、寧武、西山、河東、沁水、霍西6大煤田和渾源、繁峙、五臺、垣曲、平陸5個煤產(chǎn)地，含煤地層有石炭二疊系、侏羅系及下第三系。1995年全國第三次煤田預料資料顯示，全省2000米煤炭資源總量為6400億t，占全國的16%，截止1996年末累計探明儲量2662億t，占全國27%（其中：煤焦煤占57%），保有儲量2613億t，占全國的27%，境內各類煤礦批準占用儲量約1500億t。據(jù)1986年中國煤炭分類國家標準，山西擁有14個牌號的煤種，由其是大同的動力煤，陽泉、晉城的無煙煤，離柳、鄉(xiāng)寧的稀有煉焦煤儲量大、分布廣，開發(fā)歷史久遠，特殊是改革開放以來在市場上開創(chuàng)了極佳的品牌效應；山西成煤時期主要在古生代，主要含煤地層為石炭、二迭系和侏羅系；部分為第三系；目前開發(fā)的煤炭平均埋深在300~500m，地質構造大部分地區(qū)較為簡潔，開采條件好。煤質優(yōu)良，大部分為低硫、低灰、高發(fā)熱量。1.2煤炭開采給山西造成的生態(tài)環(huán)境影響1.2.1嚴峻的水資源破壞和水污染采煤造成嚴峻的水資源破壞，加劇了水資源短缺。依據(jù)《山西省煤炭開采對水資源的破壞影響及評價》結果，山西每開采1噸煤干脆破壞2.48噸水資源。每年開采的5億噸煤，破壞的水資源達12億立方米左右，相當于山西省整個引黃工程的總引水量。而山西人均水資源擁有量不到全國平均水平的五分之一，水資源短缺嚴峻影響山西人民的正常生產(chǎn)和生活。1.2.2駭人動目的大氣污染煤塵、矸石山自燃、燃煤鍋爐形成了煤礦區(qū)以二氧化硫和煙塵為主要的高濃度污染物，形成了危害嚴峻的煤煙型大氣污染，城市的空氣質量極其惡劣。依據(jù)山西省環(huán)保局統(tǒng)計，2003年山西省煤礦區(qū)二氧化硫排放量達32.97萬噸，煙塵年排放量達44.82萬噸，分別占到全省排放量的32％和51.5％。1.2.3土地資源的嚴峻破壞近20多年來，山西作為國家主要能源基地，加強了基地建設力度，更大規(guī)模地開采煤炭，造成礦區(qū)土地塌陷、地表擾動、倒塌、泥石流等嚴峻的地質災難。據(jù)調查統(tǒng)計，截2004年，山西省礦區(qū)面積累計已達8000平方公里，其中采空區(qū)面積達5000平方公里，引起和潛在嚴峻地質災難的區(qū)域約2940平方公里，每年新增塌陷區(qū)面積約94平方公里。目前，全省礦區(qū)土地破壞已遍及大同、朔州、晉中、晉城、長治、臨汾、陽泉、呂梁、太原等多個地市，發(fā)生次生地質災難的范圍波及1900個自然村，涉及95萬人。1.2.4生態(tài)環(huán)境破壞的經(jīng)濟損失代價煤炭工業(yè)造成的環(huán)境污染損失主要包括大氣環(huán)境污染損失、水環(huán)境污染損失和固體廢棄物損失等方面。依據(jù)山西省有關部門測算結果，2003年山西省煤炭開采造成的大氣、水及固體廢棄物污染的環(huán)境損失約62億元，平均環(huán)境污染損失為13.78元/噸煤。山西省煤炭工業(yè)造成的生態(tài)破壞經(jīng)濟損失核算主要包括以下內容：采煤造成的水資源性破壞的損失、采煤漏水造成的缺水人口、采煤造成的水土流失、森林資源生長量損失、采煤占地損失、破壞植被引起釋氧削減的損失、采煤破壞耕地的復墾費用、消耗坑木及生物多樣性損失、生態(tài)重建復原植被費用、濕地生態(tài)系統(tǒng)損失、土地塌陷損失、物種資源丟失等。2003年采煤造成的生態(tài)破壞經(jīng)濟損失核算結果為226.77億元，平均噸煤生態(tài)破壞經(jīng)濟損失為50.45元。2山西省火電廠概況2.1火電廠統(tǒng)計所在市電廠名稱裝機容量（萬kW）備注陽泉市南煤龍川2×13.5陽光電廠120向陽泉市及平定縣采暖供熱山西國陽新能股份有限公司第三熱電廠6河坡電廠陽泉市30陽煤電廠40.5長治市武鄉(xiāng)電廠2×60漳澤電廠84山西漳山發(fā)電有限責任公司2×30+2×60容海電廠2×13.5王曲電廠2×60國家“西電東送”北通道重點工程項目之一潞安余吾電廠2×13.5晉城市陽城電廠6×35+2×60向江蘇送電晉城熱電2×30成莊電廠5寺河煤層氣發(fā)電廠12蘭花大寧煤層氣發(fā)電廠3.5朔州市永皓電廠2×5神頭一電廠120向本省和京津唐地區(qū)供電神頭二電廠2×50向本省和京津唐地區(qū)供電格瑞特煤矸石綜合利用電廠2×13.5平朔煤矸石發(fā)電有限公司2×5+2×30小五臺風電4.125風電敗虎堡風電3.375風電國電潔能有限公司右玉4.95風電國電高家堡風電4.95風電晉中市安平電廠2×15榆社電廠80榆次熱電60運城市大唐國際運城發(fā)電有限公司2×60運城關鋁熱電有限公司2×20河津電廠2×35華澤電廠2×30蒲光電廠2×30忻州市同華電廠120保德電廠27廣宇電廠27繁峙云霧峪風電4.95風電神池霸業(yè)梁9.75華能寧武風電4.95風電萬家寨水電54水電河曲電廠120天橋水電12.8水電龍口水電42水電西龍池抽水蓄能電站120主要擔當山西電網(wǎng)的調峰、填谷任務臨汾市臨汾熱電2×30侯馬晉田熱電廠10山西兆光發(fā)電有限責任公司2×30+2×60向山西南網(wǎng)供電呂梁方山電廠10柳林電廠2×10+2×602.2主要電廠介紹2.2.1大同二電廠山西大同二電廠隸屬國電電力公司，位于山西省大同市南郊光華路，全廠占地面積453.56公頃，和京大高速馬路緊緊相連，交通便利，是我國西電東送的主力電廠。主要擔負著向首都北京輸送優(yōu)質電能的任務，建廠近30年，年平均在發(fā)電量70億千瓦以上，為首都的建設及國民經(jīng)濟的發(fā)展做出了巨大貢獻。國電大同其次發(fā)電廠一期建有6臺200MW機組，二期兩臺600MW亞臨界干脆空冷機組（7、8號機組）于2005年全部投產(chǎn)發(fā)電，三期裝有2×660MW超臨界干脆空冷機組，2009年5月28日，9號機組完成了“168”小時試運，2009年10月，10號機組完成“168”小時試運，三期工程全部竣工，總裝機容量達到3720MW即372萬千瓦。大同其次發(fā)電廠DG670-5型鍋爐由東方鍋爐廠生產(chǎn)，最大連續(xù)蒸發(fā)量為670t/h。鍋爐為П形布置。三期擴建工程三大主機中鍋爐由東方鍋爐（集團）股份有限公司設計制造，為自然循環(huán)煤粉爐。1988年11月25日一期工程全部完工，共安裝六臺國產(chǎn)20萬千瓦發(fā)電機組，總裝機容量120萬千瓦，年發(fā)電量70億千瓦時以上。和一期同步建成的500千伏超高壓輸變電站是華北電網(wǎng)西電東送的重要樞紐，將內蒙和山西的部分電力匯合于此，通過大房（大同－房山）500千伏超高壓輸電線路送往京津唐電網(wǎng)。大同其次發(fā)電廠二期擴建工程是一座大型坑口電站，設計裝機容量為2×600MW，二期工程在空冷、脫硫及中水利用等方面均處于國內領先水平，要求建立一流示范電廠。煙囪為兩爐共用的雙筒式鋼筋混凝土結構全程負壓煙囪，設計高度為240m，出口直徑為10m。該煙囪由鋼筋混凝土基礎、鋼筋混凝土內外筒、信號平臺（三層）、頂部平臺、煙道接口和其他附屬設施等七部分組成。國電大同其次發(fā)電廠（三期）擴建工程建2×660兆瓦超臨界干脆空冷機組。項目總投資50億元，由國電電力發(fā)展股份有限公司和北京國際電力開發(fā)投資公司分別按60%和40%的比例共同出資建設。建設周期：自2007年起至2009年止。建廠投產(chǎn)20年間，大同其次發(fā)電廠創(chuàng)建了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。特殊是在2001年劃歸國電電力發(fā)展股份有限公司以來，企業(yè)依據(jù)上市公司的要求，在中國國電集團公司和國電電力發(fā)展股份有限公司的正確領導下，深化改革、強化管理、提高效益，取得了顯著的成效。截至2003年底，大同其次發(fā)電廠已累計發(fā)電1200多億千瓦時，同時，就地消化轉化煤炭資源5000余萬噸，共計繳納各種稅款10億余元。榮獲“全國火力發(fā)電效益十佳企業(yè)榜第六位”、“山西省雙文明建設先進單位”和國電集團“一級獎狀”等。2.2.2神頭第一電廠神頭第一發(fā)電廠位于雁門關外，桑干河源頭，東至首都北京360公里，南踞山西省省會太原239公里。是一座裝機容量120萬千瓦的國有特大型企業(yè)，先后安裝有兩臺5萬千瓦國產(chǎn)機組（依據(jù)有關規(guī)定現(xiàn)已關停）、兩臺20萬千瓦原蘇聯(lián)機組、四臺20萬千瓦捷克機組，是華北電網(wǎng)骨干火力發(fā)電企業(yè)之一，擔負著向本省和京、津、唐地區(qū)的供電任務。該廠分三期建設，一期安裝兩臺國產(chǎn)5萬千瓦機組（現(xiàn)已劃歸山西晉能集團公司），二期安裝兩臺原蘇聯(lián)20萬千瓦機組，三期安裝四臺捷克20萬千瓦機組。1977年2月17日首臺機組投產(chǎn)，1987年12月最終一臺機組并網(wǎng)發(fā)電。鍋爐為兩臺67OT/H自然循環(huán)汽包爐，四臺65OT/H直流鍋爐，六臺200MW汽輪發(fā)電機組。發(fā)電燃料用該廠西側有儲量為126億噸煤田。用水主要為神頭泉組，平均流量為每秒6立方米?；覉鲇袃勺渲幸蛔诮?。生產(chǎn)系統(tǒng)為管路水力除灰。通過神大線等14回線路并入電網(wǎng)。神頭發(fā)電廠位于山西省朔州市神頭鎮(zhèn)，特別靠近平朔煤田，是典型的坑口電廠。電廠最初在1956年就起先籌劃，但因為經(jīng)濟困難，而且總體設計思路多次變更，所以始終處于籌備階段。1966年文化大革命起先后，設計主要考慮的是“進山進洞”，到了1972年又調整為“靠路靠水”，在經(jīng)過多方比較后，最終選定在靠近同蒲鐵路的神頭泉邊興建。從1972年到1993年的21年中，電廠實現(xiàn)了連續(xù)建設、連續(xù)投產(chǎn)。1973年起，首先由山西省地方政府在這里建設了兩臺均為7.5萬千瓦的小型機組，于1977年投產(chǎn)。但這兩臺機組的效能不佳，后來都被降為5萬千瓦。在一期完工的同年，電廠被上劃到中心政府，并起先二期工程的建設，安裝兩臺從蘇聯(lián)引進的發(fā)電機組，于1981年完工。1982年起，中國和捷克政府合作，在神頭建設了三期工程，安裝四臺捷克產(chǎn)的20萬千瓦發(fā)電機組，于1987年全部建成。在最初規(guī)劃的時候，神頭就被設計成了“一廠兩站”，分為兩套系統(tǒng)，可分別擴展。其次電廠于1987年開工，位置在第一電廠的西側，安裝兩臺同樣是捷克產(chǎn)的50萬千瓦發(fā)電機組，干脆向京津唐電網(wǎng)供電。神頭第一發(fā)電廠一期的業(yè)主為山西晉能集團朔州能源發(fā)展有限公司，該公司的主要股東有山西省晉能集團有限公司（90%）、山西朔州環(huán)宇有限公司（10%）。近年來，山西神頭一電廠把技術創(chuàng)新作為迎接新挑戰(zhàn)、占據(jù)制高點的法寶，主動推行科技興廠戰(zhàn)略，大刀闊斧地對洋設備進行技術改造，使企業(yè)在激烈的市場競爭中昂首挺立于不敗之地。神頭一電廠是一座裝機容量120萬千瓦的大型骨干發(fā)電企業(yè)。投產(chǎn)之初，由于設備制造工藝差、穩(wěn)定運行水平低、鍋爐泄漏等故障頻發(fā)，嚴峻制約了生產(chǎn)的發(fā)展。生產(chǎn)實踐使廠黨政一班人相識到，電力企業(yè)作為技術密集型企業(yè)，必需注意技術創(chuàng)新。為此，廠里確立以人才為主的發(fā)展觀和科技進步機制。始終把智力勞動作為重要資本和技術創(chuàng)新的第一要素，堅持穩(wěn)定工程師、技術員、工人技師等“第一生產(chǎn)力”，做到生活上關切、政治上信任、工作上重用。近幾年，廠里建起了“高工住宅樓”和“科技檔案樓”；設立了生產(chǎn)技術處、成立了計算機中心、試驗中心、科學技術協(xié)會等科技機構；推行了技術主管負責制和全員培訓、持證上崗制度；在全廠生產(chǎn)車間組織了上百個分門別類的專業(yè)技術攻關小組，擔當各類攻關課題；建立起了科技人員政績檔案。通過對重大技改項目實行公開招標，對重大設備隱患實行定期分析探討，對機組大小修立足于動大手術，對科技人員壓擔子、加任務等一系列措施的落實，勝利地攻克了捷制鍋爐頻繁泄漏、熱工愛護誤動、廠用電率高、汽輪機轉子掉葉片、磨煤機大小牙輪磨損等一大批影響機組穩(wěn)定運行的設備隱患和技術難題，完成了150多項重大科技攻關項目。去年，他們抓住設備和檢修質量兩個關鍵環(huán)節(jié)，在勝利進行了3號、4號機組設備改造的基礎上，又完成了5號機組熱控DCS改造以及鍋爐受熱面改造；完成了500千伏電抗器愛護系統(tǒng)改造，解決了一批影響機組平安穩(wěn)定經(jīng)濟運行的重點技術難題，使洋設備再現(xiàn)了活力，讓老機組煥發(fā)了青春。技術創(chuàng)新使神頭一電廠6臺進口主力20萬機組健康水平和自動化程度大幅度提高，有力地推動了生產(chǎn)經(jīng)營蒸蒸日上，促進了各項經(jīng)濟指標全線飄紅。截至6月30日，該廠累計完成發(fā)電量38.01億千瓦時，完成全年安排任務的51.37%，超時間進度3.58個百分點，多發(fā)電13153萬千瓦時，比去年同期多發(fā)電39894萬千瓦時，提前6天完成上半年生產(chǎn)任務；綜合廠用電率比去年同期降低1.03個百分點，供電煤耗完成382克/千瓦時，和年安排持平，創(chuàng)出歷史同期最高水平。3號機組連續(xù)平安運行412天，創(chuàng)全國同類型機組長周期運行歷史最好水平。全廠實現(xiàn)了連續(xù)平安生產(chǎn)766天的好成果。2.2.3神頭其次發(fā)電廠神頭其次發(fā)電廠位于山西省朔州市，安裝有兩臺500MW燃煤機組。是山西省乃至華北地區(qū)第一座單機容量最大的火力發(fā)電廠，是山西電網(wǎng)和京津唐電網(wǎng)的主力發(fā)電廠之一。神頭其次發(fā)電廠位于朔州市境內，于1988年3月正式開工，1991年7月建廠，是山西省乃至華北地區(qū)第一座單機容量最大的火力發(fā)電廠，是山西電網(wǎng)和京津唐電網(wǎng)的主力發(fā)電廠之一，設計總裝機容量為2000-2200MW，分兩期建成。一期工程是國家“七五”、“八五”期間重點建設項目，二期擴建工程于1997年7月經(jīng)國務院批準，可行性探討報告2001年2月經(jīng)國家計委批準，2002年8月正式開工，預料2005年投入商業(yè)運營，該項目是國家“西電東送”北通道首批開工項目之一。神頭二電廠的煙囪高度為270m，出口直徑為9m，于1990年月竣工，結合工程特點和已駕馭的閱歷，選擇了90m標高以下內筒雙滑，外筒翻板，在90m標高將滑升模具拆裝到外筒壁上，始終雙滑到270m，內筒90~100m段磚砌體掛吊盤的施工方案。其次章設計計算實例1計算方法煙囪高度的設計不僅要滿意在建設項目投產(chǎn)后，大氣污染物在肯定范圍內不允許超過環(huán)境目標濃度值，另一方面還要考慮造價的影響。通常有兩種途徑進行計算：按地面最大濃度公式和地面肯定最大濃度公式計算。這里采納前者，計算公式為：文獻指出，在應用（1）式計算Hs時，ΔH可干脆按《制定地方大氣污染物排放標準的技術方法—GB/T13201-91》計算，但因為ΔH的計算依靠于Hs，不能再Hs未知時計算。因此建立如下聯(lián)立方程組確定Hs和ΔH，同時求解Hs和ΔH：從文獻介紹來看，ΔH的閱歷公式許多，而且他們之間彼此差別較大，在完全相同的煙源參數(shù)和氣象條件下，不同的ΔH閱歷公式計算值之間相差幾倍的情形并不少見。同時，ΔH隨氣象參數(shù)改變而有很大不同。在計算Hs時，一般采納中性狀態(tài)下的ΔH。這里選定GB/T13201-91中的閱歷公式：2大同二電廠二期工程煙囪設計計算2.1原始資料大同二電廠二期工程裝機容量為2×60萬kw，采納晉華宮礦煤。依據(jù)資料，一臺60萬kw的火電機組年消耗原煤150萬噸。廠區(qū)建在大同市南郊區(qū)，屬于遠郊區(qū)，四周10km內地勢較平坦且無其他污染源，縣氣象站觀測多年平均風速為2.9m/s，年平均氣壓為895.2hpa，年平均氣溫為278.8K，空氣過剩系數(shù)為1.4，煙氣出口溫度為389K。晉華宮礦煤成分見下表：項目單位晉華宮礦煤工業(yè)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低位發(fā)熱量KJ/kg25080哈氏可磨性系數(shù)HGl62變形溫度DT℃1220軟化溫度ST℃1310流淌溫度FT℃1360灰分分析SiO2%58.61Al2O3%20.09Fe2O3%10.7CaO%1.542.2燃燒的計算耗煤量以1kg設計煤種為基礎，則：質量/g物質的量/mol理論需氧量/molC65254.3354.33H42.142.121.05O64340.1920.09S70.220.22N8.80.630H2O744.110理論需氧量為即理論空氣量條件下煙氣組成（mol）為：CO2：54.33，H2O：（21.05+4.11），SO2：0.22，N2：0.315+55.51×3.78理論煙氣量為：即空氣過剩系數(shù)時，實際煙氣量為實際排煙率為2.3大氣穩(wěn)定度的確定2.3.1大同地理氣象資料大同市位于山西省北部，地處黃土高原東北邊緣。地理坐標為東經(jīng)112°34′到114°33′，北緯39°03′到40°44′之間，平均海拔1056米。北以外長城為界，和內蒙古自治區(qū)相鄰,西、南和本省朔州市、忻州地區(qū)相連，東和河北省相接。大同處溫帶大陸性季風氣候區(qū)，受季風影響，四季分明，春夏秋涼快，晝夜溫差大，年平均氣溫3.6~7.5℃，最冷月為1月份，平均氣溫是-11.3℃。春季里氣溫回升很快，平均氣溫7~9℃，總是乍暖還寒；多大風，降雨較少，平均降水量僅為50mm左右，占年降水量的15%，時有飛雪相隨，且下且化。夏季氣候溫柔，平均氣溫在19~22℃之間，雨水集中，平均降水量近250mm，占全年降水量的60%以上；大同的夏天涼快舒適，多溫柔的東南風，旅游者們多于夏季來此避暑勝地觀光。秋季來臨后氣溫便漸漸下降，平均氣溫在6~8℃之間，這時常碧空萬里、天高氣爽。冬季較為漫長，長達四個多月，盛行西北風，日短天寒。平均氣溫在零下7~12℃之間。年日照時數(shù)較長，約為2800小時，光能利用潛力特別可觀。2.3.2大氣穩(wěn)定度計算觀測時間為10月下旬，太陽傾角為-12°。太陽高度角的計算代入得：總云量/低云量符合（5~7）/4條件，查表4-5得太陽輻射等級數(shù)為0，地面風速為2.9m/s，查表4-6得大氣穩(wěn)定度等級為D級。2.4擴散參數(shù)的確定對于城市遠郊區(qū)，D穩(wěn)定度按向不穩(wěn)定方向提半級計算，則按C~D計算。2.5煙囪高度的計算SO2排放源強按下式計算（脫硫效率按85%計，SOX中SO2占97%）代入得：煙囪出口處平均風速計算，m為不同穩(wěn)定度條件下的風廓線冪指數(shù)，見下表ABCDEF城市0.100.150.200.250.30鄉(xiāng)村0.070.070.100.150.25由實際資料得煙囪高度大于200m，因此選用公式4，若最終結果求出煙囪高度大于200m，則計算正確。中性條件下城市遠郊區(qū)D取0.25代入得：煙氣熱釋放率按下式計算，煙囪高度按下式計算依據(jù)《環(huán)境空氣質量標準GB3905-2012》大氣二級標準為環(huán)境目標值，采納年均濃度限值0.05mg/m3。（6）式中，若取0.5則不保險，取1.0則太保守，本計算中先取0.75，計算出煙囪高度及抬上升度后再檢驗。將各有關數(shù)據(jù)代入（6）式得聯(lián)立（5）和（7）解得：2.6檢驗擴散參數(shù)并計算地面最大濃度垂直擴