基于CFD方法的燃煤電廠煙氣排放數(shù)值模擬

楊光俊， 丁 力， 郭照冰

1.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院， 江蘇 南京 210044 2.國電環(huán)境保護研究院， 國家環(huán)境保護大氣物理模擬與污染控制重點實驗室， 江蘇 南京 210031 3.南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 南京 210044

基于CFD方法的燃煤電廠煙氣排放數(shù)值模擬

楊光俊1,2， 丁 力2， 郭照冰1,3*

1.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院， 江蘇 南京 210044 2.國電環(huán)境保護研究院， 國家環(huán)境保護大氣物理模擬與污染控制重點實驗室， 江蘇 南京 210031 3.南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 南京 210044

為研究燃煤電廠的煙氣擴散，采用計算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)方法對燃煤電廠煙氣排放中污染物(包含氣態(tài)污染物和固態(tài)顆粒物)的擴散形態(tài)進行模擬. 燃煤電廠的排煙方式主要有煙塔合一和煙囪兩種，根據(jù)幾何參數(shù)建立煙塔合一及煙囪的數(shù)值模型，采用納維-斯托克斯方程(Navier-Stokes equations，N-S equations)求解流場及氣態(tài)污染物濃度場，采用離散相模型(Discrete Phase Model，DPM)計算固態(tài)顆粒污染物運動軌跡. 結(jié)果表明：對于氣態(tài)污染物，由于冷卻塔下游漩渦的卷吸作用，采用煙塔合一排放的煙氣最大濃度和超標范圍隨環(huán)境風(fēng)速的增加逐漸增大，不利于煙氣擴散. 但隨著環(huán)境風(fēng)速的增加，空氣的對流作用逐漸增強，從而加速了煙氣的擴散. 在漩渦和環(huán)境風(fēng)的綜合作用下，煙氣的最大濃度和超標范圍在環(huán)境風(fēng)速為6 ms時達到最大值，隨后隨著環(huán)境風(fēng)速增加而減小. 采用煙囪排放的煙氣由于漩渦作用很小，因此其最大濃度及超標范圍隨風(fēng)速的增加呈遞減趨勢. 得益于煙氣在冷卻塔內(nèi)的預(yù)擴散，采用煙塔合一排放的煙氣最大濃度比采用煙囪排放的煙氣最大濃度低將近1個數(shù)量級，但這種優(yōu)勢會隨著環(huán)境風(fēng)速的增加而減小. 對于固態(tài)污染物，冷卻塔后方的漩渦會加速顆粒物的擴散，因此采用煙塔合一排放的顆粒物的擴散狀態(tài)遠優(yōu)于采用煙囪排放的顆粒物的擴散狀態(tài).

計算流體力學(xué)； 燃煤電廠； 煙塔合一； 煙囪； 煙氣排放； 顆粒物

隨著脫硫技術(shù)的發(fā)展和完善，高效的濕法脫硫技術(shù)的應(yīng)用得到推廣，這為煙氣直接排放創(chuàng)造了可行的條件[1-3]. 煙塔合一技術(shù)[4-6]起源于德國，并且已有數(shù)十年成功運行的經(jīng)驗，形成了具有法規(guī)意義的煙塔合一模式大氣環(huán)境影響預(yù)測技術(shù)規(guī)范. 煙塔合一即取消煙囪，將鍋爐除塵脫硫后的煙氣經(jīng)自然通風(fēng)冷卻塔排至大氣. 采用煙塔合一技術(shù)可以省略火電廠煙囪及濕法脫硫系統(tǒng)的再熱器，大大簡化煙氣系統(tǒng)，減少設(shè)備投資，具有很好的經(jīng)濟性. 鑒于煙塔合一技術(shù)的優(yōu)點及在國外的成功應(yīng)用，加之一些地區(qū)對新建電廠區(qū)域有凈空高度限制或景觀要求，近年來該技術(shù)在我國陸續(xù)被推廣、采用. 但是，煙塔合一方案的污染物擴散分析模式尚未納入我國大氣環(huán)境影響評價導(dǎo)則，基礎(chǔ)性研究相對滯后.

目前，無論是煙囪排放還是煙塔合一排放，對于其環(huán)境影響的評估方法以大氣擴散模式[7-8]為主，常見的模式有Austal 2000、Aermod、ADMS和Calpuff. 這些模式可以評估煙氣排放后對大范圍區(qū)域的環(huán)境影響，評估半徑通常達到數(shù)公里甚至數(shù)十公里，但是顧此失彼，這些模式無法精確地計算煙氣排放對冷卻塔或電廠附近范圍的環(huán)境影響.

CFD(computational fluid dynamics，計算流體力學(xué))方法[9-10]是隨著計算機的發(fā)展而產(chǎn)生的一個介于數(shù)學(xué)、流體力學(xué)和計算機之間的交叉學(xué)科，主要研究內(nèi)容是通過計算機和數(shù)值方法來求解流體力學(xué)的控制方程，對流體力學(xué)問題進行模擬和分析，與理論流體力學(xué)和試驗流體力學(xué)組成流體力學(xué)的基本研究方法. CFD的發(fā)展歷史雖然不長，但已廣泛深入到流體力學(xué)的各個領(lǐng)域，在航空航天、橋梁、建筑、電力、水利等行業(yè)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[11-13].

目前國內(nèi)外已有一些學(xué)者研究CFD在煙塔合一中的應(yīng)用. 如Klimanek等[14]發(fā)展了自然通風(fēng)濕冷塔煙塔合一的三維CFD模型，研究了不同風(fēng)速條件下煙氣的運動軌跡. 席新銘等[15]通過數(shù)值模擬方法分析了環(huán)境風(fēng)和煙囪高度對塔內(nèi)空氣流場及散熱器熱力性能的影響，并獲得了定量的分析結(jié)果. 趙慧文[16]通過對不同風(fēng)速下流動區(qū)域內(nèi)流場和溫度場進行數(shù)值模擬，揭示了煙塔合一排放的熱濕煙氣和大氣的混合過程及對大氣流動的影響. 浮杰[17]就煙塔合一條件下煙羽抬升高度和傳統(tǒng)煙囪排煙方式進行對比分析，同時研究了煙塔合一技術(shù)對冷卻塔熱力性能和塔內(nèi)流場的影響. 張麗娜等[18]采用Fluent計算了不同氣象條件和排煙方式下冷卻塔周邊的流場、壓力場和污染物濃度場. 結(jié)果表明，煙塔排煙對環(huán)境產(chǎn)生影響源自兩方面：一是近距離煙塔下風(fēng)向煙氣下洗對地面的影響，另一方面是煙氣擴散對遠距離的影響. 陳凱華等[19]采用CFD軟件對將脫硫后的凈煙氣導(dǎo)入冷卻塔后的流場、速度場、壓力場和溫度場進行數(shù)值模擬分析后發(fā)現(xiàn)，開放口煙氣排放方式優(yōu)于排氣室煙氣排放方式，凈煙氣通過開放口排放和塔內(nèi)壁及塔內(nèi)構(gòu)件接觸的可能性相對更小，且發(fā)生的腐蝕和污染循環(huán)冷卻水的可能性相對較小.

在以往的研究中，學(xué)者往往僅單獨研究煙塔合一或者煙囪的煙氣擴散濃度，采用CFD同時對二者的污染物擴散特性進行橫向?qū)Ρ鹊难芯肯鄬^少. 同時，關(guān)注點主要為氣態(tài)污染物(通常包括SO2和NOx)，而實際上煙氣排放過程中會摻雜一些固體小顆粒[20]，這些固體小顆粒的擴散傳播對于環(huán)境質(zhì)量同樣具有很大的影響. 鑒于此，該研究通過建立煙塔合一模型及煙囪模型，采用CFD軟件對煙塔合一及煙囪在排放煙氣的流場及污染物擴散進行模擬，包括SO2的組分傳輸以及固態(tài)顆粒物的運動軌跡，以期為燃煤電廠煙塔合一項目的環(huán)境影響評價提供參考.

1 建模及網(wǎng)格劃分

1.1 建模

選取常規(guī)的煙塔合一空冷塔和煙囪作為研究對象，煙塔合一空冷塔及煙囪計算模型的幾何參數(shù)如表1所示.

表1 計算模型幾何參數(shù) Table 1 Geometric parameters of computational model m

數(shù)值模擬的第一步是建模，由于實際真實模型存在許多較為復(fù)雜但對計算結(jié)果影響不大的部件，因此在建模時需要進行適當?shù)睾喕? 對于空冷塔，忽略百葉窗、X型支柱及循環(huán)水管等設(shè)備，這些部件雖然會對空冷塔內(nèi)部氣流產(chǎn)生阻力，但不會對氣流的均勻性和方向造成本質(zhì)的影響. 根據(jù)冷卻塔和煙囪的CAD圖以及幾何參數(shù)，采用ANSYS ICEM CFD軟件[21]進行幾何建模和網(wǎng)格劃分. 圖1為煙塔合一模型和煙囪模型幾何模型，兩個模型均為軸對稱模型. 圖2為煙塔合一空冷塔計算域范圍展示，為盡可能消除邊界對流場的干擾，計算域范圍為 4 000 m×4 000 m×2 000 m，定義順氣流方向為x軸，垂直于地面向上為z軸，y軸按右手螺旋法則確定，原點為冷卻塔底部中心點. 煙囪模型計算域與煙塔合一模型類似，故不在此贅述.

圖1 煙塔合一空冷塔模型和煙囪模型Fig.1 Model of NDCT with flue gas injection and chimney

圖2 煙塔合一空冷塔模型計算域Fig.2 Computational domain of NDCT with flue gas injection

1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分一直以來都是CFD的重點，高質(zhì)量的網(wǎng)格能夠在保證計算精度的同時縮短計算時間. 結(jié)構(gòu)網(wǎng)格由于其能夠構(gòu)造高精度格式，向來都是網(wǎng)格劃分的首選. 在結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中，為控制網(wǎng)格數(shù)量，網(wǎng)格步長一般由靠近模型到遠離模型按照等比數(shù)列的原則增長，所以結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中大部分網(wǎng)格單元呈現(xiàn)各向異性(網(wǎng)格單元的長寬比通常大于5)的特點. 但是冷卻塔周圍空氣流動以及污染物的擴散傳播比較紊亂，當流動方向不確定時，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的求解精度有時反而低于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，這時就需要各向同性(網(wǎng)格單元長寬比通常小于2)的網(wǎng)格，否則會對插值精度造成影響. 因此，該研究選擇適應(yīng)性強、各向同性的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分.

對于間接空冷塔，散熱器是核心部件，該處的流場模擬精度影響整個冷卻塔的換熱量和通風(fēng)量，同時散熱器的尺寸相對較小，網(wǎng)格尺度設(shè)置為0.2 m. 冷卻塔和煙囪的網(wǎng)格尺度設(shè)置為1 m，遠場的網(wǎng)格尺度設(shè)置為20 m.

在進行完網(wǎng)格劃分后，對網(wǎng)格進行優(yōu)化，將四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格合并為多面體網(wǎng)格. 有研究[22]表明，在網(wǎng)格密度相同的情況下，多面體網(wǎng)格比四面體網(wǎng)格計算精度更高、計算時間更短. 優(yōu)化后的煙塔合一空冷塔模型網(wǎng)格數(shù)為 5 989 516，煙囪模型網(wǎng)格數(shù)為 3 790 574. 圖3為煙塔合一空冷塔模型對稱面網(wǎng)格分布，為提高污染物分布求解精度，對模型上部及下游部分區(qū)域的網(wǎng)格進行加密. 煙囪模型的網(wǎng)格與煙塔合一空冷塔模型的網(wǎng)格類似.

圖3 煙塔合一空冷塔模型對稱面網(wǎng)格Fig.3 Symmetrical plane mesh of NDCT with flue gas injection

2 計算模型

由于考慮固態(tài)顆粒污染物的擴散，因此整個流場實際上是兩相流，空氣及氣態(tài)污染物部分為連續(xù)相，顆粒物為離散相. 鑒于顆粒物直徑很小且占比重很小，故忽略其對連續(xù)相的影響.

2.1 連續(xù)相控制方程

冷卻塔和煙囪的內(nèi)部及其周圍區(qū)域的流動是三維、非定常、可壓縮流動. 基于歐拉描述方法，建立直角坐標系下的三維守恒型N-S方程.

2.1.1質(zhì)量守恒方程

(1)

2.1.2動量守恒方程[23]

(3)

式中，μ為黏性系數(shù)，I為單位張量.

2.1.3能量守恒方程

(4)

(5)

(6)

2.2 湍流模型

湍流模型選取標準k-ε模型[24]，標準k-ε模型在工業(yè)流體的應(yīng)用十分廣泛. 湍流動能k和湍流耗散率ε通過下列輸運方程獲得：

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(7)

(8)

(9)

式中，k為湍流動能，ε為耗散速率，Gk為由于層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動能，Gb為由于浮力產(chǎn)生的湍流動能，YM為在可壓縮湍流中由于過度耗散引起的波動，C1ε、C2ε和C3ε為常數(shù)，σk和σε分別為k和ε的湍流Prandtl數(shù)，Sk和Sε為源項，μt為湍流黏度，Cμ為常數(shù).

2.3 離散相控制方程

采用離散相模擬經(jīng)煙道排放的固體小顆粒，鑒于其不規(guī)則的形狀給模擬帶來很大困難，為了簡化計算，假設(shè)離散相均為球形形狀. 離散相的力平衡方程[25]為

(10)

(11)

(12)

2.4 組分設(shè)置

采用Species輸運模型模擬煙氣與空氣之間的混合作用. 在煙氣排放時，由于煙氣組分與空氣組分相差很多，為保證計算結(jié)果合理，有必要對連續(xù)相的組分進行設(shè)定. 表2為該研究所采用的空氣及煙氣組分的質(zhì)量分數(shù).

表2 空氣及煙氣組分的質(zhì)量分數(shù)

2.5 換熱模型

對于間接空冷塔，翅管散熱器是常見的散熱裝置，散熱器由密集的翅管束組成. 翅管散熱器中的翅片通常為水平布置且間距很小(約3 mm)，循環(huán)水管為豎直布置，如圖4所示. 直接模擬翅管散熱器中的流動不現(xiàn)實，故將其簡化為Radiator模型.

圖4 翅管散熱器Fig.4 Finned tubular radiator

從圖4可以看出，氣流流經(jīng)散熱器時速度基本與水平方向平行，可以理解為翅管散熱器對流經(jīng)的氣流在水平方向具有“捋順”的作用，但是Radiator模型只能單純地模擬壓降，對氣流的方向沒有約束，因此采用Radiator模型模擬翅管散熱器對空氣的阻力并不十分準確. 多孔介質(zhì)模型可以模擬不同方向上物體對氣流的阻力. 該研究將翅管散熱器對空氣的加熱作用通過Radiator模型實現(xiàn)，采用多孔介質(zhì)模型模擬翅管散熱器對空氣的阻力[26].

空氣流經(jīng)翅管散熱器的熱傳遞由式(13)計算：

q=h(Text-Tair,d)

(13)

式中，Text為散熱器溫度，Tair,d為散熱器下游空氣溫度，h為對流換熱系數(shù)，可設(shè)為常數(shù)或者多項式.

多孔介質(zhì)對氣流的作用本質(zhì)上是在動量方程中添加源項. 對于簡單均勻的多孔介質(zhì)，源項表示為

式中，Si為動量源項，α代表多孔介質(zhì)的滲透性，C2為慣性阻力因子，|v|為速度大小，vi為速度分量. 在實際的計算中，可將測量的壓力損失隨速度的變化擬合成二次曲線，然后計算出α和C2.

2.6 邊界條件

雖然冷卻塔和煙囪的內(nèi)部及其周圍區(qū)域的流動是三維、非定常、可壓縮流動，但是冷卻塔下游的分離流是雜亂無章的，考慮這些分離流隨時間的演變不僅會耗費大量的計算時間而且意義不大，對于大部分問題，僅需考慮這部分流場參數(shù)的時均值即可. 同時，近地面風(fēng)速通常較低，一般來說小于0.3 Ma，空氣的可壓縮性可以忽略. 因此，該研究采用三維定常不可壓縮求解器求解流場.

設(shè)置計算域迎風(fēng)面為速度入口邊界條件，速度大小采用冪指數(shù)風(fēng)廓線公式[27]計算：

u=uref(zzref)a

(15)

式中，uref和zref分別為參考點的速度和高度，該研究取參考點高度為10 m，速度為2、4、6、8和10 ms. 冪指數(shù)a為地面粗糙度和氣溫層穩(wěn)定度的函數(shù)，該研究取0.16.

下風(fēng)向采用自由出口邊界條件，側(cè)面及頂部選用對稱面邊界條件以保證計算的穩(wěn)定性，冷卻塔、煙囪及地面采用無滑移壁面條件.

環(huán)境壓力為 93 100 Pa，環(huán)境溫度為22.583 ℃. 對于煙塔合一空冷塔，煙氣溫度為50 ℃；對于煙囪，煙氣溫度為80 ℃.

氣態(tài)煙氣污染物的排放采用質(zhì)量流量入口邊界條件，質(zhì)量流量388.908 kgs. 對于固態(tài)污染物即顆粒物，選取兩種粒徑的顆粒物，直徑分別為2.5和10 μm，以此代表PM2.5和PM10，兩種投放的質(zhì)量流量均為0.013 kgs. 由于煙氣排放中的顆粒物化學(xué)成分非常復(fù)雜，為了簡化，假設(shè)顆粒物的密度為 1 400 kgm3，即與煤的密度相當.

2.7 數(shù)值方法驗證

為驗證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，將冷卻塔的計算結(jié)果與風(fēng)洞試驗結(jié)果進行對比. 風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ蜑?∶200 縮比模型，采用IFA-300熱線風(fēng)速測量儀測量塔內(nèi)的速度，然后將試驗結(jié)果按照相似準則換算為實際數(shù)據(jù). 風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)由國電環(huán)境保護研究院風(fēng)洞實驗室提供. 圖5為環(huán)境風(fēng)速為4 ms時順氣流剖面冷卻塔喉部高度(145 m)處風(fēng)洞試驗與數(shù)值模擬的氣流上升速度結(jié)果對比. 結(jié)果顯示，數(shù)值模擬的結(jié)果能夠與風(fēng)洞試驗的結(jié)果吻合得較好.

圖5 風(fēng)洞試驗與數(shù)值模擬結(jié)果對比Fig.5 Comparison of wind tunnel test and numerical simulation

3 結(jié)果與分析

3.1 氣態(tài)污染物擴散對比

該研究重點對煙塔合一及煙囪兩種排煙方式的排煙效果進行橫向?qū)Ρ?，即忽略地形、廠房等干擾因素，同時保證相同的外部環(huán)境及排放速率. 燃煤電廠產(chǎn)生的氣體污染物主要包括SO2和NOx，NOx主要以NO的形式存在，最初排放的NOx中NO約占95%. 但是，NO在大氣中極易與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，生成NO2，故大氣中NOx普遍以NO2的形式存在. 空氣中的NO和NO2通過光化學(xué)反應(yīng)，相互轉(zhuǎn)化而達到平衡. 由于該研究不考慮氣體之間的化學(xué)反應(yīng)，NO和NO2之間的轉(zhuǎn)換過程不屬于該研究范疇，因此僅對SO2的分布特征進行分析.

氣態(tài)污染物擴散是一個三維過程，研究分析污染物的空間濃度分布相比于計算最大落地濃度分布要更全面一些. 為了更清晰地觀察污染物在空間中的分布，通過下風(fēng)向剖面內(nèi)的污染物濃度云圖對排煙方式的優(yōu)劣進行分析. 起始剖面為模型下風(fēng)向100 m處，往后每隔100 m設(shè)置一個剖面，直至該剖面內(nèi)的污染物濃度達標. 參照GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》[28]，SO2小時平均二級濃度限值取0.5 mgm3.

圖6 環(huán)境風(fēng)速為2 ms時兩種模型下游剖面SO2質(zhì)量濃度云結(jié)果Fig.6 Concentration contours of SO2 at downstream sections of the two models at wind speed of 2 ms

與此同時，從圖6中不難看出，采用煙塔合一排放的煙氣在剖面中呈馬蹄狀，而采用煙囪排放的煙氣在剖面中呈圓形，這種現(xiàn)象是由于下風(fēng)向的流場受漩渦的干擾而形成的[29].

圖7 環(huán)境風(fēng)速為2 ms時兩種模型x= 100 m處平面內(nèi)的速度矢量Fig.7 Velocity vector at x= 100 m plane of the two models at wind speed of 2 ms

圖8 環(huán)境風(fēng)速為4 ms時兩種模型下游剖面SO2質(zhì)量濃度云結(jié)果Fig.8 Concentration contours of SO2 at downstream sections of the two models at wind speed of 4 ms

圖9 環(huán)境風(fēng)速為6 ms時兩種模型下游剖面SO2質(zhì)量濃度云結(jié)果Fig.9 Concentration contours of SO2 at downstream sections of the two models at wind speed of 6 ms

圖10 環(huán)境風(fēng)速為8 ms時兩種模型下游剖面SO2質(zhì)量濃度云結(jié)果Fig.10 Concentration contours of SO2 at downstream sections of the two models at wind speed of 8 ms

圖11 環(huán)境風(fēng)速為10 ms時兩種模型下游剖面SO2質(zhì)量濃度云結(jié)果Fig.11 Concentration contours of SO2 at downstream sections of the two models at wind speed of 10 ms

采用煙塔合一排放的煙氣的濃度之所以偏低，主要是因為煙氣自排放口至冷卻塔出口這段時間內(nèi)已經(jīng)與周圍空氣有了一定程度地混合. 煙氣的空間最大濃度及其分布形態(tài)主要受空間漩渦和湍流的影響，其中湍流對煙氣擴散起正面作用，而建筑物干擾形成的漩渦則不利于煙氣擴散. 由于煙囪較為細長，所以煙囪周圍的漩渦強度和湍流度要比冷卻塔周圍的漩渦強度和湍流度弱得多. 隨著風(fēng)速的增加，采用煙囪排放的煙氣的最大剖面濃度呈單調(diào)遞減趨勢，超標范圍逐漸變?。徊捎脽熕弦慌欧诺臒煔獾淖畲笃拭鏉舛葎t呈先上升后下降的趨勢，超標范圍亦是如此，在風(fēng)速為6 ms左右時達到最大值. 對于該種模型，當風(fēng)速(≤4 ms)較低時，漩渦的作用占主導(dǎo)，因此采用煙塔合一排放的變化趨勢是逐漸惡化；當風(fēng)速(≥6 ms)較大時，湍流的作用占主導(dǎo)，采用煙塔合一排放的變化趨勢是逐漸改善.

3.2 顆粒物擴散對比

為了更為全面地比較煙塔合一排放煙氣和煙囪排煙的優(yōu)劣，需要考慮煙氣中固體顆粒物的擴散情況. 選取兩種典型的顆粒物進行分析，即PM2.5和PM10. 圖12是環(huán)境風(fēng)速為2 ms時的固體顆粒物分布結(jié)果，由于顆粒物的直徑非常小，因此其運動軌跡主要由當?shù)厮俣葲Q定，當?shù)厮俣葹樯仙裏釟饬鞯乃俣?、環(huán)境風(fēng)速和漩渦的誘導(dǎo)速度疊加. 此時環(huán)境風(fēng)速較小，上升熱氣流的速度和漩渦的誘導(dǎo)速度起主要作用，因此采用煙塔合一排放的顆粒物的擴散范圍很廣，遠大于采用煙囪排放的顆粒物的擴散范圍.

注：藍色顆粒物直徑為2.5×10-6 m，代表PM2.5；紅色顆粒物直徑為1.0×10-5 m，代表PM10. 下同.圖12 環(huán)境風(fēng)速為2 ms時兩種模型的顆粒物分布Fig.12 Distribution of particulate matters of the two models at wind speed of 2 ms

圖13 環(huán)境風(fēng)速為4 ms時兩種模型的顆粒物分布Fig.13 Distribution of particulate matters of the two models at wind speed of 4 ms

圖14 環(huán)境風(fēng)速為6 ms時兩種模型的顆粒物分布Fig.14 Distribution of particulate matters of the two models at wind speed of 6 ms

圖15 環(huán)境風(fēng)速為8 ms時兩種模型的顆粒物分布Fig.15 Distribution of particulate matters of the two models at wind speed of 8 ms

圖16 環(huán)境風(fēng)速為10 ms時兩種模型的顆粒物分布Fig.16 Distribution of particulate matters of the two models at wind speed of 10 ms

與煙塔合一排放和煙囪排放這兩種排放方式在氣態(tài)污染物上的表現(xiàn)稍有不同，在顆粒物的排放中，煙塔合一排放較煙囪排放有較大優(yōu)勢，這種優(yōu)勢在低風(fēng)速(≤4 ms)時體現(xiàn)地更加明顯. 雖然隨著風(fēng)速的增加，采用煙塔合一排放的顆粒物分布范圍會逐漸減小，但卻遠大于采用煙囪排放的顆粒物分布范圍.

4 結(jié)論

a) 冷卻塔由于尺寸較大，在上升熱氣流和環(huán)境風(fēng)的作用下，其下游會形成一對基本對稱的漩渦，其機理類似于飛機中的翼尖渦. 漩渦對于煙氣中的氣態(tài)污染物具有卷吸作用，不利于氣態(tài)污染物的擴散，但是對于煙氣中的顆粒物能起到很好的擴散作用.

b) 在冷卻塔下游漩渦的誘導(dǎo)作用下，采用煙塔合一排放的煙氣呈現(xiàn)馬蹄狀的特點，且隨著風(fēng)速的增加，會出現(xiàn)中間濃度相對較低、兩側(cè)濃度相對較高的現(xiàn)象.

c) 采用煙囪排放的煙氣的擴散形態(tài)主要由環(huán)境風(fēng)速決定. 隨著風(fēng)速的增加，氣態(tài)污染物的分布范圍和最大濃度單調(diào)遞減；顆粒物的范圍逐漸收縮，在垂直于風(fēng)向的另外兩個方向上幾乎沒有擴散.

d) 采用煙塔合一排放煙氣的擴散形態(tài)由上升熱氣流、誘導(dǎo)漩渦和環(huán)境風(fēng)共同決定. 環(huán)境風(fēng)速為2 ms 時，上升熱氣流和誘導(dǎo)漩渦在氣態(tài)污染物的分布形態(tài)中占主導(dǎo)作用，氣態(tài)污染物的擴散較為理想，最大濃度僅為同風(fēng)速下采用煙囪排放煙氣最大濃度的14%；當環(huán)境風(fēng)速增至4 ms時，上升熱氣流作用減弱，誘導(dǎo)漩渦占主導(dǎo)作用，漩渦將氣態(tài)污染物卷吸至渦核處，使得煙氣的超標范圍和最大濃度反而呈上升趨勢，最大濃度為同風(fēng)速下采用煙囪排放煙氣最大濃度的27%；當風(fēng)速增至6 ms甚至更高時，環(huán)境風(fēng)對氣態(tài)污染物的分布影響最大，污染物的超標范圍和最大濃度逐漸減小，最大濃度為同風(fēng)速下采用煙囪排放的煙氣最大濃度的50%甚至更高. 對于顆粒物，誘導(dǎo)漩渦的作用是正面的，能夠加速其擴散.

[1] 湯蘊琳.火電廠“煙塔合一”技術(shù)的應(yīng)用[J].電力建設(shè),2005,26(2):11-12.

TANG Yunlin.Application of technology for ‘combining stack and cooling tower into one’ in coal-fired power plants[J].Electric Power Construction,2005,26(2):11-12.

[2] MARTIN D O.Comment on ‘the change of concentration standard deviations with distance’[J].Journal of the Air & Waste Management Association,1976,26:145-147.

[3] 林勇.煙塔合一技術(shù)特點和工程數(shù)據(jù)[J].環(huán)境科學(xué)研究,2005,18(1):35-40.

LIN Yong.The technology characteristics of natural draft cooling tower with flue gas injection and its engineering data[J].Research of Environmental Sciences,2005,18(1):35-40.

[4] 崔克強,李浩.燃煤發(fā)電廠煙塔合一環(huán)境影響之一:煙氣抬升高度的對比計算[J].環(huán)境科學(xué)研究,2005,18(1):27-30.

CUI Keqiang,LI Hao.The environmental effect of natural draft cooling towers with flue gas injection in a burning coal plant part Ⅰ:the parallel calculation of plume rise[J].Research of Environmental Sciences,2005,18(1):27-30.

[5] 崔克強,柴發(fā)合.燃煤發(fā)電廠煙塔合一環(huán)境影響之二:華能北京熱電廠煙塔合一設(shè)計環(huán)境影響估算[J].環(huán)境科學(xué)研究,2005,18(1):31-34.

CUI Keqiang,CHAI Fahe.The environmental effect of natural draft cooling towers with flue gas injection in a burning coal plant part Ⅱ:the evaluation of environment effect for the case at Huaneng Beijing Thermoelectric Plant[J].Research of Environmental Sciences,2005,18(1):31-34.

[6] BUSCH D,HARTE R,KRATZIG W B,etal.New natural draft cooling tower of 200 m of height[J].Engineering Structures,2002,24(12):1509-1521.

[7] 王占山,潘麗波.火電廠大氣污染物排放標準實施效果的數(shù)值模擬研究[J].環(huán)境科學(xué),2014,35(3):853-863.

WANG Zhanshan,PAN Libo.Implementation results of emission standards of air pollutants for thermal power plants:a numerical simulation[J].Environmental Science,2014,35(3):853-863.

[8] 馬忠強,汪林,朱京海,等.2×300 MW機組煙塔合一方案大氣環(huán)境影響分析[J].環(huán)境科學(xué)研究,2012,25(12):1416-1421.

MA Zhongqiang,WANG Lin,ZHU Jinghai,etal.Analysis of the atmospheric environmental impact of a stack-cooling tower project for a 2×300 MW generating unit[J].Research of Environmental Sciences,2012,25(12):1416-1421.

[9] BLAZEK J.Computational fluid dynamics:principles and Applications[M].Oxford:Elsevier Science Ltd.,2001.

[10] ANDERSON D A,TANNEHILL J C,PLETCHER R H.Computational fluid mechanics and heat transfer[M].New York:Hemisphere Publishing Corporation,1984.

[11] SPALDING D B.A general purpose computer program for multi-dimensional one-and two-phase flow[J].Mathematics & Computers in Simulation,1981,23(3):267-276.

[12] KUMAR A,HEFNER J N.Future challenges and opportunities in aerodynamics[J].The Aeronautical Journal,2000,104:365-373.

[13] LAUNDER B E.CFD for aerodynamics turbulent flows:progress and problems[J].The Aeronautical Journal,2000,104:337-345.

[14] KLIMANEK A,CEDZICH M,BIALECKI R.3D CFD modeling of natural draft wet-cooling tower with flue gas injection[J].Applied Thermal Engineering,2015,91:824-833.

[15] 席新銘,王夢潔,杜小澤,等.“三塔合一”間接空冷塔內(nèi)空氣流場分布特性[J].中國電機工程學(xué)報,2015,35(23):6089-6098.

XI Xinming,WANG Mengjie,DU Xiaoze,etal.Airflow field characteristics in indirect dry cooling tower of three incorporate towers system[J].Proceedings of the CSEE,2015,35(23):6089-6098.

[16] 趙慧文.煙塔合一煙氣排放的數(shù)值分析[D].北京:華北電力大學(xué),2009.

[17] 浮杰.煙塔合一技術(shù)塔內(nèi)流動的研究[D].北京:華北電力大學(xué),2008.

[18] 張麗娜,馬喆,周陽,等.采用數(shù)值風(fēng)洞模型對熱電廠煙塔合一大氣污染擴散的研究[J].環(huán)境污染與防治,2013,35(4):67-74.

ZHANG Lina,MA Zhe,ZHOU Yang,etal.Study on the diffusing of flue gas pollutant from natural draft cooling tower with flue gas injection using numerical wind tunnel model[J].Environmental Pollution and Control,2013,35(4):67-74.

[19] 陳凱華,宋存義,李強.煙塔合一煙氣排放的數(shù)值分析[J].電站系統(tǒng)工程,2008,24(2):12-14.

CHEN Kaihua,SONG Cunyi,LI Qiang.Numerical analysis of plume rise of cooling tower with gas injection[J].Power System Engineering,2008,24(2):12-14.

[20] 王樹民,張翼,劉吉臻.燃煤電廠細顆粒物控制技術(shù)集成應(yīng)用及“近零排放”特性[J].環(huán)境科學(xué)研究,2016,29(9):1256-1263.

WANG Shumin,ZHANG Yi,LIU Jizhen.Integrated application of fine particulate matter control technologies and their ‘near-zero emission’ characteristics in coal-fired power plants[J].Research of Environmental Sciences,2016,29(9):1256-1263.

[21] ANSYS Software Corporation.ANSYS ICEM CFD user′s manual[EBOL].Canonsburg:ANSYS Software Corporation,2012[2017-09-19].http:ansys.com.

[22] AFGAN I,MOULINEC C,LAURENCE D.Numerical simulation of generic side mirror of a car using large eddy simulation with polyhedral meshes[J].International Journal for Numerical Methods in Fluids,2010,56(8):1107-1113.

[23] BATCHELOR G K.An introduction to fluid dynamics[M].Cambridge:Cambridge University Press,1967.

[24] LAUNDER B E,SPALDING D B.Lectures in mathematical models of turbulence[M].London:Academic Press,1972.

[25] JACEK A M.Aerodynamic characteristics of flue gas desulfurization spray towers polydispersity consideration[J].Industrial & Engineering Chemistry Research,2000,39:3314-3324.

[26] ANSYS Software Corporation.ANSYS fluent user′s guide[EBOL].Canonsburg:ANSYS Software Corporation,2012[2017-09-19].http:ansys.com.

[27] SU M D,TANG G F,FU S.Numerical simulation of fluid flow and thermal performance of a dry-cooling tower under cross wind condition[J].Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics,1999,79(3):289-306.

[28] 環(huán)境保護部.GB 3095—2012 環(huán)境空氣質(zhì)量標準[S].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2012.

[29] SCHATZMANN M,LOHMEYER A,ORTNER G.Flue gas discharge from cooling towers.Wind tunnel investigation of building downwash effects on ground-level concentrations[J].Atmospheric Environment,1987,21(8):1713-1724.

[30] SMITH M J,KOMERATH N,AMES R,etal.Performance analysis of a wing with multiple winglets[R].Anaheim,CA:USA,19th AIAA Applied Aerodynamics Conference,2001.

NumericalSimulationofFlueGasEmissionsfromCoal-firedPowerPlantsUsingComputationalFluidDynamicsMethod

YANG Guangjun1,2, DING Li2, GUO Zhaobing1,3*

1.School of Atmospheric Physics, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China2.State Environmental Protection Key Laboratory of Atmospheric Physical Modeling and Pollution Control, State Power Environmental Protection Research Institute, Nanjing 210031, China3.School of Environmental Science and Engineering, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China

In order to understand the diffusion of flue gas in coal-fired power plants, the computational fluid dynamics (CFD) method was applied to simulate the distribution of pollutants such as gaseous pollutants and particulate matter from flue gas emissions in a coal-fired power plant. The emissions were studied in a natural draft cooling tower (NDCT) with flue gas injection and a chimney. The numerical models of NDCT with flue gas injection and chimney were established with the geometrical parameters. The flow field and concentration field of gaseous pollutants were calculated using Navier-Stokes (N-S) equations. In addition, the trajectory of particulate matter was computed by Discrete Phase Model (DPM). The results indicated that the maximum concentrations of gaseous pollutants in flue gas discharged from the NDCT with flue gas injection increased with the increasing wind speed due to the entrainment of vortex at the downstream side of the cooling tower. It was not conducive to the diffusion of the flue gas. However, the convection of air heightened with the increase of wind speed, which was beneficial for the diffusion. Under the combined action of vortex and convection, the maximum concentration of gaseous pollutants was obtained at wind speed of 6 ms. However, the maximum concentration of gaseous pollutants in flue gas from the chimney decreased with the increase of wind speed, because the vortex effect in this case was very small. Due to the pre-diffusion of flue gas in the cooling tower, the maximum concentration of flue gas from NDCT with flue gas injection was almost one order of magnitude lower than that from the chimney, but this advantage gradually weakened with increasing wind speed. Meanwhile, it was noted that the diffusion of particulate matter from NDCT with flue gas injection was much better than that from the chimney for the vortex at the downstream side of the cooling tower. In general, NDCT with flue gas injection is more appropriate than chimneys for flue gas emission.

CFD; NDCT with flue gas injection; coal-fired power plant; chimney; flue gas emission; particulate matter

2016-12-21

2017-09-20

國家自然科學(xué)基金項目(41373023，91544229-02)；國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(2014YQ060537)

楊光俊(1979-)，男，江蘇揚州人，高級工程師，碩士，主要從事環(huán)境工程研究，yangguangjun79@126.com.

*責(zé)任作者，郭照冰(1972-)，男，江蘇徐州人，教授，博士，博導(dǎo)，主要從事大氣環(huán)境化學(xué)、水環(huán)境污染機理與控制技術(shù)研究，guozbnuist@163.com

楊光俊,丁力,郭照冰.基于CFD方法的燃煤電廠煙氣排放數(shù)值模擬[J].環(huán)境科學(xué)研究,2017,30(12):1934-1943.

YANG Guangjun,DING Li,GUO Zhaobing.Numerical simulation of flue gas emissions from coal-fired power plants using computational fluid dynamics method[J].Research of Environmental Sciences,2017,30(12):1934-1943.

X511,X513

1001-6929(2017)12-1934-10

A

10.13198j.issn.1001-6929.2017.03.51