锅炉烟囱高度计算

1 简介

烟囱的作用有二：一是产生自生通风力（抽力），克服烟、风道的流动阻力；二是把烟尘和有害气体引向高空，增大扩散半径，避免局部污染过重。高烟囱排放可使污染物在垂直方向及水平方向在更大范围内散布，因此对降低地面浓度的作用是很明显的。但不可忽视的是，建设过高的烟囱对企业投资是一种负担，因为烟囱的造价大体上与烟囱高度的平方成正比，况且过高的烟囱对周边的景观环境也会造成不协调影响。因此烟囱高度应设置在一个合理的范围内才能达到环境效益和经济效益的相统一。

 

2 烟囱高度计算

2.1 烟囱出口直径计算

烟囱出口直径计算公式：

                           

式中： —— 烟气实际流量， m ³ /s

—— 燃料消耗总量， kg/s ；

—— 标准状态下的烟气流量， Nm ³ /kg ；

—— 烟囱出口处的烟气流速 ， m/s ；

—— 烟囱出口处的烟气温度， K 。

 

2.2 按环保要求计算的烟囱高度

下面介绍按污染物地面最大浓度来确定烟囱高度的计算方法。该法是按保证污染物的地面最大浓度不超过《环境空气质量标准》规定的浓度限值来确定烟囱高度。

地面最大浓度的公式：

式中： -—— 地面最大污染物浓度， mg/m ³ ；

Q—— 烟囱单位时间内排放的污染物， mg/s ；

u—— 烟囱出口处的平均风速， m/s ；

H _e —— 烟囱的有效高度， m ；

、 —— 扩散系数在垂直及横向的标准差 ， m 。

 

烟囱有效高度 H _e 计算式：

式中： —— 烟囱的几何高度， m ；

—— 烟囱的抬升高度， m 。

 

若设 为《环境空气质量标准》规定的某污染物的浓度限值， 为其环境原有浓度，按保证 ，则由地面最大浓度的公式得到烟囱高度计算公式：

 

烟气抬升高度 按下列公式计算：

当 21000kW ，且 35K 时：

城市和丘陵的烟气抬升高度：

平原和农村的烟气抬升高度：

当 2100 21000kW ，且 35K 时：

城市和丘陵的烟气抬升高度：

平原和农村的烟气抬升高度：

当 2100kW ，或 35K 时：

式中： —— 烟囱出口的烟气温度与环境温度之差， K ；

—— 烟气的热释放率， kW ；

u—— 烟囱出口处的平均风速， m/s ；

—— 烟囱出口处的实际烟速， m/s ；

d—— 烟囱的出口内径，ｍ。

其中，

烟囱出口处烟气温度与环境温度之差

式中：

—— 烟囱出口处烟气温度， K ，可用烟囱入口处烟气温度按 -5 ℃ /100m 递减率换算所得值；

—— 烟囱出口处环境平均温度， K ，可用电厂所在地附近的气象台、站定时观测最近 5a 地面平均气温代替。

烟气热释放率

式中： P—— 大气压，一般取 1013.25hPa ；

烟气出口处环境风速 u

式中： u—— 烟气出口处的风速， m/s ；

—— 地面 10m 高度处的平均风速， m/s ，采用电厂所在地最近的气象台、站最近 5a 观测的距地面 10m 高度处的风速平均值，当 m/s 时，取 =2m/s ；

m—— 风速切边指数 ，取值范围常为 0.15~0.25 。

 

2.3 按环保要求确定烟囱高度的设计过程中应注意的问题：

1 ）上述计算方法是以中性或近中性大气条件下的锥型扩散为基础的，实际上还存在其它类型的扩散，例如波型扩散、扇型扩散、漫烟型扩散、屋脊型扩散和封闭型扩散等。在逆温较强的地区，需要用封闭型或熏烟型模式校核。

2 ）烟流抬升高度对烟囱高度的计算结果影响很大，郭鹏学暖通所以应选用抬升公式的应用条件与设计条件相近的抬升公式。否则，可能产生较大的误差。

3 ）为防止出现烟流下洗、下沉现象，要求烟囱出口烟气流速不小于出口处风速的 1.5 倍，且出口烟气流速在 20~30m/s 之间，烟温大于 100 ℃ 。

4 ）烟囱几何高度不小于从属建筑物高度的２倍。烟囱几何高度不得低于《大气污染物综合排放标准》或行业标准中根据具体情况所规定的烟囱高度最低限值。

 

2.4 按抽力要求校核烟囱高度

设计原则是烟囱的高度应使所产生的抽力能够克服烟囱阻力及烟囱出口烟气动能并留有 20 ％余量。且在大气温度 25 ℃ ，无风条件下，任何一点负压不小于 20Pa 。

（ 1 ）烟囱抽力

式中： h—— 烟囱抽力， Pa ；

—— 烟囱高度， m ；

g——9.8 m/ ；

—— 空气密度， kg/Nm ³ ；

—— 环境空气温度， K ；

—— 烟气密度， kg/Nm ³ ；

—— 入口烟气温度， K 。

（ 2 ）烟囱出口烟气动能 h ₁

（ 3 ）烟囱总摩擦阻力 h _e

烟囱总摩擦阻力损失包括直管摩擦阻力损失和弯头等局部摩擦阻力损失。

式中： —— 直管摩擦阻力损失， Pa ；

—— 摩擦系数，砖烟囱和混凝土烟囱取 0.05 ；

—— 烟囱当量直径， ；

—— 烟囱平均坡度，一般取 0.02

—— 下的烟气流速， ；

——( 。

—— 入口烟气密度， kg/m ³ ， ；

—— 出口烟气密度， kg/m ³ ， 。

 

富余抽力 需满足：

。  

 

3 案例

SO ₂ 排放量为 80g/s ，烟气流量为 265m ³ /s ，入口烟气温度 423K ，出口烟气温度为 418K ，烟气密度 1.34 kg/Nm ³ ， 大气温度为 293K ，大气密度 1.29 kg/Nm ³ 。这一地区的 SO ₂ 本底浓度为 0.05mg/m ³ ，设 =0.5 ，地面平均风速 u ₁₀ =3m/s ，稳定度参数 m=0.25 ，试按《环境质量标准》（ GB3095-1996 ）的二级标准来设计烟囱的高度和出口直径，并校核。

（ 1 ）烟囱高度的计算

热释放率 Q _H 为：  

烟囱出口处平均风速为：  

该厂位于城市及近郊区，则烟气抬升高度为：

《环境质量标准》的二级标准限制为 0.06mg/m ³ ( 年均 ) ，将各参数值带入以下公式计算：

得：

用牛顿切线法迭代： H _s1 =160 ， H _s2 =182.6 ， H _s3 =182.7

取 H _s =183m 。

（ 2 ）烟囱内径的计算

烟囱出口烟气流速不应该低于该高度处平均风速的 1.5 倍，

即：   ；

为保证烟气顺利抬升，出口流速应在 20~30m/s 。取 =20m/s ，则有

则实际直径可取为 4.0m 。

烟囱出口处烟气流速为：

综合（ 1 ）（ 2 ），该厂烟囱应设计为高度 183m ，内径 4.0m 。