山西省實(shí)施煤電超低排放的空氣質(zhì)量效益模擬

謝臥龍，崔艷麗

(山西省環(huán)境規(guī)劃院，山西太原030002)

山西省實(shí)施煤電超低排放的空氣質(zhì)量效益模擬

謝臥龍，崔艷麗

(山西省環(huán)境規(guī)劃院，山西太原030002)

山西省煤電行業(yè)的大氣污染物排放占到全省排放總量的將近50%，山西省政府要求2020年前現(xiàn)役機(jī)組進(jìn)行超低排放改造，鑒于煤電產(chǎn)業(yè)的排放特點(diǎn)，現(xiàn)役機(jī)組實(shí)施超低排放對(duì)于空氣質(zhì)量將會(huì)有較大的影響。研究建立現(xiàn)有燃煤電廠超低排放實(shí)施前和實(shí)施后的排放源清單，利用Calpuff模型對(duì)現(xiàn)役機(jī)組執(zhí)行超低排放空氣質(zhì)量改善效益進(jìn)行模擬。結(jié)果顯示，在原標(biāo)準(zhǔn)下現(xiàn)役燃煤發(fā)電機(jī)組對(duì)11個(gè)設(shè)區(qū)市市區(qū)的空氣質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)較大，山西省平均來看貢獻(xiàn)相對(duì)較小，現(xiàn)役燃煤發(fā)電機(jī)組執(zhí)行超低排放后，11個(gè)設(shè)區(qū)市市區(qū)現(xiàn)役燃煤發(fā)電機(jī)組的空氣質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)值有明顯的下降，但山西省平均的下降值相對(duì)較小，“十三五”期間的大氣污染防治需更多的考慮對(duì)其他源的控制。

山西省;燃煤發(fā)電;超低排放;空氣質(zhì)量效益;Calpuff

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，我國對(duì)火電廠大氣污染物排放的控制日趨嚴(yán)格。2014年8月8日，山西省人民政府已在《關(guān)于推進(jìn)全省燃煤發(fā)電機(jī)組超低排放的實(shí)施意見》(晉政辦發(fā)［2014］62號(hào))中，明確提出2020年底，山西省全部現(xiàn)役300MW及以上火電機(jī)組完成煙氣超低排放改造。

山西省常規(guī)大氣污染物排放中，燃煤發(fā)電排放占有較大份額，2013年山西省燃煤發(fā)電排放的SO2、NOx和煙塵分別占到了全省排放總量的47%、48%和16%，按照政府要求執(zhí)行超低排放后，山西省現(xiàn)有燃煤發(fā)電廠的污染物排放總量將大幅減少。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國的環(huán)境管理制度已經(jīng)開始由以環(huán)境污染控制為導(dǎo)向，向以環(huán)境質(zhì)量改善為導(dǎo)向轉(zhuǎn)變，建立燃煤發(fā)電行業(yè)排放總量到環(huán)境質(zhì)量之間的關(guān)聯(lián)，定量化的分析其排放總量的減少對(duì)于空氣質(zhì)量改善的影響，可以為政府的大氣污染防治工作提供參考，有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

不同排放標(biāo)準(zhǔn)下排放濃度限值對(duì)比見表1。

表1 不同排放標(biāo)準(zhǔn)下排放濃度限值的對(duì)比mg/m3

表1中a為以煤矸石等為主要燃料的資源綜合利用火力發(fā)電鍋爐執(zhí)行該限值;b為采用W型火焰爐膛的火力發(fā)電鍋爐，以及現(xiàn)有的循環(huán)流化床鍋爐執(zhí)行該限值。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域

山西省域范圍，將11個(gè)省轄市市區(qū)列為重點(diǎn)關(guān)注區(qū)。研究區(qū)域內(nèi)重點(diǎn)關(guān)注區(qū)及現(xiàn)有火電廠的空間分布見圖1。

圖1 研究區(qū)域及現(xiàn)有電廠、重點(diǎn)關(guān)注區(qū)分布

1.2 污染源清單

基于山西省2013年環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)建立污染源清單。

1.2.1 現(xiàn)狀排污情況

2013年，山西省燃煤發(fā)電裝機(jī)總量5156.7萬kW，其中效率較高的單機(jī)600MW及以上機(jī)組占40%，效率極低的100MW及以下機(jī)組約占8%。分析不同單機(jī)規(guī)模機(jī)組單位發(fā)電量的主要大氣污染物排放強(qiáng)度，結(jié)果見表2。從表2可以看出，機(jī)組單機(jī)規(guī)模越大，單位發(fā)電量大氣污染物排放強(qiáng)度越小。型號(hào)機(jī)組單位發(fā)電量NOx排放強(qiáng)度差異較小。

表2 山西省現(xiàn)有燃煤發(fā)電廠排污強(qiáng)度對(duì)比

1.2.2 執(zhí)行原標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)役機(jī)組排放源清單

源參數(shù)中，排氣筒高度、內(nèi)徑、煙氣流速、溫度等參數(shù)，2008年之后新建的300MW及以上的電廠通過查閱項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)報(bào)告書確定，其余排放源按照相關(guān)的研究成果考慮機(jī)組規(guī)模統(tǒng)一取值。

Zhou Ying等［1］研究認(rèn)為，大部分電廠都符合指導(dǎo)值。對(duì)于缺失參數(shù)的排氣筒，不同裝機(jī)規(guī)模電廠排氣筒高度引用蘭濤等［2］的研究成果;內(nèi)徑基于排氣筒高度根據(jù)付飛等［3］研究中調(diào)查得到的電廠排氣筒高度與內(nèi)徑對(duì)應(yīng)關(guān)系確定;煙氣溫度使用Pregger＆Friedrich［4］給出的歐洲典型值;煙氣流速根據(jù)出口內(nèi)徑、山西省環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中煙氣量、設(shè)備運(yùn)行小時(shí)數(shù)進(jìn)行估算，估算公式如下:

式中:Vs為煙氣流速，m/s;Q為環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中污染源年煙氣排放量，m3/a;T為設(shè)備年運(yùn)行小時(shí)數(shù)，h/a;D為排氣筒內(nèi)徑，m。

排氣筒位置利用山西省環(huán)境統(tǒng)計(jì)中的位置信息，并利用Google earth對(duì)其進(jìn)行校正。污染物排放強(qiáng)度按照山西省2013年火電機(jī)組總量減排核查數(shù)據(jù)中的機(jī)組運(yùn)行情況和污染物排放總量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下:

式中:G為污染物排放強(qiáng)度，kg/h;Ai為接入該座排氣筒的第i座鍋爐的核定年排放總量，t/a;Ti為接入該座排氣筒的第i座鍋爐的年運(yùn)行時(shí)間，h。

1.2.3 執(zhí)行超低排放后現(xiàn)役機(jī)組排放源清單

各污染源排放濃度按新的排放標(biāo)準(zhǔn)下的濃度限值計(jì)，其中300MW及以上機(jī)組執(zhí)行本文表1中的超低排放限值，300MW以下機(jī)組執(zhí)行《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223－2011)，其余各項(xiàng)源參數(shù)與執(zhí)行新標(biāo)準(zhǔn)前一致。

1.3 氣象數(shù)據(jù)

地面實(shí)際觀測氣象數(shù)據(jù)采用右玉、大同、五寨、離石、陽泉、介休、臨汾、長治、運(yùn)城、陽城、太原等11個(gè)基準(zhǔn)、基本氣象站以及平魯和天鎮(zhèn)2個(gè)一般氣象站的逐時(shí)或逐次的觀測數(shù)據(jù)。高空氣象數(shù)據(jù)采用MM5模式生成的模擬數(shù)據(jù)，模擬基于的原始?xì)庀筚Y料為美國NCEP的FNL數(shù)據(jù)，地理分辨率1×1，時(shí)間分辨率6h，MM5模式采用非靜力平衡框架。

1.4 模擬方法及參數(shù)設(shè)置

山西省地形起伏較大，全省山地、丘陵面積占全省土地面積的80.3%，這樣復(fù)雜的地形不適合使用適用于大區(qū)域模擬的MM5/CMAQ模型［5］，Calmet/ Calpuff模型已多次應(yīng)用于對(duì)不同污染源的污染貢獻(xiàn)模擬研究［6－12］，采用Calpuff模型進(jìn)行模擬［13］。

模型考慮了復(fù)雜地形動(dòng)力學(xué)影響、斜坡流、FROUND數(shù)影響及散度最小化處理［14］。Calpuff基本原理為高斯煙團(tuán)模式，利用在取樣時(shí)間內(nèi)進(jìn)行積分的方法來節(jié)約計(jì)算時(shí)間，其基本方程為:

式中:C為污染物落地濃度;Q為煙團(tuán)中污染物的量;σx，σy，σz分別為x，y，z方向上的擴(kuò)散參數(shù);da和dc分別為x方向上和y方向上煙團(tuán)中心到接受點(diǎn)的距離;He為煙團(tuán)中心離地面的有效高度;h為混合層高度;g為高斯方程的垂直項(xiàng)。

Calpuff模塊計(jì)算網(wǎng)格:水平網(wǎng)格距、垂直分層、格點(diǎn)數(shù)同CALMET，輸入資料使用CLAMET的輸出結(jié)果。采樣網(wǎng)格:網(wǎng)格距10km，格點(diǎn)數(shù)40×74。

化學(xué)過程方案:采用MESOPUFFⅡ方案，其他化學(xué)過程反應(yīng)參數(shù)均采用CALPUFF默認(rèn)選項(xiàng)。另外，O3月際背景濃度取太原市2013年O3監(jiān)測月均值，NH3月際背景濃度值取模型默認(rèn)值，NO2/NOx比值設(shè)為0.9。

2 結(jié)果與分析

2.1 執(zhí)行原標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)役機(jī)組污染貢獻(xiàn)

2013年現(xiàn)役燃煤發(fā)電機(jī)組的污染貢獻(xiàn)，從山西省平均(所有網(wǎng)格點(diǎn)平均)來看，SO2、NO2、PM10和PM2.5的年平均貢獻(xiàn)濃度分別為3.38、1.72、2.00和1.42μg/m3，SO2、NO2和PM10貢獻(xiàn)濃度與2013年監(jiān)測年均濃度值之比分別為5.2%、5.2%和1.7%。2013年尚未進(jìn)行PM2.5常規(guī)監(jiān)測，將其與二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值對(duì)比，PM2.5年均濃度貢獻(xiàn)值占標(biāo)率為4.1%。

具體分析11個(gè)設(shè)區(qū)市的市區(qū)，將現(xiàn)役燃煤發(fā)電機(jī)組污染貢獻(xiàn)值與現(xiàn)狀監(jiān)測值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表3。SO2、NO2、PM103項(xiàng)污染物的最大值均出現(xiàn)在大同市;2013年尚未進(jìn)行PM2.5大范圍常規(guī)監(jiān)測，將其與二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值對(duì)比，比值在2.8%～16.6%之間，最大值出現(xiàn)在晉中市。

表3 現(xiàn)役燃煤發(fā)電機(jī)組空氣質(zhì)量貢獻(xiàn)率

對(duì)比現(xiàn)役燃煤發(fā)電機(jī)組大氣污染物排放量貢獻(xiàn)率與模擬的空氣質(zhì)量濃度的貢獻(xiàn)率可知，排放量與空氣質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)有一定的正相關(guān)性，但排放量貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)大于空氣質(zhì)量濃度的貢獻(xiàn)率，這主要是因?yàn)榛痣姀S排氣筒均為高架源，污染物容易擴(kuò)散，對(duì)近地面影響較小。尤其是從山西省平均來看，盡管燃煤發(fā)電行業(yè)SO2和NOx的排放量占比接近50%，但模擬的空氣質(zhì)量的貢獻(xiàn)率僅5.2%，煙塵的排放量貢獻(xiàn)率也遠(yuǎn)大于模擬的PM10和PM2.5的空氣質(zhì)量的貢獻(xiàn)率，從此角度上看，山西省空氣質(zhì)量的改善，更多的需要通過控制低架源及無組織面源來實(shí)現(xiàn)。

2.2 執(zhí)行超低排放后現(xiàn)役機(jī)組污染貢獻(xiàn)

現(xiàn)役機(jī)組執(zhí)行新的排放標(biāo)準(zhǔn)后，其污染貢獻(xiàn)大幅降低，SO2、NO2、PM10和PM2.5山西全省年均濃度貢獻(xiàn)值分別降低了2.73、1.36、1.52和1.00μg/m3。

將現(xiàn)役機(jī)組執(zhí)行新標(biāo)準(zhǔn)后的污染貢獻(xiàn)降低值與2013年空氣質(zhì)量實(shí)際監(jiān)測值進(jìn)行對(duì)比，分析在其他污染源保持不變的條件下，現(xiàn)役機(jī)組執(zhí)行新標(biāo)準(zhǔn)后空氣質(zhì)量改善的幅度，結(jié)果見表4。表中C為年平均貢獻(xiàn)濃度值，μg/m3;K為年平均貢獻(xiàn)濃度值與現(xiàn)狀監(jiān)測值的比值，%。從山西省年濃度平均數(shù)據(jù)來看，SO2、NO2、PM10和PM2.5四項(xiàng)污染物濃度降幅分別為4.2%、4.1%、1.3%和2.9%。具體分析11個(gè)市的市區(qū)，SO2降幅在4.7%～31.0%之間，其中陽泉市降幅最大;NO2降幅在4.3%～32.9%之間，其中大同市降幅最大;PM10降幅在2.3%～17.3%之間，其中大同市降幅最大;另外，PM2.5降幅在2.1%～14.0%之間，其中晉中市降幅最大。

表4 現(xiàn)役燃煤發(fā)電機(jī)組執(zhí)行超低排放標(biāo)準(zhǔn)后的空氣質(zhì)量貢獻(xiàn)及空氣質(zhì)量改善效果

3 結(jié)語

在山西省多山地形條件下，現(xiàn)役燃煤發(fā)電機(jī)組實(shí)施超低排放后，相比執(zhí)行GB 13223－2003環(huán)境空氣質(zhì)量改善的效果。模擬研究發(fā)現(xiàn)，從山西省全境來看，執(zhí)行原標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)役燃煤發(fā)電機(jī)組空氣質(zhì)量貢獻(xiàn)不大，SO2、NO2、PM10和PM2.5的模擬年均濃度貢獻(xiàn)率分別為5.2%、5.2%、1.7%和4.1%;但對(duì)于11個(gè)設(shè)區(qū)市的市區(qū)來說，污染貢獻(xiàn)則相對(duì)較大，如在貢獻(xiàn)率較大的大同市區(qū)，SO2、NO2、PM10和PM2.5的模擬年均濃度貢獻(xiàn)率分別達(dá)到41.1%、44.8%、19.1%和14.2%?，F(xiàn)役機(jī)組執(zhí)行超低排放以后，空氣質(zhì)量得到改善。將模擬的現(xiàn)役燃煤發(fā)電機(jī)組的污染貢獻(xiàn)(執(zhí)行GB13223－2003標(biāo)準(zhǔn))與燃煤發(fā)電排污量貢獻(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)燃煤發(fā)電的污染貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于排污量的貢獻(xiàn)率，因此，“十三五”期間，要實(shí)現(xiàn)山西省環(huán)境空氣質(zhì)量的全面改善，除了要求燃煤發(fā)電執(zhí)行超低排放外，更多的需要通過控制低架源及無組織面源來實(shí)現(xiàn)。

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A numerical simulation of the air quality improvement when all service coal－fired power plants maintain a ultra－low emission standard in Shanxi

In Shanxi province，50%of the air pollutants comes from coal－fired power plants.Shanxi provincial government has been asking all the service coal－fired power plants meet a ultra－low emission standard before 2020，it＇s predictable that this policy will improve the ambient air quality.It developes emission inventorys before and after the service coal－fired power plants maintain the ultra－low emission standard，and numerically simulates the improvement of the ambient air quality，with the Calpuff model.Results indicate that there is an significantly decline of the pollution contribution of service coal－fired power plants after maintaining the ultra－low emission standard in 11 districted cities，but non significant in the whole provincial area.To evidently improve the ambient air quality in the whole provincial area，other types of emission sources need more focus.

Shanxi;coal－fired power plants;ultra－low emission;improvement of air quality;Calpuff

X701

B

1674－8069(2015)05－010－04

2015-04-09;

2015-06-15

謝臥龍(1984-)，男，工程師，碩士，主要從事大氣污染數(shù)學(xué)模擬與污染防治政策等方面的研究。E－mail:wolongxie@ 163.com

山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目(20130313005－1)