某1 000 MW燃煤機(jī)組超低排放改造減排NOX的環(huán)境效益評(píng)價(jià)

壽春暉，祁志福，陳 彪，劉春紅

（浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州 310003）

某1 000 MW燃煤機(jī)組超低排放改造減排NOX的環(huán)境效益評(píng)價(jià)

壽春暉，祁志福，陳 彪，劉春紅

（浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州 310003）

利用AERMOD模型對(duì)某1 000 MW燃煤機(jī)組改造前后排放NOX在大氣中的傳輸、擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行了模擬，定量計(jì)算了NOX環(huán)境濃度及其分布情況。研究發(fā)現(xiàn)：通過(guò)超低排放改造項(xiàng)目削減NOX排放，可使環(huán)境空氣中NOX最大落地濃度大量減少、占標(biāo)率明顯下降；各峰值分布區(qū)域污染物濃度降幅顯著，各時(shí)段均值占標(biāo)率大幅下降；全區(qū)域各時(shí)間段濃度值均降低、分布梯度變小。研究結(jié)果表明：火電行業(yè)通過(guò)“超低排放”進(jìn)一步控制NOX污染對(duì)環(huán)境影響正效益顯著，發(fā)電廠(chǎng)周邊環(huán)境空氣質(zhì)量得以整體大幅提升。

AERMOD；NOX；環(huán)境影響；火電廠(chǎng)；超低排放

0 引言

NOX（氮氧化合物）是國(guó)家重點(diǎn)及總量控制的環(huán)境指標(biāo)。2013年全國(guó)NOX排放量達(dá)2 227.4萬(wàn)t左右，燃煤電廠(chǎng)為排放大戶(hù)[1,2]。排放的NOX不僅直接污染環(huán)境，由其轉(zhuǎn)化的二次細(xì)顆粒物（PM2.5）還是霧霾的重要成因。據(jù)研究，由排放NOX轉(zhuǎn)化的二次PM2.5占了2010年火電行業(yè)細(xì)顆粒物排放總量的32%[3]，超過(guò)直接排放的一次PM2.5（約12%[3]）。因此，按照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095-2012）[4]要求控制好燃煤機(jī)組NOX排放尤為重要。為此，提出了燃煤電廠(chǎng)煙氣污染物超低排放的概念，主動(dòng)減排燃煤機(jī)組污染物，以達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組的排放限值，NOX要求排放濃度小于50 mg/m3（煙氣含氧量為6%）。

通過(guò)超低排放改造無(wú)疑可使原有燃煤機(jī)組污染物排放量大幅降低[1，5，6]，但針對(duì)具體機(jī)組，改造減排對(duì)周邊區(qū)域的長(zhǎng)、短期環(huán)境效益仍缺少定量研究。利用數(shù)值模型對(duì)排放源進(jìn)行計(jì)算，評(píng)價(jià)其對(duì)環(huán)境空氣的影響，是定量分析超低排放改造減排NOX環(huán)境效益的有效手段[7，8]。

AERMOD模型是《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則大氣環(huán)境》（HJ2.2-2008）[9]推薦使用的環(huán)評(píng)模型，利用該模型可以對(duì)排放源NOX等污染物的傳播進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)污染物擴(kuò)散的長(zhǎng)、短期環(huán)境影響做出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)[10-12]。利用 AERMOD模型計(jì)算某1 000 MW燃煤機(jī)組超低排放改造前后所排放NOX的最大落地濃度變化，分析評(píng)價(jià)排放源周邊區(qū)域污染物濃度分布情況，為火電行業(yè)通過(guò)超低排放進(jìn)一步控制NOX污染、減少霧霾影響提供定量研究結(jié)果。

1 研究方法

1.1 AERMOD模型

AERMOD模型是2008版大氣評(píng)價(jià)導(dǎo)則指定的一、二級(jí)環(huán)境影響評(píng)價(jià)項(xiàng)目計(jì)算模型，由AERMIC開(kāi)發(fā)，核心算法為局域高斯煙羽擴(kuò)散模式，適用于20～50 km相對(duì)小范圍的局域大氣擴(kuò)散模擬計(jì)算。AERMOD模型以擴(kuò)散統(tǒng)計(jì)理論為出發(fā)點(diǎn)，假設(shè)污染物的濃度分布在一定程度上服從高斯分布，可用于多種排放源（包括點(diǎn)源、面源和體源）排放的污染物在短期（小時(shí)平均、日平均）、長(zhǎng)期（年平均）的濃度分布研究；也適用于鄉(xiāng)村和城市環(huán)境、平坦和復(fù)雜地形、地面和高架等多種排放擴(kuò)散情景。

AERMOD系統(tǒng)包括AERMOD（大氣擴(kuò)散模型）、AERMET（氣象數(shù)據(jù)預(yù)處理器）和AERMAP（地形數(shù)據(jù)預(yù)處理器）3個(gè)部分，模型主要計(jì)算流程如圖1所示。模擬過(guò)程首先需要建立一個(gè)文本格式的控制文件，來(lái)提供程序控制選項(xiàng)、污染源位置參數(shù)、預(yù)測(cè)點(diǎn)位置、氣象數(shù)據(jù)引用及輸出參數(shù)等。而運(yùn)行所需的2個(gè)基本氣象數(shù)據(jù)文件為地面氣象數(shù)據(jù)文件和探空廓線(xiàn)數(shù)據(jù)文件，都由AERMET生成。為同時(shí)考慮地形影響，還需在控制文件中加入地形數(shù)據(jù)文件的引用，該文件由AERMAP生成。

圖1 AERMOD模型計(jì)算流程

1.2 氣象條件

排放源所處區(qū)域是典型的亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，季風(fēng)顯著、四季分明，總體氣候特征為溫和、濕潤(rùn)、多雨。模擬所需地面氣象資料來(lái)自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的距排放源6 km處的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)；所需高空氣象數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)國(guó)家海洋和大氣局/地球系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)室的無(wú)線(xiàn)電探空資料數(shù)據(jù)庫(kù)。設(shè)置2013年度為研究時(shí)間，利用溫度、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓、云量和相對(duì)濕度等全年逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)，作為模擬區(qū)域環(huán)境影響評(píng)價(jià)研究的氣象參數(shù)。利用AERMET模塊對(duì)地面和高空氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，獲得研究區(qū)域模擬時(shí)間內(nèi)月均溫度、風(fēng)速及風(fēng)向情況如圖2、圖3所示。

圖2 模擬區(qū)域溫度、風(fēng)速月均值

圖3 全年風(fēng)向頻率玫瑰圖

1.3 參數(shù)設(shè)置

所研究的1 000 MW燃煤機(jī)組排放的氣態(tài)污染物全部來(lái)自鍋爐燃燒尾氣，機(jī)組超低排放改造前后主要參數(shù)如表1所示。改造前，機(jī)組NOX排放執(zhí)行《火電廠(chǎng)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223 -2011）中一般地區(qū)現(xiàn)有機(jī)組排放限值100 mg/m3；模擬過(guò)程N(yùn)OX排放濃度根據(jù)環(huán)保設(shè)備性能驗(yàn)收測(cè)試均值。超低排放改造中，對(duì)鍋爐低氮燃燒器進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，同時(shí)增加了SCR（選擇性催化還原）脫硝系統(tǒng)催化劑層數(shù)，SCR裝置設(shè)計(jì)脫硝效率提高至85%。改造后NOX排放濃度值根據(jù)修后SCR裝置性能驗(yàn)收?qǐng)?bào)告設(shè)置，濃度限值為超低排放要求的50 mg/m3。

表1 某燃煤機(jī)組NOX排放參數(shù)

模型采用的地形參數(shù)來(lái)源于排放源所在區(qū)域DEM（數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)切割獲得的30 m分辨率的GDTM數(shù)據(jù)，經(jīng)ArcGIS軟件轉(zhuǎn)化生成模型所需要的數(shù)字高程文件。環(huán)境影響的評(píng)價(jià)以所研究燃煤機(jī)組對(duì)應(yīng)煙囪為中心，劃分500 m×500 m的網(wǎng)格，模擬范圍10 km×10 km。模擬區(qū)域以排放源為中心，總面積100 km2，包含了海域、城鎮(zhèn)、農(nóng)田及風(fēng)景區(qū)等不同區(qū)塊。排放源周邊環(huán)境關(guān)系與模擬區(qū)域具體情況如圖4所示。

圖4 排放源位置及模擬區(qū)域周邊環(huán)境條件

2 結(jié)果與討論

2.1 環(huán)境效益總體評(píng)價(jià)

20世紀(jì)70年代，Nicodemus提出了BRDF的精確概念，并用來(lái)描述物體的各向異性[7-8]。定義BRDF為目標(biāo)在某一方向(θr,φr)的反射亮度dLλ與入射方向(θi,φi)的照度dEλ的比值，其參數(shù)如圖1所示。

超低排放改造后機(jī)組的NOX排放限值為發(fā)改能源[2014]2093規(guī)定的50 mg/m3。表2為模擬區(qū)域改造前后的NOX短期（日均）和長(zhǎng)期（年均）最大落地濃度值，及其相應(yīng)的出現(xiàn)時(shí)間、距離和一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值[4]。

從表2可以看到，燃煤機(jī)組超低排放改造項(xiàng)目削減的NOX排放量，使得環(huán)境空氣中NOX最大落地濃度減少，占標(biāo)率下降，對(duì)周?chē)h(huán)境NOX的影響為正效益。如表2中所示，研究區(qū)域內(nèi)NOX最大落地濃度的日均值降低了3.46 μg/m3，年均值降低了0.4 μg/m3，改變幅度達(dá)72%。另外，考慮到火電行業(yè)煙氣排放中的NOX相當(dāng)大一部分轉(zhuǎn)化成了細(xì)顆粒物，因此，通過(guò)超低排放項(xiàng)目，不僅直接降低相關(guān)NOX地面濃度，還同時(shí)使關(guān)聯(lián)形成的二次細(xì)顆粒物大為減少，具有更大的環(huán)境效益。

表2 最大落地濃度模擬結(jié)果

2.2 最值濃度比較

將區(qū)域內(nèi)改造前后排放的NOX日均及年均環(huán)境濃度模擬結(jié)果最高前50值做了計(jì)算比較，通過(guò)變化情況了解區(qū)域污染程度及下降趨勢(shì)。將計(jì)算的日均及年均NOX環(huán)境濃度結(jié)果前50值及其占標(biāo)情況進(jìn)行對(duì)比，如圖5及圖6所示。

圖5 模擬區(qū)域NOX日均環(huán)境濃度（前50點(diǎn)）

由圖5可見(jiàn)，超低排放改造后，NOX日均環(huán)境濃度值（前50點(diǎn)）較改造前明顯降低。改造前NOX環(huán)境濃度前50點(diǎn)的均值為3.79 μg/m3，改造后降低為1.08 μg/m3，降幅超過(guò)71%；前50落地濃度相對(duì)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)濃度的占標(biāo)率由4.73%降至1.36%。從環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)的角度來(lái)看，超低排放改造后的時(shí)均最值環(huán)境濃度得到了非常明顯的改善。

圖6 模擬區(qū)域NOX年均環(huán)境濃度（前50點(diǎn)）

由圖6可見(jiàn)，前50點(diǎn)的年均濃度與日均濃度相似，最值濃度與占標(biāo)率均有明顯降低。改造前NOX環(huán)境濃度前50點(diǎn)均值為0.47 μg/m3，改造后降低為0.12 μg/m3，降幅達(dá)74%；前50落地濃度相對(duì)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)濃度的占標(biāo)率由1.17%降至0.31%，環(huán)境改善效果明顯。

2.3 落地濃度分布比較

圖7、圖8為模擬區(qū)最大日均、年均落地點(diǎn)NOX濃度分布情況對(duì)比。

年均落地濃度的分布變化情況如圖8所示，改造后區(qū)域內(nèi)濃度分布梯度明顯下降，濃度值全部降至0.2 μg/m3以下。原有的分別位于排放源南面約3 km處、北面和西面2.5 km處的峰值分布區(qū)域基本消失，地區(qū)濃度降幅較大。

結(jié)合圖7及圖8可以觀(guān)察到：超低排放NOX減排后，短期以及長(zhǎng)期均值的環(huán)境濃度均響應(yīng)迅速，整個(gè)模擬區(qū)域減排成效顯著；區(qū)域NOX環(huán)境濃度整體下降的情況下，原處于峰值區(qū)間的區(qū)域環(huán)境濃度降幅最大，環(huán)境狀況得到很大改善。從分布形態(tài)上看，改造后濃度分布梯度變小，原有的圍繞排放源存在的多峰分布現(xiàn)象得以改變。

圖7 NOX日均濃度分布

3 結(jié)論

通過(guò)建立基于燃煤機(jī)組超低排放改造 NOX減排的情況模擬，利用AERMOD大氣環(huán)境評(píng)價(jià)模型對(duì)環(huán)境效益影響進(jìn)行了分析。根據(jù)模擬結(jié)果得出以下結(jié)論：

（1）燃煤機(jī)組超低排放改造項(xiàng)目削減的NOX排放量，使得環(huán)境空氣中NOX最大落地濃度大幅減少、占標(biāo)率明顯下降，關(guān)聯(lián)形成的二次細(xì)顆粒物隨之減少，對(duì)周?chē)h(huán)境NOX的影響為正效益。全區(qū)域各時(shí)間段NOX濃度值降低、分布梯度變小等變化情況明顯，環(huán)境改善效果突出。

（2）超低排放改造后以最大落地濃度前50點(diǎn)為代表的原峰值分布區(qū)域污染物濃度降幅明顯，時(shí)均、日均及年均指標(biāo)占標(biāo)率均大幅下降，環(huán)境空氣質(zhì)量整體大幅提升。

圖8 NOX年均濃度分布

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（本文編輯：徐 晗）

Environmental Impact Assessment on NOXEmission Reduction of a 1 000 MW Ultra-low Emission Coal-fired Unit

SHOU Chunhui，QI Zhifu，CHENG Biao，LIU Chunhong

（Zhejiang Energy Group R&D Co.，Ltd.，Hangzhou 310003，China）

The diffusion and transmission in the atmosphere of NOXemissions from a 1 000 MW coal-fired power plant is simulated by using AERMOD modeling system to calculate the ambient concentration and distribution of NOX.The results show that the reduction of NOXby"ultra-low emission"transformation enables greatly reduction of maximum ground concentration in ambient air and decrease of the ratio to standard concentration；the pollutant concentration in peak distribution area decreases and the mean values to standard concentration at each time period are lowered greatly;the concentration value in the whole region at every time period decreases and the distribution gradient of NOXbecomes smaller.The research shows that further control of thermal power industry over NOXpollution by"ultra-low emission"has positive benefit on the environment，and the ambient air quality around the power plant is notably improved.

AERMOD；NOX；environmental impact；thermal power plant；ultra-low emission

X773

B

1007-1881（2016）12-0021-05

2016-10-18

壽春暉（1984），男，工程師，從事環(huán)保技術(shù)研究及新能源技術(shù)研究工作。