基于CALPUFF模型對(duì)垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目PM2.5的模擬與研究

南少杰

(煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030001)

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基于CALPUFF模型對(duì)垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目PM2.5的模擬與研究

南少杰

(煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030001)

與大氣導(dǎo)則推薦的AEMROD、ADMS 相比，CALPUFF 具有較為復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)模塊，利用CALPUFF 高斯煙團(tuán)大氣擴(kuò)散模型，在建立垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目PM2.5的排放清單的同時(shí)，模擬一次PM2.5和二次PM2.5的濃度貢獻(xiàn)及區(qū)域濃度分布，為垃圾焚燒及其他排放PM2.5建設(shè)項(xiàng)目的環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法提供參考。

垃圾焚燒發(fā)電；PM2.5；CALPUFF模型

1 案例概況

本文以山西省永濟(jì)市生活垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目一期工程為例，該項(xiàng)目位于永濟(jì)市東北(110°29′E，34°57′N(xiāo))，距離永濟(jì)市城區(qū)約7km，設(shè)2臺(tái)250t/d的機(jī)械爐排焚燒爐，生活垃圾日處理規(guī)模500t/d，采用國(guó)際成熟的“SNCR爐內(nèi)脫硝+半干法脫酸+活性炭吸附+布袋除塵器”焚燒煙氣凈化工藝，設(shè)80m高雙管集束煙囪，單筒內(nèi)徑1.3m，2臺(tái)焚燒爐獨(dú)立排放。選擇該項(xiàng)目周邊15個(gè)村莊為敏感點(diǎn)，分別模擬一次及二次PM2.5對(duì)村莊的大氣污染影響及空間濃度分布。

2 PM2.5排放清單

垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目PM2.5的來(lái)源分為兩類(lèi)，一為垃圾焚燒產(chǎn)生的煙氣中的一次粒子，二為焚燒煙氣中的SO2及NOX在特定氣候條件下轉(zhuǎn)化成(NH4)2SO4和NH4NO3。王慶國(guó)[1]等進(jìn)行了垃圾焚燒發(fā)電廠廠區(qū)PM2.5的影響因素研究。何品晶[2]等以上海某城市生活垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目為例研究我國(guó)生活垃圾焚燒發(fā)電過(guò)程中溫室氣體排放及影響因素。

參考環(huán)保部環(huán)辦函2014年1月發(fā)布的《大氣細(xì)顆粒物(PM2.5)源排放清單編制技術(shù)指南(試行)》(征求意見(jiàn)稿)[3]及PM2.5排放量核算技術(shù)規(guī)范(火電廠、水泥工業(yè)企業(yè))(征求意見(jiàn)稿)[4]，類(lèi)比如東天楹賽特垃圾電廠在線(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(煙塵排放濃度10～25mg/Nm3，SO2排放濃度19～53mg/Nm3，NOX排放濃度100～186mg/Nm3)，汾陽(yáng)市生活垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目環(huán)?？⒐を?yàn)收監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(煙塵排放濃度14.8～22.3mg/Nm3，SO2排放濃度63～71mg/Nm3，NOX排放濃度206～244mg/Nm3)，最終引用美國(guó)AP—42推薦使用數(shù)據(jù)(6%)作為一次PM2.5的質(zhì)量百分比，并按煙氣凈化工藝PM2.5的除塵效率為99%來(lái)計(jì)算一次PM2.5的排放速率，污染物排放速率見(jiàn)表1。

表1 污染物排放清單

3 模擬過(guò)程

3.1 模式選擇

CALPUFF模型作為《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則———大氣環(huán)境》HJ 2.2-2008推薦的法規(guī)化模型之一，能夠同時(shí)完成近距離和遠(yuǎn)距離的預(yù)測(cè)計(jì)算，且模型采用參數(shù)化化學(xué)機(jī)制方案，考慮污染物在大氣中的二次生成、化學(xué)轉(zhuǎn)化，適于完成相對(duì)復(fù)雜的污染物擴(kuò)散預(yù)測(cè)，且具備處理多種復(fù)雜情況的功能，因此，在同時(shí)模擬一次、二次PM2.5污染影響方面比AERMOD模型和ADMS模型更具優(yōu)勢(shì)。本次預(yù)測(cè)采用calpuff里slug模式，更適合于模擬近場(chǎng)擴(kuò)散。

3.2 模擬范圍與時(shí)段

模擬區(qū)域以110°24′56.52″ E，34°50′08.69″N 為左下角，東西14km，南北18km，總面積252km2，網(wǎng)格間距為0.5km，垂直方向分為10層，模擬時(shí)段為2014年1月1日至2014年12月31日。

3. 3 地理數(shù)據(jù)

CALMET 模塊需要地形數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù)，包括土地類(lèi)型、海拔高度、地表參數(shù)和人為熱導(dǎo)系數(shù). 其中，地形數(shù)據(jù)利用子軟件TERREL 處理SRTM3文件得到TERREL. DAT 數(shù)據(jù)文件；土地利用數(shù)據(jù)利用系統(tǒng)子軟件CTGPROC 處理USGSGlobal-Lambert Azimuthal 的ASIA 數(shù)據(jù)(分辨率1km)，可得LU.DAT 數(shù)據(jù)文件。

3. 4 氣象資料

氣象模塊CALMET 所需的氣象數(shù)據(jù)包括地面和探空數(shù)據(jù)。地面數(shù)據(jù)采用永濟(jì)市氣象站(東經(jīng)110.45°、北緯34.88°，海拔高度350m)2014年全年逐時(shí)的常規(guī)氣象要素，包括風(fēng)向、風(fēng)速、總云、低云和干球溫度。探空數(shù)據(jù)采用中尺度氣象模式MM5模擬生成，分辨率為27km×27km。探空數(shù)據(jù)為2014年全年每日8時(shí)、20時(shí)數(shù)據(jù)，要素包括氣壓(hpa)、高度(m)、風(fēng)向(°)、風(fēng)速(m/s)、干球溫度(℃)、露點(diǎn)溫度(℃)，模擬數(shù)據(jù)網(wǎng)格點(diǎn)坐標(biāo)為(110.46300E，34.96230N)，距離廠址約3.1km。

3. 5 計(jì)算點(diǎn)

預(yù)測(cè)因子為PM2.5，預(yù)測(cè)計(jì)算點(diǎn)包括模擬范圍內(nèi)所有的網(wǎng)格點(diǎn)和周?chē)?5個(gè)環(huán)境空氣敏感保護(hù)目標(biāo)，為減少模擬時(shí)邊界效應(yīng)的影響，將預(yù)測(cè)范圍在覆蓋評(píng)價(jià)范圍基礎(chǔ)上適當(dāng)擴(kuò)大。模擬范圍及各敏感點(diǎn)分布情況見(jiàn)地形圖1。

圖1 各敏感點(diǎn)分布情況

3. 6 預(yù)測(cè)內(nèi)容

考慮PM2.5是一次排放源貢獻(xiàn)和二次排放源貢獻(xiàn)的混合體，本案例中一次PM2.5指垃圾焚燒直接排放的一次源貢獻(xiàn)，二次PM2.5由二次生成的硝酸鹽和硫酸鹽貢獻(xiàn)。預(yù)測(cè)內(nèi)容主要包括：①全年逐時(shí)氣象條件下，正常排放時(shí)，環(huán)境空氣保護(hù)目標(biāo)、網(wǎng)格點(diǎn)處的PM2.5最大地面小時(shí)濃度及其分布；②全年逐日氣象條件下，正常排放時(shí)，環(huán)境空氣保護(hù)目標(biāo)、網(wǎng)格點(diǎn)處的PM2.5最大地面日平均濃度及其分布；(3)長(zhǎng)期氣象條件下，正常排放時(shí)，環(huán)境空氣保護(hù)目標(biāo)、網(wǎng)格點(diǎn)處的PM2.5地面年平均濃度及其分布。

3. 7 預(yù)測(cè)結(jié)果

采用CALPOST模塊對(duì)CALPUFF計(jì)算的各網(wǎng)格點(diǎn)和敏感點(diǎn)小時(shí)、日均、年均地面落地濃度最大值進(jìn)行提取分析，最終結(jié)果中各網(wǎng)格點(diǎn)和敏感點(diǎn)的PM2.5濃度由一次PM2.5濃度、二次濃度(二次硫酸銨粒子濃度、二次硝酸銨粒子濃度)合計(jì)而成。

4 模擬結(jié)果分析

根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果分析，該垃圾焚燒項(xiàng)目產(chǎn)生的PM2.5影響主要集中在污染源周邊5km范圍內(nèi)，而高濃度區(qū)集中在2km范圍內(nèi)，對(duì)15個(gè)大氣敏感點(diǎn)及預(yù)測(cè)網(wǎng)格點(diǎn)的影響均達(dá)標(biāo)，敏感點(diǎn)中對(duì)C、D敏感點(diǎn)的影響相對(duì)較大，小時(shí)濃度分別為8.01μg/m3、7.07μg/m3，占標(biāo)率達(dá)到3.54%、3.14%，日均濃度為0.90μg/m3、0.94μg/m3，占標(biāo)率達(dá)到1.20%、1.25%，年均濃度為0.0458μg/m3、0.0380μg/m3，占標(biāo)率達(dá)到0.13%、0.11%。作為單一點(diǎn)源且未考慮降雨數(shù)據(jù)的情況下，影響尚可接受。

從敏感點(diǎn)三類(lèi)污染物的占比分析，二次硝酸銨粒子濃度占比最大，一次PM2.5占比次之，二次硫酸銨粒子濃度影響最小。且二次顆粒物總和占總濃度的比例小時(shí)濃度在56%～78%，日均在53%～77%，年均在48%～70%，對(duì)于距離污染源大于2km以上的敏感點(diǎn)，占比均達(dá)到60%以上，甚至70%，可見(jiàn)企業(yè)在后續(xù)的環(huán)保措施上在保證脫硫運(yùn)行效果的基礎(chǔ)上，加大脫硝力度將對(duì)降低周邊特別是遠(yuǎn)距離敏感點(diǎn)PM2.5的污染影響效果明顯。

[1]王慶國(guó)，胡威，韓穎，等.垃圾焚燒發(fā)電廠廠區(qū)PM2.5的影響因素研究[J].環(huán)境科技，2014，27(4)：27-30.

[2]何品晶，陳淼，楊娜，等.我國(guó)生活垃圾焚燒發(fā)電過(guò)程中溫室氣體排放及影響因素—以上海某城市生活垃圾焚燒發(fā)電廠為例[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué)2011，31(3)：402-407.

[3]《大氣細(xì)顆粒物(PM2.5)源排放清單編制技術(shù)指南(試行)》(征求意見(jiàn)稿).

[4]《PM2.5排放量核算技術(shù)規(guī)范(火電廠、水泥工業(yè)企業(yè))》(征求意見(jiàn)稿).

Research and Simulation of PM2.5Originated From Waste Incineration Power Station Based on CALPUFF MODEL

NAN Shaojie

(Taiyuan Design Research Institute for Coal Industry，Taiyuan 030001，China )

Compared with AEMROD and ADMS recommended by Atmospheric Guidelines，CALPUFF has a more complex chemical reaction module.Using the CALPUFF Gaussian Smoke Atmosphere Dispersion Model，based on the PM2.5emission list，simulating the original PM2.5and secondary PM2.5concentration and regional concentration distribution，to provide reference for the environmental impact assessment of construction projects for MSW incineration and other ones that generating PM2.5.

Waste Incineration Power Station；PM2.5；CALPUFF MODEL

南少杰，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)榇髿馕廴绢A(yù)測(cè)及污染防控

X21

A

1673-288X(2016)06-0193-02

引用文獻(xiàn)格式：南少杰.基于CALPUFF模型對(duì)垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目PM2.5的模擬與研究[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2016，41(6)：193-194.