垃圾焚燒發(fā)電站環(huán)境污染動(dòng)態(tài)監(jiān)控模型設(shè)計(jì)

張起舞，莫洋，王雯璇，段正敏

（重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400044）

垃圾焚燒發(fā)電站環(huán)境污染動(dòng)態(tài)監(jiān)控模型設(shè)計(jì)

張起舞，莫洋，王雯璇，段正敏

（重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400044）

建立科學(xué)可信的環(huán)境污染動(dòng)態(tài)監(jiān)控體系，是當(dāng)前垃圾處理尤其是垃圾焚燒亟待解決的一個(gè)重要問題．本文以我國南方某垃圾焚燒發(fā)電站為例，通過分析垃圾焚燒發(fā)電站的煙塵排放情況以及附近的環(huán)境狀況，考慮風(fēng)向、風(fēng)速、風(fēng)頻、地形、距離、污染物以及機(jī)器故障等因素，在進(jìn)行科學(xué)定量分析的基礎(chǔ)上，采用連續(xù)點(diǎn)源高斯擴(kuò)展模型，建立可行的垃圾焚燒發(fā)電站環(huán)境影響動(dòng)態(tài)監(jiān)控評(píng)估方法，為工廠的動(dòng)態(tài)監(jiān)控和污染的實(shí)時(shí)模擬提供一定的依據(jù)．

垃圾焚燒；動(dòng)態(tài)監(jiān)控；實(shí)時(shí)模擬；連續(xù)點(diǎn)源高斯擴(kuò)展模型；艾根模式

0 前言

在城市化進(jìn)程中，隨著城市建設(shè)的加速和城市人口的快速增長，城市垃圾成為城市發(fā)展的沉重負(fù)擔(dān)．據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國每年產(chǎn)生近1.5億t城市垃圾，城市垃圾累積堆存量已達(dá)70億t．垃圾處理問題已經(jīng)成為困擾我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的一個(gè)重要問題．

面對(duì)“垃圾圍城”這一世界性難題，我國主要采取垃圾焚燒和垃圾填埋的方式處理城市垃圾．由于擔(dān)心環(huán)境污染問題，垃圾焚燒方式一直未被我國廣大民眾所接受．許多城市的新建垃圾焚燒發(fā)電站選址出現(xiàn)因居民反對(duì)而難以落地的尷尬局面．近年來，全國連續(xù)發(fā)生多起因反對(duì)建設(shè)垃圾焚燒發(fā)電站而引發(fā)的群體性沖突事件，這給垃圾焚燒技術(shù)在我國的推廣造成很大阻力．建立科學(xué)可信的環(huán)境污染動(dòng)態(tài)監(jiān)控體系，加強(qiáng)對(duì)垃圾焚燒發(fā)電站日常運(yùn)營的監(jiān)管，使其污染物排放在可防可控范圍之內(nèi)，是解決當(dāng)前垃圾焚燒問題的一個(gè)重要選項(xiàng)．

本文針對(duì)南方某垃圾焚燒發(fā)電站運(yùn)營時(shí)出現(xiàn)的煙塵排放問題，考慮到當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)向、風(fēng)速、風(fēng)頻、地形、距離、污染物以及機(jī)器故障等條件，建立了一套關(guān)于垃圾焚燒發(fā)電站環(huán)境污染動(dòng)態(tài)監(jiān)控模型，通過此模型估算垃圾焚燒發(fā)電站對(duì)周圍環(huán)境的影響，進(jìn)而為環(huán)境監(jiān)控提供依據(jù)．

考慮到環(huán)境的多變性和復(fù)雜性，為了使模型設(shè)計(jì)更具有普遍意義，本文假設(shè)在全部空間中風(fēng)速是均勻的、穩(wěn)定的，忽略下風(fēng)向的湍流擴(kuò)散；假設(shè)污染排放源強(qiáng)是連續(xù)均勻的；假設(shè)氣體在地面完全反射，不被地面吸收；假設(shè)污染物在大氣中只有物理運(yùn)動(dòng)，沒有化學(xué)和生物變化．

1 模型建立

通常，一個(gè)空氣質(zhì)量模型包括一組以大氣擴(kuò)散公式為主體的描寫各種過程的數(shù)學(xué)表達(dá)式．由于空氣污染問題的復(fù)雜性，在評(píng)價(jià)點(diǎn)源對(duì)局地環(huán)境的影響時(shí)，一般都采用具有高分辨率效能的高斯模型．

由于絕大多數(shù)污染源排放的污染物是連續(xù)的，可理解為在時(shí)間上一次連續(xù)釋放無窮多個(gè)煙團(tuán)，其擴(kuò)散模式可以用積分求得．高斯煙羽模型公式為[1]

2 模型修正

2.1 煙氣抬升高度

煙氣從煙囪排出后，由于動(dòng)力和溫度的作用會(huì)繼續(xù)上升一段距離，故擴(kuò)散公式中的煙源高度H不只是煙囪的幾何高度，而是幾何高度與煙氣抬升高度之和．在高斯煙羽模型中，煙氣抬升高度取近似值，結(jié)果并不十分準(zhǔn)確．因此本文將抬升高度公式進(jìn)行一定的細(xì)化．對(duì)于垃圾焚燒發(fā)電站來說，一般TsTa35 K，因此需要考慮煙氣與環(huán)境溫度之差對(duì)抬升高度的影響．

2.2 地形因素影響

因?yàn)榈匦蔚钠鸱鼤?huì)影響煙塵和地面之間的距離，改變煙塵被地面反射的狀況，所以如果僅使用一般的高斯煙羽模型計(jì)算，山丘和坡地上的大氣污染物濃度會(huì)產(chǎn)生較大的誤差．考慮到山體遮擋的情況，有必要對(duì)高斯煙羽模型作進(jìn)一步的改進(jìn)．本文采用艾根模式[4]對(duì)污染物濃度進(jìn)行計(jì)算．

表1 T的取值Tab.1The value of T

2.3 氣候因素影響

根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髿v史資料，統(tǒng)計(jì)出近年來的風(fēng)向、風(fēng)速及風(fēng)頻如表2所示．

表2 風(fēng)向、風(fēng)速及風(fēng)頻統(tǒng)計(jì)表Tab.2Statistics of wind direction,wind velocity and wind frequency

利用表2數(shù)據(jù)，可以繪制出當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)玫瑰圖，如圖1所示．通過風(fēng)玫瑰圖可以很清晰地得到風(fēng)在8個(gè)方向的風(fēng)頻、風(fēng)速的大小情況．將不同的風(fēng)向風(fēng)速代入公式(11)，可以確定在不同風(fēng)向條件下不同的污染物濃度分布圖，如圖2所示．

氣象統(tǒng)計(jì)上的風(fēng)向一共有8個(gè)，把每個(gè)方向上的風(fēng)頻風(fēng)速數(shù)據(jù)都代入公式(11)中，一共可以得到8個(gè)高斯煙羽模型的濃度分布數(shù)據(jù)，再通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法把8個(gè)方向的數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，從而得到某一地區(qū)全年內(nèi)某一污染因子的總濃度分布[5]．

因?yàn)槲廴疚餄舛入S下風(fēng)距離的增大而減小，污染物濃度低于一定值時(shí)可以忽略不計(jì)，所以，通過污染物濃度對(duì)污染物影響的極限距離進(jìn)行確定．

根據(jù)南方某垃圾焚燒發(fā)電站的數(shù)據(jù)，在正常情況下，其TSP（總懸浮顆粒物）排放量為7.783 kg/h，SO2排放量為13.252 kg/h，NOx排放量為17.003kg/h．本文以東風(fēng)為例[6]，其平均風(fēng)速為1.509m/s．就地形而言，該發(fā)電站附近地形都是平原，沒有起伏，故不考慮地形因素．將這些數(shù)據(jù)代入公式(11)，可以計(jì)算出不同位置的污染物濃度[7]．

經(jīng)計(jì)算，距離發(fā)電站3200 m遠(yuǎn)處TSP的濃度最大，其濃度為0.00558mg/m3；距離發(fā)電站3050m遠(yuǎn)處SO2的濃度最大，其濃度為0.009 14 mg/m3；距離發(fā)電站3 190 m遠(yuǎn)處NOx的濃度最大，其濃度為0.0120mg/m3．這3種污染物均在3200m左右污染物濃度最大，在此處TSP和SO2濃度符合國家Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，NOx濃度符合國家Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[3]，如表3所示．

圖1 風(fēng)玫瑰圖Fig.1Wind roses

圖2 NOx在東風(fēng)下的污染物濃度分布圖Fig.2The contaminant concentration profile of NOxwith east wind

分別計(jì)算8個(gè)風(fēng)向上的污染物濃度分布，以風(fēng)頻為權(quán)重相乘后將其疊加，可以得到全年的污染物濃度分布．疊加后可知[8]，3 000～3 500 m處污染物濃度大于國家Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，即此處區(qū)域污染超標(biāo)．換句話說，污染物在3 000 m之內(nèi)和3 500 m之外影響較?。?/p>

表3 國家環(huán)境質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)mg/m3Tab.3National environmental quality grading standards

2.4 機(jī)器故障影響

機(jī)器發(fā)生故障時(shí)，煙塵排放量會(huì)驟然增加，污染范圍會(huì)變大，污染程度會(huì)加深．以南方某垃圾焚燒發(fā)電站為例，其污染去除率可用表4表示．一般來說，垃圾焚燒發(fā)電站會(huì)在煙囪出口處加裝排放物監(jiān)控裝置，可以根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)計(jì)算污染物排放情況．本文假設(shè)發(fā)生最壞的情況，即所有的污染物未經(jīng)處理就排入大氣．通過污染去除率可以推算出機(jī)器損壞時(shí)工廠排出的最大污染量，即未處理時(shí)污染物排放量．經(jīng)計(jì)算，將最大污染量代入公式(11)后，可以直接計(jì)算出故障后的污染物排放情況，得出故障后的污染范圍以及各地污染物濃度，其結(jié)果如表4．將污染物產(chǎn)生量代入公式(11)，計(jì)算8個(gè)風(fēng)向的數(shù)據(jù)以風(fēng)頻為權(quán)重疊加后可得機(jī)器故障后污染物濃度分布．根據(jù)計(jì)算結(jié)果，故障發(fā)生時(shí)，以煙囪為圓心在半徑范圍為5 000 m內(nèi)的區(qū)域，空氣污染超過了國家Ⅳ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[3]，半徑范圍5 000～10 000 m之內(nèi)的區(qū)域污染物濃度在國家Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和國家Ⅳ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)之間，半徑范圍10 000 m之外的污染物濃度在國家Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)之下．

表4 某垃圾焚燒發(fā)電站大氣污染物產(chǎn)生量、排放量和去除率Tab.4The amount,emissions and removal of air pollutants in the waste incineration power plant

3 小結(jié)

本文以高斯煙羽模型為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一個(gè)用于計(jì)算垃圾焚燒發(fā)電站排放污染物濃度的數(shù)學(xué)模型．這個(gè)模型將風(fēng)向、風(fēng)速、風(fēng)頻、地形、距離、污染物以及機(jī)器故障等因素考慮在內(nèi)，對(duì)高斯煙羽模型進(jìn)行了一定的改進(jìn)．經(jīng)計(jì)算，一般情況下，南方某垃圾焚燒發(fā)電站排放的污染物中，部分污染物濃度超過國家Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其余部分則達(dá)標(biāo)．在機(jī)器發(fā)生故障導(dǎo)致煙塵大量排放的情況下，以煙囪為圓心半徑10000m范圍之內(nèi)的污染物濃度大于國家Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)．該結(jié)論對(duì)其他垃圾焚燒發(fā)電站的環(huán)境污染監(jiān)測(cè)也具有一定的參考價(jià)值．

符號(hào)說明：

[1]谷清，李云生．大氣環(huán)境模式計(jì)算方法[M]．北京：氣象出版社，2002．3．

[2]HJ/T 2.2-93，環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則——大氣環(huán)境[S]．

[3]GB-T 3840-9，大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S]．

[4]肖舜．沈瑾．劉璐．西安世園會(huì)園區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量與氣象因子關(guān)系分析[J]．干旱氣象，2012，30（1）：1-6．

[5]趙偉．基于GIS的大氣污染擴(kuò)散模擬[D]．長沙：中南大學(xué)，2007．12．

[6]李愛軍，朱翔，趙碧云．生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)指標(biāo)體系探討[J]．中國環(huán)境監(jiān)測(cè)，2004，8（20）：35-38．

[7]李宗愷，潘云仙，孫潤橋．空氣污染氣象學(xué)原理及應(yīng)用[M]．北京：氣象出版社，1985．

[8]肖繼光．應(yīng)用模糊綜合評(píng)價(jià)級(jí)數(shù)評(píng)價(jià)大氣環(huán)境質(zhì)量[J]．環(huán)境工程．1994，12（6）：46-49．

[責(zé)任編輯 田豐]

Model design of pollution dynamic monitoring and control for the waste incineration power plant

ZHANG Qiwu，MO Yang，WANG Wenxuan，DUAN Zhengmin

(School of Civil Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044,China)

Building a scientific and credible environmental dynamic monitoring system is one of the most valuable issues for currentwastedisposal especially waste incineration.In this paper,taking a waste incineration power plantinsouthern China as an example,we establish a viable dynamic monitoring incineration plant environmental impact assessment by considering wind direction,wind speed,wind frequency,terrain,distance,pollutants and malfunction.This method includes Extended Gaussian continuous point source model and fuzzy comprehensive evaluation model.The paper provides a certain basis for dynamic monitoring and real-time simulation of pollution in the plant.

waste incineration;dynamic monitoring;real-time simulation;Extended Gaussian continuous point source model;fuzzy comprehensive evaluation model;Eigen model

X511

A

1007-2373(2015)03-0084-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.03.016

2015-03-15

張起舞（1993-），男（漢族）．通訊作者：段正敏（1965-），女（漢族），副教授，dzm@cqu.edu.cn．