某1 000 MW燃煤機組超低排放改造減排NOX的環境效益評價

壽春暉，祁志福，陳 彪，劉春紅

（浙江浙能技術研究院有限公司，杭州 310003）

某1 000 MW燃煤機組超低排放改造減排NOX的環境效益評價

壽春暉，祁志福，陳 彪，劉春紅

（浙江浙能技術研究院有限公司，杭州 310003）

利用AERMOD模型對某1 000 MW燃煤機組改造前后排放NOX在大氣中的傳輸、擴散過程進行了模擬，定量計算了NOX環境濃度及其分布情況。研究發現：通過超低排放改造項目削減NOX排放，可使環境空氣中NOX最大落地濃度大量減少、占標率明顯下降；各峰值分布區域污染物濃度降幅顯著，各時段均值占標率大幅下降；全區域各時間段濃度值均降低、分布梯度變小。研究結果表明：火電行業通過“超低排放”進一步控制NOX污染對環境影響正效益顯著，發電廠周邊環境空氣質量得以整體大幅提升。

AERMOD；NOX；環境影響；火電廠；超低排放

0 引言

NOX（氮氧化合物）是國家重點及總量控制的環境指標。2013年全國NOX排放量達2 227.4萬t左右，燃煤電廠為排放大戶[1,2]。排放的NOX不僅直接污染環境，由其轉化的二次細顆粒物（PM2.5）還是霧霾的重要成因。據研究，由排放NOX轉化的二次PM2.5占了2010年火電行業細顆粒物排放總量的32%[3]，超過直接排放的一次PM2.5（約12%[3]）。因此，按照《環境空氣質量標準》（GB 3095-2012）[4]要求控制好燃煤機組NOX排放尤為重要。為此，提出了燃煤電廠煙氣污染物超低排放的概念，主動減排燃煤機組污染物，以達到燃氣輪機組的排放限值，NOX要求排放濃度小于50 mg/m3（煙氣含氧量為6%）。

通過超低排放改造無疑可使原有燃煤機組污染物排放量大幅降低[1，5，6]，但針對具體機組，改造減排對周邊區域的長、短期環境效益仍缺少定量研究。利用數值模型對排放源進行計算，評價其對環境空氣的影響，是定量分析超低排放改造減排NOX環境效益的有效手段[7，8]。

AERMOD模型是《環境影響評價技術導則大氣環境》（HJ2.2-2008）[9]推薦使用的環評模型，利用該模型可以對排放源NOX等污染物的傳播進行模擬計算，對污染物擴散的長、短期環境影響做出準確評價[10-12]。利用 AERMOD模型計算某1 000 MW燃煤機組超低排放改造前后所排放NOX的最大落地濃度變化，分析評價排放源周邊區域污染物濃度分布情況，為火電行業通過超低排放進一步控制NOX污染、減少霧霾影響提供定量研究結果。

1 研究方法

1.1 AERMOD模型

AERMOD模型是2008版大氣評價導則指定的一、二級環境影響評價項目計算模型，由AERMIC開發，核心算法為局域高斯煙羽擴散模式，適用于20～50 km相對小范圍的局域大氣擴散模擬計算。AERMOD模型以擴散統計理論為出發點，假設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（包括點源、面源和體源）排放的污染物在短期（小時平均、日平均）、長期（年平均）的濃度分布研究；也適用于鄉村和城市環境、平坦和復雜地形、地面和高架等多種排放擴散情景。

AERMOD系統包括AERMOD（大氣擴散模型）、AERMET（氣象數據預處理器）和AERMAP（地形數據預處理器）3個部分，模型主要計算流程如圖1所示。模擬過程首先需要建立一個文本格式的控制文件，來提供程序控制選項、污染源位置參數、預測點位置、氣象數據引用及輸出參數等。而運行所需的2個基本氣象數據文件為地面氣象數據文件和探空廓線數據文件，都由AERMET生成。為同時考慮地形影響，還需在控制文件中加入地形數據文件的引用，該文件由AERMAP生成。

圖1 AERMOD模型計算流程

1.2 氣象條件

排放源所處區域是典型的亞熱帶季風濕潤氣候區，季風顯著、四季分明，總體氣候特征為溫和、濕潤、多雨。模擬所需地面氣象資料來自中國氣象科學數據共享服務網提供的距排放源6 km處的基礎數據庫；所需高空氣象數據來自美國國家海洋和大氣局/地球系統研究實驗室的無線電探空資料數據庫。設置2013年度為研究時間，利用溫度、風向、風速、氣壓、云量和相對濕度等全年逐時氣象數據，作為模擬區域環境影響評價研究的氣象參數。利用AERMET模塊對地面和高空氣象數據進行預處理，獲得研究區域模擬時間內月均溫度、風速及風向情況如圖2、圖3所示。

圖2 模擬區域溫度、風速月均值

圖3 全年風向頻率玫瑰圖

1.3 參數設置

所研究的1 000 MW燃煤機組排放的氣態污染物全部來自鍋爐燃燒尾氣，機組超低排放改造前后主要參數如表1所示。改造前，機組NOX排放執行《火電廠大氣污染物排放標準》（GB 13223 -2011）中一般地區現有機組排放限值100 mg/m3；模擬過程NOX排放濃度根據環保設備性能驗收測試均值。超低排放改造中，對鍋爐低氮燃燒器進行了優化調整，同時增加了SCR（選擇性催化還原）脫硝系統催化劑層數，SCR裝置設計脫硝效率提高至85%。改造后NOX排放濃度值根據修后SCR裝置性能驗收報告設置，濃度限值為超低排放要求的50 mg/m3。

表1 某燃煤機組NOX排放參數

模型采用的地形參數來源于排放源所在區域DEM（數字高程模型）數據切割獲得的30 m分辨率的GDTM數據，經ArcGIS軟件轉化生成模型所需要的數字高程文件。環境影響的評價以所研究燃煤機組對應煙囪為中心，劃分500 m×500 m的網格，模擬范圍10 km×10 km。模擬區域以排放源為中心，總面積100 km2，包含了海域、城鎮、農田及風景區等不同區塊。排放源周邊環境關系與模擬區域具體情況如圖4所示。

圖4 排放源位置及模擬區域周邊環境條件

2 結果與討論

2.1 環境效益總體評價

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

超低排放改造后機組的NOX排放限值為發改能源[2014]2093規定的50 mg/m3。表2為模擬區域改造前后的NOX短期（日均）和長期（年均）最大落地濃度值，及其相應的出現時間、距離和一級標準濃度限值[4]。

從表2可以看到，燃煤機組超低排放改造項目削減的NOX排放量，使得環境空氣中NOX最大落地濃度減少，占標率下降，對周圍環境NOX的影響為正效益。如表2中所示，研究區域內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72%。另外，考慮到火電行業煙氣排放中的NOX相當大一部分轉化成了細顆粒物，因此，通過超低排放項目，不僅直接降低相關NOX地面濃度，還同時使關聯形成的二次細顆粒物大為減少，具有更大的環境效益。

表2 最大落地濃度模擬結果

2.2 最值濃度比較

將區域內改造前后排放的NOX日均及年均環境濃度模擬結果最高前50值做了計算比較，通過變化情況了解區域污染程度及下降趨勢。將計算的日均及年均NOX環境濃度結果前50值及其占標情況進行對比，如圖5及圖6所示。

圖5 模擬區域NOX日均環境濃度（前50點）

由圖5可見，超低排放改造后，NOX日均環境濃度值（前50點）較改造前明顯降低。改造前NOX環境濃度前50點的均值為3.79 μg/m3，改造后降低為1.08 μg/m3，降幅超過71%；前50落地濃度相對一級標準濃度的占標率由4.73%降至1.36%。從環境空氣質量標準檢驗的角度來看，超低排放改造后的時均最值環境濃度得到了非常明顯的改善。

圖6 模擬區域NOX年均環境濃度（前50點）

由圖6可見，前50點的年均濃度與日均濃度相似，最值濃度與占標率均有明顯降低。改造前NOX環境濃度前50點均值為0.47 μg/m3，改造后降低為0.12 μg/m3，降幅達74%；前50落地濃度相對一級標準濃度的占標率由1.17%降至0.31%，環境改善效果明顯。

2.3 落地濃度分布比較

圖7、圖8為模擬區最大日均、年均落地點NOX濃度分布情況對比。

年均落地濃度的分布變化情況如圖8所示，改造后區域內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處的峰值分布區域基本消失，地區濃度降幅較大。

結合圖7及圖8可以觀察到：超低排放NOX減排后，短期以及長期均值的環境濃度均響應迅速，整個模擬區域減排成效顯著；區域NOX環境濃度整體下降的情況下，原處于峰值區間的區域環境濃度降幅最大，環境狀況得到很大改善。從分布形態上看，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象得以改變。

圖7 NOX日均濃度分布

3 結論

通過建立基于燃煤機組超低排放改造 NOX減排的情況模擬，利用AERMOD大氣環境評價模型對環境效益影響進行了分析。根據模擬結果得出以下結論：

（1）燃煤機組超低排放改造項目削減的NOX排放量，使得環境空氣中NOX最大落地濃度大幅減少、占標率明顯下降，關聯形成的二次細顆粒物隨之減少，對周圍環境NOX的影響為正效益。全區域各時間段NOX濃度值降低、分布梯度變小等變化情況明顯，環境改善效果突出。

（2）超低排放改造后以最大落地濃度前50點為代表的原峰值分布區域污染物濃度降幅明顯，時均、日均及年均指標占標率均大幅下降，環境空氣質量整體大幅提升。

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，從事環保技術研究及新能源技術研究工作。