燃氣熱電廠大氣環境影響評價簡析

倪曉飛，趙寒梅

（1.北京北咨能源環境工程技術有限公司，北京 100020；2.北京市大興區生態環境局，北京 102600）

0 引言

近年來國內霧霾頻發，在冬季尤甚，改善空氣質量的首要任務是減少PM2.5 的排放，北京市為了改善空氣質量，于2013 年頒布實施了《北京市2013—2017 年清潔空氣行動計劃》，于2018年實施了《北京市打贏藍天保衛戰三年行動計劃》，計劃中提出北京市要推進燃煤改用電，燃煤改使用清潔能源，使以燃煤為主要原料的供熱中心的鍋爐向清潔能源改造。在使用清潔能源后，大大降低了二氧化硫和煙塵的排放量，氮氧化物的排放量也有一定的下降，本文以北京市某燃氣熱電廠為例，分析燃氣熱電廠產生的大氣污染物、采取的環保治理措施以及采用AERMOD 模型模擬預測其對周圍環境的影響。

1 項目概況

該燃氣熱電廠位于北京市，投資建設1 臺H 級（裝機容量1×730MW 級）燃氣—蒸汽聯合循環機組，機組包括1 臺燃氣輪機及其發電機、1 臺余熱鍋爐、1 臺蒸汽輪機及其1 臺發電機。汽輪機配備SSS 離合器，為充分利用鍋爐尾部的煙氣余熱，采用擴大低壓省煤器的方式，利用煙氣余熱加熱熱網水。

天然氣源接自陜甘寧進京天然氣長輸管線，本工程對發展城市集中供熱、改善當地環境、減少空氣污染、保護生態環境、節約能源、保障人民身體健康，以及對當地穩定電力負荷，提高當地電網供電能力都有較為重要的作用。

2 項目工藝過程

天然氣通過天然氣增壓站調壓后，輸入燃氣輪機發電機組，在燃氣輪機前端燃燒室與空氣混合燃燒，產生高溫煙氣，燃氣輪機發電機組把熱能轉換成機械能，通過連軸器帶動燃氣輪機發電機發電。燃氣輪機排氣排入余熱鍋爐，產生蒸汽驅動蒸汽輪機，從汽輪機中壓缸末級排出的蒸汽和低壓主蒸汽一起加熱熱網循環水，或進入低壓缸做功。供熱工況蒸汽輪機通常背壓運行，也可抽凝運行。

3 熱電廠產生的大氣污染物種類及廢氣治理措施

天然氣的主要成分是甲烷、乙烷、丙烷和其他碳氫化合物，還有少量的硫化物，在天然氣燃燒過程中會產生二氧化硫、煙塵和氮氧化物，各污染因子的產生量參照《第二次全國污染源普查產排污核算系數手冊（試用版）》排污手冊，經計算，各污染因子的產量濃度分別為二氧化硫1.16mg/m3，煙塵4.34mg/m3，氮氧化物51.8mg/m3，經對比北京市發布的《固定式燃氣輪機大氣污染物排放標準（DB 11/847—2011）》，廢氣未經處理的情況下，煙塵和二氧化硫均能滿足該標準的要求，氮氧化物出現了超標情況。

氮氧化物的超標主要是由于鍋爐爐膛內充入的空氣中的氮氣在高溫條件下與氧氣發生化學反應，生成氮氧化物。因此氮氧化物的產生量與爐膛內的溫度相關，為了減少氮氧化物的產生量，需采取措施控制爐膛內燃燒溫度，本工程采用干式低氮燃燒技術（DLN），其是一種控制NOx排放的燃燒控制技術，干式低氮燃燒技術把天然氣和空氣預先混合成均相的、稀釋的可燃混合物，然后以湍流火焰傳播方式通過火焰面進行燃燒，火焰面的燃燒溫度與燃料/空氣實時摻混比的數值相對應。通過對燃料/空氣實時摻混比的控制，使得火焰面溫度永遠低于1650℃，從而有效控制了NOx的生成。

本期工程燃氣輪機采用干式低氮燃燒器降低NOx初始排放濃度，該技術成熟可靠。燃機排放煙氣NOx濃度可控制在50mg/Nm3以下（過量空氣系數3.5，O2含量15%）。根據北京市《固定式燃氣輪機大氣污染物排放標準（DB 11/847—2011）》，新建燃氣輪機NOx最高允許排放濃度為30mg/m3。為滿足該標準對NOx控制要求，本工程采取選擇性催化還原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）脫銷技術進一步降低NOx排放濃度，采用氨水作為還原劑，還原過程是在催化劑的作用下，利用還原劑（氨水）來“有選擇性”地與煙氣中的NOx反應并生成無毒無污染的N2和H2O。煙氣脫硝裝置位于余熱鍋爐與高壓蒸發器模塊之間，氨氣噴射格柵（AIG）放置在SCR 反應器上游的一個合適位置。從燃氣輪機排出的煙氣沿煙道方向前進，依次經過余熱鍋爐的換熱面和脫硝系統噴氨格柵、催化劑，煙氣中的氮氧化物在催化劑的作用下與氨發生反應，將氮氧化物還原為氮氣，然后通過煙囪排入大氣。該方法脫硝效率高，工藝成熟，在全世界脫硝方法中占主導地位。根據《第二次全國污染源普查產排污核算系數手冊（試用版）》排污手冊，SCR 法脫銷效率在65%以上，氨水在脫硝過程中有部分氨發生逃逸，氨逃逸量需控制在2.5mg/Nm3（3ppm）以內，經過該措施控制后，氮氧化物的排放濃度為18.2mg/m3，可以達到《固定式燃氣輪機大氣污染物排放標準（DB 11/847—2011）》排放標準的要求。

表2 估算模型最大值綜合

表3 項目附近敏感點處計算結果

為便于環保行政部門對燃氣熱電廠排放的大氣污染物管理和監督，按照國家和北京市的要求，本期工程將在脫硝系統煙道上安裝符合《火電廠煙氣排放連續監測技術規范（HJ/T 75—2001）》要求的煙氣連續排放監測系統（CEMS），以監控NOx等污染物的排放，為運行管理和環境管理提供依據。

4 預測模型及預測結果

為了模擬預測該燃氣熱電廠對周圍環境的影響，根據《環境影響評價技術導則——大氣環境（HJ 2.2—2018）》中推薦模式，本文采用AERMOD 模式模擬預測項目對周圍環境的影響。AERMOD 是一種穩態煙羽模型，模型假定在垂直和水平方向的濃度均為高斯分布，污染源參數見表1。

表1 點源參數

地形數據：預測過程中使用的地形數據來自美國地理調查局（USGS），精度為90m。

地面氣象觀測資料：采用當地地面站近兩年的全年逐時風速、風向、溫度、總云和低云資料。高空氣象數據：采用中尺度氣象模式WRF 模擬生成的格點氣象資料。該模式采用的原始數據有地形高度、土地利用、陸地—水體標志、植被組成等數據，數據源主要為美國USGS 數據。原始氣象數據采用美國國家環境預報中心的NCEP/NCAR 的再分析數據。分辨率為27km，高空氣象數據層數為40 層，時間為GMT 時間0 點和12 點（北京時間8 點和20 點），可直接作為Aermet 程序的高空輸入文件。

地表參數：以項目廠址為中心，以正北為0°將周邊區域分為2 個扇區，每個扇區30°，分別計算各土地利用類型所占比例，各類型地表特征基本參數選自國家環保部環境工程評估中心環境質量模擬重點實驗室編寫的《大氣預測軟件AERMOD 簡要用戶使用手冊》，最終計算得到的土地利用參數。

預測方案：預測空氣保護目標和網格點的主要污染物的短期濃度和長期濃度貢獻值，評價其最大濃度占標率。①預測網格點采用可變密度笛卡爾網格受體設置，以項目廠區中心，距離項目中心5km 范圍內，預測網格點間距為200m；距離項目中心5～10km 范圍內，預測網格點間距為500m；②空氣保護目標為項目周圍距離較近的住宅小區等敏感點，共設置4 個環境空氣保護目標，分別為位于項目東側20m 處1#在建小區、項目東南側75m 處的2#小區，項目東側195m 處的3#小區、項目西側30m處的4#小區。

利用AERMOD 模型，在輸入近3 年中數據相對完整的1 個日歷年作為評價基準年，在模型中輸入逐日逐時地面氣象數據，及MM5 數值模擬高空氣象數據，計算項目預測網格點的小時質量濃度、日均濃度及年均濃度，經模型計算，結果見表2。

通過預測可以看出，本項目下風向占標率最大值為氮氧化物，其中小時NOx最大貢獻值為6.41μg/m3，占標率為2.56%，日平均最大貢獻值為0.771μg/m3，占標率為0.77%，年平均最大貢獻值為0.066μg/m3，占標率為0.13%，下風向最大貢獻值均滿足《環境空氣質量標準（GB 3095—2012）》的二級標準限值要求，見表3。

通過預測可以看出，本項目四個敏感點最大貢獻值出現在東側3#小區，其中NOx最大小時貢獻值為3.27μg/m3，占標率為1.31%，SO2最大小時貢獻值為0.215μg/m3，占標率為0.04%，煙塵最大小時貢獻值為0.765μg/m3，占標率為0.17%，氨最大小時貢獻值為0.380μg/m3，占標率為0.19%，各敏感點貢獻值均滿足《環境空氣質量標準（GB 3095—2012）》的二級標準限值要求。

5 結語

北京地區燃氣熱電廠運行過程中在未安裝任何脫硫除塵環保設施的情況下，二氧化硫和煙塵實際排放濃度均可以達到《固定式燃氣輪機大氣污染物排放標準（DB 11/847—2011）》排放標準的要求。燃氣熱電廠排放的氮氧化物是治理的重點與難點，在采用低氮燃燒技術及安裝SCR 脫銷系統后，氮氧化物的出口濃度可以控制在30mg/m3以下，可以達到《固定式燃氣輪機大氣污染物排放標準（DB 11/847—2011）》排放標準的要求。