生活垃圾梵燒發電廠 NOx 大氣污染物排放濃度特征研究

文章編號：1674-6139（2025）05-0048-06

中圖分類號：X511文獻標志碼：B

Characteristics of NO_x AirPollutant Concentration fromDomestic Waste Incineration Power Plant

Li Fei

（Schoolof UrbanConstructionandSafetyEnvironment，Nanjing UniversityofTechnology，Nanjing211816，China）

Abstract：To optimize the treatment of NO_x atmospheric pollutants in household waste incineration power plants，a simulation analysismethodforNOmisscocetratocractersticsisproosdesdysiulatsteokingprocsofusoldwasteinin eration power plant to determine the type of NO_x atmospheric pollutant.It estimates the emissions based on the amount of household waste inputfromthepowerplantandteamoutofirpresntintheincneratorTheinitalfrceofpoltantemissons，onsiderfctorssuch as wind speed and temperature are calculated to analyze NO_x concentration，concentration changes，and pollution area characteristics，and obtainsimulationalysissltsofmospricpllantsioonentratioractersticshexpimtalsultssowatta ing into account the characteristic analysis results of three NO_x atmospheric pollutants，namely nitric oxide，nitrogen dioxide，and nitrogen trioxide，thedesignmethodreducestherorofconcetrationchangecharacteristicquantityanalysisandpolutionreaharacteistic quantity analysis by 0.9g/m ，respectively3 and 1.395m³ ：

Keywords：household waste；incineration power plant; NO_x atmospheric pollutants；pollutant emissions；concentration characteristics

前言

生活垃圾焚燒發電廠在工作過程中會產生多種大氣污染物，其中氮氧化物是大氣污染物的主要組成部分之一[]。高濃度的 NO_x 會導致空氣質量變差，影響人類呼吸健康，并對植物生長造成負面影響。因此有必要分析大氣污染物的排放濃度特征。

文獻[1]使用便攜式空氣污染物監測設備移動觀測多種大氣污染物。采用Pearson相關性分析方法分析大氣污染物排放濃度特征。但受限于觀測路徑和觀測時間，無法全面覆蓋所有關鍵區域，導致空間上的數據缺失。文獻[2]基于CEMS數據對大氣污染物的年排放達標率、年排放濃度以及排放性能等排放特征進行了對比分析。該方法依賴于CEMS的監測數據，如果CEMS設備出現故障或數據異常，影響分析結果的準確性。文獻[3]模擬堆肥過程對污染物排放量進行估算，綜合考慮廢物轉移方案，得出排放濃度特征的模擬結果。模型中的參數（如溫度、濕度、pH值等）往往難以準確獲取或預測，這些參數的不確定性將直接影響模擬結果的準確性。文獻[4]利用WRFSMOKE－MAQ模型分析大氣污染物的空間動態，得出污染物空間布局隨時間的變化規律。WRFSMOKE－MAQ模型通常較為復雜，需要較高的計算能力和時間成本，不適用于所有研究場景。

文章以生活垃圾焚燒發電廠中的 NO_x 大氣污染物為研究對象，優化設計排放濃度特征分析方法。

1發電廠 NO_x 大氣污染物排放濃度特征模擬分析設計

以生活垃圾焚燒發電廠中產生的 NO_x 大氣污染物為研究對象，具體包括 _NO，NO2 和 NO₃ ，運行原理為：模擬生活垃圾燒發電廠工作過程，在確定焚燒生活垃圾量的情況下，對發電廠產生的 NO_x 大氣污染物排放量以及初始作用力進行估算，分析氣象因素對 NO_x 大氣污染物的擴散現象產生的影響，在考慮影響因素和影響作用的情況下，計算任意時刻生活垃圾焚燒發電廠及其周邊區域內任意位置上 NO_x 大氣污染物濃度的計算結果，通過整合大氣污染物排放濃度在時間和空間上的變化情況，得出污染物排放濃度特征的模擬結果。

1.1模擬生活垃圾焚燒發電廠工作過程

生活垃圾燒發電廠中 NO_x 大氣污染物主要來自于高溫燃燒過程中氮氣與氧氣反應生成，以及含氮物質的熱分解和燃燒過程中產生，燃燒過程主要發生在垃圾焚燒爐中，因此 NO_x 大氣污染物主要通過垃圾焚燒爐進行產生與排放[2]。在生活垃圾燒發電廠工作過程中，垃圾在經過地磅稱重后送入料斗，進入垃圾爐進行焚燒[3]。在送風量控制系統、氧量校正系統的共同作用下，實現生活垃圾的燃燒。垃圾完全燃燒所產生的熱能，經過余熱鍋爐轉化為蒸汽，驅動汽輪機和發電機，將能量轉化為電能。生活垃圾焚燒發電廠在發電過程中產生的 NO_x 大氣污染物包括一氧化氮、二氧化氮和三氧化氮。由此完成生活垃圾焚燒發電廠工作過程的模擬，并確定 NO_x 大氣污染物的生成方式。

1.2估算發電廠 NO_x 大氣污染物排放量

鑒于生活垃圾焚燒發電廠工作過程的模擬結果，可以確定 NO_x 大氣污染物排放量與輸入燒爐中的生活垃圾量以及氧氣含量有關，任意時刻發電廠產生的 NO_x 大氣污染物排放總量可以表示為式（1）：

式（1）中， M_waste 為輸入到發電廠中的生活垃圾質量， 和 λ（i） 分別表示 Φ_t 時刻生活垃圾與大氣污染物之間的轉換系數以及 i 類氮氧污染物的排放因子， n_NOx 為發電廠產生氮氧污染物的類型數量[4]由于氧氣含量的不同，因此產生的氮氧化物存在差異，因此需要對發電廠中參與反應的空氣量進行估算，進而確定參與反應的實際空氣量，以一氧化氮生成為例，參與反應的實際空氣量為式（2）：

式（2）中，變量 M_w 為生活垃圾完全燃燒需要的氧氣量， κ_air 為過量空氣系數。按照上述方式可以得出其他 NO_x 大氣污染物類型空氣量的計算結果，從而確定各個污染物類型排放量的估算結果[5]。重復上述操作，可以得出發電廠運行狀態下任意時刻NO_x 大氣污染物排放量的估算結果。

1.3 計算發電廠 NO_x 大氣污染物排放初始作用力生活垃圾焚燒發電廠煙氣排放的初始作用力直接決定了 NO_x 大氣污染物的排放速度，從而影響大氣污染物的擴散范圍，從而對排放濃度產生影響。因此需對發電廠對大氣污染物的初始排放作用力進行計算，計算結果記為 F₀ ，大氣污染物排放初始作用力與大氣污染物物質的量、大氣污染物溫度、煙肉體積、氣體常數以及大氣污染物排放口的截面積有關[。通過生活垃圾楚燒發電廠工作過程的模擬與工作數據的測量，相關參數的具體取值，從而得出NO_x 大氣污染物排放初始作用力的計算結果。

1.4確定NO大氣污染物排放濃度影響因素和影響作用

NO_x 大氣污染物排放濃度的影響因素主要為氣象因素，關鍵影響因素包括發電廠周圍環境的風速和溫度等，影響機理見圖1。

從圖1中可以看出，風速的增加會促進污染物的擴散，降低污染物濃度[7。因此，在風速較大的情況下，NO的排放濃度可能會相對較低。但是，如果風速過快，可能會對燃燒過程產生負面影響，從而降低NOx的生成和排放。另外，較高的溫度會導致空氣分子的運動速度加快，從而使污染物更容易擴散和稀釋。因此，在較高的溫度下，NO等污染物的排放濃度可能會因為更有效的擴散而被降低。然而，這種影響并不是線性的。當溫度過高時，可能會導致空氣的對流增強，這反而可能使污染物的濃度上升。

另外，除溫度、風速的影響外， NO_x 大氣污染物排放濃度還受到濕度、大氣壓力、太陽輻射、降水、風向、大氣穩定度的影響。其中，濕度對NOx的排放和擴散有復雜的影響。在高濕度環境下，水蒸氣會與NO_x 發生化學反應，如形成硝酸或硝酸鹽氣溶膠，這會改變 NO_x 的存在形態和擴散特性。此外，濕度還影響大氣中的光化學反應速率，進而影響NO的轉化和去除。大氣壓力的變化會影響空氣密度和垂直運動，從而影響污染物的擴散。在低壓系統下，空氣上升運動增強，有利于污染物的垂直擴散;而在高壓系統下，空氣下沉運動增強，抑制污染物的擴散。太陽輻射強度影響大氣中的光化學反應速率。 NO_x 在大氣中可以與揮發性有機化合物（VOCs）在陽光照射下發生光化學反應，生成臭氧和其他二次污染物。因此，太陽輻射的強度和持續時間會直接影響 NO_x 的轉化和去除效率。降水對NOx的去除有顯著作用。雨水可以沖刷大氣中的 NO_x ，降低濃度。此外，降水還影響大氣中的化學反應平衡，進一步影響NO的轉化和去除。風向決定了污染物擴散的方向。在特定風向條件下，污染源排放的 NO_x 會直接吹向人口密集區或敏感區域，造成嚴重的空氣污染。因此，風向是影響 NO_x 排放濃度分布的重要因素。大氣穩定度描述了大氣層結的穩定性，對污染物的擴散有重要影響。在穩定的大氣層結中，污染物容易在局部地區積累；而在不穩定的大氣層結中，污染物更容易擴散和稀釋。

1.5實現發電廠 NO_x 大氣污染物排放濃度特征模擬分析

綜合考慮生活垃圾焚燒發電廠 NO_x 大氣污染物的初始作用力、排放量以及所有影像因素的作用原理，假設NO大氣污染物持續釋放且釋放濃度穩定，在模擬空間區域內任意一點的 NO_x 污染物濃度可以表示為 。在濃度特征模擬過程中，分別確定 NO_x 大氣污染物中一氧化氮、二氧化氮、三氧化氮在任意時刻、任意位置上的濃度值，并以可視化形式標記為發電廠地形圖中。通過時間和空間排放濃度數據的對比，即可得出大氣污染物排放濃度特征的模擬分析結果，時空變化特征分量的計算結果如下：

式（3）中， 和 分別表示 t₁ 和 t₂ 時刻 （x，y，z） 位置上 NO_x 大氣污染物排放濃度的計算結果，最終得出的計算結果 Δc 和 分別表示任意位置上濃度變化特征量和任意位置污染區域特征量，完成生活垃圾焚燒發電廠 NO_x 大氣污染物排放濃度的特征模擬分析工作。

2大氣污染物排放濃度特征分析性能測試實驗分析

實驗設置的對比方法包括：基于移動觀測的大氣污染物時空分布特征分析方法和基于CEMS數據的大氣污染物排放特性分析方法，標記為對比方法一和對比方法二。

2.1生活垃圾焚燒發電廠概述

實驗選擇某市的生活垃圾燒發電廠作為研究對象，該發電廠由垃圾燒爐、余熱鍋爐、汽輪發電機組等部分組成，裝設設備數量分別為2臺、1臺和1臺，燒爐爐排型式為傾斜多級爐排，理論發熱量和熱功率分別為 5800J/kg 和27.5MW，余熱鍋爐采用單鍋爐中壓自然循環和平衡通風型結構，有效控制排放溫度。過熱器采用三級布置，最大排煙溫度為 230^°C ，排煙氣量為 65000Nm³/h 。垃圾焚燒發電廠采用1臺總裝機容量為15MW的汽輪發電機組，汽輪發電機組中的汽輪機型號為N12-3.8。選擇生活垃圾焚燒發電廠能夠同時處理800噸的生活垃圾，最大發電量為1 200kWh 。

2.2布設大氣污染物排放濃度監測測點

為了獲取生活垃圾焚燒發電廠周圍 NO_x 大氣污染物的實際排放數據，在發電廠及其周圍環境中設置多個監測測點，并將 NO_x 大氣污染物濃度傳感器安裝在測點位置上。見圖2為大氣污染物排放濃度監測示意圖。

為了確保現場測量儀器的準確性不受震動影響，需要在現場測試前，對相關儀器進行標定。

準備一定量的生活垃圾，將其隨機分為多組，經過稱量后將生活垃圾樣本倒入到焚燒發電廠的焚燒爐中，經過發電廠中焚燒爐、發電機組等部分的協同運行，將產生的 NO_x 大氣污染物排放到空氣中。啟動布設在實驗環境中的污染物濃度傳感器設備，得出 NO_x 大氣污染物排放濃度的實際值，利用式（3）得出濃度時空特征量的實測數據，以此作為判斷模擬分析方法分析精度的比對數據。將生活垃圾焚燒質量數據作為輸入值，代人到生活垃圾燒發電廠NO大氣污染物排放濃度特征模擬分析方法中，通過排放量計算、影響因素分析等步驟，得出污染物排放濃度特征的模擬分析結果。

2.3設置大氣污染物排放特征分析性能測試指標

為體現出優化設計方法在分析精度性能方面的優勢，設置濃度變化特征量分析誤差和污染區域面積特征量分析誤差作為量化測試指標，上述指標的測試結果為式（4）：

式（4）中， Δc 和 Δ_Act 分別為時空變化特征分量的分析值和實測值， S_Act（t） 為污染區域面積的實測值。最終計算得出指標 ε_c 和 ε_s 取值越小，證明對應方法的分析精度性能越優。

2.4排放濃度特征分析性能測試實驗結果與分析

通過相關數據的統計，得出濃度變化特征量分析誤差的測試結果，見表1。

將表1中的數據代入后，計算得出對比方法一輸出一氧化氮、二氧化氮和三氧化氮污染物排放濃度變化特征量的平均分析誤差分別為 0.46g/m³ 、0.44g/m³ 和 0.44g/m³ ，對比方法二得出三種污染物排放濃度變化特征量的平均分析誤差分別為0.20g/m³?0.28 和 ，而優化設計方法得出三種污染物排放濃度變化特征量分析誤差的平均值分別為 和 0.04g/m³ ，綜合上述三種氮氧化物的測試結果，得出三種方法輸出NO_x 大氣污染物排放濃度變化特征量的平均分析誤差分別為 1.34g/m³.0.74g/m³ 和 0.14g/m³ 。另外污染區域面積特征量分析誤差的測試結果見表2。

通過計算，得出三種方法輸出 NO_x 大氣污染區域面積特征量分析誤差平均值的測試結果分別為2.05m²?1.30m² 和 0.28m² 。

3 結束語

在生活垃圾焚燒發電廠中， NO_x 大氣污染物的排放濃度特征是受到多種因素影響的復雜問題。通過深入研究和分析，發現溫度、風速以及燃燒條件等環境因素和生活垃圾的成分、燃燒工藝和煙氣處理技術等工藝因素都對 NO_x 的排放濃度產生顯著影響。為了有效降低 NO_x 的排放濃度，從整體出發，綜合考慮各種因素的相互作用，通過模擬發電廠工作過程和考慮多種影響因素，構建了 NO_x 排放濃度的預測模型，得出生活垃圾焚燒發電廠 NO_x 大氣污染物排放濃度特征的精準分析結果。研究結果不僅揭示了NOx排放量的估算方法，還進一步分析了氣象條件對污染物擴散的影響。通過性能分析實驗，驗證了方法的有效性，顯著降低了濃度變化特征量和污染區域面積特征量的分析誤差。

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