山西省实施煤电超低排放的空气质量效益模拟

谢卧龙，崔艳丽

(山西省环境规划院，山西太原030002)

山西省实施煤电超低排放的空气质量效益模拟

谢卧龙，崔艳丽

(山西省环境规划院，山西太原030002)

山西省煤电行业的大气污染物排放占到全省排放总量的将近50%，山西省政府要求2020年前现役机组进行超低排放改造，鉴于煤电产业的排放特点，现役机组实施超低排放对于空气质量将会有较大的影响。研究建立现有燃煤电厂超低排放实施前和实施后的排放源清单，利用Calpuff模型对现役机组执行超低排放空气质量改善效益进行模拟。结果显示，在原标准下现役燃煤发电机组对11个设区市市区的空气质量浓度贡献较大，山西省平均来看贡献相对较小，现役燃煤发电机组执行超低排放后，11个设区市市区现役燃煤发电机组的空气质量浓度贡献值有明显的下降，但山西省平均的下降值相对较小，“十三五”期间的大气污染防治需更多的考虑对其他源的控制。

山西省;燃煤发电;超低排放;空气质量效益;Calpuff

0 引言

随着经济的发展和技术的进步，我国对火电厂大气污染物排放的控制日趋严格。2014年8月8日，山西省人民政府已在《关于推进全省燃煤发电机组超低排放的实施意见》(晋政办发［2014］62号)中，明确提出2020年底，山西省全部现役300MW及以上火电机组完成烟气超低排放改造。

山西省常规大气污染物排放中，燃煤发电排放占有较大份额，2013年山西省燃煤发电排放的SO2、NOx和烟尘分别占到了全省排放总量的47%、48%和16%，按照政府要求执行超低排放后，山西省现有燃煤发电厂的污染物排放总量将大幅减少。随着社会经济的发展，我国的环境管理制度已经开始由以环境污染控制为导向，向以环境质量改善为导向转变，建立燃煤发电行业排放总量到环境质量之间的关联，定量化的分析其排放总量的减少对于空气质量改善的影响，可以为政府的大气污染防治工作提供参考，有重要的现实意义。

不同排放标准下排放浓度限值对比见表1。

表1 不同排放标准下排放浓度限值的对比mg/m3

表1中a为以煤矸石等为主要燃料的资源综合利用火力发电锅炉执行该限值;b为采用W型火焰炉膛的火力发电锅炉，以及现有的循环流化床锅炉执行该限值。

1 数据与方法

1.1 研究区域

山西省域范围，将11个省辖市市区列为重点关注区。研究区域内重点关注区及现有火电厂的空间分布见图1。

图1 研究区域及现有电厂、重点关注区分布

1.2 污染源清单

基于山西省2013年环境统计数据建立污染源清单。

1.2.1 现状排污情况

2013年，山西省燃煤发电装机总量5156.7万kW，其中效率较高的单机600MW及以上机组占40%，效率极低的100MW及以下机组约占8%。分析不同单机规模机组单位发电量的主要大气污染物排放强度，结果见表2。从表2可以看出，机组单机规模越大，单位发电量大气污染物排放强度越小。型号机组单位发电量NOx排放强度差异较小。

表2 山西省现有燃煤发电厂排污强度对比

1.2.2 执行原标准的现役机组排放源清单

源参数中，排气筒高度、内径、烟气流速、温度等参数，2008年之后新建的300MW及以上的电厂通过查阅项目环境影响评价报告书确定，其余排放源按照相关的研究成果考虑机组规模统一取值。

Zhou Ying等［1］研究认为，大部分电厂都符合指导值。对于缺失参数的排气筒，不同装机规模电厂排气筒高度引用兰涛等［2］的研究成果;内径基于排气筒高度根据付飞等［3］研究中调查得到的电厂排气筒高度与内径对应关系确定;烟气温度使用Pregger＆Friedrich［4］给出的欧洲典型值;烟气流速根据出口内径、山西省环境统计数据中烟气量、设备运行小时数进行估算，估算公式如下:

式中:Vs为烟气流速，m/s;Q为环境统计数据中污染源年烟气排放量，m3/a;T为设备年运行小时数，h/a;D为排气筒内径，m。

排气筒位置利用山西省环境统计中的位置信息，并利用Google earth对其进行校正。污染物排放强度按照山西省2013年火电机组总量减排核查数据中的机组运行情况和污染物排放总量进行计算，计算公式如下:

式中:G为污染物排放强度，kg/h;Ai为接入该座排气筒的第i座锅炉的核定年排放总量，t/a;Ti为接入该座排气筒的第i座锅炉的年运行时间，h。

1.2.3 执行超低排放后现役机组排放源清单

各污染源排放浓度按新的排放标准下的浓度限值计，其中300MW及以上机组执行本文表1中的超低排放限值，300MW以下机组执行《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223－2011)，其余各项源参数与执行新标准前一致。

1.3 气象数据

地面实际观测气象数据采用右玉、大同、五寨、离石、阳泉、介休、临汾、长治、运城、阳城、太原等11个基准、基本气象站以及平鲁和天镇2个一般气象站的逐时或逐次的观测数据。高空气象数据采用MM5模式生成的模拟数据，模拟基于的原始气象资料为美国NCEP的FNL数据，地理分辨率1×1，时间分辨率6h，MM5模式采用非静力平衡框架。

1.4 模拟方法及参数设置

山西省地形起伏较大，全省山地、丘陵面积占全省土地面积的80.3%，这样复杂的地形不适合使用适用于大区域模拟的MM5/CMAQ模型［5］，Calmet/ Calpuff模型已多次应用于对不同污染源的污染贡献模拟研究［6－12］，采用Calpuff模型进行模拟［13］。

模型考虑了复杂地形动力学影响、斜坡流、FROUND数影响及散度最小化处理［14］。Calpuff基本原理为高斯烟团模式，利用在取样时间内进行积分的方法来节约计算时间，其基本方程为:

式中:C为污染物落地浓度;Q为烟团中污染物的量;σx，σy，σz分别为x，y，z方向上的扩散参数;da和dc分别为x方向上和y方向上烟团中心到接受点的距离;He为烟团中心离地面的有效高度;h为混合层高度;g为高斯方程的垂直项。

Calpuff模块计算网格:水平网格距、垂直分层、格点数同CALMET，输入资料使用CLAMET的输出结果。采样网格:网格距10km，格点数40×74。

化学过程方案:采用MESOPUFFⅡ方案，其他化学过程反应参数均采用CALPUFF默认选项。另外，O3月际背景浓度取太原市2013年O3监测月均值，NH3月际背景浓度值取模型默认值，NO2/NOx比值设为0.9。

2 结果与分析

2.1 执行原标准的现役机组污染贡献

2013年现役燃煤发电机组的污染贡献，从山西省平均(所有网格点平均)来看，SO2、NO2、PM10和PM2.5的年平均贡献浓度分别为3.38、1.72、2.00和1.42μg/m3，SO2、NO2和PM10贡献浓度与2013年监测年均浓度值之比分别为5.2%、5.2%和1.7%。2013年尚未进行PM2.5常规监测，将其与二级标准限值对比，PM2.5年均浓度贡献值占标率为4.1%。

具体分析11个设区市的市区，将现役燃煤发电机组污染贡献值与现状监测值进行对比，结果见表3。SO2、NO2、PM103项污染物的最大值均出现在大同市;2013年尚未进行PM2.5大范围常规监测，将其与二级标准限值对比，比值在2.8%～16.6%之间，最大值出现在晋中市。

表3 现役燃煤发电机组空气质量贡献率

对比现役燃煤发电机组大气污染物排放量贡献率与模拟的空气质量浓度的贡献率可知，排放量与空气质量浓度贡献有一定的正相关性，但排放量贡献率远大于空气质量浓度的贡献率，这主要是因为火电厂排气筒均为高架源，污染物容易扩散，对近地面影响较小。尤其是从山西省平均来看，尽管燃煤发电行业SO2和NOx的排放量占比接近50%，但模拟的空气质量的贡献率仅5.2%，烟尘的排放量贡献率也远大于模拟的PM10和PM2.5的空气质量的贡献率，从此角度上看，山西省空气质量的改善，更多的需要通过控制低架源及无组织面源来实现。

2.2 执行超低排放后现役机组污染贡献

现役机组执行新的排放标准后，其污染贡献大幅降低，SO2、NO2、PM10和PM2.5山西全省年均浓度贡献值分别降低了2.73、1.36、1.52和1.00μg/m3。

将现役机组执行新标准后的污染贡献降低值与2013年空气质量实际监测值进行对比，分析在其他污染源保持不变的条件下，现役机组执行新标准后空气质量改善的幅度，结果见表4。表中C为年平均贡献浓度值，μg/m3;K为年平均贡献浓度值与现状监测值的比值，%。从山西省年浓度平均数据来看，SO2、NO2、PM10和PM2.5四项污染物浓度降幅分别为4.2%、4.1%、1.3%和2.9%。具体分析11个市的市区，SO2降幅在4.7%～31.0%之间，其中阳泉市降幅最大;NO2降幅在4.3%～32.9%之间，其中大同市降幅最大;PM10降幅在2.3%～17.3%之间，其中大同市降幅最大;另外，PM2.5降幅在2.1%～14.0%之间，其中晋中市降幅最大。

表4 现役燃煤发电机组执行超低排放标准后的空气质量贡献及空气质量改善效果

3 结语

在山西省多山地形条件下，现役燃煤发电机组实施超低排放后，相比执行GB 13223－2003环境空气质量改善的效果。模拟研究发现，从山西省全境来看，执行原标准的现役燃煤发电机组空气质量贡献不大，SO2、NO2、PM10和PM2.5的模拟年均浓度贡献率分别为5.2%、5.2%、1.7%和4.1%;但对于11个设区市的市区来说，污染贡献则相对较大，如在贡献率较大的大同市区，SO2、NO2、PM10和PM2.5的模拟年均浓度贡献率分别达到41.1%、44.8%、19.1%和14.2%。现役机组执行超低排放以后，空气质量得到改善。将模拟的现役燃煤发电机组的污染贡献(执行GB13223－2003标准)与燃煤发电排污量贡献进行对比，发现燃煤发电的污染贡献率远远小于排污量的贡献率，因此，“十三五”期间，要实现山西省环境空气质量的全面改善，除了要求燃煤发电执行超低排放外，更多的需要通过控制低架源及无组织面源来实现。

［1］Zhou Y，Levy Ji，Evans JS＆Harmitt JK 2006.The influence of geographic location on population explosure to emissions from power plants throughout China［J］.Environmental International，2006( 32):365－373.

［2］兰涛，张晓瑜，武征，等.锅炉烟囱高度设置合理性论证的实例分析［J］.环境科学与管理，2011，36(2)，:158－163.

［3］付飞，郑君瑜，李泽琨，等.2013.缺失烟囱参数估算及其应用对空气质量模拟结果的改进［J］.环境科学学报，2013，33(8): 2087－2097.

［4］Pregger T，Friedrich R.Effective pollutant emission heights for atmospheric transport modeling based on real－world information［J］.Environmental Pollution，2009(157):552－560.

［5］Yim S H L，Fung J C H，LauA K H，et al.Developing a high－resolution wind map for a complex terrain with a coupled MM5/CALMET system［J］.Geophys Res，2007，(112)5:106.

［6］Levy J I，Spengler J D，Hlinka D，et al.Using CALPUFF to evaluate the impacts of power plant emissions in Illinois:model sensitivity and implications［J］.Atmos Environ，2002，36(6):1063－1075.

［7］Zhou Y，Levy J I，Hammitt J K，et al.Estimating population exposure to power plant emissions using CALPUFF:A case study in Beijing，China［J］.Atmos Environ，2003，37(6):815－826.

［8］Yang D X.Estimating air quality impact of elevated point source emissions in Chongqing，China［J］.Aerosol Air Qual Res，2008，8 (3):279－294.

［9］Macintosh D L，Stewart J H，Myatt T A，et al.Use of CALPUFF for exposure assessment in a near－field，complex terrain setting［J］.Atmos Environ，2010，44(2):262－270.

［10］YimS H L，Jimmy C H，Fung Lau A K H.Use of high－resolution MM5/CALMET/CALPUFF system:SO2apportionmentto air quality in Hong Kong［J］.Atmospheric Environment，2010(44):4850－4858.

［11］任永建，赖安伟，高庆先.山西省阳泉市大气环境质量数值模拟［J］.环境科学与技术，2010，33(2):174－180.

［12］任重，马海涛，王丽，等.CALPUFF在大气预测及环境容量核算中的应用［J］.环境科学与技术，2011，34(6):201－205.

［13］环境保护部.HJ2.2－2008，环境影响评价技术导则大气环境［S］.北京:中国环境科学出版社.

［14］Scire J S，Strimaitis D G.A user＇s guide for the CALPUFF dispersion model［EB/OL］.http://www.Src.com/calpuff/calpuff1.Htm.2007.

A numerical simulation of the air quality improvement when all service coal－fired power plants maintain a ultra－low emission standard in Shanxi

In Shanxi province，50%of the air pollutants comes from coal－fired power plants.Shanxi provincial government has been asking all the service coal－fired power plants meet a ultra－low emission standard before 2020，it＇s predictable that this policy will improve the ambient air quality.It developes emission inventorys before and after the service coal－fired power plants maintain the ultra－low emission standard，and numerically simulates the improvement of the ambient air quality，with the Calpuff model.Results indicate that there is an significantly decline of the pollution contribution of service coal－fired power plants after maintaining the ultra－low emission standard in 11 districted cities，but non significant in the whole provincial area.To evidently improve the ambient air quality in the whole provincial area，other types of emission sources need more focus.

Shanxi;coal－fired power plants;ultra－low emission;improvement of air quality;Calpuff

X701

B

1674－8069(2015)05－010－04

2015-04-09;

2015-06-15

谢卧龙(1984-)，男，工程师，硕士，主要从事大气污染数学模拟与污染防治政策等方面的研究。E－mail:wolongxie@ 163.com

山西省科技攻关项目(20130313005－1)