垃圾焚烧发电站环境污染动态监控模型设计

张起舞，莫洋，王雯璇，段正敏

（重庆大学土木工程学院，重庆 400044）

垃圾焚烧发电站环境污染动态监控模型设计

张起舞，莫洋，王雯璇，段正敏

（重庆大学土木工程学院，重庆 400044）

建立科学可信的环境污染动态监控体系，是当前垃圾处理尤其是垃圾焚烧亟待解决的一个重要问题．本文以我国南方某垃圾焚烧发电站为例，通过分析垃圾焚烧发电站的烟尘排放情况以及附近的环境状况，考虑风向、风速、风频、地形、距离、污染物以及机器故障等因素，在进行科学定量分析的基础上，采用连续点源高斯扩展模型，建立可行的垃圾焚烧发电站环境影响动态监控评估方法，为工厂的动态监控和污染的实时模拟提供一定的依据．

垃圾焚烧；动态监控；实时模拟；连续点源高斯扩展模型；艾根模式

0 前言

在城市化进程中，随着城市建设的加速和城市人口的快速增长，城市垃圾成为城市发展的沉重负担．据不完全统计，我国每年产生近1.5亿t城市垃圾，城市垃圾累积堆存量已达70亿t．垃圾处理问题已经成为困扰我国经济社会发展的一个重要问题．

面对“垃圾围城”这一世界性难题，我国主要采取垃圾焚烧和垃圾填埋的方式处理城市垃圾．由于担心环境污染问题，垃圾焚烧方式一直未被我国广大民众所接受．许多城市的新建垃圾焚烧发电站选址出现因居民反对而难以落地的尴尬局面．近年来，全国连续发生多起因反对建设垃圾焚烧发电站而引发的群体性冲突事件，这给垃圾焚烧技术在我国的推广造成很大阻力．建立科学可信的环境污染动态监控体系，加强对垃圾焚烧发电站日常运营的监管，使其污染物排放在可防可控范围之内，是解决当前垃圾焚烧问题的一个重要选项．

本文针对南方某垃圾焚烧发电站运营时出现的烟尘排放问题，考虑到当地的风向、风速、风频、地形、距离、污染物以及机器故障等条件，建立了一套关于垃圾焚烧发电站环境污染动态监控模型，通过此模型估算垃圾焚烧发电站对周围环境的影响，进而为环境监控提供依据．

考虑到环境的多变性和复杂性，为了使模型设计更具有普遍意义，本文假设在全部空间中风速是均匀的、稳定的，忽略下风向的湍流扩散；假设污染排放源强是连续均匀的；假设气体在地面完全反射，不被地面吸收；假设污染物在大气中只有物理运动，没有化学和生物变化．

1 模型建立

通常，一个空气质量模型包括一组以大气扩散公式为主体的描写各种过程的数学表达式．由于空气污染问题的复杂性，在评价点源对局地环境的影响时，一般都采用具有高分辨率效能的高斯模型．

由于绝大多数污染源排放的污染物是连续的，可理解为在时间上一次连续释放无穷多个烟团，其扩散模式可以用积分求得．高斯烟羽模型公式为[1]

2 模型修正

2.1 烟气抬升高度

烟气从烟囱排出后，由于动力和温度的作用会继续上升一段距离，故扩散公式中的烟源高度H不只是烟囱的几何高度，而是几何高度与烟气抬升高度之和．在高斯烟羽模型中，烟气抬升高度取近似值，结果并不十分准确．因此本文将抬升高度公式进行一定的细化．对于垃圾焚烧发电站来说，一般TsTa35 K，因此需要考虑烟气与环境温度之差对抬升高度的影响．

2.2 地形因素影响

因为地形的起伏会影响烟尘和地面之间的距离，改变烟尘被地面反射的状况，所以如果仅使用一般的高斯烟羽模型计算，山丘和坡地上的大气污染物浓度会产生较大的误差．考虑到山体遮挡的情况，有必要对高斯烟羽模型作进一步的改进．本文采用艾根模式[4]对污染物浓度进行计算．

表1 T的取值Tab.1The value of T

2.3 气候因素影响

根据当地气象历史资料，统计出近年来的风向、风速及风频如表2所示．

表2 风向、风速及风频统计表Tab.2Statistics of wind direction,wind velocity and wind frequency

利用表2数据，可以绘制出当地的风玫瑰图，如图1所示．通过风玫瑰图可以很清晰地得到风在8个方向的风频、风速的大小情况．将不同的风向风速代入公式(11)，可以确定在不同风向条件下不同的污染物浓度分布图，如图2所示．

气象统计上的风向一共有8个，把每个方向上的风频风速数据都代入公式(11)中，一共可以得到8个高斯烟羽模型的浓度分布数据，再通过坐标转换方法把8个方向的数据进行叠加，从而得到某一地区全年内某一污染因子的总浓度分布[5]．

因为污染物浓度随下风距离的增大而减小，污染物浓度低于一定值时可以忽略不计，所以，通过污染物浓度对污染物影响的极限距离进行确定．

根据南方某垃圾焚烧发电站的数据，在正常情况下，其TSP（总悬浮颗粒物）排放量为7.783 kg/h，SO2排放量为13.252 kg/h，NOx排放量为17.003kg/h．本文以东风为例[6]，其平均风速为1.509m/s．就地形而言，该发电站附近地形都是平原，没有起伏，故不考虑地形因素．将这些数据代入公式(11)，可以计算出不同位置的污染物浓度[7]．

经计算，距离发电站3200 m远处TSP的浓度最大，其浓度为0.00558mg/m3；距离发电站3050m远处SO2的浓度最大，其浓度为0.009 14 mg/m3；距离发电站3 190 m远处NOx的浓度最大，其浓度为0.0120mg/m3．这3种污染物均在3200m左右污染物浓度最大，在此处TSP和SO2浓度符合国家Ⅰ级标准，NOx浓度符合国家Ⅲ级标准[3]，如表3所示．

图1 风玫瑰图Fig.1Wind roses

图2 NOx在东风下的污染物浓度分布图Fig.2The contaminant concentration profile of NOxwith east wind

分别计算8个风向上的污染物浓度分布，以风频为权重相乘后将其叠加，可以得到全年的污染物浓度分布．叠加后可知[8]，3 000～3 500 m处污染物浓度大于国家Ⅰ级标准，即此处区域污染超标．换句话说，污染物在3 000 m之内和3 500 m之外影响较小．

表3 国家环境质量分级标准mg/m3Tab.3National environmental quality grading standards

2.4 机器故障影响

机器发生故障时，烟尘排放量会骤然增加，污染范围会变大，污染程度会加深．以南方某垃圾焚烧发电站为例，其污染去除率可用表4表示．一般来说，垃圾焚烧发电站会在烟囱出口处加装排放物监控装置，可以根据监控数据计算污染物排放情况．本文假设发生最坏的情况，即所有的污染物未经处理就排入大气．通过污染去除率可以推算出机器损坏时工厂排出的最大污染量，即未处理时污染物排放量．经计算，将最大污染量代入公式(11)后，可以直接计算出故障后的污染物排放情况，得出故障后的污染范围以及各地污染物浓度，其结果如表4．将污染物产生量代入公式(11)，计算8个风向的数据以风频为权重叠加后可得机器故障后污染物浓度分布．根据计算结果，故障发生时，以烟囱为圆心在半径范围为5 000 m内的区域，空气污染超过了国家Ⅳ级标准[3]，半径范围5 000～10 000 m之内的区域污染物浓度在国家Ⅰ级标准和国家Ⅳ级标准之间，半径范围10 000 m之外的污染物浓度在国家Ⅰ级标准之下．

表4 某垃圾焚烧发电站大气污染物产生量、排放量和去除率Tab.4The amount,emissions and removal of air pollutants in the waste incineration power plant

3 小结

本文以高斯烟羽模型为基础，设计了一个用于计算垃圾焚烧发电站排放污染物浓度的数学模型．这个模型将风向、风速、风频、地形、距离、污染物以及机器故障等因素考虑在内，对高斯烟羽模型进行了一定的改进．经计算，一般情况下，南方某垃圾焚烧发电站排放的污染物中，部分污染物浓度超过国家Ⅰ级标准，其余部分则达标．在机器发生故障导致烟尘大量排放的情况下，以烟囱为圆心半径10000m范围之内的污染物浓度大于国家Ⅰ级标准．该结论对其他垃圾焚烧发电站的环境污染监测也具有一定的参考价值．

符号说明：

[1]谷清，李云生．大气环境模式计算方法[M]．北京：气象出版社，2002．3．

[2]HJ/T 2.2-93，环境影响评价技术导则——大气环境[S]．

[3]GB-T 3840-9，大气污染物排放标准[S]．

[4]肖舜．沈瑾．刘璐．西安世园会园区大气环境质量与气象因子关系分析[J]．干旱气象，2012，30（1）：1-6．

[5]赵伟．基于GIS的大气污染扩散模拟[D]．长沙：中南大学，2007．12．

[6]李爱军，朱翔，赵碧云．生态环境动态监测与评价指标体系探讨[J]．中国环境监测，2004，8（20）：35-38．

[7]李宗恺，潘云仙，孙润桥．空气污染气象学原理及应用[M]．北京：气象出版社，1985．

[8]肖继光．应用模糊综合评价级数评价大气环境质量[J]．环境工程．1994，12（6）：46-49．

[责任编辑 田丰]

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

张起舞（1993-），男（汉族）．通讯作者：段正敏（1965-），女（汉族），副教授，dzm@cqu.edu.cn．