某1 000 MW燃煤机组超低排放改造减排NOX的环境效益评价

寿春晖，祁志福，陈 彪，刘春红

（浙江浙能技术研究院有限公司，杭州 310003）

某1 000 MW燃煤机组超低排放改造减排NOX的环境效益评价

寿春晖，祁志福，陈 彪，刘春红

（浙江浙能技术研究院有限公司，杭州 310003）

利用AERMOD模型对某1 000 MW燃煤机组改造前后排放NOX在大气中的传输、扩散过程进行了模拟，定量计算了NOX环境浓度及其分布情况。研究发现：通过超低排放改造项目削减NOX排放，可使环境空气中NOX最大落地浓度大量减少、占标率明显下降；各峰值分布区域污染物浓度降幅显著，各时段均值占标率大幅下降；全区域各时间段浓度值均降低、分布梯度变小。研究结果表明：火电行业通过“超低排放”进一步控制NOX污染对环境影响正效益显著，发电厂周边环境空气质量得以整体大幅提升。

AERMOD；NOX；环境影响；火电厂；超低排放

0 引言

NOX（氮氧化合物）是国家重点及总量控制的环境指标。2013年全国NOX排放量达2 227.4万t左右，燃煤电厂为排放大户[1,2]。排放的NOX不仅直接污染环境，由其转化的二次细颗粒物（PM2.5）还是雾霾的重要成因。据研究，由排放NOX转化的二次PM2.5占了2010年火电行业细颗粒物排放总量的32%[3]，超过直接排放的一次PM2.5（约12%[3]）。因此，按照《环境空气质量标准》（GB 3095-2012）[4]要求控制好燃煤机组NOX排放尤为重要。为此，提出了燃煤电厂烟气污染物超低排放的概念，主动减排燃煤机组污染物，以达到燃气轮机组的排放限值，NOX要求排放浓度小于50 mg/m3（烟气含氧量为6%）。

通过超低排放改造无疑可使原有燃煤机组污染物排放量大幅降低[1，5，6]，但针对具体机组，改造减排对周边区域的长、短期环境效益仍缺少定量研究。利用数值模型对排放源进行计算，评价其对环境空气的影响，是定量分析超低排放改造减排NOX环境效益的有效手段[7，8]。

AERMOD模型是《环境影响评价技术导则大气环境》（HJ2.2-2008）[9]推荐使用的环评模型，利用该模型可以对排放源NOX等污染物的传播进行模拟计算，对污染物扩散的长、短期环境影响做出准确评价[10-12]。利用 AERMOD模型计算某1 000 MW燃煤机组超低排放改造前后所排放NOX的最大落地浓度变化，分析评价排放源周边区域污染物浓度分布情况，为火电行业通过超低排放进一步控制NOX污染、减少雾霾影响提供定量研究结果。

1 研究方法

1.1 AERMOD模型

AERMOD模型是2008版大气评价导则指定的一、二级环境影响评价项目计算模型，由AERMIC开发，核心算法为局域高斯烟羽扩散模式，适用于20～50 km相对小范围的局域大气扩散模拟计算。AERMOD模型以扩散统计理论为出发点，假设污染物的浓度分布在一定程度上服从高斯分布，可用于多种排放源（包括点源、面源和体源）排放的污染物在短期（小时平均、日平均）、长期（年平均）的浓度分布研究；也适用于乡村和城市环境、平坦和复杂地形、地面和高架等多种排放扩散情景。

AERMOD系统包括AERMOD（大气扩散模型）、AERMET（气象数据预处理器）和AERMAP（地形数据预处理器）3个部分，模型主要计算流程如图1所示。模拟过程首先需要建立一个文本格式的控制文件，来提供程序控制选项、污染源位置参数、预测点位置、气象数据引用及输出参数等。而运行所需的2个基本气象数据文件为地面气象数据文件和探空廓线数据文件，都由AERMET生成。为同时考虑地形影响，还需在控制文件中加入地形数据文件的引用，该文件由AERMAP生成。

图1 AERMOD模型计算流程

1.2 气象条件

排放源所处区域是典型的亚热带季风湿润气候区，季风显著、四季分明，总体气候特征为温和、湿润、多雨。模拟所需地面气象资料来自中国气象科学数据共享服务网提供的距排放源6 km处的基础数据库；所需高空气象数据来自美国国家海洋和大气局/地球系统研究实验室的无线电探空资料数据库。设置2013年度为研究时间，利用温度、风向、风速、气压、云量和相对湿度等全年逐时气象数据，作为模拟区域环境影响评价研究的气象参数。利用AERMET模块对地面和高空气象数据进行预处理，获得研究区域模拟时间内月均温度、风速及风向情况如图2、图3所示。

图2 模拟区域温度、风速月均值

图3 全年风向频率玫瑰图

1.3 参数设置

所研究的1 000 MW燃煤机组排放的气态污染物全部来自锅炉燃烧尾气，机组超低排放改造前后主要参数如表1所示。改造前，机组NOX排放执行《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223 -2011）中一般地区现有机组排放限值100 mg/m3；模拟过程NOX排放浓度根据环保设备性能验收测试均值。超低排放改造中，对锅炉低氮燃烧器进行了优化调整，同时增加了SCR（选择性催化还原）脱硝系统催化剂层数，SCR装置设计脱硝效率提高至85%。改造后NOX排放浓度值根据修后SCR装置性能验收报告设置，浓度限值为超低排放要求的50 mg/m3。

表1 某燃煤机组NOX排放参数

模型采用的地形参数来源于排放源所在区域DEM（数字高程模型）数据切割获得的30 m分辨率的GDTM数据，经ArcGIS软件转化生成模型所需要的数字高程文件。环境影响的评价以所研究燃煤机组对应烟囱为中心，划分500 m×500 m的网格，模拟范围10 km×10 km。模拟区域以排放源为中心，总面积100 km2，包含了海域、城镇、农田及风景区等不同区块。排放源周边环境关系与模拟区域具体情况如图4所示。

图4 排放源位置及模拟区域周边环境条件

2 结果与讨论

2.1 环境效益总体评价

20世纪70年代，Nicodemus提出了BRDF的精确概念，并用来描述物体的各向异性[7-8]。定义BRDF为目标在某一方向(θr,φr)的反射亮度dLλ与入射方向(θi,φi)的照度dEλ的比值，其参数如图1所示。

超低排放改造后机组的NOX排放限值为发改能源[2014]2093规定的50 mg/m3。表2为模拟区域改造前后的NOX短期（日均）和长期（年均）最大落地浓度值，及其相应的出现时间、距离和一级标准浓度限值[4]。

从表2可以看到，燃煤机组超低排放改造项目削减的NOX排放量，使得环境空气中NOX最大落地浓度减少，占标率下降，对周围环境NOX的影响为正效益。如表2中所示，研究区域内NOX最大落地浓度的日均值降低了3.46 μg/m3，年均值降低了0.4 μg/m3，改变幅度达72%。另外，考虑到火电行业烟气排放中的NOX相当大一部分转化成了细颗粒物，因此，通过超低排放项目，不仅直接降低相关NOX地面浓度，还同时使关联形成的二次细颗粒物大为减少，具有更大的环境效益。

表2 最大落地浓度模拟结果

2.2 最值浓度比较

将区域内改造前后排放的NOX日均及年均环境浓度模拟结果最高前50值做了计算比较，通过变化情况了解区域污染程度及下降趋势。将计算的日均及年均NOX环境浓度结果前50值及其占标情况进行对比，如图5及图6所示。

图5 模拟区域NOX日均环境浓度（前50点）

由图5可见，超低排放改造后，NOX日均环境浓度值（前50点）较改造前明显降低。改造前NOX环境浓度前50点的均值为3.79 μg/m3，改造后降低为1.08 μg/m3，降幅超过71%；前50落地浓度相对一级标准浓度的占标率由4.73%降至1.36%。从环境空气质量标准检验的角度来看，超低排放改造后的时均最值环境浓度得到了非常明显的改善。

图6 模拟区域NOX年均环境浓度（前50点）

由图6可见，前50点的年均浓度与日均浓度相似，最值浓度与占标率均有明显降低。改造前NOX环境浓度前50点均值为0.47 μg/m3，改造后降低为0.12 μg/m3，降幅达74%；前50落地浓度相对一级标准浓度的占标率由1.17%降至0.31%，环境改善效果明显。

2.3 落地浓度分布比较

图7、图8为模拟区最大日均、年均落地点NOX浓度分布情况对比。

年均落地浓度的分布变化情况如图8所示，改造后区域内浓度分布梯度明显下降，浓度值全部降至0.2 μg/m3以下。原有的分别位于排放源南面约3 km处、北面和西面2.5 km处的峰值分布区域基本消失，地区浓度降幅较大。

结合图7及图8可以观察到：超低排放NOX减排后，短期以及长期均值的环境浓度均响应迅速，整个模拟区域减排成效显著；区域NOX环境浓度整体下降的情况下，原处于峰值区间的区域环境浓度降幅最大，环境状况得到很大改善。从分布形态上看，改造后浓度分布梯度变小，原有的围绕排放源存在的多峰分布现象得以改变。

图7 NOX日均浓度分布

3 结论

通过建立基于燃煤机组超低排放改造 NOX减排的情况模拟，利用AERMOD大气环境评价模型对环境效益影响进行了分析。根据模拟结果得出以下结论：

（1）燃煤机组超低排放改造项目削减的NOX排放量，使得环境空气中NOX最大落地浓度大幅减少、占标率明显下降，关联形成的二次细颗粒物随之减少，对周围环境NOX的影响为正效益。全区域各时间段NOX浓度值降低、分布梯度变小等变化情况明显，环境改善效果突出。

（2）超低排放改造后以最大落地浓度前50点为代表的原峰值分布区域污染物浓度降幅明显，时均、日均及年均指标占标率均大幅下降，环境空气质量整体大幅提升。

图8 NOX年均浓度分布

[1]张军，郑成航，张涌新，等.某1 000 MW燃煤机组超低排放电厂烟气污染物排放测试及其特性分析[J].中国电机工程学报，2016，36（5）∶1310-1314.

[2]国家统计局，环境保护部.中国环境统计年鉴[M].北京：中国统计出版社，2014.

[3]朱法华，王临清.煤电超低排放的技术经济与环境效益分析[J].环境保护，2014，42（21）∶28-33.

[4]GB 3095-2012环境空气质量标准[S].北京：中国环境科学出版社，2012.

[5]赵磊，周洪光.超低排放燃煤火电机组湿式电除尘器细颗粒物脱除分析[J].中国电机工程学报，2016，36（2）∶468-473.

[6]帅伟，李立，崔志敏，等.基于实测的超低排放燃煤电厂主要大气污染物排放特征与减排效益分析[J].中国电力，2015，48（11）∶131-137.

[7]莫华，张清宇，李杉，等.火电厂PM2.5环境影响评价方法探讨[J].浙江大学学报理学版，2014，41（4）∶453-457.

[8]姚增权.火电厂烟羽的传输与扩散[M].北京：中国电力出版社，2003.

[9]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，2008.

[10]马洁云，易红宏，唐晓龙，等.基于AERMOD及减排政策的昆明市工业区SO2情景模拟[J].中国环境科学，2013，33（10）∶1884-1890.

[11]李煜婷，金宜英，刘富强.AERMOD模型模拟城市生活垃圾焚烧厂二（噁）英类物质扩散迁移[J].中国环境科学，2013，33（6）∶985-992.

[12]SEANGKIATIYUTH K，SURAPIPITH V，TANTRAKARNAPA K，et al.Application of the AERMOD modeling system for environmental impact assessment of NO2emissions from a cement complex[J].Journal of Environmental Sciences，2011，23（6）∶45-53.

（本文编辑：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

寿春晖（1984），男，工程师，从事环保技术研究及新能源技术研究工作。