王 熙 侯云鶴 李來(lái)勝

(1.華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.香港大學(xué)電子工程系，中國(guó) 香港)

由于煤炭在中國(guó)的儲(chǔ)量較豐富且相對(duì)較便宜，它的資源和價(jià)格優(yōu)勢(shì)成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的首選能源。因此，我國(guó)一次能源結(jié)構(gòu)中以煤炭為主。由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，自2000年開(kāi)始，我國(guó)煤炭消費(fèi)總量開(kāi)始大幅上升。到2013年，我國(guó)煤炭消費(fèi)總量已達(dá)到36億t，居世界第一位[1-5]。以廣州市為例，能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中原煤消費(fèi)比例高達(dá)50%，過(guò)多的煤炭消耗也帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題[6-8]。能源布局的不合理導(dǎo)致火力發(fā)電給廣州市帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染。

盡管廣東火力發(fā)電廠(chǎng)的脫硫脫硝處理工程已相繼展開(kāi)，但由于火力發(fā)電廠(chǎng)對(duì)廣州市呈包圍分布，對(duì)廣州市的空氣質(zhì)量仍產(chǎn)生重要的影響，是誘發(fā)廣州市霧霾天氣的原因之一[9]。據(jù)推算，涉煤污染排放對(duì)PM2.5的貢獻(xiàn)率達(dá)到40%[10-15]。而PM2.5和PM10是燃煤排放的重要污染物，嚴(yán)重影響人們的呼吸道健康，并容易降低大氣能見(jiàn)度，是霧霾天氣的主要元兇。

廣州市近20年來(lái)空氣質(zhì)量日益下降，顆粒物濃度日益上升導(dǎo)致霧霾天氣頻頻發(fā)生。其中，燃煤電廠(chǎng)的煙塵排放是一個(gè)重要的原因。本研究的目的是探究燃煤電廠(chǎng)產(chǎn)生的PM2.5濃度及其在特殊天氣條件下的擴(kuò)散情況。同時(shí)，根據(jù)模擬預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)燃煤電廠(chǎng)的運(yùn)行提出可行性建議，逐步改善廣州市的空氣環(huán)境質(zhì)量。

1 研究方法

對(duì)廣州市周邊200 km范圍內(nèi)的燃煤電廠(chǎng)進(jìn)行調(diào)研，確定擬研究燃煤電廠(chǎng)的基本參數(shù)(包括與廣州市中心距離、發(fā)電量、煤質(zhì)、煙囪幾何尺寸等)，并通過(guò)燃煤電廠(chǎng)的額定裝機(jī)容量估算各排放源參數(shù)(包括耗煤量、排煙流量以及排放源強(qiáng)等)。本研究擬在不利于擴(kuò)散的氣象條件下，利用穩(wěn)態(tài)高斯高架連續(xù)點(diǎn)源模型對(duì)燃煤電廠(chǎng)的顆粒物擴(kuò)散進(jìn)行模擬。逆溫條件下(反射次數(shù)取2)的穩(wěn)態(tài)高斯高架連續(xù)點(diǎn)源模型見(jiàn)式(1)[16]。

(1)

式中：c(x，y，0)為坐標(biāo)(x，y)處的污染物地面質(zhì)量濃度，g/m3；Q為煙囪排放源強(qiáng)，即單位時(shí)間排放的污染物量，g/s；ux為x軸方向上的風(fēng)速，m/s；σy、σz分別為y、z軸方向上的擴(kuò)散參數(shù)，m；y為縱向距離，m；H為煙囪有效高度，m；h為混合層高度，m。

2 結(jié)果與討論

2.1 燃煤電廠(chǎng)排放源調(diào)研

由圖1可看出，廣州市周邊的燃煤電廠(chǎng)眾多，在廣州市南部形成環(huán)繞密集分布，燃煤電廠(chǎng)主要集中在廣州、佛山和東莞。較大裝機(jī)容量的燃煤電廠(chǎng)如紅海灣、平海、媽灣、銅鼓、沙角C、珠海A均分布在沿海地區(qū)。

注：圓形面積代表裝機(jī)容量的大小。圖1 廣州市周邊燃煤電廠(chǎng)分布Fig.1 The distribution of coal-fired power plants around Guangzhou

廣州市周邊各燃煤電廠(chǎng)的耗煤量[17]、排煙流量、SO2和NOX排放源強(qiáng)[18]及煤中灰分轉(zhuǎn)化的顆粒物排放源強(qiáng)[19-20]等具體如表1所示。在燃燒過(guò)程中，6%(體積分?jǐn)?shù)，下同)～7%的SO2會(huì)轉(zhuǎn)化為SO3[21]7，當(dāng)煙氣溫度小于酸露點(diǎn)時(shí)，SO3會(huì)與煙氣中的水分結(jié)合成小于0.3 μm的硫酸氣溶膠。硫酸氣溶膠通過(guò)煙囪排出，之后形成PM2.5。由于小部分SO2通過(guò)上述過(guò)程在排放前已轉(zhuǎn)化成PM2.5，因此本研究模擬時(shí)假設(shè)燃燒后形成的SO2有6%轉(zhuǎn)化為PM2.5，并將修正后的最終PM2.5排放源強(qiáng)列于表1。

NOX也會(huì)在太陽(yáng)高度角、溫度、濕度以及NOX、SO2、NH3初始濃度等條件的影響下轉(zhuǎn)化成硝酸鹽氣溶膠[21]6，[23]。NO2的轉(zhuǎn)化速率常數(shù)值為10%/h至15%/h。

綜合對(duì)比發(fā)現(xiàn)，春夏季SO2和NOX轉(zhuǎn)化速率比秋冬季大，于是春夏季SO2、NOX轉(zhuǎn)化率分別取12.7%、15%；秋冬季SO2、NOX轉(zhuǎn)化率分別取4.1%、10%。因此，在模型計(jì)算過(guò)程中引入SO2和NOX轉(zhuǎn)化速率進(jìn)行模擬，充分考慮顆粒物中一次和二次形成的PM2.5。

2.2 模擬的氣象條件

大氣穩(wěn)定度越高，大氣中污染物越不容易擴(kuò)散。風(fēng)向和風(fēng)速也會(huì)影響污染物的擴(kuò)散程度，其中風(fēng)向決定污染物擴(kuò)散的方向，風(fēng)速則影響污染物擴(kuò)散的速度，風(fēng)速越低越不利于污染物擴(kuò)散[24-25]。溫度也是影響大氣污染物擴(kuò)散的一個(gè)重要因素，且溫度還與二次顆粒的形成有密切的聯(lián)系，在不利于擴(kuò)散的情況下還有可能進(jìn)一步加重污染[26-27]。本研究模擬的氣象條件設(shè)定為：大氣穩(wěn)定度為E級(jí)，混合層高度587 m，風(fēng)速0.83 m/s，氣溫28 ℃。風(fēng)向作為單一變量，主要模擬東風(fēng)、東南風(fēng)、南風(fēng)和西南風(fēng)控制下燃煤電廠(chǎng)對(duì)空氣質(zhì)量的影響。根據(jù)圖1，大部分燃煤電廠(chǎng)均在廣州的東北風(fēng)、北風(fēng)、西北風(fēng)和西風(fēng)的下風(fēng)向地區(qū)，這4種主導(dǎo)風(fēng)向下燃煤電廠(chǎng)對(duì)廣州市的空氣質(zhì)量影響并不大，因此對(duì)這4種風(fēng)向不作模擬。

2.3 顆粒物污染擴(kuò)散的模擬結(jié)果

本研究以廣州市城區(qū)40 km×40 km范圍為模擬區(qū)(見(jiàn)圖 2)，模擬計(jì)算時(shí)以圖2中心為原點(diǎn)，以東西方向?yàn)閤軸，南北方向?yàn)閥軸。選定廣州市越秀區(qū)中山紀(jì)念堂、荔灣區(qū)陳家祠、天河區(qū)正佳廣場(chǎng)、海珠區(qū)赤崗塔、白云區(qū)白云山、番禺區(qū)大學(xué)城為6個(gè)主要控制點(diǎn)，在選定的模擬氣象條件下，計(jì)算東南風(fēng)、東風(fēng)、南風(fēng)和西南風(fēng)控制時(shí)主要控制點(diǎn)的PM2.5濃度及區(qū)域平均濃度，并識(shí)別出對(duì)PM2.5排放貢獻(xiàn)率較大的燃煤電廠(chǎng)，根據(jù)預(yù)設(shè)的預(yù)警值降低其發(fā)電系數(shù)，同時(shí)比較控制前后PM2.5濃度的變化情況。

表1 各燃煤電廠(chǎng)耗煤量、排煙流量及顆粒物、SO2、NOX排放源強(qiáng)

圖2 模擬區(qū)示意圖Fig.2 Simulated area

圖3 不同主導(dǎo)風(fēng)向下PM2.5質(zhì)量濃度的分布圖Fig.3 The distribution of PM2.5 under different dominate wind directions

結(jié)合燃煤電廠(chǎng)的運(yùn)行特征[28]和廣州市PM2.5濃度水平，對(duì)燃煤電廠(chǎng)在主要控制點(diǎn)的PM2.5貢獻(xiàn)率設(shè)置預(yù)警值，并根據(jù)其貢獻(xiàn)率分為6檔，調(diào)整燃煤電廠(chǎng)運(yùn)行的發(fā)電系數(shù)來(lái)進(jìn)行控制：(1)貢獻(xiàn)率為>80%，停發(fā)；(2)貢獻(xiàn)率為>60%～80%，發(fā)電系數(shù)降為0.4；(3)貢獻(xiàn)率為>40%～60%，發(fā)電系數(shù)降為0.6；(4)貢獻(xiàn)率為>20%～40%，發(fā)電系數(shù)降為0.8；(5)貢獻(xiàn)率為>1%～20%，發(fā)電系數(shù)降為0.9；(6)貢獻(xiàn)率為≤1%，發(fā)電系數(shù)在允許條件下可設(shè)為1.0～1.2。

通過(guò)初步模擬，在4種選定的主導(dǎo)風(fēng)向下，PM2.5質(zhì)量濃度分布如圖 3所示。由于廣州市周邊燃煤電廠(chǎng)主要分布在城市的東南側(cè)，因此在東南風(fēng)、東風(fēng)和南風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向時(shí)，廣州市城區(qū)的PM2.5濃度分布較高，受燃煤電廠(chǎng)的外源污染影響較嚴(yán)重。因此，重點(diǎn)對(duì)這3種主導(dǎo)風(fēng)向時(shí)的控制策略進(jìn)行討論。

當(dāng)盛行東南風(fēng)時(shí)，廣州市西南部的PM2.5會(huì)大幅上升，對(duì)6個(gè)主要控制點(diǎn)影響較大的燃煤電廠(chǎng)主要有沙角C、沙角B、沙角A和媽灣，該區(qū)域PM2.5質(zhì)量濃度及各燃煤電廠(chǎng)對(duì)PM2.5的貢獻(xiàn)率如表2所示。在未削減發(fā)電量，該區(qū)域PM2.5平均質(zhì)量濃度為58.45 μg/m3，在東南風(fēng)下風(fēng)向也就是陳家祠附近，PM2.5質(zhì)量濃度更高達(dá)60 μg/m3以上。沙角C、沙角B、沙角A和媽灣燃煤電廠(chǎng)對(duì)PM2.5的區(qū)域平均貢獻(xiàn)率分別為40.4%、1.3%、40.5%、21.8%，則其發(fā)電系數(shù)分別調(diào)整為0.6、0.9、0.6、0.8，該區(qū)域PM2.5平均質(zhì)量濃度減少至38.96 μg/m3，PM2.5削減量將近40%。

當(dāng)東風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向時(shí)，對(duì)6個(gè)主要控制點(diǎn)影響較大的燃煤電廠(chǎng)主要有珠海A、珠海B、珠江和云浮，該區(qū)域內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度及各燃煤電廠(chǎng)對(duì)PM2.5的貢獻(xiàn)率如表3所示。在未削減其發(fā)電量時(shí)，該區(qū)域PM2.5平均質(zhì)量濃度為45.81 μg/m3。珠海A、珠海B、珠江和云浮燃煤電廠(chǎng)對(duì)PM2.5的區(qū)域平均貢獻(xiàn)率分別為26.3%、24.4%、40.7%、5.5%，則其發(fā)電系數(shù)分別調(diào)整為0.8、0.8、0.6、0.9時(shí)，該區(qū)域PM2.5平均質(zhì)量濃度減少至35.76 μg/m3，PM2.5削減量為22%。

表2 東南風(fēng)時(shí)PM2.5質(zhì)量濃度及各燃煤電廠(chǎng)對(duì)PM2.5的貢獻(xiàn)率

注：1)控制前指削減發(fā)電量前，控制后指削減發(fā)電量后，表3、表4同。

表3 東風(fēng)時(shí)PM2.5質(zhì)量濃度及各燃煤電廠(chǎng)對(duì)PM2.5的貢獻(xiàn)率

表4 南風(fēng)時(shí)PM2.5質(zhì)量濃度及各燃煤電廠(chǎng)對(duì)PM2.5的貢獻(xiàn)率

當(dāng)南風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向時(shí)，對(duì)6個(gè)主要控制點(diǎn)影響較大的燃煤電廠(chǎng)主要有紅海灣、沙角B、恒運(yùn)、黃埔、瑞明、東糖乙和旺隆，該區(qū)域PM2.5質(zhì)量濃度及各燃煤電廠(chǎng)對(duì)PM2.5的貢獻(xiàn)率如表4所示。在未削減其發(fā)電量時(shí)，該區(qū)域PM2.5平均質(zhì)量濃度為39.16 μg/m3，在南風(fēng)下風(fēng)向有一個(gè)污染較嚴(yán)重的區(qū)域在白云山處，PM2.5質(zhì)量濃度最高達(dá)到63.28 μg/m3。紅海灣、沙角B、恒運(yùn)、黃埔、瑞明、東糖乙和旺隆燃煤電廠(chǎng)對(duì)PM2.5的區(qū)域平均貢獻(xiàn)率分別為21.5%、20.8%、40.4%、21.3%、7.8%、7.6%、4.5%，則其發(fā)電系數(shù)分別調(diào)整為0.8、0.8、0.6、0.8、0.9、0.9、0.9，各主要控制點(diǎn)濃度有很明顯的下降，如中山紀(jì)念堂附近的PM2.5質(zhì)量濃度由59.94 μg/m3下降至45.97 μg/m3。

目前，很多城市為了控制霧霾天氣的頻發(fā)，通過(guò)機(jī)動(dòng)車(chē)限行進(jìn)行控制。但是這只能控制城市的內(nèi)源污染。本研究的模擬結(jié)果和很多源解析數(shù)據(jù)顯示，外源污染也是大中城市PM2.5的重要來(lái)源。因此，對(duì)外源污染的控制也勢(shì)在必行。

不利于擴(kuò)散的氣象條件下根據(jù)燃煤電廠(chǎng)引起的外源污染建立污染物擴(kuò)散模型進(jìn)行預(yù)警，篩選出需要重點(diǎn)防控的燃煤電廠(chǎng)，將環(huán)境效益作為運(yùn)行指標(biāo)，設(shè)定合理的預(yù)警紅線(xiàn)，對(duì)環(huán)境影響較大的燃煤電廠(chǎng)運(yùn)行提出應(yīng)急運(yùn)行建議，降低其發(fā)電系數(shù)，在保證電力供應(yīng)的安全性下，減少發(fā)電；而其他環(huán)境影響極小的燃煤電廠(chǎng)或其他發(fā)電形式(如水電、核電等)的電廠(chǎng)可以增加發(fā)電，對(duì)未來(lái)廣州市實(shí)現(xiàn)大氣污染物區(qū)域聯(lián)防有重要的意義。

3 結(jié)論及建議

(1) 燃煤電廠(chǎng)的位置與風(fēng)向決定了大氣顆粒物的污染程度和影響范圍。當(dāng)東南風(fēng)、南風(fēng)、東風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向時(shí)，裝機(jī)容量較大的紅海灣、平海、媽灣、銅鼓、沙角C、珠海A等燃煤電廠(chǎng)均在廣州市的上風(fēng)向地區(qū)，這些燃煤電廠(chǎng)排放的PM2.5會(huì)增加廣州市城區(qū)PM2.5濃度。當(dāng)減小PM2.5貢獻(xiàn)率大的燃煤電廠(chǎng)的發(fā)電系數(shù)后，廣州市城區(qū)的PM2.5濃度有了較明顯的降低。

(2) 目前，很多城市為了控制霧霾天氣的頻發(fā)，通過(guò)機(jī)動(dòng)車(chē)限行進(jìn)行控制。但是這只能控制城市的內(nèi)源污染。不利于擴(kuò)散的氣象條件下根據(jù)燃煤電廠(chǎng)等引起的外源污染建立污染物擴(kuò)散模型進(jìn)行預(yù)警，篩選出需要重點(diǎn)防控的燃煤電廠(chǎng)，將環(huán)境效益作為運(yùn)行指標(biāo)，設(shè)定合理的預(yù)警紅線(xiàn)，對(duì)環(huán)境影響較大的燃煤電廠(chǎng)運(yùn)行提出應(yīng)急運(yùn)行建議，降低其發(fā)電系數(shù)，在保證電力供應(yīng)的安全性下，減少發(fā)電；而其他環(huán)境影響極小的燃煤電廠(chǎng)或其他發(fā)電形式(如水電、核電等)的電廠(chǎng)可以增加發(fā)電，對(duì)未來(lái)廣州市實(shí)現(xiàn)大氣污染物區(qū)域聯(lián)防有重要的意義。

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