單敏杰

廢氣排放因素對污染物的擴(kuò)散影響分析——以某擬建熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目為例

單敏杰

（福建省環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)院有限公司，福建 福州 350011）

利用CALPUFF大氣預(yù)測模型模擬不同排放因素（煙囪高度、煙囪直徑和排氣溫度）情景下大氣污染物的擴(kuò)散影響，以此分析得出最佳的廢氣排放參數(shù)，為項(xiàng)目設(shè)計(jì)、建設(shè)提供最佳排放方式，有利于項(xiàng)目實(shí)際建成投產(chǎn)后大氣污染物排放的有效擴(kuò)散，從而最大限度地減小項(xiàng)目生產(chǎn)對環(huán)境空氣的影響，實(shí)現(xiàn)環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益相協(xié)調(diào)。

大氣預(yù)測模型 廢氣排放 污染物擴(kuò)散

1 概述

工業(yè)發(fā)展是提高經(jīng)濟(jì)能力的重要途徑，近年來我國工業(yè)項(xiàng)目建設(shè)與發(fā)展數(shù)量逐年上升。工業(yè)生產(chǎn)必然會(huì)導(dǎo)致大量工業(yè)污染物的排放，其中未經(jīng)達(dá)標(biāo)處理的大氣污染物一旦排放擴(kuò)散，將會(huì)引起環(huán)境空氣質(zhì)量的惡化[1]。污染物從污染源排放至大氣環(huán)境中，隨后在大氣中經(jīng)歷遷移、擴(kuò)散等一系列的復(fù)雜過程，將對周邊甚至更廣區(qū)域的環(huán)境空氣產(chǎn)生污染影響?？梢姡袑?shí)有效地實(shí)施污染物源頭控制至關(guān)重要。

環(huán)境影響評價(jià)是優(yōu)化環(huán)境和適應(yīng)時(shí)代發(fā)展需要的高效舉措。在環(huán)境影響評價(jià)中，大氣預(yù)測是一項(xiàng)十分重要的內(nèi)容，只有強(qiáng)化大氣預(yù)測工作，才能更好地提高環(huán)境影響評價(jià)成效。依靠大氣預(yù)測能及時(shí)掌握大氣環(huán)境所處的狀態(tài)，并由此得出各項(xiàng)指標(biāo)，將其與標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)作比較，從而得出其是否符合環(huán)境保護(hù)工作的需要，利用大氣預(yù)測成果對環(huán)境進(jìn)行科學(xué)合理的評價(jià)，有針對性地加強(qiáng)現(xiàn)有問題和所評價(jià)項(xiàng)目的優(yōu)化與完善，在促進(jìn)大氣環(huán)境優(yōu)化的同時(shí)提高自然環(huán)境的保護(hù)成效，促進(jìn)人與自然和諧發(fā)展[2]。

本文通過選取合適的大氣影響預(yù)測模型模擬研究某擬建工業(yè)企業(yè)廢氣排放過程中的影響因素，得出最佳的廢氣排放參數(shù)，從源頭進(jìn)行污染控制，從而最大限度地降低大氣污染物排放對環(huán)境空氣的影響。

2 大氣預(yù)測模型

某擬建熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目建設(shè)于福建東南沿海，項(xiàng)目區(qū)域?qū)俣惌h(huán)境空氣質(zhì)量功能區(qū)，執(zhí)行《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。項(xiàng)目主要污染物排放源強(qiáng)為SO2164.79kg/h、NOX315.18kg/h、PM1033.25kg/h、PM2.522.16 kg/h。因熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目位于大型海域岸邊3km范圍內(nèi)，首先利用AERSCREEN估算模型的模擬結(jié)果，判斷項(xiàng)目排放污染物擴(kuò)散存在較明顯的岸邊熏煙現(xiàn)象，所以采用CALPUFF模型進(jìn)行進(jìn)一步模擬最為合理。

CALPUFF模型為非定常三維拉格朗日煙團(tuán)輸送模式，采用煙團(tuán)函數(shù)分割方法，可以處理連續(xù)排放源、間斷排放情況，追蹤質(zhì)點(diǎn)在空間與時(shí)間上隨流場的變化規(guī)律。并考慮了復(fù)雜地形動(dòng)力學(xué)影響、斜坡流、FROUND數(shù)影響及發(fā)散最小化處理，最終準(zhǔn)確模擬預(yù)測大氣污染物排放的影響。

表1 環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 單位：μg·m-3

3 影響廢氣排放的因素分析

影響污染物擴(kuò)散的主要因素有污染源的位置（地形地貌）、污染源的排放參數(shù)以及地面氣象和探空氣象條件等。文章重點(diǎn)模擬研究大氣污染源排放影響因素，包括煙囪高度、煙囪直徑以及排氣溫度。通過CALPUFF模型模擬預(yù)測不同排放因素下的環(huán)境影響結(jié)果，可以在設(shè)計(jì)、建設(shè)階段確定最佳的排放方式，以利于項(xiàng)目實(shí)際建設(shè)投產(chǎn)后大氣污染物的有效擴(kuò)散。

3.1 不同煙囪高度的影響

預(yù)測情景為：項(xiàng)目排放源位置、地形地貌、地面氣象與探空氣象條件、污染源強(qiáng)、煙囪直徑和廢氣排放溫度等相同，分別預(yù)測120m、150m、180m和210m的煙囪高度下，大氣污染物擴(kuò)散的環(huán)境影響情況。

由圖1和圖2模擬預(yù)測結(jié)果可知，在項(xiàng)目特定地形地貌、地面氣象和探空氣象條件下，相對于120m、150m煙囪的預(yù)測情景，當(dāng)煙囪高度為180m和210m時(shí)，預(yù)測范圍內(nèi)網(wǎng)格點(diǎn)處SO2、NOx、PM10和PM2.5的日均與年均最大貢獻(xiàn)濃度相對最小，且煙囪高度為180m時(shí)各污染物的最大貢獻(xiàn)濃度最低；可說明大氣污染物擴(kuò)散效果最佳，對環(huán)境空氣的影響相對較小。這是因?yàn)闊焽柙礁?，氣載流出物的彌散程度就越大，其對周邊環(huán)境的影響也就越小[3-4]。但煙囪造價(jià)一般與高度的平方成正比，過高的煙囪不僅會(huì)加重企業(yè)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，還會(huì)對周邊景觀環(huán)境造成不利影響[5-6]，并會(huì)將峰值區(qū)域向外擴(kuò)展，增加污染物對距離廠址較遠(yuǎn)公眾的輻射影響。因此，結(jié)合上述關(guān)鍵因素，確定擬建項(xiàng)目煙囪最合理建設(shè)高度為180m。

圖1 日均最大貢獻(xiàn)濃度隨煙囪高度變化

圖2 年均最大貢獻(xiàn)濃度隨煙囪高度變化

3.2 不同煙囪直徑的影響

預(yù)測情景為：項(xiàng)目排放源位置、地形地貌、地面氣象與探空氣象條件、污染源強(qiáng)、煙囪高度和廢氣排放溫度等相同，分別預(yù)測煙囪直徑分別為4.5m、6.5m和8.5m時(shí)，大氣污染物擴(kuò)散的環(huán)境影響情況。

表2 不同煙囪直徑大氣污染物擴(kuò)散環(huán)境影響 單位：μg·m-3

由表2可見，煙囪直徑越小，擬建項(xiàng)目排放的各大氣污染物日均與年均最大貢獻(xiàn)濃度和占標(biāo)率越小的趨勢，但濃度差別較小。這是因?yàn)楫?dāng)廢氣排放量一定時(shí)，煙囪直徑越小，排放氣速越大，越有利于污染物的動(dòng)力抬升和降低落地濃度。

從大氣污染物排放和擴(kuò)散角度分析，在保證滿足排氣筒設(shè)計(jì)要求的前提下，適當(dāng)加大出口氣速有利于各污染物的擴(kuò)散；但是，出口氣速過高則易導(dǎo)致送風(fēng)、排煙系統(tǒng)壓力過大，增加建設(shè)投資，且廢氣在煙囪出口處會(huì)出現(xiàn)急劇夾卷效應(yīng)；而出口氣速過低則易造成廢氣在煙囪出口處出現(xiàn)下洗，導(dǎo)致排煙不暢，不利于廢氣排放和迅速擴(kuò)散，既影響相關(guān)排氣設(shè)備正常運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)最優(yōu)化，同時(shí)也會(huì)出現(xiàn)漫煙等擴(kuò)散造成局部重污染。

廢氣出口流速涉及“經(jīng)濟(jì)流速”的工程設(shè)計(jì)理念和煙囪高度合理性問題；擬建項(xiàng)目遵照《大氣污染治理工程技術(shù)導(dǎo)則》（HJ2000-2010）要求：“排氣筒直徑應(yīng)根據(jù)出口流速確定，流速宜取15 m/s左右；當(dāng)采用鋼管煙囪且高度較高時(shí)或煙氣量較大時(shí)，可適當(dāng)提高出口流速至20～25m/s”。綜合上述各項(xiàng)因素，在滿足設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范、污染物擴(kuò)散，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化等要求，設(shè)計(jì)、建設(shè)直徑為6.5m的煙囪最合理。

3.3 不同排氣溫度的影響

預(yù)測情景為：項(xiàng)目排放源位置、地形地貌、地面氣象與探空氣象條件、污染源強(qiáng)、煙囪高度和煙囪直徑等相同，分別預(yù)測排氣溫度分別為30℃和50℃、70℃和90℃情景下，大氣污染物擴(kuò)散的環(huán)境影響情況。

由圖3和圖4可知，擬建項(xiàng)目日均和年均最大貢獻(xiàn)濃度隨著廢氣排放溫度的提高呈現(xiàn)相應(yīng)降低的趨勢，說明排氣溫度越高，越有利大氣污染物的擴(kuò)散。當(dāng)排氣溫度由30℃上升至50℃時(shí)，最大貢獻(xiàn)濃度急劇下降；這是因?yàn)楫?dāng)廢氣排放溫度與外環(huán)境溫度接近時(shí)，煙氣的自拔力不足，抬升高度有限，污染物擴(kuò)散效果不佳；隨著廢氣排放溫度逐漸升高，廢氣和環(huán)境的溫差增大，廢氣的自拔力增加，煙氣抬升高度相應(yīng)增加，隨著廢氣溫度提高至50℃后，污染物擴(kuò)散效果明顯，最大貢獻(xiàn)濃度下降顯著。由圖3和圖4后段曲線分析，排氣溫度達(dá)50℃后，隨著溫度持續(xù)上升，對應(yīng)的最大貢獻(xiàn)濃度下降幅度變小。

常規(guī)燃煤鍋爐尾氣通過引風(fēng)機(jī)到達(dá)煙囪出口溫度約為50℃，若需繼續(xù)提升排氣溫度就要采取升溫措施，其能耗與溫度的升高程度成正比關(guān)系；結(jié)合大氣預(yù)測結(jié)果，以及工程建設(shè)投資和設(shè)備運(yùn)行成本等因素，擬建項(xiàng)目最佳排氣溫度為70℃。

圖3 日均最大貢獻(xiàn)濃度隨溫度變化

圖4 年均最大貢獻(xiàn)濃度隨溫度變化

4 結(jié)論

擬建項(xiàng)目環(huán)境影響評價(jià)階段，根據(jù)項(xiàng)目所在區(qū)位地形地貌，地面氣象與探空氣象等特征條件，選擇科學(xué)合理的CALPUFF大氣預(yù)測模型，在滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范規(guī)定的要求下，通過模擬預(yù)測得出了符合擬建項(xiàng)目特征的最佳煙囪高度、煙囪直徑和排氣溫度，為擬建項(xiàng)目設(shè)計(jì)、建設(shè)提供有效的廢氣排放參數(shù)。大氣預(yù)測結(jié)果為：設(shè)計(jì)、建設(shè)高度180m、直徑6.5m的煙囪，排氣溫度保持于70℃的排放參數(shù)下，擬建項(xiàng)目建成投產(chǎn)后排放大氣污染物的擴(kuò)散效果最佳，對周邊環(huán)境空氣的影響最小。

根據(jù)環(huán)評階段大氣模擬預(yù)測，可在擬建項(xiàng)目可研和設(shè)計(jì)等前期階段，從環(huán)境保護(hù)方面為項(xiàng)目建設(shè)提供更佳科學(xué)合理的建議與意見，實(shí)現(xiàn)環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益相協(xié)調(diào)。

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