倪曉飛，趙寒梅

（1.北京北咨能源環(huán)境工程技術(shù)有限公司，北京 100020；2.北京市大興區(qū)生態(tài)環(huán)境局，北京 102600）

0 引言

近年來(lái)國(guó)內(nèi)霧霾頻發(fā)，在冬季尤甚，改善空氣質(zhì)量的首要任務(wù)是減少PM2.5 的排放，北京市為了改善空氣質(zhì)量，于2013 年頒布實(shí)施了《北京市2013—2017 年清潔空氣行動(dòng)計(jì)劃》，于2018年實(shí)施了《北京市打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》，計(jì)劃中提出北京市要推進(jìn)燃煤改用電，燃煤改使用清潔能源，使以燃煤為主要原料的供熱中心的鍋爐向清潔能源改造。在使用清潔能源后，大大降低了二氧化硫和煙塵的排放量，氮氧化物的排放量也有一定的下降，本文以北京市某燃?xì)鉄犭姀S為例，分析燃?xì)鉄犭姀S產(chǎn)生的大氣污染物、采取的環(huán)保治理措施以及采用AERMOD 模型模擬預(yù)測(cè)其對(duì)周?chē)h(huán)境的影響。

1 項(xiàng)目概況

該燃?xì)鉄犭姀S位于北京市，投資建設(shè)1 臺(tái)H 級(jí)（裝機(jī)容量1×730MW 級(jí)）燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組，機(jī)組包括1 臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)及其發(fā)電機(jī)、1 臺(tái)余熱鍋爐、1 臺(tái)蒸汽輪機(jī)及其1 臺(tái)發(fā)電機(jī)。汽輪機(jī)配備SSS 離合器，為充分利用鍋爐尾部的煙氣余熱，采用擴(kuò)大低壓省煤器的方式，利用煙氣余熱加熱熱網(wǎng)水。

天然氣源接自陜甘寧進(jìn)京天然氣長(zhǎng)輸管線，本工程對(duì)發(fā)展城市集中供熱、改善當(dāng)?shù)丨h(huán)境、減少空氣污染、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、節(jié)約能源、保障人民身體健康，以及對(duì)當(dāng)?shù)胤€(wěn)定電力負(fù)荷，提高當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)供電能力都有較為重要的作用。

2 項(xiàng)目工藝過(guò)程

天然氣通過(guò)天然氣增壓站調(diào)壓后，輸入燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，在燃?xì)廨啓C(jī)前端燃燒室與空氣混合燃燒，產(chǎn)生高溫?zé)煔猓細(xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組把熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，通過(guò)連軸器帶動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)電。燃?xì)廨啓C(jī)排氣排入余熱鍋爐，產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)，從汽輪機(jī)中壓缸末級(jí)排出的蒸汽和低壓主蒸汽一起加熱熱網(wǎng)循環(huán)水，或進(jìn)入低壓缸做功。供熱工況蒸汽輪機(jī)通常背壓運(yùn)行，也可抽凝運(yùn)行。

3 熱電廠產(chǎn)生的大氣污染物種類(lèi)及廢氣治理措施

天然氣的主要成分是甲烷、乙烷、丙烷和其他碳?xì)浠衔?，還有少量的硫化物，在天然氣燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生二氧化硫、煙塵和氮氧化物，各污染因子的產(chǎn)生量參照《第二次全國(guó)污染源普查產(chǎn)排污核算系數(shù)手冊(cè)（試用版）》排污手冊(cè)，經(jīng)計(jì)算，各污染因子的產(chǎn)量濃度分別為二氧化硫1.16mg/m3，煙塵4.34mg/m3，氮氧化物51.8mg/m3，經(jīng)對(duì)比北京市發(fā)布的《固定式燃?xì)廨啓C(jī)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（DB 11/847—2011）》，廢氣未經(jīng)處理的情況下，煙塵和二氧化硫均能滿足該標(biāo)準(zhǔn)的要求，氮氧化物出現(xiàn)了超標(biāo)情況。

氮氧化物的超標(biāo)主要是由于鍋爐爐膛內(nèi)充入的空氣中的氮?dú)庠诟邷貤l件下與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成氮氧化物。因此氮氧化物的產(chǎn)生量與爐膛內(nèi)的溫度相關(guān)，為了減少氮氧化物的產(chǎn)生量，需采取措施控制爐膛內(nèi)燃燒溫度，本工程采用干式低氮燃燒技術(shù)（DLN），其是一種控制NOx排放的燃燒控制技術(shù)，干式低氮燃燒技術(shù)把天然氣和空氣預(yù)先混合成均相的、稀釋的可燃混合物，然后以湍流火焰?zhèn)鞑シ绞酵ㄟ^(guò)火焰面進(jìn)行燃燒，火焰面的燃燒溫度與燃料/空氣實(shí)時(shí)摻混比的數(shù)值相對(duì)應(yīng)。通過(guò)對(duì)燃料/空氣實(shí)時(shí)摻混比的控制，使得火焰面溫度永遠(yuǎn)低于1650℃，從而有效控制了NOx的生成。

本期工程燃?xì)廨啓C(jī)采用干式低氮燃燒器降低NOx初始排放濃度，該技術(shù)成熟可靠。燃機(jī)排放煙氣NOx濃度可控制在50mg/Nm3以下（過(guò)量空氣系數(shù)3.5，O2含量15%）。根據(jù)北京市《固定式燃?xì)廨啓C(jī)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（DB 11/847—2011）》，新建燃?xì)廨啓C(jī)NOx最高允許排放濃度為30mg/m3。為滿足該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)NOx控制要求，本工程采取選擇性催化還原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）脫銷(xiāo)技術(shù)進(jìn)一步降低NOx排放濃度，采用氨水作為還原劑，還原過(guò)程是在催化劑的作用下，利用還原劑（氨水）來(lái)“有選擇性”地與煙氣中的NOx反應(yīng)并生成無(wú)毒無(wú)污染的N2和H2O。煙氣脫硝裝置位于余熱鍋爐與高壓蒸發(fā)器模塊之間，氨氣噴射格柵（AIG）放置在SCR 反應(yīng)器上游的一個(gè)合適位置。從燃?xì)廨啓C(jī)排出的煙氣沿?zé)煹婪较蚯斑M(jìn)，依次經(jīng)過(guò)余熱鍋爐的換熱面和脫硝系統(tǒng)噴氨格柵、催化劑，煙氣中的氮氧化物在催化劑的作用下與氨發(fā)生反應(yīng)，將氮氧化物還原為氮?dú)?，然后通過(guò)煙囪排入大氣。該方法脫硝效率高，工藝成熟，在全世界脫硝方法中占主導(dǎo)地位。根據(jù)《第二次全國(guó)污染源普查產(chǎn)排污核算系數(shù)手冊(cè)（試用版）》排污手冊(cè)，SCR 法脫銷(xiāo)效率在65%以上，氨水在脫硝過(guò)程中有部分氨發(fā)生逃逸，氨逃逸量需控制在2.5mg/Nm3（3ppm）以內(nèi)，經(jīng)過(guò)該措施控制后，氮氧化物的排放濃度為18.2mg/m3，可以達(dá)到《固定式燃?xì)廨啓C(jī)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（DB 11/847—2011）》排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表2 估算模型最大值綜合

表3 項(xiàng)目附近敏感點(diǎn)處計(jì)算結(jié)果

為便于環(huán)保行政部門(mén)對(duì)燃?xì)鉄犭姀S排放的大氣污染物管理和監(jiān)督，按照國(guó)家和北京市的要求，本期工程將在脫硝系統(tǒng)煙道上安裝符合《火電廠煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范（HJ/T 75—2001）》要求的煙氣連續(xù)排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CEMS），以監(jiān)控NOx等污染物的排放，為運(yùn)行管理和環(huán)境管理提供依據(jù)。

4 預(yù)測(cè)模型及預(yù)測(cè)結(jié)果

為了模擬預(yù)測(cè)該燃?xì)鉄犭姀S對(duì)周?chē)h(huán)境的影響，根據(jù)《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則——大氣環(huán)境（HJ 2.2—2018）》中推薦模式，本文采用AERMOD 模式模擬預(yù)測(cè)項(xiàng)目對(duì)周?chē)h(huán)境的影響。AERMOD 是一種穩(wěn)態(tài)煙羽模型，模型假定在垂直和水平方向的濃度均為高斯分布，污染源參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 點(diǎn)源參數(shù)

地形數(shù)據(jù)：預(yù)測(cè)過(guò)程中使用的地形數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)地理調(diào)查局（USGS），精度為90m。

地面氣象觀測(cè)資料：采用當(dāng)?shù)氐孛嬲窘鼉赡甑娜曛饡r(shí)風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、總云和低云資料。高空氣象數(shù)據(jù)：采用中尺度氣象模式WRF 模擬生成的格點(diǎn)氣象資料。該模式采用的原始數(shù)據(jù)有地形高度、土地利用、陸地—水體標(biāo)志、植被組成等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)源主要為美國(guó)USGS 數(shù)據(jù)。原始?xì)庀髷?shù)據(jù)采用美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心的NCEP/NCAR 的再分析數(shù)據(jù)。分辨率為27km，高空氣象數(shù)據(jù)層數(shù)為40 層，時(shí)間為GMT 時(shí)間0 點(diǎn)和12 點(diǎn)（北京時(shí)間8 點(diǎn)和20 點(diǎn)），可直接作為Aermet 程序的高空輸入文件。

地表參數(shù)：以項(xiàng)目廠址為中心，以正北為0°將周邊區(qū)域分為2 個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)30°，分別計(jì)算各土地利用類(lèi)型所占比例，各類(lèi)型地表特征基本參數(shù)選自國(guó)家環(huán)保部環(huán)境工程評(píng)估中心環(huán)境質(zhì)量模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室編寫(xiě)的《大氣預(yù)測(cè)軟件AERMOD 簡(jiǎn)要用戶使用手冊(cè)》，最終計(jì)算得到的土地利用參數(shù)。

預(yù)測(cè)方案：預(yù)測(cè)空氣保護(hù)目標(biāo)和網(wǎng)格點(diǎn)的主要污染物的短期濃度和長(zhǎng)期濃度貢獻(xiàn)值，評(píng)價(jià)其最大濃度占標(biāo)率。①預(yù)測(cè)網(wǎng)格點(diǎn)采用可變密度笛卡爾網(wǎng)格受體設(shè)置，以項(xiàng)目廠區(qū)中心，距離項(xiàng)目中心5km 范圍內(nèi)，預(yù)測(cè)網(wǎng)格點(diǎn)間距為200m；距離項(xiàng)目中心5～10km 范圍內(nèi)，預(yù)測(cè)網(wǎng)格點(diǎn)間距為500m；②空氣保護(hù)目標(biāo)為項(xiàng)目周?chē)嚯x較近的住宅小區(qū)等敏感點(diǎn)，共設(shè)置4 個(gè)環(huán)境空氣保護(hù)目標(biāo)，分別為位于項(xiàng)目東側(cè)20m 處1#在建小區(qū)、項(xiàng)目東南側(cè)75m 處的2#小區(qū)，項(xiàng)目東側(cè)195m 處的3#小區(qū)、項(xiàng)目西側(cè)30m處的4#小區(qū)。

利用AERMOD 模型，在輸入近3 年中數(shù)據(jù)相對(duì)完整的1 個(gè)日歷年作為評(píng)價(jià)基準(zhǔn)年，在模型中輸入逐日逐時(shí)地面氣象數(shù)據(jù)，及MM5 數(shù)值模擬高空氣象數(shù)據(jù)，計(jì)算項(xiàng)目預(yù)測(cè)網(wǎng)格點(diǎn)的小時(shí)質(zhì)量濃度、日均濃度及年均濃度，經(jīng)模型計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2。

通過(guò)預(yù)測(cè)可以看出，本項(xiàng)目下風(fēng)向占標(biāo)率最大值為氮氧化物，其中小時(shí)NOx最大貢獻(xiàn)值為6.41μg/m3，占標(biāo)率為2.56%，日平均最大貢獻(xiàn)值為0.771μg/m3，占標(biāo)率為0.77%，年平均最大貢獻(xiàn)值為0.066μg/m3，占標(biāo)率為0.13%，下風(fēng)向最大貢獻(xiàn)值均滿足《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3095—2012）》的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值要求，見(jiàn)表3。

通過(guò)預(yù)測(cè)可以看出，本項(xiàng)目四個(gè)敏感點(diǎn)最大貢獻(xiàn)值出現(xiàn)在東側(cè)3#小區(qū)，其中NOx最大小時(shí)貢獻(xiàn)值為3.27μg/m3，占標(biāo)率為1.31%，SO2最大小時(shí)貢獻(xiàn)值為0.215μg/m3，占標(biāo)率為0.04%，煙塵最大小時(shí)貢獻(xiàn)值為0.765μg/m3，占標(biāo)率為0.17%，氨最大小時(shí)貢獻(xiàn)值為0.380μg/m3，占標(biāo)率為0.19%，各敏感點(diǎn)貢獻(xiàn)值均滿足《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3095—2012）》的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值要求。

5 結(jié)語(yǔ)

北京地區(qū)燃?xì)鉄犭姀S運(yùn)行過(guò)程中在未安裝任何脫硫除塵環(huán)保設(shè)施的情況下，二氧化硫和煙塵實(shí)際排放濃度均可以達(dá)到《固定式燃?xì)廨啓C(jī)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（DB 11/847—2011）》排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。燃?xì)鉄犭姀S排放的氮氧化物是治理的重點(diǎn)與難點(diǎn)，在采用低氮燃燒技術(shù)及安裝SCR 脫銷(xiāo)系統(tǒng)后，氮氧化物的出口濃度可以控制在30mg/m3以下，可以達(dá)到《固定式燃?xì)廨啓C(jī)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（DB 11/847—2011）》排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。