姜 寧

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

1 概述

火電行業(yè)是我國重要的基礎(chǔ)性行業(yè),作為能源消耗大戶,長期以來承擔(dān)著大氣污染減排的重任。根據(jù)《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》和《全面實施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》的要求,東部地區(qū)新建燃煤發(fā)電機(jī)組應(yīng)執(zhí)行“超低排放”限值,即煙塵、SO2、NOx排放濃度分別不高于10、35、50 mg/m3(基準(zhǔn)氧含量6%條件下)。2012年,神華集團(tuán)率先提出了燃煤電廠更為嚴(yán)格的大氣污染物“近零排放”目標(biāo),即煙塵、SO2、NOx排放濃度分別不高于5、35、50 mg/m3的超低排放限值(基準(zhǔn)氧含量6%條件下)。至2021年底,我國已經(jīng)有超10億kW的燃煤機(jī)組實現(xiàn)了超低排放或者“近零排放”[1]。

國內(nèi)外學(xué)者對火電行業(yè)大氣污染治理技術(shù)、大氣污染物排放對環(huán)境的影響等進(jìn)行了大量研究。薛文博等[2]基于WRF-CAM量模型,模擬了全國火電行業(yè)大氣污染物排放對空氣質(zhì)量的影響;闞慧等[3]模擬了保持現(xiàn)狀、排污許可、超低排放等不同情境下部分地區(qū)火電行業(yè)污染物排放造成的大氣環(huán)境影響;尹立平等[4]從優(yōu)化環(huán)保工程角度,分析通過脫硝、脫硫和除塵系統(tǒng)改造實現(xiàn)燃煤電廠超超低排放技術(shù)改造的實踐路徑;崔磊等[5]采用AERMOD模型,分析出火電企業(yè)超低排放改造前后對城市環(huán)境空氣的改善程度;徐靜馨等[6]從發(fā)電與控制、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)效益等方面綜合比較了超低排放燃煤和燃?xì)怆姀S的優(yōu)劣。但針對具體項目,選擇執(zhí)行“近零排放”燃煤機(jī)組或燃?xì)鈾C(jī)組,對大氣環(huán)境影響程度如何,缺乏定量對比研究。因此,本研究結(jié)合F電廠實際案例,運(yùn)用AERMOD模型,模擬“近零排放”燃煤機(jī)組和燃?xì)鈾C(jī)組排放的PM10、SO2、NO2對網(wǎng)格點最大濃度占標(biāo)率情況,定量分析不同燃料機(jī)組對大氣環(huán)境的貢獻(xiàn)情況,為發(fā)電企業(yè)燃料選擇提供參考。

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 研究對象

F電廠積極響應(yīng)關(guān)停小火電、代之以大機(jī)組的政策,擬對電廠原有2×350 MW機(jī)組進(jìn)行關(guān)停替代改造,就地建設(shè)1×700 MW高參數(shù)、高效節(jié)能、清潔環(huán)保的超超臨界發(fā)電機(jī)組。該替代項目在燃料選擇上有兩種方案,A方案選擇天然氣為燃料,B方案選擇神華混煤為主要燃料(校核煤種為伊泰煤),煤質(zhì)主要成分如表1所示。

表1 煤質(zhì)成分

2.2 模型簡介與數(shù)據(jù)來源

2.2.1 AERMOD模型及適用性

AERMOD模型是由美國國家環(huán)保局聯(lián)合美國氣象學(xué)會組建法規(guī)模式改善委員會(AERMIC)開發(fā)的穩(wěn)態(tài)煙雨擴(kuò)散模式[7-8],屬于生態(tài)環(huán)境部推薦的大氣環(huán)境影響評價法規(guī)模型之一[9],主要包括大氣擴(kuò)散模型(AERMOD)、氣象數(shù)據(jù)預(yù)處理器(AERMET)和地形數(shù)據(jù)預(yù)處理器(AERMAP)三個模塊,用于預(yù)測屬于局地尺度影響范圍內(nèi),污染源為點源、面源、線源、體源的一次污染物及二次PM2.5對大氣環(huán)境的影響,其模擬計算過程如圖1所示。

圖1 AERMOD模型計算流程

F電廠擬建項目位于海邊3 km范圍內(nèi),區(qū)域?qū)儆诙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)》(GB 3095—2012)的二級標(biāo)準(zhǔn)。采用AERSCREEN估算模型判斷會發(fā)生岸邊熏煙現(xiàn)象,但估算的最大1 h平均質(zhì)量濃度未超過環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 大氣環(huán)境》(HJ 2.2—2018)推薦模型[10],可選用AERMOD模型進(jìn)行PM10、SO2、NO2大氣污染因子的環(huán)境影響預(yù)測。

2.2.2 氣象數(shù)據(jù)

收集項目所在地氣象站2020年逐日逐時地面氣象數(shù)據(jù),風(fēng)速、風(fēng)向、相對濕度、氣溫等均為氣象部門的觀測數(shù)據(jù),總云量、低云量為中尺度氣象模型WRF模擬的數(shù)據(jù),高空氣象資料采用中尺度氣象模式模擬的同年度50 km內(nèi)的網(wǎng)格點氣象資料。利用AERMOD模型的AERMET模塊對氣象數(shù)據(jù)預(yù)處理,得到項目所在地模擬時間內(nèi)的平均溫度和平均風(fēng)速的月變情況,如圖2和圖3所示。

圖2 模擬時間內(nèi)區(qū)域平均溫度月變化

圖3 模擬時間內(nèi)區(qū)域平均風(fēng)速月變化

2.2.3 地形數(shù)據(jù)

區(qū)域內(nèi)地形高度資料分辨率為90 m(USGS),利用AERMOD模型的AERMAP模塊對地形數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

3 燃?xì)鈾C(jī)組和“近零排放”燃煤機(jī)組大氣污染物排放及環(huán)境影響對比分析

選擇燃?xì)鈾C(jī)組和“近零排放”燃煤機(jī)組的3種常規(guī)污染物煙塵、SO2、NOx的排放水平進(jìn)行對比,定量分析污染物允許排放量、實際排放量、污染防治措施、對大氣環(huán)境貢獻(xiàn)情況的差異。

3.1 大氣污染物排放量對比

3.1.1 允許排放量對比

燃?xì)鈾C(jī)組大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)采用《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223—2011)燃?xì)廨啓C(jī)組特別排放限值[11],燃煤機(jī)組大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)采用企業(yè)承諾的“近零排放”限值,根據(jù)設(shè)計參數(shù),A、B兩方案標(biāo)態(tài)干煙氣量分別為270萬、206萬m3/h,設(shè)計年運(yùn)行4500 h,計算出大氣污染物允許排放量,如表2所示。

表2 不同燃料機(jī)組污染物允許排放量

從污染物允許排放總量分析,執(zhí)行“近零排放”標(biāo)準(zhǔn)后的燃煤機(jī)組污染物允許排放量均低于燃?xì)鈾C(jī)組。從總量控制角度來看,燃煤機(jī)組執(zhí)行“近零排放”后,確實有效降低了常規(guī)污染物的排放總量,但由于允許排放總量的計算是基于污染物達(dá)到排放濃度限值要求,而燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的污染物排放限值明顯高于實際的排放水平,特別是SO2、煙塵的標(biāo)準(zhǔn)限值顯著高于真實的排放水平,因此,允許排放量的對比只能反映出最不利的極端情況,并不能說明燃煤機(jī)組實際排放比燃?xì)鈾C(jī)組更清潔[12],需進(jìn)一步分析不同燃料機(jī)組實際排放量水平。

3.1.2 實際排放量對比

根據(jù)《污染源源強(qiáng)核算技術(shù)指南 火電》(HJ 888—2018)[13],燃煤機(jī)組采用物料衡算法核算煙塵、SO2實際排放量,采用類比法核算NOx實際排放量。燃?xì)鈾C(jī)組天然氣用量101477萬m3/a,根據(jù)《排放源統(tǒng)計調(diào)查產(chǎn)排污核算方法和系數(shù)手冊》(以下簡稱《手冊》),采用產(chǎn)污系數(shù)法核算污染物實際排放量,如表3所示。

表3 大氣污染物實際排放量對比

《手冊》中無天然氣燃燒煙塵產(chǎn)污系數(shù),通過查閱文獻(xiàn),徐靜馨等[6]統(tǒng)計了17臺燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組煙塵實際排放量,濃度范圍為0.11～1.97 mg/m3,普遍小于本文設(shè)計煤種和校核煤種的實際排放量。通過物料衡算、產(chǎn)排污系數(shù)法估算不同燃料實際排放的大氣污染物情況來看,“近零排放”燃煤機(jī)組和燃?xì)鈾C(jī)組SO2、NOx、煙塵實際排放濃度均可達(dá)到相應(yīng)的排放標(biāo)準(zhǔn),燃?xì)鈾C(jī)組實際排放的污染物濃度更低,實際排放總量也更小。使用設(shè)計煤種情況下,天然氣排放的SO2、NOx的排放量比設(shè)計煤種分別少104、61 t/a,若使用校核煤種,差距將會更大。

3.2 污染防治措施對比

A方案采用清潔能源天然氣,SO2、煙塵無需處理可達(dá)標(biāo)排放,NOx采用低氮燃燒技術(shù)。B方案為確保燃煤機(jī)組達(dá)到承諾的“近零排放”標(biāo)準(zhǔn),采用“鍋爐低氮燃燒器+高效SCR脫硝系統(tǒng)+低低溫高效靜電除塵器(配高頻電源)+高效石灰石—石膏濕法脫硫系統(tǒng)+高效除霧器”的污染防治措施,與神華集團(tuán)提出的“近零排放”原則性技術(shù)路線基本一致。截至2017年10月,國內(nèi)至少有67臺燃煤機(jī)組成功實現(xiàn)了“近零排放”[14],說明在采取可行污染防治措施的情況下,企業(yè)承諾的“近零排放”可以實現(xiàn)。但脫硫等污染治理設(shè)施的運(yùn)轉(zhuǎn)又增加了企業(yè)的碳排放強(qiáng)度,根據(jù)劉高軍[15]的研究結(jié)果,雖然燃煤機(jī)組“上大壓小”替代后可以降低碳排放強(qiáng)度,但與燃?xì)鈾C(jī)組相比,燃煤機(jī)組單位機(jī)發(fā)電量碳排放強(qiáng)度整體上約為燃?xì)鈾C(jī)組的2倍以上。顯然,與燃煤機(jī)組相比,推廣燃?xì)鈾C(jī)組是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的更優(yōu)選擇。

3.3 大氣環(huán)境影響預(yù)測與結(jié)果討論

3.3.1 預(yù)測參數(shù)與情景設(shè)置

為定量分析“近零排放”燃煤機(jī)組和燃?xì)鈾C(jī)組對大氣環(huán)境影響的貢獻(xiàn)情況,采用AERSCREEN估算模型判定,本次評價范圍為評價區(qū)邊界為起點外延7.85 km的矩形區(qū)域,預(yù)測網(wǎng)格取500 m×500 m,X軸從西向東為正,Y軸從南向北為正,各網(wǎng)格計算點取各網(wǎng)格中心。采用AERMOD模型進(jìn)一步預(yù)測。

根據(jù)設(shè)計方案,A方案和B方案排氣筒參數(shù)、煙氣溫度等參數(shù)如表4所示。

表4 設(shè)計方案相關(guān)參數(shù)

設(shè)置不同情景分別討論在允許排放量和實際排放量不同情景下對大氣環(huán)境的影響程度,污染源參數(shù)詳見表2和表3,其中,煙塵以PM10計,NO2按NOx的0.9倍計算。情景一,按照環(huán)境影響評價報告編制的原則,考慮在最極端情況下,污染物排放恰好不超標(biāo),即達(dá)到允許排放量限值的情況下,燃?xì)鈾C(jī)組和校核煤種對大氣環(huán)境的影響;情景二,根據(jù)預(yù)測的實際排放量,即模擬最接近實際排放的情景下,對比分析燃?xì)鈾C(jī)組與設(shè)計煤種污染物排放對大氣環(huán)境的影響。

3.3.2 情景一結(jié)果比較與分析

燃?xì)鈾C(jī)組與“近零排放”燃煤機(jī)組在恰好不超標(biāo)的情況下,對網(wǎng)格點的貢獻(xiàn)值進(jìn)行預(yù)測分析。其中,短期濃度以日均值為代表,長期濃度以年均值為代表,預(yù)測結(jié)果如表5所示。

從表5可以看出,校核煤種產(chǎn)生的SO2、NO2、PM10最大日均濃度貢獻(xiàn)值占標(biāo)率分別為4.95%、2.21%、0.71%,比天然氣分別少8.94%、3.52%、1.28%;最大年均濃度貢獻(xiàn)值占標(biāo)率分別為0.63%、0.47%、0.08%,比天然氣分別少1.19%、0.51%、0.14%。說明在此極端情況下,無論短期濃度還是長期濃度,“近零排放”燃煤機(jī)組對大氣環(huán)境的貢獻(xiàn)更小。

3.3.3 情景二結(jié)果比較與分析

在實際生產(chǎn)過程中,企業(yè)為確保穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放,按允許排放量限值排放污染物的可能性很小。因此,根據(jù)實際排放量對比分析“近零排放”燃煤與燃?xì)鈾C(jī)組對網(wǎng)格點的貢獻(xiàn)情況更具有現(xiàn)實意義。由于天然氣排放的煙塵量微乎其微,因此不進(jìn)行PM10預(yù)測,各污染因子對網(wǎng)格點的貢獻(xiàn)如表6所示。

表6 情景二大氣環(huán)境影響預(yù)測結(jié)果對比分析

從表6可以看出,設(shè)計煤種產(chǎn)生的SO2、NO2、PM10最大日均濃度貢獻(xiàn)值占標(biāo)率分別為2.30%、1.94%、0.32%,最大年均濃度貢獻(xiàn)值占標(biāo)率分別為0.29%、0.40%、0.04%。各常規(guī)因子對大氣環(huán)境的貢獻(xiàn)均不大,也印證了此標(biāo)準(zhǔn)下的燃煤機(jī)組大氣污染物控制已經(jīng)達(dá)到了國際領(lǐng)先水平[12]。其中,SO2日均、年均濃度貢獻(xiàn)值占標(biāo)率比天然氣分別多1.99%、0.18%,可以看出,無論短期濃度還是長期濃度,設(shè)計煤種SO2實際排放對大氣環(huán)境的影響均更大。而NO2日均、年均濃度貢獻(xiàn)值占標(biāo)率比天然氣分別少0.54%、0.23%,這與徐靜馨等學(xué)者的研究結(jié)論吻合,即超低排放改造后的燃煤電廠在控制NOx排放方面做得更好[6]。

對比實際排放量發(fā)現(xiàn),設(shè)計煤種的NOx實際排放量較天然氣更大,但從對網(wǎng)格點的貢獻(xiàn)程度來看,設(shè)計煤種NO2的貢獻(xiàn)值占標(biāo)率更小,主要是由于A、B方案設(shè)計的排氣筒參數(shù)和煙氣溫度有所差異,導(dǎo)致大氣污染物擴(kuò)散效果不同[16]。

3.3.4 大氣環(huán)境影響不確定性分析

一是城市不同導(dǎo)致的不確定性。本研究選取項目所在地2020年氣象數(shù)據(jù),城市的不同、氣象數(shù)據(jù)年份的不同,均會對結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。二是實際運(yùn)行的不確定性。由于鍋爐實際運(yùn)行情況、溫度、排氣量等的變化,實際產(chǎn)生的影響與模擬預(yù)測結(jié)果可能也存在一定的差異。

4 結(jié)論

根據(jù)F電廠案例分析,從SO2、NOx、煙塵允許排放總量的角度分析,“近零排放”燃煤機(jī)組主要大氣污染物允許排放量均小于燃?xì)鈾C(jī)組,主要是因為允許排放量的計算是基于污染物的排放濃度限值要求。利用物料衡算、產(chǎn)污系數(shù)等方法估算發(fā)現(xiàn),燃?xì)鈾C(jī)組常規(guī)大氣污染物實際排放量比燃煤機(jī)組顯著降低。

燃煤機(jī)組執(zhí)行“近零排放”標(biāo)準(zhǔn),需要配套有效的大氣污染治理措施。除了煤炭本身燃燒過程碳排放強(qiáng)度比燃?xì)鈾C(jī)組大,大氣污染治理設(shè)施運(yùn)轉(zhuǎn)又進(jìn)一步增加了碳排放,在碳達(dá)峰碳中和的背景下,燃?xì)鈾C(jī)組更有優(yōu)勢,更有利于電力企業(yè)向低碳高質(zhì)量發(fā)展方向轉(zhuǎn)型。

運(yùn)用AERMOD模型模擬預(yù)測分析不同燃料機(jī)組對周邊大氣環(huán)境的影響程度發(fā)現(xiàn),在燃煤機(jī)組執(zhí)行“近零排放”后,各常規(guī)因子對大氣環(huán)境的貢獻(xiàn)均不大。通過預(yù)測分析實際排放對大氣環(huán)境的影響,發(fā)現(xiàn)燃?xì)鈾C(jī)組SO2的日均、年均濃度貢獻(xiàn)值占標(biāo)率較設(shè)計煤種分別少1.99%、0.18%,NO2日均、年均濃度貢獻(xiàn)值占標(biāo)率較設(shè)計煤種分別多0.54%、0.23%,說明燃?xì)鈾C(jī)組SO2排放對大氣環(huán)境影響更小,未來應(yīng)更重視燃?xì)鈾C(jī)組NOx排放的控制。建議電廠結(jié)合當(dāng)?shù)丨h(huán)境背景情況,因地制宜選擇燃料。