火電企業(yè)超低排放改造對滄州市主城區(qū)大氣環(huán)境影響研究

崔磊　屈加豹　王鵬　雷團團　王彤　郭治敏　耿海清　伯鑫　李時蓓

摘要：本研究采用AERMOD模型，評估火電行業(yè)超低排放改造對滄州市主城區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量影響的改善程度。滄州市主城區(qū)內(nèi)的火電企業(yè)A廠2018年（超低排放改造后）的SO2、NOX、煙塵排放總量分別為214.75t/a、600.14t/a、36.04t/a，排放量較2015年（超低排放改造前）分別下降了81.16%、26.66%、80.16%，說明超低排放改造對火電行業(yè)大氣污染物排放量的減排效果顯著。模擬結(jié)果顯示，A廠排放的SO2、NO2、PM10年均貢獻值最大落地濃度分別由2015年的0.4348μg/m3、0.3122μg/m3、0.0693μg/m3，下降到2018年的0.0970μg/m3、0.2710μg/m3、0.0163μg/m3;對滄州市3個國控站點的年均濃度貢獻比例從2015年的0.008%～0.23%，下降到2018年的0.002%～0.13%。

關(guān)鍵詞：火電;超低排放改造;大氣污染;AERMOD

中圖分類號：X820.6 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）09-00-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.09.007

Study on the effect of ultra-low emission in thermal power industry on Cangzhous air quality

Cui Lei1，Qu Jiabao2，Wang Peng2，3，Lei Tuantuan2，Wang Tong4， Guo Zhimin1， Geng Haiqing2，Bo Xin2，Li Shibei2

（1.Zhongsheng Environmental Technology Development Co.，Ltd.，Xian Shaanxi 710000，China;2.Appraisal Center for Environment and Engineering，Ministry of Ecology and Environment，Beijing 100012，China;3.College of Mathematics and Physics， Beijing University of Chemical Technology， Beijing 100029，China;4.Shaanxi Environmental Investigation and Assessment Center ，Xian Shaanxi 710000，China.）

Abstract：This study evaluated the impact of ultra-low emissions（ULE）of thermal power plants on Cangzhous air quality by AERMOD model. SO2， NOX and particulate matter（PM） emissions of A （a thermal power plant） in prime Cangzhou in 2018（after ULE） were 214.75t/a，600.14t/a，36.04t/a， and were down 81.16%，26.66%，80.16% respectively with that of 2015.It showed that the ULE had a significant effect on the emission reduction of air pollutants in thermal power industry.Simulation results showed that the annual mean maximum ground-level concentration of SO2， NO2 and PM in plant A decreased from 0.4348μg/m3，0.3122μg/m3，0.0693μg/m3 in 2015 to 0.0970μg/m3、0.2710μg/m3、0.0163μg/m3 in 2018 and its annual mean contribution to the three state controlling sites in Cangzhou dropped from 0.008%～0.23% in 2015 to 0.002%～0.13% in 2018.

Key words：Thermal power;Ultra-low emission;Air pollution;AERMOD

2014年《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014～2020年）》頒布，中國煤電機組進入超低排放改造階段，要求新建煤電機組達到超低排放限值（即在基準氧含量6%的條件下，二氧化硫、氮氧化物、煙塵排放濃度分別不高于35、50、10mg/m3）。

目前國內(nèi)外研究者對火電行業(yè)的超低排放技術(shù)[1～2]、減排潛力[3～4]進行了研究，崔建升、伯鑫、Tang等[5～8]計算并建立了中國火電行業(yè)污染源排放清單，闞慧等[9]模擬了不同情境下中國部分省份或地區(qū)的火電污染物排放對大氣環(huán)境影響研究。Qingyu Zhang等[10]采用AERMOD模型對杭州市工業(yè)生產(chǎn)排放污染物進行模擬，通過與監(jiān)測站觀測數(shù)據(jù)對比，模擬結(jié)果較好;這說明AERMOD模型在污染物對城市尺度的模擬能取得較好效果。2018年底，中國大部分地區(qū)火電行業(yè)已完成超低排放改造，但火電行業(yè)超低排放改造對城市環(huán)境空氣改善程度，較少有相關(guān)研究。針對上述問題，本研究選取滄州市，采用AERMOD空氣質(zhì)量模型，分別對火電行業(yè)超低排放改造前、后的環(huán)境空氣影響進行模擬，分析火電行業(yè)超低排放改造對城市環(huán)境空氣影響的改善程度。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

本研究選取滄州市主城區(qū)，即滄州市高速合圍區(qū)內(nèi)，主要包括運河區(qū)、新華區(qū)，東西長23km，南北寬20km。滄州市2018年GDP為3 676億元，GDP在河北省中排名僅次于唐山市和石家莊市。滄州市既是京津冀地區(qū)中的重點城市，又屬于京津冀大氣污染傳輸通道城市（“2+26”城市），對滄州市的研究具有參考意義。截至2017年底，滄州市主城區(qū)火電企業(yè)A廠已完成燃煤機組的超低排放改造，故選取2015年為基準年（超低排放改造前），2018年為對比年（超低排放改造后）。河北省生態(tài)環(huán)境狀況公報顯示，2015年滄州市空氣質(zhì)量綜合指數(shù)為7.28，SO2、NO2、PM10年均濃度分別為40、41、121μg/m3;2018年滄州市空氣質(zhì)量綜合指數(shù)為6.33，SO2、NO2、PM10年均濃度分別為24、43、102μg/m3。滄州市環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)在滄州市生態(tài)環(huán)境局、城建局、電視轉(zhuǎn)播站共設(shè)有3個監(jiān)測子站，均為國控監(jiān)測站點。滄州市國控監(jiān)測站點與火電企業(yè)位置示意圖見圖1，A廠距3個國控站距離為6～10km。滄州市火電排放清單數(shù)據(jù)來自研究團隊的2015年、2018年全國高分辨率火電排放清單[5]，該清單根據(jù)燃煤低位發(fā)熱值數(shù)據(jù)、實際排放濃度、活動水平等因素，自下而上計算得到的每個企業(yè)污染物排放量。滄州市3家火電企業(yè)超低排放改造前后基本情況見表1。

1.2 模型選取與數(shù)據(jù)來源

AERMOD模型是《環(huán)境影響評價技術(shù)導則 大氣環(huán)境》（HJ2.2-2018）[11]推薦的模型之一，目前已得到了廣泛應(yīng)用[12]。AERMOD是穩(wěn)態(tài)煙羽擴散模式，可用于農(nóng)村或城市地區(qū)、簡單或復雜地形。

為避免選取不同年份的氣象數(shù)據(jù)不一致，導致模擬結(jié)果的不確定性，本研究選取滄州市2018年氣象場數(shù)據(jù)分別對2015年、2018年的火電企業(yè)排放進行模擬，獲得相同氣象場條件下，火電企業(yè)超低排放改造前、后大氣污染物排放對環(huán)境空氣質(zhì)量的影響情況。

本研究使用AERMOD模型采用的氣象、地形及地表參數(shù)見表2，其中地表參數(shù)來自生態(tài)環(huán)境部環(huán)境工程評估中心的AERSURFACE在線服務(wù)系統(tǒng)[13]。

1.3 情景設(shè)計

本研究共設(shè)置2種污染物排放情景：情景1為2015年滄州市主城區(qū)火電企業(yè)超低排放改造前的大氣污染物排放情景;情景2為2018年滄州市主城區(qū)火電企業(yè)超低排放改造完成后的大氣污染物排放情景。

2 結(jié)果與討論

2.1 超低排放改造前、后火電行業(yè)排放量分析

為了對比分析研究團隊的排放清單（HPEC）數(shù)據(jù)準確性，將排放清單數(shù)據(jù)與企業(yè)的CEMS實際排放量數(shù)據(jù)進行對比分析。2018年滄州市火電排放清單（HPEC，2018）數(shù)據(jù)顯示，A廠SO2、NOX、煙塵排放量分別為214.75t/a、600.14t/a、36.04/a;基于排放濃度核算的企業(yè)CEMS實際排放量分別為205.07t/a、599.70t/a、34.16t/a。由圖2可見，兩種統(tǒng)計來源的A廠污染物排放量數(shù)據(jù)有一定差異，總體來看，CEMS統(tǒng)計排放量數(shù)據(jù)略小于排放清單排放量數(shù)據(jù)。

通過對2018年兩種來源的排放量數(shù)據(jù)作方差分析，SO2、NOX、煙塵污染物排放量的P值大于顯著性水平0.05，說明采用兩種來源的排放量數(shù)據(jù)差異無顯著影響，故采用排放清單數(shù)據(jù)具有較高的準確性。本研究以滄州市火電排放清單（HPEC）的排放量數(shù)據(jù)作為滄州市火電企業(yè)A廠的排放量。

滄州市火電企業(yè)A廠超低改造前、后大氣污染物排放情況見表3。2015年A廠的SO2、NOX、煙塵排放量分別為1 139.82t/a、818.29t/a、181.67t/a，2018年排放量分別為214.75t/a、600.14t/a、36.04t/a，2018年各污染物排放量較2015年分別下降了81.16%、26.66%、80.16%，由此可見，火電企業(yè)超低改造后排放量均較改造前大幅降低，說明超低排放改造對火電企業(yè)大氣污染物排放量的減排效果明顯。

通過對比超低排放改造后所使用的大氣污染防治措施發(fā)現(xiàn)，A家火電企業(yè)在脫硫措施上采用石灰石-石膏法，在脫硝措施均采用了低氮燃燒器+選擇性催化還原法（SCR），在除塵措施上采用高效靜電除塵法，通過減排效果來看，A廠采用的大氣污染防治措施效果顯著。

根據(jù)發(fā)電量核算的A廠單位發(fā)電量污染物排放績效值見圖3。數(shù)據(jù)顯示，A廠2015年SO2、NOX和煙塵排放績效值分別為31.69t/億kW·h、22.75t/億kW·h、5.05t/億kW·h，2018年分別為5.34t/億kW·h、14.92t/億kW·h、0.90t/億kW·h，2018年的SO2、NOX和煙塵排放績效值相比2015年分別下降了83.15%、34.43%、82.26%，就績效值下降比例來看，通過超低排放改造，SO2的績效值下降幅度最大，煙塵的績效值下降幅度其次，NOX的績效值下降幅度略小。

2.2 超低排放改造前、后對火電企業(yè)周邊的影響分析

2.2.1 情景1：超低排放改造前對火電企業(yè)周邊環(huán)境影響

滄州市A廠超低排放改造前后對周邊環(huán)境影響見表4。超低排放改造前，A廠2015年排放的SO2、NO2、PM10日均貢獻值最大落地濃度分別為3.2786μg/m3、2.3537μg/m3、0.5226μg/m3，年均貢獻值最大落地濃度分別為0.4348μg/m3、0.3122μg/m3、0.0693μg/m3。

2.2.2 情景2：超低排放改造后對火電企業(yè)周邊環(huán)境影響

超低排放改造后，A廠2018年排放的SO2、NO2、PM10日均貢獻值最大落地濃度分別為0.7288μg/m3、2.0351μg/m3、0.1223μg/m3，年均貢獻值最大落地濃度分別為0.0970μg/m3、0.2710μg/m3、0.0163μg/m3。

2.3 超低排放改造前、后對國控站的影響分析

2.3.1 情景1：超低排放改造前對國控站影響

超低排放改造前，2015年滄州市火電企業(yè)A廠對3個國控站的SO2、NO2、PM10年均貢獻濃度分別為0.0641～0.0969μg/m3、0.0460～0.0696μg/m3、0.0102～0.0155μg/m3，年均貢獻濃度占國控站背景濃度的比例分別為0.15%～0.23%、0.11%～0.17%、0.008%～0.013%，可見在超低排放改造前A廠對滄州市3個國控站的年均貢獻值，均遠小于國控站的年均監(jiān)測值。

2.3.2 情景2：超低排放改造后對國控站影響

超低排放改造完成后，2018年滄州市火電企業(yè)A廠對3個國控站的SO2、NO2、PM10年均貢獻濃度分別為0.0126～0.0194μg/m3、0.0353～0.0543μg/m3、0.0021～0.0033μg/m3，年均貢獻濃度占國控站背景濃度的比例分別為0.05%～0.08%、0.08%～0.13%、0.002%～0.003%，在超低排放改造后A廠對滄州市3個國控站的年均貢獻值，仍遠小于國控站的年均監(jiān)測值。

2.3.3 模型預測結(jié)果驗證

滄州市火電企業(yè)A廠2018年排放的SO2、NO2、PM10分別占滄州市大氣污染物排放總量的0.87%、0.71%、0.03%，SO2、NO2、PM10年均預測濃度占國控站點背景監(jiān)測值濃度比例為0.002%～0.13%，這與伯鑫[8]、郝吉明[14～16]等其他研究者的研究結(jié)果類似。

2.3.4 兩種情景對比分析

A廠超低排放改造前后對3個國控站的貢獻值見表5。研究表明，滄州市火電企業(yè)A廠排放的SO2、NO2、PM10年均貢獻濃度占國控站背景濃度的比例從2015年的0.008%～0.23%，下降到2018年的0.002%～0.13%。雖然A廠通過超低排放改造減排量較大，減排比例明顯，但由于對國控點的影響貢獻比例較少，使城市主城區(qū)內(nèi)的火電企業(yè)減排并不會明顯體現(xiàn)在對國控站點的影響上。A廠超低排放改造前后對評價范圍內(nèi)各污染物貢獻對比圖見圖4～圖6。

2.4 不確定性分析

2.4.1 氣象場數(shù)據(jù)的不確定性

研究選取滄州市2018年氣象場數(shù)據(jù)，分別對2015年、2018年的火電企業(yè)污染物排放情況進行模擬，由于氣象場數(shù)據(jù)選取的年份不同，會對模擬結(jié)果產(chǎn)生一定差異。

2.4.2 城市選取的不確定性

我國各城市的國控監(jiān)測站點與火電企業(yè)地理分布情況存在較大差異，由于選取的城市不同，火電企業(yè)對國控站點的影響程度各不相同。本研究選取的滄州市3個國控站點、火電企業(yè)A廠位置均在主城區(qū)內(nèi)。

3 結(jié)論

（1）滄州市主城區(qū)內(nèi)的火電企業(yè)A廠，2018年（超低排放改造后）SO2、NOX、煙塵排放總量分別為214.75t/a、600.14t/a、36.04t/a，排放量較2015年（超低排放改造前）分別下降了81.16%、26.66%、80.16%，大氣污染物排放量大幅降低，說明超低排放改造對火電行業(yè)大氣污染物排放量的減排效果顯著。通過對火電企業(yè)污染物排放績效值分析，可篩選出減排潛力更大的企業(yè)和污染物，在下一步的大氣污染減排過程中，可著重對篩選出企業(yè)和污染物的污染防治措施進行升級改造。

（2）滄州市火電企業(yè)A廠排放的SO2、NO2、PM10年均貢獻濃度，占國控站背景濃度的比例分別從2015年的0.008%～0.23%，下降到2018年的0.002%～0.13%，說明目前滄州市主城區(qū)內(nèi)的火電企業(yè)A廠大氣污染物排放對國控站點的環(huán)境空氣影響不大。

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收稿日期：2020-06-21

基金項目：清華大學環(huán)境學院重點學術(shù)機構(gòu)2015年度開放基金課題;生態(tài)環(huán)境部環(huán)境工程評估中心創(chuàng)新科研項目（2019-10）;國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFC0208101）;大氣重污染成因與治理攻關(guān)項目（DQGG0209-07、DQGG0304-07）;生態(tài)環(huán)境部區(qū)域大氣環(huán)境管理與重污染天氣應(yīng)對財政專項（2110301）

作者簡介：崔磊（1987-），男，工程師，研究方向為大氣污染模擬與環(huán)境影響評價。

通訊作者：伯鑫（1983-），男，高級工程師，研究方向為排放清單及大氣污染模擬。

李時蓓（1962-），女，研究員，研究方向為環(huán)境質(zhì)量模型法規(guī)化與標準化。