結合AERMOD模型和正交試驗設計研究工業點源最優的排放參數

楊立春，敖世恩，陳豪立

(1.貴州省環境科學研究設計院， 貴陽 550081;2.貴州大學， 貴陽 550025)

目前，國家環境保護部發布的《環境影響評價技術導則—大氣環境》(HJ2.2—2008)中推薦的三種大氣預測模式是 AERMOD、ADMS、CALPUFF模式。其中AERMOD模式由美國國家環保局聯合美國氣象學會組建法規模式改善委員會開發［1］，在環境影響評價中應用較為廣泛。AERMOD模式包括3個模塊，分別為擴散模塊AERMOD、地形預處理模塊AERMAP和氣象預處理模塊AERMET。

點源排放參數包括點源源強、排氣筒幾何高度、出口煙氣溫度、出口煙氣流量、排氣筒出口內徑5個參數［2］。若某些不確定的參數在一定范圍內的變化使輸出結果產生的變化幅度很大，利用正交試驗設計及分析結果，可以減少人為不當選擇參數的誤差、快速調試模型以及工程設計等提供依據口［3］。

貴州煤炭資源豐富，近年來煤化工產業發展迅速，以煤為原料生產甲醇作為中間產品是必不可少的一部分。在煤化工生產中甲醇洗單元H2S濃縮塔氮氣提尾氣、甲醇洗單元CO2塔甲醇洗尾氣排放中均含有H2S，在前期工藝設計當中，H2S的排放量通過工藝優化已經控制到最低，須通過調整排放參數以使H2S的最大落地濃度滿足TJ 36—79《工業企業設計衛生標準》中0.01 mg/m3的規定。本文根據設計方提供的排放參數，以AERMOD模式為輔助工具進行大氣影響預測，對污染源排放參數優化后找出最佳的排放方式。

1 基礎數據及輔助工具

1.1 基礎數據

實際項目中工程設計的可控污染物排放量為年產甲醇1.8×106t的生產項目，其中甲醇洗單元H2S濃縮塔氮氣提尾氣煙氣排放量為171 403 Nm3/h，H2S排放量為1.04 kg/h，甲醇洗單元CO2塔甲醇洗尾氣煙氣排放量為135 606 Nm3/h，H2S排放量為1.05 kg/h，考慮項目所在地地形因素，擬將兩個污染源排氣筒合為一根，爬山排氣筒底標高1 455 m。

1.2 輔助工具

本文的輔助工具為AERMOD模式，地形數據精度為90 m，預測網格距為200 m，氣象數據采用地面氣象站常規觀測數據及由國家環保部評估中心提供的同步探空氣象數據。地面氣象站常規觀測數據采用的是2010全年的每天三次的觀測數據，參數包括風向、風速、總云、低云、干球溫度，利用AERMET模塊插值成逐時數據。模擬區域地形圖見圖1。

圖1 模擬區域地形

2 研究方法及參數的選取

2.1 參數的選取

研究AERMOD模型系統以量化點源的最佳排放因素，包括排氣筒幾何高度H、出口煙氣溫度Ts、排氣筒出口內徑d。以工程設計提供排放參數為基礎，對數據上下波動，進而研究參數變化引起模型的輸出結果的變化，確定參數對輸出結果的顯著性。

2.2 模型參數

研究選用的模型參數主要考慮以下幾個方面:(1)AERMET通用地表類型選擇農作地(選項有:水面、落葉林、針葉林、濕地或沼澤地、農作地、草地、城市、沙漠化荒地);(2)AERMET通用地表濕度選擇中等濕度氣候(選項有:干燥氣候、中等濕度氣候、潮濕氣候);(3)粗糙度按AERMET通用地表類型選取;(4)地面特征參數按地表類型生成，以四季為選項。(5)考慮地形影響。

2.3 數據處理方法

數據處理采用正交試驗中的極差分析及方差分析法進行統計分析。極差分析可以說明各因素水平改變對試驗結果的影響，極差越大，表明該列因素的數值在試驗范圍內的變化會導致試驗指標在數值上更大的變化，極差最大的就是對試驗結果影響最大的［4］。方差分析可以彌補極差分析的不足，精確估計各因素對試驗結果的重要程度，從而確定最佳組合方案。

3 研究結果及數據分析

3.1 因素及水平

本文研究確定的排放因素有三個，即包括排氣筒幾何高度H、出口煙氣溫度Ts、排氣筒出口內徑d，根據經驗可知，點源排放的最大落地濃度一般規律是:與排氣筒幾何高度、出口煙氣溫度成正比，與排氣筒出口內徑d成反比。本文根據工程設計提供的數據確定因素水平，如表1。項目工程設計基礎參數為煙氣溫度30℃、排氣筒出口內徑1.5 m、排氣筒幾何高度60 m。

表1 點源正交因素水平

3.2 正交試驗預測結果

正交試驗是三因素三水平試驗，選用L9(34)正交表，試驗結果、均值及極差分析結果見表2、方差分析結果見表3。

表2 正交試驗結果 mg/m3

表3 方差分析

從表2極差分析結果可以直觀看出，試驗指標是最大落地濃度，其值是越小越好，所以優化方案為A3C1D3，即煙氣溫度50℃、出口內徑1.5 m、煙囪高度90 m。考慮到煙囪高度降低可以減少投資，所以另外選取一種組合A3C1D1，這種方案試驗表中沒有，但是，對其進行驗證，結果是H2S最大落地濃度為0.0 071 mg/m3，也沒有超過 TJ 39—76《工業企業設計衛生標準》限值，可見也是比較好的點源參數組合方案。

由表3方差分析中F檢驗的結果可以看出，給定顯著性水平α=0.05，因素A對試驗結果有顯著影響，另外，C和D對試驗結果的影響不顯著，從試驗指標的結果也可以分析出，煙氣出口溫度提高到50℃后，煙囪高度及內徑無論以哪種方式組合，其H2S的最大落地濃度預測結果均沒有超過TJ39—76《工業企業設計衛生標準》限值，這樣可以從降低投資及設計難度方面再考慮其他組合方案。

另外，在環境影響報告書的編制過程中，煤化工項目一般要求用Calpuff軟件平臺進行預測，Calpuff軟件對于單個點源在相同的預測范圍情況下，一年氣象的預測時間很長，且由于參數不確定，重復工作量很大。因此，先利用正交試驗及AERMOD平臺找出最優的排放組合，再用Calpuff軟件驗證，可以達到事半功倍的效果，縮短報告編制時間。

4 結語

(1)本次試驗確定了甲醇裝置中酸性氣體排放的最佳排放參數，即煙氣出口溫度為50℃，排氣筒出口內徑1.5 m、排氣筒高度為60 m。

(2)將確定的最佳排放參數與設計的基礎數據相比，只提高了煙氣排放溫度，在煙囪出口增加煙氣加熱裝置即可實現，同時也減少了設計的修改工作。

［1］紀偉，林永波.高等級公路大氣環境影響評價模式的應用研究［J］.內蒙古科技與經濟，2012，(9):73 －75.

［2］劉輝，史學峰，李麗珍.AERMOD模型系統中點源參數敏感性影響規律分析［J］.能源與節能，2012，(5):69－71.

［3］國家環境保護總局環境評估中心.HJ2.2－2008環境影響評價技術導則——大氣環境［S］.北京:中國環境科學出版社，2009.

［4］李云雁，胡傳榮.試驗設計與數據處理［M］.北京:化學工業出版社，2008.

［5］廖玉麟.概率論與數理統計［M］.上海:復旦大學出版社，1995.