基于AERMOD模型的煙囪高度合理性分析

尤能華 黃鑫 袁修彬

摘要：以10t/h燃煤鍋爐達(dá)標(biāo)排放源強(qiáng)作為點(diǎn)源參數(shù)，采用AERMOD模型，預(yù)測并分析了不同煙囪高度污染物最大小時地面空氣質(zhì)量濃度（Ci）所對應(yīng)的占標(biāo)率（Pi）和離源距離（Di）的變化情況。結(jié)果表明：煙囪高度越高，各污染物的Ci、Pi值越低，Di越大，大氣擴(kuò)散效果越好;但當(dāng)煙囪高度超過40米時，其大氣擴(kuò)散效果遞增不明顯。為此，從環(huán)境影響、工程投資和安全因素等方面提出了煙囪高度建議：按《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定設(shè)置。

關(guān)鍵詞：AERMOD模型;最大小時地面空氣質(zhì)量濃度;煙囪

中圖分類號：X51

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?文章編號：1674-9944（2020）14-0197-03

1?引言

2013年起，《大氣污染防治計(jì)劃》要求淘汰并禁止新建10t/h以下的燃煤鍋爐。按照《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[1]中規(guī)定10t/h燃煤鍋爐應(yīng)按40m煙囪高度建設(shè)，但在環(huán)境保護(hù)工作實(shí)踐中，經(jīng)常遇到燃煤鍋爐煙囪高度低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的現(xiàn)象。

為驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的煙囪高度的合理性，本文采用AERMOD模型預(yù)測一臺10 t/h燃煤鍋爐在不同煙囪高度下污染物的排放情況，以網(wǎng)格點(diǎn)Ci所對應(yīng)的Pi、Di為考察指標(biāo)，分析其對煙囪高度變化的敏感性，以期從污染物大氣擴(kuò)散的角度對《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[1]中規(guī)定的煙囪高度進(jìn)行合理性分析。

2?研究方法

本次研究選用《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 大氣環(huán)境》[2]所推薦的AERMOD模型及其規(guī)定預(yù)測方法進(jìn)行模擬預(yù)測。

2.1?模型選擇

本研究選擇AERMOD模型，AERMOD擴(kuò)散模型是20 世紀(jì)90年代中后期美國國家環(huán)境保護(hù)局聯(lián)合美國氣象學(xué)會基于最新的大氣邊界層和大氣擴(kuò)散理論開發(fā)的一套適用于定場的煙羽模型系統(tǒng)[3]，包括AERMOD（AERMIC擴(kuò)散模型）、AERMAP（AERMOD地形預(yù)處理）和AERMET（AERMOD氣象預(yù)處理）3個子模型。

國家環(huán)境保護(hù)總局環(huán)境工程評估中心和環(huán)境質(zhì)量模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果表明：AERMOD模型在處理擴(kuò)散參數(shù)、大氣穩(wěn)定度、復(fù)雜地形、對流條件浮力煙羽和混合層頂?shù)南嗷プ饔靡约皩α鳁l件垂直擴(kuò)散等方面更加穩(wěn)定，優(yōu)于其他模型[4]。

2.2?AERMOD模型參數(shù)選擇

以東經(jīng)114.396°、北緯29.905°為排放源所在位置，將煙囪高度變化設(shè)置為單因素，不考慮地形影響（采用平坦地形），不考慮煙囪出口下洗現(xiàn)象。

氣象數(shù)據(jù)選取2017年度咸寧市地面氣象站逐時氣象數(shù)據(jù)（站點(diǎn)編號為57590）和2017年度武漢（南湖）高空氣象數(shù)據(jù)（站點(diǎn)編號為57494）。

地表類型確定為0°～360°落葉林覆蓋，地表特征參數(shù)根據(jù)《AERMET用戶手冊》以年為周期自動選取：正午反照率為0.215，波文比為0.875，粗糙度為0.9 m。

預(yù)測范圍為以煙囪為中心，設(shè)置1000 m×1000 m的矩形，預(yù)測網(wǎng)格間距設(shè)置為10 m。

2.3?煙囪高度設(shè)置

根據(jù)《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的燃煤鍋爐房煙囪最低允許高度[1]，并相應(yīng)外延1個級差，即煙囪高度依次選取15 m、20 m、25 m、30 m、35 m、40 m、45 m、50 m等，并以此為基礎(chǔ)開展相關(guān)研究工作。

2.4?數(shù)據(jù)處理

（1）污染物排放速率（Eh）計(jì)算方法見公式（1）。

式（1）中：Eh為污染物排放速率，kg/h;Cp為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下污染物的排放濃度，mg/Nm3;Vh為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下小時煙氣量，Nm3/h。

（2）用最大小時濃度占標(biāo)率變化率（Y）來表征煙囪高度變化對污染物Pi的影響，計(jì)算方法見公式（2）。

式（2）中：Y為最大小時濃度占標(biāo)率變化率，%;Pi0為40 m煙囪預(yù)測所得網(wǎng)格點(diǎn)最大小時濃度占標(biāo)率，%;Pi為第i個煙囪預(yù)測所得網(wǎng)格點(diǎn)最大小時濃度占標(biāo)率，%。

（3）用單位煙囪高度最大小時濃度占標(biāo)率變化率（X）表征煙囪單位高度變化對污染污Pi的影響，計(jì)算方法見公式（3）。

式（3）中：X為單位煙塵高度最大小時濃度占標(biāo)率變化率，m-1;?Pi為第i個煙囪預(yù)測所得網(wǎng)格點(diǎn)最大小時濃度占標(biāo)率，%;Hi為第i個煙囪的高度，m。

（4）用最大小時濃度離源距離變化率（Q）來表征煙囪高度變化對污染物Di的影響[8]，計(jì)算方法見公式（4）。

式（4）中：Q為最大小時濃度離源距離變化率，%;Di0為40 m煙囪預(yù)測所得網(wǎng)格點(diǎn)最大小時濃度離源距離，m;Di為第i個煙囪預(yù)測所得網(wǎng)格點(diǎn)最大小時落地濃度離源距離，m。

2.5?源強(qiáng)數(shù)據(jù)

根據(jù)《排污許可證申請與核發(fā)技術(shù)規(guī)范 鍋爐》[5]中的燃煤鍋爐基準(zhǔn)煙氣量經(jīng)驗(yàn)公式和某火電廠2013～2017年的煤質(zhì)成分統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（Vdaf=31.17%，Qnet，ar=21.68 MJ/kg），計(jì)算10 t/h燃煤鍋爐的標(biāo)態(tài)煙氣量為15234.144 Nm3/h。各污染排放濃度按《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定排放限值[1]的90%計(jì)，即顆粒物（以PM10進(jìn)行預(yù)測）、SO2、NOx濃度依次為45 mg/Nm3，270 mg/Nm3，270 mg/Nm3，按計(jì)算公式（1）得出污染物排放速率。根據(jù)賈明生等用幾種計(jì)算方法得出的煙氣酸露點(diǎn)溫度范圍為120～155 ℃[6]，考慮煙囪防腐設(shè)計(jì)要求，煙氣溫度設(shè)定為160 ℃，由此折算出工況煙氣流量為24157.68 m3/h。根據(jù)《大氣污染治理工程技術(shù)導(dǎo)則》[7]中“排氣筒的出口直徑應(yīng)根據(jù)出口流速確定，流速宜取15 m/s左右”的原則，推算確定煙囪出口內(nèi)徑0.8 m，工況煙氣流速13.35 m/s（表1）。

3?結(jié)果與討論

3.1?煙囪高度與污染物最大小時濃度占標(biāo)率（Pi）的關(guān)系

3.1.1?煙囪高度變化對Pi的影響

AERMOD模型模擬顯示PM10、SO2和NOx等污染物的Pi值與煙囪高度呈負(fù)相關(guān)，即煙囪越高，各污染物的大氣擴(kuò)散效果越好，Pi越低（圖1）。

3.1.2?煙囪高度變化對最大小時濃度占標(biāo)率變化率（Y）的影響

分析顯示：煙囪高度對各污染物Y值的影響趨勢基本一致，均為Y值隨著煙囪高低增加不斷降低。具體表現(xiàn)為當(dāng)煙囪高度小于40 m時，煙囪高度越低，各污染物的Y越大，煙囪高度變化對Pi的影響越大;煙囪高度大于40 m時，煙囪越高，各污染物的Y越小，煙囪高度變化對Pi的影響越小（圖2）。

3.1.3?煙囪高度變化對單位煙囪高度最大小時濃度占標(biāo)率變化率（X）的影響

分析顯示煙囪高度對各污染物X值的影響趨勢基本相同，均呈現(xiàn)Y值隨著煙囪高度增加先降低后上升的趨勢。當(dāng)煙囪高度在15～20 m之間時，X值下降幅度遞增;煙囪高度在20～40 m之間時，X值下降幅度遞減;煙囪高度在40～50 m之間時，X值下降幅度基本持平（圖3）。

3.2?煙囪高度與污染物最大小時濃度離源距離（Di）的關(guān)系

AERMOD預(yù)測結(jié)果表明，經(jīng)同一根煙囪排放時，各污染物最大小時濃度出現(xiàn)的時間、點(diǎn)位相同，即各污染物Di值相同。

3.2.1?煙囪高度變化對最大小時濃度離源距離（Di）的影響

AERMOD模型模擬顯示，當(dāng)煙囪高度在15～25 m之間時，Di值先上升后下降，與陳陸霞等人[8]低架源（H<30 m）時Di與排氣筒高度無關(guān)的結(jié)論一致;當(dāng)煙囪高度在25～50 m之間時，Di值呈遞增趨勢，即煙囪越高，Di越大（圖4）。

3.2.2?煙囪高度變化對最大小時濃度離源距離變化率（Q）的影響

分析顯示當(dāng)煙囪高度小于40 m時，Q值為負(fù)值，煙囪越低，Q的下降幅度越大，煙囪高度變化對Di的影響越大，污染物擴(kuò)散越差;煙囪高度大于40 m時，Q值總體為正值，煙囪越高，Q的上升幅度不大，煙囪高度變化對Di的影響不大，其大氣擴(kuò)散效果遞增不明顯（圖5）。

4?結(jié)論與建議

總體而言，煙囪高度越高，各污染物的最大小時地面空氣質(zhì)量濃度（Ci）及相應(yīng)最大小時濃度占標(biāo)率（Pi）越低，離源距離（Di）越遠(yuǎn)，大氣擴(kuò)算效果越好。

對應(yīng)10 t/h燃煤鍋爐而言，當(dāng)煙囪高度低于《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的40 m時，其大氣擴(kuò)散效果未達(dá)到最理想狀態(tài);當(dāng)煙囪高度超過40 m時，其大氣擴(kuò)散效果遞增不明顯且從環(huán)境影響、工程投資和安全因素看，煙囪高度建議按《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定設(shè)置。以后應(yīng)選取其它容量的燃煤鍋爐進(jìn)行煙囪高度合理性分析。

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