生活垃圾梵燒發(fā)電廠 NOx 大氣污染物排放濃度特征研究

文章編號：1674-6139（2025）05-0048-06

中圖分類號：X511文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Characteristics of NO_x AirPollutant Concentration fromDomestic Waste Incineration Power Plant

Li Fei

（Schoolof UrbanConstructionandSafetyEnvironment，Nanjing UniversityofTechnology，Nanjing211816，China）

Abstract：To optimize the treatment of NO_x atmospheric pollutants in household waste incineration power plants，a simulation analysismethodforNOmisscocetratocractersticsisproosdesdysiulatsteokingprocsofusoldwasteinin eration power plant to determine the type of NO_x atmospheric pollutant.It estimates the emissions based on the amount of household waste inputfromthepowerplantandteamoutofirpresntintheincneratorTheinitalfrceofpoltantemissons，onsiderfctorssuch as wind speed and temperature are calculated to analyze NO_x concentration，concentration changes，and pollution area characteristics，and obtainsimulationalysissltsofmospricpllantsioonentratioractersticshexpimtalsultssowatta ing into account the characteristic analysis results of three NO_x atmospheric pollutants，namely nitric oxide，nitrogen dioxide，and nitrogen trioxide，thedesignmethodreducestherorofconcetrationchangecharacteristicquantityanalysisandpolutionreaharacteistic quantity analysis by 0.9g/m ，respectively3 and 1.395m³ ：

Keywords：household waste；incineration power plant; NO_x atmospheric pollutants；pollutant emissions；concentration characteristics

前言

生活垃圾焚燒發(fā)電廠在工作過程中會產(chǎn)生多種大氣污染物，其中氮氧化物是大氣污染物的主要組成部分之一[]。高濃度的 NO_x 會導(dǎo)致空氣質(zhì)量變差，影響人類呼吸健康，并對植物生長造成負(fù)面影響。因此有必要分析大氣污染物的排放濃度特征。

文獻(xiàn)[1]使用便攜式空氣污染物監(jiān)測設(shè)備移動(dòng)觀測多種大氣污染物。采用Pearson相關(guān)性分析方法分析大氣污染物排放濃度特征。但受限于觀測路徑和觀測時(shí)間，無法全面覆蓋所有關(guān)鍵區(qū)域，導(dǎo)致空間上的數(shù)據(jù)缺失。文獻(xiàn)[2]基于CEMS數(shù)據(jù)對大氣污染物的年排放達(dá)標(biāo)率、年排放濃度以及排放性能等排放特征進(jìn)行了對比分析。該方法依賴于CEMS的監(jiān)測數(shù)據(jù)，如果CEMS設(shè)備出現(xiàn)故障或數(shù)據(jù)異常，影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[3]模擬堆肥過程對污染物排放量進(jìn)行估算，綜合考慮廢物轉(zhuǎn)移方案，得出排放濃度特征的模擬結(jié)果。模型中的參數(shù)（如溫度、濕度、pH值等）往往難以準(zhǔn)確獲取或預(yù)測，這些參數(shù)的不確定性將直接影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[4]利用WRFSMOKE－MAQ模型分析大氣污染物的空間動(dòng)態(tài)，得出污染物空間布局隨時(shí)間的變化規(guī)律。WRFSMOKE－MAQ模型通常較為復(fù)雜，需要較高的計(jì)算能力和時(shí)間成本，不適用于所有研究場景。

文章以生活垃圾焚燒發(fā)電廠中的 NO_x 大氣污染物為研究對象，優(yōu)化設(shè)計(jì)排放濃度特征分析方法。

1發(fā)電廠 NO_x 大氣污染物排放濃度特征模擬分析設(shè)計(jì)

以生活垃圾焚燒發(fā)電廠中產(chǎn)生的 NO_x 大氣污染物為研究對象，具體包括 _NO，NO2 和 NO₃ ，運(yùn)行原理為：模擬生活垃圾燒發(fā)電廠工作過程，在確定焚燒生活垃圾量的情況下，對發(fā)電廠產(chǎn)生的 NO_x 大氣污染物排放量以及初始作用力進(jìn)行估算，分析氣象因素對 NO_x 大氣污染物的擴(kuò)散現(xiàn)象產(chǎn)生的影響，在考慮影響因素和影響作用的情況下，計(jì)算任意時(shí)刻生活垃圾焚燒發(fā)電廠及其周邊區(qū)域內(nèi)任意位置上 NO_x 大氣污染物濃度的計(jì)算結(jié)果，通過整合大氣污染物排放濃度在時(shí)間和空間上的變化情況，得出污染物排放濃度特征的模擬結(jié)果。

1.1模擬生活垃圾焚燒發(fā)電廠工作過程

生活垃圾燒發(fā)電廠中 NO_x 大氣污染物主要來自于高溫燃燒過程中氮?dú)馀c氧氣反應(yīng)生成，以及含氮物質(zhì)的熱分解和燃燒過程中產(chǎn)生，燃燒過程主要發(fā)生在垃圾焚燒爐中，因此 NO_x 大氣污染物主要通過垃圾焚燒爐進(jìn)行產(chǎn)生與排放[2]。在生活垃圾燒發(fā)電廠工作過程中，垃圾在經(jīng)過地磅稱重后送入料斗，進(jìn)入垃圾爐進(jìn)行焚燒[3]。在送風(fēng)量控制系統(tǒng)、氧量校正系統(tǒng)的共同作用下，實(shí)現(xiàn)生活垃圾的燃燒。垃圾完全燃燒所產(chǎn)生的熱能，經(jīng)過余熱鍋爐轉(zhuǎn)化為蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)，將能量轉(zhuǎn)化為電能。生活垃圾焚燒發(fā)電廠在發(fā)電過程中產(chǎn)生的 NO_x 大氣污染物包括一氧化氮、二氧化氮和三氧化氮。由此完成生活垃圾焚燒發(fā)電廠工作過程的模擬，并確定 NO_x 大氣污染物的生成方式。

1.2估算發(fā)電廠 NO_x 大氣污染物排放量

鑒于生活垃圾焚燒發(fā)電廠工作過程的模擬結(jié)果，可以確定 NO_x 大氣污染物排放量與輸入燒爐中的生活垃圾量以及氧氣含量有關(guān)，任意時(shí)刻發(fā)電廠產(chǎn)生的 NO_x 大氣污染物排放總量可以表示為式（1）：

式（1）中， M_waste 為輸入到發(fā)電廠中的生活垃圾質(zhì)量， 和 λ（i） 分別表示 Φ_t 時(shí)刻生活垃圾與大氣污染物之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)以及 i 類氮氧污染物的排放因子， n_NOx 為發(fā)電廠產(chǎn)生氮氧污染物的類型數(shù)量[4]由于氧氣含量的不同，因此產(chǎn)生的氮氧化物存在差異，因此需要對發(fā)電廠中參與反應(yīng)的空氣量進(jìn)行估算，進(jìn)而確定參與反應(yīng)的實(shí)際空氣量，以一氧化氮生成為例，參與反應(yīng)的實(shí)際空氣量為式（2）：

式（2）中，變量 M_w 為生活垃圾完全燃燒需要的氧氣量， κ_air 為過量空氣系數(shù)。按照上述方式可以得出其他 NO_x 大氣污染物類型空氣量的計(jì)算結(jié)果，從而確定各個(gè)污染物類型排放量的估算結(jié)果[5]。重復(fù)上述操作，可以得出發(fā)電廠運(yùn)行狀態(tài)下任意時(shí)刻N(yùn)O_x 大氣污染物排放量的估算結(jié)果。

1.3 計(jì)算發(fā)電廠 NO_x 大氣污染物排放初始作用力生活垃圾焚燒發(fā)電廠煙氣排放的初始作用力直接決定了 NO_x 大氣污染物的排放速度，從而影響大氣污染物的擴(kuò)散范圍，從而對排放濃度產(chǎn)生影響。因此需對發(fā)電廠對大氣污染物的初始排放作用力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果記為 F₀ ，大氣污染物排放初始作用力與大氣污染物物質(zhì)的量、大氣污染物溫度、煙肉體積、氣體常數(shù)以及大氣污染物排放口的截面積有關(guān)[。通過生活垃圾楚燒發(fā)電廠工作過程的模擬與工作數(shù)據(jù)的測量，相關(guān)參數(shù)的具體取值，從而得出NO_x 大氣污染物排放初始作用力的計(jì)算結(jié)果。

1.4確定NO大氣污染物排放濃度影響因素和影響作用

NO_x 大氣污染物排放濃度的影響因素主要為氣象因素，關(guān)鍵影響因素包括發(fā)電廠周圍環(huán)境的風(fēng)速和溫度等，影響機(jī)理見圖1。

從圖1中可以看出，風(fēng)速的增加會促進(jìn)污染物的擴(kuò)散，降低污染物濃度[7。因此，在風(fēng)速較大的情況下，NO的排放濃度可能會相對較低。但是，如果風(fēng)速過快，可能會對燃燒過程產(chǎn)生負(fù)面影響，從而降低NOx的生成和排放。另外，較高的溫度會導(dǎo)致空氣分子的運(yùn)動(dòng)速度加快，從而使污染物更容易擴(kuò)散和稀釋。因此，在較高的溫度下，NO等污染物的排放濃度可能會因?yàn)楦行У臄U(kuò)散而被降低。然而，這種影響并不是線性的。當(dāng)溫度過高時(shí)，可能會導(dǎo)致空氣的對流增強(qiáng)，這反而可能使污染物的濃度上升。

另外，除溫度、風(fēng)速的影響外， NO_x 大氣污染物排放濃度還受到濕度、大氣壓力、太陽輻射、降水、風(fēng)向、大氣穩(wěn)定度的影響。其中，濕度對NOx的排放和擴(kuò)散有復(fù)雜的影響。在高濕度環(huán)境下，水蒸氣會與NO_x 發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如形成硝酸或硝酸鹽氣溶膠，這會改變 NO_x 的存在形態(tài)和擴(kuò)散特性。此外，濕度還影響大氣中的光化學(xué)反應(yīng)速率，進(jìn)而影響NO的轉(zhuǎn)化和去除。大氣壓力的變化會影響空氣密度和垂直運(yùn)動(dòng)，從而影響污染物的擴(kuò)散。在低壓系統(tǒng)下，空氣上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，有利于污染物的垂直擴(kuò)散;而在高壓系統(tǒng)下，空氣下沉運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，抑制污染物的擴(kuò)散。太陽輻射強(qiáng)度影響大氣中的光化學(xué)反應(yīng)速率。 NO_x 在大氣中可以與揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）在陽光照射下發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，生成臭氧和其他二次污染物。因此，太陽輻射的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間會直接影響 NO_x 的轉(zhuǎn)化和去除效率。降水對NOx的去除有顯著作用。雨水可以沖刷大氣中的 NO_x ，降低濃度。此外，降水還影響大氣中的化學(xué)反應(yīng)平衡，進(jìn)一步影響NO的轉(zhuǎn)化和去除。風(fēng)向決定了污染物擴(kuò)散的方向。在特定風(fēng)向條件下，污染源排放的 NO_x 會直接吹向人口密集區(qū)或敏感區(qū)域，造成嚴(yán)重的空氣污染。因此，風(fēng)向是影響 NO_x 排放濃度分布的重要因素。大氣穩(wěn)定度描述了大氣層結(jié)的穩(wěn)定性，對污染物的擴(kuò)散有重要影響。在穩(wěn)定的大氣層結(jié)中，污染物容易在局部地區(qū)積累；而在不穩(wěn)定的大氣層結(jié)中，污染物更容易擴(kuò)散和稀釋。

1.5實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠 NO_x 大氣污染物排放濃度特征模擬分析

綜合考慮生活垃圾焚燒發(fā)電廠 NO_x 大氣污染物的初始作用力、排放量以及所有影像因素的作用原理，假設(shè)NO大氣污染物持續(xù)釋放且釋放濃度穩(wěn)定，在模擬空間區(qū)域內(nèi)任意一點(diǎn)的 NO_x 污染物濃度可以表示為 。在濃度特征模擬過程中，分別確定 NO_x 大氣污染物中一氧化氮、二氧化氮、三氧化氮在任意時(shí)刻、任意位置上的濃度值，并以可視化形式標(biāo)記為發(fā)電廠地形圖中。通過時(shí)間和空間排放濃度數(shù)據(jù)的對比，即可得出大氣污染物排放濃度特征的模擬分析結(jié)果，時(shí)空變化特征分量的計(jì)算結(jié)果如下：

式（3）中， 和 分別表示 t₁ 和 t₂ 時(shí)刻 （x，y，z） 位置上 NO_x 大氣污染物排放濃度的計(jì)算結(jié)果，最終得出的計(jì)算結(jié)果 Δc 和 分別表示任意位置上濃度變化特征量和任意位置污染區(qū)域特征量，完成生活垃圾焚燒發(fā)電廠 NO_x 大氣污染物排放濃度的特征模擬分析工作。

2大氣污染物排放濃度特征分析性能測試實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)設(shè)置的對比方法包括：基于移動(dòng)觀測的大氣污染物時(shí)空分布特征分析方法和基于CEMS數(shù)據(jù)的大氣污染物排放特性分析方法，標(biāo)記為對比方法一和對比方法二。

2.1生活垃圾焚燒發(fā)電廠概述

實(shí)驗(yàn)選擇某市的生活垃圾燒發(fā)電廠作為研究對象，該發(fā)電廠由垃圾燒爐、余熱鍋爐、汽輪發(fā)電機(jī)組等部分組成，裝設(shè)設(shè)備數(shù)量分別為2臺、1臺和1臺，燒爐爐排型式為傾斜多級爐排，理論發(fā)熱量和熱功率分別為 5800J/kg 和27.5MW，余熱鍋爐采用單鍋爐中壓自然循環(huán)和平衡通風(fēng)型結(jié)構(gòu)，有效控制排放溫度。過熱器采用三級布置，最大排煙溫度為 230^°C ，排煙氣量為 65000Nm³/h 。垃圾焚燒發(fā)電廠采用1臺總裝機(jī)容量為15MW的汽輪發(fā)電機(jī)組，汽輪發(fā)電機(jī)組中的汽輪機(jī)型號為N12-3.8。選擇生活垃圾焚燒發(fā)電廠能夠同時(shí)處理800噸的生活垃圾，最大發(fā)電量為1 200kWh 。

2.2布設(shè)大氣污染物排放濃度監(jiān)測測點(diǎn)

為了獲取生活垃圾焚燒發(fā)電廠周圍 NO_x 大氣污染物的實(shí)際排放數(shù)據(jù)，在發(fā)電廠及其周圍環(huán)境中設(shè)置多個(gè)監(jiān)測測點(diǎn)，并將 NO_x 大氣污染物濃度傳感器安裝在測點(diǎn)位置上。見圖2為大氣污染物排放濃度監(jiān)測示意圖。

為了確保現(xiàn)場測量儀器的準(zhǔn)確性不受震動(dòng)影響，需要在現(xiàn)場測試前，對相關(guān)儀器進(jìn)行標(biāo)定。

準(zhǔn)備一定量的生活垃圾，將其隨機(jī)分為多組，經(jīng)過稱量后將生活垃圾樣本倒入到焚燒發(fā)電廠的焚燒爐中，經(jīng)過發(fā)電廠中焚燒爐、發(fā)電機(jī)組等部分的協(xié)同運(yùn)行，將產(chǎn)生的 NO_x 大氣污染物排放到空氣中。啟動(dòng)布設(shè)在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的污染物濃度傳感器設(shè)備，得出 NO_x 大氣污染物排放濃度的實(shí)際值，利用式（3）得出濃度時(shí)空特征量的實(shí)測數(shù)據(jù)，以此作為判斷模擬分析方法分析精度的比對數(shù)據(jù)。將生活垃圾焚燒質(zhì)量數(shù)據(jù)作為輸入值，代人到生活垃圾燒發(fā)電廠NO大氣污染物排放濃度特征模擬分析方法中，通過排放量計(jì)算、影響因素分析等步驟，得出污染物排放濃度特征的模擬分析結(jié)果。

2.3設(shè)置大氣污染物排放特征分析性能測試指標(biāo)

為體現(xiàn)出優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在分析精度性能方面的優(yōu)勢，設(shè)置濃度變化特征量分析誤差和污染區(qū)域面積特征量分析誤差作為量化測試指標(biāo)，上述指標(biāo)的測試結(jié)果為式（4）：

式（4）中， Δc 和 Δ_Act 分別為時(shí)空變化特征分量的分析值和實(shí)測值， S_Act（t） 為污染區(qū)域面積的實(shí)測值。最終計(jì)算得出指標(biāo) ε_c 和 ε_s 取值越小，證明對應(yīng)方法的分析精度性能越優(yōu)。

2.4排放濃度特征分析性能測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，得出濃度變化特征量分析誤差的測試結(jié)果，見表1。

將表1中的數(shù)據(jù)代入后，計(jì)算得出對比方法一輸出一氧化氮、二氧化氮和三氧化氮污染物排放濃度變化特征量的平均分析誤差分別為 0.46g/m³ 、0.44g/m³ 和 0.44g/m³ ，對比方法二得出三種污染物排放濃度變化特征量的平均分析誤差分別為0.20g/m³?0.28 和 ，而優(yōu)化設(shè)計(jì)方法得出三種污染物排放濃度變化特征量分析誤差的平均值分別為 和 0.04g/m³ ，綜合上述三種氮氧化物的測試結(jié)果，得出三種方法輸出NO_x 大氣污染物排放濃度變化特征量的平均分析誤差分別為 1.34g/m³.0.74g/m³ 和 0.14g/m³ 。另外污染區(qū)域面積特征量分析誤差的測試結(jié)果見表2。

通過計(jì)算，得出三種方法輸出 NO_x 大氣污染區(qū)域面積特征量分析誤差平均值的測試結(jié)果分別為2.05m²?1.30m² 和 0.28m² 。

3 結(jié)束語

在生活垃圾焚燒發(fā)電廠中， NO_x 大氣污染物的排放濃度特征是受到多種因素影響的復(fù)雜問題。通過深入研究和分析，發(fā)現(xiàn)溫度、風(fēng)速以及燃燒條件等環(huán)境因素和生活垃圾的成分、燃燒工藝和煙氣處理技術(shù)等工藝因素都對 NO_x 的排放濃度產(chǎn)生顯著影響。為了有效降低 NO_x 的排放濃度，從整體出發(fā)，綜合考慮各種因素的相互作用，通過模擬發(fā)電廠工作過程和考慮多種影響因素，構(gòu)建了 NO_x 排放濃度的預(yù)測模型，得出生活垃圾焚燒發(fā)電廠 NO_x 大氣污染物排放濃度特征的精準(zhǔn)分析結(jié)果。研究結(jié)果不僅揭示了NOx排放量的估算方法，還進(jìn)一步分析了氣象條件對污染物擴(kuò)散的影響。通過性能分析實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了方法的有效性，顯著降低了濃度變化特征量和污染區(qū)域面積特征量的分析誤差。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔愛偉，苗純萍，何歡，等.基于移動(dòng)觀測的城市街道峽谷大氣污染物時(shí)空分布特征[J].生態(tài)學(xué)雜志，2022，41（10）：2035-2042.

[2]曲立濤，齊曉輝，王德鑫，等.基于CEMS數(shù)據(jù)的超低排放燃煤機(jī)組大氣污染物排放特性分析[J].中國電力，2023，56（2）：171-178.

[3]NordahlSL，PrebleCV，KirchstetterTW，etal. Greenhouse Gas and Air Pollutant Emissions from Composting [J].Environmental science amp; technology，2023，57（6）：2235 -2247.

[4]ZhuS，GaoC，SongK，etal．Thechangesin spatial layout of steel industry in China and associated pollutant emissions：A case of SO₂ [J].Journal of Environmental Management， 2022，302：114034.

[5]汪承杰，環(huán)久峰，張洪朋，等.2018年大連海域船舶大氣污染物排放特征及影響分析[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2022，38（4）：165-173.

[6]李楊勇，牟玲，劉效峰，等.焦化廠區(qū)大氣污染物質(zhì)量濃度水平與分布特征[J].煤炭學(xué)報(bào)，2022，47（10）：3774-3781.

[7]陳純，李鵬釗，董瑞澤，等.河南省某典型垃圾焚燒發(fā)電廠的VOCs排放特征[J].環(huán)境科學(xué)研究，2022，35（5）：1193-1202.