排气筒几何高度与最大地面浓度的关系及其最佳高度选择

张 伟，陈 勇，于 静，蒲玖臣，敖 漉

(1.陆军勤务学院，重庆 401311；2. 重庆陆海环保科技有限责任公司，重庆 400042)

高斯扩散模型也称为高斯烟团或烟流模型，是模拟大气中污染物物理扩散的数学模型[1]。根据该模型，排气筒排放的大气污染物，其最大地面浓度随着排气筒有效高度(He)的增加而降低。排气筒有效高度为其几何高度(H)与烟气抬升高度(ΔH)之和。在大气污染物排放条件和环境条件相同的情况下，烟气抬升高度一定，那么，排气筒几何高度越高，大气污染物地面浓度越低。

现有研究表明，升高排气筒几何高度，可降低电厂和锅炉大气污染物的最大地面浓度[2-6]，缩小大气污染物超标区域的面积[7]，同时，还可有效减少公众个人有效剂量峰值和公众集体有效剂量水平[8]。

然而，当排气筒几何高度升高到一定值之后，再继续升高排气筒几何高度，大气污染物最大地面浓度下降并不明显。随着排气筒几何高度的增加，不同稳定度条件下，大气污染物最大地面浓度下降的趋势越来越平缓[3-5]。排气筒几何高度由10m升高到80 m，最大个人有效剂量下降了91.6%，由80m升高到200m，最大个人有效剂量仅下降了42.6%[8]。当排气筒几何高度进一步升高时(170～270 m)，最大地面浓度下降并不明显，如NO2最大地面浓度占标率降幅仅为0.25%～1.2%，排气筒几何高度每增加10m，其占标率降幅仅为0.05～0.25%[2]。

由于排气筒的建设成本与排气筒高度的平方成正比[4]，升高排气筒几何高度虽然可以降低其排出大气污染物的最大地面浓度，但无限制升高则给企业带来沉重的经济负担。现有研究对象多为电厂和集中式供热锅炉排气筒，其几何高度较高，研究的高度跨度较大。对于常规行业使用的工业炉窑，其排气筒高度一般较低。因此，有必要综合环境保护和建设成本两方面的因素，研究确定这类企业排气筒的最佳几何高度范围。

1 研究对象和方法

1.1 研究对象

以重庆市某玻璃制品制造企业为对象，该企业采用天然气为热源的炉窑进行玻璃制品生产。本文主要以其天然气炉窑的排气筒为对象，排气筒几何高度范围15～60m，高度间隔为1m，研究其排放的NO2最大地面浓度变化情况，主要排放参数见表1。考虑该企业可能的选址位置，当位于城市时，人口数取100万人，当位于农村时，周围用地类型取落叶林地，主要环境参数见表2。

表1 排放参数

表2 环境参数

1.2 研究方法

首先采用《HJ2.2-2018环境影响评价技术导则 大气环境》推荐的估算模型AERSCREEN，计算在不同排气筒几何高度时，NO2最大地面浓度1次值；再以15m高排气筒为基准，计算不同排气筒几何高度时最大地面浓度下降的绝对值，研究最大地面浓度下降过程的变化趋势。不同排气筒几何高度时NO2最大地面浓度下降值Δc及其变化率ε的计算方法见式(1)和(2)。

Δc=cn-c0

(1)

ε=Δc/(Hn-H0)

(2)

式中：cn—排气筒几何高度>15m时NO2最大地面浓度，μg/m3；c0—排气筒几何高度为15m时NO2最大地面浓度，μg/m3；Hn—排气筒几何高度，>15m；H0—最低排气筒几何高度，15m。

2 研究结果与讨论

该企业位于城市或农村时，不同排气筒几何高度条件下，NO2最大地面浓度下降值及其变化率见图1和图2。

由图1和图2可知，随着排气筒几何高度增加，最大地面浓度下降值越大，说明升高排气筒几何高度有利于降低最大地面浓度，从而减轻对环境的不利影响。这与已有研究的结果一致，升高排气筒几何高度后，PM10、SO2、NO2等的最大地面浓度[2-4,7]和公众个人有效剂量[8]均下降。

最大地面浓度下降值变化趋势可大致分为三个阶段，随着高度增加，第一阶段，在排气筒几何为15～20m时，最大地面浓度下降值变化迅速；第二阶段，在排气筒几何高度为21～29m时，最大地面浓度下降值变化较快；第三阶段，在排气筒几何高度为30～60m时，最大地面浓度下降值变化较慢。数据拟合结果表明，三个阶段均符合线性规律，但不同阶段的斜率不同(表3)。该结果说明，随着排气筒几何高度增加，最大地面浓度下降得越来越慢；无论污染源位于城市还是农村，第一阶段最大地面浓度下降值变化均是最快的。但值得注意的是，当污染源位于城市时，三个阶段的最大地面浓度下降值变化速度均小于当污染源位于农村时，这说明城市与农村周围环境状况不同，对于污染扩散过程的影响不同。

表3 不同条件最大地面浓度下降值的斜率

从最大地面浓度下降值变化率来分析，随着排气筒几何高度的增加，最大地面浓度下降值变化率越来越小，即高度越高，升高单位高度降低的最大地面浓度越少。陈建平等人[3]的研究表明，排气筒高度超过70m后，随排气筒高度的增高，排气筒高度对SO2最大地面浓度的降低能力开始减弱；兰涛等人[4]的研究结果表明，当锅炉排气筒几何高度从45m升高至200m时，在不同稳定度尤其是B、D稳定度条件下，SO2和NO2的最大地面浓度降低得越来越慢；张培等人[5]的研究表明，当排气筒高度在140m以上时，随着排气筒高度的增加，SO2年均最大地面浓度下降幅度逐渐降低；在较高的范围(170～270m)进一步升高排气筒几何高度，最大地面浓度降低得很慢[2]，公众最大个人有效剂量在较高排气筒几何高度范围(80～200m)的降幅明显趋缓[8]。这说明升高排气筒几何高度对减轻环境不利影响的经济性越来越低。

在本文研究的排放和环境条件下，最大地面浓度下降值变化率符合幂函数规律，城市污染源为y=240.76x-1.073，农村污染源为y=1599.5x-1.37；排气筒的几何高度设置在29～31m范围，既可以达到较低的最大地面浓度，排气筒几何高度也不需要进一步升高，避免增加排气筒建设成本。

3 结论

(1)排气筒几何高度升高，最大地面浓度下降值越大，大气污染物对环境的不利影响越小。

(2)最大地面浓度下降值变化趋势可分为由快至慢三个阶段，每个阶段符合线性规律，城市污染源最大地面浓度下降值变化率低于农村污染源。

(3)在本文研究条件下，最大地面浓度下降值变化率符合单调递减的幂函数规律，城市污染源为y=240.76x-1.073，农村污染源为y=1599.5x-1.37；排气筒最佳几何高度范围在29～31m。