火电企业超低排放改造对沧州市主城区大气环境影响研究

崔磊　屈加豹　王鹏　雷团团　王彤　郭治敏　耿海清　伯鑫　李时蓓

摘要：本研究采用AERMOD模型，评估火电行业超低排放改造对沧州市主城区环境空气质量影响的改善程度。沧州市主城区内的火电企业A厂2018年（超低排放改造后）的SO2、NOX、烟尘排放总量分别为214.75t/a、600.14t/a、36.04t/a，排放量較2015年（超低排放改造前）分别下降了81.16%、26.66%、80.16%，说明超低排放改造对火电行业大气污染物排放量的减排效果显著。模拟结果显示，A厂排放的SO2、NO2、PM10年均贡献值最大落地浓度分别由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;对沧州市3个国控站点的年均浓度贡献比例从2015年的0.008%～0.23%，下降到2018年的0.002%～0.13%。

关键词：火电;超低排放改造;大气污染;AERMOD

中图分类号：X820.6 文献标识码：A 文章编号：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《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014～2020年）》颁布，中国煤电机组进入超低排放改造阶段，要求新建煤电机组达到超低排放限值（即在基准氧含量6%的条件下，二氧化硫、氮氧化物、烟尘排放浓度分别不高于35、50、10mg/m3）。

目前国内外研究者对火电行业的超低排放技术[1～2]、减排潜力[3～4]进行了研究，崔建升、伯鑫、Tang等[5～8]计算并建立了中国火电行业污染源排放清单，阚慧等[9]模拟了不同情境下中国部分省份或地区的火电污染物排放对大气环境影响研究。Qingyu Zhang等[10]采用AERMOD模型对杭州市工业生产排放污染物进行模拟，通过与监测站观测数据对比，模拟结果较好;这说明AERMOD模型在污染物对城市尺度的模拟能取得较好效果。2018年底，中国大部分地区火电行业已完成超低排放改造，但火电行业超低排放改造对城市环境空气改善程度，较少有相关研究。针对上述问题，本研究选取沧州市，采用AERMOD空气质量模型，分别对火电行业超低排放改造前、后的环境空气影响进行模拟，分析火电行业超低排放改造对城市环境空气影响的改善程度。

1 材料与方法

1.1 研究区域

本研究选取沧州市主城区，即沧州市高速合围区内，主要包括运河区、新华区，东西长23km，南北宽20km。沧州市2018年GDP为3 676亿元，GDP在河北省中排名僅次于唐山市和石家庄市。沧州市既是京津冀地区中的重点城市，又属于京津冀大气污染传输通道城市（“2+26”城市），对沧州市的研究具有参考意义。截至2017年底，沧州市主城区火电企业A厂已完成燃煤机组的超低排放改造，故选取2015年为基准年（超低排放改造前），2018年为对比年（超低排放改造后）。河北省生态环境状况公报显示，2015年沧州市空气质量综合指数为7.28，SO2、NO2、PM10年均浓度分别为40、41、121μg/m3;2018年沧州市空气质量综合指数为6.33，SO2、NO2、PM10年均浓度分别为24、43、102μg/m3。沧州市环境空气质量自动监测系统在沧州市生态环境局、城建局、电视转播站共设有3个监测子站，均为国控监测站点。沧州市国控监测站点与火电企业位置示意图见图1，A厂距3个国控站距离为6～10km。沧州市火电排放清单数据来自研究团队的2015年、2018年全国高分辨率火电排放清单[5]，该清单根据燃煤低位发热值数据、实际排放浓度、活动水平等因素，自下而上计算得到的每个企业污染物排放量。沧州市3家火电企业超低排放改造前后基本情况见表1。

1.2 模型选取与数据来源

AERMOD模型是《环境影响评价技术导则 大气环境》（HJ2.2-2018）[11]推荐的模型之一，目前已得到了广泛应用[12]。AERMOD是稳态烟羽扩散模式，可用于农村或城市地区、简单或复杂地形。

为避免选取不同年份的气象数据不一致，导致模拟结果的不确定性，本研究选取沧州市2018年气象场数据分别对2015年、2018年的火电企业排放进行模拟，获得相同气象场条件下，火电企业超低排放改造前、后大气污染物排放对环境空气质量的影响情况。

本研究使用AERMOD模型采用的气象、地形及地表参数见表2，其中地表参数来自生态环境部环境工程评估中心的AERSURFACE在线服务系统[13]。

1.3 情景设计

本研究共设置2种污染物排放情景：情景1为2015年沧州市主城区火电企业超低排放改造前的大气污染物排放情景;情景2为2018年沧州市主城区火电企业超低排放改造完成后的大气污染物排放情景。

2 结果与讨论

2.1 超低排放改造前、后火电行业排放量分析

为了对比分析研究团队的排放清单（HPEC）数据准确性，将排放清单数据与企业的CEMS实际排放量数据进行对比分析。2018年沧州市火电排放清单（HPEC，2018）数据显示，A厂SO2、NOX、烟尘排放量分别为214.75t/a、600.14t/a、36.04/a;基于排放浓度核算的企业CEMS实际排放量分别为205.07t/a、599.70t/a、34.16t/a。由图2可见，两种统计来源的A厂污染物排放量数据有一定差异，总体来看，CEMS统计排放量数据略小于排放清单排放量数据。

通过对2018年两种来源的排放量数据作方差分析，SO2、NOX、烟尘污染物排放量的P值大于显著性水平0.05，说明采用两种来源的排放量数据差异无显著影响，故采用排放清单数据具有较高的准确性。本研究以沧州市火电排放清单（HPEC）的排放量数据作为沧州市火电企业A厂的排放量。

沧州市火电企业A厂超低改造前、后大气污染物排放情况见表3。2015年A厂的SO2、NOX、烟尘排放量分别为1 139.82t/a、818.29t/a、181.67t/a，2018年排放量分别为214.75t/a、600.14t/a、36.04t/a，2018年各污染物排放量较2015年分别下降了81.16%、26.66%、80.16%，由此可见，火电企业超低改造后排放量均较改造前大幅降低，说明超低排放改造对火电企业大气污染物排放量的减排效果明显。

通过对比超低排放改造后所使用的大气污染防治措施发现，A家火电企业在脱硫措施上采用石灰石-石膏法，在脱硝措施均采用了低氮燃烧器+选择性催化还原法（SCR），在除尘措施上采用高效静电除尘法，通过减排效果来看，A厂采用的大气污染防治措施效果显著。

根据发电量核算的A厂单位发电量污染物排放绩效值见图3。数据显示，A厂2015年SO2、NOX和烟尘排放绩效值分别为31.69t/亿kW·h、22.75t/亿kW·h、5.05t/亿kW·h，2018年分别为5.34t/亿kW·h、14.92t/亿kW·h、0.90t/亿kW·h，2018年的SO2、NOX和烟尘排放绩效值相比2015年分别下降了83.15%、34.43%、82.26%，就绩效值下降比例来看，通过超低排放改造，SO2的绩效值下降幅度最大，烟尘的绩效值下降幅度其次，NOX的绩效值下降幅度略小。

2.2 超低排放改造前、后对火电企业周边的影响分析

2.2.1 情景1：超低排放改造前对火电企业周边环境影响

沧州市A厂超低排放改造前后对周边环境影响见表4。超低排放改造前，A厂2015年排放的SO2、NO2、PM10日均贡献值最大落地浓度分别为3.2786μg/m3、2.3537μg/m3、0.5226μg/m3，年均贡献值最大落地浓度分别为0.4348μg/m3、0.3122μg/m3、0.0693μg/m3。

2.2.2 情景2：超低排放改造后对火电企业周边环境影响

超低排放改造后，A厂2018年排放的SO2、NO2、PM10日均贡献值最大落地浓度分别为0.7288μg/m3、2.0351μg/m3、0.1223μg/m3，年均贡献值最大落地浓度分别为0.0970μg/m3、0.2710μg/m3、0.0163μg/m3。

2.3 超低排放改造前、后对国控站的影响分析

2.3.1 情景1：超低排放改造前对国控站影响

超低排放改造前，2015年沧州市火电企业A厂对3个国控站的SO2、NO2、PM10年均贡献浓度分别为0.0641～0.0969μg/m3、0.0460～0.0696μg/m3、0.0102～0.0155μg/m3，年均贡献浓度占国控站背景浓度的比例分别为0.15%～0.23%、0.11%～0.17%、0.008%～0.013%，可见在超低排放改造前A厂对沧州市3个国控站的年均贡献值，均远小于国控站的年均监测值。

2.3.2 情景2：超低排放改造后对国控站影响

超低排放改造完成后，2018年沧州市火电企业A厂对3个国控站的SO2、NO2、PM10年均贡献浓度分别为0.0126～0.0194μg/m3、0.0353～0.0543μg/m3、0.0021～0.0033μg/m3，年均贡献浓度占国控站背景浓度的比例分别为0.05%～0.08%、0.08%～0.13%、0.002%～0.003%，在超低排放改造后A厂对沧州市3个国控站的年均贡献值，仍远小于国控站的年均监测值。

2.3.3 模型预测结果验证

沧州市火电企业A厂2018年排放的SO2、NO2、PM10分别占沧州市大气污染物排放总量的0.87%、0.71%、0.03%，SO2、NO2、PM10年均预测浓度占国控站点背景监测值浓度比例为0.002%～0.13%，这与伯鑫[8]、郝吉明[14～16]等其他研究者的研究结果类似。

2.3.4 两种情景对比分析

A厂超低排放改造前后对3个国控站的贡献值见表5。研究表明，沧州市火电企业A厂排放的SO2、NO2、PM10年均贡献浓度占国控站背景浓度的比例从2015年的0.008%～0.23%，下降到2018年的0.002%～0.13%。虽然A厂通过超低排放改造减排量较大，减排比例明显，但由于对国控点的影响贡献比例较少，使城市主城区内的火电企业减排并不会明显体现在对国控站点的影响上。A厂超低排放改造前后对评价范围内各污染物贡献对比图见图4～图6。

2.4 不确定性分析

2.4.1 气象场数据的不确定性

研究选取沧州市2018年气象场数据，分别对2015年、2018年的火电企业污染物排放情况进行模拟，由于气象场数据选取的年份不同，会对模拟结果产生一定差异。

2.4.2 城市选取的不确定性

我国各城市的国控监测站点与火电企业地理分布情况存在较大差异，由于选取的城市不同，火电企业对国控站点的影响程度各不相同。本研究选取的沧州市3个国控站点、火电企业A厂位置均在主城区内。

3 结论

（1）沧州市主城区内的火电企业A厂，2018年（超低排放改造后）SO2、NOX、烟尘排放总量分别为214.75t/a、600.14t/a、36.04t/a，排放量较2015年（超低排放改造前）分别下降了81.16%、26.66%、80.16%，大气污染物排放量大幅降低，说明超低排放改造对火电行业大气污染物排放量的减排效果显著。通过对火电企业污染物排放绩效值分析，可筛选出减排潜力更大的企业和污染物，在下一步的大气污染减排过程中，可着重对筛选出企业和污染物的污染防治措施进行升级改造。

（2）沧州市火电企业A厂排放的SO2、NO2、PM10年均贡献浓度，占国控站背景浓度的比例分别从2015年的0.008%～0.23%，下降到2018年的0.002%～0.13%，说明目前沧州市主城区内的火电企业A厂大气污染物排放对国控站点的环境空气影响不大。

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收稿日期：2020-06-21

基金项目：清华大学环境学院重点学术机构2015年度开放基金课题;生态环境部环境工程评估中心创新科研项目（2019-10）;国家重点研发计划项目（2016YFC0208101）;大气重污染成因与治理攻关项目（DQGG0209-07、DQGG0304-07）;生态环境部区域大气环境管理与重污染天气应对财政专项（2110301）

作者简介：崔磊（1987-），男，工程师，研究方向为大气污染模拟与环境影响评价。

通讯作者：伯鑫（1983-），男，高级工程师，研究方向为排放清单及大气污染模拟。

李时蓓（1962-），女，研究员，研究方向为环境质量模型法规化与标准化。