基于AERMOD模型的烟囱高度合理性分析

尤能华 黄鑫 袁修彬

摘要：以10t/h燃煤锅炉达标排放源强作为点源参数，采用AERMOD模型，预测并分析了不同烟囱高度污染物最大小时地面空气质量浓度（Ci）所对应的占标率（Pi）和离源距离（Di）的变化情况。结果表明：烟囱高度越高，各污染物的Ci、Pi值越低，Di越大，大气扩散效果越好;但当烟囱高度超过40米时，其大气扩散效果递增不明显。为此，从环境影响、工程投资和安全因素等方面提出了烟囱高度建议：按《锅炉大气污染物排放标准》的规定设置。

关键词：AERMOD模型;最大小时地面空气质量浓度;烟囱

中图分类号：X51

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2020）14-0197-03

1 引言

2013年起，《大气污染防治计划》要求淘汰并禁止新建10t/h以下的燃煤锅炉。按照《锅炉大气污染物排放标准》[1]中规定10t/h燃煤锅炉应按40m烟囱高度建设，但在环境保护工作实践中，经常遇到燃煤锅炉烟囱高度低于标准规定的现象。

为验证标准规定的烟囱高度的合理性，本文采用AERMOD模型预测一台10 t/h燃煤锅炉在不同烟囱高度下污染物的排放情况，以网格点Ci所对应的Pi、Di为考察指标，分析其对烟囱高度变化的敏感性，以期从污染物大气扩散的角度对《锅炉大气污染物排放标准》[1]中规定的烟囱高度进行合理性分析。

2 研究方法

本次研究选用《环境影响评价技术导则 大气环境》[2]所推荐的AERMOD模型及其规定预测方法进行模拟预测。

2.1 模型选择

本研究选择AERMOD模型，AERMOD扩散模型是20 世纪90年代中后期美国国家环境保护局联合美国气象学会基于最新的大气边界层和大气扩散理论开发的一套适用于定场的烟羽模型系统[3]，包括AERMOD（AERMIC扩散模型）、AERMAP（AERMOD地形预处理）和AERMET（AERMOD气象预处理）3个子模型。

国家环境保护总局环境工程评估中心和环境质量模拟重点实验室的研究结果表明：AERMOD模型在处理扩散参数、大气稳定度、复杂地形、对流条件浮力烟羽和混合层顶的相互作用以及对流条件垂直扩散等方面更加稳定，优于其他模型[4]。

2.2 AERMOD模型参数选择

以东经114.396°、北纬29.905°为排放源所在位置，将烟囱高度变化设置为单因素，不考虑地形影响（采用平坦地形），不考虑烟囱出口下洗现象。

气象数据选取2017年度咸宁市地面气象站逐时气象数据（站点编号为57590）和2017年度武汉（南湖）高空气象数据（站点编号为57494）。

地表类型确定为0°～360°落叶林覆盖，地表特征参数根据《AERMET用户手册》以年为周期自动选取：正午反照率为0.215，波文比为0.875，粗糙度为0.9 m。

预测范围为以烟囱为中心，设置1000 m×1000 m的矩形，预测网格间距设置为10 m。

2.3 烟囱高度设置

根据《锅炉大气污染物排放标准》规定的燃煤锅炉房烟囱最低允许高度[1]，并相应外延1个级差，即烟囱高度依次选取15 m、20 m、25 m、30 m、35 m、40 m、45 m、50 m等，并以此为基础开展相关研究工作。

2.4 数据处理

（1）污染物排放速率（Eh）计算方法见公式（1）。

式（1）中：Eh为污染物排放速率，kg/h;Cp为标准状态下污染物的排放浓度，mg/Nm3;Vh为标准状态下小时烟气量，Nm3/h。

（2）用最大小时浓度占标率变化率（Y）来表征烟囱高度变化对污染物Pi的影响，计算方法见公式（2）。

式（2）中：Y为最大小时浓度占标率变化率，%;Pi0为40 m烟囱预测所得网格点最大小时浓度占标率，%;Pi为第i个烟囱预测所得网格点最大小时浓度占标率，%。

（3）用單位烟囱高度最大小时浓度占标率变化率（X）表征烟囱单位高度变化对污染污Pi的影响，计算方法见公式（3）。

式（3）中：X为单位烟尘高度最大小时浓度占标率变化率，m-1; Pi为第i个烟囱预测所得网格点最大小时浓度占标率，%;Hi为第i个烟囱的高度，m。

（4）用最大小时浓度离源距离变化率（Q）来表征烟囱高度变化对污染物Di的影响[8]，计算方法见公式（4）。

式（4）中：Q为最大小时浓度离源距离变化率，%;Di0为40 m烟囱预测所得网格点最大小时浓度离源距离，m;Di为第i个烟囱预测所得网格点最大小时落地浓度离源距离，m。

2.5 源强数据

根据《排污许可证申请与核发技术规范 锅炉》[5]中的燃煤锅炉基准烟气量经验公式和某火电厂2013～2017年的煤质成分统计数据（Vdaf=31.17%，Qnet，ar=21.68 MJ/kg），计算10 t/h燃煤锅炉的标态烟气量为15234.144 Nm3/h。各污染排放浓度按《锅炉大气污染物排放标准》规定排放限值[1]的90%计，即颗粒物（以PM10进行预测）、SO2、NOx浓度依次为45 mg/Nm3，270 mg/Nm3，270 mg/Nm3，按计算公式（1）得出污染物排放速率。根据贾明生等用几种计算方法得出的烟气酸露点温度范围为120～155 ℃[6]，考虑烟囱防腐设计要求，烟气温度设定为160 ℃，由此折算出工况烟气流量为24157.68 m3/h。根据《大气污染治理工程技术导则》[7]中“排气筒的出口直径应根据出口流速确定，流速宜取15 m/s左右”的原则，推算确定烟囱出口内径0.8 m，工况烟气流速13.35 m/s（表1）。

3 结果与讨论

3.1 烟囱高度与污染物最大小时浓度占标率（Pi）的关系

3.1.1 烟囱高度变化对Pi的影响

AERMOD模型模拟显示PM10、SO2和NOx等污染物的Pi值与烟囱高度呈负相关，即烟囱越高，各污染物的大气扩散效果越好，Pi越低（图1）。

3.1.2 烟囱高度变化对最大小时浓度占标率变化率（Y）的影响

分析显示：烟囱高度对各污染物Y值的影响趋势基本一致，均为Y值随着烟囱高低增加不断降低。具体表现为当烟囱高度小于40 m时，烟囱高度越低，各污染物的Y越大，烟囱高度变化对Pi的影响越大;烟囱高度大于40 m时，烟囱越高，各污染物的Y越小，烟囱高度变化对Pi的影响越小（图2）。

3.1.3 烟囱高度变化对单位烟囱高度最大小时浓度占标率变化率（X）的影响

分析显示烟囱高度对各污染物X值的影响趋势基本相同，均呈现Y值随着烟囱高度增加先降低后上升的趋势。当烟囱高度在15～20 m之间时，X值下降幅度递增;烟囱高度在20～40 m之间时，X值下降幅度递减;烟囱高度在40～50 m之间时，X值下降幅度基本持平（图3）。

3.2 烟囱高度与污染物最大小时浓度离源距离（Di）的关系

AERMOD预测结果表明，经同一根烟囱排放时，各污染物最大小时浓度出现的时间、点位相同，即各污染物Di值相同。

3.2.1 烟囱高度变化对最大小时浓度离源距离（Di）的影响

AERMOD模型模拟显示，当烟囱高度在15～25 m之间时，Di值先上升后下降，与陈陆霞等人[8]低架源（H<30 m）时Di与排气筒高度无关的结论一致;当烟囱高度在25～50 m之间时，Di值呈递增趋势，即烟囱越高，Di越大（图4）。

3.2.2 烟囱高度变化对最大小时浓度离源距离变化率（Q）的影响

分析显示当烟囱高度小于40 m时，Q值为负值，烟囱越低，Q的下降幅度越大，烟囱高度变化对Di的影响越大，污染物扩散越差;烟囱高度大于40 m时，Q值总体为正值，烟囱越高，Q的上升幅度不大，烟囱高度变化对Di的影响不大，其大气扩散效果递增不明显（图5）。

4 结论与建议

总体而言，烟囱高度越高，各污染物的最大小时地面空气质量浓度（Ci）及相应最大小时浓度占标率（Pi）越低，离源距离（Di）越远，大气扩算效果越好。

对应10 t/h燃煤锅炉而言，当烟囱高度低于《锅炉大气污染物排放标准》规定的40 m时，其大气扩散效果未达到最理想状态;当烟囱高度超过40 m时，其大气扩散效果递增不明显且从环境影响、工程投资和安全因素看，烟囱高度建议按《锅炉大气污染物排放标准》的规定设置。以后应选取其它容量的燃煤锅炉进行烟囱高度合理性分析。

参考文献：

[1]环境保护部.锅炉大气污染物排放标准：GB13271-2014[S].北京：環境保护部，国家质量监督检验检疫总局.2014.

[2]生态环境部.环境影响评价技术导则：大气环境：HJ2.2-2018[S].北京：生态环境部：2018.

[3] Alan J，Cimorelli，etal.AERMOD：Description of model formulation （draft） [R]. USA：AMS/EPA Regulatory Model Improvement Committee， 2004：1～91.

[4]国家保护局.AERMOD模型与现行大气环评技术导则推荐模型的比较[R].北京：国家环保总局环境工程评估中心，环境质量模拟重点实验室，2011.

[5]生态环境部.排污许可证申请与核发技术规范：锅炉：HJ953-2018[S].北京：生态环境部，2018.

[6] 贾明生，凌长明.烟气酸露点温度的影响因素及其计算方法[J].研究与开发，2003（6）：31～35.

[7]生态环境部.大气污染治理工程技术导则：HJ2000-2010[S].北京：生态环境部，2010.

[8] 陈陆霞，易爱华.基于AERMOD模式的重点行业烟囱高度变化敏感性分析[J].环境影响评价，2020（3）.