燃气热电厂大气环境影响评价简析

倪晓飞，赵寒梅

（1.北京北咨能源环境工程技术有限公司，北京 100020；2.北京市大兴区生态环境局，北京 102600）

0 引言

近年来国内雾霾频发，在冬季尤甚，改善空气质量的首要任务是减少PM2.5 的排放，北京市为了改善空气质量，于2013 年颁布实施了《北京市2013—2017 年清洁空气行动计划》，于2018年实施了《北京市打赢蓝天保卫战三年行动计划》，计划中提出北京市要推进燃煤改用电，燃煤改使用清洁能源，使以燃煤为主要原料的供热中心的锅炉向清洁能源改造。在使用清洁能源后，大大降低了二氧化硫和烟尘的排放量，氮氧化物的排放量也有一定的下降，本文以北京市某燃气热电厂为例，分析燃气热电厂产生的大气污染物、采取的环保治理措施以及采用AERMOD 模型模拟预测其对周围环境的影响。

1 项目概况

该燃气热电厂位于北京市，投资建设1 台H 级（装机容量1×730MW 级）燃气—蒸汽联合循环机组，机组包括1 台燃气轮机及其发电机、1 台余热锅炉、1 台蒸汽轮机及其1 台发电机。汽轮机配备SSS 离合器，为充分利用锅炉尾部的烟气余热，采用扩大低压省煤器的方式，利用烟气余热加热热网水。

天然气源接自陕甘宁进京天然气长输管线，本工程对发展城市集中供热、改善当地环境、减少空气污染、保护生态环境、节约能源、保障人民身体健康，以及对当地稳定电力负荷，提高当地电网供电能力都有较为重要的作用。

2 项目工艺过程

天然气通过天然气增压站调压后，输入燃气轮机发电机组，在燃气轮机前端燃烧室与空气混合燃烧，产生高温烟气，燃气轮机发电机组把热能转换成机械能，通过连轴器带动燃气轮机发电机发电。燃气轮机排气排入余热锅炉，产生蒸汽驱动蒸汽轮机，从汽轮机中压缸末级排出的蒸汽和低压主蒸汽一起加热热网循环水，或进入低压缸做功。供热工况蒸汽轮机通常背压运行，也可抽凝运行。

3 热电厂产生的大气污染物种类及废气治理措施

天然气的主要成分是甲烷、乙烷、丙烷和其他碳氢化合物，还有少量的硫化物，在天然气燃烧过程中会产生二氧化硫、烟尘和氮氧化物，各污染因子的产生量参照《第二次全国污染源普查产排污核算系数手册（试用版）》排污手册，经计算，各污染因子的产量浓度分别为二氧化硫1.16mg/m3，烟尘4.34mg/m3，氮氧化物51.8mg/m3，经对比北京市发布的《固定式燃气轮机大气污染物排放标准（DB 11/847—2011）》，废气未经处理的情况下，烟尘和二氧化硫均能满足该标准的要求，氮氧化物出现了超标情况。

氮氧化物的超标主要是由于锅炉炉膛内充入的空气中的氮气在高温条件下与氧气发生化学反应，生成氮氧化物。因此氮氧化物的产生量与炉膛内的温度相关，为了减少氮氧化物的产生量，需采取措施控制炉膛内燃烧温度，本工程采用干式低氮燃烧技术（DLN），其是一种控制NOx排放的燃烧控制技术，干式低氮燃烧技术把天然气和空气预先混合成均相的、稀释的可燃混合物，然后以湍流火焰传播方式通过火焰面进行燃烧，火焰面的燃烧温度与燃料/空气实时掺混比的数值相对应。通过对燃料/空气实时掺混比的控制，使得火焰面温度永远低于1650℃，从而有效控制了NOx的生成。

本期工程燃气轮机采用干式低氮燃烧器降低NOx初始排放浓度，该技术成熟可靠。燃机排放烟气NOx浓度可控制在50mg/Nm3以下（过量空气系数3.5，O2含量15%）。根据北京市《固定式燃气轮机大气污染物排放标准（DB 11/847—2011）》，新建燃气轮机NOx最高允许排放浓度为30mg/m3。为满足该标准对NOx控制要求，本工程采取选择性催化还原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）脱销技术进一步降低NOx排放浓度，采用氨水作为还原剂，还原过程是在催化剂的作用下，利用还原剂（氨水）来“有选择性”地与烟气中的NOx反应并生成无毒无污染的N2和H2O。烟气脱硝装置位于余热锅炉与高压蒸发器模块之间，氨气喷射格栅（AIG）放置在SCR 反应器上游的一个合适位置。从燃气轮机排出的烟气沿烟道方向前进，依次经过余热锅炉的换热面和脱硝系统喷氨格栅、催化剂，烟气中的氮氧化物在催化剂的作用下与氨发生反应，将氮氧化物还原为氮气，然后通过烟囱排入大气。该方法脱硝效率高，工艺成熟，在全世界脱硝方法中占主导地位。根据《第二次全国污染源普查产排污核算系数手册（试用版）》排污手册，SCR 法脱销效率在65%以上，氨水在脱硝过程中有部分氨发生逃逸，氨逃逸量需控制在2.5mg/Nm3（3ppm）以内，经过该措施控制后，氮氧化物的排放浓度为18.2mg/m3，可以达到《固定式燃气轮机大气污染物排放标准（DB 11/847—2011）》排放标准的要求。

表2 估算模型最大值综合

表3 项目附近敏感点处计算结果

为便于环保行政部门对燃气热电厂排放的大气污染物管理和监督，按照国家和北京市的要求，本期工程将在脱硝系统烟道上安装符合《火电厂烟气排放连续监测技术规范（HJ/T 75—2001）》要求的烟气连续排放监测系统（CEMS），以监控NOx等污染物的排放，为运行管理和环境管理提供依据。

4 预测模型及预测结果

为了模拟预测该燃气热电厂对周围环境的影响，根据《环境影响评价技术导则——大气环境（HJ 2.2—2018）》中推荐模式，本文采用AERMOD 模式模拟预测项目对周围环境的影响。AERMOD 是一种稳态烟羽模型，模型假定在垂直和水平方向的浓度均为高斯分布，污染源参数见表1。

表1 点源参数

地形数据：预测过程中使用的地形数据来自美国地理调查局（USGS），精度为90m。

地面气象观测资料：采用当地地面站近两年的全年逐时风速、风向、温度、总云和低云资料。高空气象数据：采用中尺度气象模式WRF 模拟生成的格点气象资料。该模式采用的原始数据有地形高度、土地利用、陆地—水体标志、植被组成等数据，数据源主要为美国USGS 数据。原始气象数据采用美国国家环境预报中心的NCEP/NCAR 的再分析数据。分辨率为27km，高空气象数据层数为40 层，时间为GMT 时间0 点和12 点（北京时间8 点和20 点），可直接作为Aermet 程序的高空输入文件。

地表参数：以项目厂址为中心，以正北为0°将周边区域分为2 个扇区，每个扇区30°，分别计算各土地利用类型所占比例，各类型地表特征基本参数选自国家环保部环境工程评估中心环境质量模拟重点实验室编写的《大气预测软件AERMOD 简要用户使用手册》，最终计算得到的土地利用参数。

预测方案：预测空气保护目标和网格点的主要污染物的短期浓度和长期浓度贡献值，评价其最大浓度占标率。①预测网格点采用可变密度笛卡尔网格受体设置，以项目厂区中心，距离项目中心5km 范围内，预测网格点间距为200m；距离项目中心5～10km 范围内，预测网格点间距为500m；②空气保护目标为项目周围距离较近的住宅小区等敏感点，共设置4 个环境空气保护目标，分别为位于项目东侧20m 处1#在建小区、项目东南侧75m 处的2#小区，项目东侧195m 处的3#小区、项目西侧30m处的4#小区。

利用AERMOD 模型，在输入近3 年中数据相对完整的1 个日历年作为评价基准年，在模型中输入逐日逐时地面气象数据，及MM5 数值模拟高空气象数据，计算项目预测网格点的小时质量浓度、日均浓度及年均浓度，经模型计算，结果见表2。

通过预测可以看出，本项目下风向占标率最大值为氮氧化物，其中小时NOx最大贡献值为6.41μg/m3，占标率为2.56%，日平均最大贡献值为0.771μg/m3，占标率为0.77%，年平均最大贡献值为0.066μg/m3，占标率为0.13%，下风向最大贡献值均满足《环境空气质量标准（GB 3095—2012）》的二级标准限值要求，见表3。

通过预测可以看出，本项目四个敏感点最大贡献值出现在东侧3#小区，其中NOx最大小时贡献值为3.27μg/m3，占标率为1.31%，SO2最大小时贡献值为0.215μg/m3，占标率为0.04%，烟尘最大小时贡献值为0.765μg/m3，占标率为0.17%，氨最大小时贡献值为0.380μg/m3，占标率为0.19%，各敏感点贡献值均满足《环境空气质量标准（GB 3095—2012）》的二级标准限值要求。

5 结语

北京地区燃气热电厂运行过程中在未安装任何脱硫除尘环保设施的情况下，二氧化硫和烟尘实际排放浓度均可以达到《固定式燃气轮机大气污染物排放标准（DB 11/847—2011）》排放标准的要求。燃气热电厂排放的氮氧化物是治理的重点与难点，在采用低氮燃烧技术及安装SCR 脱销系统后，氮氧化物的出口浓度可以控制在30mg/m3以下，可以达到《固定式燃气轮机大气污染物排放标准（DB 11/847—2011）》排放标准的要求。