摘要：大气模型不仅模拟各种常规污染物（如SO2、NO2等）在大气中的迁移、扩散、转化，还可以模拟各种复杂气象问题，是研究大气污染物对大气环境影响的重要工具。本文采用CALPUFF大气模型模拟长丰县垃圾焚烧发电厂垃圾焚烧过程排放的污染物对大气环境的影响，对该厂的环境管理提出建议并就相应的大气污染防治措施进行分析论证，为环境部门的管理提供科学依据。
关键词：垃圾焚烧；大气模型；CALPUFF
随着合肥经济建设高速发展、城市人口的比例不断上升，生活垃圾围城的现象日益严重。目前生活垃圾焚烧是垃圾无害化处理的重要方法之一[1]。但是生活垃圾焚烧过程中存在二次污染问题，尤其大气污染物排放对周围大气环境影响和周围居民健康危害引起了广泛的关注[2]。
本项研究基于长丰县垃圾焚烧发电厂运行时主要污染物排放量的数据及气象、地理等基础数据，通过CALPUFF大气模型，模拟长丰县垃圾焚烧发电厂焚烧过程中排放的各种污染物对大气环境产生的影响，反映其对大气环境的影响范围和影响程度，并针对其大气环境风险进行分析，从而评估该厂对大气环境的影响；并提出合理有效的环境保护对策，提出环境管理建议，为环境保护管理部门的管理提供科学依据。
1.CALPUFF模型简介
20世纪80年代末，美国西格玛研究公司开发了CALPUFF大气模型系统。CALPUFF大气模型系统是基于拉格朗日扩散理论的三维非稳态扩散模式系统，同基于传统高斯扩散理论的稳态模式系统相比，能更好的模拟污染物在长距离上的输送（50km以上）[3]。USEPA长期支持研发CALPUFF大气模型系统，另外我国环保部在《环境影响评价技术导则——大气环境》（HJ2.2—2008）中也推荐使用CALPUFF大气模型系统。目前已有100多个国家使用CALPUFF大气模型系统，部分国家将其作为法规模型。CALPUFF大气模型的优势和特点：①可以模拟的尺度范围从几十米到几百公里[4]；②突破了传统高斯扩散模型不适于评估二次颗粒物浓度的局限，还可以模拟非稳态扩散情况；③气象模型多样，包括陆上模型和水上边界层模型，采用MM4或MM5（The PSU/NCAR Mesoscale Model）网格风场作为观测数据或初始猜测风场；④采用坡面参数、地形动力学方法对初始风场进行分析，适用于复杂、粗糙地形条件下的模拟；⑤增加了处理针对面源扩散和浮力抬升的功能模块。
2.CALPUFF模型系统主要功能
CALPUFF模型系统主要分为三大模块：CALMET模块、CALPUFF模块和CALPOST模块[5]，还有一些对常规气象、地理数据等做预处理的模块。作为气象模型的CALMET模块，可生成三维小时网格区域温度场和风场；CALPUFF模块是基于拉格朗日扩散理论的三维烟团输送模型，利用前一模块—CALMET模块生成的温度场和风场文件，模拟由污染源排放的污染物烟团在大气中的扩散和转化的情况；最后，通过处理CALPUFF模块的输出文件，CALPOST模块产生用于后处理的浓度文件[6]。
其他模块有：气象后处理程序PRTMET模块：气象参数如风向、风速等可从CALMET模块生成的气象文件中提取，用于统计分析绘图等；SMERGE模块为地面气象预处理程序，可将不同格式地面气象观测数据转换成CALMET模块可识别的格式文件；TERREL模块为地形预处理程序，可将不同格式地形数据转化成模式所需的地形高程文件；CTGPROC模块为土地利用数据预处理程序，可将不同格式土地利用数据转换成模式所需的土地利用文件；MAKEGEO模块为地理数据处理程序，可读取TERREL模块和CTGPROC模块生成的地形高程和土地利用数据，计算出CALMET模块所需的地面特征参数（如粗糙度、反照率等），生成CALMET模块可识别的地理数据格式文件；CALMM5/CALWRF模块为中尺度预测数据预处理程序，用于转换中尺度气象模式MM5或WRF数据生成CALMET模块可识别的格式文件。
3.大气污染物预测结果
本文从区域重要性、案例实用性和典型性、生态环保性等多方面考虑，结合区域经济发展状况和环境质量现状并在地形地质、气象数据等资料的基础上，将长丰县垃圾焚烧发电厂作为典型实例。依据《大气环境影响评价技术导则 大气环境》（HJ 2.2-2008）中推荐的估算模式，并考虑垃圾焚烧发电厂所在区域主导风向，确定本次研究的大气环境影响范围以垃圾焚烧发电厂锅炉烟囱为中心点、东西向和南北向各长2.5km、总面积共计25km2的正方形区域。选取PM10、SO2、HCl、NO2、CO、二噁英类、H2S和NH3为预测因子，采用CALPUFF大气模型模拟长丰县垃圾焚烧发电厂运行时排放的各类污染物对大气环境的影响。SO2、NO2、PM10和CO浓度参照执行《环境空气质量标准》（GB3095-2012）中的二级标准；二噁英浓度参照执行日本环境厅中央环境审议会制定的环境标准。预测结果如下：
（1）全年逐时气象条件下，SO2、HCl、NO2、CO、H2S和NH3在环境空气保护目标、网格点处的地面浓度和预测范围内的最大地面小时浓度均满足相应标准要求。
（2）全年逐日气象条件下，PM10、SO2、HCl、NO2、和CO在环境空气保护目标、网格点处的地面浓度和预测范围内的最大地面平均浓度均满足相应标准要求。
（3）长期气象条件下，PM10、SO2、NO2、和二噁英类在环境空气保护目标、网格点处的地面浓度和预测范围内的最大地面年平均浓度均满足相应标准要求。
4.环境风险预测
4.1 二噁英排放事故风险分析
事故工况主要考虑二噁英在事故状态下的生成及再合成。二噁英非正常工况下生成途径有两种：一种是在焚烧炉运行不正常，炉温没有稳定达到850℃及以上，有可能导致二噁英的生成量增多，此时二噁英类产生浓度可能达到80ngTEQ/Nm3，产生量约为8.0mg/h，通过烟气处理后，大部分二噁英类可去除，按烟气净化系统去除率98%计，排放量约0.16mg/h；另一种是在烟气急冷过程中急冷措施不及时，导致烟气在二噁英再合成的适宜温度区间停留过长，也有可能导致二噁英的再合成，此时二噁英类再合成浓度可能达到100ngTEQ/Nm3，产生量约为10mg/h，通过烟气处理后，大部分二噁英类可去除，按烟气净化系统去除率98%计，排放量约0.2mg/h。本次预测对非正常工况下考虑排放量较大的情况即第二种情况进行预测分析。
利用CALPUFF模型对事故工况下的二噁英排放情况进行模拟。由预测结果可知，非正常工况下，二噁英的最大1小时浓度0.186111pg/m3，占标准的15.51%。二噁英各网格点最大1小时浓度依然能够满足标准要求。各敏感点的二噁英最大地面1小时平均浓度所占相应标准的比例在7.97%~11.53%之间。因此非正常工况下，区域各网格点和各关心点二噁英最大影响浓度值均能满足标准要求。
4.2 恶臭排放事故风险分析
为保证生活垃圾焚烧发电厂的正常运行，垃圾在焚烧前会被放置三到五天。这一放置过程使部分垃圾脱水，热值得到提高。在垃圾堆放的过程中会产生许多具有恶臭且有毒的气体，如硫化氢、氨气等。恶臭气体产生的主要来源为堆放垃圾的垃圾仓，其主要污染物为H2S和NH3。恶臭气体主要产生在垃圾卸料平台（包括垃圾贮坑）、垃圾输送皮带两个环节。灰渣经高温燃烧后其恶臭强度较小，垃圾库房由于焚烧炉一次供风利用库房中的空气，使垃圾库房内形成负压，恶臭气体散发较小。垃圾恶臭一般是在焚烧炉停留检修时较为严重，该厂保证垃圾库房内始终形成负压，减小恶臭在停炉检修时的不利影响。
利用CALPUFF模型对事故工况下的H2S排放情况进行模拟。由预测结果可知，非正常工况下，H2S最大1小时浓度为0.014267mg/m3，占标率为142.67%，不能够满足标准要求。各敏感点的H2S最大地面1小时平均浓度所占相应标准的比例在7.90%~50.7%之间。因此，在非正常工况下，垃圾焚烧发电厂排放的H2S在网格点的最大影响浓度超出标准，运行过程中，必须对H2S排放加强管理，减少或杜绝非正常工况排放。
利用CALPUFF模型对事故工况下的NH3排放情况进行模拟。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆由预测结果可知，非正常工况下，NH3的最大1小时平均浓度为0.139449mg/m3，占标率为69.72%。即使实在非正常工况下，NH3各网格点最大1小时浓度依然能够满足标准要求。各敏感点的NH3最大地面1小时平均浓度所占相应标准的比例在3.86%~24.78%之间。因此非正常工况下，垃圾焚烧发电厂排放的NH3在区域各网格点和各关心点最大影响浓度值均能满足标准要求。
一般情况下，垃圾恶臭对排放源50m以外无明显环境影响。本厂垃圾接收、贮存和输送均在封闭的条件下完成，不设露天堆场和人工分拣场。垃圾产生的恶臭在外环境的等级属于2～3级，其强度为认知至明显，主要感官反应是刚能分辨出是什么气味至易于觉察，恶臭的感知距离约在50m范围之内。
5.环境管理与防治对策
5.1焚烧炉烟气治理
5.1.1 焚烧工艺技术
根据设计，垃圾焚烧厂焚烧炉烟气出口温度850℃～950℃，烟气在850℃以上温度停留时间不少于2s，焚烧炉渣热灼减率≤5%，焚烧炉出口烟气中含氧量6%～12％；符合《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB18485-2014）中对焚烧炉技术性能的相关要求。
5.1.2 烟气处理措施
本厂的烟气净化处理系统包括半干法烟气处理系统、袋式除尘器系统、吸收剂存储输送系统、飞灰输送及储存系统等。其中，炉内SNCR脱硝采用20%氨水作为还原剂，喷入焚烧炉炉膛内温度850℃~1000℃的区域。
本厂烟气处理工艺设计脱硝效率为50%、脱硫效率为80%、除尘效率为99.8%、氯化氢去除效率为95%、二噁英类去除效率为98.5%，经过处理后尾气中，主要污染物SO2排放浓度为53.33mg/m3、HCl排放浓度10.42mg/m3、烟尘排放浓度12.5mg/m3、NOx排放浓度为150mg/m3、二噁英类排放浓度0.071ngTEQ/Nm3，满足《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB18485-2014）中相关排放浓度限值要求。
5.2 其它废气控制措施
5.2.1 飞灰收集、储存环节污染防治
在主厂房内设置1处稳定化车间，车间内设置1座450m3的灰仓和1座30m3的水泥仓，其中灰仓容积可储存3天的飞灰量，采用“飞灰+水泥+螯合剂+水”的稳定化工艺，将垃圾焚烧产生的飞灰在厂内进行处理。
垃圾焚烧发电厂运行过程中，焚烧烟气经过净化后产生的飞灰通过密闭的斗式提升机输送至飞灰仓，散装水泥罐车通过压缩空气将散装水泥吹送至水泥料仓。飞灰和水泥按设定比例计量后送至混炼机，混炼机对物料搅拌混合，并按比例均匀加入水，与添加的水泥、螯合剂混合，进行稳定化处理。混炼机进料完毕后，计量装置的气动阀门自动关闭，不再进料，混炼机开始工作。稳定化处理后的飞灰通过密封的车辆装车外运。飞灰收集贮运过程中为避免发生泄漏、扬尘，所以设备均采用全封闭式结构，各联接法兰、门孔填充石棉、玻胶等密封材料。因此，焚烧飞灰的输送、储存、稳定化、转运过程，均在密闭环境中进行，无废气排放口，不会对外环境造成污染。
5.2.2 其他粉尘污染防治
厂区设置了熟石灰仓、活性炭仓、飞灰仓和水泥仓等，共设置了4台袋收尘器；其中在活性炭仓和石灰仓的仓顶各设置1台袋式除尘器，除尘器风量2400m3/h，除尘效率为99.85%；在灰仓和水泥仓的仓顶各设置1台袋式除尘器，风量为4800m3/h，除尘效率为99.85%；熟石灰仓、活性炭仓和水泥仓各除尘器出口处的粉尘排放浓度及排放速率均满足《大气污染物综合排放标准》（GB16297-96）中的要求，飞灰仓除尘器出口处的粉尘排放浓度满足《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB 18485-2014）中的要求。
5.3 恶臭控制措施
5.3.1 恶臭气体的封闭隔离
（1）为防止垃圾运输过程中因颠簸等状况导致渗沥液洒落对周围环境造成污染，采用专用密闭式的垃圾运输车辆对垃圾进行运输，；
（2）为防止臭气外逸对大气环境造成影响，在垃圾卸料大厅的进出口处设置空气幕；在卸料大厅和垃圾池设置喷药系统，定期向卸料大厅、垃圾池内喷洒化学药剂，既可减轻异味，又可防止微生物滋生、进行消毒。
（3）垃圾贮坑采用密封设计，垃圾贮坑与卸料平台间设置自动卸料门，无车卸料时保证垃圾贮坑密封，维持垃圾贮坑微负压（低于正常大气压20Pa～50Pa），减少灰尘飞扬和恶臭外逸；
（4）垃圾贮坑及卸料厅采用人工照明，不设窗户，以增加垃圾贮坑及卸料大厅密封可靠性。
5.3.2恶臭气体有效去除
（1）垃圾池顶部设置带过滤网的抽气口，将臭气抽入炉膛内助燃，同时使垃圾贮坑内形成微负压，防止臭气外逸。
（2）对垃圾贮坑进行规范化管理，使用垃圾抓斗对垃圾进行翻动，使其混合均匀，不仅让进炉垃圾热值均匀，且减少恶臭产生。
（3）当厂区停电时，引风机供电电源切换为事故电源，轮流启动引风机，保持垃圾池内负压并将臭气送入烟囱排放。
（4）垃圾恶臭一般是在焚烧炉停留检修时较为严重。本厂在垃圾贮坑上方配备活性炭吸附系统（检修时启用）。当焚烧炉停炉检修时，垃圾池内维持基本负压，垃圾池内的臭气经风管及风口从垃圾池上部吸出，送入活性炭吸附式装置，臭气污染物经活性炭吸附系统吸附过滤后能达到《恶臭污染物排放标准》相关要求，再由风机排放到大气中。
（5）在卸料大厅安装固定植物喷淋喷头，当负压系统出现故障或设备检修导致臭气外逸时，将空气净化剂雾化喷入空气中。该空气净化机主要成分为专用的天然植物提取液，主要原理是提取液与异味分子结合发生中和、酯化、复合等反应，改变异味分子特性而达到脱除臭味、净化空气作用。
6.结论与讨论
综上所述，本研究选用CALPUFF模型对垃圾焚烧发电厂排放的污染物进行模拟，其模拟过程受多方基础数据共同作用，避免了传统高斯模型模拟结果影响因素单一的弊端，且其采用的多点时空变化的逐时气象场，使模拟结果更接近实际污染物在大气中的扩散情况。在本案例中，除了来自于垃圾焚烧发电厂直接排放的烟气外，还有部分二次粒子来自于硝酸盐和硫酸盐的化学反应，选择考虑相应化学反应的CALPUFF模型进行烟尘预测，提高了预测的准确性。
利用大气模型对大气环境影响做预测具有很强的综合性，所需数据较为庞杂，不仅包括地形、地貌、气象等基础数据，还包括社会经济状况、污染物迁移转化等特征资料。尽管在各位研究人员的努力下，近几年各种新型大气模型不断涌现，但在我国将大气模型应用于模拟、分析实际对象对大气环境影响的研究仍处于刚起步阶段，大气环境影响模拟预测的具体方法和标准还需要做进一步的探索。将大气模型应用到大气环境影响评价，让理论服务于实际，为大气污染的防治、环境相关部门的管理提供依据和思路。这一切还需要相关科研人员在今后的研究不断探索，使我国大气模型的研究和应用蓬勃发展。
参考文献；
[1]张宪生，沈吉敏，厉伟，等.城市生活垃圾处理处置现状分析[J].安全与环境学报，2003（04）：60-64.
[2]王亦楠.我国大城市生活垃圾焚烧发电现状及发展研究[J].宏观经济研究，2010（11）：12-23.
[3]伯鑫，丁峰，徐鹤，等.大气扩散CALPUFF模型技术综述[J].环境监测管理与技术，2009（03）：9-13.
论文作者:陈再贤
论文发表刊物:《电力设备》2017年第4期
论文发表时间:2017/5/15
标签：浓度论文; 垃圾论文; 模型论文; 卸料论文; 恶臭论文; 大气论文; 模块论文; 《电力设备》2017年第4期论文;