贮灰场扬尘环境影响预测评价方法

芦祖光

（中国电力工程集团东北电力设计院有限公司，长春 130021）

贮灰场是火力发电厂重要的污染源之一，其扬尘环境影响评价的准确与否，已成为国内外研究的重点。鉴于GB 18599—2001《一般工业固体废物贮存、处置场污染控制标准》修改单的颁布（环境保护部公告2013年第36号），取消了贮灰场场界距居民集中区500m 以外的要求，而是由环境影响评价结论确定场址的位置及其与周围人群的距离，经具有审批权的环境保护行政主管部门批准，并作为规划控制的依据，因此如何进行贮灰场扬尘的环境影响预测，确定合理的贮灰场与环境敏感点（本文主要指居民区）的距离就显得尤为重要。以下在对美国国家环境保护局推荐的堆料扬尘排放量的估算方法［1－2］进行适当修正的基础上，估算贮灰场总悬浮颗粒物（TSP）及PM10的排放量，采用HJ 2.2—2008《环境影响评价技术导则——大气环境》中推荐的估算模式进行影响预测，确定合理的贮灰场与环境敏感点（居民区）间的防护距离。

1 贮灰场扬尘环境影响评价的现状

燃煤电厂贮灰场扬尘环境影响评价，关键的问题就是如何确定灰场扬尘的起尘量，然而贮灰场堆灰被风吹起的过程极其复杂，迄今为止人们对其机理的了解甚微［3］，很难通过大气现场直接测定其起尘量。有些学者通过风洞试验确定了影响该物理过程的一些因子，如风速、湿度、颗粒物粒径等［4］，然而目前国内对于堆料场扬尘的环境影响评价尚没有统一的源强估算方法，积累的资料亦较少。采用秦皇岛煤堆起尘量计算方法［5－6］对煤场扬尘的影响因素做了分析，通过对煤场起尘量及不同风速不同含水率下对煤场扬尘进行估算，并采用HJ/T 2.2－93《环境影响评价技术导则——大气环境》中的模式对煤场下风向的TSP落地浓度进行了预测，其扬尘源强估算模式考虑了煤场平均风速、煤尘启动风速、煤尘表面含水率及年堆煤量等因素，但没有考虑颗粒物的粒径分级，其采用的风速亦为地面10 m 的监测风速，而没有考虑近地面风速廓线变化规律及地面粗糙度的影响；《辽宁沈抚连接带热电厂“上大压小”新建项目环境影响报告书》采用R.A 拜格诺半经验公式对贮灰场扬尘进行环境影响预测与评价，该半经验公式主要考虑了平均风速及干灰的含水率等因素，经验公式考虑的影响因素较为单一；《西宁热电厂一期2×300 MW 级热电联产工程环境影响报告书》采用西安冶金建筑学院的起尘量推算公式对该工程的贮灰场扬尘进行了环境影响评价，其灰场扬尘排放量估算模式主要考虑了启动风速、干灰的含水率及灰场的起尘面积等因素，没有考虑到颗粒物粒径分级、近地面风速廓线变化规律及地面粗糙度等影响［1］；采用等效点源模式对不碾压及碾压状态下的贮灰场二次扬尘进行了环境影响预测分析，其采用的灰场扬尘排放量估算模式与秦皇岛煤堆起尘量相似，不同的是考虑了颗粒物的粒径分级，但是没有考虑启动风速、近地面风速廓线变化规律。

目前国内的几种灰场扬尘排放量的估算方法均在不同程度上存在缺陷及不足，最主要的问题在于其扬尘排放量估算方法均没有考虑近地面的摩擦风速及地表粗糙度的影响。鉴于目前国内在灰场扬尘排放量估算上存在的不足，充分考虑颗粒物的粒径分级、近地面摩擦风速及地表粗糙度、灰渣加湿及碾压对扬尘起尘量的影响，因此有必要对美国国家环境保护局推荐的堆料扬尘排放量的估算方法［1，7］进行适当修正的基础上，估算贮灰场TSP及PM10的排放量，采用HJ 2.2—2008中推荐的估算模式进行影响预测，确定合理的贮灰场与环境敏感点（居民区）间的防护距离。

2 灰场扬尘源强的估算方法

贮灰场灰表面受风扰动后引起的颗粒物排放的排放因子EP可以用下式计算：

式中：k为粒径大小因子，无量纲，其大小随颗粒物粒径的大小变化而变化，当粒径小于100μm、30 μm、15μm、10μm、2.5μm 时，对应的k值分别是2.1、1.0、0.6、0.5、0.2；N为堆料受扰动的次数；Pi为第i次扰动中观察的最大风速的风蚀潜势。

干燥暴露表面的风蚀潜势可由式（2）计算得到：

式中：u＊为摩擦风速；为阈值摩擦风速，即起尘的临界摩擦风速，低于此值时就认为不起尘。

由于灰场堆灰时均需对灰渣进行加湿及碾压处理，故结合火电厂实际情况对加湿及碾压后的灰面风蚀潜势进行适当修正，修正后的风蚀潜势为：

式中n为灰渣加湿及碾压修正系数。

另根据混合长理论［8］，有：

式 中：Km为 湍 流 粘 性 系 数；u为 地 面 风 速；z为 风 速检测高度；κ为卡曼常数，一般取0.4，此值在大气边界层中经过试验验证，与流体力学实验结果相当一致［8］。

则由式（4）、（5）得到：

假设近地面层摩擦风速不随高度变化，对式（6）积分，并设z＝z0处，u＝0，得到对数风速廓线：

式中z0为地表粗糙度，作为近地面层下边界出现的几何长度。

3 计算模式选择

采用估算模式（SCREEN3）对贮灰场的扬尘环境影响进行预测评价，SCREEN3 采用了单源高斯烟羽扩散模式，适合模拟小尺度范围内流场一致的气态污染物的传输与扩散，可用于模拟点源、面源和体源等污染源的最大地面浓度，其嵌入了多种预设的气象组合条件，包括一些最不利的气象条件，此类气象条件有可能发生，也有可能不发生，经估算模式计算出的最大地面浓度大于进一步预测模式的计算结果，因此其计算结果是保守的。计算方程为［9］：

式中：C为接受点污染物的落地质量浓度；Q为污染源排放强度；U为排气筒出口风速；σy、σz分别y和z方向扩散参数；z为接受点离地面的高度；He为排气筒有效高度；h为混合层高度；k为烟羽从地面到混合层之间的反射系数，一般大于4。

面源模式则是通过把每个面源单元简化为一个“等效点源”，可用点源公式来计算面源造成的污染浓度或者通过面源积分的方法得到全部面源造成的浓度分布。

4 计算实例

北方某300 MW 级城市供热电厂，对贮灰场扬尘环境影响进行预测分析与评价。根据电厂所在地近20年气象资料，该地年平均气温为2.5 ℃，多年平均风速为2.5m/s，最大风速为18m/s。该电厂为2台350 MW 超临界供热机组，单台机组设计煤质燃煤量为219.58t/h，收到基灰分质量分数为16.84%，采用双室五电场静电除尘器，除尘效率为99.80%，灰渣产生量为74.5t/h，粉煤灰堆积密度按555kg/m3考虑，则该电厂产生灰渣约为134.23 m3/h。在电厂灰渣综合利用不畅时，电厂满负荷运行1h产生的灰渣全部进入临时备用贮灰场堆存，按堆存高度1m 考虑，则灰渣在灰场1h的堆存面积为134.23m2，按单台贮灰罐车运灰量20t考虑，则每小时需4辆运灰罐车，每辆车卸灰宽度按5 m考虑，则1h 内形成的堆灰长度为20 m，宽度为6.71m。

为了确定贮灰场与环境敏感点（居民区）的防护距离，假定最不利工况，即在大风季节电厂灰渣综合利用不畅，电厂产生的1h灰渣全部进入贮灰场堆存。则在此最不利工况条件下，根据（1）至（8）式计算，贮灰场排放TSP为21.66kg/h、PM10为5.11 kg/h。（该项目贮灰场坐在位置地表类型为多树及树篱、少有建筑物，故取0.3m；依据参考文献［9］，阈值摩擦风速取0.57m/s。）

应用SCREEN3估算模式进行计算，贮灰场下风向不同距离处的TSP 及PM10落地浓度计算结果见表1。

表1 贮灰场下风向不同距离处的TSP及PM10落地质量浓度 μg/m3

由于GB 3095—2012《环境空气质量标准》中没有TSP及PM10小时标准限值，参照HJ 2.2—2008响评价及文献［2］，取TSP及PM10日平均浓度的3倍值进行评价，即TSP二级小时评价标准为900μg/m3，PM10二级小时评价标准为450μg/m3。

由表1可以看出，该电厂贮灰场在最不利工况下，在贮灰场下风向650 m 处TSP 的落地浓度为811.00μg/m3，达到了二级标准限值的要求；在贮灰场下风向400m 处PM10的落地浓度为436.00 μg/m3，达到了二级标准限值的要求，因此针对该电厂贮灰场建议的贮灰场与环境敏感点（本文主要指居民区）最近距离不得小于650m。

5 结论

本文对美国国家环境保护局推荐的对料场扬尘起尘量计算方法进行了适当修正，综合考虑颗粒物的粒径分级、近地面摩擦风速及地表粗糙度、灰渣加湿及碾压对贮灰场扬尘起尘量的影响，采用HJ 2.2—2008中推荐的估算模式，在电厂贮灰场最不利运行工况下，计算了贮灰场下风向TSP 与PM10的落地浓度，结果表明：在贮灰场下风向650 m 处，TSP落地浓度达到了二级评价标准限值的要求；在贮灰场下风向400m 处，PM10落地浓度达到了二级评价标准限值的要求。

根据国内同类工程贮灰场验收监测数据，结合公式预测结果，建议贮灰场与环境敏感点（居民区）的最近距离为650m。

［1］ 郭宇宏，申家慧，高利军.火力发电厂及供热站灰渣场二次扬尘环境影响的定量核算及其综合治理途径探讨［C］//大气环境科学技术研究进展.北京：中国环境科学出版社，2005：231－238.

［2］ Update of fugitive dust factors in AP－42section 11.2－wind erosion，MRI NO.8985－K［R］.Kansas City，MO：Midwest Research Institute，1988.

［3］ 宣捷.低层大气中固体粒子运动及其物理模拟［J］.环境科学学报，1998，18（4）：350－355.

［4］ Gillette D A.A wind tunnel simulation of the erosion of soil：effect of soil texture，wind speed and soil consolidation on dust production［J］.Atmospheric Environment，1978，12：1735－1743.

［5］ 高艳艳，潘俊，何晨玲.煤场扬尘影响预测与措施研究［J］.工业安全与环保，2007，33（11）：40－42.

［6］ 王宝章，齐鸣，徐铀，等.煤炭装卸、堆放起尘规律及煤尘扩散规律的研究［J］.交通环保，1986，（增刊1）：3－12.

［7］ 谢绍东，齐丽.料堆风蚀扬尘排放量的一个估算方法［J］.中国环境科学，2004，24（1）：49－52.

［8］ 盛裴轩，毛节泰，李建国，等.大气物理学［M］.北京：北京大学出版社，2003：232，243－246.

［9］ 王栋成，王静，曹洁，等.大气环境防护距离与卫生防护距离确定技术对比研究［J］.气象与环境学报，2009，25（4）：66－71.