大西洋中部电力系统臭氧污染控制

大西洋中部电力系统臭氧污染控制1、臭氧污染概述在地球的高层大气层——平流层中，存在着天然的低浓度臭氧,保护地球表面免受有害紫外线的照射。然而臭氧也会出现在对流层，即大气层的最底层。对流层臭氧是人为产物，是内燃机、发电厂、汽车尾气等造成的空气污染所引起的。燃烧汽油、煤和废弃物等，都会产生氮氧化物气体（NOx）、二氧化硫（SO2）、细颗粒物质和挥发性有机化合物（VOC）。在日照充足的高温天气条件下，二氧化氮分子经过阳光照射，释放出氧原子，这些氧原子又去攻击氧分子，从而形成臭氧。一氧化氮能够与臭氧结合重新生成二氧化氮，此循环过程不断重复。已有研究表明，臭氧和氮氧化物具有日变化特征,白天臭氧浓度呈现先上升后下降的趋势,夜里比较平稳;氮氧化物与臭氧变化趋势呈负相关,白天浓度先下降后升高,夜间浓度大于白天;臭氧的变化与气象条件有关,在晴天上升较快,峰值大,阴天上升慢,峰值小;臭氧的含量还具有明显的季节特征,春季的浓度要比冬季的浓度高。相比于可以肉眼看到的污水、垃圾以及雾霾天气，臭氧是看不到的，因此对人类生产生活的危害同样要重视。臭氧具有强腐蚀性，吸入后会损伤呼吸道和肺组织，也会刺激眼睛，损伤皮肤，当臭氧浓度在200g／m3以上时，会损害中枢神经系统，也会阻碍血液输氧功能，造成组织缺氧，严重时会破坏人体的免疫机能，诱发淋巴细胞染色体畸变。同样，高浓度的臭氧对动物、植物也会造成不同程度的腐蚀损伤。O3的浓度升高是光化学烟雾污染的标志，所谓光化学烟雾，大气的碳氢化合物（HC）和氮氧化物（NOx）等一次污染物在阳光（紫外光）作用下发生光化学反应生成二次污染物，即有害浅蓝色烟雾。光化学烟雾对人和动物的健康、植物的生长、建筑、橡胶等都有极大的破坏。控制臭氧污染首要需要控制氮氧化物的排放。2、大西洋中部电力系统中NOx和SO2排放的动态管理和空气质量的联系Elena及其团队研究了德克萨斯州和大西洋中部电力系统中NOx和SO2排放的动态管理和空气质量的联系。总量控制与排放交易项目最近受联邦政策的青睐，其目的是减少发电单元（EGU）氮氧化物（NOx）和硫化物（SO2）的排放。而NOx和SO2排放减少可以减少酸雨、臭氧峰值的发生和降低空气中细颗粒物的浓度。排放控制或者限制是建立在所有常规排放的基础上，并且会随着时间的推移而日趋严格，相关的排放来源是一些有问题的但是允许在开放市场上购买和出售的排放源，或者是一些与个人行为和项目规定相符合的存储，这些主要是在和平时期实现的。两个最大的项目，通过1990年清洁空气法案修正案的酸雨项目（ARP）和清洁空气州间法案（CAIR）已经收集了数据并统计出相比2005年，2014年全年NOx和SO2排放分别降低了53%和68%。这些项目也表明经济效率和要求控制措施有关，且也被技术和项目的提高所激励。全国空气污染法案（CSAPR），有希望代替CAIR，提出的目的是继续实施电力部门的总量控制与排放交易项目，以期进一步降低美国东半部的NOx和SO2排放。这些项目设计基于不同时间段减排量不同而设计。例如，CAIR是由三个多态总量控制与排放交易项目构成；前两个的目的是减少年NOx和SO2排放量以减少细颗粒物中间态；第三个是减少季节性NOx排放以减少臭氧中间态的形成。尽管CAIR有助于控制季节性和全年性污染物的排放，已有研究表明NOx排放随着排放季节变化危害也不同。由于法案不是立即与气象条件相吻合导致排放时间的减少会引起臭氧浓度峰的形成。结果可知，空气质量动态管理措施会影响空气质量预测水平，时时操作决定有助于减少相应时间段臭氧、细颗粒物的形成和累积。不同时段减排的观念在美国一些地方已经很常见，通过管理手段白天预计有较高水平的臭氧浓度或者志愿参加“臭氧活动日”，鼓励一些组织或者个人志愿参加而不是强制手段，来减少污染物排放。已有研究证实电力部门使用和采取不同时段减排的可行性。Farkas等人发现电需求和NOx排放的紧密联系和新英格兰发生高臭氧的天气。Yun等人发现能量负载可调节污染物排放，并且气象因素也被应用到空气质量预测模型里，最终有助于动态协调策略的实施。Bharvirkar等人和Sun等人模仿使用不同时段价格信号，在美国东部从EGUs在高臭氧天气减少NOx排放。总而言之，这些研究表明不同时段收费在很大程度上有助于降低NOx排放，有很好的灵活性，可以满足不同峰段的要求，价格上较燃烧后控制策略更有竞争力。Sun等人发现，空气质量预测能力可以精确地允许发电单元（EGU）以不同方式调整输出功率策略来减少臭氧峰的产生。Elena及其团队研究目的就是为了评估空气质量和有效花费的关系，通过对不同时间段电厂单独NOx和SO2排放收费或者结合其他技术和季节性市场来实现。对实际操作的计算，例如最小负载和外推，也包括基于控制技术掌握的内部决定能力，这一部分目前没有报道。考虑两个电力系统，德克萨斯州电力可靠性委员会（ERCOT）和一部分宾夕法尼亚-新泽西-马里兰联合，也被命名为大西洋中部（PJM），包括的州有宾夕法尼亚、新泽西、马里兰、特拉华和哥伦比亚特区；这些地区，在产生能源结构上和包括的州的数量上是不相同的。本文的突破在于：比较了不同时段、宽季节并结合管理决策；考虑到产电单元（EGUs）实际操作的限制和内部采取的政策对污染物减少排放的影响；证明了预测区域臭氧和细颗粒物浓度的关系；通过单一污染物和多污染物不同时段价格信号研究了同时减少NOx和SO2排放的可能性。得到的结论如下：宽系统性的减排和从不同时段计费的生产成本同高臭氧天气宽季节性的项目相比是有竞争优势的，并且如果最初的燃煤政策目的是减少在这些天气污染物的排放的话效果更加显著。不同时段收费作为一个全国空气污染法案的补充，可以在很大程度上有益于严重依靠火力发电的大西洋中部（PJM）体系。不同时段收费目的是减少臭氧浓度，也同时减少了细颗粒物的浓度，但如果把细颗粒物的减少作为主要目的，外加其他不同时段整改措施可能会获得更好的效果。Caroline等人研究了在高需能时间段，产电峰和颗粒物排放的关系。低估通过空气质量模型得到的大气污染峰会阻碍有效地开发保护人类健康和环境的策略。美国环境保护机构群落多尺度空气质量模型（CMAQ）日常就低估了臭氧峰和细小颗粒物浓度。产电单元的不均实时分配有助于减少模型的错误率。在宾夕法尼亚-新泽西-马里兰州(PJM)电力市场超过30%的CEM(连续排放监控)和全国45%的都与2008年的NEI（国家排放清单）不相匹配。2006年7月，美国需电高峰期，考虑到产电单元排放峰，和提高的大气PM2.5排放量，他们发现，匹配到在PJM每小时排放量267CEM/NEI(在PJM和全国范围没有匹配的大约为49%和12%)，依据为国家允许排放量，电力分流模型和CEM。最大的CMAQPM2.5量，硫化物，碳元素分别增加到83%，103%和310%，表面分别为51%，75%和38%（800mb）。3、结论发电单元（EGU）会产生氮氧化物（NOx）和硫化物（SO2）的大量排放，造成酸雨、臭氧峰值和空气中细颗粒物的浓度增加等环境污染。相比2005年，2014年美国全年NOx和SO2排放分别降低了53%和68%，表明充分发挥经济效率和强制要求控制措施对缓解环境压力有显著的成效。CAIR是由三个多态总量控制与排放交易项目构成:前两个的目的是减少年NOx和SO2排放量以减少细颗粒物中间态；第三个是减少季节性NOx排放以减少臭氧中间态的形成。但已知，NOx排放随着排放季节变化危害也不同。因此，美国全国空气污染法案（CSAPR），有希望代替CAIR，继续实施电力部门的总量控制与排放交易项目，通过空气质量动态管理，采取不同时段收费，实时操作、决定，有助于减少严重依赖火力发电的美国东半部NOx和SO2排放，进而进一步减少相应时间段臭氧、细颗粒物的形成和累积。减少臭氧带来的环境污染，要严格控制NOx和SO2排放，通过对发电单元的实时监测和不同时段收费可以有效缓解环境污染，这对缓解我国的发电产业造成的空气污染也有很大的启发。除此之外，我们还可以对垃圾焚烧实时监测，出行高峰期汽油柴油等不同时段收费不同，大力发展清洁能源，从而进一步缓解对流层的臭氧污染，改善人类生存居住环境。哈[1-6]参考文献[1]Mcdonald-BullerE,KimuraY,CraigM,etal.DynamicManagementofNOxandSO2EmissionsintheTexasandMid-AtlanticElectricPowerSystemsandImplicationsforAirQuality[J].EnvironmentalScience&Technology.2016,50(3):1611-1619.[2]SunL,WebsterM,McgaugheyG,etal.FlexibleNOxAbatementfromPowerPlantsintheEasternUnitedStates[J].ENVIRONMENTALSCIENCE&TECHNOLOGY.2012,46(10):5607-5615.[3]MesbahSM,HakamiA,SchottS.OptimalOzoneControlwithInclusionofSpatiotemporalMarginalDamagesandElectricityDemand[J].ENVIRONMENTALSCIENCE&TECHNOLOGY.2015,49(13):7870-7878.[4]MccurryDL,QuayAN,MitchWA.OzonePromotesChloropicrinFormationbyOxidizingAminestoNitroCompounds[J].ENVIRONMENTALSCIENCE&TECHNOLOGY.2016,50(3):1209-1217.[5]PappinAJ,MesbahSM,HakamiA,etal.ResponsetoCommentonDiminishingReturnsorCompoundingBenefitsofAirPollutionControl?TheCaseofNOxandOzone[J].ENVIRONMENTALSCIENCE&TECHNOLOGY.2016,50(1):502-503.[6]FarkasCM,MoellerMD,FelderFA,etal.TemporalizationofPeakElectricGenerationParticulateMatterEmissionsduringHighEnergyDemandDays[J].EnvironmentalScience&Technology.2015,49(7):4696-4704.