北京冬季霧霾及其治理措施分析

楊建祥，楊 楠

(1.電力規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120；2.密歇根州立大學(xué)，美國 密歇根州 48823)

北京冬季霧霾及其治理措施分析

楊建祥1，楊 楠2

(1.電力規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120；2.密歇根州立大學(xué)，美國 密歇根州 48823)

通過對北京市2016年11－12月環(huán)境空氣質(zhì)量分析，得出冬季環(huán)境空氣污染的主要因子為PM2.5，氮氧化物是形成PM2.5污染的主要因素。工業(yè)燃煤減排可有效減輕北京市PM2.5污染，可通過對超標(biāo)排放源進(jìn)行環(huán)保改造使其達(dá)標(biāo)運行；對達(dá)標(biāo)排放源，建議研究提高環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，以減少二氧化硫和氮氧化物排放量。

PM2.5；霧霾；治理措施。

1 北京冬季霧霾狀況的分析

對于2016年11月1日0時－12月31日23時在北京朝陽區(qū)奧體中心測站的PM2.5、SO2、NOx、O3地面濃度實測值的分析結(jié)果如下：

1.1 PM2.5濃度情況

PM2.5平均值為113 μg/m3，超過了《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095－2012)的一級標(biāo)準(zhǔn)值35 μg/m3和二級標(biāo)準(zhǔn)值75 μg/m3。

PM2.5濃度的頻率分布如下，低于35 μg/m3的出現(xiàn)幾率為28.05%，位于35～75 μg/m3之間的出現(xiàn)幾率為15.56%，大于75 μg/m3的出現(xiàn)幾率為56.39%。

根據(jù)北京市2015年環(huán)境狀況公報，北京市PM2.5濃度監(jiān)測結(jié)果表明，位于北部邊界的京東北和京西北區(qū)域點的PM2.5年平均濃度值為54.5 μg/m3，低于全市平均水平32.4%；位于南部邊界的京西南、京東南和京南區(qū)域點的PM2.5年平均濃度值為104.7 μg/m3，高于全市平均水平29.9%。因此，北京市PM2.5濃度空間分布為高值區(qū)位于北京市南部邊界，低值區(qū)位于北京市西部和北部邊界，市區(qū)位于從高值區(qū)到低值區(qū)之間過渡區(qū)域。由上述濃度分布來看，PM2.5輸送方向為由南向北輸送。

1.2 SO2濃度平均值和頻率分布

SO2濃度平均值為14.19 μg/m3，低于《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095－2012)規(guī)定的1 h平均值一級標(biāo)準(zhǔn)值150 μg/m3。

SO2濃度的頻率分布如下，低于20 μg/m3的出現(xiàn)幾率為72.28%，位于20～50 μg/m3之間的出現(xiàn)幾率為27%，大于50 μg/m3的出現(xiàn)幾率為0.72%。

1.3 NOx濃度平均值和頻率分布

NOx濃度平均值為72.47 μg/m3，低于《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095－2012)規(guī)定的1 h平均值一級標(biāo)準(zhǔn)值200 μg/m3。

NOx濃度的頻率分布如下，低于40 μg/m3的出現(xiàn)幾率為19.21%，位于40～80 μg/m3之間的出現(xiàn)幾率為40.21%，位于80～200 μg/m3之間的出現(xiàn)幾率為40.36%，大于200 μg/m3的出現(xiàn)幾率為0.22%。

1.4 O3濃度平均值和頻率分布

O3濃度平均值為15.91 μg/m3，低于《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095－2012)規(guī)定的1 h平均值一級標(biāo)準(zhǔn)值160 μg/m3。

O3濃度的頻率分布如下，低于50 μg/m3的出現(xiàn)幾率為90.16%，位于50～100 μg/m3之間的出現(xiàn)幾率為9.84%，大于100 μg/m3的出現(xiàn)幾率為0%。

由上可見，北京市2016年11月1日－12月31日環(huán)境空氣質(zhì)量中SO2、NOx、O3地面濃度值均低于《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095－2012)規(guī)定的1 h平均值一級標(biāo)準(zhǔn)值，但PM2.5地面濃度值超過了《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095－2012)的一級標(biāo)準(zhǔn)值35 μg/m3和二級標(biāo)準(zhǔn)值75 μg/m3。環(huán)境空氣污染的主要因子為PM2.5。

1.5 PM2.5成因分析

根據(jù)Joseph S. Scire1的研究結(jié)果，PM2.5主要包括硫酸鹽和硝酸鹽氣溶膠。硫酸鹽氣溶膠由SO2轉(zhuǎn)換而成。硝酸鹽氣溶膠由NOx轉(zhuǎn)化成，它包括硝酸銨和有機硝酸鹽如過氧乙?；跛狨サ?。

北京市PM2.5濃度空間分布呈現(xiàn)南部地區(qū)濃度高、北部地區(qū)濃度低的特點，污染物輸送方向為由南向北輸送。

根據(jù)北京市環(huán)境保護局發(fā)布的2014年環(huán)境狀況公報，北京市全年P(guān)M2.5來源中區(qū)域傳輸貢獻(xiàn)占28%～36%，本地污染排放貢獻(xiàn)展64%～72%。在本地污染貢獻(xiàn)中，機動車、燃煤、工業(yè)生產(chǎn)、揚塵為主要來源，分別占31.1%、22.4%、18.1%、14.3%。PM2.5的主要成分為有機物、硝酸鹽、硫酸鹽、地殼元素、氨鹽，分別占PM2.5質(zhì)量濃度的26%、17%、16%、12%、11%。

經(jīng)過對北京朝陽區(qū)奧體中心測站2016年11月1日0時－12月31日23時地面PM2.5濃度與NOx濃度進(jìn)行相關(guān)分析，得出計算PM2.5濃度的經(jīng)驗公式如下：

式中：CPM2.5為地面PM2.5濃度值( μg/m3)；CNO2為地面NOx濃度值( μg/m3)。

PM2.5濃度與NOx濃度的相關(guān)系數(shù)為0.844。

這說明NOx濃度對于PM2.5濃度的增長起著主導(dǎo)性作用。

因此，NOx、SO2、揮發(fā)性有機化合物是形成PM2.5污染的主要因素，其中NOx起主導(dǎo)性作用。

2 減少PM2.5措施的分析

2.1 不同SO2和NOx入口濃度對減排成本的影響

根據(jù)史建勇2的研究結(jié)果，當(dāng)機組容量為300 MW、脫硫效率為95%時，燃煤含硫量分別為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%時的噸SO2脫除成本的比較見表1。

表1 不同含硫量工況下噸SO2脫除成本

由表1可見，在煙氣量和脫硫效率一定時，隨著含硫量的提升，噸SO2脫除成本是下降的，即燃煤含硫量越高，單位SO2減排難度更小。隨著含硫量的增加，年總運行成本增加，同時年SO2減排量也是增加的，但是年總運行成本增加的幅度小于污染物減排量增加的幅度，因此其噸SO2減排成本降低。使用含硫量為1%的燃煤要比含硫量為0.5%的燃煤的噸SO2脫除成本下降約44%，其下降幅度是很明顯的。

當(dāng)機組容量為300 MW、脫硝效率為80%時，NOx入口濃度分別為200 mg/m3、400 mg/m3、600 mg/m3、800 mg/m3時的噸NOx脫除成本的比較見表2。

表2 不同NOx入口濃度下噸NOx脫除成本

由表2可見，在煙氣量和脫硝效率一定時，隨著NOx入口濃度的提升，噸NOx脫除成本是下降的，即NOx入口濃度越高，單位污染物減排難度越小。隨著NOx入口濃度的增加，年總運行成本增加，同時年NOx減排量也是增加的，但是年總運行成本增加的幅度小于NOx減排量增加的幅度，因此其噸NOx減排成本將會下降。

2.2 污染源分析

根據(jù)《中國環(huán)境年鑒2015》、《2015年北京市環(huán)境狀況公報》、《2015年河北省環(huán)境狀況公報》、《河北經(jīng)濟年鑒2015》，得到北京和河北省的SO2和NOx排放量，詳見表3。

表3 北京和河北省的SO2排放量(104t/a)

由表3可見，北京市和河北省的SO2排放量主要來自于工業(yè)。

表4 北京和河北省的NOx排放量(104t/a)

由表4可見，北京市NOx排放量主要來自于機動車，其次為工業(yè)；河北省NOx排放量主要來自于工業(yè)，其次為機動車。

2014年北京市機動車NOx年排放量約為7.22×104t，按照北京市機動車保有量561萬輛，每輛私人小汽車年均行駛里程1.5×104km，汽車NOx排放率為0.86 g/km。參照美國經(jīng)驗，未進(jìn)行控制情況下汽車NOx排放率為2.55 g/km，進(jìn)行控制情況下汽車NOx排放率為0.62 g/km。北京汽車NOx排放率接近進(jìn)行控制情況下汽車NOx排放率，進(jìn)一步減排空間較小。

因此，北京市及其周邊地區(qū)減排SO2和NOx主要領(lǐng)域在工業(yè)。

根據(jù)《中國環(huán)境年鑒2015》、《河北經(jīng)濟年鑒2015》，得到2014年北京和河北省的燃煤量，詳見表5。

表5 北京和河北省的燃煤量(104t/a)

根據(jù)上述幾個表的數(shù)據(jù)，可以推算出2014年北京和河北2014年工業(yè)燃煤排放煙氣中SO2和NOx濃度值，其中北京工業(yè)燃煤產(chǎn)生的NOx排放量需扣除燃天然氣產(chǎn)生的NOx年排放量1.6×104t/a，詳見表6。

表6 2014年北京和河北工業(yè)燃煤煙氣中污染物排放濃度值

由表6所給出的工業(yè)燃煤煙氣中污染物排放濃度值可見，與燃煤電廠執(zhí)行的超低排放限值相比，工業(yè)燃煤具有減排SO2和NOx的空間。

從蔚藍(lán)地圖提供的廢氣源排放數(shù)據(jù)來看，北京周邊地區(qū)的廢氣排放源分成兩類，一類為達(dá)標(biāo)排放廢氣源，另一類為超標(biāo)排放廢氣源。下面分別就這兩類污染源進(jìn)行分析。

2.3 超標(biāo)排放廢氣源

對于超標(biāo)排放廢氣源，舉2個例子進(jìn)行說明。

以北京周邊地區(qū)某水泥廠為例，該廠具有4000 t/d新型干法水泥生產(chǎn)線，日產(chǎn)熟料4000 t，年產(chǎn)水泥約167萬t。該公司水泥生產(chǎn)線的廢氣處理工藝為袋式除塵器，沒有脫硫和脫硝裝置，導(dǎo)致2016年11月25日13時窯尾煙氣中SO2排放濃度值約為375 mg/m3，超過了標(biāo)準(zhǔn)值200 mg/m3，NOx排放濃度值約為991 mg/m3，超過了標(biāo)準(zhǔn)400 mg/m3。

Joe Horton等人在美國4個水泥廠進(jìn)行了SNCR脫硝裝置示范性試驗，試驗結(jié)果表明在采用低氮燃燒方式和SNCR脫硝裝置后NOx排放濃度低于80 mg/m3，脫硝效率達(dá)到40%。

以北京周邊地區(qū)某焦化廠為例，該焦化廠具有110萬t/a焦化項目，焦?fàn)t煙氣尚未配備脫硫脫硝治理措施，在2017年1月11日4時，1號焦?fàn)t煙囪SO2和NOx排放濃度分別為323 mg/m3和845 mg/m3，2號焦?fàn)t煙囪SO2和NOx排放濃度分別為117 mg/m3和1112 mg/m3，超過了標(biāo)準(zhǔn)值50 mg/m3和500 mg/m3。

根據(jù)A.V. Velichko的介紹，焦?fàn)t煙氣可采用SCR脫硝裝置去除NOx，位于日本千葉的川崎鋼廠在1987年采用SCR脫硝裝置凈化焦?fàn)t煙氣，脫硝效率可達(dá)到80%以上。

如果能對上述兩個企業(yè)加裝脫硫和脫硝裝置，則可有效降低SO2和NOx排放濃度、實現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。

2.4 達(dá)標(biāo)排放廢氣源

對于達(dá)標(biāo)排放廢氣源，從不同行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)角度來分析減排空間

根據(jù)《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB4915－2013)、《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13271－2001)、《煉焦化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB16171－2012)、《硝酸工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB26131－2010)、《硫酸工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB26132－2010)、《煉鐵工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB28663－2012)、《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223－2011)和國家發(fā)展和改革委員會等三部委聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于印發(fā)＜煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014－2020年)＞的通知》(發(fā)改能源［2014］2093號)，水泥制造企業(yè)、鍋爐、煉焦化學(xué)工業(yè)企業(yè)、硝酸工業(yè)企業(yè)、硫酸工業(yè)企業(yè)、煉鐵生產(chǎn)企業(yè)、火電廠執(zhí)行的大氣污染物排放濃度排放限值見表7。

表7 不同行業(yè)大氣污染物排放濃度排放限值

由表7可見，與火電行業(yè)目前執(zhí)行的超低排放限值相比，可以發(fā)現(xiàn)水泥制造企業(yè)、鍋爐、煉焦化學(xué)工業(yè)企業(yè)、硝酸工業(yè)企業(yè)、硫酸工業(yè)企業(yè)、煉鐵生產(chǎn)企業(yè)均有通過提高排放標(biāo)準(zhǔn)、減少SO2和NOx排放量的空間。由于上述行業(yè)的燃煤排放煙氣中SO2和NOx排放濃度值高于火電行業(yè)燃煤排放煙氣中污染物濃度值，每噸SO2和NOx減排成本低于火電行業(yè)相應(yīng)的減排成本。因此，提高水泥制造企業(yè)、鍋爐、煉焦化學(xué)工業(yè)企業(yè)、硝酸工業(yè)企業(yè)、硫酸工業(yè)企業(yè)、煉鐵生產(chǎn)企業(yè)的排放標(biāo)準(zhǔn)、減少SO2和NOx排放量是合適的。

根據(jù)美國環(huán)保局的新固定源性能標(biāo)準(zhǔn)3，水泥行業(yè)執(zhí)行的排放標(biāo)準(zhǔn)為每噸熟料NOx排放量小于1.5磅，折算后排放濃度限值為114 mg/m3，每噸熟料SO2排放量小于0.4磅，折算后排放濃度限值為30 mg/m3；燃煤工業(yè)鍋爐NOx排放濃度限值為246 mg/m3，SO2排放濃度限值為615 mg/m3。與美國環(huán)保局的新固定源性能標(biāo)準(zhǔn)相比，國內(nèi)水泥廠、燃煤工業(yè)鍋爐均有提高環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)、減排SO2和NOx的空間。

3 結(jié)論和建議

(1)北京市冬季環(huán)境空氣污染的主要因子為PM2.5。SO2、NOx、O3地面濃度值均達(dá)標(biāo)。NOx是形成PM2.5污染的主要因素。北京市PM2.5濃度呈現(xiàn)南部地區(qū)濃度高、北部地區(qū)濃度低的特點，PM2.5輸送方向為由南向北輸送。

(2)工業(yè)燃煤減排SO2和NOx可有效減輕北京市PM2.5污染。工業(yè)燃煤減排途徑分成超標(biāo)排放源和達(dá)標(biāo)排放源兩個方面。對于超標(biāo)排放源，應(yīng)通過加裝脫硫和脫硝裝置使其達(dá)標(biāo)運行；對于達(dá)標(biāo)排放源，建議對照美國、日本等發(fā)達(dá)國家排放標(biāo)準(zhǔn)，研究提高水泥制造企業(yè)、鍋爐、煉焦化學(xué)工業(yè)企業(yè)、硝酸工業(yè)企業(yè)、硫酸工業(yè)企業(yè)、煉鐵生產(chǎn)企業(yè)等行業(yè)環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，以減少SO2和NOx排放量。

[1]Joseph S. Scire, A User’s Guide for the CALPUFF Dispersion Model,Concord， Earth Tech, Inc. January 2000．

[2]史建勇．燃煤電站煙氣脫硫脫硝技術(shù)成本效益分析[D]．杭州：浙江大學(xué)，2015．

[3]40 CFR Part 60 STANDARDS OF PERFORMANCE FOR NEW STATIONARY SOURCES，US Environmental Protection Agency．

[4]Joe Horton et al, Use of SNCR to control emissions of oxides of nitrogen from cement plants[J]．IEEE ，2006，(06)．

[5]A. V. Velichko， L. B. Pavlovich．Removing Nitrogen Oxides from Coke_Furnace Smokestack Gases[J]．COKE AND CHEMISTRY，2012，55 (3)．

Analysis and Treatment Measure of Winter Haze in Beijing

YANG Jian-xiang1, YANG Nan2
(1.Electric Power Planning & Engineering Institute, Beijing 100120, China; 2. Michigan State Universify, Michigan 48823, USA)

Based on the air quality analysis in Beijing from November to December 2016, the main factor of air pollution is fine particulate matter (PM2.5), and the Nitrogen Oxide (NOx) is the main reason of particulates pollution. The basic idea is restricting coal-burning pollutants in surrounding industrial areas. For emission source exceeding the standard, environmentally reconstruction is advised to reach the environmental criteria. For emission source meets the standard, improving emission standard is advised to reduce the discharge of Sulfur Dioxide(SO2) and Nitrogen Oxide(NOx).

fine particulate matter; honze; control measures.

X32

A

1671-9913(2016)04-0076-05

2017-03-01

楊建祥(1965- )，男，江蘇張家港人，教授級高級工程師，主要從事電力環(huán)保咨詢、電力環(huán)保規(guī)劃研究。