中國(guó)鋼鐵行業(yè)大氣污染物排放清單管理系統(tǒng)研究*

伯 鑫 甄瑞卿 屈加豹 趙曉宏 田 軍 張 紅 李冬溦 周北海

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083；2.環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評(píng)估中心,北京 100012； 3.國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境影響評(píng)價(jià)數(shù)值模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012；4.北京京誠(chéng)嘉宇環(huán)境科技有限公司，北京 100053； 5.河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,河北 石家莊 050018； 6.南京大學(xué)環(huán)境規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,江蘇 南京 210093；7.北京博世科環(huán)?？萍加邢薰?北京 100012)

中國(guó)鋼鐵行業(yè)大氣污染物排放清單管理系統(tǒng)研究*

伯 鑫1,2,3甄瑞卿4屈加豹2,5趙曉宏2,3田 軍6張 紅4李冬溦7周北海1#

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083；2.環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評(píng)估中心,北京 100012； 3.國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境影響評(píng)價(jià)數(shù)值模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012；4.北京京誠(chéng)嘉宇環(huán)境科技有限公司，北京 100053； 5.河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,河北 石家莊 050018； 6.南京大學(xué)環(huán)境規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,江蘇 南京 210093；7.北京博世科環(huán)保科技有限公司,北京 100012)

針對(duì)目前鋼鐵行業(yè)大氣污染物清單編制和管理過(guò)程中存在的問(wèn)題和需求，利用全國(guó)污染源排放在線監(jiān)測(cè)(CEMS)數(shù)據(jù)、環(huán)境影響評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)、環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、污染源普查數(shù)據(jù)等資料，建立了基于生產(chǎn)工藝的全國(guó)鋼鐵行業(yè)大氣污染物排放清單管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了排放清單的動(dòng)態(tài)化管理和編制等功能。以山東省為例，驗(yàn)證了系統(tǒng)清單生成、輸出等功能，結(jié)果顯示2012年山東省鋼鐵企業(yè)SO2、NOx、煙粉塵排放量分別為15.23萬(wàn)、18.16萬(wàn)、8.97萬(wàn)t，其中燒結(jié)和高爐工藝是主要排污環(huán)節(jié)；從空間分布來(lái)看，萊蕪、日照兩市的鋼鐵企業(yè)污染排放量最大，SO2、NOx、煙粉塵排放量合計(jì)占山東省排放總量的50%左右。

鋼鐵行業(yè) 工藝分析 排放清單 管理系統(tǒng)

我國(guó)是鋼鐵生產(chǎn)大國(guó)，自1996年起我國(guó)鋼鐵產(chǎn)量一直穩(wěn)居世界首位[1]。隨著鋼鐵產(chǎn)量的增加，我國(guó)鋼鐵行業(yè)大氣污染物排放量也呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)。2009年，鋼鐵行業(yè)煙粉塵排放量占全國(guó)工業(yè)煙粉塵排放量的比例由2005年的11.6%上升至13.3%。面對(duì)日益突出的大氣污染問(wèn)題，鋼鐵行業(yè)已成為了區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控、限產(chǎn)限排等的焦點(diǎn)行業(yè)之一。開展全國(guó)鋼鐵行業(yè)排放清單研究，將有助于推動(dòng)鋼鐵全行業(yè)的節(jié)能減排及環(huán)境管理政策制定。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼鐵行業(yè)污染排放清單開展了大量研究。伯鑫等[2]以鋼鐵行業(yè)調(diào)研資料、企業(yè)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、污染源調(diào)查數(shù)據(jù)等為基礎(chǔ)，自下而上建立了基于工藝的京津冀地區(qū)鋼鐵行業(yè)排放清單；王堃等[3]根據(jù)全國(guó)鋼鐵工業(yè)年鑒等統(tǒng)計(jì)資料，自上而下建立了2011年中國(guó)鋼鐵行業(yè)重金屬排放清單；很多研究機(jī)構(gòu)還針對(duì)不同區(qū)域和行業(yè)(水泥、火電、交通等)建立了相應(yīng)的排放清單[4-23]。目前，關(guān)于大氣排放清單管理系統(tǒng)方面的研究較為缺乏，大部分排放清單數(shù)據(jù)來(lái)源、數(shù)據(jù)格式、編制方法存在差異，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)清單數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、計(jì)算處理以及結(jié)果輸出等功能[24-26]。

鑒于此，本研究基于全國(guó)污染源排放在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(CEMS)、環(huán)境影響評(píng)價(jià)(簡(jiǎn)稱環(huán)評(píng))、環(huán)境統(tǒng)計(jì)(簡(jiǎn)稱環(huán)統(tǒng))、污染源普查(簡(jiǎn)稱污普)、環(huán)保設(shè)施等原始數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)清洗、算法設(shè)計(jì)、系統(tǒng)開發(fā)等，建立了基于工藝的中國(guó)鋼鐵行業(yè)大氣污染物排放清單管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼鐵行業(yè)不同口徑大氣污染物排放數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。

1 研究方法

1.1 技術(shù)方案

根據(jù)鋼鐵行業(yè)調(diào)研資料，鋼鐵行業(yè)涉及大氣污染物排放的具體環(huán)節(jié)有焦?fàn)t、燒結(jié)、球團(tuán)、高爐、轉(zhuǎn)爐、電爐、軋鋼等，主要污染因子為SO2、NOx、煙粉塵，本次研究涉及區(qū)域包括全國(guó)31個(gè)省、直轄市及自治區(qū)，香港、澳門以及臺(tái)灣等地區(qū)暫不考慮。

由于原始數(shù)據(jù)的來(lái)源、格式、質(zhì)量、字段均存在較大差異，原始數(shù)據(jù)不能直接用于排放清單的編制。針對(duì)上述問(wèn)題，本研究設(shè)計(jì)了排放清單管理系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)方案：(1)通過(guò)對(duì)不同口徑排放數(shù)據(jù)(異構(gòu)數(shù)據(jù)源)的調(diào)研和分析，提出排放清單數(shù)據(jù)的清洗處理方法，設(shè)計(jì)排放清單標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并完成數(shù)據(jù)預(yù)處理；(2)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建排放數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)端算法開發(fā)，完成排放清單數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建，為全國(guó)鋼鐵行業(yè)大氣污染物排放清單管理系統(tǒng)的開發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐；(3)基于排放清單數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)數(shù)據(jù)引擎和接口，實(shí)現(xiàn)排放清單數(shù)據(jù)的管理、運(yùn)算和清單生成，構(gòu)建排放數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)檢驗(yàn)提取模塊、排放清單生成模塊和可視化模塊；(4)結(jié)合用戶管理與權(quán)限分配功能開發(fā)，完成排放清單管理系統(tǒng)的開發(fā)工作，具備數(shù)據(jù)發(fā)布及數(shù)據(jù)接口功能。

清單計(jì)算流程見圖1(鑒于污普數(shù)據(jù)的起始時(shí)間為2007年，暫不將污普數(shù)據(jù)用于污染物排放量計(jì)算)。本研究綜合考慮了CEMS、環(huán)評(píng)、環(huán)統(tǒng)等原始數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，首先在排放數(shù)據(jù)管理模塊中，以鋼鐵企業(yè)的CEMS原始數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，內(nèi)置了鋼鐵行業(yè)不同工藝排放參數(shù)的取值范圍和統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，建立了一套數(shù)據(jù)質(zhì)量控制系統(tǒng)，對(duì)不同口徑原始數(shù)據(jù)(環(huán)評(píng)、CEMS、環(huán)統(tǒng)等)開展海量數(shù)據(jù)清洗處理優(yōu)化，剔除相關(guān)異常值，得到對(duì)應(yīng)口徑的優(yōu)化數(shù)據(jù)；在數(shù)據(jù)檢驗(yàn)提取模塊中，根據(jù)環(huán)統(tǒng)數(shù)據(jù)、排放因子庫(kù)，采用排放因子法計(jì)算得到基于環(huán)統(tǒng)數(shù)據(jù)的鋼鐵行業(yè)大氣污染物排放數(shù)據(jù)。采用在線監(jiān)測(cè)法獲得基于CEMS數(shù)據(jù)的鋼鐵行業(yè)大氣污染物排放數(shù)據(jù)，采用污染源調(diào)查法獲得基于環(huán)評(píng)數(shù)據(jù)的鋼鐵行業(yè)大氣污染物排放數(shù)據(jù)。此后，在排放清單生成模塊中，采用優(yōu)選方案，對(duì)上述獲取的鋼鐵行業(yè)大氣污染物排放數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化整合，優(yōu)選方案邏輯為：優(yōu)先考慮CEMS數(shù)據(jù)，其次考慮采用環(huán)評(píng)數(shù)據(jù)補(bǔ)充，最后采用排放因子法對(duì)無(wú)CEMS數(shù)據(jù)以及環(huán)評(píng)資料的企業(yè)進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算，從而獲得全國(guó)鋼鐵行業(yè)大氣污染物排放清單，在系統(tǒng)的可視化模塊中進(jìn)行展示。

可見，排放清單管理系統(tǒng)具體功能模塊包括排放數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)檢驗(yàn)提取模塊、排放清單生成模塊、可視化模塊等。其中，數(shù)據(jù)檢驗(yàn)提取模塊、排放清單生成模塊、排放數(shù)據(jù)管理模塊等采用客戶端/服務(wù)器端(C/S)架構(gòu)，便于線下操作；可視化模塊采用了瀏覽器/服務(wù)器(B/S)架構(gòu)，便于線上展示。

1.2 排放數(shù)據(jù)管理模塊

排放數(shù)據(jù)管理模塊主要包括環(huán)統(tǒng)原始數(shù)據(jù)總覽模塊、環(huán)評(píng)原始數(shù)據(jù)總覽模塊、環(huán)評(píng)原始數(shù)據(jù)錄入模塊、CEMS原始數(shù)據(jù)總覽模塊、環(huán)保設(shè)施原始數(shù)據(jù)總覽模塊等。

在原始數(shù)據(jù)總覽模塊中，用戶可對(duì)導(dǎo)入的環(huán)統(tǒng)、環(huán)評(píng)、CEMS、環(huán)保設(shè)施等原始數(shù)據(jù)進(jìn)行總覽、查詢、維護(hù)；在環(huán)評(píng)原始數(shù)據(jù)錄入模塊中，用戶可錄入、更新鋼鐵企業(yè)環(huán)評(píng)報(bào)告書中的排放數(shù)據(jù)信息等，可錄入的具體內(nèi)容包括環(huán)評(píng)企業(yè)名稱、建設(shè)狀態(tài)、報(bào)告書編號(hào)、污染源排口編號(hào)、污染源排口名稱、污染物濃度、污染物排放量、煙囪參數(shù)、產(chǎn)能產(chǎn)量、工序名稱、環(huán)保設(shè)施等。

1.3 數(shù)據(jù)檢驗(yàn)提取模塊

數(shù)據(jù)檢驗(yàn)提取模塊包括環(huán)統(tǒng)排放運(yùn)算模型參數(shù)維護(hù)(排放因子)、環(huán)統(tǒng)原始數(shù)據(jù)檢驗(yàn)、CEMS原始數(shù)據(jù)檢驗(yàn)、環(huán)評(píng)原始數(shù)據(jù)檢驗(yàn)、環(huán)保設(shè)施原始數(shù)據(jù)檢驗(yàn)、污普原始數(shù)據(jù)檢驗(yàn)、數(shù)據(jù)提取(第一步計(jì)算)共7大模塊(見圖2)。在環(huán)統(tǒng)排放運(yùn)算模型參數(shù)維護(hù)(排放因子)模塊中，用戶可更新、修正排放因子參數(shù)信息；在環(huán)統(tǒng)、CEMS、環(huán)評(píng)、污普等原始數(shù)據(jù)檢驗(yàn)?zāi)K中，用戶可更新、修正鋼鐵原始排放信息；在環(huán)保設(shè)施原始數(shù)據(jù)檢驗(yàn)?zāi)K中，用戶可更新、修正鋼鐵企業(yè)中環(huán)保設(shè)施信息(脫硫、脫硝、除塵等)；而數(shù)據(jù)提取(第一步計(jì)算)模塊的功能是在完成對(duì)排放因子參數(shù)維護(hù)以及與對(duì)原始數(shù)據(jù)檢驗(yàn)后，提取所有相關(guān)數(shù)據(jù)，為下一步的清單生成做準(zhǔn)備。

圖1 清單計(jì)算生成流程Fig.1 Calculation and preparation of the inventory

圖2 數(shù)據(jù)檢驗(yàn)提取模塊Fig.2 Module of data validations and extraction

1.4 排放清單生成模塊

用戶在完成數(shù)據(jù)提取(第一步計(jì)算)的基礎(chǔ)上，開展清單數(shù)據(jù)的優(yōu)選與生成，以企業(yè)為單位，對(duì)不同口徑數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)選工作(剔除重復(fù)排口信息、剔除質(zhì)量較差數(shù)據(jù)等)，并利用優(yōu)選后的數(shù)據(jù)編制計(jì)算企業(yè)不同工序的最終排放量，并按用戶需求，輸出不同年份不同區(qū)域的鋼鐵企業(yè)名稱、排口編號(hào)、工序、工藝、脫硫設(shè)備、污染物排放量等數(shù)據(jù)。

1.5 可視化模塊

可視化模塊具備數(shù)據(jù)可視化輸出功能，用戶可根據(jù)地理位置或者企業(yè)名稱來(lái)查詢鋼鐵企業(yè)的環(huán)統(tǒng)、環(huán)評(píng)、CEMS等相關(guān)信息，具體可查詢每個(gè)企業(yè)的名稱、經(jīng)緯度、地址、清單排放量、環(huán)評(píng)報(bào)告書、環(huán)統(tǒng)信息、在線監(jiān)測(cè)信息等，并對(duì)排放污染物、清單年份、不同地理尺度(省、市、網(wǎng)格等)的數(shù)據(jù)進(jìn)行多方式輸出。

2 案例研究

2.1 研究區(qū)域與對(duì)象

為驗(yàn)證本系統(tǒng)清單生成、輸出、管理等功能，本研究以2012年山東省鋼鐵行業(yè)為例，采用全國(guó)鋼鐵行業(yè)大氣污染物排放清單管理系統(tǒng)，計(jì)算山東省鋼鐵行業(yè)大氣污染物排放清單，并定量分析了山東省鋼鐵企業(yè)排放SO2、NOx、煙粉塵的情況。2012年山東省鋼鐵企業(yè)共61家，其中具有在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的鋼鐵企業(yè)7家、環(huán)評(píng)審批企業(yè)6家、已納入環(huán)統(tǒng)企業(yè)60家。

表1 2012年山東省鋼鐵行業(yè)不同工藝污染物排放量

表2 山東省各城市鋼鐵污染物排放量

2.2 結(jié)果與討論

2.2.1 不同工藝污染物排放量

根據(jù)系統(tǒng)輸出結(jié)果，2012年山東省鋼鐵行業(yè)不同工藝污染物排放量見表1。2012年山東省鋼鐵企業(yè)共排放SO2、NOx、煙粉塵15.23萬(wàn)、18.16萬(wàn)、8.97萬(wàn)t。燒結(jié)工藝污染物排放量最大，SO2、NOx、煙粉塵排放量分別達(dá)11.57萬(wàn)、13.27萬(wàn)、4.97萬(wàn)t，在山東省鋼鐵行業(yè)SO2、NOx、煙粉塵總排放量中的占比分別為75.97%、73.09%、55.38%。高爐工藝的污染物排放量也較高，SO2、NOx、煙粉塵排放量分別達(dá)0.27萬(wàn)、2.43萬(wàn)、1.36萬(wàn)t，在山東省鋼鐵行業(yè)SO2、NOx、煙粉塵總排放量中的占比分別為1.77%、13.38%、15.15%。綜合看來(lái)，燒結(jié)和高爐工藝是山東省鋼鐵行業(yè)大氣污染物的主要排放環(huán)節(jié)，兩者排放之和分別占SO2、NOx、煙粉塵總排放量的77.74%、86.47%、70.53%。

2.2.2 污染物排放的空間分布

根據(jù)系統(tǒng)輸出結(jié)果，山東省各城市鋼鐵污染物排放量見表2。由表2可見，萊蕪市和日照市的鋼鐵企業(yè)污染物排放量最大， SO2排放量分別為4.85萬(wàn)、4.41萬(wàn)t，NOx排放量分別為3.31萬(wàn)、5.89萬(wàn)t，煙粉塵排放量分別為2.52萬(wàn)、1.76萬(wàn)t。兩市SO2、NOx、煙粉塵排放量合計(jì)占山東省鋼鐵企業(yè)污染物總排放量的50%左右。

3 結(jié) 論

基于全國(guó)CEMS數(shù)據(jù)、環(huán)評(píng)、環(huán)統(tǒng)、污普等數(shù)據(jù)，建立了基于工藝的全國(guó)鋼鐵行業(yè)大氣污染物排放清單管理系統(tǒng)，解決了鋼鐵行業(yè)不同口徑數(shù)據(jù)難以管理、計(jì)算復(fù)雜等問(wèn)題，提高了鋼鐵行業(yè)大氣污染物排放清單的編制效率。通過(guò)該系統(tǒng)獲取了2012年山東省鋼鐵企業(yè)不同工藝的大氣污染物排放清單及山東省鋼鐵企業(yè)大氣污染物排放的空間分布，實(shí)現(xiàn)了不同口徑大氣排放數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。

(致謝：感謝環(huán)境保護(hù)部環(huán)境監(jiān)察局為本研究提供污染源在線監(jiān)測(cè)資料！)

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StudyonthemanagementsystemofatmosphericpollutantemissioninventoryforsteelindustryofChina

BOXin1,2,3，ZHENRuiqing4，QUJiabao2,5，ZHAOXiaohong2,3，TIANJun6，ZHANGHong4，LIDongwei7,ZHOUBeihai1.

(1.SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083;2.TheAppraisalCenterforEnvironmentandEngineering，MinistryofEnvironmentalProtection，Beijing100012;3.StateEnvironmentalProtectionKeyLaboratoryofNumericalModelingforEnvironmentImpactAssessment，Beijing100012;4.CERIecoTechnologyCo.，Ltd.，Beijing100053;5.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering，HebeiUniversityofScienceandTechnology，ShijiazhuangHebei050018;6.AcademyofEnvironmentalPlanning&DesignCo.,Ltd.，NanjingUniversity，NanjingJiangsu210093;7.BeijingBosscoEnvironmentalProtectionTechnologyCo.,Ltd.，Beijing100012)

In consideration of the current difficulties and demands existing in the preparation and management of atmospheric pollutant emission inventory，a manufacturing processes based atmospheric pollutant emission inventory management system was established for the steel industry of China. The management system applying the data from national pollution source continuous emission monitoring system (CEMS)，environmental impact assessment reports，environmental statistics and pollution source census results，which could achieved the functions of dynamic management and compile of pollutant emission inventory. Then Shandong Province was taken as an example to inspect the established system. The results indicated that in 2012，the total SO2，NOxand dust emissions of Shandong Province were 152 300，181 600，89 700 t，respectively;sintering and blast contributed most emission among all the production processes;the spatial distributing suggested that steel plants in Laiwu and Rizhao discharged most of atmospheric pollutant，the emission of SO2，NOxand dust accounted for about half of the total emission of Shandong Province.

steel industry; process analysis; emission inventory; management system

2016-09-20)

伯 鑫，男，1983年生,博士，高級(jí)工程師,主要從事大氣環(huán)境質(zhì)量模擬、排放清單研究。#

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*國(guó)家環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(No.201509010)；國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(No.16K01ESPCT)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.05.023