京津冀大氣污染傳輸通道城市燃煤大氣污染減排潛力

王彥超,蔣春來,賀晉瑜,鐘悅之,宋曉暉,雷 宇,燕 麗 (生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院,北京 100012)

隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快,我國煤炭等化石能源的消耗大幅增加,由此帶來的城市及區(qū)域性大氣污染問題日益嚴(yán)峻.京津冀及周邊地區(qū)是我國大氣污染最為嚴(yán)重的區(qū)域,重污染天氣頻發(fā),2015年區(qū)域內(nèi)70個地級以上城市共發(fā)生 1710天次重度及以上污染,占2015年全國的44.1%[1].研究顯示,京津冀地區(qū)燃煤總量大、強度高,燃煤污染對環(huán)境空氣質(zhì)量的影響顯著[2-4],燃煤排放的污染物對京津冀地區(qū)PM2.5貢獻(xiàn)率達(dá)到 23.3%～46.6%[5],在秋冬季貢獻(xiàn)率接近 50%[6].根據(jù)《中國能源統(tǒng)計年鑒2016年》[7],2015年京津冀及山西、山東、河南3省的煤炭消費量約占全國的 1/3,除北京、天津外,其他4省煤炭在能源消費結(jié)構(gòu)中占比均在 80%左右,遠(yuǎn)超全國平均水平.控制燃煤污染是改善京津冀地區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量,減少重污染天氣的重要措施.

近年來,環(huán)境保護部先后在京津冀及周邊地區(qū)確定了28個大氣污染傳輸通道城市(以下簡稱 “2+26”城市)[8],并出臺了《京津冀大氣污染防治強化措施(2016～2017年)》[9]、《京津冀及周邊地區(qū)2017年大氣污染防治工作方案》[8]、《京津冀及周邊地區(qū)2017～2018年秋冬季大氣污染防治綜合治理攻堅行動方案》[10]等一系列政策文件,旨在通過燃煤電廠超低排放改造、燃煤小鍋爐淘汰、散煤清潔化治理等手段減少大氣污染排放,實現(xiàn)空氣質(zhì)量的明顯改善.本研究以2015年為基準(zhǔn)年,以“2+26”城市為研究對象,基于現(xiàn)有燃煤污染減排政策措施,預(yù)測分析到2017年各項燃煤大氣污染政策措施可實現(xiàn)的減排潛力,以期為后“大氣十條”時期“2+26”城市燃煤污染控制提供決策依據(jù).本研究測算的燃煤污染源包括燃煤電廠、燃煤鍋爐及農(nóng)村散煤三部分,主要大氣污染物包括SO2、NOx及PM(包括PM10及PM2.5).

1 計算方法與數(shù)據(jù)

1.1 計算方法

1.1.1 減排潛力測算 “2+26”城市燃煤污染源主要大氣污染物減排潛力的計算基于預(yù)測年燃煤電廠、燃煤鍋爐及農(nóng)村散煤3大污染源SO2、NOx及PM排放量相對于基準(zhǔn)年的削減量,計算公式如下:

式中:R為燃煤污染源主要大氣污染物減排潛力,104t;E為基準(zhǔn)年燃煤大氣污染物排放量,104t;Ei為預(yù)測年燃煤大氣污染物排放量,104t.

1.1.2 排放量測算 燃煤電廠與散煤均采用排放系數(shù)法測算排放量,計算公式如下:

式中: E為污染物排放量,104t;M為燃煤消耗量,104t;pf為污染排放因子,kg/t煤.

燃煤鍋爐 SO2和 PM 排放量采用物料衡算法計算,涉及燃煤量、燃煤硫份和灰分等參數(shù);NOx排放量采用排放系數(shù)法計算.計算公式如下:

圖1 “2+26”城市2015年主要燃煤污染源煤炭消費量Fig.1 Coal consumption by the coal-fired sources in “2+26”cities in 2015

式中: E為污染物排放量,104t;M為鍋爐煤炭消耗量,104t;為燃煤平均硫分,%;St為燃煤中硫的轉(zhuǎn)化率,%,取值 80%;pfNOx為氮氧化物排放因子,kg/t煤;燃煤灰分,%; ar為灰分進(jìn)入底灰的比例,%;η為污染控制措施去除效率,%;fi為i粒徑范圍的顆粒物占總顆粒物的比例,%.

1.2 參數(shù)的確定

1.2.1 耗煤量 2015年“2+26”城市所在省(市)燃煤電廠煤炭消耗總量通過《2016 年中國能源統(tǒng)計年鑒》、《2016 年中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》[11]等資料獲取,再根據(jù)各城市在運燃煤機組裝機容量占全省(市)燃煤機組總裝機容量的比例估算各市燃煤電廠煤炭消耗量.

由于大量燃煤鍋爐未納入環(huán)境統(tǒng)計口徑,引用相關(guān)燃煤鍋爐大氣污染排放特征研究[12]的計算方法,根據(jù)《中國能源統(tǒng)計年鑒2016》[7]、《中國環(huán)境統(tǒng)計年報 2015》[13]等,對“2+26”城市 2015年燃煤鍋爐煤炭消耗量進(jìn)行測算.

根據(jù)支國瑞等[14]的研究,我國農(nóng)村地區(qū)散煤使用量遠(yuǎn)大于能源統(tǒng)計年鑒中的農(nóng)村生活用煤數(shù)據(jù).因此,本研究農(nóng)村散煤消耗量根據(jù)“2+26”城市的農(nóng)村戶數(shù)、調(diào)研獲得的農(nóng)村戶均年煤炭消耗量計算獲得.

1.2.2 燃煤硫份與灰分 煤炭燃燒排放的 SO2、PM 與煤炭的硫份、灰分密切相關(guān).近年來,各地區(qū)嚴(yán)格落實煤質(zhì)管理要求[15],北京、天津、河北出臺了煤質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[16-18],因此,本研究中燃煤鍋爐用煤硫份和灰分參照煤質(zhì)管理要求及地方煤質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行取值,如表1所示.

1.2.3 排放因子 燃煤電廠大氣污染物基準(zhǔn)年排放因子根據(jù)《中國環(huán)境統(tǒng)計年報2015》[13]公布的獨立火電廠燃料煤消耗量及污染物排放量進(jìn)行計算;預(yù)測年排放因子則根據(jù)燃煤機組煙氣量及其達(dá)到的污染物排放濃度限值進(jìn)行測算.

燃煤鍋爐 NOx產(chǎn)生系數(shù)參照《產(chǎn)排污系數(shù)手冊》[19]進(jìn)行取值;PM產(chǎn)生涉及的灰分進(jìn)入底灰比例、不同粒徑顆粒物占總顆粒物的比例等參數(shù)通過相關(guān)燃煤鍋爐顆粒物排放研究[20]、《大氣可吸入顆粒物一次源排放清單編制技術(shù)指南》[21]、《大氣細(xì)顆粒物一次源排放清單編制技術(shù)指南》[22]進(jìn)行取值.

表1 燃煤平均硫份與灰分Table 1 The average sulfur content and ash content of coal

表2 主要脫硫脫硝技術(shù)去除效率Table 2 The removal efficiencies of typical methods for DeSO2 and DeNOx

農(nóng)村散煤SO2、NOx、PM排放因子參照《民用煤大氣污染物排放清單編制技術(shù)指南》[23]進(jìn)行取值.

1.2.4 污染控制措施去除效率 燃煤鍋爐污染治理效率與所采用的污染治理設(shè)施類型相關(guān).本研究根據(jù)約1000臺燃煤鍋爐的調(diào)研數(shù)據(jù),分析了“2+26”城市燃煤鍋爐大氣污染治理工藝分布,并參考不同容量鍋爐的測試結(jié)果[24-29]對污染治理設(shè)施的處理效率進(jìn)行了取值,如表2,表3所示.

表3 除塵技術(shù)對不同粒徑顆粒物的去除效率Table 3 The removal efficiency of different size of PM

1.3 減排政策措施

通過梳理京津冀及周邊地區(qū)大氣污染防治系列政策文件[8-10],得出“2+26”城市 2016～2017年燃煤污染減排政策措施.“2+26”城市具體減排措施主要包括:燃煤機組超低排放改造、燃煤小鍋爐淘汰和散煤替代,如表4所示.

表4 “2+26”城市2016～2017年燃煤污染減排政策措施Table 4 Policies and measures for coal pollution emissions reduction in the "2+26" cities for 2016～2017

2 結(jié)果與討論

2.1 總體減排情況

根據(jù)式(1)～(5)計算2015年及2017年“2+26”城市燃煤大氣污染物排放量,結(jié)果如圖2所示.“2+26”城市 2015年燃煤 SO2、NOx、PM、PM10、PM2.5的總排放量分別為 156×104t、108×104t、96×104t、67×104t、47×104t,各項污染物排放量占“2+26”城市所在省(市)污染物排放總量的比例均在 30%左右.通過采取燃煤電廠超低排放改造、燃煤鍋爐淘汰或改造、散煤改電(氣)等措施,2017年“2+26”城市燃煤SO2、NOx、PM、PM10、PM2.5排放大幅減少,預(yù)測比2015年分別下降44%、48%、33%、32%、30%,排放量分別為 87×104t、56×104t、64×104t、45×104t、32×104t.

2.2 分部門減排情況

根據(jù)表 4中燃煤污染減排政策措施,分別計算了“2+26”城市燃煤電廠、燃煤鍋爐、農(nóng)村散煤SO2、NOx、PM、PM10、PM2.5的減排效果,如圖3所示.從各部門的減排情況來看,燃煤電廠減排效果最好,SO2、NOx、PM、PM10、PM2.5減排比例在 55%～70%,但未來電力行業(yè)減排空間有限;燃煤小鍋爐淘汰及大鍋爐達(dá)標(biāo)排放改造也取得了較好的效果,各項污染物減排比例在31%～38%,對比王慧麗等[12]京津冀地區(qū)燃煤鍋爐減排潛力的研究結(jié)論,未來“2+26”城市燃煤鍋爐尚有一定的減排的空間;農(nóng)村散煤改電(氣)各項污染物減排比例在 18%～21%.農(nóng)村散煤改電(氣)減排比例較小,與山西、山東和河南傳輸通道城市農(nóng)村散煤改電(氣)工作處于起步階段有關(guān),未來“2+26”城市散煤治理的減排潛力還較大.可見,后“大氣十條”時期,“2+26”城市燃煤大氣污染防治應(yīng)考慮進(jìn)一步推進(jìn) 30萬 kW以下燃煤機組的超低排放改造;加大燃煤鍋爐治理力度,確保在用燃煤鍋爐達(dá)到大氣污染物特別排放限值;大力推進(jìn)農(nóng)村散煤改電(氣)工作.

圖2 “2+26”城市2015～2017年燃煤污染物減排情況Fig.2 Emissions reduction of coal-fired pollutants in the"2+26" cities for 2015～2017

圖3 分部門燃煤污染減排情況Fig.3 Emissions reduction of coal-fired pollutants in different departments

2.3 分部門減排貢獻(xiàn)

分析各部門減排量對“2+26”城市燃煤污染減排的貢獻(xiàn),結(jié)果見圖4.結(jié)果表明:燃煤電廠超低排放改造、燃煤鍋爐治理、農(nóng)村散煤改電(氣)對“2+26”城市燃煤SO2減排的貢獻(xiàn)比例分別為64%、27%、9%,對 NOx減排的貢獻(xiàn)比例分別為 77%、20%、3%,對PM減排的貢獻(xiàn)比例分別為35%、42%、23%,其中對PM10分別貢獻(xiàn) 39%、30%、31%,對 PM2.5分別貢獻(xiàn)43%、18%、39%.燃煤電廠超低排放改造對 SO2、NOx、PM10、PM2.5減排的貢獻(xiàn)率最大,減排量分別達(dá)到45×104t、40×104t、8×104t和 6×104t;燃煤鍋爐治理對PM減排貢獻(xiàn)最大,減排量達(dá)到13×104t.

圖4 各燃煤部門污染物減排貢獻(xiàn)Fig.4 The contribution of pollutant emissions reduction in different departments

2.4 各城市減排情況

圖5 “2+26”城市燃煤大氣污染物減排量Fig.5 Emissions reduction of coal-fired pollutants in “2+26”cities

“2+26”城市燃煤SO2、NOx、PM、PM10、PM2.5的減排量如圖5所示.“2+26”城市中濱州市SO2減排量最大,為 6.6×104t;石家莊市 NOx減排量最大,為4.0×104t;保定市 PM、PM10、PM2.5減排量均最大,分別為 2.4×104t、1.8×104t、1.4×104t.其中濱州市 SO2、石家莊市NOx減排主要來自燃煤電廠,減排量占比分別為97%、82%;保定市PM、PM10、PM2.5減排主要來自農(nóng)村散煤治理,減排量占比分別為 67%、78%、86%.衡水市 SO2減排量最小,為 0.9×104t;濮陽市 NOx減排量最小,為 0.4×104t;濟南市 PM、PM10減排量最小,分別為 0.4×104t、0.28×104t;開封市 PM2.5減排量最小,為 0.15×104t.上述城市減排量偏低主要是由于燃煤發(fā)電裝機容量和燃煤鍋爐規(guī)模較小,農(nóng)村散煤治理比例低,難以形成規(guī)?；臏p排效益.

3 結(jié)論

3.1 2015年“2+26”城市燃煤電廠、燃煤鍋爐、農(nóng)村散煤排放的 SO2、NOx、PM 分別為 156×104t、108×104t、96×104t,約占“2+26”城市所在省(市)排放總量的 30%左右,燃煤排放貢獻(xiàn)大.其中,燃煤電廠是SO2和 NOx的主要排放源,燃煤鍋爐和農(nóng)村散煤等低矮面源對顆粒物的排放貢獻(xiàn)更大.

3.2 2015～2017年“2+26”城市通過采取燃煤電廠超低排放、工業(yè)燃煤小鍋爐淘汰及達(dá)標(biāo)改造、農(nóng)村散煤替代等措施,實現(xiàn)2017年燃煤SO2、NOx、PM、PM10、PM2.5排放量較2015年大幅下降,下降比例分別為44%、48%、33%、32%、30%.

3.3 實施燃煤電廠超低排放減排效果明顯,各項污染物減排比例在 55%～70%之間;燃煤小鍋爐淘汰及大鍋爐達(dá)標(biāo)排放改造也取得了較好的效果,各項污染物減排比例在31%～38%之間;農(nóng)村散煤改電(氣)工作剛剛起步,各項污染物減排比例在18%～21%之間.

3.4 “2+26”城市中濱州市燃煤SO2減排量、石家莊市NOx減排量最大,均主要來自燃煤電廠超低排放改;保定市燃煤PM、PM10、PM2.5減排量均最大,主要得益于散煤治理工作的大力推進(jìn).衡水市、濮陽市、濟南市、開封市燃煤電廠、燃煤鍋爐減排空間有限,各項污染物的減排量偏低.