烏昌石區(qū)域耗煤行業(yè)排放特征及對空氣質(zhì)量的影響*

元雪婷 楊靜

(1.新疆維吾爾自治區(qū)環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院 烏魯木齊 830011； 2.新疆環(huán)境污染監(jiān)控與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 烏魯木齊 830011； 3.新疆清潔生產(chǎn)工程技術(shù)研究中心 烏魯木齊 830011)

0 引言

烏昌石區(qū)域是新疆大氣污染典型代表區(qū)域，根據(jù)生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的2016年全國空氣質(zhì)量排名，1月和2月烏魯木齊市在74個(gè)城市的排名分別為73名和74名，而在其他月份排名較好，主要是由于特殊的地理位置和不利的氣象條件，導(dǎo)致烏昌石區(qū)域冬季采暖期污染情況嚴(yán)峻，造成重污染天氣頻發(fā)[1-3]，嚴(yán)重影響了區(qū)域的生產(chǎn)和居民的生活。目前，國內(nèi)外對于烏昌石區(qū)域的大氣環(huán)境質(zhì)量相關(guān)研究較少，更多是偏向于單一城市(比如烏魯木齊市或昌吉市[4-7])。就區(qū)域來說，研究也更偏向于京津冀等相對發(fā)達(dá)的城市區(qū)域[8-9]。

烏昌石區(qū)域的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，煤炭的占比依然較高。煤炭燃燒會(huì)排放SO2,NOx,顆粒物以及重金屬等污染物[10-11]，影響大氣環(huán)境并且威脅人體健康[12-13]。消耗燃煤的工業(yè)企業(yè)是大氣污染的主要來源，薛文博等[14]的研究表明，全國火電行業(yè)對SO2，NO2，PM2.5的年均貢獻(xiàn)率分別為15.6%，19.6%，8.5%，同時(shí)發(fā)現(xiàn)非火電行業(yè)的影響也不可忽視。孫曉偉等[15]針對電力行業(yè)設(shè)置減排情景，發(fā)現(xiàn)關(guān)停小機(jī)組和大機(jī)組后，SO2，NOx和PM2.5的區(qū)域濃度貢獻(xiàn)相對于關(guān)停前削減了20%以上。還有研究表明，京津冀地區(qū)重點(diǎn)耗煤行業(yè)排放對區(qū)域PM2.5貢獻(xiàn)率可達(dá)50.77%[16]。因此，削減煤炭消耗量是改善空氣質(zhì)量的必要手段。本文基于2016年新疆環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，針對較少關(guān)注的烏昌石區(qū)域，計(jì)算耗煤行業(yè)SO2，NOx，PM2.5和PM10的排放清單，并且基于此清單，采用CALPUFF空氣質(zhì)量模型對重點(diǎn)耗煤行業(yè)對冬季空氣質(zhì)量的影響進(jìn)行分析研究。

1 數(shù)據(jù)及方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

文中涉及的工業(yè)企業(yè)數(shù)據(jù)和污染物排放基礎(chǔ)數(shù)據(jù)均以2016年新疆環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算處理后得出SO2，NOx排放清單，并且依據(jù)《大氣可吸入顆粒物一次源排放清單編制技術(shù)指南(試行)》[17]和《大氣細(xì)顆粒物一次源排放清單編制技術(shù)指南(試行)》[18]，計(jì)算得到PM10和PM2.5排放清單。

1.2 模型設(shè)置

采用CALPUFF空氣質(zhì)量模型模擬冬季重點(diǎn)耗煤行業(yè)污染物擴(kuò)散分布情況，模擬時(shí)段為2016年1月1日—1月31日，模擬時(shí)間間隔為1 h，模擬區(qū)域采用UTM投影坐標(biāo)系，中心為506 km(x方向)和4 873 km(y方向)，水平模擬范圍為x方向356～656 km，y方向4 793～4 953 km，網(wǎng)格間距為5 km，垂直方向共設(shè)11層。

2 結(jié)果與討論

2.1燃煤消耗量統(tǒng)計(jì)

2016年烏昌石區(qū)域耗煤行業(yè)燃煤消耗量如表1所示。根據(jù)環(huán)統(tǒng)數(shù)據(jù)，2016年烏昌石區(qū)域耗煤工業(yè)企業(yè)共757家，參照《國民經(jīng)濟(jì)行業(yè)分類》(GB/T 4754—2011)共分為11類。燃煤消耗量共5 852.94萬t，消耗燃煤量較大的行業(yè)有火力發(fā)電和熱力生產(chǎn)供應(yīng)業(yè)(占比67.21%)、化工及化學(xué)制品制造業(yè)(占比17.39%)、有色金屬冶煉和延壓加工及金屬制品業(yè)(占比7.95%)。

表1 2016年烏昌石區(qū)域耗煤行業(yè)燃煤消耗量

表2 2016年烏昌石區(qū)域耗煤行業(yè)主要污染物排放清單 t

2.2 污染物排放清單

2016年烏昌石區(qū)域耗煤行業(yè)主要污染物排放清單如表2所示。其中SO2排放量較大的行業(yè)有4個(gè)，分別為：火力發(fā)電和熱力生產(chǎn)供應(yīng)業(yè)(占比31.61%)、有色金屬冶煉和延壓加工及金屬制品業(yè)(占比19.43%)、黑色金屬冶煉與煉焦業(yè)(占比18.74%)、化工及化學(xué)制品制造業(yè)(占比18.54%)。

NOx排放量較大的行業(yè)有4個(gè)，分別為：火力發(fā)電和熱力生產(chǎn)供應(yīng)業(yè)(占比47.85%)、化工及化學(xué)制品制造業(yè)(占比17.10%)、黑色金屬冶煉與煉焦業(yè)(占比9.35%)、非金屬礦物制造業(yè)(占比9.03%)。

PM2.5和PM10排放量較大的行業(yè)相同，分別為：非金屬礦物制造業(yè)、有色金屬冶煉和延壓加工及金屬制品業(yè)、黑色金屬冶煉與煉焦業(yè)。

燃煤消耗和污染物排放占比如圖1所示，不同行業(yè)的排放特征不同，但或多或少都受到燃煤消耗量的影響。SO2和NOx的百分比曲線與燃煤消耗量百分比曲線吻合度較高，基本呈現(xiàn)燃煤消耗量大，則SO2和NOx排放量高的趨勢，但是PM2.5和PM10百分比曲線與燃煤消耗量百分比曲線吻合度較低。從行業(yè)來看，火力發(fā)電和熱力生產(chǎn)供應(yīng)業(yè)的SO2和NOx排放量占比最高，但是PM2.5和PM10的排放量相對較小，占比分別為0.25%和0.23%?；ぜ盎瘜W(xué)制品制造業(yè)與火電行業(yè)的4種污染物占比情況相似。非金屬礦的SO2排放量相對較少，但是PM2.5和PM10的排放量占比可達(dá)60%以上。有色金屬冶煉和延壓加工及金屬制品業(yè)、黑色金屬冶煉與煉焦業(yè)的4種污染物排放量都比較大。

1—火力發(fā)電和熱力生產(chǎn)供應(yīng)業(yè)；2—石油及煤炭開采加工業(yè)；3—化工及化學(xué)制品制造業(yè)；4—有色金屬冶煉和延壓加工及金屬制品業(yè)；5—黑色金屬冶煉與煉焦業(yè)；6—非金屬礦物制造業(yè)；7—農(nóng)副食品加工及食品制造業(yè)；8—機(jī)械制造及紙、木材制造業(yè)；9—酒及飲料制造業(yè)；10—紡織業(yè)及羽毛制品加工業(yè)；11—其他行業(yè)

PM2.5和PM10排放清單主要包括了固定燃燒源和工藝過程源。對于火電行業(yè)，煙氣的除塵設(shè)施一般能去除絕大部分的顆粒物，因此雖然煤炭經(jīng)過燃燒產(chǎn)生大量的顆粒物，但實(shí)際排放到大氣環(huán)境中的只是小部分，尤其在環(huán)保要求日益嚴(yán)格的大環(huán)境下，很多火電行業(yè)可以做到超低排放。但是對于其他行業(yè)，比如非金屬礦制造業(yè)、有色金屬冶煉和延壓加工及金屬制品業(yè)、黑色金屬冶煉與煉焦業(yè)和石油及煤炭開采加工業(yè)，煙氣除塵設(shè)施效率不高，再加上其他無組織排放，造成PM2.5和PM10排放量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過火電行業(yè)。

2.3 重點(diǎn)行業(yè)冬季污染物擴(kuò)散模擬

2.3.1 從行業(yè)分析

根據(jù)上文統(tǒng)計(jì)分析，將燃煤消耗量較大的火力發(fā)電和熱力生產(chǎn)供應(yīng)業(yè)、化工及化學(xué)制品制造業(yè)兩個(gè)行業(yè)，以及PM2.5和PM10排放量較大的非金屬礦物制造業(yè)、有色金屬冶煉和延壓加工及金屬制品業(yè)、黑色金屬冶煉與煉焦業(yè)等3個(gè)行業(yè)作為烏昌石區(qū)域重點(diǎn)行業(yè)，模擬不同污染物在冬季(1月)的擴(kuò)散情況，分析不同行業(yè)對區(qū)域不同污染物的貢獻(xiàn)情況，結(jié)果如表3所示。

表3 烏昌石區(qū)域冬季不同行業(yè)對不同污染物的貢獻(xiàn)率 %

可以看出，這5類行業(yè)對區(qū)域的大氣污染物的總體貢獻(xiàn)率占90%左右，尤其PM2.5和PM10貢獻(xiàn)率更是高達(dá)98%?；鹆Πl(fā)電和熱力生產(chǎn)供應(yīng)業(yè)的燃煤消耗量占比最大，污染物排放量比較大，但是對污染物濃度貢獻(xiàn)率卻不是最大的。主要原因是火力發(fā)電和熱力生產(chǎn)供應(yīng)業(yè)廢氣處理能力強(qiáng)，點(diǎn)源數(shù)量少，均勻分布在擴(kuò)散條件好的區(qū)域，如圖2所示。并且火電行業(yè)排放尾氣的有效高度(煙囪幾何高度+煙氣抬升高度)較高，更加有利于大氣污染物在垂直方向上的擴(kuò)散。一般來說，污染物越容易擴(kuò)散，貢獻(xiàn)率越低；反之，貢獻(xiàn)率越高。

圖2 火力發(fā)電和熱力生產(chǎn)供應(yīng)業(yè)分布情況

對SO2，NOx，PM2.5，PM10濃度貢獻(xiàn)率最大的為非金屬礦物制造業(yè)，尤其是PM2.5和PM10貢獻(xiàn)率超過60%，主要是3個(gè)方面原因：①非金屬礦物制造業(yè)的煙囪高度普遍較低，污染物不易在垂直方向上擴(kuò)散，而是在近地面擴(kuò)散遷移；②在烏昌石區(qū)域內(nèi)的非金屬礦物制造業(yè)總共有122家，其中有68家集中分布在米東區(qū)和阜康市，如圖3所示，受米東區(qū)和阜康市的地形和氣象條件影響，污染物更易聚集在這兩個(gè)地區(qū)，不易擴(kuò)散；③顆粒物的排放主要來自于工藝過程源，因此貢獻(xiàn)較大。

圖3 非金屬礦物行業(yè)分布情況

2.3.2 從地域分析

對烏昌石區(qū)域來說，冬季的首要污染物主要是顆粒物。因此以PM2.5為例，利用CALPUFF模型模擬1月份重點(diǎn)行業(yè)排放的PM2.5在區(qū)域的分布情況，如圖4所示，最終分析重點(diǎn)行業(yè)對區(qū)域冬季空氣的影響。

(a) 火力發(fā)電和熱力生產(chǎn)供應(yīng)業(yè)

由圖4可見，烏昌石區(qū)域的5個(gè)重點(diǎn)行業(yè)的PM2.5在區(qū)域分布情況明顯不同?；鹆Πl(fā)電和熱力生產(chǎn)供應(yīng)業(yè)月均PM2.5質(zhì)量濃度最高值為0.02 μg/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(35 μg/m3)，最高值區(qū)域位于烏魯木齊市達(dá)坂城區(qū)；化工及化學(xué)制品制造業(yè)月均PM2.5質(zhì)量濃度最高值為0.01 μg/m3，也低于空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，最高值區(qū)域位于米東區(qū)；有色金屬冶煉和延壓加工及金屬制品業(yè)月均PM2.5質(zhì)量濃度最高值為32.1 μg/m3，小于空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于火電和化工行業(yè)，最高值區(qū)域位于烏魯木齊頭屯河區(qū)；黑色金屬冶煉與煉焦業(yè)月均PM2.5質(zhì)量濃度最高值為17.2 μg/m3，最高值區(qū)域位于阜康市；非金屬礦物制造業(yè)月均PM2.5質(zhì)量濃度最高值為44.0 μg/m3，超過空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)1.3倍，最高值區(qū)域位于沙依巴克區(qū)。

整體來說，5個(gè)重點(diǎn)行業(yè)的PM2.5在北面的濃度值較小，靠近南邊山區(qū)的地方濃度值較高，并且在烏魯木齊區(qū)域和昌吉州阜康市的濃度均較高，五家渠和石河子的濃度均較低。烏昌石區(qū)域北面為開闊的平原地帶，而南面地勢較高，并且海拔高度變化明顯，南北地形高差能達(dá)1 000 m。區(qū)域冬季大氣比較穩(wěn)定，且逆溫層較厚，污染物在垂直方向擴(kuò)散較難，因此在近地面擴(kuò)散；再加上南面的山地地勢，導(dǎo)致污染物隨大氣氣團(tuán)爬坡時(shí)無法沖破逆溫層，因此使得污染物在南面累積，造成重污染天氣。

從以上數(shù)據(jù)來看，對烏昌石區(qū)域冬季顆粒物貢獻(xiàn)最大的行業(yè)是非金屬礦物制造業(yè)，火力發(fā)電和熱力生產(chǎn)供應(yīng)業(yè)的貢獻(xiàn)反而是最小的。非金屬礦物制造業(yè)PM2.5排放量是火電行業(yè)的240倍，但是在區(qū)域的質(zhì)量濃度最高值是火電行業(yè)的2 000多倍，這與行業(yè)在地域的分布密切相關(guān)。由于火電行業(yè)分布較為分散，并且多位于北面開闊地區(qū)，而非金屬礦制造業(yè)集中分布在烏魯木齊市南面擴(kuò)散條件不好的區(qū)域，污染物在此積累導(dǎo)致局部濃度增大。

3 結(jié)語

烏昌石區(qū)域耗煤行業(yè)污染物的排放水平與煤炭消耗量有著正相關(guān)性，并且產(chǎn)業(yè)布局對區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量有著重要的影響。

(1)烏昌石區(qū)域消耗燃煤的工業(yè)企業(yè)的污染物排放量與燃煤消耗量在一定程度上呈現(xiàn)正相關(guān)，控制了燃煤消耗量，就能從源頭減少污染物的產(chǎn)生和排放。

(2)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局，降低污染物對敏感區(qū)域的影響,是控制大氣環(huán)境質(zhì)量的重要手段。尤其是對化工、有色金屬、非金屬礦等重污染行業(yè)的發(fā)展予以限制，建議在烏昌石南面區(qū)域減少耗煤工業(yè)企業(yè)數(shù)量。

(3)對區(qū)域重點(diǎn)行業(yè)的關(guān)注點(diǎn)應(yīng)有所不同：針對火力發(fā)電和熱力生產(chǎn)供應(yīng)業(yè)、化工及化學(xué)制品制造業(yè)，需要進(jìn)一步改善燃料結(jié)構(gòu)，積極推進(jìn)清潔能源的利用，改善燃燒技術(shù)，改進(jìn)尾氣處理技術(shù)，嚴(yán)格控制污染物的排放。對非金屬礦制造業(yè)、有色金屬冶煉和延壓加工及金屬制品業(yè)、黑色金屬冶煉與煉焦業(yè)，重點(diǎn)關(guān)注工藝過程源的顆粒物排放，加快改進(jìn)除塵技術(shù)，加強(qiáng)無組織排放控制，根據(jù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的實(shí)際需求，嚴(yán)格控制產(chǎn)品的產(chǎn)量，避免過度生產(chǎn)。