陶瓷業(yè)大氣污染物排放特征及數(shù)值模擬研究

關(guān)鍵詞：陶瓷業(yè)；大氣污染物排放；河南省；數(shù)值模擬

前言

陶瓷業(yè)作為中國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)之一，長(zhǎng)期以來一直在支撐著建筑、工藝和文化等領(lǐng)域的發(fā)展，不僅在中國的經(jīng)濟(jì)體系中占據(jù)著重要地位，同時(shí)也為各類工藝和建筑提供了不可或缺的材料。然而，隨著社會(huì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速，陶瓷產(chǎn)業(yè)的繁榮也伴隨著一系列環(huán)境問題，尤其是大氣污染，引起了廣泛關(guān)注。河南省作為中國陶瓷業(yè)的主要生產(chǎn)基地之一，陶瓷業(yè)的興起為地方經(jīng)濟(jì)注入了活力，同時(shí)也伴隨著環(huán)境壓力的增大。大氣污染物排放成為制約陶瓷業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素，給當(dāng)?shù)丨h(huán)境和居民健康帶來了一定的影響。因此，深入了解陶瓷業(yè)大氣污染物的排放特征，并運(yùn)用數(shù)值模擬方法進(jìn)行科學(xué)分析，對(duì)于發(fā)展綠色環(huán)保型陶瓷產(chǎn)業(yè)、制定合理的環(huán)保政策具有重要意義。在此背景下，通過對(duì)河南省陶瓷業(yè)大氣污染物排放特征的深入研究，了解陶瓷業(yè)的排放情況，明確其主要污染源和排放特征，并結(jié)合WRF-Chem模型為未來的環(huán)保政策制定提供科學(xué)依據(jù)。研究期望不僅能夠?yàn)楹幽鲜√沾蓸I(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供實(shí)用的指導(dǎo)建議，同時(shí)也能為全國范圍內(nèi)陶瓷產(chǎn)業(yè)的環(huán)保治理提供有益的經(jīng)驗(yàn)和啟示。研究旨在推動(dòng)中國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的綠色升級(jí)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境可持續(xù)共贏的目標(biāo)。

1陶瓷業(yè)大氣污染物來源與數(shù)值模擬方法

1.1陶瓷業(yè)大氣污染物排放來源

河南省陶瓷業(yè)呈現(xiàn)出多樣性和分布不均勻性的發(fā)展現(xiàn)狀。該省擁有龐大的陶瓷產(chǎn)業(yè)群體，涵蓋建筑、衛(wèi)生、日用、特種、園藝等多個(gè)陶瓷領(lǐng)域，共計(jì)505家企業(yè)。其中，建筑陶瓷在安陽市、鶴壁市、平頂山市和許昌市等地區(qū)呈現(xiàn)集聚發(fā)展，占據(jù)著陶瓷業(yè)總企業(yè)數(shù)量的64.71%。衛(wèi)生陶瓷主要集中在許昌市，占該類陶瓷企業(yè)的87.10%，突顯了該地區(qū)在衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)領(lǐng)域的專業(yè)性。與此同時(shí)，特種陶瓷企業(yè)主要分布在鄭州市和濟(jì)源市，占該類陶瓷企業(yè)的55.36%?？傮w而言，陶瓷業(yè)在各個(gè)品類和地區(qū)都有所涉獵，展現(xiàn)出豐富的發(fā)展態(tài)勢(shì)。在如此豐富的陶瓷業(yè)體系下，與繁榮相伴的是對(duì)大氣環(huán)境的不可忽視的影響。研究統(tǒng)計(jì)了河南省陶瓷業(yè)大氣污染物排放來源，具體見表1。

由表1可知，在陶瓷生產(chǎn)過程中，各關(guān)鍵工序均涉及不同的污染源、排放口和污染物類型。在原燃料制備階段，包括原燃料貯存、裝卸、磨機(jī)、壓機(jī)、煤氣發(fā)生爐、熱風(fēng)爐等多個(gè)污染源，排放口主要分布在各裝置排氣筒和干燥塔煙囪，主要污染物包括顆粒物、S02、NOx、煙氣黑度和氨。在壓制干燥系統(tǒng)中，主要的污染源是通風(fēng)生產(chǎn)設(shè)備，而排放口則集中在各裝置排氣筒，主要排放顆粒物。施釉與裝飾系統(tǒng)涉及噴釉、淋釉、噴墨打印等，污染源為施釉線，排放口分布在各裝置排氣筒，主要污染物為顆粒物和VOCs。燒成系統(tǒng)中，主要的污染源是燒成窯系統(tǒng)，排放口位于窯煙囪，主要排放顆粒物、S02、NOx、煙氣黑度、氟化物、氯化物、鉛及其化合物、鎘及其化合物、鎳及其化合物。最后，在產(chǎn)品整修包裝系統(tǒng)中，拋光機(jī)、磨邊機(jī)等設(shè)備是主要污染源，排放口分布在各裝置排氣筒，主要排放顆粒物。

1.2陶瓷業(yè)大氣污染物數(shù)值模擬方法

由上一段分析可知，陶瓷業(yè)大氣污染物排放特征為顆粒物占主導(dǎo)地位。因此，研究引入WRF-Chem模型。該模型綜合考慮了氣象和化學(xué)過程，特別適用于模擬大氣污染物的傳輸和轉(zhuǎn)化。在進(jìn)行數(shù)值模擬之前，研究首先利用拉依達(dá)準(zhǔn)則對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，基本思想是，在正態(tài)分布或近似正態(tài)分布的假設(shè)下，99.7%的數(shù)據(jù)應(yīng)該落在平均值加減3倍標(biāo)準(zhǔn)差的范圍內(nèi)。如果某個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的偏離超過這個(gè)范圍，就被認(rèn)為是異常值。具體步驟如下，首先計(jì)算樣本數(shù)據(jù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。然后確定置信區(qū)間范圍，通常取平均值加減3倍標(biāo)準(zhǔn)差。再將數(shù)據(jù)點(diǎn)與置信區(qū)間進(jìn)行比較，若數(shù)據(jù)點(diǎn)的值超出置信區(qū)間范圍，則被視為異常值。剔除異常值后，重新計(jì)算均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。最后重復(fù)以上步驟，直到不存在超出置信區(qū)間的異常值為止。

WRF-Chem模型在陶瓷業(yè)大氣污染物數(shù)值模擬中具有多方面的應(yīng)用。首先，通過精細(xì)建模各個(gè)生產(chǎn)階段的排放源，包括原燃料制備、壓制干燥、施釉與裝飾、燒成等，模型能夠準(zhǔn)確模擬陶瓷業(yè)排放的污染物來源和排放強(qiáng)度。其次，通過耦合氣象和化學(xué)過程，WRF-Chem模型模擬了大氣中污染物的傳輸、擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)，提供了詳細(xì)的大氣污染物分布信息。此外，模型還能夠模擬不同排放控制政策對(duì)陶瓷業(yè)大氣污染的影響，為政府和企業(yè)制定環(huán)保政策提供科學(xué)依據(jù)。通過對(duì)模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，研究者可以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，并通過優(yōu)化模型參數(shù)和結(jié)構(gòu)提高適用性。綜合而言，WRF-Chem模型為深入了解陶瓷業(yè)大氣污染排放特征、評(píng)估環(huán)境影響以及制定有效治理策略提供了強(qiáng)大而全面的工具。

2陶瓷業(yè)大氣污染物排放物特征分析

河南省陶瓷企業(yè)眾多，因此研究首先對(duì)不同陶瓷企業(yè)的大氣污染物排放數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表2。

總體而言，建筑陶瓷企業(yè)的平均排放濃度較高，主要以NOx為主；衛(wèi)生陶瓷企業(yè)顆粒物和NO2排放濃度相對(duì)較高；陳設(shè)藝術(shù)陶瓷企業(yè)以顆粒物排放為主；而特種陶瓷企業(yè)的排放濃度相對(duì)較低，以顆粒物為主。此外，各類企業(yè)的氧含量濃度相對(duì)穩(wěn)定，無顯著差異。

3陶瓷業(yè)大氣污染物排放物數(shù)值模擬分析

為驗(yàn)證WRF-Chem模型在數(shù)值模擬中的準(zhǔn)確性，研究進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。研究利用河南省2018年至2021年的數(shù)據(jù)對(duì)WRF-Chem模型進(jìn)行訓(xùn)練后，通過與2022年河南省陶瓷業(yè)大氣污染物排放實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，評(píng)估模型在模擬大氣污染物時(shí)的準(zhǔn)確性和可信度。對(duì)比結(jié)果見圖1。

由圖1可知，2022年總廢氣污染物實(shí)際排放共4115.9噸，模擬排放量為4066.7噸，誤差為1.19%。顆粒物實(shí)際排放238.3噸，模擬排放243.6噸，誤差為2.22%。S02實(shí)際排放828.9噸，模擬排放825.8噸，誤差為2.09%。NO2實(shí)際排放3068.7噸，模擬排放2997.3噸，誤差為2.33%。整體而言，數(shù)值模擬結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確，誤差均在5%以內(nèi)，顯示出模型在對(duì)總廢氣污染物進(jìn)行預(yù)測(cè)方面較好的性能。此外，研究根據(jù)2023年河南省地方標(biāo)準(zhǔn)《陶瓷工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》制定陶瓷業(yè)大氣污染物減排方案，調(diào)整WRF-Chem模型中參數(shù)使其匹配減排方案，進(jìn)行2024年至2035年的污染物排放數(shù)值模擬預(yù)測(cè)，并將其與正常發(fā)展情況下的污染物排放預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證《陶瓷工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的有效性。結(jié)果見圖2。

由圖2（a）可知，對(duì)于總廢氣污染物排放量，在有方案的情況下，2024年至2035年的總廢氣污染物排放逐年增加，從4207.8萬噸增至4673.85萬噸，而無方案情況下從4268.8萬噸增至5106.3萬噸。隨著經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展，污染物排放量增長(zhǎng)不可避免，但河南省《陶瓷工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的制定使增長(zhǎng)量得到了有效的控制。再具體一點(diǎn)，由圖2（b）、圖2（c）、圖2（d）可知，在有方案情況下，顆粒物、S02和NO2的排放在2024年至2035年間分別增長(zhǎng)了約34.22%、9.21%和9.74%，而在無方案情況下，三者分別增長(zhǎng)了約54.35%、21.25%和16.48%。對(duì)比下，在有方案的情況下，顆粒物、S02和NO2的增長(zhǎng)分別降低37.03%、56.84%和30.77%。這些數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證了《陶瓷工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的有效性。

4結(jié)論

研究深入分析了河南省陶瓷業(yè)大氣污染物排放的來源、特征及時(shí)空分布，并采用WRF-Chem模型進(jìn)行數(shù)值模擬。研究發(fā)現(xiàn)陶瓷生產(chǎn)的各關(guān)鍵工序均涉及多種污染源和污染物，其中顆粒物占主導(dǎo)。在WRF-Chem模型驗(yàn)證中，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，總排放量誤差僅為1.19%，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，說明能準(zhǔn)確模擬陶瓷業(yè)排放的復(fù)雜模式。針對(duì)河南省陶瓷業(yè)制定的大氣污染物減排方案，數(shù)值模擬結(jié)果顯示在有方案情況下，顆粒物、S02和NO2的排放在2024年至2035年間分別增長(zhǎng)約34.22%、9.21%和9.74%，在無方案情況下，三者分別增長(zhǎng)約54.35%、21.25%和16.48%，證明了《陶瓷工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的有效性?？傮w而言，科學(xué)的數(shù)值模擬和合理的減排方案有望降低陶瓷業(yè)大氣污染，為環(huán)境管理和可持續(xù)發(fā)展提供有力支持。