唐山市鋼鐵行業(yè)大氣污染物排放清單建立

李 佳,張曉郁,孫慶宇

1.唐山市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，河北 唐山 063000 2.邢臺(tái)市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，河北 邢臺(tái) 054000

唐山市鋼鐵行業(yè)大氣污染物排放清單建立

李 佳1,張曉郁1,孫慶宇2

1.唐山市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，河北 唐山 063000 2.邢臺(tái)市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，河北 邢臺(tái) 054000

以唐山市鋼鐵企業(yè)為研究對(duì)象，在收集已有排放源數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，基于排放因子和活動(dòng)水平數(shù)據(jù)采用排放因子法估算了唐山市鋼鐵企業(yè)多個(gè)大氣污染物的排放量，得到了符合空氣質(zhì)量模型要求的污染源輸入數(shù)據(jù)，建立鋼鐵行業(yè)和主要防控因子污染源數(shù)據(jù)庫。結(jié)合唐山市各縣區(qū)的環(huán)境空氣質(zhì)量狀況，利用GIS技術(shù)，將不同污染因子的排放進(jìn)行空間分布，最終形成準(zhǔn)確完善的多尺度、高時(shí)空分辨率大氣污染源排放清單。研究介紹了符合中國特色的區(qū)域高分辨率大氣排放源清單建立的方法體系，為京津冀地區(qū)區(qū)域大氣污染聯(lián)防聯(lián)控及2020年大氣污染物區(qū)域削減計(jì)劃工作提供數(shù)據(jù)支撐。

鋼鐵行業(yè)；大氣；污染因子；排放清單；空間分布

重工業(yè)城市唐山市結(jié)構(gòu)性污染特征明顯，工業(yè)源是唐山市大氣污染的重要來源，特別是鋼鐵行業(yè)，截至2014年底，全市鋼鐵產(chǎn)能占河北省的50%。加強(qiáng)對(duì)工業(yè)源的研究和控制是改善空氣質(zhì)量、減輕大氣污染危害的重要途徑。大氣污染源排放清單研究是開展大氣污染防治、制定污染控制政策和進(jìn)行空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警的關(guān)鍵基礎(chǔ)性研究工作[1]。研究以唐山市鋼鐵企業(yè)為對(duì)象，計(jì)算主要防控因子排放強(qiáng)度和排放總量，逐步建立重點(diǎn)行業(yè)和主要防控因子污染源數(shù)據(jù)庫，同時(shí)利用地理信息系統(tǒng)對(duì)污染企業(yè)的位置及污染物排放量、濃度參數(shù)建立模型，采用反距離權(quán)重法及區(qū)位商法對(duì)污染源及污染物的空間分布進(jìn)行估算分析，最終形成準(zhǔn)確完善的多尺度、高時(shí)空分辨率大氣污染源排放清單。

國內(nèi)已有一些省份和主要城市開始對(duì)排放清單的建立進(jìn)行研究[2-8]，而對(duì)清單數(shù)據(jù)結(jié)合地理信息資料，利用GIS技術(shù)將不同污染因子進(jìn)行空間化分析，獲取污染物的空間分布狀況的研究相對(duì)缺乏。

1 實(shí)驗(yàn)部分

研究以2014年唐山市鋼鐵企業(yè)主要污染排放源現(xiàn)狀為對(duì)象，涵蓋主要大氣污染物(PM、PM10、PM2.5、SO2、NOX、CO及VOCs)的源清單。通過調(diào)研唐山市鋼鐵企業(yè)大氣污染物排放情況、能源結(jié)構(gòu)及其消耗量，主要利用排放因子法(排放系數(shù))，綜合利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法、質(zhì)量守恒計(jì)算法(物料衡算法)和外推法等，估算污染物的排放源源強(qiáng)，確定需要收集的污染源活動(dòng)水平數(shù)據(jù)。

1.1 唐山市大氣環(huán)境質(zhì)量狀況

全市鋼鐵企業(yè)分布于各個(gè)縣區(qū)，14個(gè)縣區(qū)從2014年開始全部安裝空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，并開始正常運(yùn)行，目前，唐山市共有18個(gè)空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，其中中心區(qū)(路南區(qū)、路北區(qū))6個(gè)，其他縣區(qū)各1個(gè)，分布圖見圖1。

圖1 唐山市空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)位分布圖

根據(jù)各個(gè)縣區(qū)空氣監(jiān)測(cè)子站的污染物濃度和綜合污染指數(shù)，采用ArcGIS制作生成全市大氣污染物綜合污染指數(shù)等值線圖，見圖2。可見大氣污染的空間分布狀態(tài)。

圖2 唐山市大氣污染物濃度綜合指數(shù)圖

1.2 排放清單的建立

1.2.1 唐山市鋼鐵行業(yè)概況

唐山市所轄的遷西縣和遷安市由于具有豐富的鐵礦石資源吸引了很多煉鋼廠聚集，西南邊的豐潤區(qū)和豐南區(qū)則是中小鋼鐵加工企業(yè)最集中的區(qū)縣，共有162家鋼鐵企業(yè)，其中鋼壓延加工企業(yè)108家，尤以豐潤區(qū)居多(有80家)，現(xiàn)大多處于整頓和停產(chǎn)狀態(tài)，除鋼壓延加工企業(yè)外，全市共有鋼鐵企業(yè)54家，分布見圖3。

圖3 唐山市鋼鐵企業(yè)分布圖

鋼鐵行業(yè)的廢氣主要來自鋼鐵廠的燒結(jié)、球團(tuán)、煉鐵、煉鋼、軋鋼、鍛壓、金屬制品與鐵合金等環(huán)節(jié)，加工過程消耗大量礦石、燃料和其他輔助原料。產(chǎn)生的主要大氣污染物是煙塵、粉塵、SO2、CO、NOX等。

1.2.2 點(diǎn)源各污染因子的計(jì)算方法

鋼鐵行業(yè)SO2、NOX及點(diǎn)源顆粒物的排放量來自環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

鋼鐵行業(yè)點(diǎn)源PM10的排放估算根據(jù)燒結(jié)、球團(tuán)、煉鐵、煉鋼各個(gè)工序顆粒物的產(chǎn)污系數(shù)、廢氣中的顆粒物粒徑比例和噸產(chǎn)品的排放比例來計(jì)算[9]。

PM2.5數(shù)據(jù)根據(jù)《大氣細(xì)顆粒物一次源排放清單編制技術(shù)指南》中工藝過程源第一級(jí)分類鋼鐵行業(yè)的PM2.5的產(chǎn)生、排放系數(shù)來計(jì)算。根據(jù)2013年環(huán)境統(tǒng)計(jì)中的鋼鐵行業(yè)顆粒物的排放數(shù)據(jù)，再依據(jù)《細(xì)顆粒物指南》表2中燒結(jié)礦、球團(tuán)礦、生鐵、轉(zhuǎn)爐鋼、電爐鋼P(yáng)M2.5的產(chǎn)生系數(shù)和表5中污染控制技術(shù)對(duì)PM2.5的去除效率，計(jì)算出每個(gè)鋼鐵企業(yè)的PM2.5排放量。

CO的排放量根據(jù)清華大學(xué)的研究[10]中CO工業(yè)工藝源分類及技術(shù)比例來確定，比例及參數(shù)見表1。

表1 鋼鐵行業(yè)CO排放系數(shù)

VOCs的排放量計(jì)算參照《揮發(fā)性有機(jī)物指南》中附錄B中附表5各類揮發(fā)性有機(jī)物排放源排放系數(shù)，軋鋼工藝排放系數(shù)為0.2 kg/t鋼。

1.2.3 顆粒物無組織排放的計(jì)算方法

顆粒物無組織排放主要有3個(gè)來源[11]：生產(chǎn)過程中設(shè)備的無密閉性導(dǎo)致的工業(yè)無組織揚(yáng)塵排放；裸露地面或料堆因機(jī)械或氣象因素作用引起的揚(yáng)塵排放；機(jī)械擾動(dòng)產(chǎn)生的揚(yáng)塵排放。煉鋼、煉鐵工業(yè)無組織粉塵的主要排放源，參考了北京市工業(yè)無組織排放的測(cè)試結(jié)果[12]和美國相關(guān)研究，見表2。

表2 主要工藝顆粒物無組織排放因子 kg/t

2 排放清單及污染物空間分析

全市及各縣區(qū)鋼鐵行業(yè)污染物排放清單見表3。

表3 各縣區(qū)及全市鋼鐵行業(yè)污染物排放清單 t/a

由表3可見，排放清單中的各種污染物的排放量均是整個(gè)唐山市范圍內(nèi)各個(gè)鋼鐵企業(yè)污染源全年的排放總量值，不能直觀體現(xiàn)出全市內(nèi)各縣區(qū)乃至各個(gè)污染源點(diǎn)位污染物排放的空間差異性，在進(jìn)行區(qū)域污染控制工作中不容易分辨出污染物排放量大的地區(qū)，難以制定更為嚴(yán)格的減排目標(biāo)和控制措施，在區(qū)域污染控制中做到有區(qū)別的對(duì)待。研究中，針對(duì)主要排放源各自的排放特征，同時(shí)考慮到獲取數(shù)據(jù)的有限性及代表性，結(jié)合其他學(xué)者對(duì)空間分配的研究方法，采用較為合適的空間分配方法，選擇適宜的權(quán)重分配因子，力求更好地反映各污染物的空間排放特征。

2.1 區(qū)位商法空間分析

區(qū)位商為區(qū)域經(jīng)濟(jì)學(xué)中的概念，是反映產(chǎn)業(yè)效率與效益的定量指標(biāo)，可以用來衡量某一區(qū)域要素的空間分布情況，反映某一要素在特定區(qū)域的相對(duì)集中程度。

式中：Qi為區(qū)位商，Ni為研究區(qū)域某部門產(chǎn)值，Ai為研究區(qū)域所有部門產(chǎn)值，N為背景區(qū)域某部門產(chǎn)值，A為背景區(qū)域所有部門產(chǎn)值。在對(duì)特定區(qū)域重要產(chǎn)業(yè)和排污的水平分析時(shí)引入?yún)⒄諈^(qū)位商的概念可更好地反映其空間集聚性[13]。

采用區(qū)位商法計(jì)算各縣區(qū)7種污染物的等標(biāo)污染負(fù)荷，見圖4(圖中縣域顏色越深表示污染負(fù)荷越大)。

圖4 唐山市各縣區(qū)等標(biāo)污染負(fù)荷圖

從圖4可以看出，縣區(qū)各污染物排放量的多少、綜合質(zhì)量指數(shù)的大小及空氣自動(dòng)站監(jiān)測(cè)濃度的等值線圖有著一定的一致性，但是由于污染物排放和受體的關(guān)系不呈線性關(guān)系，以及污染的傳輸導(dǎo)致的空間溢出效應(yīng)，縣區(qū)塊圖并不能完全代表每個(gè)區(qū)域污染物的濃度，特別是污染企業(yè)密集處和縣區(qū)邊界處，無法形成污染物排放量的差異和連續(xù)性。

2.2 反距離權(quán)重法空間分析

采用ArcGIS地理統(tǒng)計(jì)模塊將唐山市以117°31′～119°19′E、38°55′～40°28′N為空間分配網(wǎng)格域分成0.01°×0.01°的網(wǎng)格，選用蘭勃特正形圓錐投影，WGS-1984坐標(biāo)系，反距離權(quán)重法計(jì)算繪制各企業(yè)的污染物排放圖[14-17]。該法是一種常用而簡(jiǎn)單的空間插值方法，它以插值點(diǎn)與樣本點(diǎn)間的距離為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均，離插值點(diǎn)越近的樣本賦予的權(quán)重越大。反距離權(quán)重法可以在未知?dú)庀髼l件及地形等情況下簡(jiǎn)單模擬污染物的擴(kuò)散情況，能在一定程度上反映區(qū)域污染物排放量的大小。圖5是對(duì)各鋼鐵企業(yè)的7種污染物的綜合污染排放濃度進(jìn)行插值計(jì)算，顏色越深表示污染物排放量越大，且為高值相對(duì)集中區(qū)域。

圖5 各企業(yè)污染物綜合排放濃度圖

3 2020年唐山市鋼鐵行業(yè)污染物排放量預(yù)測(cè)

根據(jù)國家、省、市對(duì)唐山地區(qū)各行業(yè)主要污染物的削減規(guī)劃，2017年底前，煉鐵產(chǎn)能凈壓減2 800萬t、粗鋼產(chǎn)能凈壓減4 000萬t(對(duì)應(yīng)淘汰1 000 m3以下的高爐，50 t以下的轉(zhuǎn)爐)。共減少燒結(jié)礦產(chǎn)能4 676萬t，同時(shí)加強(qiáng)在線和脫硫脫硝中控系統(tǒng)建設(shè)，將燒結(jié)機(jī)脫硫效率提高至80%。推算出2020年唐山市鋼鐵行業(yè)大氣污染物削減量和排放量，見表4。

表4 2020年唐山市鋼鐵行業(yè)大氣污染物削減及排放量

2014年唐山市污染物排放量已經(jīng)低于2013年，到2020年無論是唐山市鋼鐵行業(yè)各污染物的排放量還是全市的污染物排放量都有所減少，并且削減量比較明顯。同時(shí)顯示出唐山市的發(fā)展符合環(huán)境庫茲涅茲曲線(EKC)，從目前趨勢(shì)來看已經(jīng)進(jìn)入倒U型曲線的頂端甚至下降區(qū)間。唐山市的環(huán)境發(fā)展是否還能順應(yīng)EKC曲線的規(guī)律，還需對(duì)唐山市主要污染物的排放進(jìn)行長(zhǎng)期的跟蹤性研究來確定[18-19]。

4 結(jié)論

唐山市2014年鋼鐵行業(yè)的粗細(xì)顆粒物、SO2排放量均較大，特別是CO的排放量最大，主要原因是轉(zhuǎn)爐煤氣回收率低，先進(jìn)企業(yè)回收率達(dá)到92%，差的企業(yè)回收率僅有40%，有少數(shù)企業(yè)沒有回收，造成整個(gè)鋼鐵行業(yè)約50%的含有大量CO的轉(zhuǎn)爐煤氣被排放掉。按照縣域行政區(qū)劃計(jì)算區(qū)域污染負(fù)荷最大的依次為古冶區(qū)、路北區(qū)和開平區(qū)，最小的為路南區(qū)、漢沽管理區(qū)和灤南縣。但是由于受空間溢出效應(yīng)以及氣象、地形等因素影響，污染物排放量只能間接反映該區(qū)域(特別是某個(gè)行政區(qū)域)的環(huán)境空氣質(zhì)量。

綜合以上研究結(jié)果，環(huán)境管理部門制定減排措施時(shí)，不能只單單削減污染物超標(biāo)區(qū)域，同時(shí)還要考慮到削減相鄰區(qū)域和污染物排放企業(yè)相對(duì)集中區(qū)域。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)完善的環(huán)境政策及其有力的實(shí)施可以改善環(huán)境，減小環(huán)境壓力。同時(shí)鋼鐵行業(yè)減排還要注意2個(gè)方面，一是技術(shù)進(jìn)步提高生產(chǎn)率，改善資源的使用效率，削弱生產(chǎn)對(duì)自然與環(huán)境的影響；二是隨著清潔技術(shù)不斷開發(fā)以及對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)的取代，資源將得到有效地循環(huán)利用，降低單位產(chǎn)出的污染排放。

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Research on the Establishment of the Atmospheric Pollutant Emission Inventory of Tangshan Iron and Steel Industry

LI Jia1,ZHANG Xiaoyu1,SUN Qingyu2

1.Tangshan Environmental Monitoring Centre,Tangshan 063000,China 2.Xingtai Environmental Monitoring Station,Xingtai 054000,China

Taking Tangshan iron and steel enterprises as the research object, collected the existing emission source data,this study estimated the emissions of atmospheric pollutants from Tangshan iron and steel enterprises, using emission factor method based on emission factor and activity data. Pollution source input data which meets the requirements of air quality model was thus gained. Combining with the air quality situation of each counties in Tangshan by using GIS technology, the emission of different pollutants was spatial distributed and eventually formed the atmospheric pollutant emission inventory, which is accurate, multi-scale and with high spatial and temporal resolution. This study introduced the method system of regional high resolution atmospheric emission source inventory which conforms to our country’s characteristic, and laid out the data foundation for joint prevention and control of air pollution in Beijing-Tianjin-Hebei region and regional air pollutant abatement plan in 2020.

iron and steel industry;atmosphere;pollution factors;emissions inventory;spatial distribution

2016-03-16;

2016-05-23

李 佳(1980-)，女，北京人，碩士，工程師。

X823

A

1002-6002(2016)05- 0030- 05

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.05.06