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 (生態環境部環境規劃院,北京 100012)

隨著工業化進程的加快,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域性大氣污染問題日益嚴峻.京津冀及周邊地區是我國大氣污染最為嚴重的區域,重污染天氣頻發,2015年區域內70個地級以上城市共發生 1710天次重度及以上污染,占2015年全國的44.1%[1].研究顯示,京津冀地區燃煤總量大、強度高,燃煤污染對環境空氣質量的影響顯著[2-4],燃煤排放的污染物對京津冀地區PM2.5貢獻率達到 23.3%～46.6%[5],在秋冬季貢獻率接近 50%[6].根據《中國能源統計年鑒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構中占比均在 80%左右,遠超全國平均水平.控制燃煤污染是改善京津冀地區環境空氣質量,減少重污染天氣的重要措施.

近年來,環境保護部先后在京津冀及周邊地區確定了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2017年大氣污染防治工作方案》[8]、《京津冀及周邊地區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,實現空氣質量的明顯改善.本研究以2015年為基準年,以“2+26”城市為研究對象,基于現有燃煤污染減排政策措施,預測分析到2017年各項燃煤大氣污染政策措施可實現的減排潛力,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.本研究測算的燃煤污染源包括燃煤電廠、燃煤鍋爐及農村散煤三部分,主要大氣污染物包括SO2、NOx及PM(包括PM10及PM2.5).

1 計算方法與數據

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測年燃煤電廠、燃煤鍋爐及農村散煤3大污染源SO2、NOx及PM排放量相對于基準年的削減量,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為基準年燃煤大氣污染物排放量,104t;Ei為預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;NOx排放量采用排放系數法計算.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 年中國能源統計年鑒》、《2016 年中國環境統計年鑒》[11]等資料獲取,再根據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境統計口徑,引用相關燃煤鍋爐大氣污染排放特征研究[12]的計算方法,根據《中國能源統計年鑒2016》[7]、《中國環境統計年報 2015》[13]等,對“2+26”城市 2015年燃煤鍋爐煤炭消耗量進行測算.

根據支國瑞等[14]的研究,我國農村地區散煤使用量遠大于能源統計年鑒中的農村生活用煤數據.因此,本研究農村散煤消耗量根據“2+26”城市的農村戶數、調研獲得的農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.近年來,各地區嚴格落實煤質管理要求[15],北京、天津、河北出臺了煤質標準[16-18],因此,本研究中燃煤鍋爐用煤硫份和灰分參照煤質管理要求及地方煤質標準進行取值,如表1所示.

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

燃煤鍋爐 NOx產生系數參照《產排污系數手冊》[19]進行取值;PM產生涉及的灰分進入底灰比例、不同粒徑顆粒物占總顆粒物的比例等參數通過相關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指南》[21]、《大氣細顆粒物一次源排放清單編制技術指南》[22]進行取值.

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

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

農村散煤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指南》[23]進行取值.

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施類型相關.本研究根據約1000臺燃煤鍋爐的調研數據,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果[24-29]對污染治理設施的處理效率進行了取值,如表2,表3所示.

表3 除塵技術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 結果與討論

2.1 總體減排情況

根據式(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%,但未來電力行業減排空間有限;燃煤小鍋爐淘汰及大鍋爐達標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]京津冀地區燃煤鍋爐減排潛力的研究結論,未來“2+26”城市燃煤鍋爐尚有一定的減排的空間;農村散煤改電(氣)各項污染物減排比例在 18%～21%.農村散煤改電(氣)減排比例較小,與山西、山東和河南傳輸通道城市農村散煤改電(氣)工作處于起步階段有關,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考慮進一步推進 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到大氣污染物特別排放限值;大力推進農村散煤改電(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

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

圖4 各燃煤部門污染物減排貢獻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電裝機容量和燃煤鍋爐規模較小,農村散煤治理比例低,難以形成規模化的減排效益.

3 結論

3.1 2015年“2+26”城市燃煤電廠、燃煤鍋爐、農村散煤排放的 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,燃煤排放貢獻大.其中,燃煤電廠是SO2和 NOx的主要排放源,燃煤鍋爐和農村散煤等低矮面源對顆粒物的排放貢獻更大.

3.2 2015～2017年“2+26”城市通過采取燃煤電廠超低排放、工業燃煤小鍋爐淘汰及達標改造、農村散煤替代等措施,實現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標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.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.