京津冀及周邊地區水泥工業大氣污染控制分析

王彥超,蔣春來,賀晉瑜,鐘悅之,宋曉暉

?

京津冀及周邊地區水泥工業大氣污染控制分析

王彥超,蔣春來*,賀晉瑜,鐘悅之,宋曉暉

(生態環境部環境規劃院,北京 100012)

以京津冀及周邊地區水泥工業為研究對象,基于產排污系數法,建立了水泥工業主要大氣污染物排放計算方法,對2016年該地區水泥工業主要大氣污染物排放控制水平進行了分析.結果表明:京津冀及周邊地區2016年水泥工業SO2、NO、PM(有組織)排放量分別達到3.2′104t、23.9′104t、9.7′104t,較2015年分別減少24.1%、18.2%、27.2%,各項污染物大幅下降.水泥工業PM無組織排放量占PM總排放量的45.4%,仍需要采取集中收集的方式加強治理.山東、河南是水泥工業SO2、NO、PM、PM10、PM2.5重點排放來源,應通過化解過剩產能降低污染排放.從各工藝來看,新型干法工藝應考慮采用高效脫氮脫硫技術、協同處置技術、高效大型袋式除塵技術等新技術,進一步降低各項污染物的排放量;粉磨站也需進一步提高污染治理水平.

京津冀及周邊地區；水泥工業；控制現狀；排放特征

水泥工業是能源、資源消耗密集型工業,在為京津冀及周邊地區經濟發展作出巨大貢獻的同時,也帶來了不可忽視的環境問題[1-2].目前,京津冀及周邊地區仍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1710d次重度及以上污染,占2015年全國的44.1%[3].根據環境統計數據[4],2015年京津冀及周邊地區水泥工業SO2、NO、PM排放量占地區工業行業污染物排放總量的比例分別為7.3%、51.8%、21.8%,NO、PM排放貢獻比例高,仍是區域大氣環境污染治理的重點.

目前,在水泥工業大氣污染排放量測算方面,雷宇等[5]初步建立了水泥工業大氣顆粒物排放清單編制方法,王永紅等[6]主要采用產排污系數法開展1995~2005年水泥工業大氣污染物排放量測算;在重點區域水泥工業排放控制研究方面,田剛等[7]調研了2012年京津冀水泥工業顆粒物、氮氧化物、二氧化硫排放控制現狀;在水泥工業排放特征分析方面,徐東耀等[8]分析總結了2012年水泥工業排放特征,燕麗等[9]分析研究了2013年全國水泥工業PM2.5的排放特征,唐倩等[10]以2014年為基準年研究了水泥工業顆粒物有組織及無組織排放特征.總體來看,現有研究基本是對《大氣污染防治行動計劃》(以下簡稱大氣十條)實施以前水泥工業的污染現狀進行了評估,缺少對大氣十條實施以后水泥工業污染減排措施的考慮,無法體現當前水泥工業主要大氣污染物排放水平,難以為后大氣十條時期水泥工業深度治理決策提供支撐,需進一步開展評估工作.

大氣十條實施以來,國家生態環境部先后出臺了《京津冀及周邊地區落實大氣污染防治行動計劃實施細則》[11]、《京津冀大氣污染防治強化措施(2016-2017年)》[12]等一系列政策文件,有效推動了京津冀及周邊地區水泥工業脫硝、除塵設施的升級改造,極大降低了水泥工業NO、有組織PM的排放,但隨著大氣污染形勢日益復雜,水泥工業進行深度治理勢在必行.本研究以京津冀及周邊地區6省市(北京、天津、河北、山西、山東、河南)為研究對象,基于污染源排放清單編制技術方法,結合實地調研數據,測算了2016年京津冀及周邊地區水泥工業主要大氣污染物排放量,分析了大氣十條實施后京津冀及周邊地區水泥工業大氣污染治理技術應用現狀及控制水平,以期為打贏藍天保衛戰,制定下一步水泥工業污染控制措施提供決策依據.

1 方法與數據

1.1 計算方法

1.1.1 總排放量測算 京津冀及周邊地區水泥工業主要大氣污染物排放量主要依據熟料及水泥產量、不同工序產污系數,采用產排污系數法進行計算,分為有組織排放和無組織排放兩部分.計算公式如下:

1.1.2 有組織排放測算 水泥企業有組織排放包括水泥熟料煅燒窯排放的SO2、NO、PM,以及水泥生產過程中原料破碎、生料粉磨、水泥粉磨、水泥包裝和散裝等工序排放的有組織PM.計算公式如下:

式中:SO2為水泥熟料煅燒窯 SO2排放量,t;NOx為水泥熟料煅燒窯NO排放量,t;為熟料產量,萬t;為SO2產污系數,kg/t熟料;為氮氧化物產污系數,kg/t熟料;￠為水泥產量,萬t;ef為熟料煅燒窯PM產污系數, kg/t熟料;ef為其他工序PM有組織產污系數, kg/t熟料;為不同粒徑顆粒物的質量分數,%,參照表2取值;PM為粉塵有組織或無組織排放量,t;為污染控制措施去除效率,%.

1.1.3 無組織排放測算 無組織排放的PM主要包括原料粉塵、生料粉塵、燃料粉塵、熟料粉塵和水泥粉塵等.計算公式如下:

1.2 工藝分布及產品產量

水泥工業主要大氣污染物的排放水平主要受生產工藝規模、產品產量的影響.本研究根據北京、天津、河北、山西、山東、河南6省市約700條生產線調研數據,分析了2016年6省市水泥工業生產工藝規模分布情況,并通過《2017 年中國統計年鑒》[13]、水泥行業協會數據等資料獲取了6省市水泥工業2016年熟料及水泥產量,如圖1和圖2所示.

圖1 水泥工業不同生產工藝規模分布情況

1.3 產污系數

水泥熟料煅燒窯SO2、NO、PM產污系數參照《產排污系數手冊》[14]、《大氣可吸入顆粒物一次源排放清單編制技術指南》[15]進行取值.其他工序PM排污系數根據《產排污系數手冊》[14]、《大氣可吸入顆粒物一次源排放清單編制技術指南》[15]、《大氣可吸入顆粒物一次源排放清單編制技術指南》[16]、《PM2.5排放量核算技術規范(火電廠、水泥工業企業)》[17]及唐倩[10]、薛亦峰[18]等的研究計算取得.各生產工藝PM排放中不同粒徑PM占比參考雷宇等[5]的研究及美國《大氣污染物排放因子匯編》[19]進行取值.如表1和表2所示.

表1 水泥工業主要大氣污染物產污系數

表2 不同工藝排放顆粒物的粒徑分布

1.4 污染控制措施去除效率

水泥工業大氣污染治理效率與所采用的污染治理設施類型相關.根據北京、天津、河北、山西、山東、河南6省(市)約700條生產線的調研數據,本研究分析了各省(市)水泥工業大氣污染治理技術的應用情況及污染物在線監測數據,并結合水泥工業主要大氣污染物排放控制技術及控制水平研究結果[20-22]進行了取值,脫硝技術基本為SNCR工藝,去除效率在50%左右;除塵技術對不同粒徑顆粒物去除效率如表3所示.

表3 除塵技術對不同粒徑顆粒物的去除效率

2 結果與討論

2.1 污染治理技術應用現狀

圖3 京津冀及周邊地區水泥窯污染治理技術應用情況

通過分析北京、天津、河北、山西、山東、河南等6省(市)水泥工業約700條水泥熟料生產線的調研數據,獲得了主要大氣污染物治理技術應用情況,如圖3所示.根據分析結果,調研的水泥熟料生產線均未安裝脫硫設施;81%的生產線安裝了脫硝設施,采用選擇性非催化還原技術(SNCR)的占比為80%,采用高效再燃脫硝技術(ERD)的占比為1%;所有生產線均安裝了除塵設施,主要采用布袋除塵器、電袋復合除塵器及靜電除塵器,占比分別為86%、12%和2%.對比田剛等[7]河北脫硝工藝、王永紅等[6]新型干法除塵技術應用情況分析結果可見,在大氣十條實施期間水泥工業SNCR脫硝技術應用比例大幅提高,除塵技術也由以靜電除塵為主轉向布袋除塵或電袋復合除塵等高效除塵設備.

2.2 總體排放情況

圖4 京津冀及周邊地區水泥工業主要大氣污染物排放情況

根據公式(1)~(5)計算2016年京津冀及周邊地區6省(市)水泥工業SO2、NO、PM、PM10、PM2.5的總排放量分別為3.2′104t、23.9′104t、17.9′104t、7.5′104t、4.1′104t,其中,SO2、NO分別較2015年排放量下降24.1%、18.2%;PM因與現有排放統計口徑有差異,測算的總排放量較2015年增加了33.5%,如圖4所示.水泥工業PM排放構成中,有組織排放量為9.7′104t,約占PM總排放量的54.6%,其中PM10、PM2.5分別占有組織排放的60.0%、33.9%,;無組織排放為8.2′104t,約占PM總排放量的45.4%,其中PM10、PM2.5分別占無組織排放的20.0%、10.0%.根據唐倩等[10]的研究,2014年水泥工業顆粒物有組織排放量與無組織排放量基本相當,而本研究中水泥工業顆粒物無組織排放占比有所降低,可見京津冀及周邊地區6省(市)水泥工業無組織排放控制水平有所提高,但占比仍然較大,需采取集中收集等方式降低其排放量.結果如圖5所示.

圖5 水泥工業不同粒徑顆粒物排放情況

2.3 各省(市)單位面積污染物排放

根據北京、天津、河北、山西、山東、河南等6省市SO2、NO、PM、PM10、PM2.5的排放量,分別計算了各省(市)單位面積污染物排放量,結果如圖6所示.六省(市)中,山東單位面積SO2、NO、PM、PM10、PM2.5排放量均為最大,分別為0.07,0.57, 0.42,0.17,0.09t/km2,水泥工業大氣污染影響最大,河南次之,需通過化解過剩產能降低污染排放;天津熟料產量少,單位面積SO2、NO排放量最低,分別為0.01,0.07t/km2,但由于水泥粉磨站水泥產量較高,單位面積PM排放量較大,僅次于山東和河南,需進一步提高水泥粉磨站顆粒物控制水平;山西單位面積PM10、PM2.5排放量均為最低,分別為0.05,0.03t/km2,但NO排放控制水平相對較差,單位面積排放量較高,僅次于山東和河南,需提升NO排放控制水平.

圖6 六省(市)不同污染物單位面積排放量

2.4 分工藝排放情況

根據計算結果,2016年京津冀及周邊地區六省(市)水泥工業新型干法工藝SO2、NO、PM、PM10、PM2.5的排放量分別為3.1′104t、23.8′104t、9.0′104t、5.2′104t、3.1′104t,占各項污染物排放總量的比例分別為98.5%、99.8%、50.2%、69.4%、76.2%;其他水泥窯SO2、NO、PM、PM10、PM2.5的排放量分別為0.1′104t、0.1′104t、0.3′104t、0.1′104t、0.1′104t,占各項污染物排放總量的比例分別為1.5%、0.2%、1.5%、1.6%、1.7%;水泥粉磨站PM、PM10、PM2.5的排放量分別為8.6′104t、2.2′104t、0.9′104t,占PM、PM10、PM2.5排放總量的比例分別為48.3%、29.0%、22.1%.從工藝排放結果分析看,水泥工業主要大氣污染物主要來自于熟料生產工藝,與徐東耀等[8]、薛亦峰等[9]、張光學等[23]的研究結果基本一致,未來可考慮采用高效脫氮脫硫技術、協同處置技術、高效大型袋式除塵技術等新技術,進一步降低各項污染物的排放量.但隨著熟料生產工藝進步及污染治理水平的提升,其顆粒物排放占顆粒物總排放量的比例逐步降低,與粉磨站顆粒物排放水平相當.

圖7 不同工藝污染物排放情況

3 結論

3.1 2016年京津冀及周邊地區6省(市)水泥熟料煅燒窯脫硝、除塵設施配套情況較好,調研的水泥熟料生產線中80%采用了SNCR脫硝工藝,98%采用了袋式除塵、電袋復合除塵等高效除塵工藝,NO、有組織PM均得到了有效的治理.

3.2 京津冀及周邊地區6省(市)水泥工業因污染治理水平的提高,其SO2、NO、PM(有組織)2016年排放量較2015年大幅下降,分別達到3.2′104t、23.9′104t、9.7′104t,下降比例分別為24.1%、18.2%、27.2%.水泥工業PM無組織排放量仍較大,占PM總排放量的45.4%.

3.3 京津冀及周邊地區6省(市)中山東、河南是水泥生產大省,兩省SO2、NO、PM、PM10、PM2.5排放總量及單位面積排放量居前2位,是該地區重點排放來源.北京、天津、山西各項污染物單位面積排放量相對較低,但天津單位面積PM排放量較大;山西單位面積NO排放量較大,僅次于山東和河南.

3.4 水泥工業SO2、NO、PM、PM10、PM2.5的排放主要來自新型干法窯,其SO2排放目前尚無治理措施, NO、PM排放量依然較大.獨立粉磨站PM的排放貢獻也較大,占PM排放總量的48.3%.

[1] 范永斌,王郁濤,蘭明章,等.我國典型水泥窯爐熟料燒成煤耗分析[J]. 北京市:中國水泥協會, 2012:597-605.

[2] 何 捷.中國水泥工業大氣污染物排放現狀、核查和監管趨勢[J]. 中國水泥, 2014,(6):65-67.

[3] 環境保護部, 2015中國環境狀況公報[EB/OL].北京:環境保護部, http://www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/qt/201606/t20160602_353138.htm.

[4] 環境保護部.中國環境統計年報2015 [M]. 北京:中國環境出版社, 2016:279-280.

[5] 雷 宇,賀克斌,張 強,等.基于技術的水泥工業大氣顆粒物排放清單[J]. 環境科學, 2008,29(8):2366-2371.

[6] 王永紅,薛志鋼,柴發合,等.我國水泥工業大氣污染物排放量估算[J]. 環境科學研究, 2008,21(2):207-212.

[7] 田 剛,王 凡,束 韞,等.京津冀水泥工業大氣污染狀況研究[J]. 中國水泥, 2014,(6):68-70.

[8] 徐東耀,周 昊,劉 偉,等.我國水泥行業大氣污染物排放特征[J]. 環境工程, 2015,33(6):76-79.

[9] 燕 麗,賀晉瑜,丁 哲,等.中國大陸地區水泥工業PM2.5排放特征研究[J]. 環境污染與防治, 2017,39(2):142-146.

[10] 唐 倩,王麗娟,夏 昕,等.我國水泥行業顆粒物減排潛力研究[C]// 北京:中國環境科學學會科學與技術年會, 2017:597-605.

[11] 環境保護部,國家發展和改革委員會,財政部,住房和城鄉建設部,國家能源局.關于印發《京津冀及周邊地區落實大氣污染防治行動計劃實施細則》的通知[EB/OL].http://www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/bwj/ 201309/t20130918_260414.htm, 2013-09-17.

[12] 環境保護部等.關于印發《京津冀大氣污染防治強化措施(2016-2017年)》的通知[EB/OL]. http://huanbao.bjx.com.cn/news/ 20160707/749105.shtml, 2016-06-17.

[13] 國家統計局.中國統計年鑒2016 [M]. 北京:中國統計出版社, 2016:446-448.

[14] 環境保護部.第一次全國污染源普查工業污染源產排污系數手冊[M]. 北京:中國環境科學出版社, 2010:453-463.

[15] 環境保護部.大氣可吸入顆粒物一次源排放清單編制技術指南(試行) [EB/OL]. http://www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/bgg/201501/t20150107_ 293955.htm, 2014-12-31.

[16] 環境保護部.大氣細顆粒物一次源排放清單編制技術指南(試行) [EB/OL]. http://www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/bgg/201408/t20140828_ 288364.htm, 2014-8-19.

[17] 環境保護部.PM2.5排放量核算技術規范(火電廠、水泥工業企業)(征求意見稿)[EB/OL]. http://www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/bgth/201401/ t20140124_266910.htm, 2014-1-17.

[18] 薛亦峰,曲 松,閆 靜,等.北京市水泥工業大氣污染物排放清單及污染特征[J]. 環境科學與技術, 2014,(1):201-204.

[19] USEPA. Compilation of air pollutant emission factors. Rep. AP-42, Research Triangle Park, N. C.1996.

[20] 毛志偉,楊如順.我國水泥行業大氣污染物控制技術現狀[C]//北京:中國硅酸鹽學會環保學術年會, 2012:4-8.

[21] 陳紅燕.淺析水泥行業粉塵污染控制技術[J]. 河南建材, 2016,(5):74-76.

[22] 任 春,江 梅,鄒 蘭,等.水泥工業大氣污染物排放控制水平確立研究[J]. 環境科學, 2014,35(9):3632-3638.

[23] 張光學,劉建忠,周俊虎,等.新型干法水泥回轉窯可吸入顆粒物計量檢測研究[J]. 中國計量學院學報, 2011,22(1):5-9.

Analysis of air pollutants control in cement industry in and around Beijing-Tianjin-Hebei region.

WANG Yan-chao, JIANG Chun-lai*, HE Jin-yu, ZHONG Yue-zhi, SONG Xiao-hui

(Chinese Academy of Environmental Planning, Beijing 100012, China)., 2018,38(10)：3683~3688

A model for estimating air pollutant emissions from cement industry was developed based on emission factors for the greater Beijing-Tianjin-Hebei region. The estimated emissions based on the model were used to analyze of current status and emission characteristics of the major air pollutants, including SO2, NO, and PM from cement industry in 2016. The results showed that the emissions of SO2, NOand nonfugitive PM from cement industry were 3.2′104t、23.9′104t、9.7′104t, 24.1%, 18.2%, 27.2% less than which in 2015, respectively. Fugitive PM contributes to 45.4% of the total PM emissions, and it is necessary to enhance colleting the fugitive PM emissions. Shandong and Henan are the greater contributor of SO2, NO, PM, PM10and PM2.5emissions from cement industry. More phasing out of abundant cement producing capacity in these two provinces should be a key measure to reduce their emissions. The cutting-edge technologies such as high efficiency nitrogen and sulfur removal technology, collaborative disposal technology and high efficiency baghouse filter should be considered reduce the emissions from the New Dry Process clinker production, and the pollution control in the grinding stations also need to be strengthened.

the greater Beijing-Tianjin-Hebei region；cement industry；emission control status；emissions characteristic

X511

A

1000-6923(2018)10-3683-06

王彥超(1985-),男,黑龍江哈爾濱人,助理研究員,碩士,主要從事大氣污染物總量控制政策體系研究.發表論文4篇.

2018-03-26

國家重點研發計劃資助項目(2016YFC0208400, 2016YFC0207505)

* 責任作者, 副研究員, jiangcl@caep.org.cn