烏昌石區域化石燃料固定燃燒點源大氣污染物排放清單及時空分布*

王 晴 王寶慶 蔡寧寧 唐真真 趙子賢 劉博薇 胡新鑫 牛宏宏

(南開大學環境科學與工程學院，天津 300071)

在工業、交通和城市化的蓬勃發展過程中，化石燃料燃燒生成的污染物使城市大氣質量嚴重污染[1]。曾凡剛等[2]研究表明，城市的癌癥患病率特別是肺癌患病率高于農村，大氣污染嚴重的城市則更高，主要是化石燃料燃燒釋放的污染物所致。

化石燃料燃燒產生的污染物很大一部分來自化石燃料固定燃燒點源。伍鵬程[3]研究顯示，化石燃料固定燃燒點源是臨沂市NOx的主要來源之一。陳軍等[4]研究顯示，化石燃料固定燃燒點源是長沙市最大的SO2排放人為貢獻源。舒麗等[5]研究顯示，南充市的化石燃料固定燃燒點源PM2.5排放量為914 t，PM10排放量為24 167 t。

烏昌石區域是國家作為城市群重點建設的10個區域之一[6]，屬于新疆維吾爾自治區，處于絲綢之路北通道的核心地帶，具有重要的發展優勢及戰略地位[7]，在占全區3.8%的土地面積上聚集了全區40%以上的城鎮人口，創造了約占全區40%的地區生產總值[8]。北京市[9]、深圳市[10]和上海市[11]等發達地區已相繼建立各類排放清單，而烏昌石區域的大氣污染源排放清單研究還十分欠缺。

因此，本研究對烏昌石區域2015年的化石燃料固定燃燒點源的NOx、SO2、PM2.5和PM10建立排放清單，并對排放量進行時空分布分析，為烏昌石區域大氣污染控制提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 研究范圍

本研究中烏昌石區域是指烏魯木齊市、石河子市、昌吉市、阜康市、五家渠市、呼圖壁縣和瑪納斯縣，沙灣縣由于數據缺失，暫不考慮。

烏昌石區域的865家化石燃料固定燃燒點源企業名單來自新疆環境監測總站，分成電力生產與供應、熱力生產與供應、采礦與制造3大行業。

1.2 排放因子的確定

NOx、PM2.5、PM10的排放因子分別來源于文獻[12]、《大氣細顆粒物(PM2.5)一次源排放清單編制技術指南(試行)》、《大氣可吸入顆粒物一次源排放清單編制技術指南(試行)》，其具體數據見表1。但SO2排放因子沒有統一的文獻或指南可以參考，因此本研究采用《城市大氣污染物排放清單編制技術手冊》的物料衡算法計算得到，燃料收到基平均含硫質量分數取0.7%，硫分進入底灰的質量比例取0.15。

1.3 排放量估算方法

每家企業根據對應行業按照不同化石燃料不同鍋爐類型逐個計算每個鍋爐的污染物排放量，企業里所有鍋爐的排放量之和為企業的排放量，每個鍋爐的污染物排放量計算公式如下：

E=A×EF×10-3×(1-η)

(1)

式中：E為每個鍋爐的污染物排放量，t；A為每個鍋爐的實際燃料消耗量(即活動水平)，數據由每家企業提供；EF為排放因子；η為污染控制措施對污染物的去除效率，%，數據取值參考《城市大氣污染物排放清單編制技術手冊》。A和EF單位根據實際情況而定。

2 結果與討論

2.1 大氣污染物排放清單

通過計算得到，2015年烏昌石區域化石燃料固定燃燒點源的NOx、SO2、PM2.5和PM10的年排放量分別為2.10×105、1.52×105、4.28×104、8.35×104t。

不同行業的污染物排放貢獻率如圖1所示。由圖1可見，不同行業中電力生產與供應行業的NOx排放量最大，貢獻率達到70.78%；電力生產與供應行業也是SO2排放量最大的行業，貢獻率達到66.56%；電力生產與供應行業的PM2.5排放量最大，貢獻率為51.10%，其次采礦和制造行業的PM2.5排放量也較大，貢獻率為39.08%；PM10和PM2.5的行業貢獻率分布基本一樣，電力生產與供應行業、采礦和制造行業貢獻率分別為49.98%、39.01%。這主要是因為電力生產過程以燃煤為主，污染物產生量較大[13]。

表1 NOx、PM2.5、PM10的排放因子

圖1 不同行業的污染物排放貢獻率Fig.1 Industrial contribution rates of the pollutants

不同化石燃料的污染物排放貢獻率如圖2所示。由圖2可知，煤炭對NOx、SO2、PM2.5和PM10的排放量貢獻率都占有絕對優勢，分別達到95.63%、99.84%、99.70%、99.84%，這是因為煤炭是我國第一大能源。

圖2 不同化石燃料的污染物排放貢獻率Fig.2 Fuel contribution rates of the pollutants

不同鍋爐類型的污染物排放貢獻率如圖3所示。由圖3可知，煤粉爐對NOx、SO2、PM2.5和PM10的排放量貢獻率也都占有絕對優勢，分別為84.20%、85.09%、83.43%、84.06%，這是因為煤粉爐主要以煤炭為燃料；其次是流化床爐，對NOx、SO2、PM2.5和PM10的排放量貢獻率分別為9.17%、12.61%、11.08%、11.31%，流化床爐使用的主要燃料也是煤炭。

圖3 不同鍋爐類型的污染物排放貢獻率Fig.3 Boiler types contribution rates of the pollutants

2.2 污染物排放時空分布特征

2.2.1 時間分布特征

2015年烏昌石區域化石燃料固定燃燒點源的大氣污染物月排放特征和平均每日的小時排放特征分別如圖4和圖5所示。由圖4可見，NOx、SO2、PM2.5和PM10的月排放量變化趨勢基本保持一致，采暖季污染物的排放量明顯高于非采暖季，這是由于烏昌石區域的基本能源以燃煤為主，采暖導致燃煤量增大，進而導致污染物明顯增多，且冬季逆溫層較厚，導致低層大氣污染物不易擴散[14]。由圖5可以看到，NOx、SO2、PM2.5和PM10的平均每日小時排放量也呈現相同的變化趨勢，總體來看白天高于夜晚，符合當地社會生產和居民的生活作息規律。

圖4 污染物的月排放特征Fig.4 Monthly emission characteristics of pollutants

圖5 污染物的小時排放特征Fig.5 Hourly emission characteristics of pollutants

2.2.2 空間分布特征

由圖6可以看出，2015年烏昌石區域化石燃料固定燃燒點源主要集中在烏魯木齊市、五家渠市和昌吉市。一般認為，地區生產總值和工業比重越大的地方大氣質量越低[15]，新疆維吾爾自治區目前處于以工業化為主的高速發展時期[16]，其中以烏魯木齊市的地區生產總值和工業比重最大，對城市的生態環境造成一定的脅迫[17]，所以以烏魯木齊市為中心的區域大氣污染也最為嚴重[18]。從地形上來看，烏魯木齊市三面環山，氣流不易水平流動，特別是冬季風速小時，不利于污染物的擴散。另外，逆溫效應以及熱島效應等因素對烏魯木齊市及周邊地區大氣污染也具有重要影響[19]。NOx和SO2的排放主要主要是由于烏魯木齊市有一些熱電廠、化工公司排放較多的NOx和SO2。PM2.5的排放主要主要是由于五家渠市工業園區近些年的迅猛發展。PM10的排放主要主要是由于昌吉市的熱電廠和熱力公司排放。

3 結 論

(1) 2015年烏昌石區域化石燃料固定燃燒點源的NOx、SO2、PM2.5、PM10年排放量分別為2.10×105、1.52×105、4.28×104、8.35×104t。

(2) 不同行業中，對NOx、SO2、PM2.5和PM10的貢獻率均是電力生產與供應行業最大，分別為70.78%、66.56%、51.10%、49.98%。不同化石燃料中，對NOx、SO2、PM2.5和PM10的貢獻率均是煤炭最大，分別為95.63%、99.84%、99.70%、99.84%。不同鍋爐類型中，對NOx、SO2、PM2.5和PM10的貢獻率均是煤粉爐最大，分別為84.20%、85.09%、83.43%、84.06%。

圖6 污染物的空間排放特征Fig.6 Spatial distribution of different pollutants

(3) 固定燃燒點源污染物排放呈現出明顯的時間變化特征，采暖季污染物的排放量高于非采暖季，一天中白天高于夜晚。空間分布顯示，NOx和SO2的排放主要集中在烏魯木齊市，PM2.5的排放主要集中在五家渠市，PM10的排放主要集中在昌吉市。