京津冀大气污染传输通道城市燃煤大气污染减排潜力

王彦超,蒋春来,贺晋瑜,钟悦之,宋晓晖,雷 宇,燕 丽 (生态环境部环境规划院,北京 100012)

随着工业化进程的加快,我国煤炭等化石能源的消耗大幅增加,由此带来的城市及区域性大气污染问题日益严峻.京津冀及周边地区是我国大气污染最为严重的区域,重污染天气频发,2015年区域内70个地级以上城市共发生 1710天次重度及以上污染,占2015年全国的44.1%[1].研究显示,京津冀地区燃煤总量大、强度高,燃煤污染对环境空气质量的影响显著[2-4],燃煤排放的污染物对京津冀地区PM2.5贡献率达到 23.3%～46.6%[5],在秋冬季贡献率接近 50%[6].根据《中国能源统计年鉴2016年》[7],2015年京津冀及山西、山东、河南3省的煤炭消费量约占全国的 1/3,除北京、天津外,其他4省煤炭在能源消费结构中占比均在 80%左右,远超全国平均水平.控制燃煤污染是改善京津冀地区环境空气质量,减少重污染天气的重要措施.

近年来,环境保护部先后在京津冀及周边地区确定了28个大气污染传输通道城市(以下简称 “2+26”城市)[8],并出台了《京津冀大气污染防治强化措施(2016～2017年)》[9]、《京津冀及周边地区2017年大气污染防治工作方案》[8]、《京津冀及周边地区2017～2018年秋冬季大气污染防治综合治理攻坚行动方案》[10]等一系列政策文件,旨在通过燃煤电厂超低排放改造、燃煤小锅炉淘汰、散煤清洁化治理等手段减少大气污染排放,实现空气质量的明显改善.本研究以2015年为基准年,以“2+26”城市为研究对象,基于现有燃煤污染减排政策措施,预测分析到2017年各项燃煤大气污染政策措施可实现的减排潜力,以期为后“大气十条”时期“2+26”城市燃煤污染控制提供决策依据.本研究测算的燃煤污染源包括燃煤电厂、燃煤锅炉及农村散煤三部分,主要大气污染物包括SO2、NOx及PM(包括PM10及PM2.5).

1 计算方法与数据

1.1 计算方法

1.1.1 减排潜力测算 “2+26”城市燃煤污染源主要大气污染物减排潜力的计算基于预测年燃煤电厂、燃煤锅炉及农村散煤3大污染源SO2、NOx及PM排放量相对于基准年的削减量,计算公式如下:

式中:R为燃煤污染源主要大气污染物减排潜力,104t;E为基准年燃煤大气污染物排放量,104t;Ei为预测年燃煤大气污染物排放量,104t.

1.1.2 排放量测算 燃煤电厂与散煤均采用排放系数法测算排放量,计算公式如下:

式中: E为污染物排放量,104t;M为燃煤消耗量,104t;pf为污染排放因子,kg/t煤.

燃煤锅炉 SO2和 PM 排放量采用物料衡算法计算,涉及燃煤量、燃煤硫份和灰分等参数;NOx排放量采用排放系数法计算.计算公式如下:

图1 “2+26”城市2015年主要燃煤污染源煤炭消费量Fig.1 Coal consumption by the coal-fired sources in “2+26”cities in 2015

式中: E为污染物排放量,104t;M为锅炉煤炭消耗量,104t;为燃煤平均硫分,%;St为燃煤中硫的转化率,%,取值 80%;pfNOx为氮氧化物排放因子,kg/t煤;燃煤灰分,%; ar为灰分进入底灰的比例,%;η为污染控制措施去除效率,%;fi为i粒径范围的颗粒物占总颗粒物的比例,%.

1.2 参数的确定

1.2.1 耗煤量 2015年“2+26”城市所在省(市)燃煤电厂煤炭消耗总量通过《2016 年中国能源统计年鉴》、《2016 年中国环境统计年鉴》[11]等资料获取,再根据各城市在运燃煤机组装机容量占全省(市)燃煤机组总装机容量的比例估算各市燃煤电厂煤炭消耗量.

由于大量燃煤锅炉未纳入环境统计口径,引用相关燃煤锅炉大气污染排放特征研究[12]的计算方法,根据《中国能源统计年鉴2016》[7]、《中国环境统计年报 2015》[13]等,对“2+26”城市 2015年燃煤锅炉煤炭消耗量进行测算.

根据支国瑞等[14]的研究,我国农村地区散煤使用量远大于能源统计年鉴中的农村生活用煤数据.因此,本研究农村散煤消耗量根据“2+26”城市的农村户数、调研获得的农村户均年煤炭消耗量计算获得.

1.2.2 燃煤硫份与灰分 煤炭燃烧排放的 SO2、PM 与煤炭的硫份、灰分密切相关.近年来,各地区严格落实煤质管理要求[15],北京、天津、河北出台了煤质标准[16-18],因此,本研究中燃煤锅炉用煤硫份和灰分参照煤质管理要求及地方煤质标准进行取值,如表1所示.

1.2.3 排放因子 燃煤电厂大气污染物基准年排放因子根据《中国环境统计年报2015》[13]公布的独立火电厂燃料煤消耗量及污染物排放量进行计算;预测年排放因子则根据燃煤机组烟气量及其达到的污染物排放浓度限值进行测算.

燃煤锅炉 NOx产生系数参照《产排污系数手册》[19]进行取值;PM产生涉及的灰分进入底灰比例、不同粒径颗粒物占总颗粒物的比例等参数通过相关燃煤锅炉颗粒物排放研究[20]、《大气可吸入颗粒物一次源排放清单编制技术指南》[21]、《大气细颗粒物一次源排放清单编制技术指南》[22]进行取值.

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

表2 主要脱硫脱硝技术去除效率Table 2 The removal efficiencies of typical methods for DeSO2 and DeNOx

农村散煤SO2、NOx、PM排放因子参照《民用煤大气污染物排放清单编制技术指南》[23]进行取值.

1.2.4 污染控制措施去除效率 燃煤锅炉污染治理效率与所采用的污染治理设施类型相关.本研究根据约1000台燃煤锅炉的调研数据,分析了“2+26”城市燃煤锅炉大气污染治理工艺分布,并参考不同容量锅炉的测试结果[24-29]对污染治理设施的处理效率进行了取值,如表2,表3所示.

表3 除尘技术对不同粒径颗粒物的去除效率Table 3 The removal efficiency of different size of PM

1.3 减排政策措施

通过梳理京津冀及周边地区大气污染防治系列政策文件[8-10],得出“2+26”城市 2016～2017年燃煤污染减排政策措施.“2+26”城市具体减排措施主要包括:燃煤机组超低排放改造、燃煤小锅炉淘汰和散煤替代,如表4所示.

表4 “2+26”城市2016～2017年燃煤污染减排政策措施Table 4 Policies and measures for coal pollution emissions reduction in the "2+26" cities for 2016～2017

2 结果与讨论

2.1 总体减排情况

根据式(1)～(5)计算2015年及2017年“2+26”城市燃煤大气污染物排放量,结果如图2所示.“2+26”城市 2015年燃煤 SO2、NOx、PM、PM10、PM2.5的总排放量分别为 156×104t、108×104t、96×104t、67×104t、47×104t,各项污染物排放量占“2+26”城市所在省(市)污染物排放总量的比例均在 30%左右.通过采取燃煤电厂超低排放改造、燃煤锅炉淘汰或改造、散煤改电(气)等措施,2017年“2+26”城市燃煤SO2、NOx、PM、PM10、PM2.5排放大幅减少,预测比2015年分别下降44%、48%、33%、32%、30%,排放量分别为 87×104t、56×104t、64×104t、45×104t、32×104t.

2.2 分部门减排情况

根据表 4中燃煤污染减排政策措施,分别计算了“2+26”城市燃煤电厂、燃煤锅炉、农村散煤SO2、NOx、PM、PM10、PM2.5的减排效果,如图3所示.从各部门的减排情况来看,燃煤电厂减排效果最好,SO2、NOx、PM、PM10、PM2.5减排比例在 55%～70%,但未来电力行业减排空间有限;燃煤小锅炉淘汰及大锅炉达标排放改造也取得了较好的效果,各项污染物减排比例在31%～38%,对比王慧丽等[12]京津冀地区燃煤锅炉减排潜力的研究结论,未来“2+26”城市燃煤锅炉尚有一定的减排的空间;农村散煤改电(气)各项污染物减排比例在 18%～21%.农村散煤改电(气)减排比例较小,与山西、山东和河南传输通道城市农村散煤改电(气)工作处于起步阶段有关,未来“2+26”城市散煤治理的减排潜力还较大.可见,后“大气十条”时期,“2+26”城市燃煤大气污染防治应考虑进一步推进 30万 kW以下燃煤机组的超低排放改造;加大燃煤锅炉治理力度,确保在用燃煤锅炉达到大气污染物特别排放限值;大力推进农村散煤改电(气)工作.

图2 “2+26”城市2015～2017年燃煤污染物减排情况Fig.2 Emissions reduction of coal-fired pollutants in the"2+26" cities for 2015～2017

图3 分部门燃煤污染减排情况Fig.3 Emissions reduction of coal-fired pollutants in different departments

2.3 分部门减排贡献

分析各部门减排量对“2+26”城市燃煤污染减排的贡献,结果见图4.结果表明:燃煤电厂超低排放改造、燃煤锅炉治理、农村散煤改电(气)对“2+26”城市燃煤SO2减排的贡献比例分别为64%、27%、9%,对 NOx减排的贡献比例分别为 77%、20%、3%,对PM减排的贡献比例分别为35%、42%、23%,其中对PM10分别贡献 39%、30%、31%,对 PM2.5分别贡献43%、18%、39%.燃煤电厂超低排放改造对 SO2、NOx、PM10、PM2.5减排的贡献率最大,减排量分别达到45×104t、40×104t、8×104t和 6×104t;燃煤锅炉治理对PM减排贡献最大,减排量达到13×104t.

图4 各燃煤部门污染物减排贡献Fig.4 The contribution of pollutant emissions reduction in different departments

2.4 各城市减排情况

图5 “2+26”城市燃煤大气污染物减排量Fig.5 Emissions reduction of coal-fired pollutants in “2+26”cities

“2+26”城市燃煤SO2、NOx、PM、PM10、PM2.5的减排量如图5所示.“2+26”城市中滨州市SO2减排量最大,为 6.6×104t;石家庄市 NOx减排量最大,为4.0×104t;保定市 PM、PM10、PM2.5减排量均最大,分别为 2.4×104t、1.8×104t、1.4×104t.其中滨州市 SO2、石家庄市NOx减排主要来自燃煤电厂,减排量占比分别为97%、82%;保定市PM、PM10、PM2.5减排主要来自农村散煤治理,减排量占比分别为 67%、78%、86%.衡水市 SO2减排量最小,为 0.9×104t;濮阳市 NOx减排量最小,为 0.4×104t;济南市 PM、PM10减排量最小,分别为 0.4×104t、0.28×104t;开封市 PM2.5减排量最小,为 0.15×104t.上述城市减排量偏低主要是由于燃煤发电装机容量和燃煤锅炉规模较小,农村散煤治理比例低,难以形成规模化的减排效益.

3 结论

3.1 2015年“2+26”城市燃煤电厂、燃煤锅炉、农村散煤排放的 SO2、NOx、PM 分别为 156×104t、108×104t、96×104t,约占“2+26”城市所在省(市)排放总量的 30%左右,燃煤排放贡献大.其中,燃煤电厂是SO2和 NOx的主要排放源,燃煤锅炉和农村散煤等低矮面源对颗粒物的排放贡献更大.

3.2 2015～2017年“2+26”城市通过采取燃煤电厂超低排放、工业燃煤小锅炉淘汰及达标改造、农村散煤替代等措施,实现2017年燃煤SO2、NOx、PM、PM10、PM2.5排放量较2015年大幅下降,下降比例分别为44%、48%、33%、32%、30%.

3.3 实施燃煤电厂超低排放减排效果明显,各项污染物减排比例在 55%～70%之间;燃煤小锅炉淘汰及大锅炉达标排放改造也取得了较好的效果,各项污染物减排比例在31%～38%之间;农村散煤改电(气)工作刚刚起步,各项污染物减排比例在18%～21%之间.

3.4 “2+26”城市中滨州市燃煤SO2减排量、石家庄市NOx减排量最大,均主要来自燃煤电厂超低排放改;保定市燃煤PM、PM10、PM2.5减排量均最大,主要得益于散煤治理工作的大力推进.衡水市、濮阳市、济南市、开封市燃煤电厂、燃煤锅炉减排空间有限,各项污染物的减排量偏低.