基于合肥市PM2.5源解析的电能替代效果评估

2020-03-04尤佳王润芳马大卫姜少毅朱仁斌陈剑王克峰

综合智慧能源 2020年1期

尤佳，王润芳，马大卫，姜少毅，朱仁斌，陈剑，王克峰

(1.国网安徽省电力有限公司，合肥 230022； 2.中国科学技术大学极地环境与全球变化安徽省重点实验室，合肥 230026；3.国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，合肥 230601)

0 引言

大气细颗粒物(PM2.5)是主要大气污染物之一，PM2.5质量浓度(ρ(PM2.5))增加不仅会降低大气能见度，影响局地气候[1-2]，导致灰霾事件频发[3-4]，还会对人体健康造成危害，如呼吸系统发病率上升、暴露人群致癌风险增加等[5-7]。因此，PM2.5已成为公众关注的热点。为了降低空气污染对人体健康和社会经济发展的负面影响，目前，学者们对京津冀、长三角和珠三角地区的主要城市开展了PM2.5污染的源解析研究[8-10]。

燃煤作为大气主要污染物来源之一，其对大气环境污染的影响不容忽视，特别是散烧煤，绝大多数没有采取除尘、脱硫、脱硝等环保措施，致使大量大气污染物排放，对空气质量和人体健康的影响尤为严重[11-14]。电能具有清洁、安全、便捷等优势，实施电能替代对于推动能源消费革命、落实国家能源战略、促进能源清洁化发展意义重大；电力已成为煤炭利用最清洁的行业，电力行业发展是治理灰霾的有效途径[15-18]。王志轩等[19]提出利用煤电代替散煤燃烧将是未来治霾的关键，但该观点缺乏理论和足够的关键数据支持。

目前，冶金电炉、建材电窑炉、工业电锅炉已成为电能替代的主要技术领域。截至2018年年底，全国累计实现替代电量493.6 TW·h，替代项目超过20万个，电力占终端能源消费的比重由2013年的22.60%提升到2018年的25.50%，电能替代工作总体取得了显著成效[20]。2018年安徽省燃煤量为1.13亿t，其中散煤使用量仍然超过500万t，因此，要在散煤利用领域重点推广电能替代。当前，合肥市区是华东地区大气污染严重区域之一，能源消费强度大、燃煤量大、散煤燃烧比例较高[21-22]，以煤为主的能源结构还未发生根本性变化，灰霾天气时有发生[10]。随着电能替代项目的深入推进，其对合肥市大气环境质量改善的贡献到底如何，未来电能替代的重点实施领域是什么，这些问题尚需深入研究。

本文通过综合考量民用散煤占燃煤消费量的比例、散煤PM2.5排放强度，计算其污染影响权重，同时分析合肥市PM2.5源解析结果和电能替代改造清单数据，确定民用散煤领域电能替代对大气环境中ρ(PM2.5)的贡献比例，计算散煤消费量削减带来的空气质量改善，为后续电能替代项目的开展和环保目标约束下重点实施领域的挖掘提供数据参考。

1 研究方法

1.1 样品采集

依据检测方法对样品量的要求，采样在合肥市国网安徽省电力有限公司电力科学研究院楼顶(31°50′9.82″N，117°15′'53.83″E)进行，高度约21 m。采样点位于合肥市中心，人口密集，周围主要是商业活动区、学校和居民住宅，无较大典型排放源影响。2018年8—11月共收集68张膜样，每个样品采集时间为23 h(当日09：00至次日08：00)。规范记录观测采样时的气象条件。采样仪器为青岛众瑞公司研制的环境空气颗粒物综合采样器(ZR-3922)，切割粒径为2.5 μm。根据滤膜特性和采样后化学分析的需要，该研究选择直径为90 mm的石英滤膜。

1.2 样品分析

采用称重法分析颗粒物的质量浓度，所有样品均在恒温恒湿环境(温度26 ℃，相对湿度45%)中干燥48 h以上，采用百万分之一天平(SartoriusM2P)获得采样前、后的膜片质量。

取1/8膜样放入比色管中，超纯水定容，放入超声波清洗仪中清洗30 min，用0.22 μm混纤-水系过滤头过滤，获得待测样品，用离子色谱仪(dionexICS-2100)测量样品中NO3-，NO2-，SO42-，Cl-，NH4+，K+，Na+，Ca2+，Mg2+等离子的质量浓度。取1/8膜样放于消解罐中，加入3∶1的硝酸和盐酸进行微波消解，消解后赶酸定容，用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)分析样品中Mg，Al，Si，K，Ca，Ti，Be，Cr，Co，Ni，Cu，Zn，Cd，Pb，Mn，V，Fe，Se，As，Mo，U等20多种元素。用多波段碳分析仪(DRIModel2015)测定样品中元素碳(EC)和有机碳(OC)的质量浓度。

1.3 电能替代对PM2.5改善的贡献评估方法

通过PM2.5源解析结果中散煤占燃煤消费量的比例和散煤PM2.5排放强度(约为电力行业的5倍)，计算其污染影响权重，确定散煤对大气环境中ρ(PM2.5)的贡献比例γ，计算由于散煤带来的ρ(PM2.5)削减量[23]

ρ=γ1×ρ2017-γ2×ρ2018，

式中:ρ为散煤消费量减少后的ρ(PM2.5)变化量，μg/m3；ρi为大气中的ρ(PM2.5)，μg/m3；γi为民用散煤对大气环境中ρ(PM2.5)的贡献比例，%。

2 结果与讨论

2.1 近5年实施电能替代后PM2.5减排情况分析

根据国家气象科学数据中心监测数据[24]，2014—2018年合肥市ρ(PM2.5)的季节变化如图1所示：春季和冬季的ρ(PM2.5)平均值高于夏季和秋季，其中夏季最低，秋季部分时段受秸秆燃烧的影响，ρ(PM2.5)有所上升；冬季ρ(PM2.5)最高，可能与集中供暖时燃煤燃油特别是散煤的集中燃烧排放有关[25-26]。同时，ρ(PM2.5)季节变化规律还受大气扩散的影响[27-28]：冬季盛行的西北风输送来北方的污染物，合肥受副热带高压控制，冷空气下沉，降水较少，导致污染物大量堆积且不易扩散，春、夏季降水量增加会在一定程度上净化空气。

2014—2018年，合肥市大气中ρ(PM2.5)年均值依次为79.50，64.67，56.75，55.32，47.96 μg/m3，呈逐年下降的趋势。合肥市春、夏季ρ(PM2.5)逐年下降，秋、冬季无明显变化，近5年ρ(PM2.5)平均值为60.84 μg/m3，显著低于2014年的监测结果79.50 μg/m3，但仍超过国家二级标准35.00 μg/m3。

图2 PMF方法解析出的源廓线图Fig.2 Profile of the source apportionment based on PMF method

图1 2014—2018年合肥市ρ(PM2.5)季节变化特征Fig.1 Seasonal variation characteristics of ρ(PM2.5) in Hefei from 2014 to 2018

2.2 PM2.5主要来源及其占比

综合使用PM2.5样品分析获得的无机元素、水溶性离子和碳组分数据，同时考虑各数据的不确定度，采用正交矩阵因子分解法(PMF)模型对合肥市大气中PM2.5来源进行解析[10-29]。通过“RobustQ”(Q为实测和模拟质量浓度拟合系数)观测数据量值，使之不至于偏差过大，同时保证模拟结果与观测结果有较好的相关性。解析结果表明：合肥市大气中PM2.5主要来源于二次源(二次硫酸盐和二次硝酸盐)、机动车尾气尘、煤烟尘和地壳尘等4个因子(如图2所示)。PMF解析结果的Q值为1 780，接近理论Q值(1 810)，表明分析结果较理想[10]。

PM2.5来源解析得到的4个因子中[30-31]：因子1的Al，Ca，Mg，Sb等组分质量浓度和占比较高，可能为地壳尘；因子2中Ti，Cr，Ni，OC，EC组分质量浓度和占比较高，可能为煤烟尘；因子3的Pb，Cu，Zn，Mn，OC，EC质量浓度和占比较高，可能为机动车尾气尘；因子4的NH4+，NO3-，SO42-等组分质量浓度和占比较高，可能为二次硫酸盐和二次硝酸盐，硫元素主要来源于含硫煤的燃烧，表明燃煤排放对大气污染程度增加具有较大的贡献[32]。

2018年的PMF模型解析结果表明(如图3b所示)：合肥市大气中PM2.5的主要污染源类包括二次污染源以及机动车尾气尘、煤烟尘和地壳尘等一次污染源，贡献比例分别为37.80%，33.70%，19.60%和8.90%。陈刚等[10]对合肥城区2014年PM2.5季节污染特征及来源解析结果显示(如图3a所示)：二次源、煤烟尘、机动车尾气尘及地壳尘的贡献比例分别为38.80%，25.69%，9.90%和21.70%。通过对比可以看出，一次源组成中，机动车尾气尘占比提高了23.80百分点，燃煤和地壳尘占比均下降。由此可见，电能替代实施后燃煤排放的颗粒物质量浓度降低，对空气污染的改善起到了显著的效果，由于机动车的使用增多，其排放已代替燃煤成为主要污染源。近些年，合肥市通过颁布建设系统大气污染防治专项工作方案，强化了各类施工扬尘整治，地壳尘贡献比例有较大幅度降低。

图3 PMF模型解析结果Fig.3 Analysis results based on PMF method

2.3 电能替代对大气中ρ(PM2.5)改善的贡献评估

加强重点区域散烧煤治理，清洁取暖改造，错峰生产和重污染应急等，全面推进“以电代煤”“以电代油”改造工程，提升清洁取暖比例，有助于缓解严峻的环保形势，减轻雾霾污染，建设和谐美丽生态安徽[33-34]。

从图4可以看出，2014—2018年，合肥市通过大力推广电能替代引起的替代电量累计达到了2 802 GW·h，且替代电量呈逐年增加趋势。2014，2015，2016年PM2.5减排量与电能替代量成正比，2017，2018年电能替代量均较高，但PM2.5减排量相对较低，其原因是主要污染源燃煤排放的PM2.5在2017年之前大大降低，而其他行业如机动车行业排放量大大增加，消减了燃煤领域电能替代效果。接下来，降低ρ(PM2.5)需要从其他污染源着手。由图5所示的合肥市电能替代领域分布特征可以看出：电能替代主要集中在工(农)业生产制造领域，其次是交通领域，其他领域相对较少；工农业生产制造领域的电能替代量逐年升高；交通领域2015，2016年电能替代量最高，2017，2018年呈减小趋势，主要原因是随着合肥市轨道交通的投运，交通领域电能替代有了一定增加。

图4 2014—2018年电能替代量与ρ(PM2.5)减排量变化特征Fig.4 Relationship between alternative energy and ρ(PM2.5) emission reduction from 2014 to 2018

图5 2014—2018年合肥市分领域电能替代量Fig.5 Alternative energy distribution in Hefei from 2014 to 2018

根据安徽省散煤综合治理研究报告[35]，散煤占燃煤消费量的比例2014年为13.60%，2018年为10.80%，散煤的PM2.5排放强度一般为电力行业的5倍。根据区域复合影响给出污染影响权重，结合合肥市PM2.5源解析中燃煤对ρ(PM2.5)的贡献比例[10](2014年为25.69%，2018年为19.60%)，得出2014年和2018年散煤对大气环境中ρ(PM2.5)的贡献系数γ分别为11.41%和9.02%。

由γ值计算得出：2014—2018年ρ(PM2.5)变化量为32.67 μg/m3，其中燃煤贡献的ρ(PM2.5)变化量为11.02 μg/m3；电能替代后，散煤削减对ρ(PM2.5)的贡献量达到4.74 μg/m3，占总ρ(PM2.5)变化量的14.51%，见表1。

表1 电能替代对合肥市大气ρ(PM2.5)降低的贡献Tab. Contribution of alternative energy to the reduction of ρ(PM2.5) in atmosphere of Hefei μg/m3

鉴于电力行业的环境排放影响效率系数较低，一些研究提出了电能替代的思路和方案[36-38]，通过增加电力行业的产能，以电能输送的形式替代污染地区的能源消耗，从而降低面源的排放。选取民用行业作为电能替代的对象，一方面是因为居民散烧燃煤主要用于生活和取暖，是电能替代最容易实现的理想对象，而30%的削减率是实施污染物控制措施时常设定的低限值；另一方面，电能替代本质就是以电能替代煤炭、石油等化石能源的直接消费，利用燃煤电厂高效的烟气治理措施，有效降低污染物的排放[39-40]。

根据合肥市区2018年大气PM2.5源解析结果，燃煤对大气中ρ(PM2.5)的贡献比例为19.60%，相对于2014年的25.69%虽有降低，但比例仍相当高。因此，针对合肥市周边散烧燃煤进一步实施电能替代，将对大气环境质量改善具有显著的效果且易于实施。张凯等[41]对保定市的研究表明，民用燃煤对大气中ρ(PM2.5)的贡献比例由2014年冬季的30.90%分别降至2017—2018 年冬季的25.00%和2018—2019年冬季的22.00%，煤炭消费量占比由2014年的49.00%降至2017年的38.00%，电力消费量占比由2014年的33.80%升至2017年的39.50%，保定市空气质量得到了一定改善。因此，电能替代方案是改善合肥市区空气质量的有效途径之一。

机动车尾气尘排放的大气污染物对ρ(PM2.5)的贡献不容忽视，在PM2.5治理中应予以高度重视。近5年来，合肥机动车保有量每年保持约20%的增长率，合肥市相关部门的统计数据显示，截至2018年5 月，合肥市机动车保有量已达200.9万辆，达到全国各大城市中等水平[42]。根据2014年和2018年合肥市PM2.5颗粒物源解析结果，机动车贡献量从7.87 μg/m3上升到16.16 μg/m3，增长为2.05倍，同期机动车保有量从103.0万辆增长到209.7万辆，增长为2.04倍(见表2)，2014—2018年全市交通领域电能替代在全市电能替代中占比一直不高。机动车保有量大增，严重污染城市大气环境，这可能就是2017，2018年合肥市在保持年均720 GW·h电能替代量下，城市大气PM2.5减排效果不明显的原因。从杭州市污染排放对ρ(PM2.5)的贡献率来看，机动车占28.00%、工业生产占22.90%、扬尘占21.90%、燃煤占18.40%、其他占8.80%，机动车列市区源排放榜首[43]。目前，通过对合肥市进行实际调研、访谈，了解到个别些地区在工业生产制造领域已经完成了大部分的电能替代技术，剩余改造潜力较小。国网安徽省电力有限公司将会抓住国家大气污染防治的有利时机，在合肥市交通领域大力推广电能替代新技术，从而达到通过电能替代进一步改善城市大气环境质量的目的。