乌昌石区域耗煤行业排放特征及对空气质量的影响*

元雪婷 杨静

(1.新疆维吾尔自治区环境保护科学研究院 乌鲁木齐 830011； 2.新疆环境污染监控与风险预警重点实验室 乌鲁木齐 830011； 3.新疆清洁生产工程技术研究中心 乌鲁木齐 830011)

0 引言

乌昌石区域是新疆大气污染典型代表区域，根据生态环境部发布的2016年全国空气质量排名，1月和2月乌鲁木齐市在74个城市的排名分别为73名和74名，而在其他月份排名较好，主要是由于特殊的地理位置和不利的气象条件，导致乌昌石区域冬季采暖期污染情况严峻，造成重污染天气频发[1-3]，严重影响了区域的生产和居民的生活。目前，国内外对于乌昌石区域的大气环境质量相关研究较少，更多是偏向于单一城市(比如乌鲁木齐市或昌吉市[4-7])。就区域来说，研究也更偏向于京津冀等相对发达的城市区域[8-9]。

乌昌石区域的能源消费结构中，煤炭的占比依然较高。煤炭燃烧会排放SO2,NOx,颗粒物以及重金属等污染物[10-11]，影响大气环境并且威胁人体健康[12-13]。消耗燃煤的工业企业是大气污染的主要来源，薛文博等[14]的研究表明，全国火电行业对SO2，NO2，PM2.5的年均贡献率分别为15.6%，19.6%，8.5%，同时发现非火电行业的影响也不可忽视。孙晓伟等[15]针对电力行业设置减排情景，发现关停小机组和大机组后，SO2，NOx和PM2.5的区域浓度贡献相对于关停前削减了20%以上。还有研究表明，京津冀地区重点耗煤行业排放对区域PM2.5贡献率可达50.77%[16]。因此，削减煤炭消耗量是改善空气质量的必要手段。本文基于2016年新疆环境统计数据，针对较少关注的乌昌石区域，计算耗煤行业SO2，NOx，PM2.5和PM10的排放清单，并且基于此清单，采用CALPUFF空气质量模型对重点耗煤行业对冬季空气质量的影响进行分析研究。

1 数据及方法

1.1 数据来源

文中涉及的工业企业数据和污染物排放基础数据均以2016年新疆环境统计数据为基础，计算处理后得出SO2，NOx排放清单，并且依据《大气可吸入颗粒物一次源排放清单编制技术指南(试行)》[17]和《大气细颗粒物一次源排放清单编制技术指南(试行)》[18]，计算得到PM10和PM2.5排放清单。

1.2 模型设置

采用CALPUFF空气质量模型模拟冬季重点耗煤行业污染物扩散分布情况，模拟时段为2016年1月1日—1月31日，模拟时间间隔为1 h，模拟区域采用UTM投影坐标系，中心为506 km(x方向)和4 873 km(y方向)，水平模拟范围为x方向356～656 km，y方向4 793～4 953 km，网格间距为5 km，垂直方向共设11层。

2 结果与讨论

2.1燃煤消耗量统计

2016年乌昌石区域耗煤行业燃煤消耗量如表1所示。根据环统数据，2016年乌昌石区域耗煤工业企业共757家，参照《国民经济行业分类》(GB/T 4754—2011)共分为11类。燃煤消耗量共5 852.94万t，消耗燃煤量较大的行业有火力发电和热力生产供应业(占比67.21%)、化工及化学制品制造业(占比17.39%)、有色金属冶炼和延压加工及金属制品业(占比7.95%)。

表1 2016年乌昌石区域耗煤行业燃煤消耗量

表2 2016年乌昌石区域耗煤行业主要污染物排放清单 t

2.2 污染物排放清单

2016年乌昌石区域耗煤行业主要污染物排放清单如表2所示。其中SO2排放量较大的行业有4个，分别为：火力发电和热力生产供应业(占比31.61%)、有色金属冶炼和延压加工及金属制品业(占比19.43%)、黑色金属冶炼与炼焦业(占比18.74%)、化工及化学制品制造业(占比18.54%)。

NOx排放量较大的行业有4个，分别为：火力发电和热力生产供应业(占比47.85%)、化工及化学制品制造业(占比17.10%)、黑色金属冶炼与炼焦业(占比9.35%)、非金属矿物制造业(占比9.03%)。

PM2.5和PM10排放量较大的行业相同，分别为：非金属矿物制造业、有色金属冶炼和延压加工及金属制品业、黑色金属冶炼与炼焦业。

燃煤消耗和污染物排放占比如图1所示，不同行业的排放特征不同，但或多或少都受到燃煤消耗量的影响。SO2和NOx的百分比曲线与燃煤消耗量百分比曲线吻合度较高，基本呈现燃煤消耗量大，则SO2和NOx排放量高的趋势，但是PM2.5和PM10百分比曲线与燃煤消耗量百分比曲线吻合度较低。从行业来看，火力发电和热力生产供应业的SO2和NOx排放量占比最高，但是PM2.5和PM10的排放量相对较小，占比分别为0.25%和0.23%。化工及化学制品制造业与火电行业的4种污染物占比情况相似。非金属矿的SO2排放量相对较少，但是PM2.5和PM10的排放量占比可达60%以上。有色金属冶炼和延压加工及金属制品业、黑色金属冶炼与炼焦业的4种污染物排放量都比较大。

1—火力发电和热力生产供应业；2—石油及煤炭开采加工业；3—化工及化学制品制造业；4—有色金属冶炼和延压加工及金属制品业；5—黑色金属冶炼与炼焦业；6—非金属矿物制造业；7—农副食品加工及食品制造业；8—机械制造及纸、木材制造业；9—酒及饮料制造业；10—纺织业及羽毛制品加工业；11—其他行业

PM2.5和PM10排放清单主要包括了固定燃烧源和工艺过程源。对于火电行业，烟气的除尘设施一般能去除绝大部分的颗粒物，因此虽然煤炭经过燃烧产生大量的颗粒物，但实际排放到大气环境中的只是小部分，尤其在环保要求日益严格的大环境下，很多火电行业可以做到超低排放。但是对于其他行业，比如非金属矿制造业、有色金属冶炼和延压加工及金属制品业、黑色金属冶炼与炼焦业和石油及煤炭开采加工业，烟气除尘设施效率不高，再加上其他无组织排放，造成PM2.5和PM10排放量要远远超过火电行业。

2.3 重点行业冬季污染物扩散模拟

2.3.1 从行业分析

根据上文统计分析，将燃煤消耗量较大的火力发电和热力生产供应业、化工及化学制品制造业两个行业，以及PM2.5和PM10排放量较大的非金属矿物制造业、有色金属冶炼和延压加工及金属制品业、黑色金属冶炼与炼焦业等3个行业作为乌昌石区域重点行业，模拟不同污染物在冬季(1月)的扩散情况，分析不同行业对区域不同污染物的贡献情况，结果如表3所示。

表3 乌昌石区域冬季不同行业对不同污染物的贡献率 %

可以看出，这5类行业对区域的大气污染物的总体贡献率占90%左右，尤其PM2.5和PM10贡献率更是高达98%。火力发电和热力生产供应业的燃煤消耗量占比最大，污染物排放量比较大，但是对污染物浓度贡献率却不是最大的。主要原因是火力发电和热力生产供应业废气处理能力强，点源数量少，均匀分布在扩散条件好的区域，如图2所示。并且火电行业排放尾气的有效高度(烟囱几何高度+烟气抬升高度)较高，更加有利于大气污染物在垂直方向上的扩散。一般来说，污染物越容易扩散，贡献率越低；反之，贡献率越高。

图2 火力发电和热力生产供应业分布情况

对SO2，NOx，PM2.5，PM10浓度贡献率最大的为非金属矿物制造业，尤其是PM2.5和PM10贡献率超过60%，主要是3个方面原因：①非金属矿物制造业的烟囱高度普遍较低，污染物不易在垂直方向上扩散，而是在近地面扩散迁移；②在乌昌石区域内的非金属矿物制造业总共有122家，其中有68家集中分布在米东区和阜康市，如图3所示，受米东区和阜康市的地形和气象条件影响，污染物更易聚集在这两个地区，不易扩散；③颗粒物的排放主要来自于工艺过程源，因此贡献较大。

图3 非金属矿物行业分布情况

2.3.2 从地域分析

对乌昌石区域来说，冬季的首要污染物主要是颗粒物。因此以PM2.5为例，利用CALPUFF模型模拟1月份重点行业排放的PM2.5在区域的分布情况，如图4所示，最终分析重点行业对区域冬季空气的影响。

(a) 火力发电和热力生产供应业

由图4可见，乌昌石区域的5个重点行业的PM2.5在区域分布情况明显不同。火力发电和热力生产供应业月均PM2.5质量浓度最高值为0.02 μg/m3，远远小于空气质量二级标准(35 μg/m3)，最高值区域位于乌鲁木齐市达坂城区；化工及化学制品制造业月均PM2.5质量浓度最高值为0.01 μg/m3，也低于空气质量二级标准，最高值区域位于米东区；有色金属冶炼和延压加工及金属制品业月均PM2.5质量浓度最高值为32.1 μg/m3，小于空气质量二级标准，但是远远高于火电和化工行业，最高值区域位于乌鲁木齐头屯河区；黑色金属冶炼与炼焦业月均PM2.5质量浓度最高值为17.2 μg/m3，最高值区域位于阜康市；非金属矿物制造业月均PM2.5质量浓度最高值为44.0 μg/m3，超过空气质量二级标准1.3倍，最高值区域位于沙依巴克区。

整体来说，5个重点行业的PM2.5在北面的浓度值较小，靠近南边山区的地方浓度值较高，并且在乌鲁木齐区域和昌吉州阜康市的浓度均较高，五家渠和石河子的浓度均较低。乌昌石区域北面为开阔的平原地带，而南面地势较高，并且海拔高度变化明显，南北地形高差能达1 000 m。区域冬季大气比较稳定，且逆温层较厚，污染物在垂直方向扩散较难，因此在近地面扩散；再加上南面的山地地势，导致污染物随大气气团爬坡时无法冲破逆温层，因此使得污染物在南面累积，造成重污染天气。

从以上数据来看，对乌昌石区域冬季颗粒物贡献最大的行业是非金属矿物制造业，火力发电和热力生产供应业的贡献反而是最小的。非金属矿物制造业PM2.5排放量是火电行业的240倍，但是在区域的质量浓度最高值是火电行业的2 000多倍，这与行业在地域的分布密切相关。由于火电行业分布较为分散，并且多位于北面开阔地区，而非金属矿制造业集中分布在乌鲁木齐市南面扩散条件不好的区域，污染物在此积累导致局部浓度增大。

3 结语

乌昌石区域耗煤行业污染物的排放水平与煤炭消耗量有着正相关性，并且产业布局对区域大气环境质量有着重要的影响。

(1)乌昌石区域消耗燃煤的工业企业的污染物排放量与燃煤消耗量在一定程度上呈现正相关，控制了燃煤消耗量，就能从源头减少污染物的产生和排放。

(2)优化产业布局，降低污染物对敏感区域的影响,是控制大气环境质量的重要手段。尤其是对化工、有色金属、非金属矿等重污染行业的发展予以限制，建议在乌昌石南面区域减少耗煤工业企业数量。

(3)对区域重点行业的关注点应有所不同：针对火力发电和热力生产供应业、化工及化学制品制造业，需要进一步改善燃料结构，积极推进清洁能源的利用，改善燃烧技术，改进尾气处理技术，严格控制污染物的排放。对非金属矿制造业、有色金属冶炼和延压加工及金属制品业、黑色金属冶炼与炼焦业，重点关注工艺过程源的颗粒物排放，加快改进除尘技术，加强无组织排放控制，根据经济发展的实际需求，严格控制产品的产量，避免过度生产。