鹤壁市大气挥发性有机物源排放清单研究

范西彩,张新民,张晓红,高志凤,赵文娟,马琳琳 (.山西师范大学地理科学学院,山西 临汾 04000；.中国环境科学研究院,环境基准与风险评估国家重点实验室,北京 000)

挥发性有机物(VOCs)指在标准状态下饱和蒸气压较高(标准状态下大于13.33Pa)、沸点较低、分子量小、常温状态下易挥发的有机化合物.包括烷烃、烯烃、芳香烃、炔烃的C2～C12 非甲烷碳氢化合物(Nonmethane hydrocarbons, NMHCs),醛、酮、醇、醚、酯、酚等C1～C10 含氧有机物(Oxygenated Volatile Organic Compounds),卤代烃(Halogenated hydrocarbons),含氮有机化合物(Organic nitrates),含硫有机化合物(Organic sulfur)等几类152 种化合物[1].目前,以O3和PM2.5为特征的大气复合污染是我国大气环境改善面临的突出问题[2-4],VOCs 作为PM2.5和O3的重要前体物[5-7],也是“十三五”控制的重点,实现VOCs 减排首先要掌握污染源排放VOCs 的总量,因此通过建立清单来识别污染来源,开展区域污染模拟研究对制定相应的减排策略也具有重要意义[8-10].欧美、日韩国家已建立了相应的大气污染源排放清单技术系统[11-12];我国大气污染源排放清单起步较晚, 2000 年以后才迅速发展[13],2014 年原环境保护部发布了一系列大气污染源排放清单编制技术指南,相关学者也从不同尺度对VOCs 源排放特征进行研究.许多学者对国家[14-16]、地区[17-25]、城市[26-31]的VOCs源排放清单进行研究.目前国内外清单研究大多采用排放系数法[32-38],且排放系数多借鉴美国 AP-42 手册或欧盟CORINAIR.

清单研究中活动水平数据的获取,一般采用“自上而下”的方法[13-15,39-40],也有部分采用“自下而上”与“自上而下”相结合的方法[24,30,41-44].由于“自下而上”的方法存在数据获取难度高、工作量大等特点,较少用于大尺度清单数据的研究.但该方法具有详细准确等特点,应用于小尺度城市研究可以提高清单的科学性和可靠性.河南省鹤壁市作为大气重污染成因与治理攻关项目“2+26”的重点城市之一,O3和PM2.5污染突出,研究其VOCs 源排放清单,不仅可支持鹤壁市的空气污染防治,也可为“2+26”城市环境空气质量管理提供关键的数据支撑.鉴于鹤壁市城市规模较小,清单的准确性至关重要.因此,采用“自下而上”的方法获取活动水平数据,并通过鹤壁市统计局大口径数据“自上而下”进行校验,建立了2017 年鹤壁市VOCs 排放清单,并从VOCs 排放总体特征、空间分布、行业构成等角度对清单进行分析,以期为鹤壁市及京津冀区域大气复合型污染防治与管控提供理论依据.

1 研究方法

清单以2017 年为基准年,研究区覆盖整个鹤壁市行政范围,包括三区(山城区、鹤山区、淇滨区),两县(浚县、淇县).清单编制主要参照《大气挥发性有机物源排放清单编制技术指南》(公告2014 年第55 号)[1]、《道路机动车大气污染物排放清单编制技术指南(试行)》[45]、《非道路移动源大气污染物排放清单编制技术指南(试行)》[46]、《生物质燃烧源大气污染物排放清单编制技术指南(试行)》[47]中推荐的各类VOCs 源排放系数值,采用排放系数法进行清单编制研究,计算公式如下:

Ei为污染物i 的排放量,A 为污染源活动水平数据,EFi为i 污染物排放系数.

1.1 污染源排放活动水平

各类污染源活动水平数据采取“自下而上”方法获取,通过与鹤壁市生态环境局、统计局、工信局、商务局等22 个局委对接数据需求,并下发调研表格收集详细的污染源活动水平数据,收集内容包括各企业的经纬度坐标、原辅材料用量、生产工艺过程及产品产量等信息,活动水平数据关乎到清单质量,所以采取三级质控的方式以提高活动水平数据的准确性.因此,首先依据经验判断收集到的活动水平数据质量,对于存疑的企业直接电话查证;其次是利用鹤壁市统计局往年数据“自上而下”对总量进行核算和验证,存疑的地方会通过电话或者对接会逐一进行;第三是选取一些生产规模较大的企业、存疑的企业进行现场调研和复核.经过上述步骤确定各类污染源的活动水平,共包括1919 家工业企业、25.2万辆机动车、319 家加油站、9674 个餐饮灶头.

化石燃料固定燃烧源包括煤、煤气、天然气、液化石油气,活动水平为鹤壁市该类燃料的消费量;工艺过程源包含涂料油墨、胶黏剂制造业、合成纤维制造业、医药制造业、化学产品制造业、合成树脂制造业等,其活动水平为产品的产量;溶剂使用源的活动水平为产品产量或涂料、油墨、胶黏剂及其他溶剂的使用量;储存和运输源主要包含汽油、柴油的储存和运输,其活动水平是加油站或油库油品的年销售量和存储量;废弃物处理源的活动水平主要涉及城镇污水和生活垃圾处理过程中排放的VOCs;移动源的活动水平包括了机动车保有量、年均行驶里程,同时还涉及不同的车型、车龄等;生物质燃烧源的活动水平包括生物质(秸秆)露天燃烧、生物质燃料(秸秆和薪柴)燃烧.

1.2 排放系数

溶剂使用源、工艺过程源、移动源、餐饮油烟及其他排放源的排放系数主要来自《大气挥发性有机物排放清单编制技术指南(试行)》[48],受篇幅限制,该部分的排放系数此处不在一一赘述.根据鹤壁市VOCs 排放的实际现状,结合文献调研等相关内容,民用燃烧部分的液化石油气、废弃物处理源和薪柴生物质燃烧的排放系数引自魏巍[14],天然气部分的排放系数引自Zhang 等[15],此外,加油站柴油排放系数引用Fu 等[49],该部分的排放系数具体来源详见表1.

表 1 来自文献的排放系数列表Table 1 The emission factors from the papers

2 结果与分析

2.1 总体排放特征

图1 鹤壁市2017 年VOCs 污染源排放量及其占比Fig.1 The VOCs emissions amount from different air pollution sources and ratio of Hebi in 2017

研究建立的鹤壁市2017 年VOCs 源排放清单包含1919 家工业企业、25.2 万辆机动车、319 家加油站、9674 个餐饮灶头,VOCs 排放总量为8829.7t.其中工艺过程源的排放量最大为(3052.5t),占总VOCs 排放量的32%;其次为移动源(2712.8t)和溶剂使用源(1447.1t),分别占VOCs 排放总量的29%和15%;餐饮油烟等其他排放源、化石燃料固定燃烧源、储存运输源、生物质燃烧源和废弃物处理源,在VOCs 总排放占比均低于6%,且废弃物处理源(72.6t),占比不足1%,详见图1 和表2.

表2 鹤壁市2017 年VOCs 排放清单Table 2 The VOCs emission inventory of Hebi in 2017

续表2

2.2 空间分布特征

图2 鹤壁市VOCs 排放量空间分布Fig.2 Spatial distribution of VOCs emissions in Hebi

鹤壁市500m×500mVOCs 源排放清单空间分布(图2),可以看出鹤壁市VOCs 源排放存在着明显的空间分布特征.浚县的VOCs 排放总量(3444.0t)最大,显著高于鹤壁市其他区县;而淇滨区(1519.4t)、山城区(1516.0t)和淇县(1103.8t)的VOCs 排放量比较接近,鹤山区(1041.9t)的VOCs 排放量最小;其次不同源类也存在显著的空间分布特征,通过建立2km×2km的固定源网格化分布,绘制出鹤壁市VOCs空间分布图(图3).由图3 可知:工艺过程源在浚县、鹤山区、山城区VOCs 排放构成中占比最高,化石燃料固定燃烧源在山城区和淇县VOCs 排放构成中占比较高;溶剂使用源排放占比在淇滨区和浚县较高;道路移动源和储存运输源则在淇滨区占比最高,这与淇滨区的地理位置紧邻京港澳高速公路和107 国道密切相关,而且鹤壁市人民政府也在淇滨区,人口密度大,车流量大.此外VOCs 排放构成与国家经济技术开发区、宝山工业园区、黎阳产业聚集区等分布的地理位置比较吻合.从VOCs 空间分布的总体特征来看,浚县VCOs 总排放量最大,且工艺过程源、道路移动源、餐饮油烟等其他排放源中占比较高,淇县的各类VOCs 源排放占比相对较为均衡,山城区VOCs 排放量最小,工艺过程源是其主要的排放源.

图3 鹤壁市VOCs 排放源空间分布Fig.3 Spatial distribution of VOCs emissions source in Hebi

2.3 主要来源

基于鹤壁市VOCs 源排放清单可以看出,机动车、建材冶金、化学制品制造的VOCs 排放量较大,详见图4.机动车的VOCs 排放量最大(1932.0t),其次是建材冶金行业(903.6t)、化学制品制造(829.6t)、VOCs 排放量大于500t 的排放源还包括非道路移动源、橡塑、餐饮油烟、建筑涂料.其中,工业涂装行业的VOCs 排放量相对较少,仅为382.1t.

图4 鹤壁市VOCs 主要排放源Fig.4 The main pollution sources emission VOCs in Hebi

2.4 排放对比

为客观评价鹤壁市VOCs 源排放水平,选取焦作市、省会郑州市[50-51]进行对比,郑州市VOCs 污染源排放量在河南省占比最大,占比为16%,焦作市与鹤壁市同为煤炭资源型城市,且VOCs 排放量相近,在全省占比介于1%～6%[52].如表3 所示,鹤壁市区域面积、GDP 值、VOCs 排放总量均为三市最小.其中,焦作市VOCs 排放量是鹤壁市的3 倍,郑州市是鹤壁市的近11 倍,焦作市单位面积VOCs 排放量是鹤壁市的近2倍,郑州市单位面积VOCs 排放量是鹤壁市的3 倍;单位GDP 的VOCs 排放量焦作市和郑州市仅是鹤壁市的1 倍左右.结果表明,鹤壁市的VOCs 排放总量较小,仅占郑州市VOCs 排放量的1/11、焦作市的1/3;鹤壁市的GDP 总值占郑州市的1/10、焦作市的1/3.但鹤壁市单位面积VOCs 排放量较大,是郑州市的1/3、焦作市的1/2;且鹤壁市单位GDP 的VOCs 排放量与郑州市和焦作市非常接近.说明鹤壁市的VOCs排放总量虽然较低,但其单位GDP、单位面积的VOCs 排放量较高,仍然需要加大减排力度.

表3 鹤壁市与其他城市VOCs 排放水平对比Table 3 The comparison of VOCs emission levels between Hebi and other cities

3 不确定性分析

清单的不确定性因素主要包括活动水平数据的不确定性和排放系数的不确定性.①在活动水平数据获取方面,本研究中工艺过程源主要来自环境统计数据等,数据来源较为全面;移动源主要来自于地方统计年鉴及部门统计数据,数据来源可靠,但道路移动源部分参数难以获取,如机动车行驶里程、不同车型的平均速度等.因此会与实际水平有所偏差,且非道路移动源中有些活动水平数据没有纳入统计;化石燃料固定燃烧源的民用燃烧源部分按照面源来进行统计,与实际数据会有所偏差.总体看,经过三级质控后活动水平的不确定性较低.②排放系数方面,本研究选取国内外研究中常用的排放系数,总体不确定性较低.但由于地域性差异,不同企业的不同生产工艺控制水平等,也是造成排放清单不确定性的原因之一.选取清单不确定性分析的常用方法Monte Carlo 方法[53-55]对本清单进行不确定性分析,将清单中八类排放源所涉及的1271 组(工艺过程源、溶剂使用源及存储运输源的数据量大于300)VOCs 排放数值作为一个独立的输入值,利用Monte Carlo 模拟将所有数值放在个体概率密度函数上运行10000 次,计算出相应的输出值,当输出值的平均值不再变化时,结束重复计算,得出不同排放源的不确定范围.计算结果如表4 所示.

表4 鹤壁市VOCs 排放清单不确定性Table 4 The uncertainties of VOCs emission inventory in Hebi

在主要的VOCs 排放源中,工艺过程源的不确定度较低,这与活动数据准确全面有关;移动源中道路移动源的部分活动水平数据难以获取,如机动车.行驶里程、不同车型的平均速度等,通过引用参考应用指南的推荐值,也会造成与当地实际水平有所差异;化石燃料固定燃烧源中的民用燃烧源部分按照面源来统计,有些活动水平数据获取不全面,与实际数据会有所偏差.但从不确定性分析结果看,清单的不确定度均在置信范围之内,整体可信度较高.

4 结论

4.1 通过排放系数法与“自下而上”的活动水平收集方法,建立了鹤壁市1919 家工业企业、25.2 万辆机动车、319 家加油站、9674 个餐饮灶头的2017年VOCs 源排放清单.通过Monte Carlo 法,验证了该清单的结果在可置信范围内,具有较强的科学性和可信度.

4.2 鹤壁市VOCs 排放总量为8829.7t.从源类来看,工艺过程源的排放量最大,占总VOCs 排放量的32%;其次为移动源和溶剂使用源,分别占VOCs 排放总量的29%和15%;从空间分布来看,浚县的VOCs 排放量最大,其次为淇滨区、山城区和淇县,鹤山区排放量最小.

4.3 通过与河南省省会郑州市、同为煤炭资源型城市焦作市对比,结果表明,鹤壁市的VOCs排放总量虽然较低,但是单位GDP及单位面积排放量较高,仍需要加大VOCs减排力度.结合鹤壁市VOCs排放清单,建议重点加强工艺过程源和移动源的减排,如建材冶金、化学制品制造、橡塑及机动车等,此外还应关注餐饮油烟、工业生物质锅炉等行业的VOCs排放,空间减排重点放在浚县、鹤山区和淇滨区的交汇地带.