贺晋瑜,燕 丽,雷 宇,王慧丽,汪旭颖,丁 哲



京津冀地区燃煤锅炉PM2.5减排潜力分析

贺晋瑜,燕 丽*,雷 宇,王慧丽,汪旭颖,丁 哲

(环境保护部环境规划院,北京 100012)

基于我国燃煤锅炉的技术特征和国内外排放清单编制技术方法,建立了燃煤锅炉PM2.5减排潜力计算方法,以2012年为基准年,设计了3种控制情景,对2020年京津冀地区燃煤锅炉PM2.5减排潜力进行预测和分析.结果表明:2012年京津冀地区燃煤锅炉PM2.5排放量为7.83´104t,随着控制措施的不断加严,PM2.5排放量逐渐减少,一般控制情景、重点区域控制情景和加严控制情景下2020年京津冀地区燃煤锅炉PM2.5排放量分别为1.25´104t、0.58´104t和0.18´104t,相对于基准年而言,分别减少6.6´104t、7.2´104t和7.6´104t;减排比例分别达到84.0%、92.6%和97.7%.各城市燃煤锅炉PM2.5减排潜力与锅炉耗煤量、锅炉规模分布、用煤灰分、除尘技术应用情况等有关,京津冀地区PM2.5减排潜力最大的城市是天津市,河北省减排潜力最大的城市是石家庄市;在加严控制情景下,唐山市、北京市、保定市和秦皇岛市的PM2.5减排潜力均超过了0.5´104t.

燃煤锅炉；PM2.5；情景分析；减排潜力

当前我国区域性大气环境问题日益突出[1-3].京津冀地区采暖季大气污染尤为严重[4],2015年京津冀区域冬季采暖季期间PM2.5浓度同比上升了9.6%[5].燃煤源是京津冀地区颗粒物污染的主要贡献因素[6-8].在各类燃煤源中,燃煤锅炉是仅次于燃煤电厂的第二大耗煤大户[9],加之其污染控制水平低[10],是大气污染物的重要排放源[11-13].采暖季燃煤锅炉的大量集中使用,进一步加剧了京津冀地区的大气污染[14-17].随着大气污染防治工作的深入,电厂等大型设备减排空间逐渐减少,大幅削减燃煤锅炉的排放将是改善城市和区域环境空气质量的重要手段.

近年来,国家陆续出台相关的政策,加强对燃煤锅炉污染的控制.2013年国务院发布《大气污染防治行动计划》(大气十条),第一条就提出全面整治燃煤小锅炉,并对锅炉的淘汰等提出了更具体的要求;2014年发改委印发《能源行业加强大气污染防治工作方案》,要求加强监管及制定严格的民用煤炭产品质量地方标准, 对锅炉的煤质提出了建议要求;2014年颁布实施的《锅炉大气污染物排放标准(GB13274-2014)》[18],更加严了污染物排放浓度要求,并提出重点地区执行的污染物特别排放限值.但目前不同控制措施对燃煤锅炉PM2.5的减排潜力尚缺乏定量研究,给宏观政策在区域和城市层面的落实带来了困难.开展燃煤锅炉PM2.5减排潜力研究,对于科学制定燃煤锅炉控制路线和改善京津冀地区环境空气质量具有重要意义.本研究以2012年为基准年,预测分析2020年不同控制情景下京津冀地区燃煤锅炉PM2.5减排潜力,并据此提出相应的排放控制对策.

1 材料和方法

1.1 计算方法

燃煤锅炉大气颗粒物排放主要来自于煤炭的燃烧过程,考虑了燃料灰分、污染控制技术等因素对排放的影响,通过物料衡算的方法计算不同控制情景下PM2.5的排放量.减排潜力的计算基于预测年燃煤锅炉PM2.5排放相对于基准年的削减量,计算公式如下:

=-E(1)

式中:为燃煤锅炉PM2.5的减排潜力,t;为基准年燃煤锅炉PM2.5的排放量,t;E为预测年燃煤锅炉PM2.5的排放量,t;为除尘设施类型;为锅炉耗煤量,t; Aar为燃煤灰分,%; ar为灰分进入底灰的比例,%;为除尘设施对PM2.5的去除效率,%;pm2.5为燃烧产生的颗粒物中PM2.5占比,%.

1.2 耗煤量的确定

由于大量燃煤锅炉没有纳入环境统计的范围,本研究基于相关排放清单[19]的研究,采用自上而下的方法,根据《2013年中国能源统计年鉴》[20]、《2012年中国环境统计年报》[21]等,计算得到了2012年京津冀地区燃煤锅炉耗煤量,如表1所示.由于严格限制新建燃煤锅炉和实施煤炭消费总量控制[22],预计2020年京津冀地区燃煤锅炉耗煤量将不会增加.

表1 京津冀地区2012年燃煤锅炉耗煤量

1.3 计算参数选取

1.3.1 燃煤灰分 燃煤灰分对颗粒物的产生具有影响[23].京津冀地区锅炉燃煤灰分通过6000多台燃煤锅炉的统计数据加权平均计算获得[24],北京市锅炉燃煤平均灰分为11.9%,天津的锅炉燃煤平均灰分为12.7%,河北省燃煤锅炉用煤灰分较高,平均灰分为17.7%.京津冀地区各城市锅炉平均燃煤灰分如图1所示.

1.3.2 产生系数 研究表明,灰分进入底灰的比例(ar)、燃烧产生的颗粒物中PM2.5占比(pm2.5)2个参数与锅炉的燃烧方式有关[25-29],鉴于我国的燃煤锅炉以层燃炉为主[30],上述两参数均按层燃炉取值,分别为85%和10%.

1.3.3 排放控制技术去除效率 工业锅炉安装的除尘设施包括机械式除尘器、湿式除尘器、静电除尘器、袋式(电袋式)除尘器[31],不同治理设施对细颗粒物的去除效率存在显著差异[32].通过对我国和欧美排放清单研究的比较,参考了不同容量锅炉的测试结果[28-29,33-36],对各类除尘设施对PM2.5的去除效率进行了取值,如表2所示.

表2 各类除尘设施对PM2.5的去除效率

1.4 情景设置

燃煤锅炉一次PM2.5减排的重要措施包括:燃煤小锅炉淘汰,煤质改善及末端治理设施优化.其中,燃煤小锅炉淘汰主要是指采用清洁能源锅炉或集中供热的方式替代燃煤小锅炉,利用清洁能源替代燃煤锅炉,可直接减少煤炭的燃烧,从而减少颗粒物的排放;采用集中供热替代燃煤锅炉,通过锅炉热效率的提升和污染控制技术的升级减少颗粒物的排放.煤质改善是指要求锅炉燃用低灰分的优质煤,煤质改善的技术包括煤炭洗选、洁净型煤等.末端治理设施优化即采用更加高效的除尘设施以提高PM2.5的去除效率.

考虑到京津冀地区燃煤锅炉特征、控制技术应用情况,以燃煤锅炉控制要求、煤质管理要求、煤质标准[18,22,37-39]及控制技术可达性为依据,主要从燃煤小锅炉淘汰、煤质改善和末端治理设施优化3个方面,设计了京津冀地区2020年燃煤锅炉的一般控制情景、重点区域控制情景和加严控制情景,具体如表3所示.

表3 京津冀地区燃煤锅炉污染控制情景设计

2 结果与讨论

表4 京津冀地区燃煤锅炉PM2.5排放情况

2.1 不同情景下PM2.5的排放情况

根据公式(2)计算得到2012年和2020年3种情景下京津冀地区燃煤锅炉的PM2.5排放量,如表4所示.基准年(2012年)京津冀地区燃煤锅炉PM2.5排放量为7.83´104t,随着控制措施的不断加严, PM2.5排放量逐渐减少,一般控制情景、重点区域控制情景和加严控制情景下2020年京津冀地区燃煤锅炉PM2.5排放量分别为1.25´104t、0.58´104t和0.18´104t. 3种情景下京津冀地区2020年各城市燃煤锅炉的PM2.5排放量如图2所示.

2.2 PM2.5减排潜力

2.2.1 总体情况 京津冀地区燃煤锅炉的PM2.5减排量和减排比例如图3所示.相对于基准年而言, 3种情景下2020年京津冀地区燃煤锅炉可实现的PM2.5减排量分别为6.6´104t、7.2´104t和7.6´104t;PM2.5减排比例分别达到84.0%、92.6%和97.7%.计算结果表明燃煤锅炉的减排潜力巨大,实施燃煤锅炉淘汰、煤质改善和末端治理设施优化等措施后, PM2.5减排效果明显.

2.2.2 不同措施的减排效果 根据表3中设计的燃煤小锅炉淘汰,煤质改善和末端治理设施优化3项措施的控制情景,分别计算不同措施对燃煤锅炉PM2.5的减排效果,如图4所示.结果表明,末端治理设施优化的减排效果最为显著, 3种情景下可实现的PM2.5减排量分别为4.81´104t、 5.03´104t和5.29´104t;其次是燃煤锅炉淘汰, 3种情景下的减排量分别为1.60´104t、2.02´104t和2.23´104t; 3种情景下煤质改善可实现的减排量分别为0.71´104t、0.92´104t和1.24´104t.

京津冀地区10t/h以上燃煤锅炉全部实现达标排放后,可减少一次PM2.5排放61.4%,减排效果显著;实施特别排放限值后,可进一步减少PM2.5的排放,但需要新建袋式等高效除尘设施,将导致投资成本和运行费用的大幅增加.因此,通过末端治理减少燃煤锅炉PM2.5排放,应注重对除尘设施的运行监管,确保颗粒物达标排放,在空气污染严重的城市再考虑实施特别排放限值,期望以最低的投入达到最佳的PM2.5减排效果.

2.2.3 减排潜力的空间分布 2020年3种情景下京津冀地区各城市燃煤锅炉PM2.5减排潜力的空间分布如图5所示.在京津冀地区PM2.5减排潜力最大的城市是天津市,3种情景下减排量分别为1.33´104t、1.48´104t和1.48´104t;河北省减排量最大的城市是石家庄市, 3种情景下减排潜力分别为0.80´104t、0.98´104t和0.98´104t.在加严控制情景下,唐山市、北京市、保定市和秦皇岛市的PM2.5减排潜力均超过0.5´104t.

不同措施PM2.5减排潜力的空间分布如图6所示.石家庄市,保定市和唐山市10t/h以下锅炉数量多,PM2.5排放量大,淘汰燃煤小锅炉的减排潜力大.其中,石家庄市淘汰燃煤小锅炉减排潜力最大,淘汰全部10t/h以下燃煤锅炉可实现PM2.5减排0.47´104t;保定市淘汰燃煤小锅炉的减排比例最高,淘汰全部10t/h以下燃煤锅炉可减少PM2.5排放57.9%.

唐山市和承德市锅炉用煤灰分较高,通过改善锅炉用煤煤质,可有效减少PM2.5的排放.唐山市的减排量最大,锅炉用煤灰分降低到16%和12.5%,可分别减少PM2.5排放0.20´104t和0.28´104t;承德市PM2.5减排比例最高,锅炉用煤灰分降低到16%和12.5%,PM2.5排放量分别下降26.3%和36.6%.但对于北京、保定、廊坊等锅炉用煤灰分较低的城市,煤质改善措施对燃煤锅炉PM2.5的减排效果有限.

由于基准年燃煤锅炉末端治理技术普遍落后,PM2.5去除效率低,末端治理设施的优化对PM2.5排放量影响显著.其中,天津市减排量最大, 10t/h及以上燃煤锅炉全部达标排放和全部实现特别排放限值,可分别减少PM2.5排放1.19´104t和1.29´104t;此外,全面实现达标排放后,秦皇岛市、张家口市、承德市、沧州市和衡水市燃煤锅炉PM2.5排放将削减60%以上,应全面加强上述城市燃煤锅炉烟气净化设施的改造升级.

3 结论

3.1 2012年京津冀地区燃煤锅炉PM2.5排放量为7.83´104t,随着控制措施的不断加严,PM2.5排放量逐渐减少,一般控制情景、重点区域控制情景和加严控制情景下2020年京津冀地区燃煤锅炉PM2.5排放量分别为1.25´104t、0.58´104t和0.18´104t.

3.2 燃煤锅炉的减排潜力巨大,实施燃煤锅炉淘汰、煤质改善和末端治理设施优化后,PM2.5减排效果明显. 3种情景下2020年京津冀地区燃煤锅炉可实现的PM2.5减排量分别为6.6´104t、7.2´104t和7.6´104t;减排比例分别达到84.0%、92.6%和97.7%.京津冀地区PM2.5减排潜力最大的城市是天津市,河北省减排潜力最大的城市是石家庄市;在加严控制情景下,唐山市、北京市、保定市和秦皇岛市的PM2.5减排潜力都超过了0.5´104t.

3.3 末端治理设施的优化对PM2.5减排效果显著, 3种情景下可实现的PM2.5减排量分别为4.81´104t、5.03´104t和5.29´104t;其次是燃煤小锅炉淘汰,3种情景下的减排量分别为1.60´104t、2.02´104t和2.23´104t; 3种情景下煤质改善可实现的减排量分别为0.71´104t、0.92´104t和1.24´104t.

3.4 石家庄市、保定市和唐山市10t/h以下锅炉数量多,淘汰燃煤小锅炉的减排潜力大;唐山市和承德市锅炉用煤灰分较高,通过改善锅炉用煤煤质,可大幅减少PM2.5的排放;天津、秦皇岛、张家口等城市,末端治理设施优化可削减60%以上的PM2.5排放.应根据各城市燃煤锅炉规模分布,用煤灰分,除尘技术应用情况等,制定燃煤锅炉PM2.5控制对策.

[1] 郝吉明,程真,王书肖.我国大气环境污染现状及防治措施研究[J]. 环境保护, 2012,(9):16-20.

[2] WANG Z F, L I J, WANG Z, et al. Modeling study of regional severe hazes over mid-eastern China in January 2013 and its implica­tions pollution prevention and control [J]. Science China Earth Sciences, 2014,57(1):3-13.

[3] 薛文博,付 飞,王金南,等.中国PM2.5跨区域传输特征数值模拟研究[J]. 中国环境科学, 2014,34(6):1361-1368.

[4] 李令军,王占山,张大伟,等.2013~2014 年北京大气重污染特征研究[J]. 中国环境科学, 2016,36(1):27-35.

[5] 环境保护部,环境保护部发布2015年全国城市空气质量状况[EB/OL].http://www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/qt/201602/t20160204_329886.htm2016-02-04/2016-08-06.

[6] 王跃思,张军科,王莉莉,等.京津冀区域大气霾污染研究意义现状及展望[J]. 地球科学进展, 2014,29(3):388-396.

[7] Wang H L, Zhuang Y H, Wang Y, et al. Long-term monitoring and source apportionment of PM2. 5/PM10in Beijing, China [J]. Journal of Environ Sciences, 2008,20(11):1323-1327.

[8] 韩力慧,张 鹏,张海亮,等.北京市大气细颗粒物污染与来源解析研究[J]. 中国环境科学, 2016,36(11):3203-3210.

[9] 史妍婷,杜 谦,高建民,等.燃煤锅炉PM2.5控制现状及改进建议[J]. 节能技术, 2013,31(4):345-348.

[10] 余 洁.中国燃煤工业锅炉现状 [J]. 洁净煤技术, 2012,18(3): 89-91,113.

[11] Zhang Q, Street D G, Carmichael G R, et al. Asian emissions in 2006 for the NASA INTEX-B mission [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2009,9:5131-5153.

[12] 《锅炉大气污染物排放标准》编制组.《锅炉大气污染物排放标准》(征求意见稿)编制说明[R]. 北京:环境保护部, 2013: 1-2.

[13] Pui D Y H, Chen S C, Zuo Z L. PM2.5in China: Measurements, sources, visibity and health effects, and mitigation [J]. Particuology, 2014,13:1-26.

[14] 张霖琳,王 超,刀 谞,等.京津冀地区城市环境空气颗粒物及其元素特征分析 [J]. 中国环境科学, 2014,34(12):2993-3000.

[15] Zhao P S, Dong F, Yang Y D, et al. Characteristics of carbonaceous aerosol in the region of Beijing, Tianjin and Hebei, China [J]. Atmospheric Environment, 2013,71(3):389-398.

[16] Yu L D, Wang G F, Zhang R J, et al. Characteriza­tion and source apportionment of PM2.5in an urban envi­ronment in Beijing [J]. Aerosol &Air Quality Research, 2013,13(2):574-583.

[17] 姚 青,张长春,孙玫玲,等.采暖对天津近地层PM2.5污染特征的影响[J]. 生态环境学报, 2008,17(4):1433-1437.

[18] GB13274—2014 锅炉大气污染物排放标准 [S].

[19] 王慧丽,雷 宇,陈潇君,等.京津冀燃煤工业和生活锅炉的技术分布与大气污染物排放特征 [J]. 环境科学研究, 2015,28(10): 1510-1517.

[20] 国家统计局能源统计司.中国能源统计年鉴2013 [M]. 北京:中国统计出版社, 2014.

[21] 环境保护部.中国环境统计年报2012 [M]. 北京:中国环境出版社, 2012:299-302.

[22] 环境保护部,国家发展和改革委员会,工业和信息化部,等.关于印发《京津冀与周边地区落实大气污染防治行动计划实施细则》的通知[EB/OL]. http://www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/bwj/ 201309/t20130918_260414.htm, 2013-09-17/2016-08-06.

[23] 陈贵锋,俞珠峰,郗小林.燃用洗选煤与锅炉改造配合是实现工业锅炉清洁燃烧的经济有效途径[J]. 洁净煤技术, 2002,8(2): 30-35.

[24] 第一次全国污染源普查资料编纂委员会.污染源普查数据集[M]. 北京:中国环境科学出版社, 2011.

[25] 环境保护部.燃料燃烧排放大气污染物物料衡算办法(暂行) [Z]. 2003.

[26] 国家环保局科技标准司.工业污染物产生和排放系数手册[M]. 北京:中国环境科学出版社, 1996:194.

[27] 郝吉明,马广大,王书肖.大气污染控制工程(第三版) [M]. 北京:高等教育出版社, 2010:58.

[28] USEPA. Compilation of air pollutant emission factors, AP-42 [EB/OL].http://www.epa.gov, 2014-7-20/2016-08-06.

[29] KLIMONT Z, COFALA J, BERTOK I, et al. Modeling particu­late emissions in Europe: a framework to estimate reduction po­tential and control costs [R]. Interim Report, IR-02-076.Laxenburg, Austria: Institute for Applied Systems Analysis, 2002.

[30] 雷 宇.中国人为源颗粒物及关键化学组分的排放与控制研究[D]. 北京:清华大学, 2008.

[31] 左鹏莱,岳 涛,韩斌杰,等.燃煤工业锅炉大气污染物控制方案研究[J]. 环境污染与防治, 2013,35(8):100-104.

[32] 环境保护部.大气细颗粒物一次源排放清单编制技术指南(试行) [Z]. 2014-8-20.

[33] ZHANG Q, STREET D G, HE K B, et al. NOx emission trends for China, 1995 -2004: The view from the ground and the view from space [J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 2007,112(D22):449-456.

[34] 王书肖,赵秀娟,李兴华,等.工业燃煤链条炉细粒子排放特征研究[J].环境科学, 2009,30(4):963-968.

[35] 李 超,李兴华,段 雷,等.燃煤工业锅炉可吸入颗粒物的排放特征[J]. 环境科学, 2009,30(3):650-655.

[36] 商昱薇.层燃工业锅炉细颗粒物PM2.5排放特性研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2012.

[37] DB12/106—2013 工业和民用煤质量 [S].

[38] DB13/2081—2014 工业和民用燃料煤 [S].

PM2.5emissions reduction potential from coal-fired boilers in Beijing-Tianjin-Hebei area.

HE Jin-yu, YAN Li*, LEI Yu, WANG Hui-li, WANG Xu-ying, DING Zhe

(Chinese Academy of Environmental Planning, Beijing 100012, China).

A predictive model for PM2.5emissions from Coal-fired boilers was developed based on the technology distribution and the emissions inventory methodologies applied domestically and abroad. Three scenarios were designed to analyze the emission potentials and distributions of PM2.5from coal-fired boilers in Beijing-Tianjin-Hebei area in 2020. The results showed that PM2.5emissions from coal-fired boilers were 1.25´104t, 0.58´104t and 0.18´104t under different scenarios in 2020, respectively. Compared with the base year, PM2.5emission reductions of coal-fired boilers were 6.6´104t, 7.2´104t and 7.6´104t, respectively, with the reduction rates of 84.0%, 92.6% and 97.7%. Emission reduction potentials in different cities are dependent on coal consumption by coal-fired boilers, capacity of boilers, ash content of the coal and dust control measures. The reduction potentials from coal-fired boilers of Tianjin were largest in Beijing- Tianjin-Hebei cities. Shijiazhuang was the top city in terms of reduction potentials in Hebei province. In the enhanced control scenario, the emissions reduction potentials could exceed 0.5´104t in Tangshan, Beijing, Baoding and Qinhuangdao.

coal-fired boilers；PM2.5；scenario analysis；emissions reduction potential

X513

A

1000-6923(2017)04-1247-07

2016-09-14

国家环境保护公益性行业科研专项(201509010, 201409007,201509004);国家重点研发计划项目(2016YFC0207505)

贺晋瑜(1985-),女,山西太原人,助理研究员,硕士,主要从事大气环境规划与管理研究.发表论文15篇.

* 责任作者, 副研究员, yanli@caep.org.cn

, 2017,37(4)：1247~1253