京津冀地區(qū)燃煤鍋爐PM2.5減排潛力分析

賀晉瑜,燕 麗,雷 宇,王慧麗,汪旭穎,丁 哲

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京津冀地區(qū)燃煤鍋爐PM2.5減排潛力分析

賀晉瑜,燕 麗*,雷 宇,王慧麗,汪旭穎,丁 哲

(環(huán)境保護部環(huán)境規(guī)劃院,北京 100012)

基于我國燃煤鍋爐的技術(shù)特征和國內(nèi)外排放清單編制技術(shù)方法,建立了燃煤鍋爐PM2.5減排潛力計算方法,以2012年為基準年,設(shè)計了3種控制情景,對2020年京津冀地區(qū)燃煤鍋爐PM2.5減排潛力進行預測和分析.結(jié)果表明:2012年京津冀地區(qū)燃煤鍋爐PM2.5排放量為7.83′104t,隨著控制措施的不斷加嚴,PM2.5排放量逐漸減少,一般控制情景、重點區(qū)域控制情景和加嚴控制情景下2020年京津冀地區(qū)燃煤鍋爐PM2.5排放量分別為1.25′104t、0.58′104t和0.18′104t,相對于基準年而言,分別減少6.6′104t、7.2′104t和7.6′104t;減排比例分別達到84.0%、92.6%和97.7%.各城市燃煤鍋爐PM2.5減排潛力與鍋爐耗煤量、鍋爐規(guī)模分布、用煤灰分、除塵技術(shù)應用情況等有關(guān),京津冀地區(qū)PM2.5減排潛力最大的城市是天津市,河北省減排潛力最大的城市是石家莊市;在加嚴控制情景下,唐山市、北京市、保定市和秦皇島市的PM2.5減排潛力均超過了0.5′104t.

燃煤鍋爐；PM2.5；情景分析；減排潛力

當前我國區(qū)域性大氣環(huán)境問題日益突出[1-3].京津冀地區(qū)采暖季大氣污染尤為嚴重[4],2015年京津冀區(qū)域冬季采暖季期間PM2.5濃度同比上升了9.6%[5].燃煤源是京津冀地區(qū)顆粒物污染的主要貢獻因素[6-8].在各類燃煤源中,燃煤鍋爐是僅次于燃煤電廠的第二大耗煤大戶[9],加之其污染控制水平低[10],是大氣污染物的重要排放源[11-13].采暖季燃煤鍋爐的大量集中使用,進一步加劇了京津冀地區(qū)的大氣污染[14-17].隨著大氣污染防治工作的深入,電廠等大型設(shè)備減排空間逐漸減少,大幅削減燃煤鍋爐的排放將是改善城市和區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量的重要手段.

近年來,國家陸續(xù)出臺相關(guān)的政策,加強對燃煤鍋爐污染的控制.2013年國務院發(fā)布《大氣污染防治行動計劃》(大氣十條),第一條就提出全面整治燃煤小鍋爐,并對鍋爐的淘汰等提出了更具體的要求;2014年發(fā)改委印發(fā)《能源行業(yè)加強大氣污染防治工作方案》,要求加強監(jiān)管及制定嚴格的民用煤炭產(chǎn)品質(zhì)量地方標準, 對鍋爐的煤質(zhì)提出了建議要求;2014年頒布實施的《鍋爐大氣污染物排放標準(GB13274-2014)》[18],更加嚴了污染物排放濃度要求,并提出重點地區(qū)執(zhí)行的污染物特別排放限值.但目前不同控制措施對燃煤鍋爐PM2.5的減排潛力尚缺乏定量研究,給宏觀政策在區(qū)域和城市層面的落實帶來了困難.開展燃煤鍋爐PM2.5減排潛力研究,對于科學制定燃煤鍋爐控制路線和改善京津冀地區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量具有重要意義.本研究以2012年為基準年,預測分析2020年不同控制情景下京津冀地區(qū)燃煤鍋爐PM2.5減排潛力,并據(jù)此提出相應的排放控制對策.

1 材料和方法

1.1 計算方法

燃煤鍋爐大氣顆粒物排放主要來自于煤炭的燃燒過程,考慮了燃料灰分、污染控制技術(shù)等因素對排放的影響,通過物料衡算的方法計算不同控制情景下PM2.5的排放量.減排潛力的計算基于預測年燃煤鍋爐PM2.5排放相對于基準年的削減量,計算公式如下:

=-E(1)

式中:為燃煤鍋爐PM2.5的減排潛力,t;為基準年燃煤鍋爐PM2.5的排放量,t;E為預測年燃煤鍋爐PM2.5的排放量,t;為除塵設(shè)施類型;為鍋爐耗煤量,t; Aar為燃煤灰分,%; ar為灰分進入底灰的比例,%;為除塵設(shè)施對PM2.5的去除效率,%;pm2.5為燃燒產(chǎn)生的顆粒物中PM2.5占比,%.

1.2 耗煤量的確定

由于大量燃煤鍋爐沒有納入環(huán)境統(tǒng)計的范圍,本研究基于相關(guān)排放清單[19]的研究,采用自上而下的方法,根據(jù)《2013年中國能源統(tǒng)計年鑒》[20]、《2012年中國環(huán)境統(tǒng)計年報》[21]等,計算得到了2012年京津冀地區(qū)燃煤鍋爐耗煤量,如表1所示.由于嚴格限制新建燃煤鍋爐和實施煤炭消費總量控制[22],預計2020年京津冀地區(qū)燃煤鍋爐耗煤量將不會增加.

表1 京津冀地區(qū)2012年燃煤鍋爐耗煤量

1.3 計算參數(shù)選取

1.3.1 燃煤灰分 燃煤灰分對顆粒物的產(chǎn)生具有影響[23].京津冀地區(qū)鍋爐燃煤灰分通過6000多臺燃煤鍋爐的統(tǒng)計數(shù)據(jù)加權(quán)平均計算獲得[24],北京市鍋爐燃煤平均灰分為11.9%,天津的鍋爐燃煤平均灰分為12.7%,河北省燃煤鍋爐用煤灰分較高,平均灰分為17.7%.京津冀地區(qū)各城市鍋爐平均燃煤灰分如圖1所示.

1.3.2 產(chǎn)生系數(shù) 研究表明,灰分進入底灰的比例(ar)、燃燒產(chǎn)生的顆粒物中PM2.5占比(pm2.5)2個參數(shù)與鍋爐的燃燒方式有關(guān)[25-29],鑒于我國的燃煤鍋爐以層燃爐為主[30],上述兩參數(shù)均按層燃爐取值,分別為85%和10%.

1.3.3 排放控制技術(shù)去除效率 工業(yè)鍋爐安裝的除塵設(shè)施包括機械式除塵器、濕式除塵器、靜電除塵器、袋式(電袋式)除塵器[31],不同治理設(shè)施對細顆粒物的去除效率存在顯著差異[32].通過對我國和歐美排放清單研究的比較,參考了不同容量鍋爐的測試結(jié)果[28-29,33-36],對各類除塵設(shè)施對PM2.5的去除效率進行了取值,如表2所示.

表2 各類除塵設(shè)施對PM2.5的去除效率

1.4 情景設(shè)置

燃煤鍋爐一次PM2.5減排的重要措施包括:燃煤小鍋爐淘汰,煤質(zhì)改善及末端治理設(shè)施優(yōu)化.其中,燃煤小鍋爐淘汰主要是指采用清潔能源鍋爐或集中供熱的方式替代燃煤小鍋爐,利用清潔能源替代燃煤鍋爐,可直接減少煤炭的燃燒,從而減少顆粒物的排放;采用集中供熱替代燃煤鍋爐,通過鍋爐熱效率的提升和污染控制技術(shù)的升級減少顆粒物的排放.煤質(zhì)改善是指要求鍋爐燃用低灰分的優(yōu)質(zhì)煤,煤質(zhì)改善的技術(shù)包括煤炭洗選、潔凈型煤等.末端治理設(shè)施優(yōu)化即采用更加高效的除塵設(shè)施以提高PM2.5的去除效率.

考慮到京津冀地區(qū)燃煤鍋爐特征、控制技術(shù)應用情況,以燃煤鍋爐控制要求、煤質(zhì)管理要求、煤質(zhì)標準[18,22,37-39]及控制技術(shù)可達性為依據(jù),主要從燃煤小鍋爐淘汰、煤質(zhì)改善和末端治理設(shè)施優(yōu)化3個方面,設(shè)計了京津冀地區(qū)2020年燃煤鍋爐的一般控制情景、重點區(qū)域控制情景和加嚴控制情景,具體如表3所示.

表3 京津冀地區(qū)燃煤鍋爐污染控制情景設(shè)計

2 結(jié)果與討論

表4 京津冀地區(qū)燃煤鍋爐PM2.5排放情況

2.1 不同情景下PM2.5的排放情況

根據(jù)公式(2)計算得到2012年和2020年3種情景下京津冀地區(qū)燃煤鍋爐的PM2.5排放量,如表4所示.基準年(2012年)京津冀地區(qū)燃煤鍋爐PM2.5排放量為7.83′104t,隨著控制措施的不斷加嚴, PM2.5排放量逐漸減少,一般控制情景、重點區(qū)域控制情景和加嚴控制情景下2020年京津冀地區(qū)燃煤鍋爐PM2.5排放量分別為1.25′104t、0.58′104t和0.18′104t. 3種情景下京津冀地區(qū)2020年各城市燃煤鍋爐的PM2.5排放量如圖2所示.

2.2 PM2.5減排潛力

2.2.1 總體情況 京津冀地區(qū)燃煤鍋爐的PM2.5減排量和減排比例如圖3所示.相對于基準年而言, 3種情景下2020年京津冀地區(qū)燃煤鍋爐可實現(xiàn)的PM2.5減排量分別為6.6′104t、7.2′104t和7.6′104t;PM2.5減排比例分別達到84.0%、92.6%和97.7%.計算結(jié)果表明燃煤鍋爐的減排潛力巨大,實施燃煤鍋爐淘汰、煤質(zhì)改善和末端治理設(shè)施優(yōu)化等措施后, PM2.5減排效果明顯.

2.2.2 不同措施的減排效果 根據(jù)表3中設(shè)計的燃煤小鍋爐淘汰,煤質(zhì)改善和末端治理設(shè)施優(yōu)化3項措施的控制情景,分別計算不同措施對燃煤鍋爐PM2.5的減排效果,如圖4所示.結(jié)果表明,末端治理設(shè)施優(yōu)化的減排效果最為顯著, 3種情景下可實現(xiàn)的PM2.5減排量分別為4.81′104t、 5.03′104t和5.29′104t;其次是燃煤鍋爐淘汰, 3種情景下的減排量分別為1.60′104t、2.02′104t和2.23′104t; 3種情景下煤質(zhì)改善可實現(xiàn)的減排量分別為0.71′104t、0.92′104t和1.24′104t.

京津冀地區(qū)10t/h以上燃煤鍋爐全部實現(xiàn)達標排放后,可減少一次PM2.5排放61.4%,減排效果顯著;實施特別排放限值后,可進一步減少PM2.5的排放,但需要新建袋式等高效除塵設(shè)施,將導致投資成本和運行費用的大幅增加.因此,通過末端治理減少燃煤鍋爐PM2.5排放,應注重對除塵設(shè)施的運行監(jiān)管,確保顆粒物達標排放,在空氣污染嚴重的城市再考慮實施特別排放限值,期望以最低的投入達到最佳的PM2.5減排效果.

2.2.3 減排潛力的空間分布 2020年3種情景下京津冀地區(qū)各城市燃煤鍋爐PM2.5減排潛力的空間分布如圖5所示.在京津冀地區(qū)PM2.5減排潛力最大的城市是天津市,3種情景下減排量分別為1.33′104t、1.48′104t和1.48′104t;河北省減排量最大的城市是石家莊市, 3種情景下減排潛力分別為0.80′104t、0.98′104t和0.98′104t.在加嚴控制情景下,唐山市、北京市、保定市和秦皇島市的PM2.5減排潛力均超過0.5′104t.

不同措施PM2.5減排潛力的空間分布如圖6所示.石家莊市,保定市和唐山市10t/h以下鍋爐數(shù)量多,PM2.5排放量大,淘汰燃煤小鍋爐的減排潛力大.其中,石家莊市淘汰燃煤小鍋爐減排潛力最大,淘汰全部10t/h以下燃煤鍋爐可實現(xiàn)PM2.5減排0.47′104t;保定市淘汰燃煤小鍋爐的減排比例最高,淘汰全部10t/h以下燃煤鍋爐可減少PM2.5排放57.9%.

唐山市和承德市鍋爐用煤灰分較高,通過改善鍋爐用煤煤質(zhì),可有效減少PM2.5的排放.唐山市的減排量最大,鍋爐用煤灰分降低到16%和12.5%,可分別減少PM2.5排放0.20′104t和0.28′104t;承德市PM2.5減排比例最高,鍋爐用煤灰分降低到16%和12.5%,PM2.5排放量分別下降26.3%和36.6%.但對于北京、保定、廊坊等鍋爐用煤灰分較低的城市,煤質(zhì)改善措施對燃煤鍋爐PM2.5的減排效果有限.

由于基準年燃煤鍋爐末端治理技術(shù)普遍落后,PM2.5去除效率低,末端治理設(shè)施的優(yōu)化對PM2.5排放量影響顯著.其中,天津市減排量最大, 10t/h及以上燃煤鍋爐全部達標排放和全部實現(xiàn)特別排放限值,可分別減少PM2.5排放1.19′104t和1.29′104t;此外,全面實現(xiàn)達標排放后,秦皇島市、張家口市、承德市、滄州市和衡水市燃煤鍋爐PM2.5排放將削減60%以上,應全面加強上述城市燃煤鍋爐煙氣凈化設(shè)施的改造升級.

3 結(jié)論

3.1 2012年京津冀地區(qū)燃煤鍋爐PM2.5排放量為7.83′104t,隨著控制措施的不斷加嚴,PM2.5排放量逐漸減少,一般控制情景、重點區(qū)域控制情景和加嚴控制情景下2020年京津冀地區(qū)燃煤鍋爐PM2.5排放量分別為1.25′104t、0.58′104t和0.18′104t.

3.2 燃煤鍋爐的減排潛力巨大,實施燃煤鍋爐淘汰、煤質(zhì)改善和末端治理設(shè)施優(yōu)化后,PM2.5減排效果明顯. 3種情景下2020年京津冀地區(qū)燃煤鍋爐可實現(xiàn)的PM2.5減排量分別為6.6′104t、7.2′104t和7.6′104t;減排比例分別達到84.0%、92.6%和97.7%.京津冀地區(qū)PM2.5減排潛力最大的城市是天津市,河北省減排潛力最大的城市是石家莊市;在加嚴控制情景下,唐山市、北京市、保定市和秦皇島市的PM2.5減排潛力都超過了0.5′104t.

3.3 末端治理設(shè)施的優(yōu)化對PM2.5減排效果顯著, 3種情景下可實現(xiàn)的PM2.5減排量分別為4.81′104t、5.03′104t和5.29′104t;其次是燃煤小鍋爐淘汰,3種情景下的減排量分別為1.60′104t、2.02′104t和2.23′104t; 3種情景下煤質(zhì)改善可實現(xiàn)的減排量分別為0.71′104t、0.92′104t和1.24′104t.

3.4 石家莊市、保定市和唐山市10t/h以下鍋爐數(shù)量多,淘汰燃煤小鍋爐的減排潛力大;唐山市和承德市鍋爐用煤灰分較高,通過改善鍋爐用煤煤質(zhì),可大幅減少PM2.5的排放;天津、秦皇島、張家口等城市,末端治理設(shè)施優(yōu)化可削減60%以上的PM2.5排放.應根據(jù)各城市燃煤鍋爐規(guī)模分布,用煤灰分,除塵技術(shù)應用情況等,制定燃煤鍋爐PM2.5控制對策.

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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

國家環(huán)境保護公益性行業(yè)科研專項(201509010, 201409007,201509004);國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0207505)

賀晉瑜(1985-),女,山西太原人,助理研究員,碩士,主要從事大氣環(huán)境規(guī)劃與管理研究.發(fā)表論文15篇.

* 責任作者, 副研究員, yanli@caep.org.cn

, 2017,37(4)：1247~1253