王彥超,蔣春來,賀晉瑜,鐘悅之,宋曉暉

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京津冀及周邊地區(qū)水泥工業(yè)大氣污染控制分析

王彥超,蔣春來*,賀晉瑜,鐘悅之,宋曉暉

(生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院,北京 100012)

以京津冀及周邊地區(qū)水泥工業(yè)為研究對(duì)象,基于產(chǎn)排污系數(shù)法,建立了水泥工業(yè)主要大氣污染物排放計(jì)算方法,對(duì)2016年該地區(qū)水泥工業(yè)主要大氣污染物排放控制水平進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:京津冀及周邊地區(qū)2016年水泥工業(yè)SO2、NO、PM(有組織)排放量分別達(dá)到3.2′104t、23.9′104t、9.7′104t,較2015年分別減少24.1%、18.2%、27.2%,各項(xiàng)污染物大幅下降.水泥工業(yè)PM無組織排放量占PM總排放量的45.4%,仍需要采取集中收集的方式加強(qiáng)治理.山東、河南是水泥工業(yè)SO2、NO、PM、PM10、PM2.5重點(diǎn)排放來源,應(yīng)通過化解過剩產(chǎn)能降低污染排放.從各工藝來看,新型干法工藝應(yīng)考慮采用高效脫氮脫硫技術(shù)、協(xié)同處置技術(shù)、高效大型袋式除塵技術(shù)等新技術(shù),進(jìn)一步降低各項(xiàng)污染物的排放量;粉磨站也需進(jìn)一步提高污染治理水平.

京津冀及周邊地區(qū)；水泥工業(yè)；控制現(xiàn)狀；排放特征

水泥工業(yè)是能源、資源消耗密集型工業(yè),在為京津冀及周邊地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出巨大貢獻(xiàn)的同時(shí),也帶來了不可忽視的環(huán)境問題[1-2].目前,京津冀及周邊地區(qū)仍是我國大氣污染最為嚴(yán)重的區(qū)域,重污染天氣頻發(fā),2015年區(qū)域內(nèi)70個(gè)地級(jí)以上城市共發(fā)生1710d次重度及以上污染,占2015年全國的44.1%[3].根據(jù)環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[4],2015年京津冀及周邊地區(qū)水泥工業(yè)SO2、NO、PM排放量占地區(qū)工業(yè)行業(yè)污染物排放總量的比例分別為7.3%、51.8%、21.8%,NO、PM排放貢獻(xiàn)比例高,仍是區(qū)域大氣環(huán)境污染治理的重點(diǎn).

目前,在水泥工業(yè)大氣污染排放量測(cè)算方面,雷宇等[5]初步建立了水泥工業(yè)大氣顆粒物排放清單編制方法,王永紅等[6]主要采用產(chǎn)排污系數(shù)法開展1995~2005年水泥工業(yè)大氣污染物排放量測(cè)算;在重點(diǎn)區(qū)域水泥工業(yè)排放控制研究方面,田剛等[7]調(diào)研了2012年京津冀水泥工業(yè)顆粒物、氮氧化物、二氧化硫排放控制現(xiàn)狀;在水泥工業(yè)排放特征分析方面,徐東耀等[8]分析總結(jié)了2012年水泥工業(yè)排放特征,燕麗等[9]分析研究了2013年全國水泥工業(yè)PM2.5的排放特征,唐倩等[10]以2014年為基準(zhǔn)年研究了水泥工業(yè)顆粒物有組織及無組織排放特征.總體來看,現(xiàn)有研究基本是對(duì)《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》(以下簡稱大氣十條)實(shí)施以前水泥工業(yè)的污染現(xiàn)狀進(jìn)行了評(píng)估,缺少對(duì)大氣十條實(shí)施以后水泥工業(yè)污染減排措施的考慮,無法體現(xiàn)當(dāng)前水泥工業(yè)主要大氣污染物排放水平,難以為后大氣十條時(shí)期水泥工業(yè)深度治理決策提供支撐,需進(jìn)一步開展評(píng)估工作.

大氣十條實(shí)施以來,國家生態(tài)環(huán)境部先后出臺(tái)了《京津冀及周邊地區(qū)落實(shí)大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃實(shí)施細(xì)則》[11]、《京津冀大氣污染防治強(qiáng)化措施(2016-2017年)》[12]等一系列政策文件,有效推動(dòng)了京津冀及周邊地區(qū)水泥工業(yè)脫硝、除塵設(shè)施的升級(jí)改造,極大降低了水泥工業(yè)NO、有組織PM的排放,但隨著大氣污染形勢(shì)日益復(fù)雜,水泥工業(yè)進(jìn)行深度治理勢(shì)在必行.本研究以京津冀及周邊地區(qū)6省市(北京、天津、河北、山西、山東、河南)為研究對(duì)象,基于污染源排放清單編制技術(shù)方法,結(jié)合實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù),測(cè)算了2016年京津冀及周邊地區(qū)水泥工業(yè)主要大氣污染物排放量,分析了大氣十條實(shí)施后京津冀及周邊地區(qū)水泥工業(yè)大氣污染治理技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及控制水平,以期為打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn),制定下一步水泥工業(yè)污染控制措施提供決策依據(jù).

1 方法與數(shù)據(jù)

1.1 計(jì)算方法

1.1.1 總排放量測(cè)算 京津冀及周邊地區(qū)水泥工業(yè)主要大氣污染物排放量主要依據(jù)熟料及水泥產(chǎn)量、不同工序產(chǎn)污系數(shù),采用產(chǎn)排污系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算,分為有組織排放和無組織排放兩部分.計(jì)算公式如下:

1.1.2 有組織排放測(cè)算 水泥企業(yè)有組織排放包括水泥熟料煅燒窯排放的SO2、NO、PM,以及水泥生產(chǎn)過程中原料破碎、生料粉磨、水泥粉磨、水泥包裝和散裝等工序排放的有組織PM.計(jì)算公式如下:

式中:SO2為水泥熟料煅燒窯 SO2排放量,t;NOx為水泥熟料煅燒窯NO排放量,t;為熟料產(chǎn)量,萬t;為SO2產(chǎn)污系數(shù),kg/t熟料;為氮氧化物產(chǎn)污系數(shù),kg/t熟料;￠為水泥產(chǎn)量,萬t;ef為熟料煅燒窯PM產(chǎn)污系數(shù), kg/t熟料;ef為其他工序PM有組織產(chǎn)污系數(shù), kg/t熟料;為不同粒徑顆粒物的質(zhì)量分?jǐn)?shù),%,參照表2取值;PM為粉塵有組織或無組織排放量,t;為污染控制措施去除效率,%.

1.1.3 無組織排放測(cè)算 無組織排放的PM主要包括原料粉塵、生料粉塵、燃料粉塵、熟料粉塵和水泥粉塵等.計(jì)算公式如下:

1.2 工藝分布及產(chǎn)品產(chǎn)量

水泥工業(yè)主要大氣污染物的排放水平主要受生產(chǎn)工藝規(guī)模、產(chǎn)品產(chǎn)量的影響.本研究根據(jù)北京、天津、河北、山西、山東、河南6省市約700條生產(chǎn)線調(diào)研數(shù)據(jù),分析了2016年6省市水泥工業(yè)生產(chǎn)工藝規(guī)模分布情況,并通過《2017 年中國統(tǒng)計(jì)年鑒》[13]、水泥行業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)等資料獲取了6省市水泥工業(yè)2016年熟料及水泥產(chǎn)量,如圖1和圖2所示.

圖1 水泥工業(yè)不同生產(chǎn)工藝規(guī)模分布情況

1.3 產(chǎn)污系數(shù)

水泥熟料煅燒窯SO2、NO、PM產(chǎn)污系數(shù)參照《產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》[14]、《大氣可吸入顆粒物一次源排放清單編制技術(shù)指南》[15]進(jìn)行取值.其他工序PM排污系數(shù)根據(jù)《產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》[14]、《大氣可吸入顆粒物一次源排放清單編制技術(shù)指南》[15]、《大氣可吸入顆粒物一次源排放清單編制技術(shù)指南》[16]、《PM2.5排放量核算技術(shù)規(guī)范(火電廠、水泥工業(yè)企業(yè))》[17]及唐倩[10]、薛亦峰[18]等的研究計(jì)算取得.各生產(chǎn)工藝PM排放中不同粒徑PM占比參考雷宇等[5]的研究及美國《大氣污染物排放因子匯編》[19]進(jìn)行取值.如表1和表2所示.

表1 水泥工業(yè)主要大氣污染物產(chǎn)污系數(shù)

表2 不同工藝排放顆粒物的粒徑分布

1.4 污染控制措施去除效率

水泥工業(yè)大氣污染治理效率與所采用的污染治理設(shè)施類型相關(guān).根據(jù)北京、天津、河北、山西、山東、河南6省(市)約700條生產(chǎn)線的調(diào)研數(shù)據(jù),本研究分析了各省(市)水泥工業(yè)大氣污染治理技術(shù)的應(yīng)用情況及污染物在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),并結(jié)合水泥工業(yè)主要大氣污染物排放控制技術(shù)及控制水平研究結(jié)果[20-22]進(jìn)行了取值,脫硝技術(shù)基本為SNCR工藝,去除效率在50%左右;除塵技術(shù)對(duì)不同粒徑顆粒物去除效率如表3所示.

表3 除塵技術(shù)對(duì)不同粒徑顆粒物的去除效率

2 結(jié)果與討論

2.1 污染治理技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

圖3 京津冀及周邊地區(qū)水泥窯污染治理技術(shù)應(yīng)用情況

通過分析北京、天津、河北、山西、山東、河南等6省(市)水泥工業(yè)約700條水泥熟料生產(chǎn)線的調(diào)研數(shù)據(jù),獲得了主要大氣污染物治理技術(shù)應(yīng)用情況,如圖3所示.根據(jù)分析結(jié)果,調(diào)研的水泥熟料生產(chǎn)線均未安裝脫硫設(shè)施;81%的生產(chǎn)線安裝了脫硝設(shè)施,采用選擇性非催化還原技術(shù)(SNCR)的占比為80%,采用高效再燃脫硝技術(shù)(ERD)的占比為1%;所有生產(chǎn)線均安裝了除塵設(shè)施,主要采用布袋除塵器、電袋復(fù)合除塵器及靜電除塵器,占比分別為86%、12%和2%.對(duì)比田剛等[7]河北脫硝工藝、王永紅等[6]新型干法除塵技術(shù)應(yīng)用情況分析結(jié)果可見,在大氣十條實(shí)施期間水泥工業(yè)SNCR脫硝技術(shù)應(yīng)用比例大幅提高,除塵技術(shù)也由以靜電除塵為主轉(zhuǎn)向布袋除塵或電袋復(fù)合除塵等高效除塵設(shè)備.

2.2 總體排放情況

圖4 京津冀及周邊地區(qū)水泥工業(yè)主要大氣污染物排放情況

根據(jù)公式(1)~(5)計(jì)算2016年京津冀及周邊地區(qū)6省(市)水泥工業(yè)SO2、NO、PM、PM10、PM2.5的總排放量分別為3.2′104t、23.9′104t、17.9′104t、7.5′104t、4.1′104t,其中,SO2、NO分別較2015年排放量下降24.1%、18.2%;PM因與現(xiàn)有排放統(tǒng)計(jì)口徑有差異,測(cè)算的總排放量較2015年增加了33.5%,如圖4所示.水泥工業(yè)PM排放構(gòu)成中,有組織排放量為9.7′104t,約占PM總排放量的54.6%,其中PM10、PM2.5分別占有組織排放的60.0%、33.9%,;無組織排放為8.2′104t,約占PM總排放量的45.4%,其中PM10、PM2.5分別占無組織排放的20.0%、10.0%.根據(jù)唐倩等[10]的研究,2014年水泥工業(yè)顆粒物有組織排放量與無組織排放量基本相當(dāng),而本研究中水泥工業(yè)顆粒物無組織排放占比有所降低,可見京津冀及周邊地區(qū)6省(市)水泥工業(yè)無組織排放控制水平有所提高,但占比仍然較大,需采取集中收集等方式降低其排放量.結(jié)果如圖5所示.

圖5 水泥工業(yè)不同粒徑顆粒物排放情況

2.3 各省(市)單位面積污染物排放

根據(jù)北京、天津、河北、山西、山東、河南等6省市SO2、NO、PM、PM10、PM2.5的排放量,分別計(jì)算了各省(市)單位面積污染物排放量,結(jié)果如圖6所示.六省(市)中,山東單位面積SO2、NO、PM、PM10、PM2.5排放量均為最大,分別為0.07,0.57, 0.42,0.17,0.09t/km2,水泥工業(yè)大氣污染影響最大,河南次之,需通過化解過剩產(chǎn)能降低污染排放;天津熟料產(chǎn)量少,單位面積SO2、NO排放量最低,分別為0.01,0.07t/km2,但由于水泥粉磨站水泥產(chǎn)量較高,單位面積PM排放量較大,僅次于山東和河南,需進(jìn)一步提高水泥粉磨站顆粒物控制水平;山西單位面積PM10、PM2.5排放量均為最低,分別為0.05,0.03t/km2,但NO排放控制水平相對(duì)較差,單位面積排放量較高,僅次于山東和河南,需提升NO排放控制水平.

圖6 六省(市)不同污染物單位面積排放量

2.4 分工藝排放情況

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,2016年京津冀及周邊地區(qū)六省(市)水泥工業(yè)新型干法工藝SO2、NO、PM、PM10、PM2.5的排放量分別為3.1′104t、23.8′104t、9.0′104t、5.2′104t、3.1′104t,占各項(xiàng)污染物排放總量的比例分別為98.5%、99.8%、50.2%、69.4%、76.2%;其他水泥窯SO2、NO、PM、PM10、PM2.5的排放量分別為0.1′104t、0.1′104t、0.3′104t、0.1′104t、0.1′104t,占各項(xiàng)污染物排放總量的比例分別為1.5%、0.2%、1.5%、1.6%、1.7%;水泥粉磨站PM、PM10、PM2.5的排放量分別為8.6′104t、2.2′104t、0.9′104t,占PM、PM10、PM2.5排放總量的比例分別為48.3%、29.0%、22.1%.從工藝排放結(jié)果分析看,水泥工業(yè)主要大氣污染物主要來自于熟料生產(chǎn)工藝,與徐東耀等[8]、薛亦峰等[9]、張光學(xué)等[23]的研究結(jié)果基本一致,未來可考慮采用高效脫氮脫硫技術(shù)、協(xié)同處置技術(shù)、高效大型袋式除塵技術(shù)等新技術(shù),進(jìn)一步降低各項(xiàng)污染物的排放量.但隨著熟料生產(chǎn)工藝進(jìn)步及污染治理水平的提升,其顆粒物排放占顆粒物總排放量的比例逐步降低,與粉磨站顆粒物排放水平相當(dāng).

圖7 不同工藝污染物排放情況

3 結(jié)論

3.1 2016年京津冀及周邊地區(qū)6省(市)水泥熟料煅燒窯脫硝、除塵設(shè)施配套情況較好,調(diào)研的水泥熟料生產(chǎn)線中80%采用了SNCR脫硝工藝,98%采用了袋式除塵、電袋復(fù)合除塵等高效除塵工藝,NO、有組織PM均得到了有效的治理.

3.2 京津冀及周邊地區(qū)6省(市)水泥工業(yè)因污染治理水平的提高,其SO2、NO、PM(有組織)2016年排放量較2015年大幅下降,分別達(dá)到3.2′104t、23.9′104t、9.7′104t,下降比例分別為24.1%、18.2%、27.2%.水泥工業(yè)PM無組織排放量仍較大,占PM總排放量的45.4%.

3.3 京津冀及周邊地區(qū)6省(市)中山東、河南是水泥生產(chǎn)大省,兩省SO2、NO、PM、PM10、PM2.5排放總量及單位面積排放量居前2位,是該地區(qū)重點(diǎn)排放來源.北京、天津、山西各項(xiàng)污染物單位面積排放量相對(duì)較低,但天津單位面積PM排放量較大;山西單位面積NO排放量較大,僅次于山東和河南.

3.4 水泥工業(yè)SO2、NO、PM、PM10、PM2.5的排放主要來自新型干法窯,其SO2排放目前尚無治理措施, NO、PM排放量依然較大.獨(dú)立粉磨站PM的排放貢獻(xiàn)也較大,占PM排放總量的48.3%.

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Analysis of air pollutants control in cement industry in and around Beijing-Tianjin-Hebei region.

WANG Yan-chao, JIANG Chun-lai*, HE Jin-yu, ZHONG Yue-zhi, SONG Xiao-hui

(Chinese Academy of Environmental Planning, Beijing 100012, China)., 2018,38(10)：3683~3688

A model for estimating air pollutant emissions from cement industry was developed based on emission factors for the greater Beijing-Tianjin-Hebei region. The estimated emissions based on the model were used to analyze of current status and emission characteristics of the major air pollutants, including SO2, NO, and PM from cement industry in 2016. The results showed that the emissions of SO2, NOand nonfugitive PM from cement industry were 3.2′104t、23.9′104t、9.7′104t, 24.1%, 18.2%, 27.2% less than which in 2015, respectively. Fugitive PM contributes to 45.4% of the total PM emissions, and it is necessary to enhance colleting the fugitive PM emissions. Shandong and Henan are the greater contributor of SO2, NO, PM, PM10and PM2.5emissions from cement industry. More phasing out of abundant cement producing capacity in these two provinces should be a key measure to reduce their emissions. The cutting-edge technologies such as high efficiency nitrogen and sulfur removal technology, collaborative disposal technology and high efficiency baghouse filter should be considered reduce the emissions from the New Dry Process clinker production, and the pollution control in the grinding stations also need to be strengthened.

the greater Beijing-Tianjin-Hebei region；cement industry；emission control status；emissions characteristic

X511

A

1000-6923(2018)10-3683-06

王彥超(1985-),男,黑龍江哈爾濱人,助理研究員,碩士,主要從事大氣污染物總量控制政策體系研究.發(fā)表論文4篇.

2018-03-26

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFC0208400, 2016YFC0207505)

* 責(zé)任作者, 副研究員, jiangcl@caep.org.cn