摘要：以京津冀及周邊地區(qū)水泥工業(yè)為研究對象,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算方法,對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、NOx、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治理.山東、河南是水泥工業(yè)SO2、NOx、PM、PM10、PM2.5重點排放來源,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)一步降低各項污染物的排放量;粉磨站也需進(jìn)一步提高污染治理水平.

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)濟發(fā)展作出巨大貢獻(xiàn)的同時,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 個地級以上城市共發(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)計數(shù)據(jù)[4],2015 年京津冀及周邊地區(qū)水泥工業(yè)SO2、NOx、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%,NOx、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.

目前,在水泥工業(yè)大氣污染排放量測算方面,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算;在重點區(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《大氣污染防治行動計劃》(以下簡稱大氣十條)實施以前水泥工業(yè)的污染現(xiàn)狀進(jìn)行了評估,缺少對大氣十條實施以后水泥工業(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期水泥工業(yè)深度治理決策提供支撐,需進(jìn)一步開展評估工作.

大氣十條實施以來,國家生態(tài)環(huán)境部先后出臺了《京津冀及周邊地區(qū)落實大氣污染防治行動計劃實施細(xì)則》[11]、《京津冀大氣污染防治強化措施(2016-2017 年)》[12]等一系列政策文件,有效推動了京津冀及周邊地區(qū)水泥工業(yè)脫硝、除塵設(shè)施的升級改造,極大降低了水泥工業(yè)NOx、有組織PM 的排放,但隨著大氣污染形勢日益復(fù)雜,水泥工業(yè)進(jìn)行深度治理勢在必行.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)為研究對象,基于污染源排放清單編制技術(shù)方法,結(jié)合實地調(diào)研數(shù)據(jù),測算了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 計算方法

1.1.1 總排放量測算 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)行計算,分為有組織排放和無組織排放兩部分.計算公式如下:

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)計年鑒》[13]、水泥行業(yè)協(xié)會數(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.

1.3 產(chǎn)污系數(shù)

水泥熟料煅燒窯SO2、NOx、PM 產(chǎn)污系數(shù)參照《產(chǎn)排污系數(shù)手冊》[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》[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.

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)對不同粒徑顆粒物去除效率如表3 所示.

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 結(jié)果與討論

2.1 污染治理技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

2.2 總體排放情況

根據(jù)公式(1)~(5)計算2016 年京津冀及周邊地區(qū)6 省(市)水泥工業(yè)SO2、NOx、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、NOx 分別較2015 年排放量下降24.1%、18.2%;PM 因與現(xiàn)有排放統(tǒng)計口徑有差異,測算的總排放量較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.

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、NOx、PM、PM10、PM2.5 的排放量,分別計算了各省(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、NOx、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、NOx 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NOx 排放控制水平相對較差,單位面積排放量較高,僅次于山東和河南,需提升NOx 排放控制水平.

2.4 分工藝排放情況

根據(jù)計算結(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、NOx、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、NOx、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).

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,NOx、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、NOx、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、NOx、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)重點排放來源.北京、天津、山西各項污染物單位面積排放量相對較低,但天津單位面積PM 排放量較大;山西單位面積NOx 排放量較大,僅次于山東和河南.

3.4 水泥工業(yè)SO2、NOx、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, NOx、PM 排放量依然較大.獨立粉磨站PM 的排放貢獻(xiàn)也較大,占PM 排放總量的48.3%.

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