京津冀地區鋼鐵企業大氣污染影響評估

伯 鑫,徐 峻,杜曉惠,郭倩倩,甄瑞卿,田 軍,蔡博峰,王龍飛,馬方曙,周北海(.北京科技大學能源與環境工程學院,北京 0008；.環境保護部環境工程評估中心,北京 000；.中國環境科學研究院,北京 000；.北京京誠嘉宇環境科技有限公司,北京 000；.南京大學環境規劃設計研究院有限公司,江蘇南京 009；.環境保護部環境規劃院,北京 000)

京津冀地區鋼鐵企業大氣污染影響評估

伯 鑫1,2,徐 峻3,杜曉惠3,郭倩倩2,甄瑞卿4,田 軍5,蔡博峰6,王龍飛2,馬方曙1*,周北海1(1.北京科技大學能源與環境工程學院,北京 100083；2.環境保護部環境工程評估中心,北京 100012；3.中國環境科學研究院,北京 100012；4.北京京誠嘉宇環境科技有限公司,北京 100053；5.南京大學環境規劃設計研究院有限公司,江蘇南京 210093；6.環境保護部環境規劃院,北京 100012)

利用京津冀鋼鐵行業高分辨率排放清單,結合區域具體淘汰產能設備名單,采用空氣質量模式CAMx模擬并分析現狀和化解產能情景下京津冀地區鋼鐵行業大氣污染物對區域空氣質量的貢獻情況.結果表明,現狀情景下,冬季鋼鐵企業對整個區域PM2.5、SO2、NOx最高濃度貢獻比例分別為14.0%、28.7%、43.2%,夏季分別為13.1%、28.7%、53.4%.化解產能情景下京津冀鋼鐵行業SO2、NOx、煙粉塵、PM2.5與2012 年排放現狀相比,排放量分別下降了10.75%、10.65%、9.75%、9.75%,排口數量下降了11.74%,鋼鐵企業對京津冀各城市PM2.5、SO2、NOx濃度貢獻比例均有減少,冬季貢獻比例最多減少了1.4%、2.5%、3.1%,夏季貢獻比例最多減少了0.9%、2.0%、3.5%.

京津冀；鋼鐵；大氣污染；CAMx；PM2.5

京津冀地區鋼鐵行業產量和排污量增長迅猛,2014年京津冀地區粗鋼產量占全國產量的25.30%[1], SO2、NOx和煙粉塵排放量占京津冀地區工業源排放總量分別為 27.75%、13.56%、17.17%[2],鋼鐵行業是京津冀地區主要的大氣污染排放、過剩產能行業,也是京津冀地區污染聯防聯控、限產限排等焦點之一.為滿足鋼鐵行業淘汰落后產能、加快污染治理等要求,根據《國務院關于化解產能嚴重過剩矛盾的指導意見》,京津冀地區計劃在2020年之前將產能壓縮至約2.1億t,陸續出臺《京津冀及周邊地區落實大氣污染防治行動計劃實施細則》、《天津市人民政府關于推進供給側結構性改革加快建設全國先進制造研發基地的實施意見》等污染控制措施.截至2016年7月底, 京津冀地區削減鋼鐵產能的任務完成了不到 35%,鋼鐵企業面臨巨大的污染物減排和化解產能的壓力.

由于京津冀地區政治地位的特殊性,當開展區域性重大活動(例如APEC、閱兵等)時,區域內鋼鐵企業采取減產關停等應急保障措施,但缺少關停鋼鐵企業對區域空氣質量改善貢獻報道[3-6].部分城市污染源解析結果顯示,北京、天津、石家莊等本地工業源對其PM2.5濃度貢獻為17%～25.2%[7-9],唐山市冶金行業是其 PM2.5主要來源(貢獻率為 20.67%)[9],一些研究者對京津冀不同行業的空氣污染貢獻率、排放清單等進行分析[10-18],例如溫維等分析了唐山市冶金行業對夏季 PM2.5濃度貢獻情況[14];陳國磊等[15]研究結果表明,承德市冶金行業對當地 PM2.5濃度貢獻為13.3%.此外研究者采用CMAQ、CAMx等空氣質量模型開展了大量來源情景模擬研究[19-20],例如Song等[19]采用CALPUFF模擬發現,2000年1月1日～2月29日期間首鋼對石景山工業區PM10污染濃度貢獻達到了 46%,而對北京中東部地區影響不大.上述研究均未從區域環境影響的角度出發,定量分析鋼鐵企業對區域空氣質量的影響情況.

為了解決上述問題,本研究基于京津冀高分辨率鋼鐵排放清單數據,利用CAMx模式定量評估了現狀情景下京津冀鋼鐵企業排放SO2、NOx、PM2.5濃度貢獻情況,并結合具體淘汰產能設備名單,分析化解產能情景下京津冀地區鋼鐵企業對空氣質量改善情況,為產能化解、大氣源解析等工作提供科學技術支撐.

1 研究方法

1.1 源排放

本研究采用的高時空分辨率京津冀地區鋼鐵行業排放清單(BTH-Steel Version 2.0)[18],是環境保護部環境工程評估中心考慮京津冀地區鋼鐵企業工藝設備、環保措施、產能等信息,自下而上建立的清單產品,清單基準年為 2012年,共239家鋼鐵企業(圖1),污染源排口數量為2776個,煉鋼產能2.7億t,主要工藝流程包括焦爐、燒結、球團、高爐、轉爐、電爐、軋鋼等,污染源信息包括企業名稱、工藝名稱、排口名稱、煙囪高度等,污染物信息為 SO2、NOx、煙粉塵等.鋼鐵排放清單結果顯示(表 1),京津冀地區鋼鐵企業SO2、NOx、煙粉塵、PM2.5排放量分別為43.56、52.55、20.48、13.32萬t,京津冀地區鋼鐵企業大氣排放集中在唐山和邯鄲兩個地區.根據京津冀不同行業排放比例結果顯示(圖2),唐山、邯鄲城市鋼鐵企業排放主要污染物占當地排放總量比例較高,其中唐山市鋼鐵企業排放大氣污染物占比最高,SO2、NOx排放量占當地總排放量比例均超過 40%,PM2.5接近 30%,是當地最主要的大氣污染物排放來源.

圖1 京津冀鋼鐵企業分布Fig.1 Distribution map of steel plants in Beijing – Tianjin– Hebei region

其他人為源排放清單綜合考慮 MEIC[21-22]和REAS2.1[23]兩種數據并進行優選,基于近幾年《中國環境統計年報》[24]中SO2、NOx和PM10的排放量對京津冀地區分行業的排放總量進行調整;依據已掌握的分行業排放因子,對一次PM2.5排放的組分進行了改進,利用以往研究中積累的電力行業資料[25-26]對電力行業點源的地理位置進行了核實,使人為源排放輸入盡可能體現實際的區域排放特征.最后將網格化面源分配到模擬區域網格的過程中,針對不同行業的源排放,采用了各自對應的空間映射關系系數,保證各行業排放源在模擬區域中空間分布的合理性.自然排放源利用陸地生態系統估算模型MEGAN[27]計算得到.為評估京津冀鋼鐵企業大氣污染濃度貢獻影響,本研究將鋼鐵排放清單數據從背景工業源排放清單中分離出來,避免模式模擬過程中重復計算鋼鐵行業排放量貢獻.

表1 京津冀各城市鋼鐵企業排放量情況(t/a)Table 1 Emission of steel plants in cities of Beijing – Tianjin – Hebei region (t/a)

圖2 京津冀鋼鐵行業大氣污染物排放量占比情況Fig.2 Ratio of Emission from steel industry in Beijing - Tianjin – Hebei region鋼鐵電力交通工業民用

1.2 模擬模型

采用區域空氣質量模型CAMx進行模擬,主要利用顆粒物源示蹤技術(PSAT)[28],追蹤鋼鐵企業排放對京津冀各地級市一次、二次顆粒物及其氣態前體物的濃度貢獻.本次模擬時段選定為2014年1月和7月,分別作為冬季和夏季的典型時段.模擬區域覆蓋整個東亞地區,模式網格水平分辨率為 36km,網格數為 200×160,垂直層次 20層,模式頂高約為 15km.本研究重點關注區域為京津冀地區,PSAT將北京、天津2個直轄市及河北省11個地級市取做受點,將鋼鐵行業排放作為一個單獨的源輸入條件并分離出來,追蹤其SO2、NOx和顆粒物排放對京津冀地區主要空氣污染物的影響.

表2 CAMx模擬選項Table 2 Schemes adopted in CAMx simulation

本研究CAMx模擬系統已在東亞區域空氣污染物長距離[29-30],以及京津冀重污染成因分析

[31]等多個研究中應用,其間進行了詳細的模擬驗證和效果評估,表明該系統能夠較好地再現區域污染的狀態特征.模式參數見表 2,本次參數的選取已在多個研究項目中得到了應用,取得了很好的模擬效果[29-31].

2 結果與討論

2.1 現狀情景鋼鐵對區域污染物濃度貢獻分析

表 3、圖 3為現狀情景下京津冀鋼鐵企業對各城市主要大氣污染物濃度貢獻情況,從各城市主要大氣污染物濃度貢獻比例來看,京津冀鋼鐵企業對唐山市、秦皇島市、承德市、邯鄲市等城市主要大氣污染物濃度貢獻比例較大,其中鋼鐵企業冬季排放SO2對區域大氣污染貢獻比例較高的城市為秦皇島市、唐山市、承德市,分別為18.8%、13.3%、11.1%;排放NOx對區域大氣污染貢獻比例較高的城市為秦皇島市、唐山市、承德市,分別為27.3%、21.7%、21.4%;排放 PM2.5對區域大氣污染貢獻比例較高的城市為秦皇島市、唐山市、承德市,分別為10.1%、9.0%、8.5%.鋼鐵企業夏季排放SO2對區域大氣污染貢獻比例較高的城市為唐山市、承德市、秦皇島市,分別為 18.0%、16.4%、12.4%;排放NOx對區域大氣污染貢獻比例較高的城市為承德市、唐山市、邯鄲市,分別為35.1%、33.5%、24.6%;排放 PM2.5對區域大氣污染貢獻比例較高的城市為唐山市、承德市、秦皇島市,分別為9.3%、8.3%、6.0%.

鋼鐵行業排放污染物濃度貢獻在京津冀各地體現出的季節變化并不一致.唐山、邯鄲、承德和張家口等鋼鐵大氣污染物占比較高的地區季節變化較顯著,其中SO2和NOx在夏季的濃度貢獻明顯高于冬季.對于唐山等地鋼鐵行業排放夏季影響大于冬季,主要原因是:華北平原冬季大氣邊界層較低,而鋼鐵企業污染物排放量大的工序(燒結等)為高架源排放,高空排放加上抬升后,污染物將在邊界層之上,對地面的影響反而減小.夏季邊界層發展充分,高架源排放很容易通過湍流混合作用擴散到低層,因而對地面濃度的影響加大.

唐山市、承德市冶金部門(包括鋼鐵、鐵合金、有色金屬冶煉等)對當地PM2.5濃度貢獻比例分別為20.67%、13.3%[9,14-15].本研究結果中鋼鐵行業對唐山市、承德市PM2.5濃度貢獻比例最大為9.3%、8.5%,本研究濃度貢獻比例結果與唐山、承德等城市已有來源解析結果較為一致.差異原因可能為本研究模擬中,采用的排放具體到每一個排放口(焦化、燒結、球團、高爐、轉爐、電爐、軋鋼等),作為點源來處理,考慮了源高、直徑、流速等具體排放參數,排放量大的污染源為高架點源;此外,不同研究者使用背景排放清單不同、對鋼鐵行業源排放輸入條件的處理存在差異,造成源解析結果存在一定差異.

從北京公開 PM2.5源解析結果看,主要為機動車、燃煤等,未提及鋼鐵行業對污染貢獻,本研究發現京津冀鋼鐵企業對北京市等主要大氣污染物濃度貢獻比例相對較小,對北京市 PM2.5、SO2、NOx冬季平均濃度貢獻僅為2.7%、2.7%、2.4%,夏季平均濃度貢獻僅為2.3%、2.7%、1.9%,兩者結果較為一致.

從整個區域主要大氣污染物濃度貢獻比例來看,鋼鐵企業對整個區域 PM2.5、SO2、NOx冬季最高濃度貢獻比例分別為 14.0%、28.7%、43.2%,夏季最高濃度貢獻比例分別為 13.1%、28.7%、53.4%,這說明京津冀鋼鐵企業對區域污染物濃度貢獻最大的是 NOx,需加強鋼鐵企業NOx等前體物控制;鋼鐵行業大氣污染物濃度貢獻比例較高的區域主要集中在唐山、邯鄲為中心的區域.

秦皇島、承德的鋼鐵行業排放量占京津冀區域比例較低(主要污染物排放量不超過京津冀鋼鐵總排放量的 8%),由于唐山市離這兩個城市最近,加上鋼鐵行業高架源排放的區域傳輸,造成周邊地市鋼鐵企業對秦皇島、承德的大氣污染濃度貢獻比例較高(圖 3可看出此趨勢),說明京津冀鋼鐵企業,尤其是唐山市鋼鐵企業排放對周邊城市大氣環境影響顯著,在特殊氣象條件下對周邊環境的影響不容忽視.

2.2 化解產能情景鋼鐵對區域污染物濃度貢獻分析

本研究根據《河北省鋼鐵產業結構調整方案》中淘汰產能設備名單,假設淘汰河北省過剩產能設備(淘汰6684萬t煉鋼產能),化解產能情景下京津冀鋼鐵行業SO2、NOx、煙粉塵、PM2.5排放量分別為38.87、46.94、18.48、12.02萬t/a,與2012 年排放現狀相比,分別下降了10.75%、10.65%、9.75%、9.75%,排口數量下降了11.74%(表4).

圖4 化解產能情景下京津冀地區鋼鐵企業排放SO2、NOx、PM2.5對區域濃度貢獻比例(冬季、夏季)Fig.4 Contribution ratio of SO2, NOxand PM2.5from steel plants in Beijing – Tianjin – Hebei region under the situation of resolving production overcapacity (winter and summer)

表4 化解產能情景下京津冀各城市鋼鐵企業排放情況(t/a)Table 4 Emission of the steel plants in cities of Beijing – Tianjin – Hebei region under the situation of resolving production overcapacity (t/a)

表5 化解產能情景下鋼鐵行業排放對京津冀各城市主要大氣污染物濃度貢獻比例(%)Table 5 Concentration ratio to the main air pollutants of cities in Beijing - Tianjin – Hebei region from steel plants under the situation of resolving production overcapacity (%)

化解產能情景下,京津冀地區鋼鐵企業大氣污染物排放對區域PM2.5、SO2、NOx年均濃度貢獻比例影響分布見圖 4,對區域城市大氣污染物年均濃度貢獻比例見表 5.從各個城市污染物平均濃度貢獻比例來看,鋼鐵企業總體對各城市大氣污染濃度貢獻均有不同程度改善,對各城市PM2.5、SO2、NOx冬季濃度貢獻比例減少了0.1%～1.4%、0.2%～2.5%、0.2%～3.1%,夏季濃度貢獻比例分別減少了0.2%～0.9%、0.2%～2.0%、 0.2%～3.5%.

3 結論

3.1 現狀情景下,京津冀鋼鐵企業排放大氣污染物主要影響以唐山、邯鄲為中心的區域,這與當地鋼鐵企業集中、污染物排放量大等因素有關.從區域污染排放量及污染物濃度貢獻角度來看,唐山市鋼鐵企業排放對承德、秦皇島等周邊城市的大氣環境有一定的影響,說明區域大氣污染聯防聯控可一定程度改善相關城市的空氣質量.

3.2 京津冀鋼鐵企業對區域大氣環境影響最大的污染物為 NOx,夏季最高濃度貢獻比例達到了50%以上,結合當前鋼鐵行業現狀來看,很少有企業對燒結工序采取脫硝措施,由此可見未來京津冀鋼鐵企業NOx存在較大的減排空間.

3.3 在污染物排放量削減10%的化解產能情景下,鋼鐵行業濃度貢獻比例下降比較小(2%左右),可見當前化解產能力度對污染改善效果有限,仍需進一步加大化解產能力度,此外證明高架點源排放是降低局地污染的有利手段之一.

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致謝：本課題得到環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室專項經費的資助.

Impacts assessment of steel plants on air quality over Beijing-Tianjin-Hebei area.

BO Xin1,2, XU Jun3, Du Xiao-hui3, GUO Qian-Qian2, ZHEN Rui-Qing4, TIAN Jun5, CAI Bo-Feng6, WANG Long-Fei2, MA Fang-Shu1*, ZHOU Bei-Hai1(1.School of Energy and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China；2.The Appraisal Center for Environment and Engineering, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100012, China；3.Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China；4.CERI eco Technology Co., LTD, Beijing 100053, China；5.Academy of Environmental Planning and Design, Nanjing University, Nanjing 210093, China；6.Chinese Academy for Environmental Planning, Beijing 100012, China). China Environmental Science, 2017,37(5)：1684～1692

Regional air quality model CAMx was used to project the air pollution contribution from steel plants to the Beijing-Tianjin-Hebei area under different scenarios, based on emission inventory of steel industry of the region and the eliminating list in the reduced capacity scenario. The results implied that in current situation, the steel plants could contribute to as high as 14.0%, 28.7% and 43.2% in winter, and 13.1%, 28.7% and 53.4% in summer to regional concentration of PM2.5, SO2and NOx, respectively. Compared with 2012, under the scenario of resolving production overcapacity, the emissions of SO2, NOx, TSP and PM2.5from steel plants would decrease by 10.75%, 10.65%, 9.75%, and 9.75% respectively, and the number of emission sources decline by 11.74%. The contribution to the regional concentration of PM2.5, SO2and NOxfrom steel plants would decrease by 1.4%, 2.5% and 3.1% in winter, and 0.9%, 2.0% and 3.5% in summer respectively.

Beijing-Tianjin-Hebei region；steel plant；air pollution；CAMx；PM2.5

X51,X823

A

1000-6923(2017)05-1684-09

伯 鑫(1983-),男,山東煙臺人,高工,博士,主要研究方向為排放清單以及大氣污染模擬.發表論文40余篇.

2016-09-27

國家重點實驗室開放基金課題(16K01ESPCT);環境保護部基金課題(1441402450017-2)

* 責任作者, 副研, mfsustb@sina.com