北京市燃煤源排放控制措施的污染物減排效益評估

宗亞楠, 張 強, 洪朝鵬, 賀克斌*

1.清華大學環境學院， 北京 100084 2.清華大學地球系統科學系， 北京 100084

北京市燃煤源排放控制措施的污染物減排效益評估

宗亞楠1, 張 強2, 洪朝鵬2, 賀克斌1*

1.清華大學環境學院， 北京 100084 2.清華大學地球系統科學系， 北京 100084

為分析北京市燃煤源排放控制措施的污染物減排效益，基于MEIC(中國多尺度排放清單模型)，采用情景分析法，評估了北京市電廠能源清潔化與末端治理、燃煤鍋爐改造和城區平房區居民采暖改造等措施的污染物減排效益. 結果表明，相對于無控情景，2013年北京市電廠能源清潔化與末端治理減少PM2.5、PM10、SO2和NOx排放量為1.28×104、2.10×104、5.13×104和4.98×104t，分別占無控情景的85%、86%、87%、74%；北京市燃煤鍋爐改造減少PM2.5、PM10、SO2、NOx排放量為1.09×104、2.68×104、11.64×104和5.81×104t，分別占無煤改氣情景的83%、89%、83%、83%；北京市老舊平房區的居民采暖改造減少PM2.5、PM10、SO2和NOx排放量分別為630、870、2 070和790 t，均占無煤改電情景的8%. 研究顯示，北京市從1998年開始采取的各種減排措施有效地減少了污染物的排放，對北京市空氣質量改善具有重要意義.

燃煤源； 能源結構； 末端治理； 減排效益

Abstract： To analyze the benefits of emission reductions from coal-fired source emission control measures, this work employed scenario analysis to quantify emission reductions from replacing coal-fired power with clean energy and application of end-of-pipe control technologies in power plants, comprehensive control on coal-fired boilers and residential heating renovation based on the model of Multi-resolution Emission Inventory for China (MEIC). The results showed that the emissions of PM2.5, PM10, SO2and NOxfrom power plants in Beijing were estimated to have been reduced 1.28×104, 2.10×104, 5.13×104and 4.98×104t in 2013, representing reductions of 85%, 86%, 87% and 74%, respectively. 1.09×104, 2.68×104, 11.64×104and 5.81×104t of PM2.5, PM10, SO2and NOxemissions were mitigated due to the comprehensive control measures for coal-fired boilers in 2013, representing reductions of 83%, 89%, 83% and 83%, respectively. Residential heating renovation projects by replacing coal with electricity in Beijing′s conventional old house areas contributed to emission reductions of 630, 870, 2070 and 790 t for PM2.5, PM10, SO2and NOx, representing reductions of 8%. The study showed that the emission reduction measures have reduced pollutant emissions effectively since 1998 and have significance for improving air quality in Beijing.

Keywords： coal-fired source; energy structure; end-of-pipe control; emission reduction benefits

近年來，我國霧霾天氣頻發，空氣污染給人們的生活和健康帶來了嚴重危害[1- 3]，引起了社會公眾的廣泛關注和各級政府的高度重視. 煤炭長期以來都是北京市能源消費的重要部分，主要用于供熱、發電、工業生產和居民炊事取暖等與居民生產生活息息相關的行業，以煤為主的能源結構是造成大氣污染的重要原因[4- 6].

燃煤源的污染控制一直以來都是我國大氣污染控制政策的重點[7- 10]. SO2、NOx、PM等大氣污染物的末端控制技術能夠有效減少污染物的排放，如靜電除塵器對顆粒物的去除效率能達到99.5%[11- 12]. 對燃煤源控制措施的研究可分為定性和定量兩種，前者通過分析能源消費趨勢及空氣質量趨勢等歷史數據，揭示燃煤源控制與空氣質量改善的相關性[13- 15]. LIU等[16]通過對歷史文獻的分析，探討了京津冀地區為改善空氣質量的相關措施. 對燃煤源控制措施的定量研究可分為兩種：①對過去已實施的減排措施的評估，②對未來可能實施的措施的減排效果預測. Corvalan等[17]基于排放因子法，對智利圣地亞哥地區實施天然氣替代煤的減排效果的評估結果顯示，可減少61%的PM、91%的SO2、40%的NOx和10%的VOCs. 龐軍等[18]利用等熱值替代方法計算2010年在我國15個重點城市以天然氣替代煤炭的污染物減排效果，PM、SO2、NOx排放量分別可減少734.24×104、40.21×104、22.56×104t. Fujii等[19]應用分解分析法研究了1998—2009年中國工業部門末端控制措施對減少污染物排放的作用，結果顯示，PM排放減少了近65%. Kadian等[20]應用LEAP模型預測分析印度德里地區能源替代政策在民用部門可減少36%的NOx、49%的SO2、57%的TSP. 馮悅怡等[21]通過構建LEAP模型預測北京市2007—2030年的碳排放趨勢，低碳情景碳排放總量比基準情景低62.22%. 薛亦峰等[22]采用排放因子法估算北京市能源結構調整可使PM10、PM2.5、SO2和NOx的排放量分別減少 2 032.94、1 183.53、6 265.30 和 7 220.90 t；并利用ADMS-Urban模型模擬該措施對環境空氣質量的改善，ρ(PM2.5)下降0.27～6.77 μg/m3. 陳瀟君等[23]采用WRF-CAMx空氣質量模型研究了空氣質量改善需求對地區大氣污染物排放總量與煤炭消費總量的約束作用，為實現2030年空氣質量改善階段性目標，全國煤炭消費總量應控制在37.7×108t左右. MAO等[24]分析了天然氣替代措施的成本效益，并提出了發展天然氣行業的政策建議.

1998年以來，北京市為改善城市空氣質量，針對不同階段的污染特征開展了大規模防治工作，分16個階段密集采取了包括改善能源結構、綜合治理機動車污染、調整產業結構、加強生態保護與公眾環境教育等在內一系列的具體措施. 在能源結構調整與燃煤源排放控制方面，北京市一方面持續加嚴燃煤鍋爐排放標準，通過低硫煤供應保障、末端治理設施改造和污染物在線排放監管，使得燃煤電廠排放控制水平走在世界前列；另一方面利用天然氣和電力等清潔能源，分階段、分區域推進燃煤鍋爐的能源結構轉型. 在居民采暖污染治理上，北京市針對城市中心老舊平房區和城郊居民區的建筑特點，分別進行“煤改電”和“煤改氣”(集中供熱)的治理措施. 2013年，國務院發布的《大氣污染防治行動計劃》[25]明確規定，到2017年，煤炭占能源消費總量比重降到65%以下，而京津冀、長三角、珠三角等區域則力爭實現煤炭消費總量負增長. 《北京市2013—2017年清潔空氣行動計劃》[26]提出，到2017年，北京市煤炭占能源消費比重降至10%以下，優質能源消費比重提高到90%以上.

該研究基于中國多尺度排放清單模型(MEIC, multi-resolution emission inventory for China)，采用情景分析法，評估了1998—2013年北京市燃煤源排放控制措施的減排效益，主要包括電廠能源清潔化與末端治理、燃煤鍋爐改造和城區平房區居民采暖改造三部分，以期為燃煤源污染治理提供定量依據.

1 數據與方法

1.1 情景設定

該研究涉及評估的燃煤源排放控制措施主要包括電廠能源清潔化與末端治理、燃煤鍋爐改造和城區平房區居民采暖改造三部分，為了分析各部門的大氣污染減排效益，對這三部分分別進行情景設定.

作為煤炭的消費大戶，北京市燃煤電廠從2005年起開始實施“煤改氣”，并逐步加大天然氣使用量，在全市發電總量上升情況下，實現了電力行業煤炭消費負增長. 除了能源結構調整，北京市還對燃煤電廠同步采取了嚴格的末端治理措施，包括除塵升級改造、煙氣脫硫工程的實施和煙氣脫硝治理. 此外，北京市進一步實施了世界上最嚴格的燃煤電廠排放標準，北京市新建電廠鍋爐煙塵排放限值為10 mg/m3，NOx排放限值為100 mg/m3, SO2排放限值為20 mg/m3，均嚴于當前歐美新建電廠的煙塵排放限值要求[27]. 為了分析燃煤電廠末端治理和“煤改氣”的大氣污染減排效益，設置無控情景、末端治理情景與實際情景3個情景. 無控情景是指在1998年基礎上，假設已有的天然氣發電機組采用燃煤發電，并且不實施任何末端治理措施；末端治理情景是指在無控情景的基礎上，實施末端治理措施；實際情景是指電廠的實際排放狀況，即實施了“末端治理+煤改氣”.

從1998年起，北京市積極開展無煤區建設，決定無煤區內不再批準建設燃煤爐灶. 隨后，北京市逐步改造了不同地區所有餐飲業的爐灶和各單位的茶爐、大灶，凡是燃煤的均被要求逐步改用清潔燃料，并不準再建新的燃煤設施. 燃煤鍋爐多數改造為天然氣，少數采用改電、改燃油、并入市政熱力管網等方式. 對于順義、平谷等10個郊區縣，北京市于2006—2009年實施了集中供熱工程，主要是新建裝機容量較大、燃燒效率較高和后處理設施完善的大型鍋爐，拆除分散型燃煤鍋爐. 如在2007年通州區運河以西實施的供熱中心工程，新建9臺58 MW、5臺46 MW和1臺29 MW(共781 MW)燃煤鍋爐，拆除區域內303臺(共計 1 216 MW)小型燃煤鍋爐. 北京市10個郊區縣集中供熱中心現狀及拆除鍋爐情況見表1. 為評估燃煤鍋爐改造的減排效益，設置了無煤改氣情景和實際情景，無煤改氣情景是指已經完成天然氣替代改造的鍋爐繼續以煤為能源，實際情景是指鍋爐的實際排放狀況，即實施了“煤改氣”. 此外，對部分區縣郊區集中供熱工程的減排效益進行了評估.

表1 2006—2009年北京市郊區縣集中供熱工程實施情況

Table 1 Centralized heating projects in Beijing suburban districtscounties, 2006- 2009

表1 2006—2009年北京市郊區縣集中供熱工程實施情況

年份改造地區拆除鍋爐數∕臺新建鍋爐數∕臺2006順義、懷柔、密云110322007平谷、密云、房山、昌平、通州640532008順義、懷柔、延慶、大興249202009順義、房山、門頭溝21225

自1998年起，北京市開始針對核心區基礎設施比較落后、道路狹窄的平房區進行居民采暖改造. 由于這些平房區不具備集中采暖或天然氣采暖管線建設條件，最終確定主要以電采暖方式進行燃煤替代. 為評估城區平房區居民采暖改造的減排效益，設置了無煤改電情景和實際情景，無煤改電情景是指已經完成采暖改造的平房繼續以煤采暖，實際情景是指民用部門的實際排放狀況，即實施了“煤改電”.

1.2 數據來源

各部門的污染物排放量基于排放因子法計算：

E=A×EF×(1-η)

式中：E為污染物排放量，t；A為排放源的活動水平，即能源消費量，t；EF為污染物排放系數，g/kg；η為污染控制措施對污染物的去除效率，%.

所需參數主要來自MEIC模型，MEIC模型是基于動態清單技術和統一數據來源建立的中國排放清單模型，各主要排放源排放因子基于國內大量實測結果的調研選取[28- 29]. 對于電廠，活動水平、排放因子等參數數據來自MEIC模型，去除效率參數采用北京市環境保護局調研數據，對MEIC模型進行本地化處理；對于燃煤鍋爐、城區平房區居民采暖，活動水平、排放因子、去除效率等參數來自MEIC模型，改造完成情況來自北京市十六階段大氣污染治理措施實施情況統計資料[30]. 污染物減排量評估的不確定性主要來自活動水平、去除效率的不確定性，電廠的去除效率取決于末端控制設施的投運率，而末端控制設施的歷年投運率基于線性推測，燃煤鍋爐、居民采暖改造減少的煤炭消費量基于鍋爐、居民采暖燃煤的平均水平.

2 結果與分析

1998—2013年，北京市電廠能源清潔化與末端治理、燃煤鍋爐改造和城區平房區居民采暖改造等能源結構調整措施累計減少的PM2.5、PM10、SO2、NOx排放量為27.14×104、43.19×104、168.99×104和87.13×104t.

2.1 電廠能源清潔化與末端治理

北京市電力部門年煤炭消費總量從高峰時期的900×104t削減到2013年的644×104t；用于發電的天然氣消費量則攀升到2013年的18.5×108m3[31]，天然氣可替代365×104t煤. 2013年，天然氣消費已占電力部門一次化石能源消費總量的35%. 在無控情景和末端控制情景中，2013年電廠煤炭消費量比實際情景增加了365×104t. 除了能源結構調整，北京還對燃煤電廠同步采取了嚴格的末端治理措施，包括除塵升級改造、煙氣脫硫工程的實施和煙氣脫硝治理. 從1998年起，北京市各大電廠陸續開始除塵升級改造，主要采用靜電除塵器、布袋除塵工藝、電除塵器、電袋復合式除塵器等多種除塵技術；電廠的煙氣脫硫治理是從2000年開始進行的，均采用了石灰石/石膏濕法脫硫技術(FGD)；而電廠的煙氣脫硝治理是最晚開展的，2007年開始進行了脫硝設施的建設，采用了SNCR+SCR聯合脫硝工藝、SCR脫硝工藝.

圖1 1998—2013年北京市電廠主要大氣污染物減排效益Fig.1 Emission reduction benefits of major air pollutants on power plants in Beijing, 1998- 2013

盡管電力需求持續增長，但由于電廠實施嚴格的末端治理和“煤改氣”措施，1998—2013年，北京市電廠PM2.5和PM10排放總量持續下降，而SO2和NOx排放量出現先升后降趨勢(見圖1). 與1998年相比，2013年北京市電廠PM2.5、PM10、SO2和NOx排放量分別下降了1.45×104、2.37×104、4.50×104和3.09×104t，削減比例分別為86%、87%、85%和64%. 1998—2013年，末端治理+煤改氣措施PM2.5、PM10、SO2、NOx的排放量分別累計減少14.77×104、23.97×104、39.11×104和30.49×104t，其中末端控制措施累計減少PM2.5、PM10、SO2、NOx的排放量分別為14.03×104、22.85×104、36.03×104和26.38×104t，“煤改氣”措施累計減少PM2.5、PM10、SO2、NOx的排放量分別為0.75×104、1.12×104、3.07×104和4.11×104t. 由于針對PM2.5和SO2的排放控制歷史相對NOx較長，因此PM2.5和SO2控制效益也相對更加突出. 包括電除塵/布袋除塵、石灰石濕法脫硫和選擇性催化還原等末端治理設施的投運，對電廠污染物的減排發揮了關鍵作用.

在2013年，末端治理+煤改氣措施共減少PM2.5、PM10、SO2、NOx排放量為1.28×104、2.10×104、5.13×104和4.98×104t，分別削減了85%、86%、87%、74%；其中末端控制措施減少PM2.5、

PM10、SO2、NOx的排放量分別為1.15×104、1.91×104、4.67×104和4.49×104t，占削減總量的90%、91%、91%、90%. 電廠“煤改氣”對進一步削減污染物起著不可忽視的作用. 在2013年，“煤改氣”措施減少PM2.5、PM10、SO2、NOx的排放量分別為0.13×104、0.19×104、0.45×104和0.49×104t，占當年末端控制情景排放的36%、36%、36%和22%.

2.2 燃煤鍋爐改造

1998—2013年北京市共改造燃煤鍋爐 17 149 臺，總計 53 746 蒸噸(燃煤鍋爐功率單位，1蒸噸=0.7 MW). 北京市城六區的燃煤鍋爐改造主要分三個階段分區域、分重點推進，各階段燃煤鍋爐改造的完成情況如表2所示. 1998—2002年為第一階段，主要改造核心區1蒸噸以下小鍋爐及茶爐大灶；2003—2008年為第二階段，主要改造核心區20蒸噸以下燃煤鍋爐；2009—2013年為第三階段，主要改造城六區20蒸噸及以上燃煤鍋爐.

表2 北京市三個階段的燃煤鍋爐改造的實施情況

注：1)核心區指現東城區與西城區；2)城六區包括朝陽、海淀、豐臺、石景山、東城和西城.

如圖2所示，與1998年相比，2013年北京市燃煤鍋爐PM2.5、PM10、SO2和NOx排放量分別下降了0.45×104、1.02×104、2.07×104和0.98×104t，削減比例分別為66%、76%、46%和45%. 16 a間，燃煤鍋爐“煤改氣”措施共減少PM2.5、PM10、SO2和NOx排放量12.09×104、30.92×104、128.96×104、56.27×104t.

圖2 1998—2013年北京市燃煤鍋爐改造主要大氣污染物減排效益Fig.2 Emission reduction benefits of major air pollutants on the renovation of coal-fired boilers in Beijing, 1998- 2013

在2013年，北京市燃煤鍋爐“煤改氣”措施減少PM2.5、PM10、SO2、NOx排放量分別為1.09×104、2.68×104、11.64×104和5.81×104t，占無煤改氣情景的83%、89%、83%、83%. 其中各階段燃煤鍋爐改造污染物減排量貢獻如圖3所示，第一階段減少PM2.5、PM10、SO2、NOx排放量為0.51×104、1.34×104、4.42×104和2.38×104t，分別占2013年燃煤鍋爐減排量的47%、50%、38%、41%；第二階段減少PM2.5、PM10、SO2、NOx排放量為0.44×104、1.04×104、5.47×104和2.38×104t，分別占40%、39%、47%、41%；第三階段減少PM2.5、PM10、SO2、NOx排放量為0.14×104、0.29×104、1.75×104和1.05×104t，分別占13%、11%、15%、17%. 與電廠的大氣污染物排放治理工作相比，燃煤鍋爐的能源結構調整所取得的PM2.5和PM10減排效益與電廠控制措施取得的效益相當，而SO2和NOx的減排效益則更高. 主要是由于燃煤鍋爐的末端控制去除效率低，燃煤時排放的污染物多，因此燃煤鍋爐改造的減排效益較為顯著.

圖3 北京市燃煤鍋爐改造各階段的污染物減排貢獻Fig.3 Emission reduction contribution of all phases on the renovation of coal-fired boilers in Beijing

2006—2010年，北京市郊區縣建設的集中供熱中心也對污染物減排起到了重要作用. 然而，由于北京城市規模不斷擴大，特別是在五環外新建了不少大型住宅小區，導致部分區縣(如昌平)用煤需求持續上升，改造后集中供熱中心容量遠高于改造前的分散式燃煤鍋爐總和，導致這些區縣SO2和NOx排放削減效益不明顯，因此該研究僅對順義區的集中供熱工程的減排效益進行了評估. 2006—2010年順義區共拆除分散式燃煤小鍋爐約1 950蒸噸，新建集中供熱中心燃煤鍋爐近1 600蒸噸. 上述改造共減少PM2.5、PM10、SO2和NOx排放量分別為18、88、925和895 t.

2.3 平房區居民采暖改造

按照鍋爐改造劃分階段，將北京市城區老舊平房區采暖改造分為三個階段. 1998—2002年為第一階段，在核心區試點改造老舊平房256戶；2003—2008年為第二階段，主要改造核心區部分街道老舊平房9.35×104戶；2009—2013年為第三階段，改造核心區老舊平房15×104戶. 其中核心區是指現東城區與西城區，包括原崇文區和宣武區. 三個階段共改造老舊住宅超過24×104戶.

與1998年相比，2013年北京市城鎮民用部門PM2.5、PM10排放量分別下降了0.47×104、0.66×104t(見圖4)，削減比例均為44%；而SO2、NOx則分別上升了0.23×104和0.30×104t，增加比例分別為12%和50%，這主要是由于民用爐型的變化，導致PM2.5、PM10的排放因子大幅下降，對SO2、NOx的改善效果不明顯. 16 a間，居民采暖“煤改電”措施累計減少PM2.5、PM10、SO2和NOx排放量分別為0.28×104、0.39×104、0.92×104、0.37×104t.

圖4 1998—2013年北京市城區老舊平房區居民采暖改造主要大氣污染物減排效益評估Fig.4 Emission reduction benefits of major air pollutants from residential heating renovation in Beijing′s conventional old house areas, 1998- 2013

在2013年，北京市城區老舊平房區的居民采暖“煤改電”措施減少PM2.5、PM10、SO2和NOx排放量分別為630、870、2 070 和790 t，均占無煤改電情景的8%. 居民采暖改造實質性的工作主要集中于2003—2008年和2009—2013年兩個階段，各階段減排貢獻如圖5所示. 2003—2008年減少PM2.5、PM10、SO2、NOx排放量為261、361、892和292 t，分別占2013年居民采暖改造減排量的42%、41%、43%、37%；2009—2013年減少PM2.5、PM10、SO2、NOx排放量為364、509、1176和495 t，分別占58%、59%、57%、63%.

圖5 北京市城區老舊平房區居民采暖“煤改電”各階段污染物減排貢獻Fig.5 Emission reduction contribution of all phases from residential heating renovation by replacing coal with electricity in Beijing′s conventional old house areas, from 1998 to 2013

與電廠污染排放治理和燃煤鍋爐改造相比，城區老舊平房區居民采暖“煤改電”的效益相對較小. 但是，由于老舊平房區建筑密集、居民眾多，“煤改電”工作能夠顯著改善老舊平房區在采暖季的小區空氣質量，降低室內污染物的暴露水平，提高了老舊平房區的居住水平和安全水平. 因此，城區老舊平房區居民采暖改造這一項能源結構調整措施所帶來的環境與健康效益是不容忽視的.

3 結論

a) 2013年，北京市電廠能源清潔化與末端治理減少PM2.5、PM10、SO2、NOx的排放量分別為1.28×104、2.10×104、5.13×104和4.98×104t，削減了85%、86%、87%、74%. 北京市燃煤鍋爐“煤改氣”減少PM2.5、PM10、SO2、NOx排放量為1.09×104、2.68×104、11.64×104和5.81×104t，分別占無煤改氣情景的83%、89%、83%、83%. 北京市老舊平房區的居民采暖“煤改電”減少PM2.5、PM10、SO2和NOx排放量為630、870、2 070和790 t，均占無煤改電情景的8%.

b) 16 a間，北京市電廠能源清潔化與末端治理累計減少PM2.5、PM10、SO2、NOx的排放量分別為14.77×104、23.97×104、39.11×104和30.49×104t，燃煤鍋爐“煤改氣”累計減少PM2.5、PM10、SO2和NOx排放量分別為12.09×104、30.92×104、128.96×104、56.27×104t，北京市老舊平房區的居民采暖“煤改電” 減少PM2.5、PM10、SO2和NOx排放量分別為0.28×104、0.39×104、0.92×104、0.37×104t.

c) 北京市電廠能源清潔化與末端治理、燃煤鍋爐改造和城區老舊平房區居民采暖改造等措施均能有效減少污染物排放. 燃煤鍋爐“煤改氣”措施所取得的PM2.5和PM10減排效益與電廠控制措施取得的效益相當，而SO2和NOx的減排效益則更高，主要是由于燃煤鍋爐的末端控制去除效率低，燃煤時排放的污染物多，因此燃煤鍋爐改造的減排效益較為顯著. 與電廠污染排放治理和燃煤鍋爐改造相比，城區老舊平房區居民采暖“煤改電”的效益相對較小. 但老舊平房“煤改電”能夠顯著改善老舊平房區在采暖季的小區空氣質量，降低室內污染物的暴露水平，因此，城區老舊平房區居民采暖改造這一項能源結構調整措施所帶來的減排效益不容忽視.

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Assessment of the Benefits of Emission Reductions from Coal-Fired Source Emission Control Measures in Beijing

ZONG Ya′nan1, ZHANG Qiang2, HONG Chaopeng2, HE Kebin1*

1.School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China 2.Department of Earth System Science, Tsinghua University, Beijing 100084, China

X51

1001- 6929(2017)10- 1645- 08

A

10.13198/j.issn.1001- 6929.2017.02.67

2017-03-31

2017-05-15

國家自然科學基金項目(21521064)

宗亞楠(1990-)，女，河北張家口人，zongyn14@mails.tsinghua.edu.cn.

*責任作者，賀克斌(1962-)，男，四川成都人，教授，博士，博導，主要從事大氣污染與控制研究，hekb@tsinghua.edu.cn

宗亞楠,張強,洪朝鵬,等.北京市燃煤源排放控制措施的污染物減排效益評估[J].環境科學研究,2017,30(10):1645- 1652.

ZONG Ya′nan,ZHANG Qiang,HONG Chaopeng,etal.Assessment of the benefits of emission reductions from coal-fired source emission control measures in Beijing[J].Research of Environmental Sciences,2017,30(10):1645- 1652.