中國平板玻璃行業大氣污染物排放特征研究

鐘悅之,宋曉暉,王彥超,呂紅迪,蔣春來,雷 宇

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中國平板玻璃行業大氣污染物排放特征研究

鐘悅之,宋曉暉,王彥超,呂紅迪,蔣春來*,雷 宇

(環境保護部環境規劃院,北京 100012)

基于中國2013~2015年27個省(區、市)平板玻璃企業的逐生產線基礎信息、活動水平及污染物控制技術等數據,建立了平板玻璃主要大氣污染物SO2、NO排放量計算方法和排放清單,使用蒙特卡洛法進行了不確定性分析.統計了平板玻璃產量、燃料使用量、燃料結構以及污染物控制技術,分析了排放特征與空間差異.結果表明:中國平板玻璃行業以天然氣/煤氣為主要燃料,平均單位產品能源消耗量為13.2kg標煤/重量箱,山西、內蒙古等省份較高;37%和42%的生產線分別安裝了脫硫、脫硝設施,技術以煙氣循環流化床、雙堿法、SCR為主;SO2排放量先升后降,2014年達到16.84萬t,2015年下降至13.67萬t,湖北、浙江、河北、廣東排放量較大;NO排放量持續下降,從2013年的37.47萬t下降至2015年的28.38萬t,河北、湖北、山東、廣東排放量較大;SO2排放強度西南部地區高于其他地區,且有上升趨勢,其他地區SO2排放強度整體下降;NO排放強度中西部地區較高.應加強高能耗、高排放以及高強度地區的污染控制力度.

平板玻璃；SO2；NO；排放特征；排放清單；中國

當前,以PM2.5為特征的大氣復合型污染日益嚴重,主要大氣污染物排放負荷巨大.SO2、NO是PM2.5形成的重要前體物.中國是世界上最大的玻璃生產國和消費國.2016年,中國平板玻璃產量7.74億重量箱,平板玻璃產量占世界總產量約60%[1].玻璃熔窯的主要燃料有石油焦、煤焦油、重油、天然氣、煤炭(通過煤氣發生爐間接使用),主要原料有芒硝、硅砂、白云石、石灰石、純堿、長石等.燃料燃燒和部分原料融化產生的污染物種類多,總量大,熔窯、錫槽、退火窯等產污節點多,是主要工業行業中污染物排放量較大的行業之一.目前平板玻璃行業大氣污染物排放和治理相關研究多是基于具體污染防治工藝,如徐俊等[1]對比了煙氣除塵、脫硫與脫硝的主流技術,探討了平板玻璃行業深度減排技術;孫海鵬等[3]研究了平板玻璃行業典型煙氣治理技術路線.少量文獻使用各種方法估算了污染物排放量,如茆令文等[4]根據平板玻璃產量估算了平板玻璃污染物排放量;陳文娟等[5]計算了2002年平板玻璃綜合排污系數;姚猛等[6]根據陳文娟的排污系數結合產量預測值,并假設污染物排放量每年同比減排3%預測了高低速發展情境下平板玻璃的排放量.這些研究缺乏基于生產線的污染物排放研究,未考慮污染物處理設施的去除效率,因此有必要建立逐生產線的精準污染物排放清單,為中國平板玻璃行業大氣污染物排放控制提供決策依據.

1 方法與數據

1.1 計算方法

本研究以2013年為基準年,基于中國2013~ 2015年大陸地區27個省市(北京、上海、寧夏、西藏無平板玻璃生產線或無數據)平板玻璃生產線的基本信息、工藝類型、活動水平、控制水平等數據,并結合現場調研,逐臺機組測算SO2、NO排放量,建立各省平板玻璃行業排放數據庫.排放量計算方法與“十二五”總量核查[7]保持一致(2014年原環境保護部污染物排放總量控制司將平板玻璃行業從“其他行業”中提取出來單獨核算).

SO2使用物料衡算法,測算公式為:

Ei

= (

Mi

′

Si

′

a

+

Mi

￠

′

10

-4

′

a

￠

′

b

)

′

(1-

hi

)

′

10

4

(1)

NO使用產排污系數法,測算公式為:

Ei

=

Pi

′

pf

i

′

10

′

(1-

hi

) (2)

式中:E為第條生產線的NO年排放量,t/a;P為第條生產線平板玻璃產量,萬重量箱;pf為產污系數, kg/重量箱;為綜合脫硝效率(煙氣收集率、設備運行率和設備脫硝效率的乘積).

其中:

pf

i

=

Q

′

24

′

C

?

P

′

10

-10

(3)

式中:為標態干煙氣量,Nm3/h;為NO平均產生濃度,mg/Nm3;為平板玻璃產量,萬重量箱.

1.2 數據獲取

平板玻璃行業污染物排放量測算需要獲取2013~2015年每條生產線的產品產量、燃料和原料類型、燃料原料消耗量、燃料硫分、污染治理技術及去除效率等.活動水平數據由玻璃企業填報,結合總量核查臺賬數據進行校核.綜合脫硫、脫硝效率、NO產污系數根據核查規則和日常調研選取和修正.其中,當年投運的脫硫脫硝設施效率按照投運時間或投運前后燃原料使用量分段計算,第四季度投運的,由于當年基本未起到污染物去除效果,不計效率.

NO產污系數獲取:

根據調研獲取的企業生產臺賬,主流規模500t/d平板玻璃生產線平板玻璃產量約為9500重量箱/d,煙氣量約為80000Nm3/h.按玻璃成品率95%,1t玻璃液生產20重量箱玻璃計算,成品平板玻璃約為: 500t/d×95%×20=9500重量箱/d.玻璃企業在線監測數據顯示,若燃料為煤氣,NO產生濃度一般在2000~2500mg/Nm3之間;若燃料為天然氣,NO產生濃度一般在2500mg/Nm3左右.以2000mg/Nm3為例,根據式(3)得到NO產污系數為0.4kg/重量箱.其他NO產污系數見表1.具體計算中,根據在線監測脫硝設施進口濃度進行折算,如進口NO濃度為2700mg/Nm3,則取產污系數0.54kg/重量箱-玻璃;如無在線監測數據,則取2000mg/Nm3對應的產污系數進行測算.

表1 平板玻璃NOx產污系數

2 結果與討論

2.1 平板玻璃產量、燃料、原料消耗量的空間差異

2013~2015年全國平板玻璃產量分別為8.56億、8.91億、8.37億重量箱,受統計口徑差異等影響,平板玻璃產量與中國統計年鑒相比高6%~10%.河北、湖北、廣東、山東平板玻璃產量超6000萬重量箱.與2013年相比,內蒙古、貴州、陜西產量增長較快(圖1).

平板玻璃行業燃料使用種類較多,將其折算為標準煤(煤氣發生爐按其使用的原煤折標系數折算,折標系數見[1]附錄A).2013~2015年,受產量波動影響,全國平板玻璃行業燃料消費量先升后降,2015年較2013年下降6.6%,較2014年下降9.8%.河北省平板玻璃行業能源消耗量大幅領先于其他省份,2015年達到235.9萬t標煤,雖然逐年下降,但仍大于山東、湖北能源消耗量之和.除河北、山東、湖北外,2015年能源消耗量大于40萬t標煤的還有廣東、浙江、江蘇、福建、四川、安徽、山西等省份(圖2).

圖1 2013~2015年中國各省(區、市)平板玻璃產量

圖2 2013~2015年中國各省平板玻璃行業能源消耗量

2015年全國平板玻璃燃料以天然氣/煤氣為主(不含煤氣發生爐煤氣,下同),占到能源消耗總量的48%,煤炭(煤氣發生爐耗煤量,下同)、石油焦、重油/燃料油使用量總體相當,占到能源消耗量的17%~19%.四川、天津、黑龍江、海南、青海、甘肅平板玻璃企業全部使用天然氣/煤氣作為燃料,河南、安徽、重慶、湖南、內蒙古、吉林、山東、江蘇使用天然氣/煤氣占比過半;新疆、河北、陜西、遼寧等省份以煤炭為主要燃料;廣西、貴州、湖北、浙江、湖南、云南以石油焦為主要燃料;福建以重油/燃料油為主要燃料(圖3).

除燃料外,平板玻璃行業污染物排放還與主要原料芒硝的使用量有關.2015年芒硝使用量超過1萬噸的省份有河北、山東、廣東、浙江、湖北、福建、江蘇、四川、安徽.

2015年全國玻璃行業單位產品能源消耗量約為13.2kg標煤/重量箱,山西、內蒙古較高,三年均超20kg標煤/重量箱,海南、黑龍江2015年下降較快(圖2).與其他行業不同,平板玻璃行業廢玻璃可以入爐重新熔煉,除工藝水平高低外,單位產品燃料消耗量一定程度上反映管理水平差異.按照平板玻璃單位產品能源消耗限額(GB21340-2013)[1]及平板玻璃行業準入條件(現有企業12~14kg標煤/重量箱,新建企業11~12.5kg標煤/重量箱),山西、內蒙古、黑龍江、吉林等省份有大量企業能耗不符合準入條件,將面臨淘汰.

圖3 2015年中國各省平板玻璃行業能源消費結構

2.2 平板玻璃行業污染物控制技術狀況

2015年全國386條平板玻璃生產線中有37%安裝了脫硫設施,42%安裝了脫硝設施,所有生產線基本安裝了靜電或布袋除塵設施.脫硫工藝上,干法/半干法稍多于濕法脫硫,占比53%.干法/半干法脫硫使用技術較為繁雜,煙氣循環流化床法占比較大,為25%;濕法脫硫中以雙堿法為主,占比46%.脫硝工藝上,以SCR脫硝為主,占比94%;部分機組采用SNCR、天然氣全氧燃燒等前后端脫硝方式(圖4).

除產品產量、燃料原料消耗量外,污染物去除效率是數據校核的重點.以重油、煤氣為燃料的平板玻璃生產線,SO2產生濃度分別在1800mg/m3和500mg/m3左右;以天然氣為燃料的平板玻璃生產線,NO產生濃度在2500mg/m3左右.根據《平板玻璃工業大氣污染物排放標準》(GB26453-2011)[9],自2014年1月1日起,新建和現有企業玻璃熔窯SO2、NO(以NO2計)分別執行400mg/m3和700mg/m3的排放標準.2017年6月,環境保護部發布《關于征求<鋼鐵燒結、球團工業大氣污染物排放標準>等20項國家污染物排放標準修改單(征求意見稿)意見的函》(環辦大氣函﹝2017﹞924號)[10],提出《<平板玻璃工業大氣污染物排放標準>(GB26453-2011)修改單》,增加玻璃熔窯特別排放限值,將SO2、NO加嚴至100mg/m3和400mg/m3.污染物處理設施效率高低是排放能否達標的關鍵.

本研究主要根據排放標準、CEMS數據、監督性監測數據、化驗臺賬、關鍵設備用電量、理論數據以及經驗數據,按照從嚴的原則進行校核.污染物去除效率不僅考慮污染處理設施的效率,還考慮煙氣收集率和污染處理設施投運率,稱之為綜合去除效率.污染處理設施效率是污染處理設施入口出口污染物濃度的差值之比,對于SNCR、全氧燃燒等沒有入口濃度的處理工藝,使用理論煙氣產生濃度與排放濃度之比;煙氣收集率是進入到煙氣處理設施的煙氣量與產生的煙氣量之比,跟生產設施密閉程度相關;污染處理設施投運率是污染處理設施投運時間與生產設施投運時間之比,對于平板玻璃行業而言,由于玻璃熔窯無法完全停運,投運率為污染治理設施投運時間與自然時間的比值.對于當年新增的污染物處理設施,按通過168h試運行時間之后正式運行時間與生產設施運行時間的比值計算,四季度投運,當年未起到污染物去除效果的污染物處理設施暫不考慮去除效率.經校核分析,遼寧、新疆、山東、湖北平均綜合脫硫效率較高,達到70%以上;福建、重慶、安徽、山東綜合脫硝效率較高,達到60%以上.

圖4 2015年平板玻璃污染治理技術應用情況

2.3 平板玻璃行業SO2、NOx排放量及空間分布

中國平板玻璃行業SO2排放量從2013的14.44萬t增長到2014年的16.84萬t,2015年又下降至13.67萬t.2014年平板玻璃產量大幅增長, SO2等煙氣治理設施也開始大規模建設,在2015年開始發揮污染物去除效果,這是平板玻璃行業SO2排放量先升后降的主要原因.從空間分布上看,2015年湖北、浙江、河北、廣東SO2排放量較大,年排放量均在1萬t以上,四省排放總量占全國玻璃行業的58.9%;新疆、黑龍江、甘肅、青海SO2排放量較小,均在300t以下.其中,湖北、浙江平板玻璃產量和能源消耗量均小于河北,但在燃料結構上,硫分含量大的石油焦等燃料占比過大,使得SO2排放量超過河北(圖5).

圖5 2013~2015年中國各省平板玻璃SO2排放量

圖6 2013~2015年中國各省平板玻璃NOx排放量

NO排放量從2013年的37.47萬t下降到2015年的28.38萬t,下降24%.2015年河北、湖北、山東、廣東NO排放量較大,占全國玻璃行業NO排放量的比例超過51%.河北省NO排放量從2013年的近9萬t下降到2015年的不到5萬t,降幅達46%.除玻璃產量和能源消耗量持續下降外,2014年安裝脫硝設施的生產線占比達到80%也是主要原因(圖6).

2.4 平板玻璃行業SO2排放強度空間分布

圖7 2013~2015中國各省平板玻璃SO2排放強度

將排放強度定義為單位產品污染物排放量. SO2排放強度空間分布上,西南部地區整體高于其他地區,且有上升趨勢,其他地區整體呈逐年下降趨勢.廣西、云南、貴州、湖北等省份SO2排放強度較高,2015年均超過400g/重量箱.其他地區中,浙江、吉林、遼寧、湖南排放強度較高,浙江一直維持在300~400g/重量箱的高位,遼寧、湖南SO2排放強度下降較快,分別從2013年的200g/重量箱左右下降到43g/重量箱、100g/重量箱左右(圖7).

SO2排放強度高低與燃料含硫量及綜合脫硫效率高低關系密切.廣西、云南、貴州脫硫設施覆蓋率不高,且運行管理水平不佳,暫不考慮脫硫效率,導致排放強度一直維持在較高水平.湖北省23條玻璃生產線中僅有4條燃用高硫石油焦的生產線綜合脫硫效率達到70%.浙江、遼寧、湖南脫硫設施覆和運營效果要好于上述省份,但其燃料結構中石油焦、重油等高硫燃料的使用比例較大.浙江2013~2015石油焦使用比例一直維持在50%左右;遼寧、湖南石油焦使用比例逐年下降,脫硫效率逐年上升,湖南從14萬t下降到6萬t,平均綜合脫硫效率從0上升為50%,遼寧從12萬t下降到不足2萬t,平均綜合脫硫效率從38%上升為74%,兩省排放強度隨之降低.吉林2013年使用了2萬t重油對當年排放強度影響較大,隨后兩年逐步改用了煤氣/天然氣.

2.5 平板玻璃行業NOx排放強度空間分布

2015年投運的脫硝設施占到了全部脫硝設施的近40%.按照總量校核規則,脫硝設施于當年四季度投運,未能起到污染物處理效果、運行管理不善導致超標頻繁、未安裝在線監測、臺賬資料不完整等的脫硝生產線均不考慮脫硝效率.因此,部分省份NO排放強度固定為400g/重量箱(表1缺省NO產污系數).

圖8 2013~2015中國各省平板玻璃NOx排放強度

總體來看,中西部地區平板玻璃行業NO排放強度較高.2015年NO排放強度較高的省份有甘肅、內蒙古、河南等省份.基本是煤氣/天然氣占比較大,消耗量較高,綜合脫硝效率較低的省份.其中,內蒙古天然氣消耗量和平板玻璃產量逐年上升,脫硝設施覆蓋率和綜合脫硝效率卻并未上升,導致排放強度逐年上升.NO排放強度較低的省份有福建、浙江、河北等省份,這些省份煤氣/天然氣使用占比較低,綜合脫硝效率相對較高.

2.6 研究的不確定性

排放清單數據的準確性及參數的選取等不可避免地給本研究帶來了部分不確定性.本研究的不確定性包括:(1)由各企業分別填寫的核查核算表,盡管經過了嚴格的核查核算審核,但在填報規范性等方面還是不可避免的存在一些人為失誤.(2)污染物產污系數主要根據平均水平取值,部分先進生產工藝或管理水平較高的企業產污系數可能低于本研究所采用的系數,反之可能高于本研究采用系數.(3)本研究所采用的脫硫脫硝效率基本采用總量核定效率,由于部分企業在減排臺賬規范性、治污設施運轉穩定性等方面不完全符合總量減排要求,綜合脫硫脫硝效率的認定可能過于嚴格.(4)部分省份生產線數量較少,在單位產品能耗、排放強度等方面的分析可能存在少量生產線影響全省平均水平的情況,出現極端低值或極端高值.

蒙特卡洛法是一種以概率統計理論進行數值計算的手段,使用符合某種分布特征的隨機數或偽隨機數來解決計算問題的理論方法.它可基于較少樣本數據通過隨機抽樣及誤差傳遞來表現整體數據的特征分布.本研究采用蒙特卡洛法對2015年中國平板玻璃清單數據進行不確定性分析.為簡化計算,建立蒙特卡洛法不確定性分析的基礎,本研究認為直接從企業獲取的活動水平數據經過臺賬佐證和審核,具有較高準確性;按總量校核規則審定和選取的綜合脫硫/脫硝效率、NO產污系數具有較高的不確定性.使用crystal ball統計數據分析插件進行數據擬合,發現綜合脫硫效率、NO產污系數符合Logistic分布特征,綜合脫硝效率符合Beta分布特征,使用經驗判斷法確定各項不確定性參數(表2).使用蒙特卡洛法分別對3個不確定輸入參數進行4000次隨機抽樣,得到輸入樣本數據集,結合活動水平數據通過式(1)、式(2)傳導到模型輸出,獲得SO2、NO排放總量的不確定性分布特征(圖9).結果顯示,SO2和NO排放總量基本符合正態分布特征,平均值分別為13.531萬t及28.423萬t,中位數分別為13.530萬t及28.467萬t,基于平均值的95%置信區間不確定性分布范圍分別為-1.7%~1.6%、-3.34%~2.02%,相對隨機誤差較小,可為平板玻璃行業大氣污染物排放量提供參考值.

表2 蒙特卡洛模型輸入參數不確定性分析

Table.2 The uncertainty analysis of input parameters for Monte Carlo model

注:綜合脫硫效率為步長,無量綱;綜合脫硝效率為值及值,最大、最小值為基值的±10%;NO產物系數為步長,單位%.

圖9 SO2、NO排放量不確定性分布蒙特卡洛模擬

Fig.9 The uncertainty analysis of SO2and NOemissions from Monte Carlo simulation

3 結論

3.1 中國平板玻璃行業以天然氣/煤氣為主要燃料,占48%;廣西、貴州、湖北、浙江、湖南、福建等以高硫石油焦、重油等為主要燃料,導致SO2排放較高;單位產品能源消耗量為13.2kg標煤/重量箱,山西、內蒙古、黑龍江、吉林等省份能耗較高,大量企業不符合能耗準入政策,將面臨淘汰.

3.2 中國平板玻璃SO2排放量先升后降,由2013年的14.44萬t上升到2014年的16.84萬t,又下降至2015的13.67萬t.NO排放量持續下降,由2013年的37.47萬t一直下降到2015年的28.38萬t.脫硫設施建設整體落后于脫硝設施是SO2、NO排放量變化不一致的主要原因.2015年,安裝了脫硝、脫硫設施的平板玻璃生產線分別占42%、37%.

3.3 中國平板玻璃大氣污染物排放地區分布不均衡.2015年湖北、浙江、河北、廣東SO2排放量較大,均在1萬t以上,排放總量占全國平板玻璃行業的58.9%;河北、湖北、山東、廣東NO排放量較大,排放總量占全國平板玻璃行業的51%.各省燃料消耗量、燃料結構、污染物控制技術水平等是影響排放量的主要因素.

3.4 SO2排放強度上,西南部地區高于其他地區,且有上升趨勢,其他地區整體下降.廣西、云南、貴州、湖北等省份SO2排放強度較高,2015年均超過400g/重量箱.其他地區中,浙江維持在較高水平.

3.5 NO排放強度上,中西部地區較高.2015年甘肅、內蒙古、河南等省份較高.福建、浙江、河北等省份較低.內蒙古NO排放強度逐年上升.

3.6 今后中國平板玻璃行業污染物防治重點,一是注重平板玻璃清潔燃料改造,從源頭上降低平板玻璃大氣污染物排放;二是加大脫硫脫硝設施覆蓋面,注重設施的運行管理,使治污設施切實發揮減排效益;三是根據能耗及排放特征,加強高能耗、高排放地區的污染控制力度,西南部地區是平板玻璃SO2排放的控制重點,中西部地區是平板玻璃NO排放的控制重點.

[1] 生態環境部.污染源源強核算技術指南平板玻璃制造(征求意見稿)編制說明[EB/OL]. 北京:生態環境部,2018. http://www.mee.gov.cn/ gkml/sthjbgw/stbgth/201806/t20180601_442259.htm

[2] 徐 俊,王東歌.玻璃熔窯煙氣深度減排技術對策研究[J]. 環境科技, 2017,30(4):42-45.

[3] 孫海鵬,李 哲,孫 凱.玻璃窯爐煙氣治理技術探析[J]. 中國環保產業, 2017,(4):33-35.

[4] 茆令文,陸少鋒.平板玻璃行業現狀及污染治理[C]. 中國硅酸鹽學會環境保護分會換屆暨學術報告會會議資料, 2014.

[5] 陳文娟,聶祚仁,王志宏.中國平板玻璃生命周期清單與特征化[J]. 中國建材科技, 2006,(3):54-58.

[6] 姚 猛,韋保仁.中國平板玻璃需求量及能源消耗和污染物排放量預測[J]. 建材發展導向, 2007,6:23-26.

[7] “十二五”主要污染物總量減排核算細則[R]. 北京:生態環境部, 2011.

[8] GB21340-2013 平板玻璃單位產品能源消耗限額[S].

[9] GB26453-2016 平板玻璃工業大氣污染物排放標準[S].

[10] 生態環境部.關于征求《鋼鐵燒結、球團工業大氣污染物排放標準》等20項國家污染物排放標準修改單(征求意見稿)意見的函[EB/OL]. 北京:生態環境部, 2018. http://www.mee.gov.cn/gkml/ hbb/bgth/201706/t20170615_416108.htm.

Emission characteristics from flat-glass industry in China.

ZHONG Yue-zhi, SONG Xiao-hui, WANG Yan-chao, LV Hong-di, JIANG Chun-lai*, LEI Yu

(Chinese Academy for Environmental Planning, Beijing 100012, China)., 2018,38(12)：4451~4459

Based on the data of the basic production-line information, activity level and pollutant control technologies of the flat-glass enterprises of 27provinces in 2013~2015, the calculation methods and emission inventories of SO2and NOemissions for the main atmospheric pollutants of the flat-glass industry are established with the analysis of the production, the energy consumption, the energy structure, pollutant control technology, the emission characteristics and spatial difference. Monte Carlo method is used for the uncertainty analysis of the inventories. The results show that Chinese flat glass industry uses natural gas/coal gas as the main energy, the average energy consumption per unit of product is 13.2kg tce/weight box, Shanxi and Inner Mongolia and other provinces are higher; 37% and 42% of the flat-glass production line is installed with denitrification facilities and desulfurization facilities, the main technologies are flue gas circulating fluidized bed, Dual-Alkali Method and SCR. SO2emissions rose first and then dropped, reached 168thousand tons in 2014, and dropped to 136thousand tons in 2015, the emission of Hubei, Zhejiang, Hebei and Guangdong were relatively large. NOemissions decreased continuously, from 374thousand tons in 2013 to 284thousand tons in 2015, the emission of Hebei, Hubei, Shandong and Guangdong were relatively large. The SO2emission intensity in the southwest region is higher than other areas, and it has a rising trend, and the SO2emission intensity in other areas decreased as a whole. The NOemission intensity in the southwest region is higher than other areas. Efforts should be made to strengthen pollutant control in areas with high energy consumption, high emission and high intensity.

flat-glass industry；SO2；NO；emission characteristics；emission inventory；China

X51,X781.5

A

1000-6923(2018)12-4451-09

鐘悅之(1985-),男,江西贛州人,助理研究員,碩士,主要從事大氣污染防治研究.發表文章10余篇.

2018-05-23

國家重點研發計劃大氣污染成因與控制技術研究專項(2016YFC0208400)

* 責任作者, 副研究員, jiangcl@caep.org.cn