天津市民用散煤燃燒大氣污染物排放清單*

陳傳敏 劉春雨 劉松濤 張茹婷 周衛青

(1.華北電力大學環境科學與工程系,河北 保定 071000;2.國網冀北電力有限公司電力科學研究院,華北電力科學研究院有限責任公司,北京 100045)

近年來天津市生活能源消費量逐年上升,人均生活能源消費量由2015年的707 kg標準煤上升至2020年的892 kg標準煤。隨著城市化進程的不斷推進,集中供暖覆蓋了絕大部分城鎮地區,但民用散煤在農村地區仍占據著重要地位。散煤燃燒產生的細顆粒物(PM2.5)作為京津冀地區大氣首要污染物,是霧霾天氣頻發的主要原因[1]。

為了研究民用散煤燃燒對大氣環境的影響,劉洋等[2]計算了2016年長春市6個城區內民用散煤燃燒產生的CO、SO2、氮氧化物(NOx)、PM2.5、可吸入顆粒物(PM10)、揮發性有機物(VOCs)的排放量,編制了民用散煤燃燒大氣污染物排放清單,并分析了大氣污染物排放的時空分布特征。目前大部分民用散煤排放清單都是針對省級地區來展開,針對單個城市具體分析的排放清單鮮有報道。郝國朝[3]通過實驗與調研確定了各污染物的排放因子,建立了陜西省各地級市的民用燃煤大氣污染物排放清單。李朋等[4]1489建立了基于反向傳播(BP)神經網絡的民用散煤燃用量估算模型,得到了京津冀地區“以電代煤”替代民用散煤大氣污染物排放清單。

本研究以天津市16個區為研究區域,通過文獻調研等方式,結合相關統計數據,采用自下而上的清單編制方法,對該市民用燃煤大氣污染物排放量進行計算,建立2019、2020年天津市民用散煤燃燒大氣污染物排放清單。研究了天津市各地區污染物排放貢獻程度,分析了造成污染物排放差異的主要因素,并采用蒙特卡洛法對排放清單進行不確定性分析。

1 數據來源

1.1 研究區域

研究區域為天津市,包含和平區、河東區、河西區、南開區、河北區、紅橋區、東麗區、西青區、津南區、北辰區、武清區、寶坻區、濱海新區、寧河區、靜海區、薊州區16個區。天津市位于中緯度亞歐大陸東岸,屬暖溫帶半濕潤季風性氣候,主要特征是季風顯著,四季分明,降水集中,雨熱同季[5]。天津市近3年氣象資料顯示該地區年氣溫變化規律大體一致。年平均氣溫約13.6 ℃,1月氣溫最低,月平均氣溫約-2.3 ℃。天津市集中供暖的時間一般在11月1日到次年的3月31日。

1.2 散煤年燃煤量

天津市各區民用散煤年燃煤量(以標準煤計,下同)由人均年燃煤量與鄉村常住人口總數等計算得到。2018年人均年燃煤量參考李朋等[4]1492估算出的京津冀地區人均年燃煤量,鄉村常住人口總數、家庭平均戶規模通過查閱天津市2020、2021年統計年鑒獲取。

天津市農村清潔散煤替代政策由核心區(市內六區,即和平區、河東區、河西區、南開區、河北區、紅橋區)向外圍分批次執行,各區散煤替代政策實施的進度不同導致了各區2019、2020年不同的人均年燃煤量。

2018年底,在供熱補建、煤改氣、煤改電、補貼騰遷等措施執行下,寶坻區散煤替代戶數為9.9萬戶,薊州區為4 578戶,寧河區為2 000戶,濱海新區為9 183戶。2019年散煤替代情況：薊州區8.4萬戶,寧河區9 888戶,靜海區9.5萬戶,北辰區2.3萬戶。2018年完成散煤替代措施的區仍然需要燃燒散煤來完成取暖期的過渡,環保價值在2019年中體現,2019年完成散煤替代措施的區以此類推。2019年與2020年天津市家庭平均戶規模均為2.72人/戶。各區人均年燃煤量計算方法見式(1)。2019、2020年的人均年燃煤量見表1。

人均年燃煤量=前一年各區人均年燃煤量×(鄉村常住人口總數-散煤替代戶數×2.72)/鄉村常住人口總數

(1)

市內六區城鎮化率高,集中供暖覆蓋范圍廣,民用散煤燃燒活動水平基本為零。2019年,除市內六區外年燃煤量分布在4.24萬～92.14萬t,2020年分布在4.23萬～56.09萬t(見表2)。

1.3 民用散煤燃燒污染物排放量估算

根據《民用散煤大氣污染物排放清單編制技術指南》,采用排放因子法進行民用散煤燃燒污染物排放量估算。

1.4 排放因子選取

表1 各區人均年燃煤量Table 1 Annual coal consumption per capita by district t

表2 天津市民用散煤燃燒活動水平Table 2 Combustion activity level of residential coal in Tianjin

民用散煤燃燒排放因子[6-7]的獲取方法包括實驗實測法和文獻調研法。本研究采取文獻調研法,取參考文獻中各污染物排放因子的均值作為本研究基礎數據,相關文獻排放因子如表3所示。對比已有的文獻資料,不同煤質、不同燃燒方式會導致各污染物排放因子產生顯著差異。原煤燃燒產生的各污染物排放因子中,PM2.5是型煤的5～10倍,CO是型煤的2～3倍,SO2、NOx是型煤的1～2倍。本研究采用的污染物排放因子及各煤型使用占比如表4所示。

1.5 排放清單不確定性分析方法

研究排放清單不確定性常用解析法(如泰勒展開式)以及蒙特卡洛法[15]。本清單的不確定性來源主要有兩點：一是統計年鑒中的數據與實際情況可能存在一定的差異;二是排放因子的選取來自文獻,相比實測數據可靠性和準確性有一定欠缺。在95%的置信區間下,隨機抽樣誤差計算方式見式(2)和式(3)。

相對負的隨機抽樣誤差=(5%分位數值-平均值)/平均值

(2)

相對正的隨機抽樣誤差=(95%分位數值-平均值)/平均值

(3)

2 結果與討論

2.1 天津市民用散煤燃燒大氣污染物排放清單

天津市民用散煤燃燒大氣污染物排放清單見表5。天津市民用散煤燃燒產生的PM2.5、CO、SO2、NOx排放量在2019年分別為4 246.52、160 015.02、3 800.28、3 466.22 t,在2020年分別為3 236.19、121 944.33、2 896.12、2 641.54 t。相比2019年,2020年燃煤量減少約61萬t,PM2.5、CO、SO2、NOx排放量分別減少1 010.33、38 070.69、904.16、824.68 t。

市內六區經濟發達,集中供暖措施完善,沒有民用散煤的使用,污染物排放基本為零。2020年天津市中心城區(東麗區、西青區、津南區、北辰區)的污染物排放貢獻率為15.59%,比2019年的14.75%增加0.84百分點。主要是因為薊州區、靜海區等采取了大規模的散煤替代措施,人均年燃煤量下降。相對于另外3個中心城區,北辰區的鄉村常住人口占比較大,污染物排放貢獻率為8.08%。排污最嚴重的是薊州區,2020年年燃煤量為56.09萬t,污染物排放貢獻率為28.59%,如表6所示。造成這種情況的主要原因可能是薊州區相比其他各區而言發展較慢,農村用戶較多;另一方面,薊州區地處天津市最北端,年平均氣溫最低(見圖1);這兩方面的原因導致了薊州區農村居民冬季取暖對民用散煤的需求量更大。總體而言,除市內六區以外,2020年天津市各區污染物排放貢獻率表現為：薊州區>寶坻區>武清區>靜海區>北辰區>濱海新區>寧河區>東麗區>津南區>西青區。

表3 相關文獻排放因子Table 3 Emission factors in related literatures

表4 本研究排放因子Table 4 Emission factors in this study

表5 天津市民用散煤燃燒大氣污染物排放清單Table 5 Emission inventory of air pollutants from residential coal combustion in Tianjin

表6 各區民用散煤燃燒大氣污染物排放貢獻率Table 6 Contribution rate of air pollutants emission from residential coal combustion in each district

2.2 空間分布特征

民用散煤燃燒各種污染物排放的空間分布無明顯差異,以2019、2020年CO各區排放分布為例進行分析,如圖2所示,相比2019年,2020年東麗區、北辰區、寧河區、靜海區、薊州區的CO排放量下降,其他區無明顯變化。污染物的排放主要集中在北部的薊州區、寶坻區和武清區,西南的靜海區。該結果與文獻[16]對2016年天津市生活散煤燃燒污染物排放特征分析中的結論一致,相比于該文獻中2016年散煤的使用量,本研究中2020年散煤使用量減少了43.81萬t。各種污染物排放量都有所下降,PM2.5減少了1.33萬t,CO減少了14.87萬t。這主要與天津市散煤替代措施的執行和民用散煤煤種使用標準日益嚴格有關,相比于2016年的26%型煤使用,2020年型煤使用比例提高到了將近60%。文獻[14]研究發現使用型煤代替其他煤種是減少散煤污染的重要途徑,型煤的推廣可實現以燃煤為取暖燃料地區的各類主要污染物的減排。

圖1 各區年平均氣溫Fig.1 Annual average temperature in each district

2.3 不確定性分析

本研究選用蒙特卡洛法對排放清單進行不確定性分析。蒙特卡洛不確定性分析的第一步是確定每個輸入參數的概率密度分布函數,常用的概率分布類型包括正態分布、均勻分布、對數正態分布、三角分布、伽馬分布、貝塔分布、韋伯分布等[17]。將年燃煤量和型煤、原煤使用比例作為輸入參數,概率分布類型選擇正態分布[18];排放因子作為輸入參數,選擇三角分布函數[19]。在95%的置信區間下,天津市民用散煤燃燒各污染物排放量不確定性分析結果見表7,2019年PM2.5、CO、SO2、NOx不確定性分別為-71.82%～78.19%、-51.19%～62.24%、-51.87%～66.74%、-54.43%～69.14%,2020年分別為-66.94%～78.83%、-51.79%～55.52%、-48.13%～69.89%、-55.01%～74.51%。

圖2 各區CO排放分布Fig.2 Distribution of CO emission in each district

表7 排放清單不確定性分析結果Table 7 Uncertainty analysis results of emission inventory %

3 結 語

(1) 天津市2019年PM2.5、CO、SO2、NOx排放量分別為4 246.52、160 015.02、3 800.28、3 466.22 t。2020年民用散煤燃燒量相比2019年減少約61萬t,PM2.5、CO、SO2、NOx分別減排1 010.33、38 070.69、904.16、824.68 t。散煤替代政策的執行和型煤占比的提高有效減少了污染物排放。

(2) 除市內六區以外,2020年天津市各區污染物排放貢獻率表現為：薊州區>寶坻區>武清區>靜海區>北辰區>濱海新區>寧河區>東麗區>津南區>西青區。其中,污染物排放貢獻最大的區為薊州區。各區顯示出明顯的污染物排放空間差異,未來應推進清潔能源的使用,加快清潔能源政策的推廣,以減少民用散煤燃燒的污染物排放。

(3) 2019年天津市民用散煤燃燒PM2.5、CO、SO2、NOx排放量不確定性分別為-71.82%～78.19%、-51.19%～62.24%、-51.87%～66.74%、-54.43%～69.14%,2020年分別為-66.94%～78.83%、-51.79%～55.52%、-48.13%～69.89%、-55.01%～74.51%。