北京冬季雾霾及其治理措施分析

杨建祥，杨 楠

(1.电力规划设计总院，北京 100120；2.密歇根州立大学，美国 密歇根州 48823)

北京冬季雾霾及其治理措施分析

杨建祥1，杨 楠2

(1.电力规划设计总院，北京 100120；2.密歇根州立大学，美国 密歇根州 48823)

通过对北京市2016年11－12月环境空气质量分析，得出冬季环境空气污染的主要因子为PM2.5，氮氧化物是形成PM2.5污染的主要因素。工业燃煤减排可有效减轻北京市PM2.5污染，可通过对超标排放源进行环保改造使其达标运行；对达标排放源，建议研究提高环保排放标准，以减少二氧化硫和氮氧化物排放量。

PM2.5；雾霾；治理措施。

1 北京冬季雾霾状况的分析

对于2016年11月1日0时－12月31日23时在北京朝阳区奥体中心测站的PM2.5、SO2、NOx、O3地面浓度实测值的分析结果如下：

1.1 PM2.5浓度情况

PM2.5平均值为113 µg/m3，超过了《环境空气质量标准》(GB3095－2012)的一级标准值35 µg/m3和二级标准值75 µg/m3。

PM2.5浓度的频率分布如下，低于35 µg/m3的出现几率为28.05%，位于35～75 µg/m3之间的出现几率为15.56%，大于75 µg/m3的出现几率为56.39%。

根据北京市2015年环境状况公报，北京市PM2.5浓度监测结果表明，位于北部边界的京东北和京西北区域点的PM2.5年平均浓度值为54.5 µg/m3，低于全市平均水平32.4%；位于南部边界的京西南、京东南和京南区域点的PM2.5年平均浓度值为104.7 µg/m3，高于全市平均水平29.9%。因此，北京市PM2.5浓度空间分布为高值区位于北京市南部边界，低值区位于北京市西部和北部边界，市区位于从高值区到低值区之间过渡区域。由上述浓度分布来看，PM2.5输送方向为由南向北输送。

1.2 SO2浓度平均值和频率分布

SO2浓度平均值为14.19 µg/m3，低于《环境空气质量标准》(GB3095－2012)规定的1 h平均值一级标准值150 µg/m3。

SO2浓度的频率分布如下，低于20 µg/m3的出现几率为72.28%，位于20～50 µg/m3之间的出现几率为27%，大于50 µg/m3的出现几率为0.72%。

1.3 NOx浓度平均值和频率分布

NOx浓度平均值为72.47 µg/m3，低于《环境空气质量标准》(GB3095－2012)规定的1 h平均值一级标准值200 µg/m3。

NOx浓度的频率分布如下，低于40 µg/m3的出现几率为19.21%，位于40～80 µg/m3之间的出现几率为40.21%，位于80～200 µg/m3之间的出现几率为40.36%，大于200 µg/m3的出现几率为0.22%。

1.4 O3浓度平均值和频率分布

O3浓度平均值为15.91 µg/m3，低于《环境空气质量标准》(GB3095－2012)规定的1 h平均值一级标准值160 µg/m3。

O3浓度的频率分布如下，低于50 µg/m3的出现几率为90.16%，位于50～100 µg/m3之间的出现几率为9.84%，大于100 µg/m3的出现几率为0%。

由上可见，北京市2016年11月1日－12月31日环境空气质量中SO2、NOx、O3地面浓度值均低于《环境空气质量标准》(GB3095－2012)规定的1 h平均值一级标准值，但PM2.5地面浓度值超过了《环境空气质量标准》(GB3095－2012)的一级标准值35 µg/m3和二级标准值75 µg/m3。环境空气污染的主要因子为PM2.5。

1.5 PM2.5成因分析

根据Joseph S. Scire1的研究结果，PM2.5主要包括硫酸盐和硝酸盐气溶胶。硫酸盐气溶胶由SO2转换而成。硝酸盐气溶胶由NOx转化成，它包括硝酸铵和有机硝酸盐如过氧乙酰基硝酸酯等。

北京市PM2.5浓度空间分布呈现南部地区浓度高、北部地区浓度低的特点，污染物输送方向为由南向北输送。

根据北京市环境保护局发布的2014年环境状况公报，北京市全年PM2.5来源中区域传输贡献占28%～36%，本地污染排放贡献展64%～72%。在本地污染贡献中，机动车、燃煤、工业生产、扬尘为主要来源，分别占31.1%、22.4%、18.1%、14.3%。PM2.5的主要成分为有机物、硝酸盐、硫酸盐、地壳元素、氨盐，分别占PM2.5质量浓度的26%、17%、16%、12%、11%。

经过对北京朝阳区奥体中心测站2016年11月1日0时－12月31日23时地面PM2.5浓度与NOx浓度进行相关分析，得出计算PM2.5浓度的经验公式如下：

式中：CPM2.5为地面PM2.5浓度值( µg/m3)；CNO2为地面NOx浓度值( µg/m3)。

PM2.5浓度与NOx浓度的相关系数为0.844。

这说明NOx浓度对于PM2.5浓度的增长起着主导性作用。

因此，NOx、SO2、挥发性有机化合物是形成PM2.5污染的主要因素，其中NOx起主导性作用。

2 减少PM2.5措施的分析

2.1 不同SO2和NOx入口浓度对减排成本的影响

根据史建勇2的研究结果，当机组容量为300 MW、脱硫效率为95%时，燃煤含硫量分别为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%时的吨SO2脱除成本的比较见表1。

表1 不同含硫量工况下吨SO2脱除成本

由表1可见，在烟气量和脱硫效率一定时，随着含硫量的提升，吨SO2脱除成本是下降的，即燃煤含硫量越高，单位SO2减排难度更小。随着含硫量的增加，年总运行成本增加，同时年SO2减排量也是增加的，但是年总运行成本增加的幅度小于污染物减排量增加的幅度，因此其吨SO2减排成本降低。使用含硫量为1%的燃煤要比含硫量为0.5%的燃煤的吨SO2脱除成本下降约44%，其下降幅度是很明显的。

当机组容量为300 MW、脱硝效率为80%时，NOx入口浓度分别为200 mg/m3、400 mg/m3、600 mg/m3、800 mg/m3时的吨NOx脱除成本的比较见表2。

表2 不同NOx入口浓度下吨NOx脱除成本

由表2可见，在烟气量和脱硝效率一定时，随着NOx入口浓度的提升，吨NOx脱除成本是下降的，即NOx入口浓度越高，单位污染物减排难度越小。随着NOx入口浓度的增加，年总运行成本增加，同时年NOx减排量也是增加的，但是年总运行成本增加的幅度小于NOx减排量增加的幅度，因此其吨NOx减排成本将会下降。

2.2 污染源分析

根据《中国环境年鉴2015》、《2015年北京市环境状况公报》、《2015年河北省环境状况公报》、《河北经济年鉴2015》，得到北京和河北省的SO2和NOx排放量，详见表3。

表3 北京和河北省的SO2排放量(104t/a)

由表3可见，北京市和河北省的SO2排放量主要来自于工业。

表4 北京和河北省的NOx排放量(104t/a)

由表4可见，北京市NOx排放量主要来自于机动车，其次为工业；河北省NOx排放量主要来自于工业，其次为机动车。

2014年北京市机动车NOx年排放量约为7.22×104t，按照北京市机动车保有量561万辆，每辆私人小汽车年均行驶里程1.5×104km，汽车NOx排放率为0.86 g/km。参照美国经验，未进行控制情况下汽车NOx排放率为2.55 g/km，进行控制情况下汽车NOx排放率为0.62 g/km。北京汽车NOx排放率接近进行控制情况下汽车NOx排放率，进一步减排空间较小。

因此，北京市及其周边地区减排SO2和NOx主要领域在工业。

根据《中国环境年鉴2015》、《河北经济年鉴2015》，得到2014年北京和河北省的燃煤量，详见表5。

表5 北京和河北省的燃煤量(104t/a)

根据上述几个表的数据，可以推算出2014年北京和河北2014年工业燃煤排放烟气中SO2和NOx浓度值，其中北京工业燃煤产生的NOx排放量需扣除燃天然气产生的NOx年排放量1.6×104t/a，详见表6。

表6 2014年北京和河北工业燃煤烟气中污染物排放浓度值

由表6所给出的工业燃煤烟气中污染物排放浓度值可见，与燃煤电厂执行的超低排放限值相比，工业燃煤具有减排SO2和NOx的空间。

从蔚蓝地图提供的废气源排放数据来看，北京周边地区的废气排放源分成两类，一类为达标排放废气源，另一类为超标排放废气源。下面分别就这两类污染源进行分析。

2.3 超标排放废气源

对于超标排放废气源，举2个例子进行说明。

以北京周边地区某水泥厂为例，该厂具有4000 t/d新型干法水泥生产线，日产熟料4000 t，年产水泥约167万t。该公司水泥生产线的废气处理工艺为袋式除尘器，没有脱硫和脱硝装置，导致2016年11月25日13时窑尾烟气中SO2排放浓度值约为375 mg/m3，超过了标准值200 mg/m3，NOx排放浓度值约为991 mg/m3，超过了标准400 mg/m3。

Joe Horton等人在美国4个水泥厂进行了SNCR脱硝装置示范性试验，试验结果表明在采用低氮燃烧方式和SNCR脱硝装置后NOx排放浓度低于80 mg/m3，脱硝效率达到40%。

以北京周边地区某焦化厂为例，该焦化厂具有110万t/a焦化项目，焦炉烟气尚未配备脱硫脱硝治理措施，在2017年1月11日4时，1号焦炉烟囱SO2和NOx排放浓度分别为323 mg/m3和845 mg/m3，2号焦炉烟囱SO2和NOx排放浓度分别为117 mg/m3和1112 mg/m3，超过了标准值50 mg/m3和500 mg/m3。

根据A.V. Velichko的介绍，焦炉烟气可采用SCR脱硝装置去除NOx，位于日本千叶的川崎钢厂在1987年采用SCR脱硝装置净化焦炉烟气，脱硝效率可达到80%以上。

如果能对上述两个企业加装脱硫和脱硝装置，则可有效降低SO2和NOx排放浓度、实现达标排放。

2.4 达标排放废气源

对于达标排放废气源，从不同行业排放标准角度来分析减排空间

根据《水泥工业大气污染物排放标准》(GB4915－2013)、《锅炉大气污染物排放标准》(GB13271－2001)、《炼焦化学工业污染物排放标准》(GB16171－2012)、《硝酸工业污染物排放标准》(GB26131－2010)、《硫酸工业污染物排放标准》(GB26132－2010)、《炼铁工业大气污染物排放标准》(GB28663－2012)、《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223－2011)和国家发展和改革委员会等三部委联合发布的《关于印发＜煤电节能减排升级与改造行动计划(2014－2020年)＞的通知》(发改能源［2014］2093号)，水泥制造企业、锅炉、炼焦化学工业企业、硝酸工业企业、硫酸工业企业、炼铁生产企业、火电厂执行的大气污染物排放浓度排放限值见表7。

表7 不同行业大气污染物排放浓度排放限值

由表7可见，与火电行业目前执行的超低排放限值相比，可以发现水泥制造企业、锅炉、炼焦化学工业企业、硝酸工业企业、硫酸工业企业、炼铁生产企业均有通过提高排放标准、减少SO2和NOx排放量的空间。由于上述行业的燃煤排放烟气中SO2和NOx排放浓度值高于火电行业燃煤排放烟气中污染物浓度值，每吨SO2和NOx减排成本低于火电行业相应的减排成本。因此，提高水泥制造企业、锅炉、炼焦化学工业企业、硝酸工业企业、硫酸工业企业、炼铁生产企业的排放标准、减少SO2和NOx排放量是合适的。

根据美国环保局的新固定源性能标准3，水泥行业执行的排放标准为每吨熟料NOx排放量小于1.5磅，折算后排放浓度限值为114 mg/m3，每吨熟料SO2排放量小于0.4磅，折算后排放浓度限值为30 mg/m3；燃煤工业锅炉NOx排放浓度限值为246 mg/m3，SO2排放浓度限值为615 mg/m3。与美国环保局的新固定源性能标准相比，国内水泥厂、燃煤工业锅炉均有提高环保标准、减排SO2和NOx的空间。

3 结论和建议

(1)北京市冬季环境空气污染的主要因子为PM2.5。SO2、NOx、O3地面浓度值均达标。NOx是形成PM2.5污染的主要因素。北京市PM2.5浓度呈现南部地区浓度高、北部地区浓度低的特点，PM2.5输送方向为由南向北输送。

(2)工业燃煤减排SO2和NOx可有效减轻北京市PM2.5污染。工业燃煤减排途径分成超标排放源和达标排放源两个方面。对于超标排放源，应通过加装脱硫和脱硝装置使其达标运行；对于达标排放源，建议对照美国、日本等发达国家排放标准，研究提高水泥制造企业、锅炉、炼焦化学工业企业、硝酸工业企业、硫酸工业企业、炼铁生产企业等行业环保排放标准，以减少SO2和NOx排放量。

[1]Joseph S. Scire, A User’s Guide for the CALPUFF Dispersion Model,Concord， Earth Tech, Inc. January 2000．

[2]史建勇．燃煤电站烟气脱硫脱硝技术成本效益分析[D]．杭州：浙江大学，2015．

[3]40 CFR Part 60 STANDARDS OF PERFORMANCE FOR NEW STATIONARY SOURCES，US Environmental Protection Agency．

[4]Joe Horton et al, Use of SNCR to control emissions of oxides of nitrogen from cement plants[J]．IEEE ，2006，(06)．

[5]A. V. Velichko， L. B. Pavlovich．Removing Nitrogen Oxides from Coke_Furnace Smokestack Gases[J]．COKE AND CHEMISTRY，2012，55 (3)．

Analysis and Treatment Measure of Winter Haze in Beijing

YANG Jian-xiang1, YANG Nan2
(1.Electric Power Planning & Engineering Institute, Beijing 100120, China; 2. Michigan State Universify, Michigan 48823, USA)

Based on the air quality analysis in Beijing from November to December 2016, the main factor of air pollution is fine particulate matter (PM2.5), and the Nitrogen Oxide (NOx) is the main reason of particulates pollution. The basic idea is restricting coal-burning pollutants in surrounding industrial areas. For emission source exceeding the standard, environmentally reconstruction is advised to reach the environmental criteria. For emission source meets the standard, improving emission standard is advised to reduce the discharge of Sulfur Dioxide(SO2) and Nitrogen Oxide(NOx).

fine particulate matter; honze; control measures.

X32

A

1671-9913(2016)04-0076-05

2017-03-01

杨建祥(1965- )，男，江苏张家港人，教授级高级工程师，主要从事电力环保咨询、电力环保规划研究。