非重点行业炉窑典型大气污染物“十四五”减排潜力研究

王赫婧， 吴 琼， 白 璐， 郑国峰， 王夏娇， 赵学涛*

1.生态环境部环境工程评估中心， 北京 100012

2.生态环境部环境规划院， 北京 100012

3.中国环境科学研究院, 环境基准与风险评估国家重点实验室， 北京 100012

4.生态环境部核与辐射安全中心， 北京 100082

工业炉窑指在工业生产中用燃料燃烧或电能转换产生的热量，将物料或工件进行冶炼、焙烧、熔化、加热等工序的热工设备[1]，是大气污染物的重要排放源之一. 研究表明，我国工业炉窑属于能耗大户，约占全国总能耗的25%，占工业能耗的60%[2]. 第二次全国污染源普查结果[3]表明，2017年工业炉窑二氧化硫、氮氧化物、颗粒物排放量分别占工业源排放总量的51.4%、53.4%、30.2%，控制工业炉窑污染排放，对于改善大气环境质量具有重要意义. 2019年7月，生态环境部、国家发展和改革委员会、工业和信息化部、财政部四部委联合下发《工业炉窑大气污染综合治理方案》(环大气〔2019〕56号)，明确了工业窑炉大气污染综合治理的目标.

但目前工业炉窑大气污染综合治理仍面临以下问题：①对除钢铁、水泥、焦化和石化等行业外的非重点行业炉窑，研究和统计的基础较为薄弱. 过去的环境监管一直关注钢铁、水泥、焦化和石化等行业炉窑环节的排放，已取得显著的减排效果[4-9]，但对于砖瓦、玻璃、耐火材料、陶瓷、铸造、铁合金、有色金属等行业涉及工业炉窑数量、结构、排放和治理情况的底数不清，无法实施针对和有效的监管[10]. ②已有对非重点行业炉窑研究多倾向于具体某类炉窑提升热能利用或定性提出减排策略[11-14]，鲜有从系统性角度对炉窑结构调整和清洁能源替代等提出针对性对策，减排策略的整体性不强. 综上，研究基于第二次污染源普查结果，在对非重点行业炉窑排放现状分析的基础上，建立了淘汰小型燃煤炉窑、清洁能源替代、提高末端治理设施去除率等减排方案，对“十四五”非重点行业炉窑减排潜力进行综合分析，探讨2025年不同情景下非重点行业炉窑可实现的削减量及排放量，以期为“十四五”时期炉窑污染治理提出建议.

1 数据来源及整体概况

非重点行业炉窑数据主要来自第二次全国污染源普查的相关结果，调查指标主要包括炉窑类型、炉窑规模、燃料类型、燃料消耗量、产品名称、产品产量、原料名称、原料用量、治理设施及污染物产生排放情况. 从数量上看，全国非重点行业炉窑数量为24.40×104个，41.71%集中分布在广东省、山东省、浙江省、河北省、河南省等地区，54.38%集中分布在加热炉、烧成窑、干燥炉(窑)等类型，67.41%分布在非金属矿物制品(不包括水泥烧成窑，下同)、金属制品、有色金属冶炼和压延加工、通用设备制造、化学原料和化学制品制造等行业，国民经济行业中涉及炉窑的小类行业占工业源普查范围小类行业类别总数的92.64%，行业覆盖面较广(见图1). 从排放量上看，二氧化硫、氮氧化物、颗粒物排放量分别占工业炉窑排放总量的66.19%、39.74%、32.86%. 从去除率上看，涉二氧化硫、氮氧化物、颗粒物排放的炉窑相应治理设施的覆盖率分别为22.74%、4.91%和54.93%，去除率分别为60.07%、29.65%和93.62%，与工业源、工业炉窑、电站锅炉相比，非重点行业炉窑治理设施去除率偏低(见图2).

图1 我国不同省份、类型、行业炉窑数量

2 研究方法

2.1 基准情景设定

以2017年为基准，基于非重点行业炉窑普查结果，按照“淘汰一批、替代一批、治理一批”原则[15-16]，设定淘汰小型燃煤炉窑、清洁能源替代、提高末端治理设施去除率3个减排方案(见表1)，测算2025年非重点行业炉窑二氧化硫、氮氧化物、颗粒物的削减潜力. 其中A方案(淘汰一批)考虑非重点行业不同炉窑煤炭消耗量、污染物排放量及具有治理设施炉窑数量占比等因素，确定淘汰煤炭用量小于 1 000 ta的燃煤炉窑，供电满足此部分能源需求；B方案(替代一批)按照《能源发展“十三五”规划》中煤炭消费比重五年累计值减少6%，实行“煤改气”；C方案(治理一批)分两种情况，C1方案将非重点行业炉窑去除率提高至重点+非重点行业炉窑的平均水平，C2方案将非重点行业炉窑去除率提高至工业源的平均水平.

表1 情景方案设定

设定两种减排情景，情景1是A+B+C1方案；情景2是A+B+C2方案. 根据国家统计局典型产品产量近10年变化趋势及不同减排情景，预估2025年非重点行业炉窑二氧化硫、氮氧化物、颗粒物新增产生量及排放量[17-21].

非重点行业炉窑大气污染物的排放量为其产生量与去除量的差值，其中，产生量由产污系数和主要活动水平乘积所得. 工业炉窑污染物的产污系数是基于对各类炉窑污染物产生规律定量分析结果，研究制定单位产品或使用单位原料的污染物产生量. 去除量不仅考虑了污染治理技术的平均去除率，还考虑到同一种治理技术在同一行业不同企业内的处理效果、运行状态的差异，具体用污染治理设施实际运行率对去除量进行修正[22].

采用国家统计局典型产品(平板玻璃、10种有色金属、烧碱、纯碱、氮肥、磷肥、厚钢板、冷轧薄宽钢带)近10年产量得出行业的逐年增速[23-26]，默认污染物产生量增速与产品产量增速相等，由于产品产量逐年增速呈放缓的趋势，研究选用逐年年均增速的最小值表征污染物产生量的变化.

2.2 基于淘汰小型燃煤炉窑的现役源削减

截至2017年，非重点行业在役燃煤炉窑数量占炉窑总数的18.4%，二氧化硫、氮氧化物和颗粒物排放量分别占炉窑排放总量的29.5%、31.0%和41.5%. 从非重点行业炉窑污染物排放量看，单个燃煤工业炉窑二氧化硫、氮氧化物和颗粒物排放量分别为单个工业炉窑平均排放量的1.6、1.7、2.2倍. 通过对不同规模燃煤炉窑燃料消耗量、污染物排放量、治理设施覆盖率等分析，发现煤炭消耗量越小的炉窑，治理设施的覆盖率越低，燃料消耗量占比与污染物排放量占比成反比的程度越高. 其中，煤炭消耗量小于 1 000 ta的工业炉窑，煤炭消耗量、二氧化硫、氮氧化物、颗粒物排放量分别占非重点行业燃煤工业炉窑的4.6%、41.2%、19.1%、23.9%，治理设施覆盖率远低于煤炭消耗量大于 1 000 ta的工业炉窑(见图3、4). 因此，设定2025年将燃煤消耗量小于 1 000 ta的炉窑全部淘汰，供电满足此部分能源需求. 燃煤炉窑的直接排放与电供能的间接排放的差值即为污染物的削减量，采用式(1)核算.

图3 非重点行业燃煤工业炉窑燃料消耗及污染排放情况

图4 非重点行业燃煤工业炉窑治理设施覆盖率

式中：N为污染物削减能力，ta；Pi为第i个工业炉窑的产污系数，t(t产品或原料)；Mi为第i个工业炉窑的活动水平(根据产污系数的单位为原料年使用量或产品年产量)，ta；n为煤炭消耗量小于 1 000 ta的炉窑数量，个；ηi为第i个工业炉窑污染物的去除率，%；Ki为第i个工业炉窑污染治理设施实际运行率，%；Q为提供同等热能条件下，发电带来的污染物排放量，ta.

2.3 基于优化能源结构的现役源削减

根据非重点行业炉窑煤炭及天然气使用量、不同种类燃料折标准煤系数[27]、不同燃料类型污染物排放量，测算使用煤炭和天然气时，折算成每104t标准煤主要大气污染物排放绩效，结果表明，基于全国平均水平，未区分行业、炉窑类型、炉窑规模的前提下，非重点行业中煤炭使用量大于 1 000 ta炉窑单位标准煤二氧化硫、氮氧化物、颗粒物的排放量分别为天然气炉窑单位标准煤的3.1、2.4、5.3倍(见表2). 以天然气代替煤，在行业和炉型不影响减排效果的前提下，二氧化硫、氮氧化物、颗粒物的减排比例将分别达67.4%、58.5%和81.0%.

表2 工业炉窑煤炭与天然气污染物排放绩效对比

(2)

式中:A为不同燃料种类单位标准煤污染物排放量，tt(以标准煤计，下同)；Wj为第j种燃料的污染物排放量，ta；Rj为第j种燃料的使用总量，ta；Zj为第j种燃料的折标准煤系数，(t标准煤)t；m为燃料类型(其中，煤炭类型有8种，m=8；天然气类型有1种，m=1).

通过优化能源结构的方式[28-31]，结合《能源发展“十三五”规划》中煤炭消费比重五年累计值减少6%的约束性指标[32]，2025年将约有9.42%的煤炭被替代，假定用天然气替代此部分煤炭使用，污染物削减量采用式(3)核算.

(3)

式中:Am为单位煤炭污染物排放量，tt；Aq为单位天然气污染物排放量，tt.

2.4 基于提高末端治理设施去除率的现役源削减

非重点行业炉窑二氧化硫、氮氧化物、颗粒物去除率与工业源相应污染物平均水平相比，分别低28.2%、26.9%和4.9%. 与锅炉相比，二氧化硫的去除率分别比电站锅炉和工业锅炉低35.6%和13.6%，氮氧化物的去除率比电站锅炉低46.7%，颗粒物的去除率分别比电站锅炉和工业锅炉低6.2%和2.4%. 与重点行业工业炉窑相比，二氧化硫的去除率比钢铁行业低19.3%，氮氧化物的去除率比水泥行业低29.6%. 从行业类别看，排放量居前五的行业中，黑色金属冶炼和压延加工业(主要为钢压延加工和铁合金冶炼，下同)二氧化硫去除率仅为10.2%，黑色金属冶炼和压延加工业、有色金属冶炼和压延加工业的氮氧化物去除率仅分别为1.9%和12.1%，非金属矿物制品业的颗粒物去除率较工业炉窑整体去除率低1.9%. 由此可见，非重点行业炉窑污染治理水平有待整体进一步提高，尤其是脱硫和脱硝治理水平.

设定两种情景：情景1下，到2025年，非重点行业炉窑的治理水平与目前重点+非重点行业炉窑整体的治理水平相等，即二氧化硫、氮氧化物、颗粒物的去除率分别为67.51%、36.33%和98.71%；情景2下，到2025年，非重点行业炉窑的治理水平与目前工业源整体的治理水平相等，即二氧化硫、氮氧化物、颗粒物的去除率分别为88.27%、56.51%和98.57%，污染物削减量采用式(4)核算：

(4)

式中：l为待提高末端治理设施去除率的工业炉窑的数量，个；η1′为2025年拟达到的去除率，%；η2′为2017年非重点行业炉窑污染物的平均去除率，%.

2.5 新增产生量和排放量预测

从行业上看，94.9%的二氧化硫、92.8%的氮氧化物、86.5%的颗粒物排放集中在非金属矿物制品业、有色金属冶炼和压延加工业、化学原料和化学制品制造业、黑色金属冶炼和压延加工业. 采用国家统计局典型产品(平板玻璃、10种有色金属、烧碱、纯碱、氮肥、磷肥、厚钢板、冷轧薄宽钢带)近10年产量得出行业的逐年增速，默认污染物产生量增速与产品产量增速相等，由于产品产量逐年增速呈放缓的趋势，该研究选用逐年年均增速的最小值表征污染物产生量的变化，得出2025年非重点行业炉窑在产品产量最小增速条件下二氧化硫、氮氧化物、颗粒物新增产生量.

2025年污染物新增产生量为2017年污染物产生量(1+年均增速)8与2017年污染物产生量的差值，2025年污染物新增排放量为2025年污染物新增产生量(1-去除率). 估算2025年二氧化硫、氮氧化物、颗粒物新增产生量分别为190.93×104、78.12×104和908.34×104t(见表3).

表3 非重点行业炉窑2025年污染物产生量估算

3 结果与讨论

3.1 不同情景现役源减排潜力结果分析

基于上述两种情景下减排潜力结果分析，3种大气污染物在不同情景下的削减潜力如表4所示.

表4 非重点行业炉窑现役源不同情景削减潜力

B方案：通过将约9.42%的煤炭改为天然气，现役源3种污染物排放削减能力分别为1.98×104、1.90×104、3.05×104t，分别为2017年排放量的1.10%、1.38%和2.41%. 如果实施煤改气，需要天然气约69×108m3，占2017年全国天然气消费量的3.02%，我国每年天然气产量增幅在7%左右，因此，对天然气供应的影响不大. 在具体实施中，仍需坚持因地制宜原则，宜气则气，宜电则电.

C1方案：将非重点行业炉窑去除率提高至工业炉窑的平均去除率，现役源3种污染物排放削减能力分别为31.60×104、9.83×104、86.40×104t，分别为2017年排放量的17.54%、7.17%和68.31%.

C2方案：将非重点行业炉窑去除率提高至工业源的平均去除率，现役源3种污染物排放削减能力分别为110.67×104、46.54×104、83.83×104t，分别为2017年排放量的61.43%、33.96%和66.27%.

情景1：到2025年，工业炉窑现役源二氧化硫、氮氧化物、颗粒物排放量分别为125.52×104、118.21×104、24.71×104t，与2017年相比，削减能力分别为54.63×104、18.82×104、101.78×104t，分别占2017年排放量的30.32%、13.73%、80.46%.

情景2：到2025年，工业炉窑现役源二氧化硫、氮氧化物、颗粒物排放量分别为46.45×104、81.50×104、27.29×104t，与2017年相比，削减能力分别为133.70×104、55.53×104、99.20×104t，分别占2017年排放量的74.22%、40.53%、78.74%.

3.2 不同情景新增排放量结果分析

基于2017年非重点行业炉窑污染物产排情况，结合不同情景下削减量，核算出不同情景的去除率，情景1现役源二氧化硫、氮氧化物、颗粒物去除率分别为72.17%、39.31%和98.75%，情景2现役源二氧化硫、氮氧化物、颗粒物去除率分别为89.70%、58.16%和98.62%.

根据2025年新增产生量，结合不同情景现役源去除率，如果维持2017年管控水平，2025年新增源二氧化硫、氮氧化物、颗粒物排放量分别为76.24×104、54.96×104、57.95×104t；情景1下，2025年新增源二氧化硫、氮氧化物、颗粒物排放量分别为53.12×104、47.41×104、11.35×104t；情景2下，2025年新增源二氧化硫、氮氧化物、颗粒物排放量分别为19.66×104、32.69×104、12.54×104t(见表5).

表5 不同减排情景下现役源去除率和新增源排放量

3.3 不同情景下2025年排放结果分析

维持2017年管控水平下，估算得到2025年二氧化硫、氮氧化物、颗粒物排放量分别为256.39×104、191.99×104、184.44×104t，较2017年分别增加42.32%、40.11%、45.82%；情景1下，2025年二氧化硫、氮氧化物、颗粒物排放量分别为178.64×104、165.62×104、36.06×104t，较2017年分别减少0.84%、增加20.86%、减少71.49%；情景二下，2025年二氧化硫、氮氧化物、颗粒物排放量分别为66.11×104、114.19×104、39.83×104t，较2017年分别减少63.30%、16.67%、68.51%(见表6).

表6 不同情景下2025年排放量估算

3.4 不确定性分析

情景往往综合考虑内外部环境变化，预测目标年度预期变化. 一般情况下，掌握信息越多，数据质量越高，预测采用的方法越可靠，对目标期的预测就越准确. 不同情景下非重点行业炉窑污染物排放的预测主要受以下因素影响：①重点行业活动水平，主要是产品产量变化；②污染治理技术的变化. 从经验来看，上述因素相关指标的预测主要考虑了趋势分析法. 其中，对于非重点行业炉窑相关行业的产品产量预测，主要采用国家统计局典型产品近10年产量变化趋势分析，得到产品产量增速的最大值、最小值和平均值. 结合当前国内外形势以及新型冠状病毒肺炎疫情影响，采用保守预测的原则，用10年行业产品产量增速的最小值作为预测主要污染物产生量变化的依据. 对于污染治理技术的变化，假定对非重点行业炉窑治理力度分别保持在全行业和工业平均水平，采用全国工业炉窑平均治理水平和工业行业平均治理水平两个层级，作为预测的依据. 另外，对容易受外部气源保障影响的煤改气情景来说，其实施受政策和环境的影响较大，并且对于煤改气所带来的负外部性，学术界也存在较大的争议，建议遵循因时因地制宜原则，宜气则气，宜电则电. 总体上看，随着污染减排工作的不断推进，对非工业炉窑环境污染治理的要求越来越高，在对经济发展情景保持保守预测前提下，目前设定的情景具有较大的可行性.

4 结论

a) 2017年我国非重点行业工业炉窑24.40×104个，分布于国民经济行业分类中的小类行业类别占工业源普查范围小类行业类别总数的92.64%，行业覆盖面较广，二氧化硫、氮氧化物、颗粒物排放量分别占工业炉窑排放总量的66.19%、39.74%、32.86%，排放总量大，涉二氧化硫、氮氧化物、颗粒物排放的炉窑相应治理设施的覆盖率分别为22.74%、4.91%和54.93%，去除率分别为60.07%、29.65%和93.62%，治理设施覆盖率和去除率低，对环境质量影响大，通过预测，“十四五”期间污染物排放量仍会大幅增加，依旧会是监管重点. 通过3种减排方案分析，非重点行业炉窑仍有较大减排空间，污染治理水平有待进一步提高.

b) 不同减排方案下现役源污染物的削减潜力不同，对于二氧化硫而言，将末端治理设施去除率由2017年的60.07%提至67.51%或88.27%、淘汰煤炭消耗量小于 1 000 ta的炉窑，均可实现对现役源20×104t的削减量；对于氮氧化物而言，将末端治理设施去除率由2017年的29.65%提至56.51%，可实现46×104t的削减量，淘汰煤炭消耗量小于 1 000 ta的炉窑、部分“煤改气”和将末端治理设施去除率由2017年的29.65%提至36.33%的减排效果有限，削减量均小于10×104t；对于颗粒物而言，将末端治理设施去除率由2017年的93.62%提至98.71%或98.57%，均可实现83×104t以上的削减量. 因此，不同地区可结合实际情况，因地制宜制定工业炉窑减排方案.

c) 维持2017年管控水平下，2025年二氧化硫、氮氧化物、颗粒物排放量分别为256.39×104、191.99×104、184.44×104t，较2017年将分别增加42.32%、40.11%、45.82%；情景1下，2025年二氧化硫、氮氧化物、颗粒物排放量分别为178.64.44×104、165.62×104、36.06×104t，将分别较2017年减少0.84%、增加20.86%、减少71.49%；情景2下，2025年二氧化硫、氮氧化物、颗粒物排放量分别为66.11×104、114.19×104、39.83×104t，较2017年分别减少63.30%、16.67%、68.51%.

d) 提高末端治理设施的覆盖率和去除率是削减二氧化硫、氮氧化物、颗粒物的有效方案，各地应按照分批推进的原则，督促企业尽快增设末端治理设施，对于燃煤消耗量较大的非金属矿物制品业、有色金属冶炼和压延加工业、化学原料和化学制品制造业、黑色金属冶炼和压延加工业、石油煤炭及其他燃料加工业，应采取多重手段鼓励或强制上述行业优先加大末端治理设施投资，履行环境责任，降低环境污染，做到治理设施全覆盖；强化对已安装设施运行的监管，重点加强黑色金属冶炼和压延加工业、石油煤炭及其他燃料加工业的二氧化硫，化学原料和化学制品制造业、石油煤炭及其他燃料加工业、有色金属冶炼和压延加工业、黑色金属冶炼和压延加工业氮氧化物，化学原料和化学制品制造业、非金属矿物制品业、石油煤炭及其他燃料加工业颗粒物日常监管，结合排污许可证的发放和证后监管，提高污染治理设施运维水平、按要求加装在线监测设施，督促企业认真落实自行监测、执行报告、管理台帐记录等相关要求，确保已安装治理设施的高效运行.

e) 根据《产业结构调整指导目录(2019年)》及《工业炉窑大气污染综合治理方案》要求，加快推进不符合产业政策炉窑的淘汰，倒逼行业升级改造. 此外，开展小型燃煤炉窑清理整顿和清洁能源替代工作，一方面在四川省、江西省、云南省、辽宁省、黑龙江省、湖北省、吉林省、甘肃省、新疆维吾尔自治区、广西壮族自治区等省份加快推进小型燃煤炉窑淘汰；另一方面加快使用清洁低碳能源以及利用工厂余热、电厂热力等进行替代，降低污染物的排放.