天津市民用散煤燃烧大气污染物排放清单*

陈传敏 刘春雨 刘松涛 张茹婷 周卫青

(1.华北电力大学环境科学与工程系,河北 保定 071000;2.国网冀北电力有限公司电力科学研究院,华北电力科学研究院有限责任公司,北京 100045)

近年来天津市生活能源消费量逐年上升,人均生活能源消费量由2015年的707 kg标准煤上升至2020年的892 kg标准煤。随着城市化进程的不断推进,集中供暖覆盖了绝大部分城镇地区,但民用散煤在农村地区仍占据着重要地位。散煤燃烧产生的细颗粒物(PM2.5)作为京津冀地区大气首要污染物,是雾霾天气频发的主要原因[1]。

为了研究民用散煤燃烧对大气环境的影响,刘洋等[2]计算了2016年长春市6个城区内民用散煤燃烧产生的CO、SO2、氮氧化物(NOx)、PM2.5、可吸入颗粒物(PM10)、挥发性有机物(VOCs)的排放量,编制了民用散煤燃烧大气污染物排放清单,并分析了大气污染物排放的时空分布特征。目前大部分民用散煤排放清单都是针对省级地区来展开,针对单个城市具体分析的排放清单鲜有报道。郝国朝[3]通过实验与调研确定了各污染物的排放因子,建立了陕西省各地级市的民用燃煤大气污染物排放清单。李朋等[4]1489建立了基于反向传播(BP)神经网络的民用散煤燃用量估算模型,得到了京津冀地区“以电代煤”替代民用散煤大气污染物排放清单。

本研究以天津市16个区为研究区域,通过文献调研等方式,结合相关统计数据,采用自下而上的清单编制方法,对该市民用燃煤大气污染物排放量进行计算,建立2019、2020年天津市民用散煤燃烧大气污染物排放清单。研究了天津市各地区污染物排放贡献程度,分析了造成污染物排放差异的主要因素,并采用蒙特卡洛法对排放清单进行不确定性分析。

1 数据来源

1.1 研究区域

研究区域为天津市,包含和平区、河东区、河西区、南开区、河北区、红桥区、东丽区、西青区、津南区、北辰区、武清区、宝坻区、滨海新区、宁河区、静海区、蓟州区16个区。天津市位于中纬度亚欧大陆东岸,属暖温带半湿润季风性气候,主要特征是季风显著,四季分明,降水集中,雨热同季[5]。天津市近3年气象资料显示该地区年气温变化规律大体一致。年平均气温约13.6 ℃,1月气温最低,月平均气温约-2.3 ℃。天津市集中供暖的时间一般在11月1日到次年的3月31日。

1.2 散煤年燃煤量

天津市各区民用散煤年燃煤量(以标准煤计,下同)由人均年燃煤量与乡村常住人口总数等计算得到。2018年人均年燃煤量参考李朋等[4]1492估算出的京津冀地区人均年燃煤量,乡村常住人口总数、家庭平均户规模通过查阅天津市2020、2021年统计年鉴获取。

天津市农村清洁散煤替代政策由核心区(市内六区,即和平区、河东区、河西区、南开区、河北区、红桥区)向外围分批次执行,各区散煤替代政策实施的进度不同导致了各区2019、2020年不同的人均年燃煤量。

2018年底,在供热补建、煤改气、煤改电、补贴腾迁等措施执行下,宝坻区散煤替代户数为9.9万户,蓟州区为4 578户,宁河区为2 000户,滨海新区为9 183户。2019年散煤替代情况：蓟州区8.4万户,宁河区9 888户,静海区9.5万户,北辰区2.3万户。2018年完成散煤替代措施的区仍然需要燃烧散煤来完成取暖期的过渡,环保价值在2019年中体现,2019年完成散煤替代措施的区以此类推。2019年与2020年天津市家庭平均户规模均为2.72人/户。各区人均年燃煤量计算方法见式(1)。2019、2020年的人均年燃煤量见表1。

人均年燃煤量=前一年各区人均年燃煤量×(乡村常住人口总数-散煤替代户数×2.72)/乡村常住人口总数

(1)

市内六区城镇化率高,集中供暖覆盖范围广,民用散煤燃烧活动水平基本为零。2019年,除市内六区外年燃煤量分布在4.24万～92.14万t,2020年分布在4.23万～56.09万t(见表2)。

1.3 民用散煤燃烧污染物排放量估算

根据《民用散煤大气污染物排放清单编制技术指南》,采用排放因子法进行民用散煤燃烧污染物排放量估算。

1.4 排放因子选取

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

表2 天津市民用散煤燃烧活动水平Table 2 Combustion activity level of residential coal in Tianjin

民用散煤燃烧排放因子[6-7]的获取方法包括实验实测法和文献调研法。本研究采取文献调研法,取参考文献中各污染物排放因子的均值作为本研究基础数据,相关文献排放因子如表3所示。对比已有的文献资料,不同煤质、不同燃烧方式会导致各污染物排放因子产生显著差异。原煤燃烧产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 排放清单不确定性分析方法

研究排放清单不确定性常用解析法(如泰勒展开式)以及蒙特卡洛法[15]。本清单的不确定性来源主要有两点：一是统计年鉴中的数据与实际情况可能存在一定的差异;二是排放因子的选取来自文献,相比实测数据可靠性和准确性有一定欠缺。在95%的置信区间下,随机抽样误差计算方式见式(2)和式(3)。

相对负的随机抽样误差=(5%分位数值-平均值)/平均值

(2)

相对正的随机抽样误差=(95%分位数值-平均值)/平均值

(3)

2 结果与讨论

2.1 天津市民用散煤燃烧大气污染物排放清单

天津市民用散煤燃烧大气污染物排放清单见表5。天津市民用散煤燃烧产生的PM2.5、CO、SO2、NOx排放量在2019年分别为4 246.52、160 015.02、3 800.28、3 466.22 t,在2020年分别为3 236.19、121 944.33、2 896.12、2 641.54 t。相比2019年,2020年燃煤量减少约61万t,PM2.5、CO、SO2、NOx排放量分别减少1 010.33、38 070.69、904.16、824.68 t。

市内六区经济发达,集中供暖措施完善,没有民用散煤的使用,污染物排放基本为零。2020年天津市中心城区(东丽区、西青区、津南区、北辰区)的污染物排放贡献率为15.59%,比2019年的14.75%增加0.84百分点。主要是因为蓟州区、静海区等采取了大规模的散煤替代措施,人均年燃煤量下降。相对于另外3个中心城区,北辰区的乡村常住人口占比较大,污染物排放贡献率为8.08%。排污最严重的是蓟州区,2020年年燃煤量为56.09万t,污染物排放贡献率为28.59%,如表6所示。造成这种情况的主要原因可能是蓟州区相比其他各区而言发展较慢,农村用户较多;另一方面,蓟州区地处天津市最北端,年平均气温最低(见图1);这两方面的原因导致了蓟州区农村居民冬季取暖对民用散煤的需求量更大。总体而言,除市内六区以外,2020年天津市各区污染物排放贡献率表现为：蓟州区>宝坻区>武清区>静海区>北辰区>滨海新区>宁河区>东丽区>津南区>西青区。

表3 相关文献排放因子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 天津市民用散煤燃烧大气污染物排放清单Table 5 Emission inventory of air pollutants from residential coal combustion in Tianjin

表6 各区民用散煤燃烧大气污染物排放贡献率Table 6 Contribution rate of air pollutants emission from residential coal combustion in each district

2.2 空间分布特征

民用散煤燃烧各种污染物排放的空间分布无明显差异,以2019、2020年CO各区排放分布为例进行分析,如图2所示,相比2019年,2020年东丽区、北辰区、宁河区、静海区、蓟州区的CO排放量下降,其他区无明显变化。污染物的排放主要集中在北部的蓟州区、宝坻区和武清区,西南的静海区。该结果与文献[16]对2016年天津市生活散煤燃烧污染物排放特征分析中的结论一致,相比于该文献中2016年散煤的使用量,本研究中2020年散煤使用量减少了43.81万t。各种污染物排放量都有所下降,PM2.5减少了1.33万t,CO减少了14.87万t。这主要与天津市散煤替代措施的执行和民用散煤煤种使用标准日益严格有关,相比于2016年的26%型煤使用,2020年型煤使用比例提高到了将近60%。文献[14]研究发现使用型煤代替其他煤种是减少散煤污染的重要途径,型煤的推广可实现以燃煤为取暖燃料地区的各类主要污染物的减排。

图1 各区年平均气温Fig.1 Annual average temperature in each district

2.3 不确定性分析

本研究选用蒙特卡洛法对排放清单进行不确定性分析。蒙特卡洛不确定性分析的第一步是确定每个输入参数的概率密度分布函数,常用的概率分布类型包括正态分布、均匀分布、对数正态分布、三角分布、伽马分布、贝塔分布、韦伯分布等[17]。将年燃煤量和型煤、原煤使用比例作为输入参数,概率分布类型选择正态分布[18];排放因子作为输入参数,选择三角分布函数[19]。在95%的置信区间下,天津市民用散煤燃烧各污染物排放量不确定性分析结果见表7,2019年PM2.5、CO、SO2、NOx不确定性分别为-71.82%～78.19%、-51.19%～62.24%、-51.87%～66.74%、-54.43%～69.14%,2020年分别为-66.94%～78.83%、-51.79%～55.52%、-48.13%～69.89%、-55.01%～74.51%。

图2 各区CO排放分布Fig.2 Distribution of CO emission in each district

表7 排放清单不确定性分析结果Table 7 Uncertainty analysis results of emission inventory %

3 结 语

(1) 天津市2019年PM2.5、CO、SO2、NOx排放量分别为4 246.52、160 015.02、3 800.28、3 466.22 t。2020年民用散煤燃烧量相比2019年减少约61万t,PM2.5、CO、SO2、NOx分别减排1 010.33、38 070.69、904.16、824.68 t。散煤替代政策的执行和型煤占比的提高有效减少了污染物排放。

(2) 除市内六区以外,2020年天津市各区污染物排放贡献率表现为：蓟州区>宝坻区>武清区>静海区>北辰区>滨海新区>宁河区>东丽区>津南区>西青区。其中,污染物排放贡献最大的区为蓟州区。各区显示出明显的污染物排放空间差异,未来应推进清洁能源的使用,加快清洁能源政策的推广,以减少民用散煤燃烧的污染物排放。

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