我國(guó)黑碳區(qū)域排放估算與分析

魯頤瓊

（神華集團(tuán)有限責(zé)任公司環(huán)境保護(hù)部，北京市東城區(qū)，100011）

我國(guó)黑碳區(qū)域排放估算與分析

魯頤瓊

（神華集團(tuán)有限責(zé)任公司環(huán)境保護(hù)部，北京市東城區(qū)，100011）

黑碳主要是含碳物質(zhì)不完全燃燒產(chǎn)生的不定型碳質(zhì)，對(duì)太陽(yáng)輻射有強(qiáng)烈吸收作用。本文在分析比較的基礎(chǔ)上，選用了近年來(lái)發(fā)表的行業(yè)黑碳排放因子，根據(jù)能源消費(fèi)構(gòu)成情況，估算了2012年全國(guó)各省市不同排放源的黑碳排放量及排放強(qiáng)度分布，并對(duì)京津冀及周邊地區(qū)等黑碳排放較高省份的行業(yè)分布做了具體分析。

黑碳 年排放總量 年平均排放源強(qiáng) 中國(guó)

在大氣PM2.5各化學(xué)組分中，黑碳 （Black Carbon）氣溶膠被認(rèn)為對(duì)氣候變化和人體健康具有顯著影響。其尺度主要在0.01～1.0μm，典型形態(tài)是具有鏈?zhǔn)角蛐涡×Ｗ?，其主要成分為含碳物質(zhì)不完全燃燒產(chǎn)生的不定型碳質(zhì)，不會(huì)由大氣中其他的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程生成或清除。除了富含C元素外，還含有地殼粒子元素，如Si、Fe、K和 Mn等，黑碳粒子的表面還可以吸附一些污染物質(zhì)，如SO2、O3等，以及一些有毒、有害物質(zhì)如多環(huán)芳烴族 （可致癌、致畸、致突變），這些物質(zhì)可經(jīng)呼吸系統(tǒng)進(jìn)入人體從而影響人體健康，故其越來(lái)越受到大氣污染防治研究的關(guān)注。監(jiān)測(cè)、探究黑碳排放量及其與能源消費(fèi)的關(guān)系對(duì)于環(huán)境質(zhì)量和氣候變化的科學(xué)研究及對(duì)策制定都具有重要意義。

直接測(cè)量黑碳?xì)馊苣z的排放量較為困難，現(xiàn)行的方法通常是由實(shí)驗(yàn)室得到排放因子，即從燃燒物質(zhì)和排放的黑碳?xì)馊苣z推算燃燒物質(zhì)量與排放量之間的關(guān)系，然后應(yīng)用該排放因子推算黑碳?xì)馊苣z的排放量。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)（IPCC）報(bào)告給出2000年全球化石燃料燃燒排放的黑碳?xì)馊苣z為660萬(wàn)t／a（范圍600～800萬(wàn)t／a），還給出了年平均黑碳源強(qiáng)的全球分布（如圖1）。根據(jù)報(bào)告，中國(guó)的東部 （0.05～0.1 kg／（km2·h））是全球4個(gè)年平均黑碳排放的極大值源強(qiáng)區(qū)之一，最大的源強(qiáng)位于歐洲 （0.2～0.5 kg／（km2·h）），另兩個(gè)排放源分別位于南美洲和非洲 （0.02～0.05 kg／ （km2·h））。歐洲1995-1998年平均排放黑碳48.2～51.1萬(wàn)t。印度1996-1999年平均化石燃料黑碳排放量為10萬(wàn)t，其中58%來(lái)自柴油機(jī)排放。

圖1 人為排放黑碳?xì)馊苣z全球平均源強(qiáng)

我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)以煤為主，原煤燃燒過(guò)程是排放黑碳的主要來(lái)源，另外我國(guó)部分農(nóng)村有燃燒農(nóng)作物秸稈的習(xí)慣，其燃燒過(guò)程會(huì)向大氣排放黑碳顆粒物，也是生物源排放的主要來(lái)源之一。斯特里茨（Streets）等曾估算了中國(guó)1995年和2020年的黑碳排放量為134.2萬(wàn)t和105萬(wàn)t，減少的量一半源于能源結(jié)構(gòu)的改變。為獲取較為準(zhǔn)確的黑碳排放估算結(jié)果，本文根據(jù)國(guó)內(nèi)2014年最新的全國(guó)及各省份能源統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析。

1 估算方法

1.1 確定黑碳排放因子

確定黑碳排放量，關(guān)鍵是確定黑碳的排放因子。根據(jù)行業(yè)和技術(shù)的不同，黑碳的排放因子差別也較大。表1給出了本文綜合各文獻(xiàn)的燃燒試驗(yàn)所選取的黑碳排放因子。

表1 綜合各文獻(xiàn)所得的黑碳排放因子

由于各種行業(yè)所采用的能源品種不同，技術(shù)不同，導(dǎo)致黑碳的排放因子選取差別較大。本文所選取的黑碳排放因子中等偏高，作為現(xiàn)實(shí)黑碳排放的保守估計(jì)。例如工業(yè)當(dāng)中，由于燃燒效率、處理裝置以及燃料不同導(dǎo)致黑碳排放因子的估計(jì)非常復(fù)雜，但由于處理裝置的普及程度比生活消費(fèi)高很多，故排放因子較低，本文選取值如表1所示；而在電力行業(yè)，由于普遍采用的是煤粉燃燒技術(shù)，且有較為完善的末端治理措施，故火電的黑碳排放因子非常小，大部分黑碳排放來(lái)自于燃油發(fā)電的排放；交通行業(yè)的黑碳排放因子是根據(jù)燃油品種的不同而不同，柴油較高，選取1.1，汽油選取0.08；生活消費(fèi)等終端消費(fèi)的黑碳排放因子較高，這是由于燃燒效率較低且處理水平不高，故各種燃料的排放因子都選取了較高值。

1.2 估算排放量

對(duì)照各行業(yè)所用燃料及技術(shù)的黑碳排放因子，與各年的能源活動(dòng)消費(fèi)量相乘并加和，可以得到黑碳的排放總量。本文根據(jù) 《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒2013》的能源統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，計(jì)算了除西藏、臺(tái)灣外各省份來(lái)自能源消費(fèi)量的黑碳排放量及排放源強(qiáng)。

2 估算結(jié)果及分析

2.1 各省份排放總量

根據(jù)各行業(yè)的黑碳排放因子以及各年份能源消費(fèi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，計(jì)算了2012年各省黑碳的排放清單，結(jié)果如下示：

北京3.61萬(wàn)t；天津2.42萬(wàn)t；

河北29.07萬(wàn)t；山西15.92萬(wàn)t；

內(nèi)蒙21.16萬(wàn)t；遼寧11.69；

吉林4.77萬(wàn)t；黑龍江7.81萬(wàn)t；

上海3.89萬(wàn)t；江蘇8.43萬(wàn)t；

浙江2.81萬(wàn)t；安徽3.94萬(wàn)t；

福建2.82萬(wàn)t；江西3.34萬(wàn)t；

山東21.49萬(wàn)t；河南11.89萬(wàn)t；

湖北10.36萬(wàn)t；湖南7.74萬(wàn)t；

廣東4.03萬(wàn)t；廣西3.19萬(wàn)t；

海南0.34萬(wàn)；重慶3.26萬(wàn)；

四川6.45萬(wàn)；貴州11.70萬(wàn)；

云南6.47萬(wàn)；陜西6.78萬(wàn)；

甘肅4.69萬(wàn)；青海1.38萬(wàn)；

寧夏1.50萬(wàn)；新疆4.54萬(wàn)。

利用排放因子所計(jì)算的黑碳各省排放量由高到低做柱狀圖進(jìn)行比較，如圖2所示。

由圖2中可以看到，2012年黑碳排放總量前五名的省份分別是河北、山東、內(nèi)蒙古、山西和河南。其中河北省的黑碳排放總量最高，為29.07萬(wàn)t，主要來(lái)源是焦炭燃燒，其次是煤炭燃燒；山東、內(nèi)蒙古、山西和河南的排放總量分別為21.49萬(wàn)t、21.16萬(wàn)t、15.92萬(wàn)t和11.89萬(wàn)t，排放量主要來(lái)自于煤炭的燃燒排放，其次是焦炭燃燒排放；北京的排放總量為3.6萬(wàn)t，其中來(lái)自于煤炭燃燒排放為2.75萬(wàn)t，為主要來(lái)源因素；天津排放總量較低，為2.4萬(wàn)t，焦炭和煤炭分別為主要來(lái)源。

圖2 2012年我國(guó)各省各種排放源的黑碳排放情況

2.2 各省份排放源強(qiáng)

由于各省份面積不同，而黑碳的環(huán)境效應(yīng)跟濃度、地理、氣候等因素相關(guān)，故將各省2012年的黑碳排放量除以省份面積和小時(shí)數(shù)，得到每小時(shí)單位平方千米的面積上黑碳的排放強(qiáng)度如下：

將不同排放強(qiáng)度用不同深淺顏色表現(xiàn)，得到黑碳排放強(qiáng)度分布圖，如圖3所示。

圖3 我國(guó)2012年各省市平均人為黑碳排放源強(qiáng)

由上述各地黑碳排放強(qiáng)度和圖3可以看出，上海的排放源強(qiáng)最高，為0.7043 kg／（km2·h），其能源消耗總量較大，主要黑碳排放來(lái)源是煤炭、焦炭、燃料油、柴油和煤油的燃燒排放；其余排放強(qiáng)度較高的省份由高到低分別為北京、天津、河北、山東、山西、江蘇、遼寧、河南、貴州、湖北排放強(qiáng)度范圍為0.064～0.245 kg／ （km2·h），可見(jiàn)京津冀及周邊地區(qū)的排放源強(qiáng)普遍較高。

3 結(jié)論

本文引用國(guó)內(nèi)外近年來(lái)發(fā)表的分行業(yè)黑碳排放因子，估算了2012年間全國(guó)各省黑碳排放量及排放源強(qiáng)分布，為研究黑碳排放與大氣環(huán)境狀況提供了進(jìn)一步研究依據(jù)。排放總量及排放源強(qiáng)較高的省份煤炭和焦炭能源消耗較多，排放總量前五名的省份國(guó)土面積占全國(guó)總面積的19.2%，排放量占到全國(guó)的43.8%；排放源強(qiáng)前五名的省份為北京、天津、河北、山東、山西。這些省份主要分布在京津冀及周邊區(qū)域，這些地區(qū)山地丘陵盆地較多，黑碳的大量、密集排放無(wú)法自然消散是導(dǎo)致該區(qū)域霧霾氣候的成因之一，應(yīng)當(dāng)高度重視化石能源燃燒過(guò)程中黑碳排放的控制和管理，進(jìn)一步研究黑碳排放控制技術(shù)并進(jìn)行市場(chǎng)化推廣應(yīng)用，加強(qiáng)政策管理整治，消除、減緩黑碳對(duì)大氣環(huán)境質(zhì)量和人體健康的影響。

［1］Jacobson，M.Z..Control of fossil-fuel particulate black carbon plus organic matter，possibly the most effective method of slowing global warming ［J］.Journal of Geophysical Research，2002，107 （D19），ACH 16-1-ACH

［2］Scwartz，J.，Coull，B.，Laden，F(xiàn).，Ryan，L..The effect of dose and timing of dose on the association between airborne particles and survival ［J］.Environmental Health Perspectives，2008 （1）

［3］Bond，T.C.et al.Bounding the role of black carbon in the climate system：A scientific assessment［J］.American Geophysical Union，2013，118 （11）

［4］Wu，Y.，Yang，L.，Zheng，X.，Zhang，S.，Song，S.，Li，J.and Hao，J..Characterization and source apportionment of particulate PAHs in the roadside environment in Beijing ［J］.Science of the Total Environment，2014，470-471

［5］曹?chē)?guó)良，張小曳，王亞強(qiáng)，車(chē)惠正，陳東.中國(guó)大陸黑炭氣溶膠排放清單 ［J］.氣候變化研究進(jìn)展，2006（2）

［6］Lu Yi-qiong.Estimation of black carbon emission of China ［J］.Journal of Environmental Accounting and management，2014，2 （2）

［7］IPCC.Third Assessment Report，Climate Change 2001：The Scientific Basis［R］.New York：Cambridge University Press，2001

［8］朱厚玲.我國(guó)地區(qū)黑碳?xì)馊苣z時(shí)空分布研究 ［J］.中國(guó)氣象科學(xué)研究院，2003

［9］國(guó)家統(tǒng)計(jì)局能源統(tǒng)計(jì)司.中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒2013［M］.北京：中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2014

X513

A

魯頤瓊 （1983-），女，山西人，工程師，碩士，從事節(jié)能環(huán)保方面的科研及管理工作。

（責(zé)任編輯 張立寬）