京津冀地區(qū)典型鋼鐵企業(yè)超低排放對空氣質量的影響

李厚宇　崔磊　賈敏　甄瑞卿　毛娜　劉厚鳳　伯鑫

摘要：基于京津冀地區(qū)某典型鋼鐵企業(yè)排放清單，建立了超低排放改造前后兩種情景，利用AERMOD模型模擬了兩種情景下典型鋼鐵企業(yè)排放SO2、NOx和一次PM10對周邊大氣環(huán)境的影響。結果顯示：從排放量來看，鋼鐵企業(yè)的超低排放改造對NOx減排效果更為明顯，NOx減排比例達到為56.44%。現狀情景下，典型鋼鐵企業(yè)對5個空氣質量監(jiān)測站SO2、NOx和PM10的年均貢獻濃度分別為0.11μg/m3、0.34μg/m3和0.20μg/m3。超低排放改造后，典型鋼鐵企業(yè)對5個空氣質量監(jiān)測站SO2、NOx和PM10的年均貢獻濃度分別下降0.05μg/m3、0.16μg/m3和0.07μg/m3。

關鍵詞：鋼鐵企業(yè);超低排放;空氣質量;AERMOD

中圖分類號：X820.6 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）09-00-04

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.09.005

The impact of the implementation of ultra-low emission standards for a typical iron and steelmaking plant on air quality in Beijing-Tianjin-Hebei region

Li Houyu1，2， Cui Lei3， Jia Min2，4， Zhen Ruiqing5， Mao Na6， Lliu Houfeng1， Bo Xin2

（1.College of Geography and Environment， Shandong Normal University，Jinan Shandong 250014，China;2.Appraisal Center for Environment and Engineering， Ministry of Ecology and Environment，Beijing 100012，China;3.Zhongsheng Environmental Technology Development Co.，Ltd.，Xian Shaanxi 710000，China;4.School of Economics and Management，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China;5.Capital Engineering & Research Incorporation Limited，Beijing 100176，China;6.Ecology and Environmental Protection Science Research Institute of Cangzhou City，Cangzhou Hebei 061000，China）

Abstract：Based on the basic emission inventories of a typical iron and steelmaking plant in Beijing-Tianjin-Hebei region， two scenarios before and after the implementation of ultra-low emission standards were established.AERMOD model was used to quantitatively simulate the environmental impact of SO2，NOx and PM10 emitted by the typical iron and steelmaking plant on the surrounding atmospheric environment under the two scenarios. The results showed that the mitigation effect was more striking for NOx emission if all emission facilities meeting ultra-low standards with the emission reductions of 56.44%，from the perspective of pollutants emissions. Under the current situation， the average annual contributions of SO2， NOx and PM10 of the typical iron and steelmaking plant are 0.11，0.34 and 0.20 μg/m3， respectively， to 5 air quality monitoring stations.After the implementation of ultra-low standards， the average annual contribution of SO2， NOx and PM10 decreased by 0.05， 0.16 and 0.07 μg/m3， respectively.

Key words：Iron and steelmaking plant;Ultra-low emission;Air quality;AERMOD

2018年，中國粗鋼產量為9.3億t，占全球粗鋼產量的51.3%[1]，鋼鐵工業(yè)企業(yè)排放大量的二氧化硫，氮氧化物，顆粒物和VOCs等污染物[2-3]。京津冀地區(qū)是鋼鐵企業(yè)重點分布區(qū)域，2018年京津冀地區(qū)粗鋼產量占全國產量的27.7%[4]。京津冀鋼鐵企業(yè)具有較大的減排潛力[2，5-7]。為了繼續(xù)降低京津冀地區(qū)排放水平，提高空氣質量，打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)，生態(tài)環(huán)境部在鋼鐵行業(yè)推行超低排放改造，要求到2020年10月底前，京津冀及周邊地區(qū)具備改造條件的鋼鐵企業(yè)基本完成超低排放改造。

目前，鋼鐵企業(yè)超低排放研究主要集中在超低排放技術，鮮有關于鋼鐵企業(yè)超低排放對空氣質量影響的研究。相關研究多集中在鋼鐵企業(yè)的源解析和數值模擬等方面。Jia等[8]通過監(jiān)測手段分析了鋼鐵行業(yè)不同工序排放不同粒徑的顆粒物的化學成分。Dai等[9]對鋼鐵企業(yè)周邊的空氣中顆粒物進行了排放源的識別和分配。段文嬌等[5]、伯鑫等[7]分別利用CAMx模型模擬了京津冀地區(qū)鋼鐵行業(yè)對大氣污染的影響。

為了評估典型城市鋼鐵企業(yè)超低排放對空氣質量的影響，本研究基于京津冀地區(qū)某典型鋼鐵企業(yè)排放清單，設置了2018年現狀排放、超低排放兩種情景，利用AERMOD模型模擬了兩種情景下該企業(yè)排放SO2、NOx和一次PM10對周邊大氣環(huán)境的影響，以期為鋼鐵行業(yè)超低排放改造效果評估提供科學支撐。

1 研究方法

1.1 研究對象

近年來，由于資源和環(huán)境的限制，鋼鐵企業(yè)逐漸向沿海發(fā)展。本文所研究的鋼鐵企業(yè)位于京津冀東南部，渤海灣西岸，生產工序齊全，帶鋼年產能為500萬噸。該區(qū)域地勢低平，主要為平原和海岸，屬于溫帶大陸性半干旱偏旱季風氣候，受海陸風影響，具有典型代表意義。鋼鐵企業(yè)排放源與周邊5個空氣質量監(jiān)測站的分布見圖1。離鋼鐵廠最近的空氣質量監(jiān)測站為4號監(jiān)測站，距離為32km。

1.2 模擬模型

AERMOD模型是廣泛應用的一種空氣質量模型[10-12]，是《環(huán)境影響評價技術導則 大氣環(huán)境》（HJ2.2-2018）推薦的預測模型之一[13]。AERMOD模型在小尺度的模擬中優(yōu)于其他模型，并且被應用于鋼鐵企業(yè)的模擬研究中[14-15]。本研究采用AERMOD模型模擬典型鋼鐵企業(yè)SO2、NOx和一次PM103種污染物的排放對周邊地區(qū)空氣質量的影響。模擬區(qū)域總范圍為50km×50km，水平網格分辨率為500m×500m，網格點數設置為100×100，不考慮化學反應機制。

模擬所用的地形數據為美國地質勘探局90m分辨率數據，地表參數數據為AERSURFACE在線服務系統(tǒng)生成數據[16]，地面氣象數據為滄州市氣象站2018年逐時數據，高空氣象數據為WRF v3.9模擬數據。

1.3 排放源數據

本研究鋼鐵排放清單數據來自研究團隊的2018年全國高分率排放清單（HSEC，2018）[17]，該清單是基于中國鋼鐵行業(yè)在線監(jiān)測數據（CEMS）和環(huán)境統(tǒng)計數據，自下而上建立了2018年中國高分辨率鋼鐵行業(yè)大氣污染物排放清單。

本研究選取了鋼鐵廠燒結、高爐、轉爐、軋鋼4道工序中13個生產節(jié)點作為AERMOD模型中的點源輸入。每個生產節(jié)點中排氣筒的高度、直徑、溫度、和流速的數據見表1。

1.4 排放情景設置

本研究共設置現狀情景、超低情景2種污染物排放情景，現狀情景為2018年典型鋼鐵企業(yè)超低排放改造前年產670萬t軋鋼的大氣污染物排放情景;超低情景為典型鋼鐵企業(yè)超低排放改造后年產670萬t軋鋼的大氣污染物排放情景。

2 結果與討論

2.1 典型鋼鐵企業(yè)排放量分析

2018年該長流程鋼鐵企業(yè)現狀情景下SO2、NOx和PM10的排放量分別為2 502.54/a、9 575.73t/a和1 931.28t/a;預測超低情景下SO2、NOx和PM10的排放量分別為1 596.60t/a、4 171.16t/a和1 219.16t/a。其中：超低情景較現狀情景NOx減排比例最高，為56.44%;SO2和PM10減排比例分別為36.20%和36.87%。主要原因是超低標準對NOx的控制較對SO2和PM10的控制更嚴格。超低標準與現狀情景執(zhí)行的新建企業(yè)標準相比較：NOx的排放濃度最高下降了83.33%，高于SO2和PM10的下降比例（最高下降分別為82.50%和80.00%）。預測結果表明：該鋼鐵企業(yè)的超低排放改造對NOx減排效果更為明顯。該鋼鐵企業(yè)現狀情景和超低情景下各生產節(jié)點大氣污染物排放情況見圖2。

對于主要排放污染物，SO2和NOx主要排放來源于燒結機頭、高爐熱風爐和軋鋼熱處理爐節(jié)點。結合現狀情景和超低排放情景下企業(yè)排放水平發(fā)現，該企業(yè)超低排放改造完成后SO2減排潛力最大的排放節(jié)點是軋鋼熱處理爐，削減比例達到66.67%，占SO2減排總量的比例達81.81%。說明未來要加強對軋鋼熱處理爐的脫硫控制水平，從源頭減少企業(yè)SO2排放總量。

對于NOx排放，其削減比例和減排占比最大的排放節(jié)點是燒結機頭（分別為72.12%和76.12%），一方面，由于超低排放標準對于燒結機頭控制力度最大（濃度限值下降達83.33%，遠高于其他節(jié)點）;另一方面，由于該企業(yè)燒結機頭排放NOx最多（占比達38.12%，高于其他節(jié)點），減排潛力最大。

對于PM10排放，該企業(yè)PM10排放主要來源于燒結機頭、燒結燃料破碎和燒結配料等節(jié)點，且燒結工序成為該企業(yè)主要排放源（排放占比達58.83%），超低改造完成后燒結工序減排占比最大（達58.21%），平均削減比例為34.36%。說明未來燒結工序仍然是該鋼鐵企業(yè)除塵控制的重中之重。

2.2 典型鋼鐵企業(yè)周邊環(huán)境空氣質量影響分析

分析該鋼鐵企業(yè)2018年現狀情景和超低情景下排放SO2、NOx和一次PM10對周邊大氣環(huán)境的影響和對空氣質量監(jiān)測站的濃度貢獻。

圖3顯示了在現狀情景和超低情境下典型鋼鐵企業(yè)周邊的SO2、NOx和一次PM10年均濃度，以及兩種情況之間的差異?？諝赓|量模型的結果表明，現狀情景下SO2、NOx和一次PM10高濃度區(qū)域均主要分布在該企業(yè)廠區(qū)周邊和北偏東和西偏南方向，超低情景下污染物分布與現狀情景基本一致，但高值區(qū)濃度出現明顯的下降。在模擬范圍內，現狀情景下SO2年均最大網格濃度為7.69μg/m3，NOx年均最大網格濃度為18.89μg/m3，一次PM10年均最大網格濃度為9.32μg/m3。超低情景下SO2年均最大網格濃度為3.15μg/m3，較現狀情景下降了47.23%;NOx年均最大網格濃度為11.35μg/m3，較現狀情景下降了47.77%;一次PM10年均最大網格濃度為5.42μg/m3，較現狀情景下降了37.85%。

現狀情景下，典型鋼鐵企業(yè)對5個空氣質量監(jiān)測站SO2、NOx和PM10的年均貢獻濃度分別為0.08～0.16μg/m3、0.24～0.48μg/m3和0.14～0.28μg/m3，分別占監(jiān)測值的0.40%～0.72%、0.60%～1.32%和0.16%～0.28%。其中NOx貢獻濃度的占比最高，平均占比為0.87%。超低情景下，典型鋼鐵企業(yè)對5個空氣質量監(jiān)測站SO2、NOx和PM10的年均貢獻濃度分別為0.04～0.08μg/m3、0.13～0.26μg/m3和0.09～0.18μg/m3，分別占監(jiān)測值的0.21%～0.37%、0.32%～0.71%和0.10%～0.18%。其中NOx貢獻濃度的占比由0.87%下降到0.47%，平均下降了0.4個百分點，下降最為明顯;PM10的一次貢獻濃度占比下降相對較少，平均下降了0.08個百分點。

2.3 不確定性分析

（1）鋼鐵排放清單的不確定性。本次研究對鋼鐵排放清單中有組織污染源進行模擬分析，未分析無組織排放影響，模擬結果存在一定的不確定性。（2）本研究的模擬中，未考慮SO2、NOx、VOCs等化學反應機制，使NOx、PM10等模擬結果存在不確定性。（3）本研究選取的氣象場數據年份為2018年，氣象場選取的年份不同，會導致模擬結果存在差異。

3 結論

（1）鋼鐵企業(yè)超低排放改造后，從排放量來看，NOx減排比例最高為56.44%，SO2和PM10減排比例分別為36.20%和36.87%。典型鋼鐵企業(yè)的超低排放改造對NOx減排效果更為明顯。（2）典型鋼鐵企業(yè)超低排放改造后，對5個空氣質量監(jiān)測站SO2、NOx和PM10的年均貢獻濃度分別下降0.05μg/m3、0.16μg/m3和0.07μg/m3，在京津冀地區(qū)城市空氣質量目標值持續(xù)降低的背景下，典型鋼鐵企業(yè)的超低排放改造具有一定的意義。

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收稿日期：2020-06-22

基金項目：生態(tài)環(huán)境部環(huán)境工程評估中心創(chuàng)新科研項目（2019-10）;國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFC0208101）;大氣重污染成因與治理攻關項目（DQGG0209-07、DQGG0304-07）

作者簡介：李厚宇（1994-），男，工程師，研究方向為大氣環(huán)境模擬與環(huán)境規(guī)劃。

通訊作者：伯鑫（1983-），男，高級工程師，研究方向為排放清單及大氣污染模擬。