我国氮氧化物排放因子的修正和排放量计算_2000年

我国氮氧化物排放因子的修正和 排放量计算: 2000年 孙庆贺 � 陆永琪 � 傅立新 � 田贺中 � 郝吉明 (清华大学环境科学与工程系, 北京 100084) 摘 � 要 � 根据我国城市的发展状况,采用城市分类的方法,将我国 261 个地级市按照人口数量分为 5 个类别。每类城 市选取一个典型城市进行实地调查,对我国燃烧锅炉和机动车的NOx 的排放因子进行了修正, 提出了适合我国目前排放水 平的各类城市的固定源和移动源的排放因子。并依据 2000 年中国大陆地区的电站锅炉、工业锅炉和民用炉具的燃料消耗 量和机动车保有量,以地级市为基本单位, 估算了 2000 年我国各地区的 NOx 排放量 ,分析了分地区、分行业、分燃料类型的 NOx 排放特征。2000年我国 NOx 排放总量为 11. 12 Mt,其中固定源占 60. 8 % ; 移动源占 39. 2 %。NOx 排放在地域、行业和 燃料类型上分布均不平衡。NOx 的排放主要集中在华东和华北地区, 其排放量占全国排放量的一半以上。燃煤为最重要 的NOx 排放源, 其排放量占燃料型 NOx 排放量的 72. 3 %左右。 关键词 � 氮氧化物 � 排放因子 � 固定源 � 移动源 � 排放量 Adjustment on NOx emission factors and calculation of NOx emissions in China in the year 2000 Sun Qinghe � Lu Yongqi � Fu Lixin � Tian Hezhong � Hao Jiming ( Department of Environmental Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084) Abstract � This paper focused on the correction to NO x emission factors and calculation of NOx emissions in Chi� na in 2000. A more detailed classification about Chinese cities was adopted. Chinese 261 cities were classified to 5 levels and the cit ies of each level have the same emission factors, which were calculated according to emission factors� investigation of the typical cities. The stationary and mobile sources were separately treated. Within the stat ionary sources, a further classification into power plants, industrial boilers and household stoves were carried out. According to the current condition of Chinese combustion facilities, NOx emission factors of boilers and vehicles were adjusted, and emission factors of stat ionary and mobile sources more suitable were put forward. The emissions were estimated in a higher resolution, with the special efforts in identifying the energy use over individual regions and emission factors re� lated to the combustion facility and fuel, and the city scale. The emission characteristics were further analyzed in terms of the regional distribut ion, economic sectors and fuel types. The estimation shows that in China in 2000, the total NOx emissions were 11. 12 Mt , of which 60. 8% were from the stationary sources and the others from the mobile sources. The significant unevenness of NO x emissions from individual fuels, economic sectors and spatial regions exists according to the est imation. The large emissions of NOx were found in the East China and North China, whose emis� sions shared above half of the total emissions. Meanwhile, coal burning contributed about 72�3% of the total fuel NO x emissions, which became the most important source of NOx emissions. Key words � nitrogen oxides; emission factor; stationary source; mobile source; emissions 收稿日期: 2003- 03- 25; 修订日期: 2003- 04- 17 作者简介: 孙庆贺( 1978~ ) ,女,硕士研究生, 主要研究方向: 大气污 染控制工程。 � � 氮氧化物污染排放源通常可以分为固定源和移 动源 2 部分。其中固定源主要包括电站锅炉、工业 锅炉和民用炉具等, 移动源主要是指城市机动车。 目前在我国, 固定源 NOx 的排放仍然占很大比重。 但随着城市机动车保有量的快速增长, 尤其是在一 些大中城市,移动源 NOx 的排放量所占比重也越来 越大,其对环境的危害也不可忽视。 第 5卷第 2 期 环境污染治理技术与设备 Vol . 5 , No . 2 2 0 0 4 年 2 月 Techniques and Equipment for Environmental Pollution Control Feb . 2 0 0 4 确定氮氧化物的排放因子,是了解我国氮氧化 物排放状况,建立详细的氮氧化物排放清单, 并制定 有效的控制措施的基础。近年来,国内外一些研究 机构曾对我国的氮氧化物的排放因子和排放状况进 行了研究[ 1~ 5]。但国外研究与我国的实际排放水平 有一定差距,而国内研究机构对我国燃烧设备 NO x 的排放的测试数据又比较零散,因此,确定适合我国 目前排放水平、而且能够广泛用于各地 NO x 排放量 计算的排放因子的任务迫在眉睫。 本研究根据我国城市的发展状况, 按人口数量 将我国 261个地级市划分为 5个类别。每一类选取 一个典型城市, 采用实地调查的方法,对固定源的排 放因子进行了修正。同时采用美国环保局推荐的 MOBILE5模式, 根据我国城市机动车的车龄工况等 信息,计算了典型城市机动车的排放因子,确定了适 合目前我国机动车排放水平的移动源排放因子。在 此修正的排放因子的基础上, 根据我国的能源消费 状况和机动车保有量,以地级市为基本单位, 对我国 大陆各地区2000年氮氧化物的排放量进行了计算。 排放量计算结果表明, 采用此修正后的排放因 子计算所得的排放量,与田贺中等[ 2]采用国外 20世 纪80年代的排放因子的计算结果是一致的,所以采 用此城市分类法和修正的排放因子是合理的。而 且,此修正的排放因子是目前为止国内首次系统地 提出固定源和移动源的排放因子,对将来的相关研 究有一定的参考意义。 1 � 计算方法 1. 1 � 城市分类法 我国幅员辽阔,不同的城市和地区由于其规模 和所处地理位置的不同, 发展程度参差不齐, 在燃烧 设备分布和燃料使用上存在着较大的差异, 而城市 机动车在车龄、工况及保有量上也相差较大, 从而单 锅炉的排放因子和单量机动车的排放因子存在着较 大差异。为简单准确估算不同地区的氮氧化物排放 量,本研究采用城市分类的方法对 NOx 的排放因子 进行修正,并对排放量进行计算。 城市分类法以地级市为计算的基本单位, 将全 国261个地级市(包括其郊区)按照人口数量划分为 5个类别,对于同一类别的地级市采用相同的燃烧 锅炉排放因子和机动车排放因子进行计算。具体城 市分类法如表 1所示, 每类城市分别选取一个典型 城市进行排放因子的实地调查和计算。在计算不同 的地级市的排放量时, 首先根据该地级市的人口数 量确定其所属类别,然后采用核实的不同的排放因 子、燃料消耗量和机动车保有量进行计算。 表 1� 城市分类法 Table 1� City classification 人口范围(万人) 典型城市 城市实际人口(万人) > 500 北京 653. 27 300~ 500 沈阳 386. 30 100~ 300 郑州 134. 18 50~ 100 洛阳 97. 84 < 50 秦皇岛 47. 10 1. 2 � 排放因子修正 污染物排放因子是估算和预测污染物产生量的 基础, 其取值的准确程度直接影响到对污染物排放 现状的估算与未来的排放预测。固定源 NOx 排放 主要是通过锅炉燃料燃烧排放, 其排放因子定义为 单位燃料燃烧的NOx 排放量。移动源 NOx 的单车 排放因子定义为单量机动车行驶单位里程的污染物 排放量,是通过MOBILE5模式计算而得。两者所用 的方法和意义不同, 我们分别进行讨论。 1. 2. 1 � 固定源排放因子 固定源的单锅炉 NOx 排放因子一般采取现场 实测的方法进行确定。电厂锅炉的测量位置一般在 电厂烟囱中,采样位置尽量在气流稳定的垂直管段 上,其排放因子与炉型、装机容量、燃料类型、燃烧温 度等有关。工业锅炉和民用炉具的测量方法与电站 锅炉的测试方法基本相同,通过实地测量,可以得到 不同锅炉类型、不同吨位和不同燃料类型的锅炉的 单锅炉排放因子[ 1, 2, 6~ 10]。 对于典型城市, 采用实地调查的方法,分别调查 其不同类型锅炉的台数、吨位、燃料类别、燃料消耗 量、燃烧状况和使用状况, 综合单锅炉排放因子, 计 算可得修正后的典型城市的 NOx 平均排放因子。 其结果如表2所示。 1. 2. 2 � 机动车排放因子 MOBILE系列模式由美国环保局研究开发, 用 于计算实际运行条件下, HC、CO和 NO x 3种气态污 染物平均排放因子的数学模型。本次所使用的模型 是根据我国的实际情况进行修正后得到的结果。它 是建立在实验的基础上, 同我国目前的实际情况较 为接近。我们此次计算主要是采用 MOBILE5 模式 计算单车的NOx 排放因子。 91第 2 期 孙庆贺等: 我国氮氧化物排放因子的修正和排放量计算: 2000年 表 2� 固定源 NOx 平均排放因子 Table 2 � NOx emission factors of stationary sources 人口范围 (万人) 电站锅炉排放因子( kg/ t) 燃煤 燃油 燃气 工业锅炉排放因子( kg/ t) 燃煤 燃油 燃气 民用锅炉排放因子(kg/ t ) 燃煤 燃油 燃气 > 500 12. 2 17. 2 3. 74 1. 05 10. 5 2. 63 0. 75 0. 96 0. 88 300~ 500 12. 2 17. 2 3. 74 1. 65 10. 5 2. 63 0. 75 0. 96 0. 88 100~ 300 12. 2 17. 2 3. 74 1. 94 10. 5 2. 63 0. 75 0. 96 0. 88 50~ 100 12. 2 17. 2 3. 74 2. 01 10. 5 2. 63 0. 75 0. 96 0. 88 < 50 12. 2 17. 2 3. 74 2. 61 10. 5 2. 63 1. 88 10. 7 0. 88 表 3� 移动源 NOx 排放因子 Table 3 � NOx emission factors of mobile sources 城市人口 (万人) 典型城市 年均行驶里程 ( 104 km/ a) 平均排放因子 ( g/ km) 综合排放因子( kg/ a�辆) 汽车 摩托车 > 500 北京 2. 75 9. 23 253. 8 2. 43 300~ 500 沈阳 2. 64 9. 07 237. 6 2. 60 100~ 300 郑州 2. 57 8. 95 229. 7 2. 60 50~ 100 洛阳 2. 48 8. 83 218. 7 2. 90 < 50 秦皇岛 2. 41 8. 75 210. 9 3. 00 � � 在用户使用该模式进行计算时,必须进行准备 及输入下列项目: I/M 程序数据及计算地区的区域 参数,包括其纬度、计算年、月份、计算年的 1月或 7 月最高、最低气温、环境温度、计算年城市机动车平 均行驶速度、冷热启动比、汽油燃料的挥发的有关信 息等等。 由模式分别计算出典型城市 1月份和 7月份的 单车排放因子, 平均可得典型城市机动车年平均单 车排放因子。由于 LDGV、LDGT1、LDGT2、LDGT、 HDGV、LDDV、LDDT 和 HDDV 等 8种车型的单车排 放因子相差不大,统称为汽车,使用其平均值作为排 放因子。而 MC(摩托车)的单车排放因子与其他类 型机动车的排放因子相差较大,且其保有量较大, 不 可忽视,故分别进行计算。 对典型城市进行实地调查,调查其机动车的年 均行驶里程和行驶工况等参数, 平均计算可得典型 城市汽车和摩托车的平均排放因子。其调查和计算 结果如表 3所示。 1. 3 � 能源消耗 我国燃料消费组成为煤、石油和天然气。近 15 年来, 煤在全部能源消费中大于 75% [ 1]。电站锅炉 的分布和燃料消耗量由国家电力资料统计而得, 工 业锅炉和民用炉具的燃料消耗量参考 2001年�中国 统计年鉴�、�各省、市年鉴�和 �各省市统计年 鉴�[ 11~ 13]。机动车保有量参考 2001年�中国交通年 鉴�和各省、市的交通年鉴[ 14]。 1. 4 � 排放量的计算 由修正后的排放因子,综合各地能源消耗状况,可 分别计算出各地的固定源和移动源的NOx 排放量,加 和可得该地级市NOx 排放总量。其计算公式如下: NT= NF+ NM NF= NP + N I+ NC NP= KP � FP N I= KI � FI NC= KC � FC NM= KM1 � VM1+ KM2 � VM2 NT 为NOx 排放总量; NF 为固定源排放的 NOx ; NM 为移动源排放的 NOx ; NP 为电站锅炉排放的 NOx ; N I 为工业锅炉排放的 NOx ; NC 为民用锅炉排 放的NOx ; KE 为电站锅炉以 NO2 计的 NOx 排放因 子; FP 为电站锅炉燃料消耗量; KI 为工业锅炉以 NO2计的 NO x 排放因子; FI 为工业锅炉燃料消耗 量; KC 为民用炉具以 NO2 计的 NOx 排放因子; FC 为民用炉具燃料消耗量; KM1为汽车以 NO2 计的平 均NOx 排放因子; VM1为城市汽车保有量; KM2为摩 92 环 境 污 染 治 理 技 术 与 设 备 第 5 卷 托车以 NO2 计的 NO x 排放因子; VM2为城市摩托车 保有量。 图 1� 2000 年我国部分地区 NO x 排放量 Fig. 1� NO x Emission of China in 2000 然后使用�自下而上�的方法[ 2] , 地级市相加得 所属省的NOx 排放总量, 各省相加得全国的 NOx 排 放总量。 2 � 计算结果 2. 1 � 各省、市、自治区和全国的 NOx 排放量 � � 采用上述方法可计算得全国各省、市、自治区和 全国 2000年 NOx 排放量。2000 年中国大陆地区 NOx 排放总量为 1112. 1425万 t ,其中排放量最大的 为华东地区和华北地区,其排放量均达到了 200 万 t / a, 两者之和占全国排放总量的一半以上。 NO x 的排放在地区间的分布极不平衡, 各省区 间差异较大。经济发达的大城市和东部沿海地区的 排放量都比较大,其中北京和上海等直辖市的年排 放量均超过 20 万 t,辽宁、广东、山东和江苏等省的 年排放量均超过70万 t。传统的工业发展的省区排 放量也较大,如河北、黑龙江和河南等省, 其NOx 年 排放量也达到了 50 万 t。而边远省份排放量较小, 如青海和海南岛等省份, 其 NOx 年排放量均还不足 10 万 t。图 1给出了 2000年各省、市和自治区不同 排放源的NOx 排放清单。 国内外一些学者先后对 1990~ 2020 年中国 NOx 的排放量进行了估计,不同作者的计算结果如 表4所示。由表 4可知, 随着国内经济增长和机动 车保有量的增大, NOx 排放量是逐渐增大的。本文 计算结果与国内外学者计算的基本相当, 从而证明 采用此种计算方法是可信的。与田贺中等[ 2]的计算 相比,本研究将计算基本单位细化到地级市,更准确 地估计了全国各地的 NOx 排放量, 有利于各地提出 切实的控制措施。 表 4� NOx 排放量计算结果的比较 Table 4� Contrast of different calculation results of NOx emission amount 年度 排放量( Mt/ a) 资料来源 1990 8. 422 王文兴等[ 1] 1990 8. 273 Aardenne等[ 5] 1998 11. 836 田贺中等[ 2] 2000 11. 121 本文 2000 13. 719 Aardenne等[ 5] 2. 2 � 分行业的 NOx 排放特征 � � 从图 1可以看出,除云南、广西、海南等少数省、 区外,固定源 NOx 的排放量仍然占各省、区排放量 的较大比例。在全国NOx 排放中, 60. 8%为固定源 排放, 所以固定源仍是我国 NOx 的主要排放源。在 固定源 NOx 排放中, 工业锅炉和电站锅炉分别占 54�2%和 43. 1%, 对 NOx 的排放贡献较大, 而民用 锅炉的排放量相对较小,其排放比例不到 NOx 的总 排放量的 2%。 移动源 NOx 的排放量已高达我国 NOx 总排放 93第 2 期 孙庆贺等: 我国氮氧化物排放因子的修正和排放量计算: 2000年 量的39 . 2% , 比往年出现大比例的增长[ 1, 2]。随着 我国机动车保有量的快速增长, 已有机动车车龄的 增长,劣化率的增大,移动源 NOx 的排放贡献还会 有所增长。机动车的排放主要集中在大中城市, 对 城市空气质量带来了较大的威胁。因此, 要减少我 国NO x 的排放量,不但应从工业锅炉和电站锅炉着 手,而且要大力加强对机动车的控制。 2. 3 � 分燃料类型的 NO x 排放特征 � � 在不同燃料造成的NOx 排放中,由燃煤产生的 NOx 排放占燃料型 NOx 排放总量的 72. 3% ,燃油产 生的NOx 排放占燃料型NOx 排放总量的 27. 4% ,燃 气产生的不足燃料型 NO x 排放总量的 1%。由此可 见,燃煤始终是我国 NOx 排放的主要来源。要控制 我国NOx 的排放,需要从控制燃料的消耗类型和方 式着手。加大清洁煤技术的开发力度, 鼓励开发利 用低污染的替代燃料( LPG、天然气等) , 同时安装低 氮氧化物燃烧系统等, 逐步改善我国以煤为主的能 源消费结构, 可有效地控制我国能源使用产生的 NOx 污染。 3 � 结 � 论 ( 1) 本研究提出城市分类的方法, 根据我国各 地级市的发展状况, 按照其人口数量, 将全国 261个 地级市分为5个类别。每一类选取一个典型城市进 行实地调查,对固定源和移动源的排放因子进行修 正,提出了适合各类城市使用的 NO x 排放因子。采 用此排放因子计算的 2000年我国 NO x 排放量与国 内外其他学者的计算量相当, 证实此排放因子是可 信的。 ( 2) 根据 2000年我国电站锅炉、工业锅炉和民 用炉具的燃料消耗量和机动车保有量, 采用根据我 国目前燃烧设备现状修正的NOx 排放因子, 以地级 市为基本单位, 估算了2000年我国各地区的 NOx 排 放量。2000年我国NOx 排放总量为 11 121 425 t ,其 中固定源和移动源分别为6 765 458 t和 4 355 967 t。 (3) NOx 排放在地域、行业和燃料类型上分布 均不平衡。我国的 NOx 排放主要集中在华东和华 北地区,其排放量占全国排放量的一半以上。固定 源NOx 的排放占总排放量的 60. 8%, 但移动源 NO x 的排放有逐年增大的趋势,其影响不容忽视。燃煤 为最重要的NOx 排放源, 其排放量占固定源 NOx 排 放量的72. 3%左右。 参 考 文 献 [ 1] 王文兴,王玮, 张婉华,等. 我国 SO2 和 NOx 排放强度地 理分布和历史趋势. 中国环境科学, 1996, 16( 3) : 161~ 166 [ 2] 田贺中, 郝吉明, 陆永琪, 等. 中国氮氧化物排放清单及 分布特征.中国环境科学, 2001, 21( 6) : 493~ 497 [ 3] Kato H, Akimoto N. 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