吳華成,周衛(wèi)青,李朋,張子健,汪美順,周子龍
(1.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學(xué)研究院(華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司),北京市 西城區(qū) 100045;2.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司,北京市 西城區(qū) 100054;3.國(guó)家電網(wǎng)有限公司,北京市 西城區(qū) 100031)
近年來(lái),北方地區(qū)采暖季“霧霾圍城”將散煤推向了環(huán)境治理的風(fēng)口[1]。相關(guān)研究表明,散煤燃燒特別是農(nóng)村地區(qū)散煤取暖是中國(guó)北方地區(qū)冬季霧霾天氣頻發(fā)的重要原因之一[2]。以北京地區(qū)為例,2014年采暖季民用燃煤的SO2、NOx、PM10、PM2.5日排放強(qiáng)度分別約為電力行業(yè)的7倍、1.2倍、8倍和5倍[3]。近些年,農(nóng)村散煤治理一直是中國(guó)北方地區(qū)大氣污染防治的重點(diǎn)工作之一。
2013年9月國(guó)務(wù)院出臺(tái)《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》,提出了以北京市及其周邊傳輸通道地區(qū)為重點(diǎn),加快推進(jìn)散煤替代,開(kāi)啟了散煤治理的步伐,散煤治理也為《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)做出了突出貢獻(xiàn),據(jù)中國(guó)工程院對(duì)《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》的終期評(píng)估,僅2016—2017年兩年間的散煤治理就對(duì)京津冀地區(qū)2017年的PM2.5年均濃度下降貢獻(xiàn)了21%[4]。2018年國(guó)家四部委聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于擴(kuò)大中央財(cái)政支持北方地區(qū)冬季清潔取暖城市試點(diǎn)的通知》明確指出,清潔取暖試點(diǎn)城市申報(bào)范圍擴(kuò)展至京津冀及周邊地區(qū)大氣污染防治傳輸通道“2+26”城市、張家口市和汾渭平原城市,3年示范期結(jié)束后試點(diǎn)城市城區(qū)清潔取暖率要達(dá)到100%。
近年來(lái)許多學(xué)者通過(guò)空氣質(zhì)量模型模擬了民用散煤對(duì)區(qū)域空氣質(zhì)量的影響。張眾志等[5-6]通過(guò)WRF-CMAQ(weather research and forecasting-the community multiscale air quality)模型模擬了民用散煤對(duì)京津冀地區(qū)2015年冬季PM2.5污染的貢獻(xiàn),其結(jié)果顯示在重污染時(shí)期,民用散煤燃燒對(duì)京津冀區(qū)域PM2.5月均濃度的貢獻(xiàn)為30%~57%。李霞等[7-8]基于WRF-Chem(weather research and forecasting (WRF)model coupled with chemistry)模式計(jì)算京津冀地區(qū)2014年冬季大氣重污染期間家用燃煤排放對(duì)空氣質(zhì)量的影響,以及關(guān)中地區(qū)大氣重污染期間PM2.5污染過(guò)程及污染源相關(guān)貢獻(xiàn),其計(jì)算結(jié)果表明,京津冀地區(qū)家用燃煤排放對(duì)當(dāng)?shù)豍M2.5質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)為23.1%,居民源是秋冬季關(guān)中地區(qū)主要污染源。盡管民用散煤對(duì)區(qū)域大氣環(huán)境影響的研究較多,但“以電代煤”對(duì)區(qū)域大氣改善的影響卻鮮有報(bào)道。閆禎等[9]采用貢獻(xiàn)系數(shù)的方法估算了京津冀地區(qū)“煤改電”大氣污染物減排潛力,在替代戶(hù)數(shù)為202萬(wàn)戶(hù)與315萬(wàn)戶(hù)的假設(shè)情景下,京津冀地區(qū)PM2.5年均濃度下降值分別為3.6 μg/m3與4.3 μg/m3。張翔等[10]通過(guò)能源-環(huán)境-經(jīng)濟(jì)可持續(xù)綜合評(píng)價(jià)模型(integrated model of energy, environment and economy for sustainable development, IMED)計(jì)算得到,通過(guò)實(shí)施“煤改電”,2020年京津冀區(qū)域PM2.5年均濃度可下降6~15 μg/m3。然而,結(jié)合“以電代煤”的實(shí)施情況,計(jì)算實(shí)施區(qū)域內(nèi)“以電代煤”替代大氣污染物的排放清單,以及基于空氣質(zhì)量模式,綜合考慮氣象、地理等因素,對(duì)“以電代煤”實(shí)施后區(qū)域大氣質(zhì)量環(huán)境的改善進(jìn)行定量評(píng)價(jià),還有待進(jìn)一步研究。
國(guó)家電網(wǎng)有限公司積極落實(shí)國(guó)家北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃,大力推進(jìn)“以電代煤”工程(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“煤改電”),助力打贏“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”。在“碳達(dá)峰、碳中和”的背景下,“煤改電”工程在促進(jìn)能源供給側(cè)清潔化低碳化、能源消費(fèi)側(cè)高效化減量化電氣化方面也發(fā)揮了重要作用。京津冀與關(guān)中地區(qū)都是大氣污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的重要戰(zhàn)場(chǎng),也是國(guó)網(wǎng)公司“煤改電”工程的重點(diǎn)實(shí)施區(qū)域。本文將研究京津冀與關(guān)中地區(qū)“煤改電”實(shí)施后對(duì)區(qū)域大氣環(huán)境改善以及碳排放的定量影響。
京津冀各地區(qū)“煤改電”實(shí)施情況差異較大。北京地區(qū)自2003年開(kāi)始實(shí)施“煤改電”,截至2018年底,北京地區(qū)“煤改電”用戶(hù)約128萬(wàn)戶(hù)[11]。天津地區(qū)首批“煤改電”試點(diǎn)開(kāi)始于2015年[12],截至2018年底,“煤改電”工程用戶(hù)約71.9萬(wàn)戶(hù)[13]。河北省2015年在石家莊與保定地區(qū)開(kāi)始“煤改電”試點(diǎn),截至2018年底,國(guó)網(wǎng)河北省電力公司與國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司共完成“煤改電”約58.5萬(wàn)戶(hù)[14],整個(gè)京津冀地區(qū) “煤改電”工程共替代用戶(hù)約258.4萬(wàn)戶(hù)。京津冀與關(guān)中地區(qū)“煤改電”實(shí)施情況見(jiàn)表1。
表1 截至2018年京津冀與關(guān)中地區(qū)“煤改電”實(shí)施情況Table 1 Implementation of “coal-to-electricity” policy in Beijing-Tianjin-Hebei region and Guanzhong region till 2018
關(guān)中地區(qū)包括西安市、咸陽(yáng)市、寶雞市、渭南市、銅川市、韓城市與楊凌示范區(qū)、西咸新區(qū),是汾渭平原的重要組成部分。根據(jù)國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司相關(guān)數(shù)據(jù),截至2018年底,整個(gè)關(guān)中地區(qū)“煤改電”替代總戶(hù)數(shù)為65.76萬(wàn)戶(hù),與京津冀地區(qū)相比規(guī)模明顯偏小,關(guān)中地區(qū)“煤改電”戶(hù)數(shù)介于河北省與天津市之間。主要集中在西安地區(qū),共有47.69萬(wàn)戶(hù),占關(guān)中地區(qū)“煤改電”總量的72.52%;其次為咸陽(yáng)和渭南,其替代戶(hù)數(shù)分別為7.44萬(wàn)戶(hù)和3.34萬(wàn)戶(hù);關(guān)中其他地區(qū)“煤改電”實(shí)施程度不高,均在3萬(wàn)戶(hù)以下。
京津冀與關(guān)中地區(qū)“煤改電”實(shí)施后,替代了散煤的使用,相應(yīng)減少了散煤產(chǎn)生的大氣污染物。“煤改電”替代散煤排放清單中各類(lèi)大氣污染物排放量根據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算[15]。
式中:E為某污染物的排放量,t/a;A為地區(qū)散煤替代戶(hù)數(shù);M為戶(hù)均燃煤量,t/a;C為地區(qū)原煤使用比例,%;Ki和Kj分別為原煤與型煤的污染物排放因子[15],kg/t。
京津冀與關(guān)中地區(qū)戶(hù)均燃煤量通過(guò)公開(kāi)文獻(xiàn)報(bào)道獲取,原煤使用比例通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研獲得[15]。大氣污染物排放因子引用文獻(xiàn)數(shù)據(jù)[16]與《民用煤大氣污染物排放清單編制技術(shù)指南》[17]中的相關(guān)數(shù)據(jù)。
京津冀與關(guān)中地區(qū)“煤改電”替代散煤產(chǎn)生大氣污染物排放清單見(jiàn)表2。截至2018年,京津冀地區(qū)“煤改電”完成后,每年可替代散煤706.6萬(wàn)t,可減少TSP(total suspended particulate,總懸浮顆粒物)、PM10、PM2.5、BC(black carbon)、OC(elemental carbon)、CO、NOx、SO2和VOCs(volatile organic compounds)的排放量如表2所示,CO由于排放因子高[18],減排量最大。北京市由于“煤改電”實(shí)施力度最大,每年可減少散煤燃燒438.16萬(wàn)t,超過(guò)了天津市和河北省總和,以PM2.5、SO2和NOx為例,可分別減少排放1.29萬(wàn)t、1.01萬(wàn)t和0.39萬(wàn)t。天津市2018年“煤改電”完成后,每年可減少散煤161.22萬(wàn)t,分別減少PM2.5、SO2和NOx排放0.84萬(wàn)t、0.64萬(wàn)t和0.21萬(wàn)t。河北省“煤改電”實(shí)施規(guī)模低于北京市與天津市,每年替代散煤約107.22萬(wàn)t,分別減少PM2.5、SO2和NOx排放0.68萬(wàn)t、0.52萬(wàn)t和0.17萬(wàn)t。從表2可以看出,燃煤量與污染物排放量之間并沒(méi)有呈現(xiàn)簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系,這是由于式(1)中,各地區(qū)原煤與型煤比例不同,且兩種煤的排放因子存在一定差異。例如,北京地區(qū)型煤使用率為100%,天津地區(qū)約為59.8%;型煤與原煤PM2.5的排放因子分別為2.95 kg/t與8.58 kg/t。由此可以計(jì)算出,北京“以電代煤”替代燃煤量約為天津的2.72倍,而替代PM2.5排放量只有天津的1.53倍。
表2 京津冀與關(guān)中地區(qū)“煤改電”替代散煤排放清單Table 2 Emission inventory of atmospheric pollutants from the residential coal replaced by “coal-to-electricity” policy in Beijing-Tianjin-Hebei region and Guanzhong region
與京津冀地區(qū)相比,由于關(guān)中地區(qū)“煤改電”實(shí)施規(guī)模較小,每年可減少散煤使用69.39萬(wàn)t,替代散煤排放清單如表2所示。關(guān)中地區(qū)“煤改電”戶(hù)數(shù)高于河北省,但替代燃煤量卻明顯小于河北省,其原因在于受氣溫與生活習(xí)慣影響,京津冀地區(qū)戶(hù)均年燃煤量高于關(guān)中地區(qū)。西安市“煤改電”實(shí)施后,每年可減少燃煤50.34萬(wàn)t,減少PM2.5、SO2與NOx排放分別約0.36萬(wàn)t、0.27萬(wàn)t與0.09萬(wàn)t。
根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)有限公司相關(guān)報(bào)道[19],截至2020年,國(guó)網(wǎng)公司完成北方地區(qū)“煤改電”清潔取暖改造1063萬(wàn)戶(hù),可減少散燒煤2055萬(wàn)t。本研究中京津冀與關(guān)中地區(qū)截至2018年“煤改電”約324.16萬(wàn)戶(hù),共替代散煤約776萬(wàn)t,低于報(bào)道中的數(shù)據(jù)。這一方面是因?yàn)閳?bào)道中的數(shù)據(jù)涵蓋的地理范圍為整個(gè)北方地區(qū);另一方面,由于2020年是“打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃”收官之年,國(guó)網(wǎng)公司加快推進(jìn)了“煤改電”相關(guān)工作,因此“煤改電”用戶(hù)大大增加。此外,報(bào)道中戶(hù)均燃煤用量為1.93 t/a,本研究中京津冀與關(guān)中地區(qū)該量約為2.39 t/a,略高于報(bào)道中的數(shù)據(jù),其可能原因在于,本研究中北京與天津地區(qū)替代戶(hù)數(shù)占比較高,而這兩個(gè)地區(qū)戶(hù)均燃煤量相對(duì)較大[15]。
WRF-Chem模式是基于一種氣象過(guò)程和化學(xué)過(guò)程同時(shí)發(fā)生相互耦合的全新的大氣化學(xué)模式理念設(shè)計(jì)而成,被廣泛應(yīng)用于大氣環(huán)境質(zhì)量模擬[20-23]。本研究基于WRF-Chem模式模擬了京津冀與關(guān)中地區(qū)在“煤改電”之后,對(duì)區(qū)域大氣污染物PM2.5濃度的影響,采用的基礎(chǔ)排放清單為清華大學(xué)主持研發(fā)的華北區(qū)域0.1°×0.1°格點(diǎn)化清單。將“煤改電”排放清單經(jīng)過(guò)時(shí)間分配、空間差值與排放高度垂直分布處理后,輸入WRF-Chem模式計(jì)算得到對(duì)應(yīng)情景下不同大氣污染物的濃度。在之前的研究工作中,WRF-Chem模式展示了其模擬值與觀測(cè)值之間良好的相關(guān)性[24-25]?!懊焊碾姟惫こ虒?duì)區(qū)域大氣污染物濃度的定量影響通過(guò)式(2)進(jìn)行計(jì)算。
式中:Δm為污染物濃度變化百分比;ΔC為污染物濃度變化量;Cbase為基礎(chǔ)情景即“煤改電”實(shí)施前情景下的大氣污染物濃度;C′為“煤改電”實(shí)施后大氣污染物濃度。
在京津冀地區(qū)供暖季,PM2.5為首要大氣污染物,圖1展示了通過(guò)WRF-Chem模式模擬計(jì)算得到京津冀地區(qū)在“煤改電”實(shí)施后,2018至2019年供暖季地面PM2.5濃度變化以及變化比例。由圖1可知,就月平均濃度變化量空間分布來(lái)看,月均濃度變化較大的區(qū)域集中在北京城區(qū)、天津和河北南部部分地區(qū),這些地區(qū)與“煤改電”措施實(shí)施后地面污染物排放量變化較大的區(qū)域吻合,表明就月平均狀況而言,該項(xiàng)措施的實(shí)施對(duì)當(dāng)?shù)卮髿馕廴疚餄舛鹊母纳谱铒@著;從月均濃度變化的程度來(lái)看,上述地區(qū)在措施實(shí)施后PM2.5月平均濃度下降3~26 μg/m3,變化量占比在2%~35%之間;采暖季逐月對(duì)比顯示,2018年12月濃度變化最為顯著,這與該月氣溫較低,燃燒散煤取暖相關(guān)。月均濃度的這種變化特點(diǎn),一方面與民用散煤燃燒的時(shí)間分布特點(diǎn)相關(guān),12月與1月都是民用散煤燃用量較大的月份[15];另一方面,也與氣象條件密切相關(guān),如氣溫、擴(kuò)散條件以及周邊污染物的傳輸?shù)?,?dǎo)致PM2.5濃度的下降會(huì)呈現(xiàn)一定的時(shí)間和空間分布。閆禎等[9]與張翔等[10]分別計(jì)算得到“煤改電”使京津冀地區(qū)PM2.5年均濃度下降3.6~4.3 μg/m3和6~15 μg/m3;Li等[26]研究表明,2013年京津冀地區(qū)民用源對(duì)年均PM2.5濃度的貢獻(xiàn)為30%,到冬季增加至48%,按此估算,“煤改電”可使京津冀年均和冬季PM2.5濃度分別下降6.88 μg/m3和24 μg/m3。本研究的計(jì)算結(jié)果與張翔等[10]的結(jié)果比較接近。
圖1 2018年11月至2019年3月京津冀及周邊地區(qū)“以電代煤”措施實(shí)施后對(duì)地面PM2.5濃度的影響:(a-e)月平均濃度變化量(μg/m3);(f-j)月平均濃度變化比例(%)Fig.1 The impact of the implementation of the “coal-to-electricity” PM2.5 concentration from November 2018 to March 2019:(a-e)monthly average concentration change (μg/m3); (f-j)monthly average concentration change ratio (%)
采用WRF-Chem模式模擬計(jì)算了2019年1月“煤改電”實(shí)施后對(duì)關(guān)中地區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量的影響。
關(guān)中地區(qū)實(shí)施“煤改電”后,有效降低冬季PM2.5、NO2、SO2、CO的平均質(zhì)量濃度分別為8.70 μg/m3、1.29 μg/m3、0.57 μg/m3、0.14 mg/m3,降低比例分別為6.8%、2.1%、3.3%、8.8%。造成O3質(zhì)量濃度上升0.17 μg/m3,上升比例為0.6%。主要原因是O3為二次反應(yīng)生成,其在大氣環(huán)境中的反應(yīng)屬于非線(xiàn)性過(guò)程,當(dāng)單一減少或增加其前體物(VOCs或氮氧化物)排放量時(shí),并不能保證O3濃度的降低,可能減弱夜間氮氧化物的滴定作用。
關(guān)中地區(qū)“煤改電”措施對(duì)西安、咸陽(yáng)、渭南、銅川和寶雞五市帶來(lái)的環(huán)境改善效益見(jiàn)圖2和圖3?!懊焊碾姟贝胧?shí)施后,除了會(huì)引起O3濃度的波動(dòng)外,可以有效降低冬季大氣污染物PM2.5、NO2、SO2和CO的濃度,尤其是冬季PM2.5的質(zhì)量濃度,對(duì)5個(gè)地市PM2.5質(zhì)量濃度影響順序?yàn)椋合剃?yáng)(10.96 μg/m3)>西安(9.62 μg/m3)>渭南(9.57 μg/m3)>寶雞(7.15 μg/m3)>銅川(5.70 μg/m3),從下降比例來(lái)看,咸陽(yáng)(7.1%)> 渭南(7.0%)> 西安(6.9%)>寶雞(6.4%)>銅川(5.8%)。
圖2 關(guān)中五市“煤改電”措施環(huán)境效益改善情況(PM2.5、O3、NO2和SO2質(zhì)量濃度單位為μg/m3,CO質(zhì)量濃度單位為mg/m3)Fig.2 Environmental benefits of the “coal-to-electricity”measures in five cities of Guanzhong areas(concentration unit of PM2.5, O3, NO2, and SO2 is μg/m3, that of CO2 is mg/m3)
圖3 “煤改電”降低關(guān)中五市主要污染物濃度比例Fig.3 Concentration reduction ratio of major air pollution in five cities of Guanzhong area by the “coal-to-electricity” measures
京津冀與關(guān)中地區(qū)“煤改電”替代散煤的碳排放量通過(guò)式 (3)進(jìn)行計(jì)算。
式中:Ee-coal為“煤改電”替代散煤的碳排放量,萬(wàn)t/a;Me-coal為“煤改電”之后每年替代散煤量,萬(wàn)t/a;ecoal為原煤的CO2排放因子,引用文獻(xiàn)中的參考值[27],取值2.39。計(jì)算得到京津冀與關(guān)中地區(qū)“煤改電”實(shí)施后對(duì)區(qū)域CO2的減排量匯總?cè)绫?所示。
表3 京津冀與關(guān)中地區(qū)“煤改電”CO2減排量Table 3 CO2 emission reduction from “coal-to-electricity” in Beijing-Tianjin-Hebei and Guanzhong area
值得注意的是,本研究計(jì)算“煤改電”對(duì)區(qū)域CO2減排的影響,只考慮了減少散煤導(dǎo)致CO2排放的降低,并未考慮電采暖導(dǎo)致用電量升高而帶來(lái)碳排放增加的問(wèn)題[27],因此其計(jì)算值可以被認(rèn)為是“煤改電”工程的CO2減排空間。受目前電源結(jié)構(gòu)中火電比例仍較高,以及電采暖相關(guān)設(shè)備電熱轉(zhuǎn)換效率有待提高等因素的影響,“煤改電”工程對(duì)CO2減排的作用還未充分發(fā)揮。要充分發(fā)揮“煤改電”工程的碳減排作用,一方面需要改變現(xiàn)有電源結(jié)構(gòu),降低火電比例,大力增加風(fēng)能、太陽(yáng)能、核能與水能等低碳能源占比;另一方面,在用戶(hù)側(cè)需要改進(jìn)“電-熱”轉(zhuǎn)換技術(shù)、材料與設(shè)備,例如分布式光伏蓄熱技術(shù),高效電制熱材料,與電網(wǎng)耦合交互的電采暖設(shè)備等。隨著國(guó)家“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的深入推進(jìn),以及電采暖相關(guān)材料、設(shè)備與技術(shù)路線(xiàn)的不斷改進(jìn)創(chuàng)新,在未來(lái)以新能源為主體的低碳能源結(jié)構(gòu)下,“煤改電”工程對(duì)區(qū)域CO2減排的作用將越來(lái)越明顯。
1)截至2018年,京津冀地區(qū)完成“煤改電”替代散煤用戶(hù)共258.4萬(wàn)戶(hù),其中北京市最多,占比約為49.5%。關(guān)中地區(qū)共完成“煤改電”替代散煤用戶(hù)共65.76萬(wàn)戶(hù),其中西安市為47.69萬(wàn)戶(hù),占比約72.52%。
2)經(jīng)過(guò)計(jì)算得到,京津冀地區(qū)“煤改電”之后,每年可替代散煤706.6萬(wàn)t,可減少PM2.5排放約2.81萬(wàn)t、SO2排放約2.17萬(wàn)t、NOx排放約0.76萬(wàn)t。關(guān)中地區(qū)“煤改電”實(shí)施后每年可減少散煤69.39萬(wàn)t,可減少PM2.5排放約0.48萬(wàn)t、SO2排放約0.37萬(wàn)t、NOx排放約0.12萬(wàn)t。
3)基于WRF-Chem空氣質(zhì)量模式模擬了“煤改電”實(shí)施后對(duì)區(qū)域大氣環(huán)境的定量影響。在京津冀地區(qū),PM2.5月均濃度變化較大的區(qū)域集中在北京城區(qū)、天津和石家莊地區(qū),與這些地區(qū)“煤改電”實(shí)施程度較大相關(guān),其PM2.5月平均濃度下降3~26 μg/m3,變化量占比在2%~35%之間;采暖期逐月對(duì)比顯示,2018年12月濃度變化最為顯著。
4)關(guān)中地區(qū)實(shí)施“煤改電”措施后,有效降低冬季PM2.5質(zhì)量濃度8.70 μg/m3,降低比例為6.8%;在關(guān)中五市中,PM2.5濃度影響最大的是咸陽(yáng)市,其降低值與比例分別為10.96 μg/m3與7.1%。
5)截至2018年“煤改電”實(shí)施后,京津冀地區(qū)每年可減少散煤燃燒產(chǎn)生CO21 688.77萬(wàn)t,關(guān)中地區(qū)每年可減少散煤燃燒產(chǎn)生CO2165.84萬(wàn)t。
6)在現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)下,“煤改電”工程的碳減排效益還未充分發(fā)揮,隨著“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)下低碳能源占比越來(lái)越高,以及電采暖相關(guān)核心材料、設(shè)備與技術(shù)路線(xiàn)的不斷進(jìn)步,“煤改電”工程將在碳減排領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。