中国独立焦化企业大气污染物及碳排放清单研究

Chen, X.; Li, J.; Jia, M.; Chen, S.; Zhang, S.; Bo, X.; Feng, X.; Dong, G. High Spatial Resolution Emission Inventory of Air Pollutants and Carbon in China’s Independent Coking Industry. Atmosphere 2023, 14, 348.

陈晓春¹, 李建晖^1,2, 贾敏³, 陈少博^1,2，张尚宣⁴, 伯鑫^1,2,*, 封雪⁵, 董广霞⁵

1.北京化工大学化学工程学院，北京，100029

2.北化中国工业碳中和研究院，北京，100029

3.北京航空航天大学经济管理学院，北京，100191

4.中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆，400013

5.中国环境监测中心，北京，100012

摘要：中国是全球最大的焦炭生产国和出口国，这意味着了解中国独立焦化行业的大气污染物和碳排放特征非常重要。本研究基于连续排放监测系统在线监测数据和基于单位的企业信息，首次自下而上地建立了2001-2018年中国独立焦化行业大气污染物和碳排放清单。根据制定的排放清单，建立了四种情景来分析未来空气污染物和二氧化碳 (CO₂) 的潜在减排量。2001-2018年，颗粒物（PM₁₀和PM_2.5）、二氧化硫（SO₂）、黑碳（BC）和有机碳（OC）排放量分别下降62.11%、63.41%、72.85%、63.41%和63.41%。CO₂、一氧化碳（CO）、挥发性有机化合物（VOC_S）和氮氧化物（NO_X）排放量分别增加了355.51%、355.51%、355.51%和99.74%。2018年PM₁₀、PM_2.5、SO₂、NO_X、BC、OC、CO、VOC_S、CO₂排放量分别为45.20、16.91、63.84、117.71、5.07、5.92、554.91、1026.58 Gg 和 176.88 Tg。山西省对该行业大气污染物和CO₂排放总量的贡献最大，达25.01%。2018 年对 PM_2.5排放贡献最大的排放源是推焦（对于SO₂ 和 NO_X, 分别为熄焦和焦炉烟囱）。在 ULE 情景下（2018-2035），PM_2.5 和 SO₂的排放将减少超过 30%。PCP情景下，PM_2.5和SO₂排放量将减少55%以上。CBP情景下，2025年CO₂排放达峰197.99Tg，2035年下降至峰值的70%。结果显示了我国独立焦化行业大气污染物和CO₂的排放特征、未来几种情景的排放以及协同减排潜力，为污染控制战略的发展提供科学支持。

关键词：空气污染物特征；炼焦行业；连续排放监测系统；碳排放；情景分析

1引言

中国是最大的焦炭生产和出口国。 2021年、2020年和2019年中国焦炭产量分别为464.46、471.16和47126万吨，出口焦炭分别为644.93、348.91和652.51万吨。独立焦化企业占中国焦化行业的 65%，每年消耗大量燃料并排放大量各种空气污染物（如 SO₂、NO_X、PM₁₀）。独立焦化虽然不是对全国大气污染贡献最大的行业，但其排放强度仍然较高。此外，其排放不仅会导致雾霾事件和酸雨等大气环境恶化，还会导致人类健康问题。焦炉中产生的多环芳烃具有剧毒和致癌性。为克服这些问题，有必要探索中国独立焦化行业的排放特征和空间分布。为解决中国焦化行业的大气污染问题，中国政府出台了一系列政策文件，有力促进了焦化行业污染物减排。焦化行业可分为钢铁企业附属焦化企业和独立焦化企业两大类。 2020年我国焦化行业独立焦化企业占比达到65%。然而，大多数研究忽视了对独立焦化企业排放特征的分析和研究。研究人员采用自下而上的排放因子法估算了2015年中国焦化行业各类污染物的排放量，但在对独立焦化企业的分析中并未提供全面的认识。研究还估算了与中国焦化行业相关的典型污染物的排放量，例如 VOC_S、SO₂ 和 OC，然而，他们的排放因子依赖于文献调研，常常无法反映实际排放量。在研究大气污染物排放特征时，部分焦化企业也往往被视为钢铁行业的附属企业，这意味着此类研究无法获得中国独立焦化行业的排放特征。中国的能源消费结构仍然以煤炭为主，这导致中国的CO₂排放与常规大气污染物排放具有同源性。中国在2020年宣布了到2030年实现碳排放峰值、到2060年实现碳中和的目标。同时优化能源消费结构，减少对化石能源的依赖。CO₂ 排放的减少也减少了其他大气污染物的排放，从而实现减污降碳的协调控制。独立焦化行业是消耗化石能源的重要行业，这意味着全面探究CO₂排放特征势在必行。为了评估部分行业的减排潜力和减污降碳的协同效益，Tang 等通过设定情景预测水泥行业未来污染物和 CO₂ 排放量。 Li等通过建立动态优化模型，评价了我国钢铁行业CO₂与大气污染物的协同减排效果。然而，目前对独立焦化行业排放时空特征的研究还不足以支持科学制定减排计划。因此，本研究基于焦化行业排放标准、CEMS数据和政府间气候变化专门委员会（IPCC）的污染物排放因子，建立了中国独立焦化行业大气污染物和CO₂排放因子数据库。结合环境统计，建立了2012年、2015年和2018年中国独立焦化行业大气污染物和CO₂排放的高分辨率自下而上清单，用于估算2001-2018 年期间中国独立焦化行业大气污染物和CO₂排放量。最终，从时间趋势、空间分布、焦化工序等不同方面分析了中国独立焦化行业的排放状况。在此基础上，本研究评估了不同情景（BAU和三种减排情景）未来大气污染物和CO₂的排放量。研究结果可为中国政策制定者确定大气污染物排放许可、促进去产能、实现“双碳”目标提供科学支持。

2方法

本研究采用单位自下而上的排放因子法，通过活动水平乘以相关排放因子估算排放量，计算2001-2018 年中国独立焦化行业各工序部分SO₂、NO_X、PM₁₀、PM_2.5、CO 、BC、OC、VOC_S 和 CO₂的排放量。2012年、2015年和2018年中国独立焦化行业排放清单分别包括630家、484家和219家独立焦化企业，分布在中国23个省和2个直辖市。本研究中考虑的排放与焦炭生产过程的以下组成部分相关：备煤、装煤、推焦、焦炉烟囱和熄焦。纳入分析的焦炭产量分别为254.15、270.50和346.82万吨，分别占2012年、2015年和2018年中国全国焦炭产量的57.98%、60.35%和77.36%。2018年中国独立焦化企业焦炭生产的地理位置和规模如图1所示。

 

图1. 2018年中国独立焦化行业分布及生产规模

2.1.计算方程

分别计算各焦化工序部分2012年、2015年、2018年SO₂、NO_X、PM₁₀排放量，PM_2.5、CO、BC、OC、VOC_S、CO₂排放量按各企业规模计算然后汇总得到省排放量。其他年份的焦炭产量、大气污染物和CO₂排放量根据国家统计数据和钢铁行业焦炭产量估算。

2.2.活动水平

2001-2018年中国独立焦化行业活动的最新数据来自生态环境部设施级调查数据（未公开数据）。

2.3.排放因子

PM₁₀、SO₂ 和NO_X 的排放因子采用技术方法通过行业排放标准及CEMS数据估算。CO₂ 的排放因子来自IPCC 制定的《国家温室气体清单指南》。其他污染物的排放因子是从以往的相关研究中获得的。

2.4.不同情景排放分析

在当前全球环境问题日益严峻的形势下，加强独立焦化行业的减排措施是中国乃至全球关注的重点。中国公布了多项减排计划，并更新了焦化行业的排放标准。本研究对独立焦化行业空气污染物和二氧化碳排放的 4 种可能情景进行了评估。

2.4.1.基准情景(BAU)

在此情景下，独立焦化企业的活动水平随着GDP的增长而持续提升，但忽略了各项减排措施的落实，使得2018年我国所有独立焦化企业的排污能力均维持在当前水平。通过采取将过去 14 年独立焦化行业的焦炭产量与中国 GDP 值取对数并进行相关分析，发现两者之间存在良好的线性关系。因此，本研究使用 GDP 值来预测独立焦化企业的焦炭产量。

2.4.2.超低排放情景(ULE)

2019年4月，中国公布了《关于推动钢铁行业实施超低排放的意见》，提到至2025年底，80%以上的钢铁企业产能实现超低排放改造。焦化作为钢铁企业的重要工序，也是我国重要的基础产业，是实施超低排放改造的重要对象。在此情景下，本研究认为到2025年底，所有独立焦化企业将在保持产量增长的情况下完成超低排放改造。ULE 指数下焦化的排放浓度和排放因子如表 S6 所示。

2.4.3. 焦炭生产达峰情景(PCP)

在此情景中，本研究假设所有中国独立焦化设施将焦炭产量保持在 2018 年的水平，并且焦化行业的超低排放改造被认为与 ULE 情景一致。

2.4.4. 碳达峰 (CBP) 情景

CCIA 于 2022 年 8 月发布了焦化行业碳达峰碳中和行动计划。规划提出，中国焦化行业二氧化碳排放量将在2025年达到峰值。

2.5. 不确定性评估

从 2012 年、2015 年和 2018 年的排放清单中得出的空气污染物排放估算值通过蒙特卡罗模拟进行了不确定性分析。该排放清单的不确定性主要来自两个因素：基于单位焦化企业（主要是焦炭生产）的活动水平，以及基于排放标准和 CEMS 的排放因子。使用蒙特卡罗方法在 95% 的置信区间内随机选择活动水平和排放因子 10000 次，以验证排放清单的不确定性。

3. 结果与讨论

基于计算，本研究得到了 2001-2018 年焦炭生产、污染物（即 PM₁₀、SO₂、NO_X、VOC_S、CO、PM_2.5、BC 和 OC）和CO₂排放的详细信息。对这些结果的详细分析考虑了时间趋势、空间分布、焦化工序和不同情景下的空气污染物排放等方面。

3.1. 时间趋势

2001-2018年中国独立焦化行业大气污染物（PM₁₀、NO_X、SO₂、PM_2.5、BC、OC、CO、VOC_S）、CO₂排放量和焦炭产量的时间分布如图2所示。总体而言， PM_2.5和PM₁₀的排放量下降了63.41%（从46.22到16.91 Gg）和62.11%（从119.30到45.20 Gg），2011年达到峰值（152.89 Gg和394.64 Gg），2015年达到最低值（14.72 Gg和 38.97 Gg）。 BC 和 OC 的排放量与 PM_2.5 的排放量有相同的下降率（63.41%），在 2018 年分别达到 5.07 和 5.91 Gg。同样，NO_X 排放量增加了 99.74%（从 58.93 到 117.71 Gg)，2011 年达到峰值 (194.93 Gg)。CO和VOC_S排放量总体呈上升趋势，增幅达355.51%（CO排放量由121.82 Gg增至554.91 Gg；VOC_S排放量由225.37 Gg增至1026.58 Gg）。尽管焦炭产量以年均9%的速度增长，但多项大气污染物的排放量却出现了差异。特别地，VOC_S、CO、CO₂的排放量到2012年总体呈上升趋势，PM、SO₂、NO_X、BC、OC的排放量在2012年达到拐点开始下降，这可以归因于2012年生态环境部出台焦化行业新排放标准。2011-2012年，焦炭生产各环节PM_2.5、SO₂排放量大幅下降。从以往的研究中发现，政策法规的出台可以在短期内实现工业污染物排放量的大幅减少。相反，NO_X 排放量继续增加，这与新排放标准增加了限制 NO_X 排放有关。本研究在2012年以前的清单沿用该标准，因此更新后的排放标准对NO_X的增加趋势没有影响。它突出了为控制焦化行业空气污染排放而采取的多项措施的影响。对于其他污染物，VOC_S、BC、OC、CO 和 CO₂ 的排放趋势可主要归因于焦炭产量的明显变化。由于近几十年独立焦化行业的快速发展和对焦炭需求的增长，CO₂排放量从38.83 Tg（2001年）增加到176.88 Tg（2018年）。为实现中国政府提出的2030年碳排放达峰和2060年碳中和的目标，独立焦化行业作为中国CO₂排放的重要工业来源，应调整能源结构，提高焦炉燃烧效率，增加其为实现减污降碳的贡献。

3.2. 空间分布

2018 年中国所有独立焦化工业设施的大气污染物排放（PM_2.5、SO₂ 和 NO_X）的空间分布如图 3 所示。2018年中国各省独立焦化行业大气污染物排放情况如图4所示。中国焦化厂大气污染物排放地域分散；然而，排放主要集中在中国北方。

 

 (a) PM_2.5

 

(b) SO₂

 

(c) NO_X

图3. 2018年中国独立焦化行业PM_2.5(a)、SO₂(b)、NO_X(c)排放空间分布

从图4可以看出，2018年我国独立焦化行业焦炭产量和PM_2.5、SO₂、NO_X排放量以山西、陕西、河北、内蒙古、山东等省份最大，占分别占全国的65.77%、65.40%、65.69%和66.17%。从图4还可以看出，山西和陕西两省的焦炭产量远高于其他省份，其各种大气污染物的排放量分别位居全国第一和第二位。河北省焦炭产量高于内蒙古，但PM_2.5、SO₂、NO_X排放量分别低于内蒙古0.015、0.462、9.280 Gg。这些发现反映了不同省份在相关生产过程和减排技术实施方面的差异。

 

图4. 2018年中国独立焦化行业各省焦炭产量及SO₂、NO_X、PM_2.5排放量

3.3.各焦化工序的排放特征

据估计，从 2001 年到 2018 年，与程序的各个组成部分相关的排放量大幅下降。装煤、推煤、焦炉烟囱、熄焦等环节SO₂排放量分别下降37.33%、80.55%、88.88%和25.99%。2001 年、2012 年、2015 年和 2018 年炼焦工序各环节 PM_2.5、SO₂ 和 NO_X 排放的相对贡献如图 5 所示。焦炉烟囱是工序中唯一排放 NO_X 的环节。在PM_2.5排放方面，推焦是自始至终最重要的过程。但在二氧化硫排放方面，随着减排技术的更新，最重要的排放源工序已经从焦炉烟囱转移到熄焦环节。从整个焦化过程来看，推焦是PM_2.5排放量最大的排放源工序，分别占2001年、2012年、2015年和2018年污染物排放总量的32.9%、48.9%、26.4%和30.3%。同时，在二氧化硫排放方面，焦炉烟囱是该过程的主要排放源工序，分别占2001年、2012年、2015年和2018年二氧化硫排放总量的50.2%、81.8%、43.2%和20.5%。

 

图 5. 2001 年、2012 年、2015 年和 2018 年中国独立焦化行业不同工序排放的贡献

根据第 3.1 节的讨论，生态环境部于 2012 年颁布了中国焦化行业的新排放标准；因此，从2001年到2012年，过程中每个组成部分对总排放量的贡献归因于不同过程中的新排放标准。2015年后，随着CEMS的应用，与总排放量相关的主要贡献变化归因于焦炉烟囱程序排放量的计算更加准确。污染物排放重要工序排放量呈下降趋势，主要得益于排放标准的不断加强和减排技术的实施。

3.4.不确定性分析和局限性

不确定性分析结果表明，中国独立焦化行业PM₁₀、SO₂和NO_X排放总量的不确定性范围2012年分别为-34%~35%、-33%~34%、-33%~ 34%，2015年分别为-33%至35%，-33%至34%， -34%至34%，2018 年分别为-34%至35%，-33%至35%，-34%至34%。本研究的独立焦化行业数据库涵盖面广，结果的局限性主要来自三个方面。 2012年污染物排放因子来源于焦化行业排放标准，与实际排放可能存在差异。2018年独立焦化生产活动水平由钢铁企业关联焦炭产量和焦炭总产量估算。实际生产中存在偏差。最后通过文献研究得到BC、OC、PM_2.5等部分污染物的排放因子,在独立焦化行业在多次加强标准和监管后，并未考虑成分浓度的变化。

3.5.减排情景分析

本研究建立了四种情景来估算未来每个排放单元的空气污染物和CO₂排放量，如图6所示。在BAU情景下，PM_2.5、SO₂和NO_X的排放量分别在 2025 年增加了1.81 Gg（10.69%），6.62 Gg（10.37%） ) 和 6.13 Gg (5.21%)。此外，2035 年 PM_2.5、SO₂ 和 NO_X 的排放量分别比 2018 年高 5.26 Gg（31.10%）、19.62 Gg（30.73%）和 28.97 Gg（24.61%）。

图 6. 不同情景下中国独立焦化行业大气污染物和 CO₂ 排放量

ULE情景下2025年PM_2.5排放量较BAU情景下降10.86Gg（58.04%），其中选煤、装煤、推煤、焦炉烟囱、熄焦贡献率为18.89%、18.71 %、27.46%、3.68% 和 31.26%。2025年超低排放情景下SO₂排放量较BAU情景下降34.41Gg（48.84%），其中装煤、推煤、焦炉烟囱、熄焦的贡献分别为40.61%、38.92%、-11.80%和 32.27%。这表明，2018年焦炉烟囱工序SO₂减排工作执行情况良好，已达到未来超低排放标准。 2025年焦炉烟囱单元NO_X排放量较BAU情景下减少33.66Gg（27.18%）。在各排放单元贡献度不变的情况下，ULE情景下2035年比BAU情景PM_2.5、SO₂、NO_X排放量分别降低12.86，48.84，27.18Gg。与2018年相比，ULE情景下2035年PM_2.5、SO₂、NO_X排放量分别减少44.99%、33.12%、9.25% 。可见，熄焦、装煤、焦炉烟囱分别采用先进的PM_2.5、SO₂、NO_X治理措施，对于独立焦化行业的减排具有重要意义。PCP情景下2025年PM_2.5、SO₂、NO_X排放量分别为0.84Gg、3.84Gg、9.61Gg，低于ULE情景，PCP情景下2035年PM_2.5、SO₂、NO_X排放量比ULE情景下降2.29 Gg、10.49 Gg和26.25 Gg。这主要是由于在PCP情景下，焦炭产量处于持续不增长的状态。对于CO₂排放情景，本研究设置了两种情景：BAU情景和CBP情景。在BAU情景下，与基准年2018年相比，2025年独立焦化行业CO₂排放量在2018年基础上增加21.11Tg（11.93%），2035年增加57.63Tg（32.58%）。那么本研究考虑到 2025 年的目标并建立 CBP 情景。在这种情况下，二氧化碳排放量将在 2025 年达到峰值，然后开始下降。2035年，CBP情景下CO₂排放量将比BAU情景下减少95.92Tg（40.90%），比2025年目标峰值下降30.00%，CO₂减排空间巨大独立焦化行业。结果表明，通过制定 ULE 标准和碳中和政策，空气污染物和 CO₂ 减排潜力之间存在巨大的协同效益。

4.结论

该工作首次尝试将焦化行业与独立焦化行业区分开来，建立了与独立焦化行业相关的多种大气污染物和CO₂的完整清单，同时从高分辨率角度分析了中国独立焦化行业的排放特征和减排潜力。通过引入更可靠的企业数据，结合包含CEMS数据的高时效性排放因子数据库，构建了2001-2018年中国独立焦化行业大气污染物和CO₂排放清单。根据本研究的估算，2001- 2018年PM、SO₂、NO_X、BC、OC排放量呈先升后降趋势，2011年达到峰值（NO_X为2016年），CO、VOC_S、CO₂排放量呈直线上升趋势.中国焦化厂大气污染物排放地域分散；但是，它们主要集中在中国北方。 2018年我国独立焦化行业焦炭产量及PM_2.5、SO₂、NO_X排放量最大的是山西、陕西、河北、内蒙古和山东，分别占65.77%、65.40%、65.69%。分别占全国的 66.17%。从备煤、装煤、推焦、焦炉烟囱、熄焦等焦化工序的各个环节来看，焦炉烟囱是唯一排放NO_X的工序。对于PM_2.5的排放，推焦自始至终是最重要的一道工序。但在SO₂排放方面，随着减排技术的更新，炼焦工序中最重要的环节已经从焦炉烟囱变为熄焦。为了实现独立焦化行业减污降碳的协同控制，本研究设置了四种情景来估算未来几年大气污染物和CO₂的减排潜力，结果表明，从2018年到2035年,ULE情景下PM_2.5、SO₂、NO_X排放量分别减少44.99%、33.12%、9.25%,PCP情景下PM_2.5、SO₂、NO_X排放量能在ULE基础上再各减少24.58%。在CBP情景下，CO₂排放量将在2025年达到峰值197.99 Tg，到2035年下降到峰值的70%。与其他排放清单相比，它具有更高的分辨率和更准确的排放特征。基于现有政策文件建立相关情景，估算未来几年减污降碳的协同减排潜力。未来将引入更多实测数据，进一步提高行业排放估算的准确性。