尤佳，王潤芳，馬大衛(wèi)，姜少毅，朱仁斌，陳劍，王克峰

(1.國網安徽省電力有限公司，合肥 230022； 2.中國科學技術大學 極地環(huán)境與全球變化安徽省重點實驗室，合肥 230026；3.國網安徽省電力有限公司電力科學研究院，合肥 230601)

0 引言

大氣細顆粒物(PM2.5)是主要大氣污染物之一，PM2.5質量濃度(ρ(PM2.5))增加不僅會降低大氣能見度，影響局地氣候[1-2]，導致灰霾事件頻發(fā)[3-4]，還會對人體健康造成危害，如呼吸系統(tǒng)發(fā)病率上升、暴露人群致癌風險增加等[5-7]。因此，PM2.5已成為公眾關注的熱點。為了降低空氣污染對人體健康和社會經濟發(fā)展的負面影響，目前，學者們對京津冀、長三角和珠三角地區(qū)的主要城市開展了PM2.5污染的源解析研究[8-10]。

燃煤作為大氣主要污染物來源之一，其對大氣環(huán)境污染的影響不容忽視，特別是散燒煤，絕大多數沒有采取除塵、脫硫、脫硝等環(huán)保措施，致使大量大氣污染物排放，對空氣質量和人體健康的影響尤為嚴重[11-14]。電能具有清潔、安全、便捷等優(yōu)勢，實施電能替代對于推動能源消費革命、落實國家能源戰(zhàn)略、促進能源清潔化發(fā)展意義重大；電力已成為煤炭利用最清潔的行業(yè)，電力行業(yè)發(fā)展是治理灰霾的有效途徑[15-18]。王志軒等[19]提出利用煤電代替散煤燃燒將是未來治霾的關鍵，但該觀點缺乏理論和足夠的關鍵數據支持。

目前，冶金電爐、建材電窯爐、工業(yè)電鍋爐已成為電能替代的主要技術領域。截至2018年年底，全國累計實現(xiàn)替代電量493.6 TW·h，替代項目超過20萬個，電力占終端能源消費的比重由2013年的22.60%提升到2018年的25.50%，電能替代工作總體取得了顯著成效[20]。2018年安徽省燃煤量為1.13億t，其中散煤使用量仍然超過500萬t，因此，要在散煤利用領域重點推廣電能替代。當前，合肥市區(qū)是華東地區(qū)大氣污染嚴重區(qū)域之一，能源消費強度大、燃煤量大、散煤燃燒比例較高[21-22]，以煤為主的能源結構還未發(fā)生根本性變化，灰霾天氣時有發(fā)生[10]。隨著電能替代項目的深入推進，其對合肥市大氣環(huán)境質量改善的貢獻到底如何，未來電能替代的重點實施領域是什么，這些問題尚需深入研究。

本文通過綜合考量民用散煤占燃煤消費量的比例、散煤PM2.5排放強度，計算其污染影響權重，同時分析合肥市PM2.5源解析結果和電能替代改造清單數據，確定民用散煤領域電能替代對大氣環(huán)境中ρ(PM2.5)的貢獻比例，計算散煤消費量削減帶來的空氣質量改善，為后續(xù)電能替代項目的開展和環(huán)保目標約束下重點實施領域的挖掘提供數據參考。

1 研究方法

1.1 樣品采集

依據檢測方法對樣品量的要求，采樣在合肥市國網安徽省電力有限公司電力科學研究院樓頂(31°50′9.82″N，117°15′'53.83″E)進行，高度約21 m。采樣點位于合肥市中心，人口密集，周圍主要是商業(yè)活動區(qū)、學校和居民住宅，無較大典型排放源影響。2018年8—11月共收集68張膜樣，每個樣品采集時間為23 h(當日09：00至次日08：00)。規(guī)范記錄觀測采樣時的氣象條件。采樣儀器為青島眾瑞公司研制的環(huán)境空氣顆粒物綜合采樣器(ZR-3922)，切割粒徑為2.5 μm。根據濾膜特性和采樣后化學分析的需要，該研究選擇直徑為90 mm的石英濾膜。

1.2 樣品分析

采用稱重法分析顆粒物的質量濃度，所有樣品均在恒溫恒濕環(huán)境(溫度26 ℃，相對濕度45%)中干燥48 h以上，采用百萬分之一天平(SartoriusM2P)獲得采樣前、后的膜片質量。

取1/8膜樣放入比色管中，超純水定容，放入超聲波清洗儀中清洗30 min，用0.22 μm混纖-水系過濾頭過濾，獲得待測樣品，用離子色譜儀(dionexICS-2100)測量樣品中NO3-，NO2-，SO42-，Cl-，NH4+，K+，Na+，Ca2+，Mg2+等離子的質量濃度。取1/8膜樣放于消解罐中，加入3∶1的硝酸和鹽酸進行微波消解，消解后趕酸定容，用電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)分析樣品中Mg，Al，Si，K，Ca，Ti，Be，Cr，Co，Ni，Cu，Zn，Cd，Pb，Mn，V，F(xiàn)e，Se，As，Mo，U等20多種元素。用多波段碳分析儀(DRIModel2015)測定樣品中元素碳(EC)和有機碳(OC)的質量濃度。

1.3 電能替代對PM2.5改善的貢獻評估方法

通過PM2.5源解析結果中散煤占燃煤消費量的比例和散煤PM2.5排放強度(約為電力行業(yè)的5倍)，計算其污染影響權重，確定散煤對大氣環(huán)境中ρ(PM2.5)的貢獻比例γ，計算由于散煤帶來的ρ(PM2.5)削減量[23]

ρ=γ1×ρ2017-γ2×ρ2018，

式中:ρ為散煤消費量減少后的ρ(PM2.5)變化量，μg/m3；ρi為大氣中的ρ(PM2.5)，μg/m3；γi為民用散煤對大氣環(huán)境中ρ(PM2.5)的貢獻比例，%。

2 結果與討論

2.1 近5年實施電能替代后PM2.5減排情況分析

根據國家氣象科學數據中心監(jiān)測數據[24]，2014—2018年合肥市ρ(PM2.5)的季節(jié)變化如圖1所示：春季和冬季的ρ(PM2.5)平均值高于夏季和秋季，其中夏季最低，秋季部分時段受秸稈燃燒的影響，ρ(PM2.5)有所上升；冬季ρ(PM2.5)最高，可能與集中供暖時燃煤燃油特別是散煤的集中燃燒排放有關[25-26]。同時，ρ(PM2.5)季節(jié)變化規(guī)律還受大氣擴散的影響[27-28]：冬季盛行的西北風輸送來北方的污染物，合肥受副熱帶高壓控制，冷空氣下沉，降水較少，導致污染物大量堆積且不易擴散，春、夏季降水量增加會在一定程度上凈化空氣。

2014—2018年，合肥市大氣中ρ(PM2.5)年均值依次為79.50，64.67，56.75，55.32，47.96 μg/m3，呈逐年下降的趨勢。合肥市春、夏季ρ(PM2.5)逐年下降，秋、冬季無明顯變化，近5年ρ(PM2.5)平均值為60.84 μg/m3，顯著低于2014年的監(jiān)測結果79.50 μg/m3，但仍超過國家二級標準35.00 μg/m3。

圖2 PMF方法解析出的源廓線圖Fig.2 Profile of the source apportionment based on PMF method

圖1 2014—2018年合肥市ρ(PM2.5)季節(jié)變化特征Fig.1 Seasonal variation characteristics of ρ(PM2.5) in Hefei from 2014 to 2018

2.2 PM2.5主要來源及其占比

綜合使用PM2.5樣品分析獲得的無機元素、水溶性離子和碳組分數據，同時考慮各數據的不確定度，采用正交矩陣因子分解法(PMF)模型對合肥市大氣中PM2.5來源進行解析[10-29]。通過“RobustQ”(Q為實測和模擬質量濃度擬合系數)觀測數據量值，使之不至于偏差過大，同時保證模擬結果與觀測結果有較好的相關性。解析結果表明：合肥市大氣中PM2.5主要來源于二次源(二次硫酸鹽和二次硝酸鹽)、機動車尾氣塵、煤煙塵和地殼塵等4個因子(如圖2所示)。PMF解析結果的Q值為1 780，接近理論Q值(1 810)，表明分析結果較理想[10]。

PM2.5來源解析得到的4個因子中[30-31]：因子1的Al，Ca，Mg，Sb等組分質量濃度和占比較高，可能為地殼塵；因子2中Ti，Cr，Ni，OC，EC組分質量濃度和占比較高，可能為煤煙塵；因子3的Pb，Cu，Zn，Mn，OC，EC質量濃度和占比較高，可能為機動車尾氣塵；因子4的NH4+，NO3-，SO42-等組分質量濃度和占比較高，可能為二次硫酸鹽和二次硝酸鹽，硫元素主要來源于含硫煤的燃燒，表明燃煤排放對大氣污染程度增加具有較大的貢獻[32]。

2018年的PMF模型解析結果表明(如圖3b所示)：合肥市大氣中PM2.5的主要污染源類包括二次污染源以及機動車尾氣塵、煤煙塵和地殼塵等一次污染源，貢獻比例分別為37.80%，33.70%，19.60%和8.90%。陳剛等[10]對合肥城區(qū)2014年PM2.5季節(jié)污染特征及來源解析結果顯示(如圖3a所示)：二次源、煤煙塵、機動車尾氣塵及地殼塵的貢獻比例分別為38.80%，25.69%，9.90%和21.70%。通過對比可以看出，一次源組成中，機動車尾氣塵占比提高了23.80百分點，燃煤和地殼塵占比均下降。由此可見，電能替代實施后燃煤排放的顆粒物質量濃度降低，對空氣污染的改善起到了顯著的效果，由于機動車的使用增多，其排放已代替燃煤成為主要污染源。近些年，合肥市通過頒布建設系統(tǒng)大氣污染防治專項工作方案，強化了各類施工揚塵整治，地殼塵貢獻比例有較大幅度降低。

圖3 PMF模型解析結果Fig.3 Analysis results based on PMF method

2.3 電能替代對大氣中ρ(PM2.5)改善的貢獻評估

加強重點區(qū)域散燒煤治理，清潔取暖改造，錯峰生產和重污染應急等，全面推進“以電代煤”“以電代油”改造工程，提升清潔取暖比例，有助于緩解嚴峻的環(huán)保形勢，減輕霧霾污染，建設和諧美麗生態(tài)安徽[33-34]。

從圖4可以看出，2014—2018年，合肥市通過大力推廣電能替代引起的替代電量累計達到了2 802 GW·h，且替代電量呈逐年增加趨勢。2014，2015，2016年PM2.5減排量與電能替代量成正比，2017，2018年電能替代量均較高，但PM2.5減排量相對較低，其原因是主要污染源燃煤排放的PM2.5在2017年之前大大降低，而其他行業(yè)如機動車行業(yè)排放量大大增加，消減了燃煤領域電能替代效果。接下來，降低ρ(PM2.5)需要從其他污染源著手。由圖5所示的合肥市電能替代領域分布特征可以看出：電能替代主要集中在工(農)業(yè)生產制造領域，其次是交通領域，其他領域相對較少；工農業(yè)生產制造領域的電能替代量逐年升高；交通領域2015，2016年電能替代量最高，2017，2018年呈減小趨勢，主要原因是隨著合肥市軌道交通的投運，交通領域電能替代有了一定增加。

圖4 2014—2018年電能替代量與ρ(PM2.5)減排量變化特征Fig.4 Relationship between alternative energy and ρ(PM2.5) emission reduction from 2014 to 2018

圖5 2014—2018年合肥市分領域電能替代量Fig.5 Alternative energy distribution in Hefei from 2014 to 2018

根據安徽省散煤綜合治理研究報告[35]，散煤占燃煤消費量的比例2014年為13.60%，2018年為10.80%，散煤的PM2.5排放強度一般為電力行業(yè)的5倍。根據區(qū)域復合影響給出污染影響權重，結合合肥市PM2.5源解析中燃煤對ρ(PM2.5)的貢獻比例[10](2014年為25.69%，2018年為19.60%)，得出2014年和2018年散煤對大氣環(huán)境中ρ(PM2.5)的貢獻系數γ分別為11.41%和9.02%。

由γ值計算得出：2014—2018年ρ(PM2.5)變化量為32.67 μg/m3，其中燃煤貢獻的ρ(PM2.5)變化量為11.02 μg/m3；電能替代后，散煤削減對ρ(PM2.5)的貢獻量達到4.74 μg/m3，占總ρ(PM2.5)變化量的14.51%，見表1。

表1 電能替代對合肥市大氣ρ(PM2.5)降低的貢獻Tab. Contribution of alternative energy to the reduction of ρ(PM2.5) in atmosphere of Hefei μg/m3

鑒于電力行業(yè)的環(huán)境排放影響效率系數較低，一些研究提出了電能替代的思路和方案[36-38]，通過增加電力行業(yè)的產能，以電能輸送的形式替代污染地區(qū)的能源消耗，從而降低面源的排放。選取民用行業(yè)作為電能替代的對象，一方面是因為居民散燒燃煤主要用于生活和取暖，是電能替代最容易實現(xiàn)的理想對象，而30%的削減率是實施污染物控制措施時常設定的低限值；另一方面，電能替代本質就是以電能替代煤炭、石油等化石能源的直接消費，利用燃煤電廠高效的煙氣治理措施，有效降低污染物的排放[39-40]。

根據合肥市區(qū)2018年大氣PM2.5源解析結果，燃煤對大氣中ρ(PM2.5)的貢獻比例為19.60%，相對于2014年的25.69%雖有降低，但比例仍相當高。因此，針對合肥市周邊散燒燃煤進一步實施電能替代，將對大氣環(huán)境質量改善具有顯著的效果且易于實施。張凱等[41]對保定市的研究表明，民用燃煤對大氣中ρ(PM2.5)的貢獻比例由2014年冬季的30.90%分別降至2017—2018 年冬季的25.00%和2018—2019年冬季的22.00%，煤炭消費量占比由2014年的49.00%降至2017年的38.00%，電力消費量占比由2014年的33.80%升至2017年的39.50%，保定市空氣質量得到了一定改善。因此，電能替代方案是改善合肥市區(qū)空氣質量的有效途徑之一。

機動車尾氣塵排放的大氣污染物對ρ(PM2.5)的貢獻不容忽視，在PM2.5治理中應予以高度重視。近5年來，合肥機動車保有量每年保持約20%的增長率，合肥市相關部門的統(tǒng)計數據顯示，截至2018年5 月，合肥市機動車保有量已達200.9萬輛，達到全國各大城市中等水平[42]。根據2014年和2018年合肥市PM2.5顆粒物源解析結果，機動車貢獻量從7.87 μg/m3上升到16.16 μg/m3，增長為2.05倍，同期機動車保有量從103.0萬輛增長到209.7萬輛，增長為2.04倍(見表2)，2014—2018年全市交通領域電能替代在全市電能替代中占比一直不高。機動車保有量大增，嚴重污染城市大氣環(huán)境，這可能就是2017，2018年合肥市在保持年均720 GW·h電能替代量下，城市大氣PM2.5減排效果不明顯的原因。從杭州市污染排放對ρ(PM2.5)的貢獻率來看，機動車占28.00%、工業(yè)生產占22.90%、揚塵占21.90%、燃煤占18.40%、其他占8.80%，機動車列市區(qū)源排放榜首[43]。目前，通過對合肥市進行實際調研、訪談，了解到個別些地區(qū)在工業(yè)生產制造領域已經完成了大部分的電能替代技術，剩余改造潛力較小。國網安徽省電力有限公司將會抓住國家大氣污染防治的有利時機，在合肥市交通領域大力推廣電能替代新技術，從而達到通過電能替代進一步改善城市大氣環(huán)境質量的目的。

表2 合肥市機動車排放對大氣ρ(PM2.5)的影響Tab.2 Effect of vehicle emissions on ρ(PM2.5) in atmosphere of Hefei

3 結論

(1)2018年PMF模型解析表明，PM2.5中二次源、機動車尾氣塵、煤煙塵及地殼塵的貢獻率分別為37.80%，33.70%，19.60%和8.90%。合肥市大氣中PM2.5的主要污染源類包括二次污染源以及煤煙塵、機動車尾氣塵和地殼塵等一次污染源。

(2)合肥市區(qū)大氣中ρ(PM2.5)年均值從2014年到2018年呈逐年下降的趨勢。2014—2018年ρ(PM2.5)平均值(60.84 μg/m3)顯著低于2014年的監(jiān)測結果(79.50 μg/m3)。春季和冬季ρ(PM2.5)平均值高于夏季和秋季，其中夏季ρ(PM2.5)最低。

(3)合肥市5年來完成電能替代2 802 GW·h，且替代電量呈逐年增加趨勢，主要集中在工(農)業(yè)生產制造領域，其次是交通領域，其他領域相對較少。

(4)根據2014年和2018年合肥市PM2.5源解析中燃煤的貢獻比例，電能替代后散煤削減對ρ(PM2.5)的貢獻量達4.74 μg/m3，占ρ(PM2.5)總消減量的14.51%，電能替代方案是改善合肥市區(qū)空氣質量的有效途徑。

(5)機動車尾氣塵排放的大氣污染物對ρ(PM2.5)貢獻率從9.90%增長到33.70%，在PM2.5污染治理中應予以高度重視，應在交通領域大力推行電能替代。