邱 昀，李令軍，鹿海峰，李金香，王新輝，姜 磊，粟京平

北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心，北京 100048

2013—2017年《北京市清潔空氣行動(dòng)計(jì)劃》中要求對(duì)水泥等高耗能、高排放行業(yè)施行總量控制，要求至2017年全市水泥產(chǎn)能壓縮至400×104t左右.近年來(lái)，北京市水泥行業(yè)主要為新型干法工藝，排放的污染物主要有SO2、NOx和煙(粉)塵.為對(duì)水泥行業(yè)排放及減排情況進(jìn)行評(píng)估，需要對(duì)其污染排放量進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的核算.目前，傳統(tǒng)的污染源排放測(cè)算多是基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，采取傳統(tǒng)自下而上的數(shù)據(jù)采集匯總方法，如實(shí)測(cè)法、產(chǎn)排污系數(shù)法、物料衡算法等[1-3]，其主觀性強(qiáng)，測(cè)算結(jié)果誤差較大，而且耗時(shí)耗力，結(jié)果滯后性較大，跟不上監(jiān)管工作的需求.衛(wèi)星遙感技術(shù)可以快速、準(zhǔn)確定位每一家水泥廠(chǎng)的位置，反映水泥廠(chǎng)的規(guī)模；同時(shí)，水泥廠(chǎng)在煅燒過(guò)程中會(huì)釋放大量的熱量和其他污染物，其中釋放的熱量可通過(guò)熱異常遙感技術(shù)探測(cè)到.探測(cè)到的熱異常結(jié)果可反映區(qū)域水泥廠(chǎng)熱釋放規(guī)模和變化.該研究結(jié)合水泥產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)特征，以能源消耗量為橋梁，進(jìn)一步分析并建立熱釋放與污染排放的定量關(guān)系，如此可以動(dòng)態(tài)測(cè)算區(qū)域水泥廠(chǎng)污染排放情況，并展示實(shí)時(shí)的污染物排放的時(shí)空分布特征，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水泥行業(yè)排放的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)估算.

目前，熱異常探測(cè)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但將該技術(shù)利用于工業(yè)熱源識(shí)別的研究較為鮮見(jiàn).近年來(lái)，國(guó)外開(kāi)始利用對(duì)地觀測(cè)手段對(duì)地表熱異常進(jìn)行探測(cè)研究[4-6].2011年NPP衛(wèi)星發(fā)射升空，越來(lái)越多的學(xué)者基于NPP搭載的VIIRS傳感器進(jìn)行熱異常點(diǎn)的研究[7-8]，我國(guó)也有學(xué)者對(duì)熱異常點(diǎn)識(shí)別算法進(jìn)行修正[9-11]，研究了適用于我國(guó)的熱異常點(diǎn)探測(cè)方法[12-13].但目前基于這一技術(shù)的應(yīng)用主要集中在秸稈焚燒和森林火災(zāi)的識(shí)別上[14-15].近年來(lái)，我國(guó)有學(xué)者嘗試使用NPP搭載的VIIRS夜間熱異常產(chǎn)品提取工業(yè)熱源[16-19]，并發(fā)現(xiàn)夜間VIIRS熱異常探測(cè)數(shù)據(jù)在工業(yè)熱源識(shí)別上具有很大的潛力[20].國(guó)外研究[21-23]發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)RP (fire radiation power,輻射功率)與煤炭消耗和煙氣排放均呈顯著相關(guān).該研究使用VIIRS夜間熱異常點(diǎn)FRP數(shù)據(jù)對(duì)北京市水泥廠(chǎng)的熱排放情況進(jìn)行識(shí)別，系統(tǒng)分析了2013—2017年北京市水泥廠(chǎng)數(shù)量、能耗及污染排放情況，并嘗試以煤炭消耗量為橋梁，建立FRP與水泥廠(chǎng)污染物排放之間的定量估算關(guān)系，提出了基于熱異常探測(cè)的水泥生產(chǎn)污染物排放估算公式，初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)水泥行業(yè)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè).

1 材料與方法

基于NPP衛(wèi)星VIIRS傳感器的熱異常點(diǎn)監(jiān)測(cè)空間分辨可達(dá)375 m，每天可實(shí)現(xiàn)對(duì)北京市地面熱異常點(diǎn)晝夜各一次的監(jiān)測(cè).該產(chǎn)品Ⅰ波段有5個(gè)通道數(shù)據(jù)(見(jiàn)表1)，其中紅外波段(Ⅰ2～Ⅰ5)可用于識(shí)別環(huán)境中的溫度異常情況.VIIRS的熱異常探測(cè)產(chǎn)品包含熱異常點(diǎn)的地理位置信息、亮溫值信息及FRP參數(shù)，F(xiàn)RP參數(shù)反映熱異常點(diǎn)的FRP.該研究使用的熱異常探測(cè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)來(lái)自NPP VIIRS VNP14IMGTDL產(chǎn)品集.使用的算法為Schroeder等[24]在2014年提出的官方算法，該算法延續(xù)了MODIS熱異常點(diǎn)和熱異常點(diǎn)識(shí)別方法，通過(guò)Contextual算法識(shí)別地表的生物質(zhì)燃燒和溫度異常區(qū)域.熱異常點(diǎn)的識(shí)別主要通過(guò)對(duì)Ⅰ4、Ⅰ5亮溫值進(jìn)行閾值篩選，云、水體、背景影響以及虛假熱異常點(diǎn)的去除主要基于對(duì)Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅰ3通道的篩選[24].由于熱異常點(diǎn)探測(cè)在冬季受極低的環(huán)境背景溫度影響，在夏季受云雨影響，如果對(duì)年內(nèi)的熱異常點(diǎn)進(jìn)行逐月或逐日分析，會(huì)加大這兩種因素所帶來(lái)的誤差.因此，該研究選擇對(duì)熱異常點(diǎn)進(jìn)行年度的變化分析以期減少這2個(gè)因素造成的誤差，從而綜合、全面、大尺度客觀反映區(qū)域熱異常分布情況和變化趨勢(shì).為更好地去除太陽(yáng)輻射等因素的干擾，該研究使用2013—2017年逐年的熱異常探測(cè)數(shù)據(jù)，按熱異常點(diǎn)的經(jīng)緯度信息將落在北京市金隅琉水環(huán)?？萍加邢薰?39.6°N、116.0°E)和北京金隅北水環(huán)保科技有限公司(40.2°N、116.2°E)廠(chǎng)區(qū)內(nèi)的熱異常點(diǎn)分別篩選出來(lái)，將逐日的FRP數(shù)據(jù)加和作為水泥廠(chǎng)的熱異常點(diǎn)年排放功率.

表1 VIIRS熱異常點(diǎn)數(shù)據(jù)波段信息及用途Table 1 VIIRS band information of thermal anomaly data

目前北京市水泥生產(chǎn)工藝皆為新型干法水泥生產(chǎn)工藝，水泥生產(chǎn)用燃料分別從窯頭和分解爐噴入，窯頭煤粉燃燒最高溫度可在 1 600 ℃以上，煤粉在分解爐處于無(wú)焰燃燒狀態(tài)，燃燒溫度為900 ℃左右[25].煅燒帶物料溫度可達(dá) 1 455 ℃，最高氣體溫度可達(dá) 2 000 ℃，窯尾溫度范圍為 1 000～1 050 ℃[26-27].這些工藝中產(chǎn)生的熱量大部分被釋放進(jìn)入環(huán)境中，使水泥廠(chǎng)及附近大氣溫度明顯高于周?chē)h(huán)境，VIIRS熱異常點(diǎn)產(chǎn)品中FRP反映的正是水泥廠(chǎng)釋放到環(huán)境中的熱量強(qiáng)度.

2 結(jié)果與討論

2.1 水泥廠(chǎng)熱異常點(diǎn)整體情況

2013—2017年北京市水泥企業(yè)數(shù)量逐年減少，由2013年的8家減至2017年的2家，全市水泥總產(chǎn)量從862×104t (2013年)降至356×104t (2017年).由圖1可見(jiàn)：2013—2017年水泥生產(chǎn)的熱異常點(diǎn)數(shù)也相應(yīng)降低.相比2013年，2017年北京市水泥生產(chǎn)產(chǎn)生的熱異常點(diǎn)數(shù)和FRP均呈下降趨勢(shì)，分別下降了31.9%和46.4%；同時(shí)，水泥和熟料總產(chǎn)量分別下降了40.7%和38.7%.2016年水泥總產(chǎn)量和熟料總產(chǎn)量均略微升高，該年熱異常點(diǎn)數(shù)據(jù)也略有增加.5 a全市水泥廠(chǎng)的熱異常點(diǎn)FRP與煤炭消耗量相關(guān)性較好，R2達(dá)0.59.將5 a所有水泥廠(chǎng)的熱異常點(diǎn)FRP與環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中水泥總產(chǎn)量、熟料總產(chǎn)量和煤炭消耗量進(jìn)行逐年相關(guān)性分析，結(jié)果如表2所示.由表2可見(jiàn)，熱異常點(diǎn)FRP與環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中各項(xiàng)目均呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均在0.7左右，2016年相關(guān)系數(shù)均有所下降，主要是水泥廠(chǎng)的關(guān)停和減排導(dǎo)致樣本量減少所致.結(jié)果表明，水泥廠(chǎng)的熱異常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以間接反映水泥廠(chǎng)的生產(chǎn)情況、煤炭消耗量和水泥生產(chǎn)過(guò)程的污染排放情況.

圖1 北京市水泥生產(chǎn)總量及熱異常點(diǎn)數(shù)據(jù)年際變化Fig.1 The annual production and coal consumption of Beijing cement plants compared with thermal anomaly monitoring data

表2 2013—2016年北京市水泥生產(chǎn)熱異常點(diǎn)FRP與環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis between FRP and environment statistic data of Beijing cement plants production from 2013 to 2016

2.2 典型水泥廠(chǎng)熱異常點(diǎn)變化情況

至2017年，北京市運(yùn)營(yíng)的水泥廠(chǎng)分別為位于房山區(qū)的北京市金隅琉水環(huán)保科技有限公司(簡(jiǎn)稱(chēng)“金隅琉水”)和位于昌平區(qū)的北京金隅北水環(huán)?？萍加邢薰?簡(jiǎn)稱(chēng)“金隅北水”)，2013—2017年熱異常點(diǎn)遙感監(jiān)測(cè)圖顯示，這2家水泥廠(chǎng)熱異常點(diǎn)均較為密集(見(jiàn)圖2).

由圖3可見(jiàn)：2013年金隅琉水熱異常點(diǎn)FRP高達(dá)143.3 MW，2014年1月1日北京市開(kāi)始執(zhí)行DB 11/1054—2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，水泥廠(chǎng)開(kāi)始使用SNCR脫銷(xiāo)裝置，2014年NOx排放量下降較顯著(下降了38.8%)；同時(shí)，熱異常點(diǎn)FRP也顯著下降，至2015年下降了52.8%.2016年水泥增產(chǎn)21.1%，NOx排放量增長(zhǎng)了15.4%，熱異常點(diǎn)FRP也同步增長(zhǎng)了58.1%.2013—2017年金隅北水熱異常點(diǎn)FRP、水泥總產(chǎn)量、熟料總產(chǎn)量和污染氣體排放量也均呈逐年遞減的趨勢(shì).金隅北水煤炭消耗量與熱異常點(diǎn)FRP相關(guān)性較好，R2為0.8.綜上，2個(gè)水泥廠(chǎng)的熱異常探測(cè)結(jié)果與水泥廠(chǎng)生產(chǎn)情況和污染物排放情況較吻合.

注：紅線(xiàn)圈出區(qū)域分別為金隅琉水和金隅北水廠(chǎng)區(qū).圖2 2013—2017年金隅琉水和金隅北水熱異常點(diǎn)遙感監(jiān)測(cè)圖Fig.2 Jinyu Liushui and Jinyu Beishui cement plant thermal anomaly remote sensing monitoring map from 2013 to 2017

圖3 2013—2017年金隅琉水和金隅北水水泥廠(chǎng)產(chǎn)量、污染物排放統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及熱異常點(diǎn)探測(cè)結(jié)果年際變化Fig.3 Time series of annual production,pollution emission and thermal anomaly monitoring result in Jinyu Liushui and Jinyu Beishui from 2013 to 2017

2.3 水泥生產(chǎn)排放監(jiān)測(cè)估算

水泥生產(chǎn)主要排放的污染物有SO2、NOx和煙(粉)塵，SO2主要來(lái)自原料和燃料中的含硫物質(zhì)，NOx主要來(lái)源于空氣中N2與O2高溫反應(yīng)生成，其排放量取決于燃燒溫度[28]，煙(粉)塵的產(chǎn)生是因?yàn)樗喑善泛褪炝现饕苑蹱钚问酱嬖?，產(chǎn)量較大，容易在煅燒過(guò)程中形成無(wú)組織排放[29].鑒于北京市水泥廠(chǎng)和典型水泥廠(chǎng)的熱異常數(shù)據(jù)與煤炭消耗以及污染物排放量均具有較好的相關(guān)性，因此該研究提出基于熱異常數(shù)據(jù)的水泥廠(chǎng)污染物排放估算方法.康宏等[25,30]對(duì)水泥廠(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程中的污染物排放情況進(jìn)行了估算，提出基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的污染物排放估算公式.該研究在污染物排放估算公式的基礎(chǔ)上結(jié)合熱異常點(diǎn)數(shù)據(jù)，提出基于熱異常點(diǎn)探測(cè)數(shù)據(jù)的新型干法水泥氣態(tài)污染物排放量測(cè)算公式[25,30]：

WNOx=ao×Qm×0.001×(1-ηtN)×2

(1)

式中：WNOx為NOx的排放量，t；ao為NOx排放系數(shù)，kg/t，通常燃燒溫度 1 600 ℃時(shí)NOx產(chǎn)生量約為11.4 kg/t (以標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì))，燃燒溫度900 ℃時(shí)NOx產(chǎn)生量約為5 kg/t (以標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì))，一般新型干法水泥生產(chǎn)40%燃料從窯頭投放入窯，60%燃料從預(yù)分解爐投放，因此ao=0.4×16+0.6×7=10.6 kg/t ；Qm為煤炭消耗量，t；ηtN為脫硝系數(shù)，可從污染源年鑒中查詢(xún)，一般在40%～50%之間.

WSO2=Qm×b×(1-ηtS)×2

(2)

式中：WSO2為SO2的排放量，t；ηtS為脫硫效率，通常在88%～100%之間，該研究取88%；b為燃料燃燒時(shí)的SO2排放因子，該研究取1.05×10-2kg/kg.

Qm可通過(guò)通過(guò)熱異常點(diǎn)換算得到：

Qm=c×F

(3)

式中：c為換算系數(shù)；F為熱異常點(diǎn)輻射功率，MW.該研究通過(guò)分析熱異常點(diǎn)FRP與Qm的相關(guān)性，建立FRP與Qm的線(xiàn)性回歸方程，取回歸方程斜率作為換算系數(shù)c，為 1 829.1.

2.4 估算結(jié)果驗(yàn)證

使用2013—2016年金隅琉水、北京太行前景水泥廠(chǎng)(簡(jiǎn)稱(chēng)“北太行”)、北京強(qiáng)聯(lián)水泥廠(chǎng)(簡(jiǎn)稱(chēng)“強(qiáng)聯(lián)”)和金隅北水的熱異常點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)式(1)(2)估算了各水泥廠(chǎng)NOx和SO2的排放量，并與各水泥廠(chǎng)環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中的污染物排放量進(jìn)行驗(yàn)證，估算值與統(tǒng)計(jì)值整體較吻合(見(jiàn)圖4).NOx排放量的統(tǒng)計(jì)值與估算值之間的R2達(dá)0.65，SO2排放量的統(tǒng)計(jì)值與估算值之間的R2達(dá)0.63.

圖4 NOx和SO2排放量估算值與統(tǒng)計(jì)值對(duì)比Fig.4 Comparison between simulation value and statistic value of NOx and SO2 emission

金隅琉水位于北京市南邊界處，與定陵大氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站相距5.8 km，定陵大氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站通常作為北京市空氣質(zhì)量的本底值.利用琉璃河站空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)扣除定陵大氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，以期展現(xiàn)出水泥廠(chǎng)對(duì)空氣質(zhì)量的影響.將扣除本底值后的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)與金隅琉水的熱異常點(diǎn)數(shù)、熱異常點(diǎn)FRP數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析.由表3可見(jiàn)，非采暖季熱異常點(diǎn)FRP和熱異常點(diǎn)數(shù)與主要污染物濃度數(shù)據(jù)相關(guān)性均在2014年有所增強(qiáng)，在2016年有所減弱.2013年是《北京市清潔空氣行動(dòng)計(jì)劃》的起步期，污染企業(yè)多且排放強(qiáng)度大，水泥生產(chǎn)對(duì)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的影響并不是非常凸顯，熱異常點(diǎn)和空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)間的相關(guān)性較弱.2014年隨著《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》及《北京市清潔空氣行動(dòng)計(jì)劃》的逐步開(kāi)展[31-32]，水泥廠(chǎng)排放對(duì)大氣環(huán)境質(zhì)量的影響逐步凸顯，水泥廠(chǎng)熱異常點(diǎn)FRP和熱異常點(diǎn)數(shù)與ρ(NO2)和ρ(PM2.5)的相關(guān)性均增加.2015年熱異常點(diǎn)FRP和熱異常點(diǎn)數(shù)與ρ(SO2)和ρ(PM2.5)的相關(guān)性也均增加，但由于水泥生產(chǎn)開(kāi)始執(zhí)行新的排放標(biāo)準(zhǔn)，并開(kāi)始使用SNCR脫銷(xiāo)裝置，所以熱異常點(diǎn)FRP和熱異常點(diǎn)數(shù)與ρ(NO2)的相關(guān)性有所下降.2016年水泥廠(chǎng)開(kāi)始施行第二時(shí)段更為嚴(yán)格的排放限制，水泥廠(chǎng)的排放有所減少，熱異常點(diǎn)FRP和熱異常點(diǎn)數(shù)與ρ(SO2)、ρ(NO2)、ρ(PM2.5)的相關(guān)性也降低，水泥生產(chǎn)已不再是該區(qū)域的主要污染源.

表3 非采暖季熱異常點(diǎn)數(shù)據(jù)與扣除本底值后的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis between thermal analysis and air monitoring substation data subtracted background value during non-heating seasons

3 結(jié)論

a) 該研究提出了基于熱異常點(diǎn)探測(cè)數(shù)據(jù)的新型干法水泥氣態(tài)污染物排放量測(cè)算方法，選取熱異常產(chǎn)品的FRP參數(shù)估算北京市水泥廠(chǎng)的污染排放水平，利用NOx和SO2排放量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)排放估算值進(jìn)行相關(guān)性驗(yàn)證，二者統(tǒng)計(jì)值與估算值之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.65和0.63.

b)自2013年以來(lái)金隅琉水和金隅北水的熱異常點(diǎn)數(shù)整體呈下降趨勢(shì).由于采取了減排措施，水泥總產(chǎn)量和污染排放量也均呈逐年減少的趨勢(shì).

c) 通過(guò)對(duì)2013—2017年北京市所有水泥廠(chǎng)熱異常點(diǎn)進(jìn)行逐年統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，這些水泥廠(chǎng)的熱異常點(diǎn)數(shù)據(jù)與環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中水泥總產(chǎn)量、熟料總產(chǎn)量、煤炭總產(chǎn)量以及NOx、SO2和煙(粉)塵排放量的相關(guān)性均較好，相關(guān)系數(shù)均在0.7左右.利用扣除本底值后的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)與熱異常點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，非采暖季期間兩組數(shù)據(jù)具有一定的相關(guān)性，可間接反映水泥廠(chǎng)污染排放對(duì)大氣環(huán)境質(zhì)量的影響.因此，熱異常點(diǎn)數(shù)據(jù)可間接反映水泥廠(chǎng)的生產(chǎn)活動(dòng)水平和污染排放情況.