姬嘉琳, 马伊澜, 王姗姗, 龙文琪, 王克, 张瑞芹
郑州大学化学学院, 环境科学研究院, 郑州 450001
收稿日期: 2019-10-25; 修回日期: 2020-02-14; 录用日期: 2020-02-14
基金项目: 河南省工业园区循环低碳发展评估与升级方案：永城经济技术开发区案例研究（No.G-1709-26857）；能源基金会资助项目
作者简介: 姬嘉琳(1993—), 男, E-mail:jijialinzzu@163.com
通讯作者（责任作者）: 王姗姗, E-mail:wangshanshan@zzu.edu.cn

摘要：工业园区由于资源能源消耗和污染排放总量大，能量梯级利用水平普遍较低，在我国推进生态文明建设的过程中受到了重点关注.本研究以河南省一个典型的高能耗工业园区（永城经济技术开发区）为研究对象，对能量梯级利用措施带来的节能效果和大气污染物减排效益进行了定量的研究，并且结合CALPUFF模型分析园区能量梯级利用措施对周边城市大气环境质量的影响.结果表明：①通过应用能量梯级利用措施，有效地提高了能源的使用效率，并减少了SO₂、NO_x以及颗粒物等主要大气污染物的排放量.园区12条能量梯级利用链条的节能总量为10000 TJ，SO₂和NO_x排放量分别减少为611 t和1407 t，PM₁₀和PM_2.5分别减少为82 t和45 t.②CALPUFF模拟结果显示园区采用能量梯级利用措施在一定程度上改善了城市大气环境的空气质量.永城市2017年4种污染物的最大1 h平均浓度在有能量梯级利用措施情景（S2）下和无能量梯级利用情景（S1）相比均有所降低，其中NO_x降幅最为明显，在春秋两季为70 μg·m^-3左右.
关键词：能量梯级利用节能效果大气污染减排CALPUFF模型空气质量
Analysis of energy saving and emission reduction benefits of energy cascade utilization in an industrial park and its impact on urban air quality
JI Jialin, MA Yilan, WANG Shanshan, LONG Wenqi, WANG Ke, ZHANG Ruiqin
Research Institute of Environmental Science, College of Chemistry, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001
Received 25 October 2019; received in revised from 14 February 2020; accepted 14 February 2020
Abstract: Due to the large amount of energy consumption and air pollution discharge, industrial parks have drawn more and more attention in the process of promoting ecological civilization construction in China. However, the energy cascade utilization in industrial parks is still in the initial stage, so it is urgent to evaluate the environmental impacts of energy cascading measures. This study took Yongcheng Economic and Technological Development Zone, a typical high-energy industrial park in Henan Province, as the research object. The energy saving and air pollutant emission reduction benefits brought by the energy cascade utilization measures were quantitatively assessed, and the corresponding impacts on urban air quality were evaluated through CALPUFF model. The results show that:① The energy cascade utilization is proven to bring significant benefits on energy saving and air pollutant mitigation in the industrial park. The total energy conservation of energy cascading measures in the industrial park is 10000 TJ, while the emission reductions of SO₂, NO_x, PM₁₀ and PM_2.5 are 611, 1407, 82 and 45 tons, respectively. ② The CALPUFF model results show that energy cascade utilization can improve the surrounding urban air quality to some extent. The maximum 1-hour average concentration of air pollutants in Yongcheng city under the energy cascade utilization scenario (S2) in 2017 is lower than the non-energy cascade utilization scenario (S1), with NO_x concentration reduction of 70 μg·m^-3 in spring and autumn.
Keywords: energy cascade utilizationenergy saving benefitsair pollutant mitigationCALPUFF modelair quality
1 引言(Introduction)中国目前有2543家省级以上的工业园区, 其中国家级开发区552家, 省级开发区则多达1991家(国家发展改革委, 2018).在政府的引导及推动下, 工业园区目前已经成为我国经济发展的重要形式和主要力量(田金平等, 2016).2015年仅213家国家级园区的国内生产总值就达到了75910亿元, 占当年全国GDP的11% (Guo et al., 2018).与此同时, 这213家国家级园区能源活动相关的温室气体排放量占全国当年总排放量的10.8% (Guo et al., 2018).工业园区在推动我国经济快速发展的同时, 带来了温室气体与大气污染物的大量排放(Yu et al., 2015; Wen et al., 2018), 工业园区已经成为我国进行低碳发展、循环化改造以及绿色制造的主要抓手.
能量梯级利用水平低是目前工业生产过程中面临的普遍问题(田金平等, 2016；Wen et al., 2018).美国金属和非金属矿物制造过程中20%~50%的能源消耗是以余热形式损失的(Kim et al., 2017).土耳其水泥厂回转窑有51%的热量是被浪费的(Sogut et al., 2010).而在中国, 至少50%的工业能耗是以各种形式的余热被直接废弃(连红奎等, 2011).目前高品位余热资源利用较为充分, 而中低品味余热资源利用水平普遍较低(Jouhara et al., 2018), 中低品位余热资源利用主要存在多级余热源的采集与集成、余热的远距离输送以及余热系统调峰等技术障碍(Fang et al., 2015).与此同时, 经济成本也是制约工业余热利用的重要原因之一(Bruckner et al., 2015).
目前, 不同****对各个行业余热资源回收利用进行了积极探索.在钢铁行业, 曹先常等(2018)提出了“一个中心, 四个层级”工业余热资源梯级利用规划方法, 研究表明烧结环节废气余热梯级利用与常规烧结余热发电技术相比, 余热回收率可在原有的基础上提升20%左右.在化工行业, 江姗姗(2018)对蒸汽余热余压回收利用技术改造的节能效果进行了研究, 结果表明当蒸汽压力提高到1.32 MPa时, 发电效率提高25%左右, 每年可节约406.91×10⁴ kWh电量, 从而节约1281.78 t标准煤, 具有良好的节能效果.对于火电行业, Jin等(2007)提出了新的冷、热、电(CCHP)系统的集成概念, 并对相应系统的能量梯级利用效率进行了研究分析, 得出了与不考虑化学能梯级利用的常规能源系统相比, 新系统的节能率可达10%~15%的结论.在水泥行业方面, sogut等(2010)建立了水泥厂回转窑新型热回收换热器的数学模型, 探讨了水泥厂余热回收所能减少的能源使用量和CO₂减排量；Olumide和Wang(2019)则建立了利用水泥工业余热的超临界CO₂动力循环的Matlab/Simulink动态模型, 为余热回收利用提供了一条更加高效且清洁的路径.除此以外, 各国****们对于工业园区的节能研究也在同时进行.马玉明等(2008)基于生态工业园能量集成理论和热力学原理, 阐述了生态工业园物流与能流的共生耦合资源化余热利用模式.同时在分析硫酸生产和黄磷尾气余热利用潜力的基础上, 指出了在余热利用模式引导下的资源化途径.Li等(2015)提出了一种用于对工业园区产业共生的节能效率进行定量评估的指标体系, 利用该评价方法, 通过对山东信发工业园区产业链内物质流的分析, 探讨了产业共生的节能效果.Hacki和Harvey(2015)基于全站点分析设计了产业集群余热回收系统, 并应用于瑞士某个化工园区, 研究结果表明在这种系统下该园区在未来的2.4~3.9年中拥有42%的节能潜力.Huang等(2015)以某云计算工业园区的余热为热源, 利用热泵进行集中供热.从功率、供热和供冷三方面详细说明了该系统热回收的可能性, 并根据研究实例的机遇, 提出并优化了两种热回收方案, 以达到节能目标.在这种情况下, 数据中心的余热(方案II)将是集中供热热源的第一选择, 可以在不影响数据中心的冷却需求的同时减少余热的排放.
然而, 无论是对于行业还是对于工业园区或者企业个体的研究, 现有的文献多注重于能源梯级利用措施所带来的节能量以及对能源系统效率的提高(Jim et al., 2007; Sogut et al., 2010; Fang et al., 2015; Hackl et al., 2015; 曹先常等, 2018), 而忽略了由这些措施带来的大气污染物的减排量与对周边环境造成的影响.在这样的背景下, 本研究通过对河南省典型的高能耗综合类园区(永城经济技术开发区)进行研究, 调研并总结其重点企业的各种能量梯级利用措施, 分析这些措施所能带来的节能减排效益, 并利用CALPUFF模型模拟园区有无能量梯级利用措施的两种情景下SO₂、NO_x、PM₁₀以及PM_2.5等污染物的排放扩散状况, 从而分析其节能效益对周边城市空气质量的影响.本研究的关键问题是如何定量评估工业园区能量梯级利用带来的节能减排效益及对周边城市空气质量的影响, 使得能量梯级利用措施的环境效益得到更清晰明确的展示, 以期为管理决策提供一定的参考.
2 园区基本情况介绍(Basic information of the park)2.1 园区简介永城经济技术开发区位于中国河南省永城市, 地处河南省最东部, 为豫、皖、苏、鲁四省结合处(图 1), 该园区是一个典型的综合性工业园区, 煤化工、铝精深加工、食品加工和装备制造为其四大主导产业.本研究选取了5家主要热源企业, 分析这些企业的能量梯级利用措施对整个地区节能减排工作的影响.这5家企业分别为:一个煤化工企业(LY)、一个钢铁厂(MY)、一个电解铝厂(SA)、两个发电厂(SH和YD).除了这5家主要企业外, 园区内还有几家小型食品厂和建材厂.可以根据这些小型企业的用热需求, 合理地按质用能, 将能量利用效益最大化.
图 1(Fig. 1)

图 1 永城经济技术开发区区位图 Fig. 1Location map of Yongcheng Economic and Technological Development Zone

2017年永城经济技术开发区五大企业的工业增加值一共为147亿元, 其中MY钢厂占的工业增加值最高, 占总工业增加值的52%.这5家企业的总能耗为476万吨标煤, 其中MY钢厂主要消耗的能源为焦炭以及少量的无烟煤, SA铝厂只消耗电能, 其余企业使用的能源均为煤炭, 具体能耗如表 1所示.
表 1(Table 1)

表 1 2017年永城经济技术开发区5家主要企业的基本情况表 Table 1 Basic information of the five major enterprises in Yongcheng Economic and Technological Development Zone in 2017

表 1 2017年永城经济技术开发区5家主要企业的基本情况表 Table 1 Basic information of the five major enterprises in Yongcheng Economic and Technological Development Zone in 2017 企业 类型 工业增加值/亿元 总能耗/×104吨标煤 LY 甲醇和乙二醇厂 8.3 86.1 SH 电厂 18.1 148.3 YD 电厂 6.4 72.0 MY 钢铁厂 76.5 115.5 SA 电解铝厂 37.7 54.0

2.2 园区能量梯级利用现状及优化设计永城经济技术开发区的主要热源企业由LY煤化工厂、MY钢厂、YD电厂、SH电厂和SA电解铝厂组成.企业梯级的能源包括高压蒸汽、中压蒸汽、低压蒸汽、高炉煤气和转炉煤气.
目前, LY企业主要回收利用的能源是各种等级的蒸汽, 分为9.8、5.0、1.7、0.8、0.6和0.4 MPa.6台循环流化床锅炉(3×130 t·h^-1和3×220 t·h^-1)生产的9.8 MPa高压蒸汽, 用于甲醇生产和自发电, 剩余蒸汽减压至5.0 MPa用于甲醇生产过程.5.0 MPa的中压蒸汽主要来自气化炉, 用于甲醇和乙二醇生产, 减压至1.7 MPa的蒸汽用于乙二醇生产.1.7、0.8、0.6和0.4 MPa的低压蒸汽主要来自化学反应过程, 采用背压式汽轮机回收减压蒸汽装置的余热, 0.8 MPa的低压蒸汽通过有机朗肯循环(ORC)技术发电, 0.6 MPa蒸汽用于市政供热, 甲醇工艺产生的0.4 MPa低压蒸汽用于驱动泵, 代替电驱动泵.MY钢铁厂回收的主要余气是高炉煤气和转炉煤气.回收的高炉煤气(2.42×109 Nm³)用于发电及通过高炉动力回收涡轮机(BPRT)技术重新利用.回收的转炉煤气通过余热锅炉(18 MW)用于发电, 2017年的回收量为2.33×108 Nm³.SH电厂总装机容量为600 MW, 属于超临界机组, 配置1台1950 t·h^-1超临界变压直流煤粉锅炉, 其厂用的主蒸汽压力达到24.2 MPa, 温度达566 ℃.YD电厂装机容量为315 MW, 配备的是1台1025 t·h^-1的亚临界“W”型自然循环锅炉, 其主蒸汽压力为16.7 Mpa, 温度为540 ℃.两个电厂目前消耗能源仅用于发电, 而在发电过程中也存在大量处于排空状态的蒸汽, 同时由于排烟损失大量能量.SA电解铝厂则通过高温铝液的直接输出从而减少了下游公司需要对铝产品熔铸过程所消耗的能源.
虽然园区已经实行了诸多能量梯级利用措施(图 2实线部分), 但仍有一定的提升空间.因此, 本课题组在现状基础上增加了园区的能源梯级利用的优化设计链条(图 2虚线部分).MY钢铁厂增加的优化设计链条是将原本在炼钢过程排空的低压蒸汽回收并用于周边居民、医院和镇政府市政建筑的冬季供暖.SH电厂和YD电厂增加的优化设计链条为通过完成供热改造后进行集中供暖, 既可有效降低电厂的供电煤耗, 也能充分利用原本损失的能量.在其完成供暖改造后, SH电厂每小时可以提供400 t 0.5~0.8 MPa的低压蒸汽；YD电厂可向永城市提供300×10⁴ m²的供热面积, 预计节能效果可达49000 t标煤·a^-1.除此之外, 可以将部分剩余蒸汽按照需求等级供给给附近的建材厂以及食品厂替代原本所消耗能源类型.
图 2(Fig. 2)

图 2 永城经济技术开发区的能量梯级利用路径 Fig. 2Energy cascade utilization in Yongcheng Economic and Technological Development Zone

数据收集主要通过向企业发放调查问卷、实地调查、材料和能源消耗年度报告、清洁生产审核报告、环评报告、可行性研究报告以及其他相关资料.通过调研分析以及优化设计所总结的能量梯级利用措施的利用链条, 如表 2所示.
表 2(Table 2)

表 2 园区的能量梯级利用链条 Table 2 Status of energy cascade utilization measures in the park

表 2 园区的能量梯级利用链条 Table 2 Status of energy cascade utilization measures in the park 链条 路径 措施 能源类型 利用量/kt或Nm3 热值/(kJ·kg-1或kJ·m-3) 1 C → A 电厂到甲醇工序的高压蒸汽 9.8 MPa高压蒸汽 469 2729a 2 A → B 甲醇厂富余蒸汽到乙二醇厂 3 A → A 甲醇厂回收利用自身的减压蒸汽 5.0 MPa中压蒸汽 17 2794a 4 A → B 甲醇厂的减压蒸汽用于产品生产 1.7 MPa低压蒸汽 160 2795a 5 A → C 甲醇厂的减压蒸汽发电 0.8 MPa低压蒸汽 63 2768a 6 B → C 乙二醇厂的减压蒸汽发电 7 A → A 甲醇厂蒸汽驱动循环水泵 0.4 MPa低压蒸汽 29 2738a 8 D → D 高炉煤气发电 高炉煤气 2.42×109 Nm3 3100b kJ·m-3 转炉煤气发电 转炉煤气 2.33×108 Nm3 7000b kJ·m-3 9 D → F 低压蒸汽发电 蒸汽余热 58c — 10 D → G 低压蒸汽供热 蒸汽余热 D → H 低压蒸汽供热 蒸汽余热 D → K 低压蒸汽供热 蒸汽余热 11 C → C 减压蒸汽发电 蒸汽余热 110c — C → E 低压蒸汽供给食品厂 蒸汽余热 C → I 余热市政供暖 蒸汽余热 C → J 低压蒸汽供给建材厂 蒸汽余热 12 L → M 高温铝液给铝加工企业 高温铝液 257 —   注：a.取值来自https://www.tlv.com/global/TI/calculator/steam-table-pressure.html; b.取值来自MY企业《环境影响评价报告》, c.由式(2)计算得出.

3 材料与方法(Materials and methods)3.1 节能量计算园区的节能量由式(1)、(2)计算.

(1)

式中, E_saving是总节能量(TJ), m_i是企业中第i个携能物质的量(t), c_i是第i个携能物质的热值(GJ·t^-1), η是回收效率, γ是热效率.除了采用有机朗肯循环技术的热效率为94%外, 其他链条的热效率设为80%(Cho et al., 2014).

(2)

式中, E_source为可回收利用的总能量(tce), E为总能耗(tce), ζ为余热回收潜力.McKenna和Norman(2010)研究了英国能源密集型产业的热回收潜力, 认为5%~10%的热量在技术上是可回收的, 本研究中保守地假设余热的回收潜力为5%.
3.2 大气污染物排放量及减排量的计算大气污染物的排放量及减排量使用以下式(3)计算(US EPA, 1995).

(3)

式中, E_i为污染物排放总量(t)；i为污染物种类；j为燃料类型；EC为活动水平数据(燃料消耗量)(t)；EF为污染物的排放因子(g·kg^-1)；η为治理措施的去除效率.

(4)

式中, EFso₂为SO₂的排放因子(g·kg^-1)；S_j代表j类型燃料的含硫份, 在这里主要为燃料为煤炭, S_j取全国平均值1.18%, Sr为灰分中的含硫率, 取值为15%(Zhang et al., 2009; Lu et al., 2010).2和1000分别为单位换算系数.

(5)

式中, EF_{k, d}为颗粒物的排放因子(g·kg^-1)；k为颗粒物的直径, d为锅炉类型；AC为燃料的灰分；ar为保留的底灰中所占的比重；f_k为粒径为k的颗粒物的质量分数与粉煤灰中颗粒物总量之比；1000为单位换算系数.
在本研究中, 所有企业的脱硫效率均为90%(Cheng et al., 2018), LY企业的脱硝效率为50%, 而发电厂的脱硝效率为60%(US EPA, 2016).对于本研究中使用的NO_x的EF选取为5.26 kg·t^-1 (Liu et al., 2015), LY企业应用的选择性非催化还原(SNCR)技术, 脱硝效率为50%, 其他企业采用低氮燃烧和选择性催化还原(SCR)技术, 效率为60%.此外, MY公司SO₂和NO_x排放量来自其企业的环境影响评价报告书, 颗粒物的计算则根据《大气可吸入颗粒物一次源排放清单编制技术指南(试行版)》以及《大气细颗粒物一次源排放清单编制技术指南(试行)》中的计算方法计算得出.
3.3 CALPUFF模型CALPUFF模型是由美国环保署开发的非稳态气象和空气质量系统(ASG, 2018), 用于模拟不同气象条件对大气污染物的运输、转化和去除的时空影响.模型为三维非稳态拉格朗日扩散模型, 其中包括CALMET、CALPUFF、CALPOST等模块.CALMET是三维气象模块, 含有海风程序可用来模拟沿海城市的海陆风影响；CALPUFF为污染预测模块, 能模拟非稳态情况(静小风、熏烟、环流、海岸效应等), 模拟范围从几十米到几百公里中等尺度, 其基本公式可参见文献(伯鑫等, 2009; Cui et al., 2011; 伯鑫等, 2016)；CALPOST为后处理模块.CALPUFF已广泛应用到区域大气污染研究、环评等工作, 模型结果验证良好(Macintosh et al., 2010; Tartakovsky et al., 2013; Rood et al., 2014; 王刚等, 2015).
在这项研究中, 模拟了5家企业排放的大气污染物在4个季节的环境影响, 这里用1月、4月、7月和10月依次代表冬季、春季、夏季和秋季.本研究区域网格设置为50 km×50 km, 网格间距为0.5 km, 垂直层为10层, 顶层高度分别为20、40、80、160、320、640、1200、2000、3000、4000 m.本研究中模型所使用的地形数据从CGIAR-CSI SRTM网站获取(CGIAR-CSI, 2019), 为第4版本的90 m分辨率的数字地面高程, 土地利用数据则采用马里兰大学500 m分辨率的土地利用类型资料.此外, 地面气象数据来自永城市气象局2017年24 h连续观测数据.由于永城市附近没有探空站, 因此, 地面气象数据、高空探测资料和降水资料都采用WRF模型(Weather Research and Forecasting Model)提取的中尺度预报数据代替高空观测数据, 并用于运行CALMET模式生成三维逐时气象场(伯鑫, 2016).本研究选择了不同行业的4类企业, 一共16个点源, 点源的特征如表 3所示.模型所需的参数包括烟囱高度, 海拔高度, 烟囱直径和出口烟气速度和空气污染物排放速率.CALPUFF模型用于模拟不同情景下4类企业的污染物排放.
表 3(Table 3)

表 3 永城经济技术开发区的点源参数表 Table 3 Parameters of the point source of the enterprise in the park

表 3 永城经济技术开发区的点源参数表 Table 3 Parameters of the point source of the enterprise in the park 企业 烟囱编号 UTMX/km UTMY/km 高度/m 海拔/m 直径/m 出口速率/(m·s-1) 出口温度/K 排放速率/(kg·h-1) SO2 NOx PM10 PM2.5 LY 1 445.395 3750.6 150 33 5.0 15.5 418 68.8 65.6 9.0 4.4 2 445.457 3750.731 150 34 5.0 15.5 418 68.8 65.6 9.0 4.4 SH 1 458.201 3753.719 240 36 6.8 22.3 433 131.4 193.1 40.3 21.0 2 458.345 3754.422 240 36 6.8 22.3 433 131.4 193.1 40.3 21.0 YD 1 441.145 3749.751 210 33 5.5 21.0 431 115.2 253.7 35.5 18.5 MY 1 446.965 3762.826 49 36 3 12.3 393 55.4 92.5 40.8 13.9 2 447.106 3762.804 45 36 3 12.3 393 57.3 105.6 40.8 13.9 3 447.114 3763.001 80 37 4.6 15.8 383 22.6 42.1 108.3 47.5 4 447.154 3763.134 80 37 4.6 15.8 383 21.3 31.9 108.3 47.5 5 447.316 3763.201 63 37 3.8 12.8 423 69.1 96.7 22.4 18.6 SA 1 458.531 3753.616 50 32 3.5 12.1 353 41.9 - 1.7 1.4 2 458.704 3753.599 50 32 3.5 12.1 353 41.9 - 1.7 1.4 3 458.534 3753.367 50 32 3.5 12.1 353 41.9 - 1.7 1.4 4 458.706 3753.192 50 32 3.5 12.1 353 41.9 - 1.7 1.4 5 458.531 3753.008 50 32 3.5 12.1 353 41.9 - 1.7 1.4 6 458.705 3752.931 50 32 3.5 12.1 353 41.9 - 1.7 1.4

4 结果与讨论(Results and discussion)4.1 能量梯级利用节能减排效益以2017年为基准年, 对通过实地调研所获取的企业的情况进行梳理, 确定了园区已实施以及可优化的12个能源梯级利用链条.
链1~链7是LY企业的能源梯级利用链条, 节能总量为2028 TJ, 减排量分别为127 t的SO₂, 220 t的NO_x, 25.8 t的PM₁₀与12.8 t的PM_2.5.链1和链2利用的是9.8 MPa的高压蒸汽, 将原本会排空的部分富余蒸汽进行回收用于产品生产.链3和链4分别将来自减压阀的5.0 MPa的中压蒸汽和1.7 MPa的低压蒸汽用于产品生产.链5和链6是将甲醇厂和乙二醇厂减至0.8 MPa的低压蒸汽用于发电.链7则使用0.4 MPa的低压蒸汽驱动循环水泵.在这7条链条中, 使用9.8 MPa高压蒸汽的1链和2链所起到的节能效果是最大的, 占到整个企业节能总量的63%, 主要还是由于高压蒸汽可利用途径较多, 效果明显并且回收难度小.
链8~链10是MY企业的能源梯级利用链条, 节能总量为4432 TJ, 减排量分别为259 t的SO₂, 669 t的NO_x, 13 t的PM₁₀与9 t的PM_2.5.链8和链9已经建成并运行, 链10是设计优化的链条.链8使用的是高炉煤气和钢铁生产中产生的转炉煤气发电, 链9则使用炼钢转炉在吹制期间产生的以CO为主要成分的高温烟气, 通过蒸汽冷却烟道和蒸汽蓄热系统, 从而回收余热发电.两条链投产后外供和节省的电量为7.61×10⁶ kWh·a^-1, 节能量为2740 TJ, SO₂排放量减少160 t, NO_x排放量减少414 t, PM₁₀排放量减少8 t, PM_2.5排放量减少6 t.此外, 该企业还可以将生产过程中产生的低压蒸汽用于附近的居民、医院以及镇政府市政建筑的冬季采暖, 节能量约1692 TJ, 其SO₂、NO_x、PM₁₀和PM_2.5的排放量分别减少为99、255、5以及3 t.
链11是SH和YD两个电厂的能量的梯级利用设计优化链条, 可回收的能量为3228 TJ, 可减少的污染物为202 t的SO₂, 398 t的NO_x, 43 t的PM₁₀和23 t的PM_2.5.将自身蒸汽减压利用的同时向周边的食品厂和建材厂供应他们所需的对应等级的蒸汽, 并且成为城市集中供暖的热源点.
链12的携能物质来自SA企业, 它的高温铝液直接运输到园区内临近的铝加工企业, 这一过程可以减少这些铝加工企业的铝锭熔融重铸过程, 2017年间接减少企业用电达8.66×10⁷ kWh, 换算为热值后节能量为311 TJ.该过程的大气污染物排放通过查阅电厂电力生产的排放因子来计算SO₂和NO_x的排放量, 最终SO₂减排量为23 t, NO_x减排量为85 t, PM₁₀和PM_2.5的减排量均为0.2 t, 详见表 4.
表 4(Table 4)

表 4 2017年永城经济技术开发区的能量梯级利用措施节能减排量 Table 4 Energy saving and air pollutants emission reduction caused by energy cascade utilization measures in Yongcheng Economic and Technological Development Zone in 2017

表 4 2017年永城经济技术开发区的能量梯级利用措施节能减排量 Table 4 Energy saving and air pollutants emission reduction caused by energy cascade utilization measures in Yongcheng Economic and Technological Development Zone in 2017 链条 能源路径 措施 节能量a/TJ 大气污染物减排量 SO2/t NOx/t PM10/t PM2.5/t 1 C → A 电厂到甲醇工序的高压蒸汽 1280 80 161 16 8 2 A → B 甲醇厂富余蒸汽到乙二醇厂 3 A → A 甲醇厂回收利用自身的减压蒸汽 49 3 6 0.8 0.3 4 A → B 甲醇厂的减压蒸汽用于产品生产 447 28 56 6 3 5 A → C 甲醇厂的减压蒸汽发电 175 11 22 2 1 6 B → C 乙二醇厂的减压蒸汽发电 7 A → A 甲醇厂蒸汽驱动循环水泵 78 5 10 1 0.5 LY企业总计 2028 127 255 25.8 12.8 8 D → D 高炉和转炉煤气发电 2740 160 414 8 6 9 D → F 余热发电 10 D → G 低压蒸汽供热 1692 99 255 5 3 D → H 低压蒸汽供热 D → K 低压蒸汽供热 MY企业总计 4432 259 669 13 9 11 C → C 减压蒸汽发电 3228 202 398 43 23 C → E 低压蒸汽供给食品厂 C → I 余热市政供暖 C → J 低压蒸汽供给建材厂 12 L → M 高温铝液给铝加工企业 311(8.66 × 107 kWh)b 23c 85d 0.2e 0.2f 总计 10000 611 1407 82 45 ??注：a.煤炭20.91 GJ·t-1 (国家统计局, 2018); b. 302 g·kWh-1, 8.66×107 kWh (永城经济技术开发区环境影响报告, 2018); c.排放系数2.79 g ·kWh-1 (Liu et al., 2015), 去除率为90%;d.排放系数为2.45 g·kWh-1 (Liu et al., 2015), 去除率为60%;e.排放系数为0.41 g·kWh-1 (Liu et al., 2015), 去除率为99%;f.排放系数为0.26 g·kWh-1 (Liu et al., 2015), 去除率为99.5%.

综上所述, 永成经开区的总节能量理论上可达到10000 TJ.同时, SO₂、NO_x、PM₁₀以及PM_2.5的减排量分别为611、1407、82以及45 t.
4.2 对城市空气质量的影响经过计算得出2017年5大热源企业排放7787 t SO₂, 9011 t NO_x, 2886 t PM₁₀, 1370 t PM_2.5.其中SH电厂排放的NO_x和SO₂量最大, 而MY钢厂的颗粒物排放量最大, 具体如表 5所示.
表 5(Table 5)

表 5 5家主要企业的污染物排放量 Table 5 Pollutant emissions from five major companies ?

表 5 5家主要企业的污染物排放量 Table 5 Pollutant emissions from five major companies ? t 企业 SO2排放量 NOx排放量 PM10排放量 PM2.5排放量 LY 640 1171 117 57 SH 2718 4369 580 303 YD 1317 2117 281 147 MY 1261 1354 1839 808 SA 1851 - 69 56

基于上述4种污染物的排放现状以及12条能量梯级利用链条的减排效果, 本节使用CALPUFF模型对园区SO₂、NO_x、PM₁₀以及PM_2.5的转移扩散进行了模拟, 从而得出工业园区能量梯级措施对城市大气环境的影响结果.以园区无能量梯级利用措施(S1)与实行能量梯级利用措施的状况(S2)做对比, 比较其环境影响.
模型模拟得到的四季中4种污染物的1 h平均峰值浓度, 如表 6所示.从表中可以看出在S2情景下4种污染物的最大小时浓度均低于S1情景, 在四个季节下SO₂的降低量为2~3 μg·m^-3左右, NO_x的降低量在春秋两季可达到70 μg·m^-3左右, 而在夏冬两季则大约为40 μg·m^-3.PM₁₀和PM_2.5的降低量在1~2 μg·m^-3之间.其中, SO₂的最大小时浓度在冬季两种情景下均达到中国的环境空气质量Ⅰ级标准(250 μg·m^-3), 而在其余三个季节只达到Ⅱ级标准(500 μg·m^-3).NO_x在则在春秋两季的S1情景下未达到一级和二级标准(均为250 μg·m^-3), 而在冬夏的S1情景以及全部的S2情景中全部达标.本研究的气象等其他因素均保持不变, 因此可以排除气象因素对风速和地形等污染物浓度的影响, 可以认为大气污染物浓度下降的主要原因是由于园区能源梯级利用措施的实施.
表 6(Table 6)

表 6 永城经济技术开发区有无能量梯级利用措施的SO2、NOx、PM10以及PM2.5的1 h最大浓度 Table 6 1 h maximum concentration of SO2, NOx, PM10 and PM2.5 with or without energy cascade utilization measures in Yongcheng Economic and Technological Development Zone

表 6 永城经济技术开发区有无能量梯级利用措施的SO2、NOx、PM10以及PM2.5的1 h最大浓度 Table 6 1 h maximum concentration of SO2, NOx, PM10 and PM2.5 with or without energy cascade utilization measures in Yongcheng Economic and Technological Development Zone 季节 情景 SO2/(μg·m-3) NOx/(μg·m-3) PM10/(μg·m-3) PM2.5/(μg·m-3) 春季 S1 307.6 314.3 217.1 101.0 S2 305.0 240.3 215.6 99.9 夏季 S1 201.5 170.9 97.4 45.3 S2 199.6 130.4 96.8 44.8 秋季 S1 313.0 305.7 238.7 118.3 S2 310.1 233.3 237.1 117.1 冬季 S1 134.0 143.7 113.5 51.6 S2 132.7 109.6 112.6 51.0 ??注：环境空气质量标准(GB3095—2012)：SO2 (150 μg·m-3为一级、500 μg·m-3为二级)；NOx(一级和二级均为250 μg·m-3).

春季最大小时浓度出现时, SO₂的最大1 h平均浓度由307.6 μg·m^-3降至305 μg·m^-3, NO_x浓度则从314.3 μg·m^-3降至240.3 μg·m^-3, PM₁₀从217.1 μg·m^-3降至215.6 μg·m^-3, PM_2.5则从101 μg·m^-3降至99.9 μg·m^-3, 其S1和S2情景下扩散情况的对比, 如图 3所示.结合表 6与图 3可以看出, 在S2情景下4种污染物不仅最大小时浓度有所降低, 而且扩散范围也有相对的减小, 其中浓度下降最大的NO_x扩散范围的减小也最为明显.
图 3(Fig. 3)

图 3 永城经济技术开发区春季有无能量梯级利用措施两种情景下的大气环境影响 Fig. 3Atmospheric environmental impacts in two scenarios with or without energy cascade utilization in spring in Yongcheng Economic and Technological Development Zone

基于以上结果可以得出结论, 园区热源企业的能源梯级利用措施对大气污染物的减排有一定的积极影响, 这些措施的应用可以有效降低研究区域SO₂、NO_x、PM₁₀以及PM_2.5 4种污染物的浓度.
5 结论(Conclusions)1) 本研究分析了永城经济技术开发区5大企业12条能量梯级利用的现状措施与优化措施, 同时分析了这些措施带来的节能效益和污染物的减排效益.结果表明这些能源梯级利用的措施带来了明显的节能效果和大气污染物协同减排效果.同时CALPUFF模型的结果验证了工业园区能量梯级利用措施对改善其附近区域的空气质量具有一定的积极作用.研究结果对企业、园区和城市的发展具有一定的借鉴意义.
2) 在企业层面, 各高耗能企业应提高自身的能量梯级利用水平, 通过增加或者延伸产业链、驱动其他用能设备、引入先进的发电技术等方式充分利用生产过程中所产生的余热余压等资源.同时, 热源企业与用热企业应该主动寻求联系, 实现企业间的能量梯级利用.
3) 在园区层面, 园区管理者在进行管理决策时, 除了园区内企业之间的物质共生外, 能量共生也应纳入考虑范围.掌握高能耗企业的热源资源以及用热企业的热源需要, 引导供热企业与用热企业进行对接.同时由于能量利用方式存在局限性, 布局方面在条件允许的情况下, 应尽可能的缩短热源企业与用热企业的距离, 为实现园区企业间能量梯级利用提供便利.
4) 在城市层面, 城市与园区应加强联系, 对于园区的剩余能量资源通过供热供电等方式进行接收, 促进产城融合, 在实现城市与园区之间能量梯级利用的同时, 对城市空气质量的改善也能起到一定的积极作用.

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