环境科学  2019, Vol. 40 Issue (11): 4856-4861   PDF    
引用本文
鲁君, 黄奕玮, 黄成. 典型化工行业有害VOCs排放清单及长三角地区应用[J]. 环境科学, 2019, 40(11): 4856-4861.
LU Jun, HUANG Yi-wei, HUANG Cheng. Hazardous Volatile Organic Compound Emission Inventory Study and Its Application in a Typical Chemical Industry in the Yangtze River Delta[J]. Environmental Science, 2019, 40(11): 4856-4861.
典型化工行业有害VOCs排放清单及长三角地区应用
鲁君, 黄奕玮, 黄成     
上海市环境科学研究院, 国家环境保护城市大气复合污染成因与防治重点实验室, 上海 200233
收稿日期: 2019-01-25; 修订日期: 2019-06-11
基金项目: 上海市重大环保科研项目（2017-02）；国家自然科学基金项目（21777101）；国家重点研发计划项目（2018YFC0213800）
作者简介: 鲁君(1984~), 女, 硕士, 工程师, 主要研究方向为大气污染源排放与控制, E-mail:lujun@saes.sh.cn
通信作者: 黄成, E-mail:huangc@saes.sh.cn
摘要: 以美国加州和中国台湾有害挥发性有机物（HVOCs）排污收费物种为依据，筛选8种HVOCs物种，分别为苯、甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯、二氯甲烷、1，1-二氯乙烯和三氯乙烯，通过排放因子法，建立了2014年的长三角地区典型化工行业总VOCs排放清单，VOCs排放量为13.55万t，结合工艺源项HVOCs物种排放占比，建立了长三角地区典型化工行业的HVOCs排放清单，2014年排放量HVOCs约为5.24万t，其中占比最高的HVOCs物种为二氯甲烷和苯，HVOCs占VOCs排放较大的工艺源项为聚氨酯类树脂、烷基苯、乙苯、丙烯酸树脂、氯苯、乙苯、环己酮、乙烯及聚苯乙烯等的生产.
关键词: 毒害      挥发性有机物(VOCs)      排放清单      化工      长三角地区     
Hazardous Volatile Organic Compound Emission Inventory Study and Its Application in a Typical Chemical Industry in the Yangtze River Delta
LU Jun , HUANG Yi-wei , HUANG Cheng     
State Environmental Protection Key Laboratory of the Cause and Protection of Urban Air Pollution Complex, Shanghai Academy of Environment Sciences, Shanghai 200233, China
Abstract: Based on hazardous volatile organic compound (HVOCs) species recommended by the California Air Resources Board and Taiwan Environmental Agency(China), eight HVOCs species were focused on, namely benzene, toluene, xylene, ethylbenzene, styrene, dichloromethane, 1, 1-dichloroethylene, and trichloroethylene. A top-down method was used to establish a VOCs emission inventory for typical chemical industries in the Yangtze River Delta (YRD). The total VOCs emission in 2014 was 135500 tons. The HVOCs emission inventory of a typical chemical industry in the YRD was also established from different chemical processes and approximately 52400 tons of HVOCs was emitted in 2014. The most abundant HVOCs species were dichloromethane and benzene. The major chemical processes of HVOCs emissions were for producing polyurethane resin, alkylbenzene, ethylbenzene, acrylic resin, chlorobenzene, ethylbenzene, cyclohexanone, ethylene, and polystyrene.
Key words: hazardous      volatile organic compounds (VOCs)      emission inventory      chemical industry      Yangtze River Delta     

有毒空气污染物是我国工业高速发展的副产物, 组成范围不断扩大, 危害日益严重, 已成为我国新时期关系民生的环境问题[1].挥发性有机物(volatile organic compounds, VOCs)是典型的大气污染物, 在大气化学反应中扮演重要角色, 产生臭氧及二次气溶胶(SOA)[2~5], 人为源排放的VOCs已经成为城市以及重点工业区域环境空气污染的重要组成[6~9], 不仅会增加环境大气氧化性, 还可能引发环境大气的毒性, 直接威胁人体健康[10~15].早在1984年, 美国加州发布了有害空气污染物名录及控制条例, 后续建立了疑似致癌的21种空气污染物, 1990年美国《清洁空气法案》修正, 建立了187种有害大气污染名录, 其中33种属于VOCs, 即有害挥发性有机物污染物(hazardous volatile organic compounds, HVOCs)[16~18].研究显示化工类企业聚集区域的人群具有较高的白血病、黑色素瘤及其他遗传毒性发病率[19, 20], 美国Heartland化工地区HVOCs浓度趋势与癌症发生率具有密切相关性[21].

长江三角洲地区(长三角地区)包括上海市、江苏省、浙江省和安徽省, 面积占国土面积的2.2%, 但人口占16.1%(2016年统计数据)[22], 第一产业和第二产业的生产总值占比22.7%和13.7%, 可见长三角地区工业发达且人口密集.据文献报道长三角地区所在的东部地区是VOCs排放的重点区域[23, 24], 各类工业对VOCs排放贡献较高, 而且石化和化工过程是长三角地区排放的主要源, 占VOCs排放总量的40%以上[25].国内已开展了大量VOCs排放清单工作[26~30], 但针对VOCs组分的排放清单研究目前较少, 与毒害相关的物种清单研究更少[33].

鉴于此, 本文筛选了美国加州空气质量委员会[11]及中国台湾环境署[34]对有害的VOCs单独收费物种作为研究对象, 针对长三角地区典型化工行业, 首次建立了2014年该地区典型化工行业HVOCs排放清单, 以期为后续该区域研究环境大气对人群健康影响提供科学基础, 并为该区域有害大气污染物防控提供技术支撑.

1 材料与方法 1.1 研究对象及范围

本研究建立的HVOCs排放清单基准年为2014年, 研究区域为长三角地区三省一市, 包括江苏省、浙江省、安徽省和上海市共41个城市, 区域面积达到35万km2以上, 见图 1.本研究排放清单建立参考文献[35](“手册”)和文献[36](“指南”)中关于源的分类方法, 污染源范围为典型有机化工行业, 共涉及如表 1所示的24类工序[34].本研究涉及的毒害VOCs清单的物种为：苯、甲苯、二甲苯、三氯乙烯、二氯甲烷、乙苯、苯乙烯和1, 1-二氯乙烷.

图 1 本研究覆盖的长三角城市 Fig. 1 Cities in the Yangtze River Delta in this study

表 1 典型有机化工行业毒害VOCs排放因子 Table 1 VOCs emission factors used in this study

1.2 估算方法

HVOCs物种排放清单建立的前提为总VOCs排放清单的建立, 总排放清单的估算方法为采用排放因子法, 对长三角地区化工行业VOCs排放总量进行估算, 如公式(1), HVOCs物种的排放清单通过公式(2)估算：

(1)
(2)

式中, Ej为j类污染源的VOCs排放总量, j为污染源项(指本研究所指的化工工序), Aj为j类污染源的活动水平数据, 如原料消耗量, 产品生产量等, EFj为j类污染源的VOCs排放因子; Ei为i物种的排放量, EFi, j为i物种在j污染源项VOCs排放量中的占比, i为HVOCs物种, 分别包括：苯、甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯、二氯甲烷、1, 1-二氯乙烯和三氯乙烯.

1.3 活动水平确定

本研究所使用的污染源活动水平数据来源于如下途径：环境统计数据及典型城市开展的污染源调查, 对三省一市各污染源项的活动水平数据进行收集和整理, 共计1 040家工业企业, 2 351个工序, 采集的主要活动水平数据包括原辅料使用量、燃料使用量、产品产量、废气捕集效率及治理效率等.

1.4 排放因子确定

本研究估算化工行业HVOCs排放清单所选取的排放因子见表 1, 不同工序的VOCs排放因子主要来自于文献[34~36], HVOCs物种在行业工序中占比取自文献[34].

2 结果与讨论 2.1 2014年VOCs总排放清单

通过对长三角地区典型化工行业VOCs排放因子以及不同排放源的活动水平数据的收集与整理, 计算得到该地区化工行业VOCs的排放总量及省市分布(见表 2和图 2).由表 2可知, 2014年长三角地区典型化工行业的VOCs排放量约为13.55万t, 其中江苏省和浙江省占比最高, 分别占排放总量的47.2%和35.7%, 其次是安徽省, 占8.6%, 上海占总量的8.5%.

表 2 2014年长三角地区典型化工行业VOCs排放清单 Table 2 VOCs emission inventory of a typical chemical industry in YRD in 2014

图 2 长三角地区典型化工行业VOCs排放清单分布 Fig. 2 Distribution of VOCs emission in a typical chemical industry in the Yangtze River Delta

由图 2可知, 各省份内不同城市排放贡献具有差异性, 江苏省中排放贡献最大的城市为南京市、盐城市、南通市、苏州市和泰州市, 5城占该省份总量的75.5%;浙江省中排放贡献最大的城市为台州市、绍兴市、宁波市和金华市, 4城占该省份总量的76.7%;安徽省中排放贡献最大的城市为滁州市、淮南市、池州市和蚌埠市, 4城占该省份总量的82.9%.

2.2 毒害物种排放清单

基于典型化工行业总排放清单及特征生产工艺的HVOCs物种占比, 计算获得各类工艺源项的HVOCs物种排放清单及贡献(见表 3和图 3), 由表 3可知, 2014年长三角地区典型化工行业的HVOCs的排放量约为5.24万t, 其中二氯甲烷占比最高, 占总量的66.7%, 其次为苯, 占总量的17.2%, 其他6个物种排放贡献约占16%.

表 3 2014年长三角地区典型化工行业毒害VOCs物种排放清单1)/t Table 3 Hazardous VOCs emission inventory of a typical chemical industry in YRD in 2014/t

图 3 长三角地区典型化工行业毒害VOCs物种排放贡献 Fig. 3 Contribution of HVOCs species emission from a typical chemical industry in the Yangtze River Delta

2.3 基于毒害物种的污染源排放与特征

分析工艺源项的HVOCs排放清单, 进一步分析各个源项特征, 图 4为各排放工艺源项中HVOCs的排放占比(即：HVOCs/VOCs), 占比为39.5%±43.0%, 工艺源项差异性较大, HVOCs占比较大工艺为聚氨酯类树脂、烷基苯、乙苯、丙烯酸树脂、氯苯、环己酮、乙烯及聚苯乙烯生产等生产工艺, 贡献均大于50%, HVOCs占比相对较小的为酚类、合成橡胶、合成乳胶、硝基苯和异丙苯等生产工艺, 贡献均小于20%.

图 4 典型化工行业HVOCs/VOCs排放占比

图 5为本研究建立的化工行业HVOCs排放清单及各工序的排放贡献, 由此可见, 长三角地区化工行业HVOCs排放清单中, 原料药生产排放贡献最大, 占总量的67.9%, 其次为农药生产, 占14.1%, 其他生产工艺占比均低于5%.

图 5 化工行业典型工序的排放贡献 Fig. 5 Contribution of processes in a typical chemical industry

2.4 不确定分析

总体而言, 估算过程中不确定性的主要来源有：①活动水平数据的选取, 本研究中化工行业的活动数据主要来自于环境统计数据, 而环境统计数据一般是只对规模以上企业进行统计, 这些统计信息不能反映该地区化工行业中的中小规模的企业的排放量, 由此会带来一定的不确定性; ②排放因子的选取, 部分排放因子的选取来源于国家或清华大学发布的清单指南, 上述因子的来源均不能真实反映现阶段长三角地区的VOCs排放水平, 而且部分缺失工艺的排放因子取自中国台湾环境署, 不同的地区、原料选取不同、使用工艺不同等原因, 选取非本地排放因子, 亦是本研究清单估算不确定性的主要来源之一; ③HVOCs物种的占比, 由于目前尚无HVOCs物种占比的相关报道, 物种占比选自中国台湾环境署推荐物种占比, 不同地区排放要求及治理水平的差异, 亦是本研究清单估算的不确定性来源.

3 结论

(1) 2014年长三角地区典型化工行业的VOCs的排放量约为13.55万t, 其中江苏省和浙江省占比最高, 分别占排放总量的47.2%和35.7%, 其次是安徽省, 占8.6%, 上海占总量的8.5%.

(2) 2014年长三角地区典型化工行业的毒害VOCs的排放量约为5.24万t, 其中二氯甲烷占比最高, 占总量的66.7%, 其次为苯, 占总量的17.2%.

(3) 长三角地区典型化工行业中, 工艺源项中HVOCs排放占比为39.5%±43.0%, 工艺源项差异性较大, HVOCs占比较大的为聚氨酯类树脂、烷基苯、乙苯、丙烯酸树脂、氯苯、环己酮、乙烯及聚苯乙烯生产等生产工艺源项.

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