石油加工企业脱硝、除尘工程经济性及超低排放潜力分析

常天阳, 赵晓, 高秦, 张光明, 马中, 常化振. 石油加工企业脱硝、除尘工程经济性及超低排放潜力分析[J]. 环境工程学报, 2019, 13(10): 2490-2501. doi: 10.12030/j.cjee.201904041
引用本文: 常天阳, 赵晓, 高秦, 张光明, 马中, 常化振. 石油加工企业脱硝、除尘工程经济性及超低排放潜力分析[J]. 环境工程学报, 2019, 13(10): 2490-2501. doi: 10.12030/j.cjee.201904041
CHANG Tianyang, ZHAO Xiao, GAO Qin, ZHANG Guangming, MA Zhong, CHANG Huazhen. Economics and ultra-low emission potential analysis of denitrification and dust removal projects in petroleum processing industry[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2019, 13(10): 2490-2501. doi: 10.12030/j.cjee.201904041
Citation: CHANG Tianyang, ZHAO Xiao, GAO Qin, ZHANG Guangming, MA Zhong, CHANG Huazhen. Economics and ultra-low emission potential analysis of denitrification and dust removal projects in petroleum processing industry[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2019, 13(10): 2490-2501. doi: 10.12030/j.cjee.201904041

石油加工企业脱硝、除尘工程经济性及超低排放潜力分析

    作者简介: 常天阳(1997—),女,本科生。研究方向:环境管理及成本分析。E-mail:18678640831@163.com
    通讯作者: 常化振(1983—),男,博士,教授。研究方向:大气污染控制。E-mail:chz@ruc.edu.cn
  • 基金项目:
    国家重点研发计划项目(2016YFC0203900);国家自然科学基金资助项目(51778619,21577173)
  • 中图分类号: X51

Economics and ultra-low emission potential analysis of denitrification and dust removal projects in petroleum processing industry

    Corresponding author: CHANG Huazhen, chz@ruc.edu.cn
  • 摘要: 基于多家石油加工企业大气污染控制工程案例,利用层次分析模型对脱硝、除尘工程的经济性进行了评估,并对未来不同情景下的工程技术成本、效益进行了比较分析。结果表明,在基准情景下,采用不同控制技术的石油加工企业经济性评价综合值差别较大。现有控制技术单一的企业,由于投资成本高或环境效益较低导致经济性下降;采用多种技术控制污染物排放的企业,绝对的投资费用较高,但可带来良好的环境效益,因而经济性更高。与基准情景相比,在超低排放情景下,系统总成本显著增加,系统总效益显著提升,但是总效益的增幅与总成本的增幅相差不大。通过研究发现,石油加工企业推行超低排放,经济性较高,技术上也可行。上述研究结果可为石油加工企业推行超低排放提供参考。
  • 溴酚类化合物(bromophenols,BrPs)不仅具有人为来源,被用作阻燃剂、木材防腐剂等,也具有海洋藻类合成等天然来源,是重要的海洋风味物质[1-2]. 根据苯环上溴原子的取代数目和位置不同,BrPs有19种化合物(图1),在大气、水、土壤、油松树皮及海洋生物等环境样本中均有检出[3-6],甚至在血液和脐带血等人体样本中也有检出[7],电子厂工人血清中检出的BrPs浓度为360 pg·g−1 ww (湿重) [8]. 2,4,6-三溴酚 (2,4,6-bromophenol,2,4,6-triBrP)和五溴酚(pentabromophenol,pBrP)不仅能破坏生物体内甲状腺激素的平衡,也具有显著的抗雌激素效应[9-10]. 因此,BrPs逐渐引起学者们的广泛关注.

    图 1  19种BrPs的化学结构式
    Figure 1.  Chemical structures of 19 BrPs

    海洋中的螺类、贝类和鱼类等动物经摄食藻类可以累积BrPs,经转化等途径也可以将一些人为污染物(如多溴代二苯并二噁英及多溴代二苯并呋喃等)转化为BrPs[11]. 海产品在居民(特别是沿海居民)的膳食结构中占有重要地位,随着人们对健康生活的需求,海产品在膳食中所占的比重呈现显著增加趋势,因此关注海产品质量安全极为必要. 已有研究发现,中国香港市售不同种类海产品中BrPs的含量和分布存在差异[12],但我国其他城市市售海产品中BrPs的赋存情况,特别是海产品中常食用的部位(如贝肉、鱼肉)中BrPs的赋存尚不清晰. 因此,本研究选取9种居民喜食且消费量大的海产品,开展江苏省连云港市海产品中19种BrPs的组织分布及种间差异的研究,为BrPs的生态健康风险和食品安全提供数据支撑.

    于2021年7月在江苏省连云港市某海鲜市场采集了人们广泛食用、销售量较大的一些海产品,包括双壳类软体动物(牡蛎、紫贻贝和扇贝)、螺类(脉红螺、扁玉螺和花螺)、和鱼类(海鲈鱼、小黄花鱼和金鲳鱼)共9种捕捞的野生海产品. 每种海产品均采集个体大小相近的新鲜样品,在冷藏条件下运回实验室. 贝类和螺类用去离子水清洗后分离去壳,用解剖刀和镊子将每个双壳贝类个体的鳃、外套膜和肉(包含闭壳肌)部分分离,用吸水纸吸干组织表面水分. 由于贝类除鳃和外套膜以外的其他组织以大量贝肉和少量内脏为主,无法将内脏清晰分离,且人们食用这几种贝类通常是净化处理后将贝肉(包括闭壳肌)和内脏团一起食用,因此将内脏合并到贝肉中进行分析和讨论. 螺类样品则分离为螺肉和内脏部分. 为保证足够的样品量并避免个体差异的影响,每种贝与螺的每种组织都由20—35只个体的样品混合而成. 鱼类样品则被分离为鳃、肉和内脏(所有内脏混合在一起)部分,每种组织的样品均由3—4条鱼体的组织混合制备. 每种生物组织的混合样品均进行了准确的质量称量,精确到0.01 g. 随后将所有样品冷冻干燥后用小型粉碎机将其研磨为粉末状固体,密封在棕色玻璃瓶中,置于-20 ℃冰箱中. 海产品个体的干重、湿重等信息详见表1.

    表 1  9种海产品的样本数量、组织重量以及含水率.
    Table 1.  Numbers, weights, and the moisture content for the 9 tested seafood samples.
    种类Species拉丁名Latin name数量Quantities部位Tissues湿重/gWet weight干重/gDry weight含水率/%Moisture content
    牡蛎Crassostrea gigasn=2017.03.0981.8
    外套膜20.64.4978.2
    91.021.076.9
    扇贝Patinopecten yessoensisn=3023.95.9675.1
    外套膜25.36.7273.4
    15737.775.9
    紫贻贝Mytilus edulisn=3517.43.4280.3
    外套膜43.812.072.6
    10522.179.0
    脉红螺Rapana venosan=20内脏46.514.568.9
    11327.475.7
    花螺Babylonia areolatan=35内脏55.718.267.2
    11327.475.7
    扁玉螺Glossaulax didyman=35内脏99.532.467.4
    20055.072.5
    小黄花鱼Larimichthys crocean=418.56.4265.3
    内脏67.129.256.6
    鱼肉55321061.9
    金鲳鱼Trachinotus ovatusn=317.86.0865.8
    内脏57.335.637.8
    鱼肉48721057.0
    海鲈鱼Lateolabrax japonicusn=338.413.166.0
    内脏88.858.733.9
    鱼肉62118070.9
      注:湿重、干重、含水率均基于n个个体的混合样品计量.   Note:The wet weight, dry weight, and the moisture content were based on the mixed samples of individualities.
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    19种BrPs标准物质,包括2-一溴酚(2-monobromophenol, 2-mBrP)、3-一溴酚(3-bromophenol, 3-mBrP)、4-一溴酚(4-bromophenol, 4-mBrP)、2,3-二溴酚(2,3-dibromophenol, 2,3-diBrP)、2,4-二溴酚(2,4-dibromophenol, 2,4-diBrP)、2,5-二溴酚(2,5-dibromophenol, 2,5-diBrP)、2,6-二溴酚(2,6-dibromophenol, 2,6-diBrP)、3,4-二溴酚(3,4-dibromophenol, 3,4-diBrP)、3,5-二溴酚(3,5-dibromophenol, 3,5-diBrP)、2,3,4-三溴酚(2,3,4-tribromophenol, 2,3,4-triBrP)、2,3,5-三溴酚(2,3,5-tribromophenol, 2,3,5- triBrP)、2,3,6-三溴酚(2,3,6-tribromophenol, 2,3,6-triBrP)、2,4,5-三溴酚(2,4,5-tribromophenol, 2,4,5-triBrP)、2,4,6-triBrP、3,4,5-三溴酚(3,4,5-tribromophenol, 3,4,5-triBrP)、2,3,4,5-四溴酚(2,3,4,5-tetrabromophenol, 2,3,4,5-tetraBrP)、2,3,4,6-四溴酚(2,3,4,6-tetrabromophenol, 2,3,4,6-tetraBrP)、2,4,5,6-四溴酚(2,4,5,6-tetrabromophenol, 2,4,5,6-tetraBrP)、pBrP,均购自加拿大Wellington Laboratories. 同位素内标物质13C6-4-mBrP、13C6-2,4-diBrP、13C6-2,4,6-triBrP、13C6-2,3,4,6-tetraBrP 和13C6-pBrP购自美国Cambridge Isotope Laboratories. 以上标准物质纯度均大于95%. 所有标准溶液均保存于棕色毛细管瓶,并放于4℃冰箱中保存. 色谱级甲醇、乙腈、二氯甲烷等有机溶剂均购自J.T. Baker公司. Poly-Sery WAX(500 mg/6 mL, CNW Technologies GmbH) 和醋酸铵购自中国上海安谱实验科技股份有限公司,盐酸购自国药集团化学试剂有限公司.

    前处理方法参照已有文献[13],并依据样品性质进行了微调. 准确称量2.00 g样品置于50 mL离心管中,加入20 mL乙腈:二氯甲烷溶液(1:1, 体积比)和20 μL同位素混合内标(13C6-4-mBrP、13C6-2,4-diBrP、13C6-2,4,6-triBrP,浓度分别为(500 ng·mL−1). 分别经超声(53 kHz,20 min)和振荡 (275 次·min−1,20 min)顺序萃取,以3500 r·min−1速度离心10 min取其上清液. 重复萃取3次,合并的萃取液氮吹至近干,用甲醇复溶后过0.22 μm聚四氟乙烯(PTFE)滤膜,随后用盐酸调节样品pH值至2.0±0.01. 随后用Poly-Sery WAX固相萃取柱(500 mg/6 mL)进行浓缩和净化,萃取柱先用6 mL甲醇和6 mL超纯水预处理,上样后用3 mL超纯水洗去杂质. 再用15 mL甲醇进行洗脱,收集洗脱液置于棕色小瓶中,经氮吹定容至500 μL.

    本研究采用高效液相色谱-三重四极杆串联质谱仪(HPLC-MS/MS)(Ultimate 3000, Thermo Fisher Science, U.S.;Triple-Quad 5500, AB SCIEX, U.S.)检测19种BrPs.

    液相色谱条件:色谱分离柱为 Inertsil ODS-4(150 mm×3.0 mm×2 μm, GL Science, Japan),进样量为 5 μL,柱温控制在40 ℃,流动相为含1 mmol·L−1 醋酸铵的水(A)和含0.1%乙酸的乙腈(B)的混合溶剂,流速为0.3 mL·min−1. 流动相梯度为:0 min,45%B/55%A;15 min,70%B/30%A;20—23 min,80%B/20%A;27 min,60%B/40%A;27.5—30 min,45%B/55%A. 质谱条件:在负离子多反应监测模式下对BrPs进行检测,离子源为电喷雾离子源,温度为500℃,离子化电压为-4500 V,气帘气和喷雾气的流速分别设定为38 psi和50 psi. 不同种BrPs检测的母离子、定量离子、碰撞能和去簇电压见表2.

    表 2  不同BrPs的母离子、定量离子、碰撞能和去簇电压
    Table 2.  The precursor and quantitative ion, collision energy, and declustering potential for different BrP congeners.
    化合物Compounds母离子(m/z)Precursor ion定量离子(m/z)Quantitative ion碰撞能/eVCollision energy去簇电压/eVDeclustering potential
    mBrPs170.878.8−22−85
    172.880.8−22−85
    diBrPs250.878.8−30−110
    80.8−30−110
    triBrPs328.878.8−70−120
    80.8−70−120
    tetraBrPs408.678.8−85−130
    80.8−85−130
    pBrP488.678.8−82−130
    80.8−82−130
    13C6−4-mBrP176.878.8−22−85
    178.880.8−22−85
    13C6−2,4-diBrP256.878.8−30−110
    80.8−30−110
    13C6−2,4,6-triBrP334.978.8−70−120
    80.8−70−120
    13C6−2,3,4,6-tetraBrP414.678.8−85−130
    80.8−85−130
    13C6−PBrP494.678.8−82−130
    80.8−82−130
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    基于海产品不同组织混合样品的质量与对应组织中BrPs浓度,计算得到每个海产品中不同种类BrPs及∑4BrPs的个体平均含量,公式如下:

    =m1×C1+m2×C2+m3×C3+m1+m2+m3

    其中,m1、m2、m3…分别代表不同组织混合样品的质量(g),C1C2C3…分别代表对应的不同组织混合样品中BrPs含量(ng·g−1 dw).

    每10个样品分析一组9点标准曲线(0.1、 0.2、0.5、1.0、2.0、5.0、10.0、20.0、50.0 ng·mL−1R2>0.995). 用2.00 g色谱纯硅藻土作为空白样品进行相同的全流程提取分析,在程序空白和仪器空白实验中均未检出BrPs. 每个样品均加入10.0 ng 同位素内标物质(20 μL, 500 ng·mL−1),以校正和消除样品前处理及仪器波动的影响. 除2,3,4,5-tetraBrPs回收率为58.8%外,海产品中其他18种BrPs回收率范围为77.1%—105%. BrPs的浓度值以干重计量,方法检出限(3倍噪声)范围为0.0248—32.1 ng·g−1 dw. 为了便于与文献数据进行对比,文献中BrPs含量如果以湿重或脂重计,则通过文献中给出的含水率(若文献中无含水率数据则按照贝、螺、鱼的含水率(80%)计算)或脂肪含量推算为以干重计的BrPs含量.

    在采集的螺、贝和海鱼样品中,共检出了4种BrPs,分别为4-mBrP、2,4-diBrP、2,6-diBrP和2,4,6-triBrP,在所有海产品各部位样品中的检出率分别为87.5%、54.2%、50.0%和100%,其他15种BrPs在海产品中均未检出. 有研究表明[12, 14],4-mBrP、2,6-diBrP、2,4-diBrP和2,4,6-triBrP是藻类、鱼类、软体动物、甲壳类动物等海洋生物中广泛检出的BrPs,其中以2,4,6-triBrP占比最高,与本研究结果一致. 在多个海产品相关的研究中还检出了2-mBrP、2,3,4-triBrP、2,3,5-triBrP、2,3,6-triBrP、2,4,5-triBrP、2,4,6-triBrP、3,4,5-triBrP、2,3,4,5-tetraBrP、2,3,4,6-tetraBrP、2,3,5,6-tetraBrP、pBrP等其他多种BrPs[15-17],但这些BrPs在本研究中均未检出,这可能与不同种BrPs的来源、环境暴露浓度、累积特性以及海产品种类有关.

    经海产品个体中BrPs含量推算,牡蛎、扇贝、紫贻贝、脉红螺、花螺、扁玉螺、小黄花鱼、海鲈鱼、金鲳鱼中∑4BrPs个体平均含量分别为33.0、15.2、2.25、23.2、18.7、3.11、7.85、9.52、13.0 ng·g−1 dw(图2). 比较不同海产品的含量发现,3种贝类中∑4BrPs、2,4-diBrP、2,4,6-triBrP个体平均含量((16.8±12.6)、(0.304±0.272)、(14.4±10.7) ng·g−1 dw)高于3种螺类((15.0±8.60)、(0.284±0.112)、(10.0±8.43) ng·g−1 dw)和鱼类((10.1±2.17)、(0.0136±0.0193)、(7.10±0.654) ng·g−1 dw),4-mBrP和2,6-diBrP则在螺类((0.863±0.785) ng·g−1 dw和(3.82±4.76) ng·g−1 dw)中高于贝类和鱼类. BrPs在物种间的差异,与生物的习性和生活环境有关,在韩国东南沿海、中国北江等区域的研究显示,BrPs在海洋沉积物中的浓度高于海水[5, 18],因此,贝类样品,特别是牡蛎和扇贝中某些BrPs单体的含量远高于螺类和鱼类,可能与其长期在沉积物中的底栖生活习性相关.

    图 2  9种海产品中BrPs及∑4BrPs的个体平均含量 (ng·g−1 dw)
    Figure 2.  The individual mean levels of BrPs and ∑4BrPs in 9 seafood (ng·g−1 dw)

    在3种贝类中,牡蛎的∑4BrPs、2,6-diBrP、2,4,6-triBrP个体平均含量最高(33.0、4.70、28.0 ng·g−1 dw),接下来是扇贝(15.2、0.774、13.4 ng·g−1 dw),二者均远高于紫贻贝(2.24、<MDL、1.88 ng·g−1 dw). 扇贝的4-mBrP和2,4-diBrP含量(0.343、0.677 ng·g−1 dw)高于牡蛎(0.221、0.0352 ng·g−1 dw)和紫贻贝(0.161、0.200 ng·g−1 dw). 本研究牡蛎中的溴酚单体4-mBrP、2,4,6-triBrP的个体平均含量高于中国香港地区牡蛎中对应BrPs的含量(<MDL、平均值(8.98±6.82) ng·g−1 dw,范围1.37–18.1 ng·g−1 dw)[12]和美国俄勒冈州州立大学海洋研究站获取的两种牡蛎样品中对应BrPs含量(<MDL、10.0、6.00 ng·g−1 dw)[19];2,6-diBrP处在中等水平,高于中国香港地区牡蛎(平均值(0.858±0.616) ng·g−1 dw,范围0.345—2.18 ng·g−1 dw)[12]低于美国俄勒冈州州立大学海洋研究站的两种牡蛎(含量5.00 ng·g−1 dw和6.00 ng·g−1 dw)[19];但溴酚单体2,4-diBrP的含量远低于中国香港牡蛎(平均值(30.6±18.5) ng·g−1 dw,范围9.8—52.9 ng·g−1 dw)[12]和在美国俄勒冈州的牡蛎(6.00 ng·g−1 dw和6.00 ng·g−1 dw)[19]. 本研究3种贝类中2,4,6-triBrP的个体含量的平均值((14.4±10.7) ng·g−1 dw)远高于在欧洲意大利、丹麦、法国、爱尔兰、西班牙等国家市场上采集的软体动物/甲壳类动物中2,4,6-triBrP的含量(范围0.316—3.73 ng·g−1 dw,数据经文献中脂肪含量换算)[20].

    在3种螺类中,∑4BrPs和2,4,6-triBrP的含量按照脉红螺(23.2 ng·g−1 dw和21.8 ng·g−1 dw)、花螺(18.7 ng·g−1 dw和5.85 ng·g−1 dw)、扁玉螺(3.11 ng·g−1 dw和2.41 ng·g−1 dw)依次递减. 花螺中4-mBrP和2,6-diBrP含量(1.97 ng·g−1 dw和10.5 ng·g−1 dw)高于脉红螺(0.337 ng·g−1 dw和0.935 ng·g−1 dw)、扁玉螺(0.278 ng·g−1 dw和<MDL). 与另外3种BrPs不同,2,4-diBrP在扁玉螺中最高为0.419 ng·g−1 dw,接下来依次为花螺(0.288 ng·g−1 dw)和脉红螺(0.144 ng·g−1 dw).

    对于3种鱼类,在金鲳鱼中∑4BrPs、2,6-diBrP含量(13.0、6.70 ng·g−1 dw)最高,接下来依次为海鲈鱼(9.52、1.51 ng·g−1 dw)和小黄花鱼(7.85、0.713 ng·g−1 dw). 海鲈鱼中2,4,6-triBrP和4-mBrP含量(7.91 ng·g−1 dw和0.0854 ng·g−1 dw)高于小黄花鱼(7.07 ng·g−1 dw和0.0244 ng·g−1 dw)和金鲳鱼(6.31 ng·g−1 dw和0.0332 ng·g−1 dw). 金鲳鱼和小黄花鱼均为咸水鱼,只能在海洋中生活,而海鲈鱼在海水与淡水中均能生活,因此海鲈鱼还有可能受到淡水生活环境的影响,而2,4,6-triBrP作为人为生产的溴代阻燃剂,往往对流经城市和人类生活区的淡水水体影响更大,这也可能是海鲈鱼体内2,4,6-triBrP含量高的原因.

    对于紫贻贝,除2,6-diBrP未检出外,检出的BrPs(4-mBrP、2,4-diBrP、2,4,6-triBrP)及∑4BrPs(0.197、0.262、4.00、4.46 ng·g−1 dw)均主要累积在鳃内(图3),高于贝肉(0.187、0.188、1.81、2.19 ng·g−1 dw)和外套膜(0.102、0.204、1.42、1.73 ng·g−1 dw)中对应BrPs的含量. 扇贝鳃中4-mBrP(0.663 ng·g−1 dw)和2,4-diBrP(1.20 ng·g−1 dw)也高于外套膜(0.326 ng·g−1 dw和0.681 ng·g−1 dw)和贝肉(0.295 ng·g−1 dw和0.594 ng·g−1 dw). 这说明鳃也是贝类BrPs暴露及分布的重要组织. 牡蛎和扇贝的贝肉中2,4,6-triBrP(31.0 ng·g−1 dw和15.9 ng·g−1 dw)、∑4BrPs的含量(36.3 ng·g−1 dw 和16.8 ng·g−1 dw)高于鳃和外套膜. 另外,牡蛎与扇贝中2,6-diBrP在外套膜中(6.04 ng·g−1 dw与4.00 ng·g−1 dw)高于鳃和贝肉中含量. 对3种贝类中BrPs的组织分布进行比较,发现紫贻贝各组织中的∑4BrPs均远低于牡蛎和扇贝,BrPs在3种贝类中的组织分布差异与3种贝类不同的生活方式和生长特性有关,牡蛎、扇贝多生活在潮间带、潮下带、低潮带底泥中,而紫贻贝多生活于浅海区附着在岩礁上,从BrPs浓度相对较低的海水中滤食,使其体内BrPs含量相较牡蛎和扇贝要低. 而紫贻贝的外套膜占个体干重的32.0%,远高于牡蛎(15.7%)和扇贝(13.3%). 紫贻贝、牡蛎、扇贝外套膜中∑4BrPs含量分别占对应贝类个体BrPs含量的24.6%、10.9%、8.79%. 由此可见,不同种贝类间相同生物组织在其体重中的占比也影响了BrPs的浓度分布. 整体上,贝类肉中∑4BrPs((18.4±14.0) ng·g−1 dw)高于鳃中((13.5±8.68) ng·g−1 dw)和外套膜((11.5±8.71) ng·g−1 dw).

    图 3  牡蛎、扇贝、紫贻贝不同组织中BrPs的含量及分布(ng·g−1 dw)
    Figure 3.  Levels and tissue distributions of BrPs in Crassostrea gigas, Patinopecten yessoensis, and Mytilus edulis (ng·g−1 dw)

    3种螺中各种BrPs及∑4BrPs在内脏中的含量均远高于螺肉中的含量(图4). 3种螺内脏中∑4BrPs平均含量((21.7±12.6) ng·g−1 dw)远高于螺肉((3.37±2.41) ng·g−1 dw). 对于螺肉样品,花螺螺肉中∑4BrPs最高(6.59 ng·g−1 dw)(图4),分别是脉红螺(2.71 ng·g−1 dw)和扁玉螺 (0.806 ng·g−1 dw)的2.43倍和8.18倍. 花螺的螺肉和内脏中4-mBrP、2,6-diBrP、2,4,6-triBrP的含量均高于脉红螺、扁玉螺的对应部位. 2,4-diBrP的最高浓度出现在扁玉螺的螺肉和内脏团中(图4). 3种螺螺肉中∑4BrPs的平均含量((3.37±2.41) ng·g−1 dw,范围0.806—6.59 ng·g−1 dw)远低于3种贝肉的平均含量((18.4±14.0) ng·g−1 dw,范围2.19—36.3 ng·g−1 dw),但花螺和脉红螺螺肉中∑4BrPs的含量则高于紫贻贝贝肉.

    图 4  脉红螺、花螺、扁玉螺(a)和小黄花鱼、海鲈鱼、金鲳鱼(b)不同组织中BrPs的含量及分布特征
    Figure 4.  Levels and tissue distributions of BrPs a. Rapana venosa, Babylonia areolate, and Glossaulax didyma ;b. Larimichthys crocea, Trachinotus ovatus, and Lateolabrax japonicus

    图4所示,小黄花鱼、海鲈鱼和金鲳鱼肉中的∑4BrPs含量(2.21、5.29、2.87 ng·g−1 dw)均远低于内脏(37.8、31.3、41.5 ng·g−1 dw)和鳃中的含量(56.1、28.0、25.4 ng·g−1 dw). 检出率最高的2,4,6-triBrP在鱼体中的最高浓度均出现在3种鱼的鱼鳃(56.0、28.0、25.3 ng·g−1 dw)中. 这说明鳃也是鱼类2,4,6-triBrP暴露与分布的重要组织. 4-mBrP和2,6-diBrP在内脏团中的含量均高于鱼肉和鱼鳃中(图4). 其中金鲳鱼内脏中的2,6-diBrP(26.4 ng·g−1 dw)占∑4BrPs(41.5 ng·g−1 dw)的63.6%,超过了检出率最高的2,4,6-triBrP(15.0 ng·g−1 dw,占比36.1%),这一比例也远高于小黄花鱼和海鲈鱼中2,6-diBrP所占比例(15.9%和31.9%)以及文献中报道的鱼类肠胃中2,6-diBrP所占的比例(0—16.9%)[1, 12]. 2,4-diBrP除在小黄花鱼的内脏团中检出(0.344 ng·g−1 dw)外,在小黄花鱼其他组织、海鲈鱼和金鲳鱼的所有组织中均未发现. 3种鱼中检测到的BrPs的∑4BrPs平均含量在内脏中含量最高为(36.9±4.22) ng·g−1 dw,高于鳃((36.5±13.9) ng·g−1 dw)和鱼肉((3.46±1.32) ng·g−1 dw),与其他研究中发现的内脏含量高于肉中含量的现象是一致的.

    本研究的海鲈鱼鱼肉中以2,4,6-triBrP为主要BrPs单体,与文献中同种鱼的检测结果一致,但2,4,6-triBrP的含量(5.20 ng·g−1 dw)高于澳大利亚市场上采集的野生与养殖尖吻鲈鱼鱼肉中的含量(平均值(0.0857±0.0481) ng·g−1 dw,范围<MDL—0.800 ng·g−1 dw,经含水率80%计算)[21],低于在瑞典斯德哥尔摩群岛的Nämdö岛周围采集的鲈鱼鱼肉的含量(平均值(6.59±3.15) ng·g−1 dw,范围:(1.45—10.0) ng·g−1 dw,经含水率80%换算)[22];4-mBrP含量((0.0900) ng·g−1 dw)低于澳大利亚尖吻养殖鲈鱼鱼肉中的含量((0.250) ng·g−1 dw,以鱼肉含水率80%计干重)[21]. 本研究海鲈鱼鱼肉中2,4-diBrP和2,6-diBrP均未检出,但在澳大利亚尖吻野生鲈鱼中均有检出.

    与其他种类的鱼相比,本研究3种鱼鱼肉中2,4,6-triBrP含量平均值((3.17±1.44) ng·g−1 dw)低于在中国香港市场上采集的不同季节的河豚与褐斑石斑鱼的鱼肉(平均值(15.6±9.91) ng·g−1 dw,范围(2.43–39.2) ng·g−1 dw)[12]和从美国阿拉斯加、密歇根湖、威斯康星州等地采集的鲑鱼、鲱鱼等鱼肉中2,4,6-triBrP的含量((18.5—166) ng·g−1 dw)[19]. 本研究3种鱼内脏中2,4,6-triBrP含量平均值((22.5±6.72) ng·g−1 dw)也均低于在中国香港的河豚与褐斑石斑鱼(平均值(49.1±50.2) ng·g−1 dw,范围(2.18—155) ng·g−1 dw)[12]和澳大利亚新南威尔士州采集的多种底栖食肉性与杂食性鱼类(平均值(203±264) ng·g−1 dw,范围<MDL—850 ng·g−1 dw,按照含水率80%计算)[23] 内脏中2,4,6-triBrP的含量. 本研究3种鱼类的鱼肉及内脏中BrPs含量低于其他研究1—2个数量级,整体上处在较低水平.

    在贝类、螺类和鱼类的鳃、外套膜、内脏、肉等不同组织中共检出4种BrPs,4-mBrP、2,4-diBrP、2,6-diBrP、2,4,6-triBrP,其中2,4,6-triBrP含量水平和检出率均相对较高,在9种海产品所有组织中的浓度范围为0.512—56.0(平均值:(14.1±13.8) ng·g−1 dw),∑4BrPs的范围为0.806—56.1(平均值:(18.2±15.5) ng·g−1 dw). 3种贝类中∑4BrPs个体平均含量高于3种螺类和鱼类. 3种贝类鳃中∑4BrPs高于外套膜和贝肉. 3种螺的内脏和鳃中∑4BrPs含量平均值远高于螺肉中的含量. 3种鱼内脏中的∑4BrPs含量平均值远高于鳃和鱼肉. 研究证实了BrPs在不同海产品内脏中的高累积,另外鳃也是海产品BrPs暴露及分布的重要组织.

  • 图 1  氮氧化物、颗粒物控制技术经济性评估指标体系

    Figure 1.  Economic evaluation index system for control technology of NOx and PM

    图 2  氮氧化物、颗粒物控制技术经济性层次分析(AHP)模型

    Figure 2.  Analytic hierarchy process (AHP) model of the economic efficiency of NOx and PM control technology

    图 3  AHP模型各指标权重值

    Figure 3.  Weight of various indicators in AHP model

    图 4  2011—2016年河北省、山东省柴油和汽油生产量

    Figure 4.  Production of diesel and gasoline in Hebei province and Shandong province from 2011 to 2016

    图 5  2011—2016年河北省、山东省氮氧化物和颗粒物排放量

    Figure 5.  Emissions of NOx and PM from Hebei province and Shandong province from 2011 to 2016

    图 6  氮氧化物超低排放控制成本

    Figure 6.  Costs of ultra-low emission control for NOx

    图 9  颗粒物超低排放控制效益

    Figure 9.  Benefit of ultra-low emission control for PM

    图 8  颗粒物超低排放控制成本

    Figure 8.  Costs of ultra-low emission control for PM

    图 7  氮氧化物超低排放控制效益

    Figure 7.  Benefit of ultra-low emission control for NOx

    表 1  AHP模型判断矩阵

    Table 1.  Judgement matrix of AHP model

    指标层次判断矩阵
    P-A1-2(1111)
    A1-B1-2-3(1251/2131/51/31)
    A2-B4-5-6(1241/2131/41/31)
    指标层次判断矩阵
    P-A1-2(1111)
    A1-B1-2-3(1251/2131/51/31)
    A2-B4-5-6(1241/2131/41/31)
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    表 2  氮氧化物、颗粒物控制技术经济性评估指标评分标准

    Table 2.  Rating standard of the economic efficiency of NOx and PM control technology

    等级(B1)NOx/PM折旧费/(104元)(B2)NOx/PM运行费/(104元)(B3)NOx/PM维护费/(104元)(B4)年排放量/t(B5)节省排污税/(104元)(B6)NOx/PM年产值/(104元)
    NOxPMNOxPM
    20≥800≥2 000≥300≥800≥300[0,20)[0,20)[0,100×104)
    40[400,800)[1 000,2 000)[200,300)[480,800)[180,300)[20,40)[20,40)[100×104,200×104)
    60[200,400)[400,1 000)[100,200)[160,480)[100,180)[40,60)[40,60)[200×104,300×104)
    80[60,200)[100,400)[50,100)[80,160)[30,100)[60,80)[60,80)[300×104,450×104)
    100[0,60)[0,100)[0,50)[0,80)[0,30)≥80≥80≥450×104
    等级(B1)NOx/PM折旧费/(104元)(B2)NOx/PM运行费/(104元)(B3)NOx/PM维护费/(104元)(B4)年排放量/t(B5)节省排污税/(104元)(B6)NOx/PM年产值/(104元)
    NOxPMNOxPM
    20≥800≥2 000≥300≥800≥300[0,20)[0,20)[0,100×104)
    40[400,800)[1 000,2 000)[200,300)[480,800)[180,300)[20,40)[20,40)[100×104,200×104)
    60[200,400)[400,1 000)[100,200)[160,480)[100,180)[40,60)[40,60)[200×104,300×104)
    80[60,200)[100,400)[50,100)[80,160)[30,100)[60,80)[60,80)[300×104,450×104)
    100[0,60)[0,100)[0,50)[0,80)[0,30)≥80≥80≥450×104
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    表 3  氮氧化物、颗粒物排放控制情景

    Table 3.  Control scenarios for NOx and PM emissions

    情景详细情况描述
    无控情景2007年以前,缺乏针对石化行业的全国性污染物控制相关政策,因此,根据2007年北京市《炼油与石油化学工业大气污染物排放标准》的规定,氮氧化物、颗粒物排放限值分别为300 mg·m−3和120 mg·m−3
    基准情景(BAU)2015年,首次发布行业性污染物控制政策《石油炼制工业污染物排放标准》(GB 31570-2015),据此规定,新建企业和现有企业氮氧化物、颗粒物排放限值分别为100 mg·m−3和20 mg·m−3
    超低排放情景在上述政策的技术上制定更加严格的标准,氮氧化物、颗粒物排放限值分别为50 mg·m−3和10 mg·m−3,并采用相应达到要求的控制技术
    情景详细情况描述
    无控情景2007年以前,缺乏针对石化行业的全国性污染物控制相关政策,因此,根据2007年北京市《炼油与石油化学工业大气污染物排放标准》的规定,氮氧化物、颗粒物排放限值分别为300 mg·m−3和120 mg·m−3
    基准情景(BAU)2015年,首次发布行业性污染物控制政策《石油炼制工业污染物排放标准》(GB 31570-2015),据此规定,新建企业和现有企业氮氧化物、颗粒物排放限值分别为100 mg·m−3和20 mg·m−3
    超低排放情景在上述政策的技术上制定更加严格的标准,氮氧化物、颗粒物排放限值分别为50 mg·m−3和10 mg·m−3,并采用相应达到要求的控制技术
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    表 4  河北省、山东省部分石油加工企业氮氧化物、颗粒物控制技术

    Table 4.  Control technology of NOx, PM in some petroleum processing enterprises ofHebei province and Shandong province, China

    企业编号污染物控制技术投资费/(104元)折旧费/(104元)运行费/(104元)维护费/(104元)年排放量/t年减排量/t排放浓度/(mg·m−3)节省排污税/(104元)年产量/(104t)年产值/(104元)
    1NOxSCR3 850182.95371202562568032.3220156
    PM旋风除尘
    2NOxSCR16 0007608502205143006075.8560375
    PM湿式除尘
    3NOxSCR+SNCR+LNB4 0001902701107767012040320212
    PM湿式除尘
    4NOxSCR390254.8
    PM旋风除尘+布袋除尘+湿式除尘3 900185.31, 900280407809050
    5PM湿式除尘1 03951.9396183100564042350236
    PM布袋除尘42420.12546
    6NOx臭氧氧化1 28060.8423137
    PM湿式除尘98046.6384
    7NOxLNB49023.223482
    PM湿式除尘
      注:—表示企业未提供相关数据。
    企业编号污染物控制技术投资费/(104元)折旧费/(104元)运行费/(104元)维护费/(104元)年排放量/t年减排量/t排放浓度/(mg·m−3)节省排污税/(104元)年产量/(104t)年产值/(104元)
    1NOxSCR3 850182.95371202562568032.3220156
    PM旋风除尘
    2NOxSCR16 0007608502205143006075.8560375
    PM湿式除尘
    3NOxSCR+SNCR+LNB4 0001902701107767012040320212
    PM湿式除尘
    4NOxSCR390254.8
    PM旋风除尘+布袋除尘+湿式除尘3 900185.31, 900280407809050
    5PM湿式除尘1 03951.9396183100564042350236
    PM布袋除尘42420.12546
    6NOx臭氧氧化1 28060.8423137
    PM湿式除尘98046.6384
    7NOxLNB49023.223482
    PM湿式除尘
      注:—表示企业未提供相关数据。
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    表 5  典型石油加工企业氮氧化物和颗粒物经济性评估指标评分

    Table 5.  Score of the economic evaluation index of NOx and PM in typical petroleum processing enterprises

    污染物案例B1B2B3B4B5B6
    氮氧化物石油加工企业1806060604040
    石油加工企业2406040408080
    石油加工企业38080601006060
    颗粒物石油加工企业4804040806060
    石油加工企业51008060606060
    污染物案例B1B2B3B4B5B6
    氮氧化物石油加工企业1806060604040
    石油加工企业2406040408080
    石油加工企业38080601006060
    颗粒物石油加工企业4804040806060
    石油加工企业51008060606060
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    表 6  典型石油加工企业氮氧化物经济性评估指标综合归一化值结果

    Table 6.  Synthesis and normalization results of the economic evaluation index of NOx in typical petroleum processing enterprises

    层次石油加工企业1石油加工企业2石油加工企业3权重(Wi)
    B123.25011.62523.2500.291
    B29.2749.27412.3660.154
    B33.2872.1913.2870.054
    B416.71411.14227.8570.278
    B56.40412.8099.6070.160
    B62.4524.9043.6780.061
    层次石油加工企业1石油加工企业2石油加工企业3权重(Wi)
    B123.25011.62523.2500.291
    B29.2749.27412.3660.154
    B33.2872.1913.2870.054
    B416.71411.14227.8570.278
    B56.40412.8099.6070.160
    B62.4524.9043.6780.061
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    表 7  典型石油加工企业颗粒物经济性评估指标合归一化值结果

    Table 7.  Synthesis and normalization results of the economic evaluation index of PM in typical petroleum processing enterprises

    层次石油加工企业4石油加工企业5权重(Wi)
    B123.25029.0630.291
    B26.18312.3660.154
    B32.1923.2870.054
    B422.28616.7140.278
    B59.6079.6070.160
    B63.6783.6780.061
    层次石油加工企业4石油加工企业5权重(Wi)
    B123.25029.0630.291
    B26.18312.3660.154
    B32.1923.2870.054
    B422.28616.7140.278
    B59.6079.6070.160
    B63.6783.6780.061
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    表 8  典型石油加工企业经济性评价综合值

    Table 8.  Comprehensive value of economic evaluation index oftypical petroleum processing enterprises

    污染物案例总成本值总效益值费效比经济性评价综合值
    氮氧化物石油加工企业135.81225.5711.40161.384
    石油加工企业223.09228.8570.80151.948
    石油加工企业338.90441.1430.94680.047
    颗粒物石油加工企业431.62535.5710.88967.196
    石油加工企业544.71629.9991.49174.716
    污染物案例总成本值总效益值费效比经济性评价综合值
    氮氧化物石油加工企业135.81225.5711.40161.384
    石油加工企业223.09228.8570.80151.948
    石油加工企业338.90441.1430.94680.047
    颗粒物石油加工企业431.62535.5710.88967.196
    石油加工企业544.71629.9991.49174.716
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    表 9  经济性评价等级

    Table 9.  Rating of economic evaluation

    评价等级标准化值
    极差[0,20)
    [20,40)
    中等[40,60)
    良好[60,80)
    [80,100]
    评价等级标准化值
    极差[0,20)
    [20,40)
    中等[40,60)
    良好[60,80)
    [80,100]
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    表 10  典型石油加工企业经济性评价等级结果

    Table 10.  Rating of economic evaluation of typical petroleum processing enterprises

    污染物案例评价等级
    氮氧化物石油加工企业1良好
    石油加工企业2中等
    石油加工企业3
    颗粒物石油加工企业4良好
    石油加工企业5良好
    污染物案例评价等级
    氮氧化物石油加工企业1良好
    石油加工企业2中等
    石油加工企业3
    颗粒物石油加工企业4良好
    石油加工企业5良好
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-04-07
  • 录用日期:  2019-06-27
  • 刊出日期:  2019-10-01
常天阳, 赵晓, 高秦, 张光明, 马中, 常化振. 石油加工企业脱硝、除尘工程经济性及超低排放潜力分析[J]. 环境工程学报, 2019, 13(10): 2490-2501. doi: 10.12030/j.cjee.201904041
引用本文: 常天阳, 赵晓, 高秦, 张光明, 马中, 常化振. 石油加工企业脱硝、除尘工程经济性及超低排放潜力分析[J]. 环境工程学报, 2019, 13(10): 2490-2501. doi: 10.12030/j.cjee.201904041
CHANG Tianyang, ZHAO Xiao, GAO Qin, ZHANG Guangming, MA Zhong, CHANG Huazhen. Economics and ultra-low emission potential analysis of denitrification and dust removal projects in petroleum processing industry[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2019, 13(10): 2490-2501. doi: 10.12030/j.cjee.201904041
Citation: CHANG Tianyang, ZHAO Xiao, GAO Qin, ZHANG Guangming, MA Zhong, CHANG Huazhen. Economics and ultra-low emission potential analysis of denitrification and dust removal projects in petroleum processing industry[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2019, 13(10): 2490-2501. doi: 10.12030/j.cjee.201904041

石油加工企业脱硝、除尘工程经济性及超低排放潜力分析

    通讯作者: 常化振(1983—),男,博士,教授。研究方向:大气污染控制。E-mail:chz@ruc.edu.cn
    作者简介: 常天阳(1997—),女,本科生。研究方向:环境管理及成本分析。E-mail:18678640831@163.com
  • 1. 中国人民大学环境学院,北京 100872
  • 2. 中国农业大学烟台研究院,烟台 264670
  • 3. 中国石油天然气股份有限公司大庆炼化分公司,大庆 163411
基金项目:
国家重点研发计划项目(2016YFC0203900);国家自然科学基金资助项目(51778619,21577173)

摘要: 基于多家石油加工企业大气污染控制工程案例,利用层次分析模型对脱硝、除尘工程的经济性进行了评估,并对未来不同情景下的工程技术成本、效益进行了比较分析。结果表明,在基准情景下,采用不同控制技术的石油加工企业经济性评价综合值差别较大。现有控制技术单一的企业,由于投资成本高或环境效益较低导致经济性下降;采用多种技术控制污染物排放的企业,绝对的投资费用较高,但可带来良好的环境效益,因而经济性更高。与基准情景相比,在超低排放情景下,系统总成本显著增加,系统总效益显著提升,但是总效益的增幅与总成本的增幅相差不大。通过研究发现,石油加工企业推行超低排放,经济性较高,技术上也可行。上述研究结果可为石油加工企业推行超低排放提供参考。

English Abstract

  • 近年来,我国大气污染形势严峻,区域性雾霾等污染问题频发。据统计,2011—2015年,尽管我国工业废气治理设施逐年增加,治理设施处理能力有较大提升,运行费用不断加大,但工业废气排放总量仍在上升,工业烟尘排放总量也居高不下[1]。由此可见,工业大气污染物排放仍未得到良好的控制,形势不容乐观。

    “十二五”以来,我国燃煤电厂大气污染物减排取得明显成效,全行业基本实现了“超低排放”。随着电力行业污染物排放量大幅削减,钢铁、水泥、石化等非电力行业逐渐成为大气污染治理的重点。钢铁行业已有多种节能减排技术对其大气污染物进行协同控制,并且相关研究对各项技术的环境属性、经济属性和技术属性[2]进行了比较和分析。水泥行业为达到更低的排放要求,也在不断改变单一的末端污染治理,将废气量的直接减排与间接减排结合,实行全过程污染控制[3]。2019年,我国已正式全面启动钢铁行业超低排放改造,水泥行业的超低排放也是大势所趋。而石油加工企业排放大量的氮氧化物、颗粒物等大气污染物,给我国大气污染治理带来了极大压力。

    从国家对石油加工企业污染物排放控制的标准来看,《大气污染物综合排放标准》(GB 16297—1996)虽然对污染物排放作出了规定,但未针对石油加工企业的氮氧化物、颗粒物排放限值作出具体要求,且因制定时间较早,标准限定的污染物种类和相应限值已跟不上目前环保形势的需要[4];《石油炼制工业污染物排放标准》(GB 31570-2015)对新建和现有企业氮氧化物、颗粒物排放限值作出了具体规定,即最低限值分别为100 mg·m−3和20 mg·m−3,但现有措施仍未能有效降低石油加工行业的大气污染物排放量。

    本研究基于多家石油加工企业大气污染控制工程案例,对石油加工企业现有脱硝、除尘设施减排能力进行了分析,并建立数学模型对不同减排情景下可能采用的脱硝和除尘技术及经济性进行了深入研究,以期为制定石油加工企业不同阶段减排政策提供参考。

  • 层次分析法是一种定性与定量耦合的系统分析方法,可用于解决处理处置技术在多层次多目标决策系统中的选择问题[5]。它首先对评价对象依总评价目标(由评价目的而定)进行连续地分解,得到各层评价目标,并将最底层确定为衡量目标达到程度的评价指标;然后,通过对评价指标的重要程度进行比较,构造判断矩阵进行量化计算,并根据计算结果得到关键因素的重要性排序;最后,依据一定方法,基于该评价指标体系对评价对象的总评价目标核算,得到综合评分,从而给出评价对象的优劣等级[6]

    目前,针对技术经济性评估,国内外研究者对大气污染控制的成本及效益开展了卓有成效的研究。针对珠江三角洲地区制造业带来的大气污染,STREETS等[7]提出,可以通过比较控制策略的成本和出口产品的价值进行成本及效益分析;针对我国火电行业绩效提升的措施,WANG等[8]调查了30个省份2000—2010年的成本及效益,提出其影响因素为技术效率、电力价格等;也有研究[9-10]分别对我国SO2、NOx控制技术进行了技术经济分析;经济合作与发展组织(OECD)中的国家长期进行环境政策的费用效益分析[11];环境保护部环境规划院在《中国环境经济核算技术指南》中提出了环境成本核算方法和思路[12],并已完成了2004—2014年我国大气污染防治的费效分析[13]。因此,依据成本-效益对比的方法建立氮氧化物、颗粒物控制技术经济性评估指标体系,最终通过效费比进行经济性评估,这已成为一种行之有效的方法。经济性评估指标体系如图1所示。

    1) 系统总成本评估的下延指标。2017年,《中国能源统计年鉴》[14]采用工业废气治理设施运行费,这些费用包括能源消耗、设备折旧、设备维修、人员工资、管理、药剂及与设施运行有关的其他费用等;周磊[15]采用年均固定成本与变动成本之和计算脱硝成本,年均固定成本主要为设备折旧、检修费用及催化剂更新费用等,变动成本主要为工厂的用电消耗和还原剂液氨消耗费等;王艳等[16]将系统总成本费用分为系统年折旧费、系统年运行费和年均利息费。基于以上研究,将系统年折旧费和系统年维护费单独列出,与系统年运行费共同构成系统总成本评估的三级指标。各具体指标的计算方法如式(1)~式(4)所示。

    2) 对于系统总效益评估的下延指标。王艳等[16]将系统总收益分为节省排污费收益、副产物销售收益和电价补贴收益;汤民淮等[17]将效益指标分为环境效益和社会经济效益、运转性能和推广适用性;仇恒东[18]将效益指标分为环境效益(排放削减情况)和经济效益(燃油消耗情况);袁颖枝等[19]将效益分为经济因素、环境因素和社会因素。基于以上研究,将社会效益和经济效益分别计算,与环境效益共同构成系统总效益评估的三级指标。各具体指标的计算如式(5)~式(8)所示。

    根据上述指标体系,系统总成本由系统年折旧费用、系统年运行费用和系统年维护费用组成。具体计算见式(1)。

    式中:Tc为系统总成本,万元;Cd为系统年折旧费,万元;Crun为系统年运行费,万元;Crep为系统年维护费,万元。

    系统年折旧费用计算参考金侃等[20]对于燃煤机组烟气污染物超低排放改造的研究,折旧成本主要是指固定资产投资折旧成本。具体计算见式(2)。

    式中:Cd为系统年折旧费,万元;I为系统投资费,万元;RFAR为固定资产形成率,以95%计[20]Yd为系统折旧年限,通常定为20年。

    参考王艳等[16]的研究,系统年运行费用包括设备运行的年耗人工费、年耗材费(还原剂、催化剂、压缩空气等费用)、年耗电费和年耗蒸汽费。具体计算见式(3)。系统年维护费用包括设备维护年耗人工费、年耗检修费和配套设施运维费。具体计算见式(4)。

    式中:Crun为系统年运行费,万元;Cwa1为设备运行的年耗人工费,万元;Cm为年耗材费,万元;Cp为年耗电费,万元;Cs为年耗蒸汽费,万元。

    式中:Crep为系统年维护费,万元;Cwa2为设备维护的年耗人工费,万元;Cins为年耗检修费,万元;Csup为配套设施运维费,万元。

    综合上述指标体系,系统总效益由环境效益、经济效益和社会效益组成。具体计算见式(5)。

    式中:Tp为系统总收益,万元;Pcon为污染物排放量带来的排污税,万元;Pcha为减排节省的排污税,万元;Pout为企业产值,万元。

    环境效益采用污染物排放量带来的环保税衡量。根据2018年1月1日实施的《环境保护税法》规定,国家停止征收排污费,改收环保税,大气污染物应纳税额=污染当量数×适用税额,税额按每当量1.2元计算。

    根据统计[14],工业氮氧化物排放量指报告期内企业在燃料燃烧和生产工艺过程中排入大气的氮氧化物总质量;工业烟尘排放量指报告期内企业在燃料燃烧和生产工艺过程中排入大气的烟尘的总质量。具体计算见式(6)。

    式中:Pcon为污染物排放量,t;A为燃料使用量,t;X为控制技术的活动水平占总活动水平的比例;FEF为单位原料消耗的污染物排放因子,g·t−1η为控制技术的去除率;α为控制技术的应用比例;i为地区;j为经济部门;k为燃料类型;m为技术类型;n为污染物种类。

    经济效益采用节省排污税衡量,计算时可参考王艳等[16]和金侃等[20]对于燃煤电厂超低排放烟气控制技术费效评估的研究。具体计算见式(7)。

    式中:Pcha为控制技术节省排污税,万元;PCP为治理设备规模,分为1~5级;TDT为设备运行时间,h;MUM为单位产量原料消耗,g·t−1FEF为单位原料消耗的污染物排放因子,g·t−1η为控制技术的去除率;NPN为排污税标准,万元·t−1

    社会效益采用企业产值衡量,根据统计[21],工业销售产值(当年价格)指以货币形式表现的、工业企业在报告期内销售的本企业生产的工业产品或提供工业性劳务价值的总价值量,通过报告期产品的实际销售数量乘以不含增值税的产品实际销售平均单价计算。具体计算见式(8)。

    式中:Pout为企业年产值,万元;Y为年产量,t;Poil为油价,万元·t−1

  • 本研究采用层次分析法(AHP)[5-6]进行技术经济性分析,将氮氧化物、颗粒物控制技术经济性P作为目标层;将系统总成本A1、系统总效益A2作为准则层;准则层下延为指标层,包含系统年折旧费用B1、系统年运行费用B2、系统年维护费用B3、环境效益B4、经济效益B5、社会效益B6。层次分析模型如图2所示。

    首先,运用AHP模型分别计算准则层A与指标层B各指标的权重。相对重要度采用比较尺度的方法来确定,即两两因素之间进行比较,取1~9尺度,尺度1、3、5、7、9表示第i个因素相对于第j个因素的影响等级,尺度2、4、6、8表示第i个因素相对于第j个因素的影响介于上述2个相邻等级之间,用aij表示第i个因素相对于第j个因素的比较结果。

    结合文献资料和调查问卷数据,确定B1、B2与B3,B4、B5与B6之间的相对重要度,分别构建判断矩阵。指标层P-A1-2的判断矩阵为自拟。根据冯淑娟[22]和王彩凤等[23]的研究,确定系统年折旧费B1相对于系统年维护费B3的影响为5,系统年运行费B2相对于系统年维护费B3的影响为2;根据汤民淮等[17]的研究,投资费用指数相对于运行费指数的影响为3,确定系统年折旧费B1相对于系统年运行费B2的影响也为3。根据已有研究[6, 19],环境指标相对于经济指标的影响为2,经济效益指标相对于社会效益指标的影响为2,即环境指标相对于社会效益指标的影响为4,构建的判断矩阵如表1所示。由于RCR<0.10,即层次总排序结果具有满意一致性。技术经济性评价指标体系的权重值如图3所示。

    图3可知,年折旧费、年运行费、年维护费在技术经济性评估中权重值分别为0.291、0.154、0.054;环境效益、经济效益、社会效益在技术经济性评估中权重值分别为0.278、0.160、0.061。其中,年折旧费用和环境效益的权重值最高,即该指标的重要程度最高。

    其次,采用评分法[24]构建分值转换系统,即按百分制对具体指标能满足目标的程度进行打分。参考《石油炼制工业污染物排放标准》(GB 31570-2015)[25]、《关于调整排污费征收标准等有关问题的通知》[26]和资料[16, 27]制定具体衡量指标和分值转换标准,环境效益B4、经济效益B5、社会效益B6分别由年排放量、节省排污税、年产量衡量。其中,节省排污税标准根据调查问卷制定,参考2019年3月20日京津冀地区油价进行计算[28]。所有指标均为定量化的指标,评分标准如表2所示。

  • 利用情景分析法[29]建立无控情景、基准情景和超低排放情景。通过调研已出台的石化行业污染物排放控制政策,参考电力行业《燃煤电厂超低排放烟气治理工程技术规范》(HJ 2053-2018)[30]中关于氮氧化物、颗粒物排放浓度限值的规定,即在基准氧含量6%条件下,烟尘、NOx排放浓度分别不高于10 mg·m−3和50 mg·m−3(标准状况下),建立石化行业PM、NOx排放控制情景,分析各个情景下的污染物控制成本和效益(如表3所示)。

  • 通过中国研究数据服务平台(CNRDS)和《中国能源统计年鉴》[14]进行数据调研,2011—2016年,河北省、山东省的柴油、汽油生产量较高且基本呈上升趋势;河北省、山东省的氮氧化物、颗粒物排放量较高(如图4图5所示)。因此,本研究将河北省、山东省的石油加工企业作为调研对象,并于2018年2月—2019年3月先后对其进行实地调研,收集相应的工程案例,获取系统投资费用、运行费用、维护费用等各类成本参数以及污染物排放量、节省排污税和具有经济价值的产品产量,评估该工程产生的效益。

  • 基准情景即《石油炼制工业污染物排放标准》(GB 31570-2015)规定(氮氧化物、颗粒物排放限值分别为100 mg·m−3和20 mg·m−3)下氮氧化物、颗粒物的排放及控制情况。通过数据调研,获取石油加工企业4种脱硝技术类型(选择性催化还原技术、选择性非催化还原技术、低氮燃烧技术、臭氧氧化技术)和3种除尘技术类型(旋风除尘、湿式除尘、布袋除尘)的系统基本参数(见表4),并结合式(1)~式(8)对相关指标进行计算。其中,臭氧氧化工艺不考虑臭氧泄漏等二次污染问题。根据数据调研结果,发现仅有石油加工企业1、2、3的氮氧化物控制技术情况和石油加工企业4、5的颗粒物控制技术情况数据完整。因此,本研究以这5个数据全面的石油加工企业为例,依据控制技术经济性评估指标评分标准(如表2所示),对关键指标进行评分,并得出各指标得分值。典型石油加工企业氮氧化物、颗粒物经济性评估指标评分统计结果如表5所示。

    根据氮氧化物、颗粒物控制技术经济性评估指标体系,采用综合加权模型[24]分别计算系统总成本、系统总效益的综合归一化值,根据上文中的各指标权重值对各准则层进行加权,得出氮氧化物、颗粒物控制技术经济性评估综合归一化值,结果如表6表7所示。计算方法见式(9)。

    式中:Ej为各调查案例经济性评估综合归一化值;Wi为各指标权重值;Xij为指标打分值;n为评估指标序号,n=[1,6]。

    运用式(9)对研究对象内的氮氧化物、颗粒物控制技术经济性评估指标体系中准则层(系统总成本、系统总效益)分别计算归一化值,并通过加权,计算出经济性评价综合值(如表8所示)。最后,采用5个区间来界定经济性评价等级,区间量度值范围为[0,100],如表9所示。典型石油加工企业经济性评价等级结果如表10所示。

    表8可知,费效比较高的为石油加工企业1和企业5,系统总成本约为系统总效益的1.4~1.5倍;由表5表6可知,石油加工企业1经济性评价综合值较低的原因主要是运行费用和维护费用较高;由表5表7可知,石油加工企业5经济性评价综合值较低的原因主要是年排放量较多、节省排污税较少。费效比较低的为石油加工企业2、4,其中石油加工企业2的经济性评价综合值最低;由表5表6可知,石油加工企业2的产业规模最大,投资费用过高,但年排放量却没有相应减少;由表5表7可知,石油加工企业4采用旋风除尘、布袋除尘、湿式除尘多种技术控制颗粒物排放,带来的运行费用和维护费用较高,而节省排污税较少,企业产值较低,因而经济性评价综合值较低。石油加工企业3的费效比接近1,说明成本投入和效益产出较为平均;由表5可知,由于采用SCR、SNCR、LNB多种技术控制氮氧化物排放,石油加工企业投资费用的绝对数量并不低,但是相应地可带来良好的环境效益,年排放量很低,节省排污税较多,因而经济性评价综合值最高。由表10的经济性评价等级结果可知,石油加工企业3的经济性评价结果为“优”,等级最高;石油加工企业1、4、5的经济性评价结果为“良好”,等级仅次于石油加工企业3;石油加工企业2的经济性评价结果为“中等”,等级最低。

    综合上述结果,石油加工企业的总成本和总效益难以达到均衡,总成本值较高的石油加工企业难以形成较高的总效益值,而总效益值较高的石油加工企业往往也是总成本值较低的企业,这是因为污染物的控制成本相对过高。此外,采用多种技术进行污染物控制的石油加工企业3、4,经济性评价综合值反而相对较高,等级结果并没有低于采用单一技术的石油加工企业1、2、5,这说明在下一步推行超低排放的过程中,采用多种技术叠加的方式,不论从技术性的角度还是经济性的角度,都是具备可行性的。

  • 以2019年为基准年,基准情景下氮氧化物、颗粒物的排放限值参照《石油炼制工业污染物排放标准》(GB 31570-2015)[25]的规定,即对新建和现有企业氮氧化物、颗粒物排放最低限值分别为80 mg·m−3和30 mg·m−3。氮氧化物排放控制技术主要有臭氧氧化、SCR(选择性催化还原技术)、SNCR(选择性非催化还原技术)和LNB(低氮燃烧技术);颗粒物排放控制技术主要有旋风除尘技术、FF(布袋除尘技术)和湿式除尘技术。

    超低排放情景以2019年为基准年进行趋势外延,氮氧化物、颗粒物排放限值分别为50 mg·m−3和10 mg·m−3。石油加工企业的超低排放改造路线参考国内燃煤电厂已有的方案。根据《燃煤电厂超低排放烟气治理工程技术规范》(HJ 2053-2018)[30]和相关资料[31-33],超低排放技术改造路线通常采用多种技术叠加的方式进行多种污染物的协同控制。因此,假定未来年所使用的技术与基准年相同,超低排放情景下模拟石油加工企业的技术路线及改造方案如下:氮氧化物控制采用臭氧氧化+LNB(低氮燃烧技术)+SCR(选择性催化还原技术);颗粒物控制采用旋风除尘技术+FF(布袋除尘技术)+湿式除尘技术。

    根据系统成本评估指标(系统投资费用、运行费用、维护费用)和系统效益评估指标(年减排量、排放浓度、节省排污税)对改造前后石油加工企业的技术经济性进行评估,数据仍然采用表4中实际石油加工企业运行数据,成本参数和效益参数由相同规模的石油加工企业相关参数叠加所得。基准情景与超低排放情景的技术经济性对比结果如图6~图9所示。

    图6图8所示,在超低排放情景下,石油加工企业氮氧化物、颗粒物控制系统总成本约为改造之前的1.5~2.0倍,其中,改造之后的系统投资成本、运行成本约为改造之前的1.5~2.0倍,维护成本则增幅较小。如图7图9所示,超低排放情景下,石油加工企业氮氧化物、颗粒物控制系统总效益显著提升,年减排率由改造前的50%提升至改造后的87%,年排污税由改造前的14.6%提升至改造后的55.6%,污染物排放浓度约为改造之前的0.2~0.5倍。根据已有的燃煤电厂超低排放改造前、后成本变化[34],改造前、后氮氧化物控制单位成本分别为9 872元·t−1和14 092元·t−1,改造前、后颗粒物控制单位成本分别为55元·t−1和117元·t−1,改造之后的成本约为改造前的1.4~2.0倍,与模拟石油加工企业超低排放技术改造的成本变化基本吻合。

    本研究所采用的层次分析法存在一定的局限性。第一,在确定指标B1~B6之间的相对重要程度时,在现有文献当中难以找到完全一致的参考指标;第二,层次分析模型可容纳的指标有限,如果研究需要更多的衡量指标,判断矩阵不易达到一致性,难以进行调整;第三,不同学者对于指标之间的重要度判断不同,易存在主观性。

  • 1)利用层次分析法对大气污染控制技术的经济性进行评估,年折旧费和环境效益的重要程度最高,权重值分别为0.291、0.278。通过评分法构建的分值转换系统对实际石油加工企业进行评估,得到各石油加工企业经济性评估等级,可以直观地比较各个企业的情况。

    2)基于多家石油加工企业工程案例,发现在基准情景下,采用不同控制技术的石油加工企业经济性评价综合值差别较大。采用单一控制技术的企业由于投资成本过高或环境效益较低而造成经济性下降;采用多种技术控制污染物排放的企业,投资费用的绝对数量较高,但是可带来良好的环境效益,年减排率由改造前的50%提升至改造后的87%,年排污税由改造前的14.6%提升至改造后的55.6%,污染物排放浓度约为改造之前的0.2~0.5倍。年排放量很低,节省排污税较多,因而经济性较高。

    3)在不同排放情景下,石油加工企业的成本和效益相差较大。与基准情景相比,在超低排放情景下,系统总成本显著增加,系统总效益显著提升,但总效益的增幅与总成本的增幅相差不大,如若下一步推行石油加工企业超低排放政策,还应加大对企业的扶持力度,否则过高的成本将会抑制企业实施超低排放技术的动力。

    4)及时调查和总结典型企业经验,促进超低排放控制技术和污染物检测技术的发展。结合我国不同区域环境特征、经济发展需求及企业生产状况,对采用不同控制技术的企业开展基于系统成本、系统效益的评估,相应提出技术可行、经济性高的超低排放最佳技术改造路线及设备安装要求;与此同时,推进行业污染物低浓度监测方法及标准技术的落实,构建稳定可靠的监测网络,确保监测数据的有效性。

    5)政府综合运用经济、法律等手段,鼓励引导相关企业积极落实减排措施,加快超低排放政策推行。在经济方面,可以提供贷款或者财政补贴以缓解企业在改造初期成本过高的问题,同时通过调整排污税和实行油价补贴以加大对企业实行超低排放的支持力度,从而提升企业采纳改造技术的积极性;在法律方面,正式出台具有统一性、强制性的石油加工企业超低排放标准,对企业氮氧化物、颗粒物等污染物的排放限值作出具体要求。

    6)加强监督管理,促使企业承担相应责任、落实相关政策。以相关法律法规为依据,加强对石油加工企业大气污染治理项目环境影响评价、验收环境执法等过程的管理;对于污染物排放不能满足排放要求的企业,可以利用税费政策对其进行惩罚,促进企业转变观念,主动承担落实减排责任。

参考文献 (34)

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