2011年中國鋼鐵行業典型有害重金屬大氣排放清單

王 堃,滑申冰,田賀忠*,朱傳勇,高佳佳,王 勇,周君蕊,朱家昕 (1.北京師范大學環境學院,環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室,北京 100875；2.北京師范大學大氣環境研究中心,北京 100875)

鋼鐵工業是我國國民經濟發展的重要支柱產業之一.自 1996年至今,我國粗鋼產量長期穩居世界首位[1].2010～2013年,我國粗鋼產量由6.38億t增加到7.79億t,2013年新增煉鋼產能更高達約 4000萬 t[2-3].然而,由于工序流程復雜,資源消耗巨大,煙氣排放量可觀,鋼鐵行業一直是顆粒物、二氧化硫等常規污染物的重點污染行業之一,同時在鋼鐵生產過程中,汞、鉛、鎘等有毒有害重金屬的大氣排放也不容忽視[4].

重金屬污染具有持續時間長、污染范圍廣、無法被生物降解,并可能通過食物鏈不斷在生物體內富集等特點.為了防治重金屬污染,我國專門制訂了《重金屬污染綜合防治“十二五”規劃》[5],并將汞、鉛、鎘、類金屬砷、鉻、鎳等列為重點防控重金屬污染物.黃鳳蘭等[6]研究發現電爐飛灰中的鉛等重金屬含量較垃圾焚燒飛灰高,且與飛灰中的二噁英含量成正相關性.李山泉等[7]研究發現鋼鐵工業區地表土壤受大氣重金屬沉降影響的長期積累增量較大.因此,了解和掌握我國鋼鐵行業典型有害重金屬大氣排放狀況及分布特征對我國重金屬污染防治具有重要意義.然而,已有的排放清單研究主要關注粉塵、二氧化硫、工業煙塵等常規大氣污染物排放,并且往往僅將鋼鐵行業作為工業污染排放源的一部分進行粗略分析,缺乏對鋼鐵行業全面細致的研究[8-10].本研究根據我國鋼鐵行業相關統計資料,采用排放因子法,對我國鋼鐵行業典型有害重金屬大氣排放量進行了估算,給出了分省區的排放清單,并討論了不同工序的重金屬排放特征.

1 研究方法

1.1 研究范圍

研究時段為2011年,研究區域包括中國大陸31個省、直轄市及自治區,香港、澳門特別行政區及臺灣省暫未考慮.

由于鋼鐵行業工藝流程復雜,且平爐煉鋼已于 2001年在我國淘汰[11],本研究主要對煉鐵工藝高爐工序、煉鋼工藝轉爐及電爐工序、礦石預處理工藝燒結工序的Hg、Pb、Cd、As、Cr、Ni共6種典型重金屬大氣排放進行估算分析.

1.2 計算方法

采用“自下而上”的排放因子法,估算2011年全國各省區鋼鐵行業生產活動導致的典型有害重金屬大氣排放量.計算公式如下:

式中:Qr表示污染物r的排放量(t);Qr,p表示污染物r在p工序中的排放量(t);Fr,p表示污染物r在p工序中的排放因子(mg/t);Ep表示在p工序的活動水平(t).

1.3 活動水平的獲取

全國各省(市、區)鋼鐵行業主要產品產量以及重要指標通過查閱《中國鋼鐵工業年鑒》[3]等統計資料獲取,具體鋼鐵企業信息通過《中國鋼鐵企事業名錄》[12]及工信部網站相關公告等獲取.

2011年我國粗鋼產量約為70196.8萬t,其中轉爐鋼產量約為 62896.4萬 t,電爐鋼產量約7300.5萬 t,電爐鋼比約為 0.1;生鐵產量約為64542.9萬 t,燒結礦產量約為 76892.6萬 t.各省(市、區)鋼鐵行業產量分布不均衡,主要產品產量前 10省份(市、區)主要集中在環渤海經濟圈以及長三角地區,其中,河北省粗鋼產量約占全國粗鋼總產量的 23%,生鐵產量約占全國生鐵總產量的24%.

1.4 排放因子的確定

近年來,我國對各行業典型污染物排放進行了現場測試,并發布了《污染源普查產排污系數手冊》[13]等相關技術指南.然而,針對 Hg、Pb、Cd、As、Cr、Ni等重金屬排放的測試研究較少,技術指南中也沒有提供相關排放系數.由于我國對鋼鐵行業排放重金屬的實測結果較少,本研究根據我國鋼鐵企業目前所采用的污染物控制技術措施,參考借鑒國外不同時段采用相似控制措施下的基礎排放因子,確定了 6種有害重金屬排放因子.

目前,我國鋼鐵行業除塵設施以袋式除塵器為主,其應用比例已達 95%[14],同時,燒結機頭機尾大都采用電除塵,轉爐一次煙氣除塵大多還采用濕法除塵,對于中小型高爐,廣泛應用煤氣袋式除塵技術[14-16].另外,部分企業也安裝了煙氣脫硫設施削減二氧化硫排放.

基于我國鋼鐵行業各工藝段的除塵設施應用情況,并參考歐盟各國技術報告中該行業相應控制措施下的重金屬大氣排放因子[17-21],估算2011年我國鋼鐵行業典型重金屬大氣排放因子如表1.

表1 2011年鋼鐵行業各工序重金屬排放因子(mg/t)Table 1 Emission factors of heavy metals in iron and steel industry, 2011 (mg/t)

總體來看,煉鋼工藝段較其他工藝段重金屬排放因子高,其中電爐工序的Cd、Cr、Ni排放因子較高,而轉爐工序 As、Pb的排放因子較高.此外,礦石預處理工藝燒結機工序 Hg的排放因子較高.

2 結果與討論

2.1 2011年全國鋼鐵行業典型重金屬分省區排放清單

2011年全國鋼鐵行業6種典型有害重金屬Hg、Pb、Cd、As、Cr、Ni大氣排放量分別約為18.8, 3745.8, 39.4,132.2, 241.2, 105.3t,總排放量約為 4282.7t,其中 Pb大氣排放量占總排放量的87.5%.

田賀忠等[22]估算了我國 2008年燃煤大氣Cd、Cr、Pb排放量分別約為 261.52, 8593.35,12561.77t,與該計算結果對比發現,鋼鐵行業鉛大氣排放量較為可觀,其對周圍環境及公眾健康的危害不容忽視.2011年全國鋼鐵行業各省(市、區)重金屬排放清單,如表2.

利用 ArcGIS地理信息系統,結合各省區鋼鐵企業活動水平及地理分布狀況,對2011年鋼鐵行業鉛大氣排放計算結果進行了 0.5°×0.5°空間網格化處理,得到網格化排放清單,如圖1所示.

圖1 2011年我國鋼鐵行業大氣鉛排放量0.5°×0.5°網格化排放清單(t)Fig.1 Gridded Pb emissions from iron and steel industry in China, 2011 (0.5°×0.5° resolution)

可見,中國鋼鐵行業有害重金屬大氣排放主要分布在環渤海經濟圈以及長三角地區.環渤海經濟圈與長三角地區是我國東部人口密集和經濟相對發達的地區,同時也是我國鐵礦石儲量和鋼鐵冶煉企業分布較為集中的地區.其中,環渤海經濟圈鐵礦石儲量約占全國鐵礦石儲量的56.5%,長三角地區鐵礦石儲量約占全國鐵礦石儲量的4.9%[23].

表2 2011年各省(市、區)鋼鐵行業重金屬排放清單(t)Table 2 Heavy metal emissions in each province in 2011 (t)

環渤海經濟圈、長三角地區鋼鐵行業6種典型有害重金屬排放總量分別約占全國排放總量的44.4%和16.9%.其中,河北東部及中南部,山東省中西部等鋼鐵冶煉企業集中的地區重金屬排放強度較高.

全國各省(市、區)中河北、山東、江蘇、遼寧、山西5省6種重金屬排放總量占全國排放總量的約55.9%,其中河北占24.3%,山東占10%,江蘇占9.2%,遼寧占7.1%,山西占5.3%.其余排放量也相對較大的省區包括湖北、河南、安徽、上海、江西等.總起來看,鋼鐵企業及其重金屬排放主要集中在中東部省區,西部省區相對較少.

2.2 2011年鋼鐵行業不同工序重金屬排放特征

鋼鐵冶煉企業工序復雜,不同工序重金屬排放特征不同.2011年我國鋼鐵行業煉鋼工藝6種重金屬排放總量占各工序總排放量約 85.7%,對重金屬大氣排放貢獻明顯,其中,轉爐工序6種重金屬排放總量約為3294.2t,約占各工序排放總量的 76.9%.不同工序對重金屬大氣排放總量的貢獻率差異較大.

而對于不同重金屬元素,不同的工序具有不同貢獻率,如圖2所示.可見,2011年鋼鐵行業各主要工序中,轉爐工序對砷、鉛大氣排放貢獻率較大,電爐工序對于鎘、鎳大氣排放貢獻率較大.燒結工序對于汞大氣排放具有較高的貢獻率,而煉鐵工藝對于重金屬大氣排放貢獻率相對較小.

圖2 2011年我國鋼鐵行業不同工序重金屬排放貢獻率Fig.2 Emission contribution ratios of different processes to varied heavy metals in iron and steel industry of China, 2011

對于Cr、Cd、Ni,電爐工序的排放因子雖然顯著高于轉爐工序,但由于2011年中國轉爐鋼產量占粗鋼總產量的89.6%,導致轉爐工序對Cr、Cd、Ni大氣排放也具有較大的貢獻率.因此,鋼鐵行業電爐及轉爐的應用比例調整可能會對鋼鐵行業重金屬排放特征產生一定的影響.如提高電爐應用比例,可能會有助于降低As、Pb大氣排放,但同時可能會提高Cr、Cd、Ni大氣排放量.

對于 Hg,電爐工序的排放因子顯著高于燒結及轉爐工序,但由于我國鋼鐵行業目前主要以鐵礦石作為主要生產原料,因此,燒結工序活動水平較高,導致電爐工序對于 Hg大氣排放的貢獻率顯著小于燒結工序.

隨著社會經濟發展,我國廢鋼產生量將會不斷增加,以廢鋼為主要原料的電爐煉鋼將會得到更廣泛的應用,而以鐵礦石為主要原料的生鐵、燒結、轉爐等工序的應用比例將逐步降低[24];而燒結、生鐵工序的重金屬排放因子相對較低,轉爐和電爐具有不同的重金屬排放特征,鋼鐵行業Hg、Cd、Cr、Ni等重金屬元素排放強度將可能增加, As、Pb等重金屬元素排放強度將可能降低.因此,結合我國未來經濟社會發展對鋼鐵的需求和國際國內鐵礦石資源和市場條件等,控制鋼鐵行業產能,優化調整鋼鐵行業產業和地區布局;采用先進的除塵、脫硫以及專門的脫除重金屬技術設備加強對鋼鐵行業煉鋼工藝段重金屬排放的控制;強化廢舊鋼鐵回收,對廢鋼進行合理再利用,以及調整電爐鋼比等,對控制中國鋼鐵行業有毒有害重金屬大氣排放具有重要意義.需要指出的是,由于目前針對國內鋼鐵企業的實際測試相對較少,缺乏本地化的排放系數,本研究主要參考了國外的排放因子,估算結果不確定性相對較高,因此,需進一步加強對典型鋼鐵企業各工序的有害重金屬污染排放特征及控制的研究.

3 結論

3.1 鋼鐵行業以鉛、砷等為主的重金屬大氣排放具有排放量大、空間分布集中的特點,2011年鋼鐵行業 6種典型有害重金屬排放總量約為4283t,其中鉛大氣排放量約占87.5%.

3.2 鋼鐵行業典型有害重金屬排放主要集中在煉鋼工序,約占總排放量的 86%.其中,轉爐工序對砷、鉛大氣排放貢獻率較大,電爐工序對于鎘、鎳大氣排放貢獻率較大.由于電爐與轉爐工序具有明顯不同的大氣重金屬排放特點,因此,電爐與轉爐應用比例會直接影響鋼鐵行業的重金屬排放總量及其分布特征.

3.3 中國鋼鐵行業重金屬大氣排放主要集中在環渤海經濟圈以及長三角地區,上述地區 6種典型有害重金屬排放總量約占全國鋼鐵行業排放總量的 61.3%.這與我國鐵礦石儲存分布及鋼鐵冶煉企業布局密切相關,鋼鐵行業對中國京津冀與長三角地區區域大氣污染貢獻不容忽視.

[1]汪旭穎,燕 麗,雷 宇.淺談我國鋼鐵行業的顆粒物排放及控制 [J]. 環境與可持續發展, 2014,39(5):21-25.

[2]工業和信息化部.2013年鋼鐵工業經濟運行情況 [EB/OL].http://www.miit.gov.cn/n11293472/n11293832/n11294132/n1285 8402/n12858492/15891265.html. 2014-02-21.

[3]中國鋼鐵工業協會.中國鋼鐵工業年鑒 [M]. 北京:中國鋼鐵工業年鑒編輯部, 1985-2012.

[4]Integrated Pollution Prevention and Control (IPCC). Best available techniques (BAT) reference document for iron and steel production [EB/OL]. http://eippcb.jrc.ec.europa.eu/, 2012-03.

[5]環境保護部.重金屬污染綜合防治“十二五”規劃 [EB/OL].http://www.mep.gov.cn/, 2014-09.

[6]黃鳳蘭,張春林,王伯光,等.電爐鐵合金飛灰中金屬和二噁英分布特性研究 [J]. 中國環境科學, 2014,34(4):869-875.

[7]李山泉,楊金玲,阮心玲,等.南京市大氣沉降中重金屬特征及對土壤環境的影響 [J]. 中國環境科學, 2014,34(1):22-29.

[8]Lei Y, Zhang Q, He K, et al. Primary anthropogenic aerosol emission trends for China, 1990–2005 [J]. Atmos. Chem. Phys.,2011,11(3):931-954.

[9]Streets D G, Hao J, Wu Y, et al. Anthropogenic mercury emissions in China [J]. Atmos. Environ., 2005,39(40):7789-7806.

[10]田賀忠,趙 丹,何孟常,等.2005年中國燃煤大氣銻排放清單[J]. 中國環境科學, 2010,30(11):1550-1557.

[11]周建男.鋼鐵生產工藝流程技術的演進及未來 [N]. 世界金屬導報, 2008-04-08012.

[12]中國國際貿易促進委員會冶金行業分會.中國鋼鐵企事業名錄[M]. 北京:中國文化傳媒出版社, 2011.

[13]第一次全國污染源普查資料編纂委員會.污染源普查產排污系數手冊 [M]. 北京:中國環境科學出版社, 2011.

[14]環境保護部.環保部袋式除塵工程通用技術規范(征求意見稿).[EB/OL]. http://www.zhb.gov.cn/.2011-07-11.

[15]環境保護部.燒結及球團工藝編制研究報告 [EB/OL].www.mep.gov.cn. 2009-01.

[16]雷 宇.中國人為源顆粒物及關鍵化學組分的排放與控制研究[D]. 北京:清華大學, 2008.

[17]Theloke J, Kummer U, Nitter S, et al. überarbeitung der schwermetallkapitel im CORINAIR guidebook zur verbesserung der emissionsinventare und der berichterstattung im rahmen der genfer luftreinhaltekonvention [J]. Report for Umweltbundesamt,2008.

[18]Kakareka S, Khomich V, Kukharchyk T, et al. Heavy metals emission factors assessment for the CIS countries [M]. Minsk:Institute for Problems of Natural Resources Use and Ecology of the National Academy of Sciences of Belarus, 1998.

[19]Kakareka Institute for problems of use of natural resources and ecology [Z]. Minsk: Belarusian National Academy of Sciences,2008.

[20]Wessely R, Hlawiczka S. Metal emission factors from open hearth furnace steel plant [R]. Katowice: Institute for Ecology of Industrial Areas, 1993.

[21]EMEP EEA. EEA air pollutant emission inventory guidebook 2013 [M]. Copenhagen: European Environment Agency, 2013.

[22]Tian H, Cheng K, Wang Y, et al. Temporal and spatial variation characteristics of atmospheric emissions of Cd, Cr, and Pb from coal in China [J]. Atmospheric Environment, 2012,50:157-163.

[23]大連商品交易所.鐵礦石現貨市場研究報告 [EB/OL].www.dce.com.cn. 2013-09.

[24]韋保仁,八木田浩史.中國鋼鐵年產量及其能源需求預測 [J].中國冶金, 2005,12:14-17.