鋼鐵企業(yè)PM2.5排放源譜研究

文-張潔 韓軍贊 江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院

江蘇省大氣污染形勢(shì)依然嚴(yán)峻，PM2.5仍為首要污染物。鋼鐵行業(yè)排放的PM2.5是大氣污染的重要來源。鋼鐵行業(yè)排放的污染物中，含有大量有機(jī)碳（Organic Carbon，OC）、元素碳（Elemental Carbon，EC）、水溶性離子與金屬元素。為定量鋼鐵行業(yè)的PM2.5及其中物種的排放量，或是開展源解析工作分析鋼鐵行業(yè)排放對(duì)環(huán)境PM2.5的貢獻(xiàn)比例，都需要了解鋼鐵行業(yè)的PM2.5及其中物種的排放特征。但是目前江蘇省內(nèi)此類研究較少，多采用國(guó)內(nèi)其他地區(qū)的成果，由于不同生產(chǎn)水平與管理狀況可能造成PM2.5的排放差別，因此需要深入研究江蘇省本地鋼鐵行業(yè)排放特征。本研究選取有代表性的鋼鐵企業(yè)，在各有組織排口進(jìn)行采樣，分析PM2.5的物理與化學(xué)特征，分析不同生產(chǎn)工序的污染物排放特征差異，并最終建立鋼鐵企業(yè)的綜合排放源譜。

1 研究方法

1.1 采樣點(diǎn)位選取

針對(duì)鋼鐵行業(yè)重點(diǎn)工序，燒結(jié)、煉鐵、煉焦與裝煤，選擇2個(gè)燒結(jié)機(jī)頭除塵器出口、2個(gè)燒結(jié)機(jī)尾除塵器出口、2個(gè)煉鐵高爐除塵器出口、1個(gè)煉焦?fàn)t除塵器出口與1個(gè)裝煤除塵器出口開展樣品采集。

1.2 樣品采集方法

使用PM10/PM2.5雙擊虛擬撞擊采樣器（美國(guó)，IV501）在除塵器出口煙道斷面網(wǎng)格點(diǎn)上等速取樣，取樣過程中記錄取樣煙氣體積、煙氣溫度、壓力，所用濾膜在取樣前后經(jīng)過平衡調(diào)質(zhì)處理以及去除靜電，然后用0.01mg精度天平稱重。每個(gè)采樣點(diǎn)的PM2.5采集3個(gè)平行樣，分別為2個(gè)石英膜和1個(gè)Teflon膜。其中石英濾膜用于有機(jī)碳OC和元素碳EC分析，Teflon濾膜用于元素、離子分析。

1.3 樣品分析方法

OC與EC的分析方法為熱光分析法（TOR），采用美國(guó)DRI Model 2001A 熱光分析儀測(cè)定。離子組分和Na+）采用離子色譜分析測(cè)定。元素（Fe、Al、Ca、Cr、Sb、Cl、Ti、Co、Ni、Tl、Pb、P、Cd、Te、K、Mn、Si、Sn、Br、Rb、Mg、Cs、Pd、Zn、As、Se）使用X射線熒光法測(cè)定，儀器為國(guó)產(chǎn)NAS-100。

2 結(jié)果與分析

2.1 分工序的PM2.5化學(xué)組成

根據(jù)分析結(jié)果，獲得鋼鐵企業(yè)各排口PM2.5中化學(xué)物種的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，如圖1所示。推焦過程的OC與EC質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，燒結(jié)與高爐的SO42-與Ca排放較高，高爐的Fe排放較高。推焦為將焦炭從煉焦?fàn)t轉(zhuǎn)移到推焦車上的過程，由于煤炭剛經(jīng)過焦化，溫度非常高，有部分煤炭在此時(shí)接觸空氣燃燒，產(chǎn)生大量的含碳?xì)馊苣z排放。燒結(jié)為利用精礦、礦粉、燃料、溶劑、返礦以及含鐵生產(chǎn)廢料等作為原料，使燒結(jié)料中的部分組份軟化和熔化，冷卻時(shí)相互粘結(jié)成塊，生產(chǎn)燒結(jié)礦。燒結(jié)的高溫過程中產(chǎn)生部分OC，但是由于燃料占比較少，因此EC的排放也較少。由于仍應(yīng)用大量生石灰，因此有較多Ca排放，Ca也可能為石灰石石膏法脫硫時(shí)產(chǎn)生。同時(shí)原料中也有大量鐵礦石，在燒結(jié)機(jī)尾有較多Fe排放。高爐為利用焦炭、燒結(jié)礦和溶劑生產(chǎn)液態(tài)生鐵的過程，因此有大量Fe排放，同時(shí)也可能由于燒結(jié)礦的分解，產(chǎn)生較多SO42-和Ca的排放，由于Fe排放量較大與Ca的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較低。裝煤過程的較高含碳?xì)馊苣z排放則主要是由于煤粉散落引起。

圖1 鋼鐵生產(chǎn)主要環(huán)節(jié)排放PM2.5化學(xué)組成的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（μg/m3）

2.2 國(guó)內(nèi)鋼鐵行業(yè)源譜研究對(duì)比

本研究選取PM2.5中質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大的5個(gè)物種，F(xiàn)e，OC、EC、SO4

2-與Ca，與其他研究獲得源譜的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行比較，如表1所示。發(fā)現(xiàn)各研究的結(jié)果差距較大，本研究中的燒結(jié)機(jī)尾排放Fe較高，綜合燒結(jié)機(jī)頭與燒結(jié)機(jī)尾，排放Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)略小于貴陽，但是遠(yuǎn)大于武漢、華北與上海的結(jié)果，本研究的OC與SO4

2-的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也大于已有研究，說明燒結(jié)機(jī)頭的脫硫設(shè)施效率還有待提高。對(duì)比高爐的PM2.5主要物種排放，F(xiàn)e排放較高，OC、EC與Ca的排放相對(duì)較低。由此可見，不同地區(qū)進(jìn)行的鋼鐵行業(yè)的主要物種排放存在較大差別。

表1 鋼鐵行業(yè)源成分譜主要物種質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）比較

2.3 鋼鐵企業(yè)PM2.5源譜研究

統(tǒng)計(jì)各環(huán)節(jié)產(chǎn)品產(chǎn)量，計(jì)算各基于PM2.5排放速率與鋼鐵產(chǎn)量的排放因子，如下式所示：

式中：EFi, i過程對(duì)應(yīng)的PM2.5產(chǎn)生系數(shù)，g/kg；Ci, i工序的PM2.5排放濃度，Vi，i工序的煙氣量； Ai, i工序的產(chǎn)品產(chǎn)量；i, 鋼鐵生產(chǎn)過程產(chǎn)生PM2.5的主要環(huán)節(jié)。

將計(jì)算得到的排放因子與排放源譜結(jié)合，獲得基于排放量的鋼鐵企業(yè)綜合源譜，如圖2所示。其中Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，為40.7%，其次為OC（15.1%）、EC（14.1%）、SO42-（9.2%）與Ca（4.6%）。鋼鐵企業(yè)排放的污染物種類眾多，尤其是大量的金屬元素，雖然所占比例較Fe等物種相對(duì)較低，但是對(duì)人體健康的影響較大，仍然不可忽略。綜合排放因子建立的鋼鐵企業(yè)排放源譜與各環(huán)節(jié)的排放特征不盡相同，而以往研究多集中于燒結(jié)、高爐等少數(shù)環(huán)節(jié)，不能全面反映鋼鐵行業(yè)排放狀況。

圖2 鋼鐵企業(yè)PM2.5綜合源譜

3 結(jié)論

本研究基于鋼鐵企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)采樣測(cè)試與實(shí)驗(yàn)室分析，獲得某鋼鐵企業(yè)不同工序排放的PM2.5物種特征。推焦過程的OC與EC質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，燒結(jié)與高爐排放的SO42-與Ca較高，高爐排放的Fe較高。與全國(guó)其他地區(qū)鋼鐵行業(yè)排放結(jié)果比較，本研究的鋼鐵企業(yè)燒結(jié)排放的OC與SO42-較高，高爐排放的Fe較高，說明不同鋼鐵企業(yè)由于生產(chǎn)與污染控制的條件不同，排放存在較大差別。結(jié)合各工序的PM2.5排放因子，形成鋼鐵企業(yè)的綜合源譜。其中Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，其次為OC、EC、SO42-與Ca。本研究增加了已有文獻(xiàn)中較少研究的推焦和裝煤環(huán)節(jié)，進(jìn)一步完善了鋼鐵企業(yè)的排放來源。但是針對(duì)鋼鐵企業(yè)無組織排放的研究仍然較為缺乏，在今后工作中，建議綜合分析鋼鐵企業(yè)全流程生產(chǎn)情況，深入分析無組織排放特征，定量無組織排放對(duì)總排放量的影響。