鋼鐵行業(yè)排放顆粒物粒數(shù)濃度排放特征研究

張 潔，韓軍贊

（1.江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院；2.江蘇省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210036）

江蘇省大氣污染形勢(shì)依然嚴(yán)峻，PM2.5仍為首要污染物，其中鋼鐵行業(yè)是大氣顆粒物的主要排放來源。已有研究者通過實(shí)測(cè)獲得鋼鐵企業(yè)PM2.5或PM10的排放因子并估算得到排放總量，但是較少有人開展分粒徑段的排放特征研究，尤其是細(xì)顆粒物的排放特征。細(xì)顆粒物的比表面積較粗顆粒物大，對(duì)人體健康危害也遠(yuǎn)高于粗顆粒物[1]。細(xì)粒徑顆粒物能沉積在呼吸道深部肺泡內(nèi)，存留時(shí)間達(dá)到數(shù)周至數(shù)年，特別是0.01～0.10 μm粒徑的微粒有50%會(huì)沉積在肺中造成肺部硬化，對(duì)人體健康造成極大的威脅[2]。

目前，已有研究較少分析江蘇省本地鋼鐵行業(yè)的排放特征。開展江蘇省顆粒物污染防治前，人們需要了解實(shí)地，了解本地鋼鐵企業(yè)排放情況，篩選顆粒物排放量較大的排放環(huán)節(jié)，開展重點(diǎn)管控，并在污染控制政策制定中著重考慮細(xì)顆粒物對(duì)大氣環(huán)境與人體健康的影響。本研究選取工藝流程較長(zhǎng)，涉及排放環(huán)節(jié)較多的鋼鐵企業(yè)，在有組織排放口進(jìn)行顆粒物測(cè)試，獲取顆粒物粒徑分布特征，對(duì)比不同排放環(huán)節(jié)的排放差異，進(jìn)一步深入了解生產(chǎn)工藝造成的顆粒物排放區(qū)別。

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、煉焦過程，選擇1個(gè)燒結(jié)機(jī)頭除塵器出口、1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)期裝煤除塵器出口開展樣品采集。

1.2 樣品采集方法

除塵器出口煙塵濃度較低，使用低壓荷電粒徑譜儀（ELPI）直接測(cè)定煙塵數(shù)濃度分布，其基本工作原理是：顆粒物進(jìn)入ELPI主機(jī)后，首先通過一個(gè)靜電場(chǎng)，在此電場(chǎng)通過電暈放電器使顆粒物荷電，然后氣流從上而下通過每一級(jí)撞擊器，通過慣性分離將顆粒物按粒徑從大到小分成12級(jí)，最后氣流通過最末級(jí)的導(dǎo)流管排出撞擊器。每一級(jí)撞擊器都對(duì)應(yīng)有一個(gè)靜電計(jì)和電流放大器測(cè)量捕集至該級(jí)的顆粒物所帶電流值，通過電流值計(jì)算出各級(jí)的顆粒物濃度，各撞擊器之間用聚四氟乙烯絕緣體隔開，響應(yīng)時(shí)間為1 s[3]。其共計(jì)14級(jí)，各級(jí)的空氣動(dòng)力學(xué)直徑分別為0.010 μm、0.022 μm、0.041 μm、0.073 μm、0.122 μm、0.200 μm、0.314 μm、0.482 μm、0.76 μm、1.250 μm、2.017 μm、3.017 μm、4.448 μm和7.316 μm。本研究以10 L/min的流量在煙道斷面網(wǎng)格點(diǎn)上等速取樣，使用涂脂鋁膜收集煙塵，直接讀取煙塵數(shù)濃度粒徑分布。

2 結(jié)果與討論

2.1 分環(huán)節(jié)的顆粒物粒徑分布

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，獲得鋼鐵企業(yè)各排口的顆粒物粒徑分布，如圖1所示，圖中橫坐標(biāo)為顆粒物粒徑，縱坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)的粒數(shù)濃度。

燒結(jié)機(jī)頭煙塵在0.1 μm附近粒數(shù)濃度最高，之后隨粒徑增大而降低，峰值處達(dá)到104#/cm3量級(jí)。燒結(jié)機(jī)尾煙塵在0.01～0.30 μm 的粒徑段均有較高濃度，峰值為103#/cm3量級(jí)。燒結(jié)工藝為利用精礦、礦粉、燃料、溶劑與返礦等原料，混勻與造球后送入燒結(jié)機(jī)進(jìn)行燒結(jié)。本研究中燒結(jié)機(jī)頭排放的顆粒物粒數(shù)濃度較高，細(xì)粒徑段可能是由于除塵器效率差異造成，較粗粒徑段排放高可能是因?yàn)樵掀扑檫\(yùn)輸過程產(chǎn)生較多較粗的顆粒物。兩個(gè)高爐排口的顆粒物粒徑均呈雙峰形態(tài)分布，在0.01～0.10 μm處有兩個(gè)峰值。其中高爐1排放濃度較高，達(dá)到105#/cm3；高爐2排放濃度較低，峰值約為104#/cm3。

燒結(jié)工藝生產(chǎn)的燒結(jié)礦，與石灰石和焦炭一起，經(jīng)破碎篩分后，送入高爐，爐料中焦炭在風(fēng)口前燃燒，產(chǎn)生一氧化碳等還原性氣體，還原鐵礦石形成金屬鐵。因?yàn)楦郀t排放的顆粒物組分中Fe占比約為80%，其次為硫酸鹽，占比約為5%。粒徑為0.01 μm的極細(xì)顆粒物可能由還原產(chǎn)生的鐵與煉鐵過程中SO2生成的硫酸鹽組成。高爐的顆粒物排放與生產(chǎn)工藝、除塵器效率密切相關(guān)，本研究中高爐2建造年代較高爐1晚，管理較完善，其排放的顆粒物粒數(shù)濃度可產(chǎn)生數(shù)量級(jí)差異。

推焦過程中煙塵呈單峰分布，在粒徑為0.1 μm達(dá)到最大，這與柴油車等燃燒源排放顆粒物的粒徑分布類似，說明推焦后焦炭的燃燒為排放顆粒物的主要來源。裝煤過程排放顆粒物較低，峰值處煙塵數(shù)濃度為103#/cm3量級(jí)。

2.2 分環(huán)節(jié)顆粒物體積排放速率

本研究同步調(diào)研了各排放口的煙道截面積、煙氣溫度、流速與濕，如表1所示，用于估算標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的煙氣流量。本研究中假設(shè)各粒徑段顆粒物均為球體，根據(jù)粒徑大小計(jì)算球體體積，結(jié)合煙氣流量，進(jìn)一步計(jì)算不同粒徑段顆粒物體積排放速率，結(jié)果如圖2所示。

表1 采樣煙道情況

由于體積與粒徑的三次方成正比，顆粒物體積排放速率中，大粒徑段的顆粒物排放占比相對(duì)粒數(shù)濃度較多。燒結(jié)機(jī)頭排放的顆粒物隨粒徑上升而增加，其中＞2 μm的顆粒物，體積占比為57%。燒結(jié)機(jī)尾排放的顆粒物在0.2～0.3 μm與＞2 μm粒徑段占比較大，總體分布較燒結(jié)機(jī)頭均勻。

圖1 各排放環(huán)節(jié)煙塵粒徑濃度分布

圖2 燒結(jié)機(jī)頭與燒結(jié)機(jī)尾顆粒物體積排放速率

圖3 高爐1與高爐2顆粒物體積排放速率

高爐的顆粒物體積排放速率如圖3所示，呈多峰分布，粒徑為0.01 μm、0.31 μm與粒徑大于2 μm處均出現(xiàn)峰值。其中，粒徑在1 μm以下的顆粒物體積占總排放量的66%，假設(shè)不同粒徑的顆粒物密度一致，則其1 μm以下顆粒物質(zhì)量占測(cè)試顆粒物總量的大部分。由于細(xì)粒徑顆粒物更易吸入肺泡深處，在同等顆粒物質(zhì)量排放的前提下，高爐排放的顆粒物對(duì)人體健康的影響更大。與顆粒物粒數(shù)濃度類似，高爐1與高爐2的顆粒物體積排放速率也存在數(shù)量級(jí)的差異。

推焦工藝的顆粒物體積排放速率如圖4所示，呈雙峰形態(tài)分布，在0.12 μm與2.02 μm出現(xiàn)峰值，總體分布較為均勻。排放速率最高為0.01 cm3/s，低于燒結(jié)機(jī)與高爐排放。推焦工藝不連續(xù)，因此在整個(gè)生產(chǎn)流程中，推焦環(huán)節(jié)排放的顆粒物占比較低。

裝煤工藝顆粒物體積排放速率如圖5所示，顆粒物粒徑集中在0.07～3.02 μm，粒徑分布交窄，且顆粒物排放速率較低。結(jié)合各過程排放速率，燒結(jié)機(jī)頭與高爐1排放速率較大，裝煤排放速率最小。

為了更清晰地表示不同燃油產(chǎn)生顆粒物的粒徑分布狀況，本研究選擇幾何平均粒徑作為研究對(duì)象。幾何平均粒徑（Dg）的計(jì)算公式如式（1）所示。

式中，ni為第i個(gè)粒徑區(qū)間內(nèi)的顆粒物個(gè)數(shù)；di為第i個(gè)粒徑區(qū)間的中值；N為顆粒物總個(gè)數(shù)。

圖4 推焦工藝顆粒物體積排放速率

圖5 裝煤工藝顆粒物體積排放速率

表2 鋼鐵企業(yè)各排放環(huán)節(jié)顆粒物體積排放速率與幾何平均粒徑

應(yīng)用式（1）計(jì)算得到各排放環(huán)節(jié)的集合平均粒徑Dg，如表2所示。從表2結(jié)果可以看出，幾何平均粒徑既反映了顆粒物粒數(shù)濃度的極大值位置，又綜合了粒徑的分布形態(tài)（單峰型與雙峰型）。可見燒結(jié)機(jī)頭排放顆粒物幾何平均粒徑最大，裝煤環(huán)節(jié)排放顆粒物幾何平均粒徑最低。結(jié)合體積排放速率可知，高爐1排放速率最高，且排放顆粒物幾何平均粒徑較低，對(duì)大氣環(huán)境與人體健康造成的潛在危害較大。

3 結(jié)論

本研究完成鋼鐵企業(yè)顆粒物粒徑分布排放特征分析，獲得江蘇省典型鋼鐵企業(yè)不同工藝環(huán)節(jié)的顆粒物粒數(shù)濃度排放特征。結(jié)果顯示，各環(huán)節(jié)排放顆粒物粒數(shù)濃度呈單峰或雙峰形態(tài)分布，其中燒結(jié)機(jī)頭與高爐的排放較高，且高爐排放與工藝先進(jìn)性、管理水平有關(guān)。結(jié)合煙道氣體排放情況，筆者計(jì)算得到各環(huán)節(jié)顆粒物體積濃度排放速率，其中高爐1排放速率最高，其次為燒結(jié)機(jī)頭和高爐2。燒結(jié)機(jī)頭排放顆粒物幾何平均粒徑最高，其次為高爐和推焦，裝煤環(huán)節(jié)排放粒徑最低。