不同裝煤方式和炭化室高度的焦爐周邊環境空氣總懸浮顆粒物碳組分特征*

張姝婷 劉效峰# 白慧玲 牟 玲 彭 林 王志磊 張大宇

(1.太原理工大學環境科學與工程學院,山西 太原 030024；2.華北電力大學環境科學與工程學院，北京 102206)

隨著我國工業的飛速發展，煉焦工業也得到了迅猛發展。山西省是全國最大的焦炭生產地。據《中國統計年鑒-2017》和《山西統計年鑒2017》統計，山西省焦炭產量占山西省一次能源產量的10.77%，占全國焦炭產量的17.79%。

彭林等[1]225研究發現，山西省城市環境空氣顆粒物中有機碳(OC)和元素碳(EC)污染較為嚴重。OC中包含有多種有機污染物，如多環芳烴(PAHs)[2]、多氯聯苯(PCBs)[3]、二噁英(PCDD/Fs)[4]等；EC則具有較強的吸附能力，容易成為富集中心和化學反應床[5]。OC和EC可通過呼吸作用進入人體肺部，從而引起各種呼吸疾病[6]。CAO等[7]研究發現，煉焦過程中顆粒物的碳組分排放量遠高于燃煤電廠、生物質燃燒及機動車尾氣的排放量。因此研究山西省焦爐周邊環境空氣顆粒物碳組分特征具有現實意義。本研究選取總懸浮顆粒物(TSP)展開研究。

焦爐頂和廠區環境空氣中的顆粒物碳組分特征已有相關研究[8]2955，但不同裝煤方式和碳化室高度的焦爐周邊環境空氣TSP中碳組分特征還鮮有人研究。在實際生產中，焦爐的炭化室高度和裝煤方式存在很多差異[9]，其對周邊環境空氣TSP中碳組分的影響也不盡相同。

炭化室高度主要有3.2、4.3、6.0 m等，裝煤方式主要有搗固和頂裝兩種。本研究分析了不同炭化室高度和裝煤方式的焦爐周邊環境空氣TSP中碳組分特征，以期為焦化廠設計、污染預防提供基礎資料。

1 樣品采集與分析

1.1 樣品的采集

在山西省地區選擇了4座具有代表性的焦爐作為研究對象，其中炭化室高度4.3 m的焦爐2座，裝煤方式分別為頂裝和搗固，6.0 m的頂裝焦爐和3.2 m的搗固焦爐各1座，煤氣和空氣供入方式均為下噴式。4座焦爐的基本特征見表1。

表1 焦爐的基本特征

采樣點設在焦爐周邊煉焦生產區的除塵地面站旁[8]2956,[10]，采樣高度為2～3 m，每個樣品采集時間為3～4 h，每座焦爐周邊采集2～3個樣品。利用改良的標準大體積TSP采樣器(TH-1000F)采集，濾膜為美國Staplex公司的玻璃纖維濾膜(20.3 cm×25.4 cm)。

1.2 樣品的分析測試及數據計算

采樣前玻璃纖維濾膜用鋁箔包裹后放在500 ℃條件下焙燒5 h，然后放入溫度為25 ℃、相對濕度為50%的環境中平衡48 h，采用分析天平(Sartorius LA130S-F)稱量采樣前濾膜質量。采樣后，將濾膜取下，用鋁箔包裹后帶回實驗室用于稱量采樣后濾膜質量，計算TSP濃度，然后將其放入-20 ℃冰箱中保存，待分析總碳(TC)和OC濃度。

利用德國Elementar公司的碳元素分析儀(vario EL)分析所采集TSP中的TC和OC濃度[11]，EC濃度為TC和OC的濃度之差[12]。總碳氣溶膠(TCA)包括有機物(OM)和EC兩部分，OM濃度可通過1.6倍的OC濃度換算得到[13-14]。實驗室中同時分析空白膜，未檢出TC和OC。

2 結果與討論

2.1 焦爐周邊環境空氣TSP中碳組分濃度水平

由表2可見，4座焦爐周邊環境空氣中TSP質量濃度為711.95～2 938.41 μg/m3，其中搗固焦爐周邊的TSP濃度高于頂裝焦爐，炭化室高度越高，焦爐周邊的環境空氣中TSP濃度越低。4座焦爐周邊環境空氣中TC占TSP的質量分數為44.81%～67.45%，均值為56.50%，普遍高于城市環境空氣中TC在顆粒物中的質量分數[1]224，甚至比受交通源影響的環境空氣中還高[15]。由此說明，TC是焦爐周邊環境空氣TSP中的主要污染物。其中，OC、EC的質量濃度分別為189.45～595.90、285.38～806.71 μg/m3，均值分別為440.66、521.15 μg/m3，分別占TC均值的質量分數為46%、54%。與燃煤電廠相比，焦化廠的EC占比更高，原因是燃煤電廠煤炭的完全燃燒程度較高，而煉焦過程是在隔絕空氣的高溫條件下熱解，不完全燃燒產生的EC較多[16],[17]75。不同焦爐周邊環境空氣TSP中OC、EC濃度分布情況與TSP基本一致，牟玲[17]84研究發現的炭化室高度越高，焦爐煙氣中OC、EC的排放因子越低，也支撐了這一結論。因此，為改善焦爐周邊環境空氣質量，可以通過增高炭化室高度和改搗固裝煤方式為頂裝裝煤方式來實現。4座焦爐周邊環境空氣TSP中TCA質量濃度為588.50～1 727.85 μg/m3，均值為1 239.82 μg/m3，占TSP的質量分數為58.51%～87.51%，均值為71.87%，高于煤層自燃區[18]和城市環境空氣[1]224,[19-20]。

表2 不同焦爐周邊環境空氣TSP中碳組分質量濃度

2.2 焦爐周邊環境空氣TSP中OC和EC質量比(OC/EC)

OC/EC是研究環境空氣中顆粒物二次來源的常用參數[21]，本研究中4座焦爐周邊環境空氣TSP中，OC/EC為0.66～1.04，均值為0.85，YC(1.04)>YW(0.98)>YM(0.71)>AC(0.66)。CHOW等[22]認為，OC/EC>2時存在二次污染，本研究中不同焦爐周邊環境空氣中OC/EC均未超過2，說明焦爐周邊環境空氣中碳組分以一次污染為主。

表3列出一些城市環境空氣TSP中OC、EC質量濃度及OC/EC。焦爐周邊環境空氣中OC、EC濃度遠遠高于城市環境，以地理位置相對較近的石家莊市[23]為例，焦爐周邊環境空氣中的OC、EC平均濃度分別是石家莊市環境空氣中的35.34、64.10倍。北京市環境空氣TSP中的OC/EC與本研究相差最大[24]，主要原因是北京市主要以二次污染為主[26]。

表3 城市環境空氣TSP中的OC/EC

2.3 不同焦爐周邊環境空氣TSP中碳組分分歧系數

分歧系數一般用于源成分譜相似程度的分析[27-29]，最早應用于生物學，近年來較多應用于氣溶膠分析，其計算公式如式(1)[30]所示。分歧系數為0～1，越接近于0，說明兩個成分譜之間越相似；越接近于1，說明兩成分譜之間差異越大。姬亞芹[31]和KONG等[32]均認為，分歧系數0～0.2兩個成分譜必定相似；>0.2～0.5可能相似；>0.5～1.0必定不相似。

(1)

式中：CDjk為焦爐j和焦爐k周邊環境空氣TSP中碳組分的分歧系數；xji、xki分別為焦爐j和焦爐k周邊環境空氣TSP中碳組分i(包括TC、OC和EC)的質量濃度，μg/m3；i為碳組分序號；P為碳組分總數，本研究中為3。

由表4可以看出，本研究4座焦爐周邊環境空氣TSP中分歧系數為0.092～0.490，均低于0.5，因此總體來說4座焦爐周邊環境空氣TSP中碳組分有一定的差異。將分歧系數與裝煤方式和炭化室高度結合分析發現，炭化室高度均為4.3 m的搗固焦爐YW與頂裝焦爐YC的分歧系數為0.208，二者碳組分差異較小；裝煤方式相同、炭化室高度不同的AC與YC和YW與YM的分歧系數分別為0.266、0.092，碳組分也差異不大；裝煤方式和炭化室高度都不相同的焦爐間的分歧系數更接近0.5，差異相對較大。由此可見，裝煤方式和炭化室高度都對焦爐周邊環境空氣TSP中碳組分的分布有一定影響，特別是裝煤方式和炭化室高度都不同的焦爐周邊環境空氣TSP中碳組分差異較大。

表4 不同焦爐周邊環境空氣TSP中碳組分的分歧系數

3 結 論

(1) 4座焦爐周邊環境空氣中TSP質量濃度為711.95～2 938.41 μg/m3，其中OC、EC的質量濃度分別為189.45～595.90、285.38～806.71 μg/m3，TC占TSP的質量分數為44.81%～67.45%。搗固焦爐周邊的TSP及其碳組分濃度高于頂裝焦爐，炭化室高度越高的焦爐周邊環境空氣中TSP及其碳組分濃度越低。

(2) 4座焦爐周邊環境空氣TSP中OC/EC為0.66～1.04，均小于2，說明焦爐周邊環境空氣中碳組分以一次污染為主。

(3) 4座焦爐周邊環境空氣TSP中碳組分的分歧系數為0.092～0.490，均小于0.5，總體來說裝煤方式和炭化室高度都對焦爐周邊環境空氣TSP中碳組分的分布有一定影響，特別是裝煤方式和炭化室高度都不同的焦爐周邊環境空氣TSP中碳組分差異較大。