鋼鐵企業PM2.5排放源譜研究

文-張潔 韓軍贊 江蘇省環境科學研究院

江蘇省大氣污染形勢依然嚴峻，PM2.5仍為首要污染物。鋼鐵行業排放的PM2.5是大氣污染的重要來源。鋼鐵行業排放的污染物中，含有大量有機碳（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排放對環境PM2.5的貢獻比例，都需要了解鋼鐵行業的PM2.5及其中物種的排放特征。但是目前江蘇省內此類研究較少，多采用國內其他地區的成果，由于不同生產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排放特征。本研究選取有代表性的鋼鐵企業，在各有組織排口進行采樣，分析PM2.5的物理與化學特征，分析不同生產工序的污染物排放特征差異，并最終建立鋼鐵企業的綜合排放源譜。

1 研究方法

1.1 采樣點位選取

針對鋼鐵行業重點工序，燒結、煉鐵、煉焦與裝煤，選擇2個燒結機頭除塵器出口、2個燒結機尾除塵器出口、2個煉鐵高爐除塵器出口、1個煉焦爐除塵器出口與1個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，IV501）在除塵器出口煙道斷面網格點上等速取樣，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過平衡調質處理以及去除靜電，然后用0.01mg精度天平稱重。每個采樣點的PM2.5采集3個平行樣，分別為2個石英膜和1個Teflon膜。其中石英濾膜用于有機碳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DRI Model 2001A 熱光分析儀測定。離子組分和Na+）采用離子色譜分析測定。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射線熒光法測定，儀器為國產NAS-100。

2 結果與分析

2.1 分工序的PM2.5化學組成

根據分析結果，獲得鋼鐵企業各排口PM2.5中化學物種的質量分數，如圖1所示。推焦過程的OC與EC質量分數最高，燒結與高爐的SO42-與Ca排放較高，高爐的Fe排放較高。推焦為將焦炭從煉焦爐轉移到推焦車上的過程，由于煤炭剛經過焦化，溫度非常高，有部分煤炭在此時接觸空氣燃燒，產生大量的含碳氣溶膠排放。燒結為利用精礦、礦粉、燃料、溶劑、返礦以及含鐵生產廢料等作為原料，使燒結料中的部分組份軟化和熔化，冷卻時相互粘結成塊，生產燒結礦。燒結的高溫過程中產生部分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產生。同時原料中也有大量鐵礦石，在燒結機尾有較多Fe排放。高爐為利用焦炭、燒結礦和溶劑生產液態生鐵的過程，因此有大量Fe排放，同時也可能由于燒結礦的分解，產生較多SO42-和Ca的排放，由于Fe排放量較大與Ca的質量分數相對較低。裝煤過程的較高含碳氣溶膠排放則主要是由于煤粉散落引起。

圖1 鋼鐵生產主要環節排放PM2.5化學組成的質量分數（μg/m3）

2.2 國內鋼鐵行業源譜研究對比

本研究選取PM2.5中質量分數最大的5個物種，Fe，OC、EC、SO4

2-與Ca，與其他研究獲得源譜的質量分數進行比較，如表1所示。發現各研究的結果差距較大，本研究中的燒結機尾排放Fe較高，綜合燒結機頭與燒結機尾，排放Fe的質量分數略小于貴陽，但是遠大于武漢、華北與上海的結果，本研究的OC與SO4

2-的質量分數也大于已有研究，說明燒結機頭的脫硫設施效率還有待提高。對比高爐的PM2.5主要物種排放，Fe排放較高，OC、EC與Ca的排放相對較低。由此可見，不同地區進行的鋼鐵行業的主要物種排放存在較大差別。

表1 鋼鐵行業源成分譜主要物種質量分數（%）比較

2.3 鋼鐵企業PM2.5源譜研究

統計各環節產品產量，計算各基于PM2.5排放速率與鋼鐵產量的排放因子，如下式所示：

式中：EFi, i過程對應的PM2.5產生系數，g/kg；Ci, i工序的PM2.5排放濃度，Vi，i工序的煙氣量； Ai, i工序的產品產量；i, 鋼鐵生產過程產生PM2.5的主要環節。

將計算得到的排放因子與排放源譜結合，獲得基于排放量的鋼鐵企業綜合源譜，如圖2所示。其中Fe質量分數最高，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等物種相對較低，但是對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排放源譜與各環節的排放特征不盡相同，而以往研究多集中于燒結、高爐等少數環節，不能全面反映鋼鐵行業排放狀況。

圖2 鋼鐵企業PM2.5綜合源譜

3 結論

本研究基于鋼鐵企業現場采樣測試與實驗室分析，獲得某鋼鐵企業不同工序排放的PM2.5物種特征。推焦過程的OC與EC質量分數最高，燒結與高爐排放的SO42-與Ca較高，高爐排放的Fe較高。與全國其他地區鋼鐵行業排放結果比較，本研究的鋼鐵企業燒結排放的OC與SO42-較高，高爐排放的Fe較高，說明不同鋼鐵企業由于生產與污染控制的條件不同，排放存在較大差別。結合各工序的PM2.5排放因子，形成鋼鐵企業的綜合源譜。其中Fe質量分數最高，其次為OC、EC、SO42-與Ca。本研究增加了已有文獻中較少研究的推焦和裝煤環節，進一步完善了鋼鐵企業的排放來源。但是針對鋼鐵企業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全流程生產情況，深入分析無組織排放特征，定量無組織排放對總排放量的影響。