鋼鐵行業排放顆粒物粒數濃度排放特征研究

張 潔，韓軍贊

（1.江蘇省環境科學研究院；2.江蘇省環境工程重點實驗室，南京 210036）

江蘇省大氣污染形勢依然嚴峻，PM2.5仍為首要污染物，其中鋼鐵行業是大氣顆粒物的主要排放來源。已有研究者通過實測獲得鋼鐵企業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，尤其是細顆粒物的排放特征。細顆粒物的比表面積較粗顆粒物大，對人體健康危害也遠高于粗顆粒物[1]。細粒徑顆粒物能沉積在呼吸道深部肺泡內，存留時間達到數周至數年，特別是0.01～0.10 μm粒徑的微粒有50%會沉積在肺中造成肺部硬化，對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，人們需要了解實地，了解本地鋼鐵企業排放情況，篩選顆粒物排放量較大的排放環節，開展重點管控，并在污染控制政策制定中著重考慮細顆粒物對大氣環境與人體健康的影響。本研究選取工藝流程較長，涉及排放環節較多的鋼鐵企業，在有組織排放口進行顆粒物測試，獲取顆粒物粒徑分布特征，對比不同排放環節的排放差異，進一步深入了解生產工藝造成的顆粒物排放區別。

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、煉焦過程，選擇1個燒結機頭除塵器出口、1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）直接測定煙塵數濃度分布，其基本工作原理是：顆粒物進入ELPI主機后，首先通過一個靜電場，在此電場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撞擊器，通過慣性分離將顆粒物按粒徑從大到小分成12級，最后氣流通過最末級的導流管排出撞擊器。每一級撞擊器都對應有一個靜電計和電流放大器測量捕集至該級的顆粒物所帶電流值，通過電流值計算出各級的顆粒物濃度，各撞擊器之間用聚四氟乙烯絕緣體隔開，響應時間為1 s[3]。其共計14級，各級的空氣動力學直徑分別為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格點上等速取樣，使用涂脂鋁膜收集煙塵，直接讀取煙塵數濃度粒徑分布。

2 結果與討論

2.1 分環節的顆粒物粒徑分布

根據測試結果，獲得鋼鐵企業各排口的顆粒物粒徑分布，如圖1所示，圖中橫坐標為顆粒物粒徑，縱坐標為對應的粒數濃度。

燒結機頭煙塵在0.1 μm附近粒數濃度最高，之后隨粒徑增大而降低，峰值處達到104#/cm3量級。燒結機尾煙塵在0.01～0.30 μm 的粒徑段均有較高濃度，峰值為103#/cm3量級。燒結工藝為利用精礦、礦粉、燃料、溶劑與返礦等原料，混勻與造球后送入燒結機進行燒結。本研究中燒結機頭排放的顆粒物粒數濃度較高，細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為原料破碎運輸過程產生較多較粗的顆粒物。兩個高爐排口的顆粒物粒徑均呈雙峰形態分布，在0.01～0.10 μm處有兩個峰值。其中高爐1排放濃度較高，達到105#/cm3；高爐2排放濃度較低，峰值約為104#/cm3。

燒結工藝生產的燒結礦，與石灰石和焦炭一起，經破碎篩分后，送入高爐，爐料中焦炭在風口前燃燒，產生一氧化碳等還原性氣體，還原鐵礦石形成金屬鐵。因為高爐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的極細顆粒物可能由還原產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工藝、除塵器效率密切相關，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濃度可產生數量級差異。

推焦過程中煙塵呈單峰分布，在粒徑為0.1 μm達到最大，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，峰值處煙塵數濃度為103#/cm3量級。

2.2 分環節顆粒物體積排放速率

本研究同步調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，用于估算標準狀態下的煙氣流量。本研究中假設各粒徑段顆粒物均為球體，根據粒徑大小計算球體體積，結合煙氣流量，進一步計算不同粒徑段顆粒物體積排放速率，結果如圖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粒數濃度較多。燒結機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%。燒結機尾排放的顆粒物在0.2～0.3 μm與＞2 μm粒徑段占比較大，總體分布較燒結機頭均勻。

圖1 各排放環節煙塵粒徑濃度分布

圖2 燒結機頭與燒結機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%，假設不同粒徑的顆粒物密度一致，則其1 μm以下顆粒物質量占測試顆粒物總量的大部分。由于細粒徑顆粒物更易吸入肺泡深處，在同等顆粒物質量排放的前提下，高爐排放的顆粒物對人體健康的影響更大。與顆粒物粒數濃度類似，高爐1與高爐2的顆粒物體積排放速率也存在數量級的差異。

推焦工藝的顆粒物體積排放速率如圖4所示，呈雙峰形態分布，在0.12 μm與2.02 μm出現峰值，總體分布較為均勻。排放速率最高為0.01 cm3/s，低于燒結機與高爐排放。推焦工藝不連續，因此在整個生產流程中，推焦環節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。結合各過程排放速率，燒結機頭與高爐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象。幾何平均粒徑（Dg）的計算公式如式（1）所示。

式中，ni為第i個粒徑區間內的顆粒物個數；di為第i個粒徑區間的中值；N為顆粒物總個數。

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 鋼鐵企業各排放環節顆粒物體積排放速率與幾何平均粒徑

應用式（1）計算得到各排放環節的集合平均粒徑Dg，如表2所示。從表2結果可以看出，幾何平均粒徑既反映了顆粒物粒數濃度的極大值位置，又綜合了粒徑的分布形態（單峰型與雙峰型）。可見燒結機頭排放顆粒物幾何平均粒徑最大，裝煤環節排放顆粒物幾何平均粒徑最低。結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，對大氣環境與人體健康造成的潛在危害較大。

3 結論

本研究完成鋼鐵企業顆粒物粒徑分布排放特征分析，獲得江蘇省典型鋼鐵企業不同工藝環節的顆粒物粒數濃度排放特征。結果顯示，各環節排放顆粒物粒數濃度呈單峰或雙峰形態分布，其中燒結機頭與高爐的排放較高，且高爐排放與工藝先進性、管理水平有關。結合煙道氣體排放情況，筆者計算得到各環節顆粒物體積濃度排放速率，其中高爐1排放速率最高，其次為燒結機頭和高爐2。燒結機頭排放顆粒物幾何平均粒徑最高，其次為高爐和推焦，裝煤環節排放粒徑最低。