四川省典型鋼鐵廠主要工藝顆粒物排放特征分析*

馮小瓊 陳軍輝 熊文朋 梅林德 徐雪梅 尹寒梅 劉 政 錢 駿

(1. 四川省環(huán)保科技工程有限責任公司，四川 成都 610041；2.四川省生態(tài)環(huán)境科學研究院，四川 成都 610041)

四川省是中國西部經(jīng)濟、人口與資源大省，目前大氣污染呈現(xiàn)出復合型、區(qū)域性的特征，鋼鐵行業(yè)顆粒物排放量約占四川省顆粒物排放總量的10%，是四川省顆粒物的主要排放來源[19]，對四川省鋼鐵行業(yè)顆粒物排放特征開展研究有十分重要的意義。為此，本研究采用稀釋通道采樣器對四川省鋼鐵行業(yè)石灰窯、燒結(jié)、煉鋼轉(zhuǎn)爐、高爐、焦爐、余熱鍋爐等工藝進行樣品采集，建立了鋼鐵行業(yè)各工藝PM2.5與PM10源成分譜，以期為顆粒物的源解析提供數(shù)據(jù)支撐，并為管理部門進行鋼鐵行業(yè)大氣環(huán)境管理提供科學決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

采樣廠區(qū)為四川省西昌某鋼鐵廠，該廠采用長流程煉鋼工藝，以釩鈦磁鐵礦為原料，主要生產(chǎn)流程包括石灰窯、燒結(jié)、煉鋼轉(zhuǎn)爐、高爐、焦爐、軋鋼、余熱鍋爐等。四川省共有5家長流程鋼鐵企業(yè)，其中4家采用釩鈦磁鐵礦作為原料，生產(chǎn)工藝均相同，因此本次測試企業(yè)具有一定代表性。本研究結(jié)合工藝、排污許可證信息、現(xiàn)場調(diào)研，共選取9個主要大氣排放點位開展污染物排放特征測試，具體如表1所示。

表1 監(jiān)測點位基本情況

1.2 采樣測試系統(tǒng)

本研究利用ZDA-XSTDCY型稀釋通道采樣器對PM2.5、PM10進行采集，采樣儀器主要由煙塵采樣槍、四通道采樣箱、一級稀釋箱、二級稀釋箱、稀釋停留艙以及外部連接部件組成。采樣過程中實現(xiàn)一組4張濾膜同時采集，保持稀釋倍數(shù)為1∶8。不同工藝均在煙氣處理設(shè)施后采集3組樣品，每組樣品同時采集PM2.5、PM10樣品。

1.3 樣品分析

采用47 mm石英膜和聚四氟乙烯膜進行顆粒物樣品采集，石英膜使用前在700 ℃馬福爐中灼燒2 h，以消除膜上有機物對碳質(zhì)組分測量的影響。聚四氟乙烯膜不做處理。采樣前，石英膜和聚四氟乙烯膜放置在鋁箔袋中，包裹石英膜的鋁箔也在馬福爐中灼燒。樣品采集后，放在4 ℃的冰箱保存[20]。

將石英膜和聚四氟乙烯膜放在恒溫恒濕設(shè)備中平衡48 h后進行稱量，平衡條件為：溫度25 ℃±1 ℃，相對濕度50%±5%。天平室溫、濕度條件應(yīng)與恒溫恒濕設(shè)備保持一致。濾膜首次稱重后，在相同條件平衡1 h后再次稱重，同一濾膜兩次稱重質(zhì)量差應(yīng)小于0.04 mg，以兩次稱重的平均值作為濾膜質(zhì)量。樣品分析組分包括水溶性離子、無機元素、OC和元素碳(EC)，分析方法及儀器參考文獻[21]。

2 結(jié)果與討論

2.1 顆粒物濃度

根據(jù)煙氣流量、采樣時間，計算不同監(jiān)測點位煙氣中顆粒物的質(zhì)量濃度，結(jié)果見表2。石灰窯顆粒物質(zhì)量濃度最高，PM10為62.66 mg/m3，是其他監(jiān)測點位的7～285倍，PM2.5為37.31 mg/m3，是其他監(jiān)測點位的4～249倍。石灰窯雖安裝了布袋除塵器，但其顆粒物排放濃度顯著高于其他監(jiān)測點位，應(yīng)從提高燃燒效率、提升工藝等方面繼續(xù)減少石灰窯污染排放。焦爐裝煤和焦爐出焦顆粒物濃度均較低，而利用焦爐氣進行余熱發(fā)電環(huán)節(jié)顆粒物的濃度卻明顯升高，焦爐裝煤和焦爐出焦均安裝了布袋除塵器，而余熱發(fā)電無治理工藝，表明余熱發(fā)電過程中可能產(chǎn)生了新的污染物，致使顆粒物濃度較高。

表2 不同監(jiān)測點位的顆粒物質(zhì)量濃度

為考察本研究中鋼鐵廠顆粒物排放水平，選取沈陽[1]45-48與重慶[9]26典型鋼鐵廠相同工藝下的顆粒物排放濃度進行比較，結(jié)果見表3。本研究中燒結(jié)機頭點位顆粒物排放濃度低于沈陽某鋼鐵廠，這主要與除塵工藝及樣品采集方法不同有關(guān)，本研究采用靜電+布袋除塵工藝，除塵效率高于單獨的靜電除塵，然而從檢測結(jié)果上看，本研究鋼鐵廠顆粒物排放濃度卻高于采用靜電除塵工藝的重慶某鋼鐵廠，這可能與采樣時生產(chǎn)工況、樣品采集方法不同有關(guān)。此外，本研究中燒結(jié)機尾、高爐、煉鋼轉(zhuǎn)爐、焦爐出焦點位排放的顆粒物濃度均低于沈陽某鋼鐵廠和重慶某鋼鐵廠，表明本研究鋼鐵廠大氣污染排放治理水平較高，各工藝排放的顆粒物濃度均處于較低水平。

表3 鋼鐵廠顆粒物排放質(zhì)量濃度對比

不同鋼鐵廠各工藝顆粒物排放濃度排序有所不同，沈陽某鋼鐵廠煉鋼轉(zhuǎn)爐排放顆粒物濃度最高，焦爐出焦排放濃度最低，而重慶某鋼鐵廠燒結(jié)機頭、燒結(jié)機尾和高爐顆粒物排放濃度無明顯差異，本研究鋼鐵廠燒結(jié)機頭顆粒物排放量明顯高于燒結(jié)機尾和高爐。這一方面與采樣時工況有關(guān)，另一方面說明即使同類型的除塵設(shè)備，除塵器使用年限、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和清灰方式等均會影響其除塵效率[22]，進而影響顆粒物排放濃度。

2.2 PM2.5源成分譜特征分析

通過組分分析得到本研究鋼鐵廠各監(jiān)測點位PM10和PM2.5中化學成分，結(jié)果見表4。由于石灰窯窯尾和熱軋塑燒板點位分析樣品有損失，故不進行源成分譜特征分析。

表4 不同監(jiān)測點位顆粒物源成分譜1)

2.2.1 燒結(jié)工藝

2.2.2 煉鋼轉(zhuǎn)爐

2.2.3 高 爐

2.2.4 焦爐裝煤

2.2.5 焦爐出焦

2.2.6 余熱發(fā)電

2.3 顆粒物源成分譜比較

燒結(jié)、煉鋼轉(zhuǎn)爐、高爐為鋼鐵廠主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，研究成果相對較多，將本研究鋼鐵廠在燒結(jié)機尾、煉鋼轉(zhuǎn)爐、高爐的顆粒物成分譜與其他文獻數(shù)據(jù)進行比較，結(jié)果見表5。不同鋼鐵廠燒結(jié)機尾排放顆粒物中的OC、EC、Ca、Cl-差異較大，本研究鋼鐵廠Ca質(zhì)量分數(shù)高于其他鋼鐵廠，主要原因在于本研究鋼鐵廠在燒結(jié)過程中加入了石灰，顆粒物中OC質(zhì)量分數(shù)與上海某鋼鐵廠的研究結(jié)果相近，高于其他鋼鐵廠。有研究表明，Cl-是燒結(jié)工藝原料的標識組分[24]，本研究鋼鐵廠、北方某鋼鐵廠、上海某鋼鐵廠均采用靜電除塵，煙臺某鋼鐵廠采用噴淋除塵，武漢某鋼鐵廠采用靜電+布袋除塵，武漢某鋼鐵廠排放顆粒物中Cl-質(zhì)量分數(shù)最低，表明布袋除塵方式對Cl-的去除效率較高，而本研究鋼鐵廠排放顆粒物中Cl-含量明顯低于北方某鋼鐵廠和上海某鋼鐵廠，表明治理設(shè)施運行情況對Cl-排放有較大影響。

表5 不同鋼鐵廠燒結(jié)、煉鋼轉(zhuǎn)爐、高爐工藝排放顆粒物中主要組分對比1)

高爐工藝中差異較大的組分為OC、EC、Fe、Ca。碳組分主要來自燃燒過程，本研究鋼鐵廠中OC、EC質(zhì)量分數(shù)相對較高，推測與采樣時高爐工況有關(guān)。顆粒物中Fe、Ca質(zhì)量分數(shù)均低于其他鋼鐵廠，這主要與礦石種類有關(guān)，本研究鋼鐵廠采用的是釩鈦磁鐵礦，F(xiàn)e、Ca含量較低。

3 結(jié) 論

(1) 本研究鋼鐵廠石灰窯顆粒物排放濃度明顯高于其他工藝，其次為余熱發(fā)電，煉鋼轉(zhuǎn)爐、高爐、軋鋼、焦爐等工藝顆粒物排放濃度相對較低。