2011年中国钢铁行业典型有害重金属大气排放清单

王 堃,滑申冰,田贺忠*,朱传勇,高佳佳,王 勇,周君蕊,朱家昕 (1.北京师范大学环境学院,环境模拟与污染控制国家重点联合实验室,北京 100875；2.北京师范大学大气环境研究中心,北京 100875)

钢铁工业是我国国民经济发展的重要支柱产业之一.自 1996年至今,我国粗钢产量长期稳居世界首位[1].2010～2013年,我国粗钢产量由6.38亿t增加到7.79亿t,2013年新增炼钢产能更高达约 4000万 t[2-3].然而,由于工序流程复杂,资源消耗巨大,烟气排放量可观,钢铁行业一直是颗粒物、二氧化硫等常规污染物的重点污染行业之一,同时在钢铁生产过程中,汞、铅、镉等有毒有害重金属的大气排放也不容忽视[4].

重金属污染具有持续时间长、污染范围广、无法被生物降解,并可能通过食物链不断在生物体内富集等特点.为了防治重金属污染,我国专门制订了《重金属污染综合防治“十二五”规划》[5],并将汞、铅、镉、类金属砷、铬、镍等列为重点防控重金属污染物.黄凤兰等[6]研究发现电炉飞灰中的铅等重金属含量较垃圾焚烧飞灰高,且与飞灰中的二噁英含量成正相关性.李山泉等[7]研究发现钢铁工业区地表土壤受大气重金属沉降影响的长期积累增量较大.因此,了解和掌握我国钢铁行业典型有害重金属大气排放状况及分布特征对我国重金属污染防治具有重要意义.然而,已有的排放清单研究主要关注粉尘、二氧化硫、工业烟尘等常规大气污染物排放,并且往往仅将钢铁行业作为工业污染排放源的一部分进行粗略分析,缺乏对钢铁行业全面细致的研究[8-10].本研究根据我国钢铁行业相关统计资料,采用排放因子法,对我国钢铁行业典型有害重金属大气排放量进行了估算,给出了分省区的排放清单,并讨论了不同工序的重金属排放特征.

1 研究方法

1.1 研究范围

研究时段为2011年,研究区域包括中国大陆31个省、直辖市及自治区,香港、澳门特别行政区及台湾省暂未考虑.

由于钢铁行业工艺流程复杂,且平炉炼钢已于 2001年在我国淘汰[11],本研究主要对炼铁工艺高炉工序、炼钢工艺转炉及电炉工序、矿石预处理工艺烧结工序的Hg、Pb、Cd、As、Cr、Ni共6种典型重金属大气排放进行估算分析.

1.2 计算方法

采用“自下而上”的排放因子法,估算2011年全国各省区钢铁行业生产活动导致的典型有害重金属大气排放量.计算公式如下:

式中:Qr表示污染物r的排放量(t);Qr,p表示污染物r在p工序中的排放量(t);Fr,p表示污染物r在p工序中的排放因子(mg/t);Ep表示在p工序的活动水平(t).

1.3 活动水平的获取

全国各省(市、区)钢铁行业主要产品产量以及重要指标通过查阅《中国钢铁工业年鉴》[3]等统计资料获取,具体钢铁企业信息通过《中国钢铁企事业名录》[12]及工信部网站相关公告等获取.

2011年我国粗钢产量约为70196.8万t,其中转炉钢产量约为 62896.4万 t,电炉钢产量约7300.5万 t,电炉钢比约为 0.1;生铁产量约为64542.9万 t,烧结矿产量约为 76892.6万 t.各省(市、区)钢铁行业产量分布不均衡,主要产品产量前 10省份(市、区)主要集中在环渤海经济圈以及长三角地区,其中,河北省粗钢产量约占全国粗钢总产量的 23%,生铁产量约占全国生铁总产量的24%.

1.4 排放因子的确定

近年来,我国对各行业典型污染物排放进行了现场测试,并发布了《污染源普查产排污系数手册》[13]等相关技术指南.然而,针对 Hg、Pb、Cd、As、Cr、Ni等重金属排放的测试研究较少,技术指南中也没有提供相关排放系数.由于我国对钢铁行业排放重金属的实测结果较少,本研究根据我国钢铁企业目前所采用的污染物控制技术措施,参考借鉴国外不同时段采用相似控制措施下的基础排放因子,确定了 6种有害重金属排放因子.

目前,我国钢铁行业除尘设施以袋式除尘器为主,其应用比例已达 95%[14],同时,烧结机头机尾大都采用电除尘,转炉一次烟气除尘大多还采用湿法除尘,对于中小型高炉,广泛应用煤气袋式除尘技术[14-16].另外,部分企业也安装了烟气脱硫设施削减二氧化硫排放.

基于我国钢铁行业各工艺段的除尘设施应用情况,并参考欧盟各国技术报告中该行业相应控制措施下的重金属大气排放因子[17-21],估算2011年我国钢铁行业典型重金属大气排放因子如表1.

表1 2011年钢铁行业各工序重金属排放因子(mg/t)Table 1 Emission factors of heavy metals in iron and steel industry, 2011 (mg/t)

总体来看,炼钢工艺段较其他工艺段重金属排放因子高,其中电炉工序的Cd、Cr、Ni排放因子较高,而转炉工序 As、Pb的排放因子较高.此外,矿石预处理工艺烧结机工序 Hg的排放因子较高.

2 结果与讨论

2.1 2011年全国钢铁行业典型重金属分省区排放清单

2011年全国钢铁行业6种典型有害重金属Hg、Pb、Cd、As、Cr、Ni大气排放量分别约为18.8, 3745.8, 39.4,132.2, 241.2, 105.3t,总排放量约为 4282.7t,其中 Pb大气排放量占总排放量的87.5%.

田贺忠等[22]估算了我国 2008年燃煤大气Cd、Cr、Pb排放量分别约为 261.52, 8593.35,12561.77t,与该计算结果对比发现,钢铁行业铅大气排放量较为可观,其对周围环境及公众健康的危害不容忽视.2011年全国钢铁行业各省(市、区)重金属排放清单,如表2.

利用 ArcGIS地理信息系统,结合各省区钢铁企业活动水平及地理分布状况,对2011年钢铁行业铅大气排放计算结果进行了 0.5°×0.5°空间网格化处理,得到网格化排放清单,如图1所示.

图1 2011年我国钢铁行业大气铅排放量0.5°×0.5°网格化排放清单(t)Fig.1 Gridded Pb emissions from iron and steel industry in China, 2011 (0.5°×0.5° resolution)

可见,中国钢铁行业有害重金属大气排放主要分布在环渤海经济圈以及长三角地区.环渤海经济圈与长三角地区是我国东部人口密集和经济相对发达的地区,同时也是我国铁矿石储量和钢铁冶炼企业分布较为集中的地区.其中,环渤海经济圈铁矿石储量约占全国铁矿石储量的56.5%,长三角地区铁矿石储量约占全国铁矿石储量的4.9%[23].

表2 2011年各省(市、区)钢铁行业重金属排放清单(t)Table 2 Heavy metal emissions in each province in 2011 (t)

环渤海经济圈、长三角地区钢铁行业6种典型有害重金属排放总量分别约占全国排放总量的44.4%和16.9%.其中,河北东部及中南部,山东省中西部等钢铁冶炼企业集中的地区重金属排放强度较高.

全国各省(市、区)中河北、山东、江苏、辽宁、山西5省6种重金属排放总量占全国排放总量的约55.9%,其中河北占24.3%,山东占10%,江苏占9.2%,辽宁占7.1%,山西占5.3%.其余排放量也相对较大的省区包括湖北、河南、安徽、上海、江西等.总起来看,钢铁企业及其重金属排放主要集中在中东部省区,西部省区相对较少.

2.2 2011年钢铁行业不同工序重金属排放特征

钢铁冶炼企业工序复杂,不同工序重金属排放特征不同.2011年我国钢铁行业炼钢工艺6种重金属排放总量占各工序总排放量约 85.7%,对重金属大气排放贡献明显,其中,转炉工序6种重金属排放总量约为3294.2t,约占各工序排放总量的 76.9%.不同工序对重金属大气排放总量的贡献率差异较大.

而对于不同重金属元素,不同的工序具有不同贡献率,如图2所示.可见,2011年钢铁行业各主要工序中,转炉工序对砷、铅大气排放贡献率较大,电炉工序对于镉、镍大气排放贡献率较大.烧结工序对于汞大气排放具有较高的贡献率,而炼铁工艺对于重金属大气排放贡献率相对较小.

图2 2011年我国钢铁行业不同工序重金属排放贡献率Fig.2 Emission contribution ratios of different processes to varied heavy metals in iron and steel industry of China, 2011

对于Cr、Cd、Ni,电炉工序的排放因子虽然显著高于转炉工序,但由于2011年中国转炉钢产量占粗钢总产量的89.6%,导致转炉工序对Cr、Cd、Ni大气排放也具有较大的贡献率.因此,钢铁行业电炉及转炉的应用比例调整可能会对钢铁行业重金属排放特征产生一定的影响.如提高电炉应用比例,可能会有助于降低As、Pb大气排放,但同时可能会提高Cr、Cd、Ni大气排放量.

对于 Hg,电炉工序的排放因子显著高于烧结及转炉工序,但由于我国钢铁行业目前主要以铁矿石作为主要生产原料,因此,烧结工序活动水平较高,导致电炉工序对于 Hg大气排放的贡献率显著小于烧结工序.

随着社会经济发展,我国废钢产生量将会不断增加,以废钢为主要原料的电炉炼钢将会得到更广泛的应用,而以铁矿石为主要原料的生铁、烧结、转炉等工序的应用比例将逐步降低[24];而烧结、生铁工序的重金属排放因子相对较低,转炉和电炉具有不同的重金属排放特征,钢铁行业Hg、Cd、Cr、Ni等重金属元素排放强度将可能增加, As、Pb等重金属元素排放强度将可能降低.因此,结合我国未来经济社会发展对钢铁的需求和国际国内铁矿石资源和市场条件等,控制钢铁行业产能,优化调整钢铁行业产业和地区布局;采用先进的除尘、脱硫以及专门的脱除重金属技术设备加强对钢铁行业炼钢工艺段重金属排放的控制;强化废旧钢铁回收,对废钢进行合理再利用,以及调整电炉钢比等,对控制中国钢铁行业有毒有害重金属大气排放具有重要意义.需要指出的是,由于目前针对国内钢铁企业的实际测试相对较少,缺乏本地化的排放系数,本研究主要参考了国外的排放因子,估算结果不确定性相对较高,因此,需进一步加强对典型钢铁企业各工序的有害重金属污染排放特征及控制的研究.

3 结论

3.1 钢铁行业以铅、砷等为主的重金属大气排放具有排放量大、空间分布集中的特点,2011年钢铁行业 6种典型有害重金属排放总量约为4283t,其中铅大气排放量约占87.5%.

3.2 钢铁行业典型有害重金属排放主要集中在炼钢工序,约占总排放量的 86%.其中,转炉工序对砷、铅大气排放贡献率较大,电炉工序对于镉、镍大气排放贡献率较大.由于电炉与转炉工序具有明显不同的大气重金属排放特点,因此,电炉与转炉应用比例会直接影响钢铁行业的重金属排放总量及其分布特征.

3.3 中国钢铁行业重金属大气排放主要集中在环渤海经济圈以及长三角地区,上述地区 6种典型有害重金属排放总量约占全国钢铁行业排放总量的 61.3%.这与我国铁矿石储存分布及钢铁冶炼企业布局密切相关,钢铁行业对中国京津冀与长三角地区区域大气污染贡献不容忽视.

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