钢铁企业PM2.5排放源谱研究

文-张洁 韩军赞 江苏省环境科学研究院

江苏省大气污染形势依然严峻，PM2.5仍为首要污染物。钢铁行业排放的PM2.5是大气污染的重要来源。钢铁行业排放的污染物中，含有大量有机碳（Organic Carbon，OC）、元素碳（Elemental Carbon，EC）、水溶性离子与金属元素。为定量钢铁行业的PM2.5及其中物种的排放量，或是开展源解析工作分析钢铁行业排放对环境PM2.5的贡献比例，都需要了解钢铁行业的PM2.5及其中物种的排放特征。但是目前江苏省内此类研究较少，多采用国内其他地区的成果，由于不同生产水平与管理状况可能造成PM2.5的排放差别，因此需要深入研究江苏省本地钢铁行业排放特征。本研究选取有代表性的钢铁企业，在各有组织排口进行采样，分析PM2.5的物理与化学特征，分析不同生产工序的污染物排放特征差异，并最终建立钢铁企业的综合排放源谱。

1 研究方法

1.1 采样点位选取

针对钢铁行业重点工序，烧结、炼铁、炼焦与装煤，选择2个烧结机头除尘器出口、2个烧结机尾除尘器出口、2个炼铁高炉除尘器出口、1个炼焦炉除尘器出口与1个装煤除尘器出口开展样品采集。

1.2 样品采集方法

使用PM10/PM2.5双击虚拟撞击采样器（美国，IV501）在除尘器出口烟道断面网格点上等速取样，取样过程中记录取样烟气体积、烟气温度、压力，所用滤膜在取样前后经过平衡调质处理以及去除静电，然后用0.01mg精度天平称重。每个采样点的PM2.5采集3个平行样，分别为2个石英膜和1个Teflon膜。其中石英滤膜用于有机碳OC和元素碳EC分析，Teflon滤膜用于元素、离子分析。

1.3 样品分析方法

OC与EC的分析方法为热光分析法（TOR），采用美国DRI Model 2001A 热光分析仪测定。离子组分和Na+）采用离子色谱分析测定。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射线荧光法测定，仪器为国产NAS-100。

2 结果与分析

2.1 分工序的PM2.5化学组成

根据分析结果，获得钢铁企业各排口PM2.5中化学物种的质量分数，如图1所示。推焦过程的OC与EC质量分数最高，烧结与高炉的SO42-与Ca排放较高，高炉的Fe排放较高。推焦为将焦炭从炼焦炉转移到推焦车上的过程，由于煤炭刚经过焦化，温度非常高，有部分煤炭在此时接触空气燃烧，产生大量的含碳气溶胶排放。烧结为利用精矿、矿粉、燃料、溶剂、返矿以及含铁生产废料等作为原料，使烧结料中的部分组份软化和熔化，冷却时相互粘结成块，生产烧结矿。烧结的高温过程中产生部分OC，但是由于燃料占比较少，因此EC的排放也较少。由于仍应用大量生石灰，因此有较多Ca排放，Ca也可能为石灰石石膏法脱硫时产生。同时原料中也有大量铁矿石，在烧结机尾有较多Fe排放。高炉为利用焦炭、烧结矿和溶剂生产液态生铁的过程，因此有大量Fe排放，同时也可能由于烧结矿的分解，产生较多SO42-和Ca的排放，由于Fe排放量较大与Ca的质量分数相对较低。装煤过程的较高含碳气溶胶排放则主要是由于煤粉散落引起。

图1 钢铁生产主要环节排放PM2.5化学组成的质量分数（μg/m3）

2.2 国内钢铁行业源谱研究对比

本研究选取PM2.5中质量分数最大的5个物种，Fe，OC、EC、SO4

2-与Ca，与其他研究获得源谱的质量分数进行比较，如表1所示。发现各研究的结果差距较大，本研究中的烧结机尾排放Fe较高，综合烧结机头与烧结机尾，排放Fe的质量分数略小于贵阳，但是远大于武汉、华北与上海的结果，本研究的OC与SO4

2-的质量分数也大于已有研究，说明烧结机头的脱硫设施效率还有待提高。对比高炉的PM2.5主要物种排放，Fe排放较高，OC、EC与Ca的排放相对较低。由此可见，不同地区进行的钢铁行业的主要物种排放存在较大差别。

表1 钢铁行业源成分谱主要物种质量分数（%）比较

2.3 钢铁企业PM2.5源谱研究

统计各环节产品产量，计算各基于PM2.5排放速率与钢铁产量的排放因子，如下式所示：

式中：EFi, i过程对应的PM2.5产生系数，g/kg；Ci, i工序的PM2.5排放浓度，Vi，i工序的烟气量； Ai, i工序的产品产量；i, 钢铁生产过程产生PM2.5的主要环节。

将计算得到的排放因子与排放源谱结合，获得基于排放量的钢铁企业综合源谱，如图2所示。其中Fe质量分数最高，为40.7%，其次为OC（15.1%）、EC（14.1%）、SO42-（9.2%）与Ca（4.6%）。钢铁企业排放的污染物种类众多，尤其是大量的金属元素，虽然所占比例较Fe等物种相对较低，但是对人体健康的影响较大，仍然不可忽略。综合排放因子建立的钢铁企业排放源谱与各环节的排放特征不尽相同，而以往研究多集中于烧结、高炉等少数环节，不能全面反映钢铁行业排放状况。

图2 钢铁企业PM2.5综合源谱

3 结论

本研究基于钢铁企业现场采样测试与实验室分析，获得某钢铁企业不同工序排放的PM2.5物种特征。推焦过程的OC与EC质量分数最高，烧结与高炉排放的SO42-与Ca较高，高炉排放的Fe较高。与全国其他地区钢铁行业排放结果比较，本研究的钢铁企业烧结排放的OC与SO42-较高，高炉排放的Fe较高，说明不同钢铁企业由于生产与污染控制的条件不同，排放存在较大差别。结合各工序的PM2.5排放因子，形成钢铁企业的综合源谱。其中Fe质量分数最高，其次为OC、EC、SO42-与Ca。本研究增加了已有文献中较少研究的推焦和装煤环节，进一步完善了钢铁企业的排放来源。但是针对钢铁企业无组织排放的研究仍然较为缺乏，在今后工作中，建议综合分析钢铁企业全流程生产情况，深入分析无组织排放特征，定量无组织排放对总排放量的影响。