摘 要：利用荷电低压颗粒物撞击器（ELPI）和滤膜采样，对钢铁行业重点工艺点位PM2.5排放因子、颗粒粒径及主要污染物组分进行了研究分析。研究得出了各排放点位不同情况下的优先控制顺序，认为烧结机头、机尾具有排放量大，重金属和OC/EC含量高，颗粒粒度细等特点是钢铁行业PM2.5排放源的首要控制对象。其他工艺点位根据其排放的PM2.5颗粒特点应予以相应控制。
关键词：PM2.5；排放因子；粒径分布；重金属；OC/EC；优化控制
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.15.180
0 引言
根据国家环境统计年报显示，2014年全国工业烟（粉）尘排放量1094.6万吨，比上年增加6.3%，占全国烟（粉）尘排放总量的85.6%。其中黑色金属冶炼及压延加工业（以下统称钢铁行业）排放量位居第三，自2012年至2014年排放量分别为206.2万吨、181.3万吨、193.5万吨。近年来随着气候、环境恶化我国对于各行业的大气污染治理力度也日益加强。对于钢铁行业，我国虽然相继出台了炼钢、炼铁、烧结、球团等工业大气污染物排放标准，并且伴随着大量的行业内部淘汰以及市场经济因素对污染物减排均起到了一定作用，但该行业污染物排放量并没有得到有效控制，甚至出现反复。因此，对钢铁行业各类污染源进行风险识别和分类，并进行重点过程重点控制，是保证治理作用快速有效的必要手段。
颗粒物排放量、粒径分布、化学污染物含量是影响PM2.5颗粒危害特性的重要因素。本研究通过实验检测及数据调查统计，从以上三个方面分析了该行业细微颗粒物PM2.5的排放特征，为制定科学高效的控制策略起到了积极作用。
1 材料与方法
1.1 研究对象
1.1.1 调研工艺选择
本研究主要对钢铁行业中炼铁、炼钢两个分行业进行了研究分析。其中炼铁行业研究测试选择工艺为烧结和高炉炼铁；炼钢行业研究测试选择工艺为转炉炼钢。
1.1.2 测试规模及测试点位选择
为更全面科学地统计排放量，对所选烧结机机、炼铁高炉、炼钢转炉进行了全面检测，主要测试机组及取样点位情况见表1。
1.2 检测设备
本研究采用芬兰Dekati公司制造的荷电低压颗粒物撞击器（Electrical lowpressure impactor，ELPI），进行PM2.5颗粒粒径浓度分布测试（撞击器分为13级，测量粒径范围为0.03～10μm，测试流量为10L/min）；采用Teflon膜、石英膜分别进行PM2.5颗粒物取样和称重分析（滤膜对0.3μm标准离子的截流率不低于99%）；采用质谱仪对所采样品进行重金属和OC/EC元素分析。
1.3 数据测试与筛选
烧结工艺属于连续性生产，高炉炼铁和转炉炼钢工艺为有规律的周期性生产。在进行PM2.5浓度监测时，高炉炼铁和转炉炼钢工艺监测时间均按生产周期的整数倍进行测试，测试周期数不低于1。各类数据采集后，由技术人员逐一登记、核算，有严重偏离的数据不予采用或重测。
1.4 PM2.5排放因子计算模型建立
本研究针对钢铁行业生产特性及实际监测情况建立该行业PM2.5排放因子计算模型，然后根据实测数据进行计算，模型及计算步骤如下：
①调查企业一段时间T内产品产量P；
②计算该时间段内某生产工艺各废气排放点的PM2.5排放因子，各排放点源PM2.5排放因子按照公式（1）进行计算：
2 实验结果分析
2.1 PM2.5排放因子
根据现场实测结果和企业统计信息，对测试工艺PM2.5排放因子进行核算，各点排放因子均以生产1吨产品污染物排放量表示，单位为kg·t-1。计算所得各点位PM2.5排放因子见表2。
由表2 可知，烧结工艺各点位PM2.5平均排放因子分别为机头0.067 kg·t-1、机尾0.028 kg·t-1、配料0.002 kg·t-1、整粒0.003 kg·t-1；高炉炼铁工艺各点位PM2.5平均排放因子分别为出铁场0.062 kg·t-1、矿槽0.057 kg·t-1；转炉炼钢工艺各点位PM2.5平均排放因子分别为一次0.003 kg·t-1，精炼0.007 kg·t-1。
根据公式（2）计算各工艺PM2.5排放因子分别为烧结0.100 kg·t-1、高炉炼铁0.113 kg·t-1、转炉炼钢0.010 kg·t-1。
烧结和高炉炼铁工艺PM2.5排放因子为转炉炼钢工艺的10～11倍，应作为整个行业PM2.5排放控制的主要工艺。其中烧结工艺机头与机尾PM2.5排放量占该工艺的96%以上，转炉炼钢工艺中出铁场与矿槽PM2.5排放量相当，均为重点控制点位。
2.2 PM2.5粒径分布
为更清楚的了解各PM2.5排放点源中各粒径段颗粒物的贡献，笔者选取了PM2.5颗粒分析中常用的PM0.38、PM0.38～1、PM1～2.5为参粒径段，分别对各测试点位PM2.5颗粒物的质量浓度分布情况进行了统计[11]，如图1。
由图1可以看出各点位排放的PM2.5颗粒中，PM0.38质量浓度占比除烧结配料、整粒过程在1%以下外，其他各点位均在20%～50%，PM2.5质量主要取决于PM1质量。各点位PM1含量由高到低依次为：炼钢一次除尘79.04～90.78%，高炉矿槽76.16～90.57%，烧结机头65.36～87.94%，烧结机尾69.43～75.35%，高炉出铁厂58.9～74.66%，炼钢精炼24.77～63.92。
2.3 PM2.5主要污染物化学组分
各测试点位PM2.5颗粒中重金属与OC/EC元素平均含量见表3。
由表3可知，各点位PM2.5颗粒中均未检出Hg的存在，该行业排放PM2.5颗粒中重金属污染主要表现为Pb和Cr。Pb主要由烧结过程产生，其中烧结机头、机尾处Pb含量最高分别为10.71%和2.00%，另外烧结配料、整粒和炼钢过程也有少量Pb被检出；炼铁、炼钢过程均有部分Cr被检出，其中高炉矿槽点位Cr百分含量最高为0.37%，炼铁过程也有极少量Cr被检出。其他各项重金属指标含量均在0.02%以下。另外，烧结工艺各点OC/EC含量均为其他工艺含量的1.5～10倍，应优先控制。各工艺中不同点位OC/EC含量相差较少。
3 结论
（1）烧结工艺排放的PM2.5颗粒具有排放因子大、重金属和OC/EC元素含量高、颗粒粒度细等综合特点，为钢铁行业PM2.5排放控制的首要工艺。其中烧结机头、机尾PM2.5排放量突出，为重点控制点位。
（2）高炉炼钢工艺排放的PM2.5颗粒具有排放因子大、重金属及OC/EC元素含量较高、颗粒粒度较细等特点，也应加强控制。其中矿槽点位排放PM2.5颗粒中Cr含量最高应加强该方面控制。
（3）炼钢过程各点位PM2.5排放因子虽较小，但该工艺炼钢一次除尘后排放PM2.5颗粒较细，应加强控制。
参考文献：
[1]环境保护部2014年环境统计年报.
[2]李福祥.我国钢铁行业发展态势分析[J].西北师大学报，2006，43（05）：122-126.
[3]鲁静，孙俊民，邵龙义等.燃煤排放可吸入颗粒物（PM10）中重金属元素分布与富集特征[J].地球化学，2009，38（02）：147-152.