環(huán)冷機(jī)組TSP無組織排放溯源及影響因素分析

王 偉，周璀巍，楊海真，

(1.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院環(huán)境管理研究所，上海 200092;2.同濟(jì)大學(xué)教育部長(zhǎng)江水環(huán)境實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

燒結(jié)是將各種粉狀含鐵原料，配入適量的燃料和熔劑，加入適量的水，經(jīng)混合和造球后在燒結(jié)設(shè)備上使物料發(fā)生一系列物理化學(xué)變化，將礦粉顆粒黏結(jié)成塊的過程。它不僅是鋼鐵工業(yè)中一個(gè)物流量巨大的環(huán)節(jié)，也是一個(gè)有著高污染排放系數(shù)的環(huán)節(jié)［1］。經(jīng)研究表明燒結(jié)TSP無組織排放在燒結(jié)廠總TSP污染排放中占很重要的部分，特別是在燒結(jié)礦的冷卻過程中。國(guó)內(nèi)普遍采用的是鼓風(fēng)環(huán)形冷卻設(shè)備通過鼓風(fēng)來冷卻燒結(jié)礦，在這個(gè)過程中大量的礦物粉塵顆粒物會(huì)伴隨著熱煙氣排放到空氣中［2］。這部分無組織粉塵會(huì)夾帶大量的Cl－離子、鐵、氨、Pb等有害物質(zhì)排放到空氣中，嚴(yán)重影響工作環(huán)境以及工人們的身體健康。因此對(duì)無組織粉塵無組織排放規(guī)律的研究對(duì)實(shí)現(xiàn)燒結(jié)廠的清潔生產(chǎn)以及保護(hù)工人們的身體健康都有十分重要的意義。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于燒結(jié)污染物的控制主要集中在對(duì)其有組織排放的煙塵進(jìn)行脫硫和減量化處理，而國(guó)外很多學(xué)者如Dany Hleis等對(duì)鋼鐵行業(yè)無組織粉塵的研究則主要集中在其污染物化學(xué)特征的識(shí)別［3］。同時(shí)目前顆粒物面源的反推模式相較于純氣質(zhì)模型而言還不夠成熟，關(guān)于顆粒物的面源計(jì)算模式也只是處于理論研究階段，在工程應(yīng)用上的相關(guān)報(bào)道也極少，因而在實(shí)際操作中我們很難得到這部分無組織污染物的排放量［4］。這就使得對(duì)無組織污染源減量化措施的比選沒有一個(gè)直接的量化的參考。本研究剛好彌補(bǔ)了這方面研究的空白，以某鋼鐵企業(yè)的燒結(jié)廠3號(hào)燒結(jié)機(jī)為例，以中心虛點(diǎn)源法為基礎(chǔ)對(duì)環(huán)冷機(jī)TSP無組織排放源強(qiáng)推算方法及其誤差進(jìn)行了分析研究，從而為顆粒物面源模式的反推計(jì)算提供了參考。對(duì)廠區(qū)內(nèi)小范圍無組織排放源排放規(guī)律的研究具有一定的借鑒意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器及材料

本實(shí)驗(yàn)采用的儀器與材料包括:KC－120H型智能中流量 TSP采樣器、電子分析天平(XB120A)、智能型風(fēng)速風(fēng)量?jī)x (MODEL6036)、激光粒度儀 (Mastersizer 2000)、皮尺、錫箔紙。

1.2 采樣方法

根據(jù)《大氣污染物無組織排放監(jiān)測(cè)技術(shù)導(dǎo)則》HJ/T55－2000，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)氣象監(jiān)測(cè)結(jié)果，選取在西北風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在上風(fēng)向布置一個(gè)參照點(diǎn)，下風(fēng)向位置布置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。具體監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置如圖1所示，在燒結(jié)廠西北部設(shè)置一個(gè)參照點(diǎn)其距環(huán)冷中心的距離為49m，東南部設(shè)置漸遠(yuǎn)的3個(gè)參照點(diǎn)1、2、3，其距環(huán)冷機(jī)中心的距離分別為48m、62m、82m。采樣器進(jìn)樣口距地面1.5m。

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置圖Fig.1 The layout of the monitoring sites

由于受到采樣條件的限制，在采樣頻率上對(duì)導(dǎo)則規(guī)定進(jìn)行了調(diào)整。實(shí)行多小時(shí)連續(xù)采樣，再取平均值，以平均的小時(shí)濃度代表監(jiān)測(cè)點(diǎn)的日均濃度。每次監(jiān)測(cè)從監(jiān)測(cè)當(dāng)天的上午8點(diǎn)開始至下午2點(diǎn)，每換一次濾紙，并記錄下當(dāng)次氣體采集的體積、溫度。從2012年11月7日到2013年1月17日測(cè)得有效監(jiān)測(cè)日期10天。

1.3 樣品分析

采集TSP所用濾膜在使用前均在X光片機(jī)上進(jìn)行檢查，保證不存在任何缺陷，樣品采集后用鑷子取下濾膜，將濾膜對(duì)折，采樣面向里對(duì)折，并用鋁箔紙包裹后放入濾膜袋，存放于4℃冰箱內(nèi)［5］。采樣完成后，分別按照《總懸浮顆粒物的測(cè)定－重量法》GB/T15432－1995和《粉塵物性試驗(yàn)方法》GB/T 16913－2008所的規(guī)定方法，確定樣品的TSP濃度和粒徑分散度。

2 模擬計(jì)算

2.1 模型及參數(shù)的選取

目前對(duì)面源擴(kuò)散模式進(jìn)行模擬最常用的是后置虛點(diǎn)源法，該法廣用于在建筑物附近的排放和工廠車間的無組織排放［3］，但是該法對(duì)于邊長(zhǎng)小于500m的面源模擬效果很不理想［3，4］。因此根據(jù)環(huán)冷機(jī)組本身構(gòu)型的特點(diǎn)本次實(shí)驗(yàn)選用中心虛點(diǎn)源法來模擬計(jì)算。中心虛點(diǎn)源是后置點(diǎn)源法的一個(gè)修正方法，即在面源中心虛設(shè)一個(gè)點(diǎn)源，在擴(kuò)散模擬的過程中加一個(gè)初始的煙云分布，利用經(jīng)驗(yàn)公式將面源轉(zhuǎn)化為特殊的線源來進(jìn)行計(jì)算［6，7］。研究按照國(guó)標(biāo)推薦的方法將面源虛擬成一個(gè)位于環(huán)冷機(jī)形心的點(diǎn)源，并用修正后的點(diǎn)源擴(kuò)散模型對(duì)環(huán)冷機(jī)的排放強(qiáng)度進(jìn)行模擬。同時(shí)考慮顆粒物干沉降的影響，在計(jì)算時(shí)對(duì)有效源高進(jìn)行修正［8］。由于本研究的對(duì)象是粉塵顆粒物，主要是以干沉降的方式遷移到地面，因此在反推計(jì)算的過程中還必須考慮不同粒徑顆粒物具有的不同干沉降速率［9］。

根據(jù)高斯模式的基本形式，在有風(fēng)氣象條件下，面源下風(fēng)向地面污染物濃度采用經(jīng)過面源修正的部分反射傾斜煙云模型，具體的計(jì)算表達(dá)式如式(1)所示［9，10］:

式中:

C(x，y，z)－ 顆粒物在坐標(biāo)為(x，y，z)處濃度，g/m3;

Q－顆粒物排放源濃度，g/s;

α－地面反射系數(shù);

ux－計(jì)算方向上的平均風(fēng)速，m/s;

H－有效源高，m;

vs－顆粒物干沉降速率，m/s;

σy－修正后的橫向擴(kuò)散參數(shù);

σz－修正后的鉛直方向擴(kuò)散參數(shù)。

根據(jù)GB/T 3840－91《制定地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)方法》中關(guān)于面源垂直向和橫向擴(kuò)散參數(shù)冪函數(shù)表系數(shù)取值表所得的擴(kuò)散參數(shù)表達(dá)式，對(duì)橫向擴(kuò)散參數(shù)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)公式的修正后［11］，得到在D類大氣穩(wěn)定度下環(huán)冷機(jī)面源的橫向擴(kuò)散表達(dá)

式為:σy=0.234x0.93+垂直向擴(kuò)散參數(shù)表達(dá)式為:σz=0.221x0.83。其他計(jì)算參數(shù)參照《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)致—大氣環(huán)境》HJ/T2.2－200進(jìn)行選?。?1，12］。

2.2 源強(qiáng)的計(jì)算

由于不同粒徑段的顆粒物在空氣中沉降時(shí)具有不一樣的沉降速率，因?yàn)樗鼈冊(cè)诖髿庵械臄U(kuò)散規(guī)律也不相同。在實(shí)際反推計(jì)算時(shí)需要分粒徑范圍分別對(duì)源強(qiáng)進(jìn)行反推計(jì)算。因此本實(shí)驗(yàn)在模擬反推源強(qiáng)時(shí)將TSP源強(qiáng)分了5個(gè)粒徑段 (0～15μm、15～30μm、31～47μm、48～75μm、76～100μm)來分別進(jìn)行反推計(jì)算。其具體計(jì)算過程如下:

在不同的粒徑段分別預(yù)設(shè)一系列源強(qiáng)，通過擴(kuò)散公式分別計(jì)算出每個(gè)預(yù)設(shè)源強(qiáng)在3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的產(chǎn)生的污染物濃度。將每組估算值分別與實(shí)測(cè)值進(jìn)行誤差分析。對(duì)于每個(gè)粒徑段而言，當(dāng)3處的平均誤差最小時(shí)對(duì)應(yīng)的預(yù)設(shè)源強(qiáng)即為此粒徑段的源強(qiáng)。

將每個(gè)粒徑段的平均誤差分別乘上各部分占總排放量的比例系數(shù)后，加和到總平均誤差，本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)總平均誤差的分析來確定估算模型的準(zhǔn)確度。

3 結(jié)果與分析

3.1 粒徑分布特征

在各個(gè)監(jiān)測(cè)位點(diǎn)不同粒徑段所占體積百分比如圖2所示。

從圖2中可發(fā)現(xiàn)，對(duì)于總懸浮顆粒物，0～30μm的小顆粒物所占體積組成較大，一般超過50%;參照點(diǎn)0～15μm所占的百分比最高。對(duì)于3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)而言，0～30μm粒徑段所占體積比例隨著距離的增加而增加;31～75μm粒徑段所占比例先減小后略有增加;76～100μm粒徑段所占比例隨著距離的增加不斷減小。

圖2 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)顆粒物粒徑體積百分比分布圖Fig.2 The particle size volume percentage distribution of the various monitoring points

產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是不同粒徑段顆粒物的沉降系數(shù)不同，在密度相同的情況下大粒徑的顆粒物會(huì)先沉降下來，從而改變整體各個(gè)粒徑段的體積百分比分配。這也說明了分粒徑段反推源強(qiáng)的必要性。

3.2 誤差及源強(qiáng)特征

3.2.1 誤差分布特征與影響因素分析

各粒徑段的最小總相對(duì)物誤差機(jī)和面源總誤差隨監(jiān)測(cè)時(shí)間變化的趨勢(shì)如圖3所示:橫坐標(biāo)1～10分別對(duì)應(yīng)從2012年11月7日到2013年1月17日的10個(gè)有效監(jiān)測(cè)日。

圖3 10個(gè)有效監(jiān)測(cè)日各粒徑段誤差及總平均誤差分布變化圖Fig.3 Particle size error and total average error distribution of 10 effective monitoring days

由圖3可知，利用中心虛點(diǎn)源法模擬計(jì)算燒結(jié)廠環(huán)冷機(jī)組面源無組織排放的總平均誤差范圍在9.3% ～20.6%。其中30～47μm粒徑段的總平均誤差最小，誤差范圍在 3.4% ～11.8%;75～100μm粒徑段誤差范圍跨度最大，4.6% ～35.1%。在第5個(gè)有效監(jiān)測(cè)日 (12月5日)算得的面源總平均誤差最小，只有9.3%。這與周斌斌等人關(guān)于后置點(diǎn)源法在不穩(wěn)定大氣條件下進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)會(huì)產(chǎn)生10%～20%計(jì)算誤差的研究結(jié)果相似［13］。

本次研究對(duì)這種系統(tǒng)誤差浮動(dòng)產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，認(rèn)為可能是受到了不同氣象條件的影響。并將模擬計(jì)算所得計(jì)算系統(tǒng)誤差與監(jiān)測(cè)當(dāng)日風(fēng)速氣象條件進(jìn)行擬合，其擬合結(jié)果如圖4所示:

圖4 模擬誤差與監(jiān)測(cè)當(dāng)日風(fēng)速擬合曲線圖Fig.4 Fitting curve of simulation error versus wind speed of monitoring days

由圖4可知，風(fēng)速與誤差之間存在很大的相關(guān)性，即隨著風(fēng)速的增大模擬的總平均誤差呈減小趨勢(shì)。因此監(jiān)測(cè)時(shí)選取風(fēng)速較大的時(shí)候可以減小計(jì)算反推的系統(tǒng)誤差。對(duì)于該環(huán)冷機(jī)而言較為適宜的反推模擬風(fēng)速條件為3.5～4.2m/s。

綜上所述:通過誤差分析我們可以發(fā)現(xiàn)，分不同粒徑段采用中心虛點(diǎn)源法在不穩(wěn)定大氣條件下對(duì)環(huán)冷機(jī)無組織排放源進(jìn)行源強(qiáng)推算時(shí)，會(huì)出現(xiàn)9.3%～20.6%的系統(tǒng)誤差，這與前人的研究結(jié)果相似。本研究進(jìn)一步對(duì)產(chǎn)生這種誤差的原因進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)風(fēng)速與誤差之間存在著很大的相關(guān)性，即通過選取較大風(fēng)速的氣象條件可以減小該系統(tǒng)誤差，對(duì)于該環(huán)冷機(jī)而言較為適宜的反推模擬風(fēng)速條件為3.5～4.2m/s。

3.2.2 環(huán)冷機(jī)面源的排放特征

每個(gè)有效監(jiān)測(cè)日最小相對(duì)誤差下，每個(gè)粒徑段排放量與面源總排量如圖5示。

由圖5可知，該環(huán)冷機(jī)面源的無組織TSP排放量范圍在12300～20790mg/s，跨度范圍較大。其中在16～30μm粒徑段顆粒物占的比例最大，達(dá)28%;75～100μm占的比例最小，只有14%。隨著粒徑尺度的增大，排放量先增大后減小，顆粒物粒徑分布滿足兩頭小中間大的趨勢(shì)。

圖5 10個(gè)有效監(jiān)測(cè)日各粒徑段排及總排放量分布圖Fig.5 Each particle size segment emission and total emissions of 10 effective monitoring days

3.3 影響因素分析

采用spss軟件對(duì)該燒結(jié)廠5類原料相關(guān)組分(混勻礦、燒結(jié)粉、溶劑、固體燃料、返礦)與環(huán)冷機(jī)的無組織TSP排放量進(jìn)行偏相關(guān)性分析，通過多元線性擬合的方式，確定出各個(gè)排放量對(duì)于各個(gè)影響因子的偏相關(guān)性［14～16］，見下表。

表 各原料的使用量與TSP排放量多元線性回歸分析結(jié)果Tab.Result of linear regression analysis of raw material usage amount and TSP emissions

由上表多元線性回歸的結(jié)果可知:在所有原料中混勻礦的使用量與TSP的排放量擬合T值最大，為1.676。因此在眾影響因子中混勻礦的使用量與TSP的排放量偏相關(guān)性最大，可以認(rèn)為混勻礦的使用量是TSP排放的主要影響因素，但是sig值為0.169＞0.05，二者的直接線性關(guān)系不強(qiáng)。在實(shí)際生產(chǎn)中混勻礦的使用量表征著燒結(jié)廠的生產(chǎn)負(fù)荷，因此可推斷該環(huán)冷機(jī)組粉塵無組織排放量大的根本原因是環(huán)冷機(jī)組的超負(fù)荷使用。

4 結(jié)論

4.1 通過對(duì)各檢測(cè)點(diǎn)的粒徑分析結(jié)果表明:在各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處0～30μm的小顆粒物所占體積組成都很大，一般超過50%。參照點(diǎn)0～15μm所占的百分比最高。對(duì)于3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)而言:0～30μm粒徑段所占體積比例隨著距離的增加而增加;31～75μm粒徑段所占比例先減小后略有增加;76～100μm粒徑段所占比例隨著距離的增加不斷減小。

4.2 利用中心虛點(diǎn)源法模擬計(jì)算燒結(jié)廠環(huán)冷機(jī)組面源無組織排放的總誤差范圍在9.3%～20.6%。其中30～47μm粒徑段的總相對(duì)誤差最小，誤差范圍在3.4% ～11.8%;75～100μm粒徑段誤差范圍跨度最大，4.6% ～35.1%。在第5個(gè)有效監(jiān)測(cè)日(12月5日)算得的面源總誤差最小，只有9.3%。采用中心虛點(diǎn)源法對(duì)環(huán)冷機(jī)無組織排放源進(jìn)行源強(qiáng)推算時(shí)存在著9.3% ～20.6%的系統(tǒng)誤差，但是通過選取較大風(fēng)速的氣象條件可以減小該系統(tǒng)誤差，對(duì)于該環(huán)冷機(jī)而言較為適宜的反推模擬風(fēng)速條件為3.5～4.2m/s。

4.3 該環(huán)冷機(jī)面源的無組織TSP排放量范圍在12300～20790mg/s，跨度范圍較大。其中在16～30μm粒徑段顆粒物占的比例最大，達(dá)28%;75～100μm占的比例最小，只有14%。隨著粒徑尺度的增大，排放量先增大后減小，顆粒物質(zhì)量分布滿足兩頭小中間大的趨勢(shì)。

4.4 混勻礦的使用量是TSP排放的主要影響因素，推斷該環(huán)冷機(jī)組粉塵無組織排放量大的根本原因是環(huán)冷機(jī)組的超負(fù)荷使用。

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