京津冀地區(qū)典型水泥生產(chǎn)線的P P M M22..55排放量研究

朱金波，肖靜，張明飛，俞為民，馬嬌媚，劉宇

京津冀地區(qū)典型水泥生產(chǎn)線的P P M M22..55排放量研究

朱金波11，肖靜11，張明飛11，俞為民11，馬嬌媚11，劉宇22

本文以京津冀地區(qū)三條典型的水泥生產(chǎn)線為例，依據(jù)EPA 201A方法檢測了水泥正常生產(chǎn)過程中的PM2.5排放量，得出所測水泥企業(yè)窯頭PM2.5排放因子分別為0.019、0.059g/t熟料，窯尾排放因子分別為13.272、0.206、2.909g/t熟料，水泥磨排放因子分別為0.484、0.208g/t水泥，煤磨排放因子分別為3.703、0.155g/t煤粉。本文為水泥行業(yè)PM2.5排放的研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和初步結(jié)論。

PM2.5；水泥；排放因子

近年來，大氣灰霾現(xiàn)象在我國日益嚴(yán)重，受到公眾、媒體和政府的高度關(guān)注。由于受產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、人口密度和氣候條件等因素的影響，京津冀地區(qū)的灰霾現(xiàn)象最為突出。研究表明，大氣灰霾現(xiàn)象與大氣中的PM2.5含量密切相關(guān)。所謂PM2.5，是指大氣中空氣動(dòng)力學(xué)直徑≤2.5μm的顆粒物，也稱為細(xì)顆粒物。雖然PM2.5只是地球大氣成分中含量很少的組分，但它對空氣質(zhì)量和能見度等有重要的影響。粒徑＞10μm的顆粒物，會(huì)被擋在鼻子外面；粒徑在2.5～10μm的顆粒物，能夠進(jìn)入上呼吸道，但部分可通過痰液等排出體外；而粒徑＜2.5μm的細(xì)顆粒物，會(huì)直接進(jìn)入肺部，干擾肺部的氣體交換，引發(fā)包括哮喘、支氣管炎和心血管病等方面的疾病。與較粗的大氣顆粒物相比，PM2.5粒徑小，富含大量的有毒有害物質(zhì)，且在大氣中的停留時(shí)間長、輸送距離遠(yuǎn)，因而對人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響更大。

水泥工業(yè)由于其成品和半成品主要以粉狀形式存在，而且其總量大，并伴有煅燒生產(chǎn)過程，因此被認(rèn)為是PM2.5的重要排放源之一。2013年以來的數(shù)次灰霾災(zāi)害，水泥行業(yè)首當(dāng)其沖地受到了地方政府的限產(chǎn)、停產(chǎn)。這種臨時(shí)性的政策措施雖迫不得已，但也存在不合理性，導(dǎo)致無論是環(huán)保投入較高的水泥廠，還是環(huán)保投入不足的落后產(chǎn)能，都被一刀切的限產(chǎn)、停產(chǎn)，周邊未受政策影響的落后水泥產(chǎn)能反而可能由此受益。因此，有必要研究我國水泥行業(yè)的PM2.5排放現(xiàn)狀，并據(jù)此制定相應(yīng)的減排政策和標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)水泥企業(yè)加大環(huán)保投入，并淘汰環(huán)保不達(dá)標(biāo)的落后水泥產(chǎn)能。

1　我國水泥行業(yè)PM2.5排放量的研究現(xiàn)狀

在我國水泥行業(yè)PM2.5排放量的研究方面，張強(qiáng)等［1］估算出2001年水泥行業(yè)PM2.5的排放量約為436萬噸，占全國排放總量的35%，是最大的PM2.5排放源。雷宇等［2］通過大氣顆粒物排放模型，得出1997、2001、2004年全國水泥行業(yè)PM2.5排放量分別為436、343、367萬噸。張楚瑩等［3］利用排放因子法，得出2005年工業(yè)過程源對PM2.5的貢獻(xiàn)率為65%，其中78.5%來自水泥生產(chǎn)。但這些均是在一定假設(shè)條件下的估算，且所依據(jù)的一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)多來自上世紀(jì)90年代的文獻(xiàn)資料，不能體現(xiàn)當(dāng)前的水泥行業(yè)PM2.5排放水平。

近年來，在水泥行業(yè)PM2.5排放的實(shí)測研究方面，馬靜玉［4］使用顆粒物分級(jí)采樣儀（LPI）、鋁膜及Teflon膜對水泥廠窯頭、窯尾、煤磨和水泥磨等工序進(jìn)行顆粒物樣品采集，得出所測企業(yè)窯頭PM2.5排放因子分別為0.06、0.15kg/t熟料，窯尾排放因子分別為0.04、0.20、0.45kg/t熟料，水泥磨排放因子分別為0.000 2、0.003kg/t水泥，煤磨排放因子分別為0.000 2、0.002kg/t煤粉。田立柱等［5］采用Dekati公司制造的荷電低壓顆粒物撞擊器（ELPI）對北京典型水泥廠的PM2.5排放量進(jìn)行了測量，得出了某所測水泥窯的PM2.5排放因子（窯頭與窯尾排放因子相加）為0.013 1kg/t熟料，煤磨的PM2.5排放因子為0.008 3kg/t煤粉。

總體而言，有關(guān)我國水泥行業(yè)PM2.5排放的實(shí)測研究相對較少，測量方法尚待摸索驗(yàn)證，數(shù)據(jù)積累也很不充分。本文所開展的京津冀地區(qū)典型水泥生產(chǎn)線PM2.5排放量研究，是對我國水泥行業(yè)PM2.5排放實(shí)測研究的重要推進(jìn)。

2　固定源PM2.5的檢測方法

有組織排放是水泥行業(yè)PM2.5排放的主要組成部分，因此本文主要開展水泥廠固定源PM2.5的排放檢測。目前，美國國家環(huán)境保護(hù)局（US EPA）、美國材料測試協(xié)會(huì)（ASTM協(xié)會(huì)）以及國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）發(fā)布了多種適合水泥生產(chǎn)線的PM2.5超細(xì)顆粒物標(biāo)準(zhǔn)測試方法，相關(guān)測試方法的詳細(xì)介紹見張明飛等［6］的專題文章，本文不再贅述。根據(jù)采樣原理的不同可分為直接采樣法和稀釋采樣法兩類。屬于直接采樣法的有：EPA 201A、EPA202、OTM027、OTM028和ISO23210：2009法；屬于稀釋采樣法的有：EPA CTM-039、ASTM WK8124以及ISO25597：2013。本文主要采用比較成熟的EPA 201A方法，并在個(gè)別測點(diǎn)采用稀釋采樣法EPA CTM-039做對比。

圖1　EPA 201A采樣法的原理示意圖

表1　A廠PM2.5檢測結(jié)果

EPA 201A是一種等速平行采樣法，其原理見圖1。通過等速采樣嘴進(jìn)入采樣管的煙氣首先經(jīng)過Ⅰ級(jí)大顆粒分割器，去除粒徑＞10μm的顆粒物，再經(jīng)由Ⅱ級(jí)顆粒分割器去除粒徑2.5～10μm的顆粒物，最后由濾膜來收集PM2.5超細(xì)顆粒物，通過測量收集到的PM2.5超細(xì)顆粒物的質(zhì)量計(jì)算得到PM2.5一次固態(tài)超細(xì)顆粒物濃度。

3　水泥PM2.5排放量的檢測結(jié)果與分析

筆者自2014年9月至12月分別對京津冀地區(qū)三家水泥廠的窯尾、窯頭、煤磨和水泥磨的排氣PM2.5進(jìn)行了采樣，各測點(diǎn)均經(jīng)過了袋式收塵器除塵，其PM2.5檢測結(jié)果分別見表1、表2和表3。其中部分測點(diǎn)采用了直接采樣法和稀釋采樣法進(jìn)行對比采樣，稀釋采樣法的稀釋比為20倍，直接采樣法的稀釋比以0表示。從測量結(jié)果看，各廠各測點(diǎn)的PM2.5平均濃度均很低，其中PM2.5排放濃度最高的A廠窯尾煙囪也僅3.545mg/m3（標(biāo)）。

表2　B廠PM2.5檢測結(jié)果

表3　C廠PM2.5檢測結(jié)果

根據(jù)各測點(diǎn)的PM2.5濃度、風(fēng)量及系統(tǒng)產(chǎn)量，可以折算出系統(tǒng)的PM2.5排放因子，見表4。將本項(xiàng)目的PM2.5排放因子與馬靜玉［4］和田立柱等［5］的研究結(jié)果進(jìn)行對比，見表5。由表5可見，各方的檢測結(jié)果差異較大，這不僅與所選擇的水泥生產(chǎn)線的實(shí)際排放情況有關(guān)，也與各自采用的檢測方法與儀器不同有關(guān)。馬靜玉測得的水泥廠PM2.5排放因子較高，而本文與田立柱等所測的水泥廠PM2.5排放因子均相對較低。

表4　三家水泥廠PM2.5排放因子的核算

表5　水泥廠PM2.5排放因子的對比

表6　全國水泥行業(yè)PM2.5排放總量的估算

假設(shè)全國熟料平均實(shí)物煤耗為0.14t/t熟料，據(jù)此煤磨的PM2.5排放因子可以折算到以單位熟料為基準(zhǔn)。以2013年全國熟料產(chǎn)量13.61億噸，水泥產(chǎn)量24.14億噸為基準(zhǔn)，則單位熟料PM2.5排放因子及全國水泥行業(yè)PM2.5排放總量估算見表6。按馬靜玉的排放因子核算出的全國水泥行業(yè)PM2.5排放總量最大，為460 069t；按田立柱等的排放因子核算出的全國水泥行業(yè)PM2.5排放總量為17 278t；按本文的排放因子核算出的全國水泥行業(yè)PM2.5排放總量僅為8 690t。由于本文所選水泥生產(chǎn)線的環(huán)保指標(biāo)較先進(jìn)，造成本文核算出的水泥行業(yè)排放總量偏低。盡管以所列少量水泥廠的PM2.5測試結(jié)果推算全國水泥行業(yè)PM2.5排放總量尚缺乏數(shù)據(jù)樣本的充分性，但本研究所采用數(shù)據(jù)均基于實(shí)測。而以往的文獻(xiàn)報(bào)道中普遍認(rèn)為水泥行業(yè)PM2.5排放量在300萬噸以上，均缺乏實(shí)測數(shù)據(jù)的支撐，其所參考的排放因子均依據(jù)上世紀(jì)90年代的文獻(xiàn)資料，當(dāng)時(shí)的水泥行業(yè)收塵及其他環(huán)保措施十分落后。近十幾年來，水泥生產(chǎn)技術(shù)突飛猛進(jìn)，環(huán)保指標(biāo)不斷改善。本研究認(rèn)為，目前水泥行業(yè)的PM2.5排放量遠(yuǎn)低于以往所認(rèn)為的水平。

4　結(jié)論

本文對京津冀地區(qū)三家水泥廠的固定源進(jìn)行了PM2.5采樣分析，得到了PM2.5濃度及排放因子。所測水泥企業(yè)窯頭PM2.5排放因子分別為0.019、0.059g/t熟料，窯尾排放因子分別為13.272、0.206、2.909g/t熟料，水泥磨排放因子分別為0.484、0.208g/t水泥，煤磨排放因子分別為3.703、0.155g/t煤粉。通過本文的研究可知，采用先進(jìn)袋收塵器的新型干法水泥廠，其PM2.5排放濃度均低于以往的文獻(xiàn)報(bào)道。本文測算出的水泥行業(yè)PM2.5排放因子可作國家和行業(yè)政策、標(biāo)準(zhǔn)制定的參考。

［1］張強(qiáng)，Klimont Zbigniew，David G.Streets，霍紅，賀克斌.中國人為源顆粒物排放模型及2001年排放清單估算［J］.自然科學(xué)進(jìn)展，2006，16（2）：223-231.

［2］雷宇，賀克斌，張強(qiáng)，劉作毅.基于技術(shù)的水泥工業(yè)大氣顆粒物排放清單［J］.環(huán)境科學(xué)，2008，29（8）：2366-2371.

［3］張楚瑩，王書肖，趙瑜，郝吉明.中國人為源顆粒物排放現(xiàn)狀與趨勢分析［J］.環(huán)境科學(xué)，2009，30（7）：1881-1887.

［4］馬靜玉.水泥行業(yè)大氣污染物排放特征研究［D］.邯鄲：河北工程大學(xué)，2010.

［5］田立柱，劉陽生.水泥窯PM2.5排放量研究［J］.混凝土世界，2013（3）：88-91.

［6］張明飛，朱金波，馬嬌媚，賀孝一.新型干法水泥生產(chǎn)線PM2.5超細(xì)顆粒物排放測試方法研究［J］.環(huán)境工程，2014，32（S1），558-564.

Research of PM2.5Em issions from Typical Cem ent Plan t in Beijing-Tian jin-Hebei Region

ZHU Jinbo1，XIAO Jing1，ZHANG Mingfei1，YU Weimin1，MA Jioamei1，LIU Yu2
（1.Tianjin Cement Industry Design&Research Institute Co.,Ltd,Tianjin 300400,China；2.Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012,China）

Taking three typical cement plants in Beijing-Tianjin-Hebei region as examples,we tested the PM2.5emissions from cement plants during normal production based on EPA 201A method.The resulted PM2.5emission factors are respectively 0.019、0.059g/t-clinker for cooler stack,13.272、0.206、2.909g/t-clinker for preheater stack,0.484、0.208g/t-cement for cementmillstack,and 3.703、0.155g/t-coal for coalmill stack.This papergives thebasic dataand primary conclusionsofPM2.5emissions from cementplants.

PM2.5；cement；emission factor

TQ172.688.9

A

1001-6171（2015）03-0024-05

通訊地址：1天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津300400；2中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京100012；

2015-03-19；編輯：呂光