不同裝煤方式和炭化室高度的焦?fàn)t周邊環(huán)境空氣總懸浮顆粒物碳組分特征*

張姝婷 劉效峰# 白慧玲 牟 玲 彭 林 王志磊 張大宇

(1.太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,山西 太原 030024；2.華北電力大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，北京 102206)

隨著我國工業(yè)的飛速發(fā)展，煉焦工業(yè)也得到了迅猛發(fā)展。山西省是全國最大的焦炭生產(chǎn)地。據(jù)《中國統(tǒng)計年鑒-2017》和《山西統(tǒng)計年鑒2017》統(tǒng)計，山西省焦炭產(chǎn)量占山西省一次能源產(chǎn)量的10.77%，占全國焦炭產(chǎn)量的17.79%。

彭林等[1]225研究發(fā)現(xiàn)，山西省城市環(huán)境空氣顆粒物中有機(jī)碳(OC)和元素碳(EC)污染較為嚴(yán)重。OC中包含有多種有機(jī)污染物，如多環(huán)芳烴(PAHs)[2]、多氯聯(lián)苯(PCBs)[3]、二噁英(PCDD/Fs)[4]等；EC則具有較強(qiáng)的吸附能力，容易成為富集中心和化學(xué)反應(yīng)床[5]。OC和EC可通過呼吸作用進(jìn)入人體肺部，從而引起各種呼吸疾病[6]。CAO等[7]研究發(fā)現(xiàn)，煉焦過程中顆粒物的碳組分排放量遠(yuǎn)高于燃煤電廠、生物質(zhì)燃燒及機(jī)動車尾氣的排放量。因此研究山西省焦?fàn)t周邊環(huán)境空氣顆粒物碳組分特征具有現(xiàn)實(shí)意義。本研究選取總懸浮顆粒物(TSP)展開研究。

焦?fàn)t頂和廠區(qū)環(huán)境空氣中的顆粒物碳組分特征已有相關(guān)研究[8]2955，但不同裝煤方式和碳化室高度的焦?fàn)t周邊環(huán)境空氣TSP中碳組分特征還鮮有人研究。在實(shí)際生產(chǎn)中，焦?fàn)t的炭化室高度和裝煤方式存在很多差異[9]，其對周邊環(huán)境空氣TSP中碳組分的影響也不盡相同。

炭化室高度主要有3.2、4.3、6.0 m等，裝煤方式主要有搗固和頂裝兩種。本研究分析了不同炭化室高度和裝煤方式的焦?fàn)t周邊環(huán)境空氣TSP中碳組分特征，以期為焦化廠設(shè)計、污染預(yù)防提供基礎(chǔ)資料。

1 樣品采集與分析

1.1 樣品的采集

在山西省地區(qū)選擇了4座具有代表性的焦?fàn)t作為研究對象，其中炭化室高度4.3 m的焦?fàn)t2座，裝煤方式分別為頂裝和搗固，6.0 m的頂裝焦?fàn)t和3.2 m的搗固焦?fàn)t各1座，煤氣和空氣供入方式均為下噴式。4座焦?fàn)t的基本特征見表1。

表1 焦?fàn)t的基本特征

采樣點(diǎn)設(shè)在焦?fàn)t周邊煉焦生產(chǎn)區(qū)的除塵地面站旁[8]2956,[10]，采樣高度為2～3 m，每個樣品采集時間為3～4 h，每座焦?fàn)t周邊采集2～3個樣品。利用改良的標(biāo)準(zhǔn)大體積TSP采樣器(TH-1000F)采集，濾膜為美國Staplex公司的玻璃纖維濾膜(20.3 cm×25.4 cm)。

1.2 樣品的分析測試及數(shù)據(jù)計算

采樣前玻璃纖維濾膜用鋁箔包裹后放在500 ℃條件下焙燒5 h，然后放入溫度為25 ℃、相對濕度為50%的環(huán)境中平衡48 h，采用分析天平(Sartorius LA130S-F)稱量采樣前濾膜質(zhì)量。采樣后，將濾膜取下，用鋁箔包裹后帶回實(shí)驗(yàn)室用于稱量采樣后濾膜質(zhì)量，計算TSP濃度，然后將其放入-20 ℃冰箱中保存，待分析總碳(TC)和OC濃度。

利用德國Elementar公司的碳元素分析儀(vario EL)分析所采集TSP中的TC和OC濃度[11]，EC濃度為TC和OC的濃度之差[12]?？偺?xì)馊苣z(TCA)包括有機(jī)物(OM)和EC兩部分，OM濃度可通過1.6倍的OC濃度換算得到[13-14]。實(shí)驗(yàn)室中同時分析空白膜，未檢出TC和OC。

2 結(jié)果與討論

2.1 焦?fàn)t周邊環(huán)境空氣TSP中碳組分濃度水平

由表2可見，4座焦?fàn)t周邊環(huán)境空氣中TSP質(zhì)量濃度為711.95～2 938.41 μg/m3，其中搗固焦?fàn)t周邊的TSP濃度高于頂裝焦?fàn)t，炭化室高度越高，焦?fàn)t周邊的環(huán)境空氣中TSP濃度越低。4座焦?fàn)t周邊環(huán)境空氣中TC占TSP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為44.81%～67.45%，均值為56.50%，普遍高于城市環(huán)境空氣中TC在顆粒物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[1]224，甚至比受交通源影響的環(huán)境空氣中還高[15]。由此說明，TC是焦?fàn)t周邊環(huán)境空氣TSP中的主要污染物。其中，OC、EC的質(zhì)量濃度分別為189.45～595.90、285.38～806.71 μg/m3，均值分別為440.66、521.15 μg/m3，分別占TC均值的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46%、54%。與燃煤電廠相比，焦化廠的EC占比更高，原因是燃煤電廠煤炭的完全燃燒程度較高，而煉焦過程是在隔絕空氣的高溫條件下熱解，不完全燃燒產(chǎn)生的EC較多[16],[17]75。不同焦?fàn)t周邊環(huán)境空氣TSP中OC、EC濃度分布情況與TSP基本一致，牟玲[17]84研究發(fā)現(xiàn)的炭化室高度越高，焦?fàn)t煙氣中OC、EC的排放因子越低，也支撐了這一結(jié)論。因此，為改善焦?fàn)t周邊環(huán)境空氣質(zhì)量，可以通過增高炭化室高度和改搗固裝煤方式為頂裝裝煤方式來實(shí)現(xiàn)。4座焦?fàn)t周邊環(huán)境空氣TSP中TCA質(zhì)量濃度為588.50～1 727.85 μg/m3，均值為1 239.82 μg/m3，占TSP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為58.51%～87.51%，均值為71.87%，高于煤層自燃區(qū)[18]和城市環(huán)境空氣[1]224,[19-20]。

表2 不同焦?fàn)t周邊環(huán)境空氣TSP中碳組分質(zhì)量濃度

2.2 焦?fàn)t周邊環(huán)境空氣TSP中OC和EC質(zhì)量比(OC/EC)

OC/EC是研究環(huán)境空氣中顆粒物二次來源的常用參數(shù)[21]，本研究中4座焦?fàn)t周邊環(huán)境空氣TSP中，OC/EC為0.66～1.04，均值為0.85，YC(1.04)>YW(0.98)>YM(0.71)>AC(0.66)。CHOW等[22]認(rèn)為，OC/EC>2時存在二次污染，本研究中不同焦?fàn)t周邊環(huán)境空氣中OC/EC均未超過2，說明焦?fàn)t周邊環(huán)境空氣中碳組分以一次污染為主。

表3列出一些城市環(huán)境空氣TSP中OC、EC質(zhì)量濃度及OC/EC。焦?fàn)t周邊環(huán)境空氣中OC、EC濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于城市環(huán)境，以地理位置相對較近的石家莊市[23]為例，焦?fàn)t周邊環(huán)境空氣中的OC、EC平均濃度分別是石家莊市環(huán)境空氣中的35.34、64.10倍。北京市環(huán)境空氣TSP中的OC/EC與本研究相差最大[24]，主要原因是北京市主要以二次污染為主[26]。

表3 城市環(huán)境空氣TSP中的OC/EC

2.3 不同焦?fàn)t周邊環(huán)境空氣TSP中碳組分分歧系數(shù)

分歧系數(shù)一般用于源成分譜相似程度的分析[27-29]，最早應(yīng)用于生物學(xué)，近年來較多應(yīng)用于氣溶膠分析，其計算公式如式(1)[30]所示。分歧系數(shù)為0～1，越接近于0，說明兩個成分譜之間越相似；越接近于1，說明兩成分譜之間差異越大。姬亞芹[31]和KONG等[32]均認(rèn)為，分歧系數(shù)0～0.2兩個成分譜必定相似；>0.2～0.5可能相似；>0.5～1.0必定不相似。

(1)

式中：CDjk為焦?fàn)tj和焦?fàn)tk周邊環(huán)境空氣TSP中碳組分的分歧系數(shù)；xji、xki分別為焦?fàn)tj和焦?fàn)tk周邊環(huán)境空氣TSP中碳組分i(包括TC、OC和EC)的質(zhì)量濃度，μg/m3；i為碳組分序號；P為碳組分總數(shù)，本研究中為3。

由表4可以看出，本研究4座焦?fàn)t周邊環(huán)境空氣TSP中分歧系數(shù)為0.092～0.490，均低于0.5，因此總體來說4座焦?fàn)t周邊環(huán)境空氣TSP中碳組分有一定的差異。將分歧系數(shù)與裝煤方式和炭化室高度結(jié)合分析發(fā)現(xiàn)，炭化室高度均為4.3 m的搗固焦?fàn)tYW與頂裝焦?fàn)tYC的分歧系數(shù)為0.208，二者碳組分差異較??；裝煤方式相同、炭化室高度不同的AC與YC和YW與YM的分歧系數(shù)分別為0.266、0.092，碳組分也差異不大；裝煤方式和炭化室高度都不相同的焦?fàn)t間的分歧系數(shù)更接近0.5，差異相對較大。由此可見，裝煤方式和炭化室高度都對焦?fàn)t周邊環(huán)境空氣TSP中碳組分的分布有一定影響，特別是裝煤方式和炭化室高度都不同的焦?fàn)t周邊環(huán)境空氣TSP中碳組分差異較大。

表4 不同焦?fàn)t周邊環(huán)境空氣TSP中碳組分的分歧系數(shù)

3 結(jié) 論

(1) 4座焦?fàn)t周邊環(huán)境空氣中TSP質(zhì)量濃度為711.95～2 938.41 μg/m3，其中OC、EC的質(zhì)量濃度分別為189.45～595.90、285.38～806.71 μg/m3，TC占TSP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為44.81%～67.45%。搗固焦?fàn)t周邊的TSP及其碳組分濃度高于頂裝焦?fàn)t，炭化室高度越高的焦?fàn)t周邊環(huán)境空氣中TSP及其碳組分濃度越低。

(2) 4座焦?fàn)t周邊環(huán)境空氣TSP中OC/EC為0.66～1.04，均小于2，說明焦?fàn)t周邊環(huán)境空氣中碳組分以一次污染為主。

(3) 4座焦?fàn)t周邊環(huán)境空氣TSP中碳組分的分歧系數(shù)為0.092～0.490，均小于0.5，總體來說裝煤方式和炭化室高度都對焦?fàn)t周邊環(huán)境空氣TSP中碳組分的分布有一定影響，特別是裝煤方式和炭化室高度都不同的焦?fàn)t周邊環(huán)境空氣TSP中碳組分差異較大。