王 偉，周璀巍，楊海真，

(1.同濟大學環(huán)境科學與工程學院環(huán)境管理研究所，上海 200092;2.同濟大學教育部長江水環(huán)境實驗室，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)設備上使物料發(fā)生一系列物理化學變化，將礦粉顆粒黏結(jié)成塊的過程。它不僅是鋼鐵工業(yè)中一個物流量巨大的環(huán)節(jié)，也是一個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。國內(nèi)普遍采用的是鼓風環(huán)形冷卻設備通過鼓風來冷卻燒結(jié)礦，在這個過程中大量的礦物粉塵顆粒物會伴隨著熱煙氣排放到空氣中［2］。這部分無組織粉塵會夾帶大量的Cl－離子、鐵、氨、Pb等有害物質(zhì)排放到空氣中，嚴重影響工作環(huán)境以及工人們的身體健康。因此對無組織粉塵無組織排放規(guī)律的研究對實現(xiàn)燒結(jié)廠的清潔生產(chǎn)以及保護工人們的身體健康都有十分重要的意義。

目前國內(nèi)對于燒結(jié)污染物的控制主要集中在對其有組織排放的煙塵進行脫硫和減量化處理，而國外很多學者如Dany Hleis等對鋼鐵行業(yè)無組織粉塵的研究則主要集中在其污染物化學特征的識別［3］。同時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)于顆粒物的面源計算模式也只是處于理論研究階段，在工程應用上的相關(guān)報道也極少，因而在實際操作中我們很難得到這部分無組織污染物的排放量［4］。這就使得對無組織污染源減量化措施的比選沒有一個直接的量化的參考。本研究剛好彌補了這方面研究的空白，以某鋼鐵企業(yè)的燒結(jié)廠3號燒結(jié)機為例，以中心虛點源法為基礎對環(huán)冷機TSP無組織排放源強推算方法及其誤差進行了分析研究，從而為顆粒物面源模式的反推計算提供了參考。對廠區(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 實驗部分

1.1 實驗儀器及材料

本實驗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)、智能型風速風量儀 (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)測技術(shù)導則》HJ/T55－2000，結(jié)合現(xiàn)場氣象監(jiān)測結(jié)果，選取在西北風為主導風向時進行監(jiān)測。在上風向布置一個參照點，下風向位置布置3個監(jiān)測點。具體監(jiān)測點位布置如圖1所示，在燒結(jié)廠西北部設置一個參照點其距環(huán)冷中心的距離為49m，東南部設置漸遠的3個參照點1、2、3，其距環(huán)冷機中心的距離分別為48m、62m、82m。采樣器進樣口距地面1.5m。

圖1 監(jiān)測點位布置圖Fig.1 The layout of the monitoring sites

由于受到采樣條件的限制，在采樣頻率上對導則規(guī)定進行了調(diào)整。實行多小時連續(xù)采樣，再取平均值，以平均的小時濃度代表監(jiān)測點的日均濃度。每次監(jiān)測從監(jiān)測當天的上午8點開始至下午2點，每換一次濾紙，并記錄下當次氣體采集的體積、溫度。從2012年11月7日到2013年1月17日測得有效監(jiān)測日期10天。

1.3 樣品分析

采集TSP所用濾膜在使用前均在X光片機上進行檢查，保證不存在任何缺陷，樣品采集后用鑷子取下濾膜，將濾膜對折，采樣面向里對折，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《總懸浮顆粒物的測定－重量法》GB/T15432－1995和《粉塵物性試驗方法》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 模擬計算

2.1 模型及參數(shù)的選取

目前對面源擴散模式進行模擬最常用的是后置虛點源法，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］，但是該法對于邊長小于500m的面源模擬效果很不理想［3，4］。因此根據(jù)環(huán)冷機組本身構(gòu)型的特點本次實驗選用中心虛點源法來模擬計算。中心虛點源是后置點源法的一個修正方法，即在面源中心虛設一個點源，在擴散模擬的過程中加一個初始的煙云分布，利用經(jīng)驗公式將面源轉(zhuǎn)化為特殊的線源來進行計算［6，7］。研究按照國標推薦的方法將面源虛擬成一個位于環(huán)冷機形心的點源，并用修正后的點源擴散模型對環(huán)冷機的排放強度進行模擬。同時考慮顆粒物干沉降的影響，在計算時對有效源高進行修正［8］。由于本研究的對象是粉塵顆粒物，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，在有風氣象條件下，面源下風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，具體的計算表達式如式(1)所示［9，10］:

式中:

C(x，y，z)－ 顆粒物在坐標為(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－計算方向上的平均風速，m/s;

H－有效源高，m;

vs－顆粒物干沉降速率，m/s;

σy－修正后的橫向擴散參數(shù);

σz－修正后的鉛直方向擴散參數(shù)。

根據(jù)GB/T 3840－91《制定地方大氣污染物排放標準技術(shù)方法》中關(guān)于面源垂直向和橫向擴散參數(shù)冪函數(shù)表系數(shù)取值表所得的擴散參數(shù)表達式，對橫向擴散參數(shù)進行經(jīng)驗公式的修正后［11］，得到在D類大氣穩(wěn)定度下環(huán)冷機面源的橫向擴散表達

式為:σy=0.234x0.93+垂直向擴散參數(shù)表達式為:σz=0.221x0.83。其他計算參數(shù)參照《環(huán)境影響評價技術(shù)導致—大氣環(huán)境》HJ/T2.2－200進行選?。?1，12］。

2.2 源強的計算

由于不同粒徑段的顆粒物在空氣中沉降時具有不一樣的沉降速率，因為它們在大氣中的擴散規(guī)律也不相同。在實際反推計算時需要分粒徑范圍分別對源強進行反推計算。因此本實驗在模擬反推源強時將TSP源強分了5個粒徑段 (0～15μm、15～30μm、31～47μm、48～75μm、76～100μm)來分別進行反推計算。其具體計算過程如下:

在不同的粒徑段分別預設一系列源強，通過擴散公式分別計算出每個預設源強在3個監(jiān)測點的產(chǎn)生的污染物濃度。將每組估算值分別與實測值進行誤差分析。對于每個粒徑段而言，當3處的平均誤差最小時對應的預設源強即為此粒徑段的源強。

將每個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，本實驗通過對總平均誤差的分析來確定估算模型的準確度。

3 結(jié)果與分析

3.1 粒徑分布特征

在各個監(jiān)測位點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0～15μm所占的百分比最高。對于3個監(jiān)測點而言，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)測點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先沉降下來，從而改變整體各個粒徑段的體積百分比分配。這也說明了分粒徑段反推源強的必要性。

3.2 誤差及源強特征

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物誤差機和面源總誤差隨監(jiān)測時間變化的趨勢如圖3所示:橫坐標1～10分別對應從2012年11月7日到2013年1月17日的10個有效監(jiān)測日。

圖3 10個有效監(jiān)測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，利用中心虛點源法模擬計算燒結(jié)廠環(huán)冷機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個有效監(jiān)測日 (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)于后置點源法在不穩(wěn)定大氣條件下進行數(shù)值模擬時會產(chǎn)生10%～20%計算誤差的研究結(jié)果相似［13］。

本次研究對這種系統(tǒng)誤差浮動產(chǎn)生的原因進行分析，認為可能是受到了不同氣象條件的影響。并將模擬計算所得計算系統(tǒng)誤差與監(jiān)測當日風速氣象條件進行擬合，其擬合結(jié)果如圖4所示:

圖4 模擬誤差與監(jiān)測當日風速擬合曲線圖Fig.4 Fitting curve of simulation error versus wind speed of monitoring days

由圖4可知，風速與誤差之間存在很大的相關(guān)性，即隨著風速的增大模擬的總平均誤差呈減小趨勢。因此監(jiān)測時選取風速較大的時候可以減小計算反推的系統(tǒng)誤差。對于該環(huán)冷機而言較為適宜的反推模擬風速條件為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源法在不穩(wěn)定大氣條件下對環(huán)冷機無組織排放源進行源強推算時，會出現(xiàn)9.3%～20.6%的系統(tǒng)誤差，這與前人的研究結(jié)果相似。本研究進一步對產(chǎn)生這種誤差的原因進行了分析，發(fā)現(xiàn)風速與誤差之間存在著很大的相關(guān)性，即通過選取較大風速的氣象條件可以減小該系統(tǒng)誤差，對于該環(huán)冷機而言較為適宜的反推模擬風速條件為3.5～4.2m/s。

3.2.2 環(huán)冷機面源的排放特征

每個有效監(jiān)測日最小相對誤差下，每個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。

圖5 10個有效監(jiān)測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)冷機的無組織TSP排放量進行偏相關(guān)性分析，通過多元線性擬合的方式，確定出各個排放量對于各個影響因子的偏相關(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。在實際生產(chǎn)中混勻礦的使用量表征著燒結(jié)廠的生產(chǎn)負荷，因此可推斷該環(huán)冷機組粉塵無組織排放量大的根本原因是環(huán)冷機組的超負荷使用。

4 結(jié)論

4.1 通過對各檢測點的粒徑分析結(jié)果表明:在各監(jiān)測點處0～30μm的小顆粒物所占體積組成都很大，一般超過50%。參照點0～15μm所占的百分比最高。對于3個監(jiān)測點而言: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 利用中心虛點源法模擬計算燒結(jié)廠環(huán)冷機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個有效監(jiān)測日(12月5日)算得的面源總誤差最小，只有9.3%。采用中心虛點源法對環(huán)冷機無組織排放源進行源強推算時存在著9.3% ～20.6%的系統(tǒng)誤差，但是通過選取較大風速的氣象條件可以減小該系統(tǒng)誤差，對于該環(huán)冷機而言較為適宜的反推模擬風速條件為3.5～4.2m/s。

4.3 該環(huán)冷機面源的無組織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。

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)冷機組粉塵無組織排放量大的根本原因是環(huán)冷機組的超負荷使用。

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