王 堃,滑申冰,田賀忠*,朱傳勇,高佳佳,王 勇,周君蕊,朱家昕 (1.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院,環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,北京 100875；2.北京師范大學(xué)大氣環(huán)境研究中心,北京 100875)

鋼鐵工業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一.自 1996年至今,我國(guó)粗鋼產(chǎn)量長(zhǎng)期穩(wěn)居世界首位[1].2010～2013年,我國(guó)粗鋼產(chǎn)量由6.38億t增加到7.79億t,2013年新增煉鋼產(chǎn)能更高達(dá)約 4000萬(wàn) t[2-3].然而,由于工序流程復(fù)雜,資源消耗巨大,煙氣排放量可觀(guān),鋼鐵行業(yè)一直是顆粒物、二氧化硫等常規(guī)污染物的重點(diǎn)污染行業(yè)之一,同時(shí)在鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中,汞、鉛、鎘等有毒有害重金屬的大氣排放也不容忽視[4].

重金屬污染具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、污染范圍廣、無(wú)法被生物降解,并可能通過(guò)食物鏈不斷在生物體內(nèi)富集等特點(diǎn).為了防治重金屬污染,我國(guó)專(zhuān)門(mén)制訂了《重金屬污染綜合防治“十二五”規(guī)劃》[5],并將汞、鉛、鎘、類(lèi)金屬砷、鉻、鎳等列為重點(diǎn)防控重金屬污染物.黃鳳蘭等[6]研究發(fā)現(xiàn)電爐飛灰中的鉛等重金屬含量較垃圾焚燒飛灰高,且與飛灰中的二噁英含量成正相關(guān)性.李山泉等[7]研究發(fā)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)區(qū)地表土壤受大氣重金屬沉降影響的長(zhǎng)期積累增量較大.因此,了解和掌握我國(guó)鋼鐵行業(yè)典型有害重金屬大氣排放狀況及分布特征對(duì)我國(guó)重金屬污染防治具有重要意義.然而,已有的排放清單研究主要關(guān)注粉塵、二氧化硫、工業(yè)煙塵等常規(guī)大氣污染物排放,并且往往僅將鋼鐵行業(yè)作為工業(yè)污染排放源的一部分進(jìn)行粗略分析,缺乏對(duì)鋼鐵行業(yè)全面細(xì)致的研究[8-10].本研究根據(jù)我國(guó)鋼鐵行業(yè)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料,采用排放因子法,對(duì)我國(guó)鋼鐵行業(yè)典型有害重金屬大氣排放量進(jìn)行了估算,給出了分省區(qū)的排放清單,并討論了不同工序的重金屬排放特征.

1 研究方法

1.1 研究范圍

研究時(shí)段為2011年,研究區(qū)域包括中國(guó)大陸31個(gè)省、直轄市及自治區(qū),香港、澳門(mén)特別行政區(qū)及臺(tái)灣省暫未考慮.

由于鋼鐵行業(yè)工藝流程復(fù)雜,且平爐煉鋼已于 2001年在我國(guó)淘汰[11],本研究主要對(duì)煉鐵工藝高爐工序、煉鋼工藝轉(zhuǎn)爐及電爐工序、礦石預(yù)處理工藝燒結(jié)工序的Hg、Pb、Cd、As、Cr、Ni共6種典型重金屬大氣排放進(jìn)行估算分析.

1.2 計(jì)算方法

采用“自下而上”的排放因子法,估算2011年全國(guó)各省區(qū)鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)導(dǎo)致的典型有害重金屬大氣排放量.計(jì)算公式如下:

式中:Qr表示污染物r的排放量(t);Qr,p表示污染物r在p工序中的排放量(t);Fr,p表示污染物r在p工序中的排放因子(mg/t);Ep表示在p工序的活動(dòng)水平(t).

1.3 活動(dòng)水平的獲取

全國(guó)各省(市、區(qū))鋼鐵行業(yè)主要產(chǎn)品產(chǎn)量以及重要指標(biāo)通過(guò)查閱《中國(guó)鋼鐵工業(yè)年鑒》[3]等統(tǒng)計(jì)資料獲取,具體鋼鐵企業(yè)信息通過(guò)《中國(guó)鋼鐵企事業(yè)名錄》[12]及工信部網(wǎng)站相關(guān)公告等獲取.

2011年我國(guó)粗鋼產(chǎn)量約為70196.8萬(wàn)t,其中轉(zhuǎn)爐鋼產(chǎn)量約為 62896.4萬(wàn) t,電爐鋼產(chǎn)量約7300.5萬(wàn) t,電爐鋼比約為 0.1;生鐵產(chǎn)量約為64542.9萬(wàn) t,燒結(jié)礦產(chǎn)量約為 76892.6萬(wàn) t.各省(市、區(qū))鋼鐵行業(yè)產(chǎn)量分布不均衡,主要產(chǎn)品產(chǎn)量前 10省份(市、區(qū))主要集中在環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈以及長(zhǎng)三角地區(qū),其中,河北省粗鋼產(chǎn)量約占全國(guó)粗鋼總產(chǎn)量的 23%,生鐵產(chǎn)量約占全國(guó)生鐵總產(chǎn)量的24%.

1.4 排放因子的確定

近年來(lái),我國(guó)對(duì)各行業(yè)典型污染物排放進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,并發(fā)布了《污染源普查產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》[13]等相關(guān)技術(shù)指南.然而,針對(duì) Hg、Pb、Cd、As、Cr、Ni等重金屬排放的測(cè)試研究較少,技術(shù)指南中也沒(méi)有提供相關(guān)排放系數(shù).由于我國(guó)對(duì)鋼鐵行業(yè)排放重金屬的實(shí)測(cè)結(jié)果較少,本研究根據(jù)我國(guó)鋼鐵企業(yè)目前所采用的污染物控制技術(shù)措施,參考借鑒國(guó)外不同時(shí)段采用相似控制措施下的基礎(chǔ)排放因子,確定了 6種有害重金屬排放因子.

目前,我國(guó)鋼鐵行業(yè)除塵設(shè)施以袋式除塵器為主,其應(yīng)用比例已達(dá) 95%[14],同時(shí),燒結(jié)機(jī)頭機(jī)尾大都采用電除塵,轉(zhuǎn)爐一次煙氣除塵大多還采用濕法除塵,對(duì)于中小型高爐,廣泛應(yīng)用煤氣袋式除塵技術(shù)[14-16].另外,部分企業(yè)也安裝了煙氣脫硫設(shè)施削減二氧化硫排放.

基于我國(guó)鋼鐵行業(yè)各工藝段的除塵設(shè)施應(yīng)用情況,并參考?xì)W盟各國(guó)技術(shù)報(bào)告中該行業(yè)相應(yīng)控制措施下的重金屬大氣排放因子[17-21],估算2011年我國(guó)鋼鐵行業(yè)典型重金屬大氣排放因子如表1.

表1 2011年鋼鐵行業(yè)各工序重金屬排放因子(mg/t)Table 1 Emission factors of heavy metals in iron and steel industry, 2011 (mg/t)

總體來(lái)看,煉鋼工藝段較其他工藝段重金屬排放因子高,其中電爐工序的Cd、Cr、Ni排放因子較高,而轉(zhuǎn)爐工序 As、Pb的排放因子較高.此外,礦石預(yù)處理工藝燒結(jié)機(jī)工序 Hg的排放因子較高.

2 結(jié)果與討論

2.1 2011年全國(guó)鋼鐵行業(yè)典型重金屬分省區(qū)排放清單

2011年全國(guó)鋼鐵行業(yè)6種典型有害重金屬Hg、Pb、Cd、As、Cr、Ni大氣排放量分別約為18.8, 3745.8, 39.4,132.2, 241.2, 105.3t,總排放量約為 4282.7t,其中 Pb大氣排放量占總排放量的87.5%.

田賀忠等[22]估算了我國(guó) 2008年燃煤大氣Cd、Cr、Pb排放量分別約為 261.52, 8593.35,12561.77t,與該計(jì)算結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn),鋼鐵行業(yè)鉛大氣排放量較為可觀(guān),其對(duì)周?chē)h(huán)境及公眾健康的危害不容忽視.2011年全國(guó)鋼鐵行業(yè)各省(市、區(qū))重金屬排放清單,如表2.

利用 ArcGIS地理信息系統(tǒng),結(jié)合各省區(qū)鋼鐵企業(yè)活動(dòng)水平及地理分布狀況,對(duì)2011年鋼鐵行業(yè)鉛大氣排放計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了 0.5°×0.5°空間網(wǎng)格化處理,得到網(wǎng)格化排放清單,如圖1所示.

圖1 2011年我國(guó)鋼鐵行業(yè)大氣鉛排放量0.5°×0.5°網(wǎng)格化排放清單(t)Fig.1 Gridded Pb emissions from iron and steel industry in China, 2011 (0.5°×0.5° resolution)

可見(jiàn),中國(guó)鋼鐵行業(yè)有害重金屬大氣排放主要分布在環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈以及長(zhǎng)三角地區(qū).環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈與長(zhǎng)三角地區(qū)是我國(guó)東部人口密集和經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)的地區(qū),同時(shí)也是我國(guó)鐵礦石儲(chǔ)量和鋼鐵冶煉企業(yè)分布較為集中的地區(qū).其中,環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈鐵礦石儲(chǔ)量約占全國(guó)鐵礦石儲(chǔ)量的56.5%,長(zhǎng)三角地區(qū)鐵礦石儲(chǔ)量約占全國(guó)鐵礦石儲(chǔ)量的4.9%[23].

表2 2011年各省(市、區(qū))鋼鐵行業(yè)重金屬排放清單(t)Table 2 Heavy metal emissions in each province in 2011 (t)

環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈、長(zhǎng)三角地區(qū)鋼鐵行業(yè)6種典型有害重金屬排放總量分別約占全國(guó)排放總量的44.4%和16.9%.其中,河北東部及中南部,山東省中西部等鋼鐵冶煉企業(yè)集中的地區(qū)重金屬排放強(qiáng)度較高.

全國(guó)各省(市、區(qū))中河北、山東、江蘇、遼寧、山西5省6種重金屬排放總量占全國(guó)排放總量的約55.9%,其中河北占24.3%,山東占10%,江蘇占9.2%,遼寧占7.1%,山西占5.3%.其余排放量也相對(duì)較大的省區(qū)包括湖北、河南、安徽、上海、江西等.總起來(lái)看,鋼鐵企業(yè)及其重金屬排放主要集中在中東部省區(qū),西部省區(qū)相對(duì)較少.

2.2 2011年鋼鐵行業(yè)不同工序重金屬排放特征

鋼鐵冶煉企業(yè)工序復(fù)雜,不同工序重金屬排放特征不同.2011年我國(guó)鋼鐵行業(yè)煉鋼工藝6種重金屬排放總量占各工序總排放量約 85.7%,對(duì)重金屬大氣排放貢獻(xiàn)明顯,其中,轉(zhuǎn)爐工序6種重金屬排放總量約為3294.2t,約占各工序排放總量的 76.9%.不同工序?qū)χ亟饘俅髿馀欧趴偭康呢暙I(xiàn)率差異較大.

而對(duì)于不同重金屬元素,不同的工序具有不同貢獻(xiàn)率,如圖2所示.可見(jiàn),2011年鋼鐵行業(yè)各主要工序中,轉(zhuǎn)爐工序?qū)ι椤U大氣排放貢獻(xiàn)率較大,電爐工序?qū)τ阪k、鎳大氣排放貢獻(xiàn)率較大.燒結(jié)工序?qū)τ诠髿馀欧啪哂休^高的貢獻(xiàn)率,而煉鐵工藝對(duì)于重金屬大氣排放貢獻(xiàn)率相對(duì)較小.

圖2 2011年我國(guó)鋼鐵行業(yè)不同工序重金屬排放貢獻(xiàn)率Fig.2 Emission contribution ratios of different processes to varied heavy metals in iron and steel industry of China, 2011

對(duì)于Cr、Cd、Ni,電爐工序的排放因子雖然顯著高于轉(zhuǎn)爐工序,但由于2011年中國(guó)轉(zhuǎn)爐鋼產(chǎn)量占粗鋼總產(chǎn)量的89.6%,導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐工序?qū)r、Cd、Ni大氣排放也具有較大的貢獻(xiàn)率.因此,鋼鐵行業(yè)電爐及轉(zhuǎn)爐的應(yīng)用比例調(diào)整可能會(huì)對(duì)鋼鐵行業(yè)重金屬排放特征產(chǎn)生一定的影響.如提高電爐應(yīng)用比例,可能會(huì)有助于降低As、Pb大氣排放,但同時(shí)可能會(huì)提高Cr、Cd、Ni大氣排放量.

對(duì)于 Hg,電爐工序的排放因子顯著高于燒結(jié)及轉(zhuǎn)爐工序,但由于我國(guó)鋼鐵行業(yè)目前主要以鐵礦石作為主要生產(chǎn)原料,因此,燒結(jié)工序活動(dòng)水平較高,導(dǎo)致電爐工序?qū)τ?Hg大氣排放的貢獻(xiàn)率顯著小于燒結(jié)工序.

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,我國(guó)廢鋼產(chǎn)生量將會(huì)不斷增加,以廢鋼為主要原料的電爐煉鋼將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用,而以鐵礦石為主要原料的生鐵、燒結(jié)、轉(zhuǎn)爐等工序的應(yīng)用比例將逐步降低[24];而燒結(jié)、生鐵工序的重金屬排放因子相對(duì)較低,轉(zhuǎn)爐和電爐具有不同的重金屬排放特征,鋼鐵行業(yè)Hg、Cd、Cr、Ni等重金屬元素排放強(qiáng)度將可能增加, As、Pb等重金屬元素排放強(qiáng)度將可能降低.因此,結(jié)合我國(guó)未來(lái)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)鋼鐵的需求和國(guó)際國(guó)內(nèi)鐵礦石資源和市場(chǎng)條件等,控制鋼鐵行業(yè)產(chǎn)能,優(yōu)化調(diào)整鋼鐵行業(yè)產(chǎn)業(yè)和地區(qū)布局;采用先進(jìn)的除塵、脫硫以及專(zhuān)門(mén)的脫除重金屬技術(shù)設(shè)備加強(qiáng)對(duì)鋼鐵行業(yè)煉鋼工藝段重金屬排放的控制;強(qiáng)化廢舊鋼鐵回收,對(duì)廢鋼進(jìn)行合理再利用,以及調(diào)整電爐鋼比等,對(duì)控制中國(guó)鋼鐵行業(yè)有毒有害重金屬大氣排放具有重要意義.需要指出的是,由于目前針對(duì)國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)的實(shí)際測(cè)試相對(duì)較少,缺乏本地化的排放系數(shù),本研究主要參考了國(guó)外的排放因子,估算結(jié)果不確定性相對(duì)較高,因此,需進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)典型鋼鐵企業(yè)各工序的有害重金屬污染排放特征及控制的研究.

3 結(jié)論

3.1 鋼鐵行業(yè)以鉛、砷等為主的重金屬大氣排放具有排放量大、空間分布集中的特點(diǎn),2011年鋼鐵行業(yè) 6種典型有害重金屬排放總量約為4283t,其中鉛大氣排放量約占87.5%.

3.2 鋼鐵行業(yè)典型有害重金屬排放主要集中在煉鋼工序,約占總排放量的 86%.其中,轉(zhuǎn)爐工序?qū)ι?、鉛大氣排放貢獻(xiàn)率較大,電爐工序?qū)τ阪k、鎳大氣排放貢獻(xiàn)率較大.由于電爐與轉(zhuǎn)爐工序具有明顯不同的大氣重金屬排放特點(diǎn),因此,電爐與轉(zhuǎn)爐應(yīng)用比例會(huì)直接影響鋼鐵行業(yè)的重金屬排放總量及其分布特征.

3.3 中國(guó)鋼鐵行業(yè)重金屬大氣排放主要集中在環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈以及長(zhǎng)三角地區(qū),上述地區(qū) 6種典型有害重金屬排放總量約占全國(guó)鋼鐵行業(yè)排放總量的 61.3%.這與我國(guó)鐵礦石儲(chǔ)存分布及鋼鐵冶煉企業(yè)布局密切相關(guān),鋼鐵行業(yè)對(duì)中國(guó)京津冀與長(zhǎng)三角地區(qū)區(qū)域大氣污染貢獻(xiàn)不容忽視.

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