京津冀地区典型水泥生产线的P P M M22..55排放量研究

朱金波，肖静，张明飞，俞为民，马娇媚，刘宇

京津冀地区典型水泥生产线的P P M M22..55排放量研究

朱金波11，肖静11，张明飞11，俞为民11，马娇媚11，刘宇22

本文以京津冀地区三条典型的水泥生产线为例，依据EPA 201A方法检测了水泥正常生产过程中的PM2.5排放量，得出所测水泥企业窑头PM2.5排放因子分别为0.019、0.059g/t熟料，窑尾排放因子分别为13.272、0.206、2.909g/t熟料，水泥磨排放因子分别为0.484、0.208g/t水泥，煤磨排放因子分别为3.703、0.155g/t煤粉。本文为水泥行业PM2.5排放的研究提供了基础数据和初步结论。

PM2.5；水泥；排放因子

近年来，大气灰霾现象在我国日益严重，受到公众、媒体和政府的高度关注。由于受产业结构、人口密度和气候条件等因素的影响，京津冀地区的灰霾现象最为突出。研究表明，大气灰霾现象与大气中的PM2.5含量密切相关。所谓PM2.5，是指大气中空气动力学直径≤2.5μm的颗粒物，也称为细颗粒物。虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。粒径＞10μm的颗粒物，会被挡在鼻子外面；粒径在2.5～10μm的颗粒物，能够进入上呼吸道，但部分可通过痰液等排出体外；而粒径＜2.5μm的细颗粒物，会直接进入肺部，干扰肺部的气体交换，引发包括哮喘、支气管炎和心血管病等方面的疾病。与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，富含大量的有毒有害物质，且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。

水泥工业由于其成品和半成品主要以粉状形式存在，而且其总量大，并伴有煅烧生产过程，因此被认为是PM2.5的重要排放源之一。2013年以来的数次灰霾灾害，水泥行业首当其冲地受到了地方政府的限产、停产。这种临时性的政策措施虽迫不得已，但也存在不合理性，导致无论是环保投入较高的水泥厂，还是环保投入不足的落后产能，都被一刀切的限产、停产，周边未受政策影响的落后水泥产能反而可能由此受益。因此，有必要研究我国水泥行业的PM2.5排放现状，并据此制定相应的减排政策和标准，引导水泥企业加大环保投入，并淘汰环保不达标的落后水泥产能。

1　我国水泥行业PM2.5排放量的研究现状

在我国水泥行业PM2.5排放量的研究方面，张强等［1］估算出2001年水泥行业PM2.5的排放量约为436万吨，占全国排放总量的35%，是最大的PM2.5排放源。雷宇等［2］通过大气颗粒物排放模型，得出1997、2001、2004年全国水泥行业PM2.5排放量分别为436、343、367万吨。张楚莹等［3］利用排放因子法，得出2005年工业过程源对PM2.5的贡献率为65%，其中78.5%来自水泥生产。但这些均是在一定假设条件下的估算，且所依据的一些基础数据多来自上世纪90年代的文献资料，不能体现当前的水泥行业PM2.5排放水平。

近年来，在水泥行业PM2.5排放的实测研究方面，马静玉［4］使用颗粒物分级采样仪（LPI）、铝膜及Teflon膜对水泥厂窑头、窑尾、煤磨和水泥磨等工序进行颗粒物样品采集，得出所测企业窑头PM2.5排放因子分别为0.06、0.15kg/t熟料，窑尾排放因子分别为0.04、0.20、0.45kg/t熟料，水泥磨排放因子分别为0.000 2、0.003kg/t水泥，煤磨排放因子分别为0.000 2、0.002kg/t煤粉。田立柱等［5］采用Dekati公司制造的荷电低压颗粒物撞击器（ELPI）对北京典型水泥厂的PM2.5排放量进行了测量，得出了某所测水泥窑的PM2.5排放因子（窑头与窑尾排放因子相加）为0.013 1kg/t熟料，煤磨的PM2.5排放因子为0.008 3kg/t煤粉。

总体而言，有关我国水泥行业PM2.5排放的实测研究相对较少，测量方法尚待摸索验证，数据积累也很不充分。本文所开展的京津冀地区典型水泥生产线PM2.5排放量研究，是对我国水泥行业PM2.5排放实测研究的重要推进。

2　固定源PM2.5的检测方法

有组织排放是水泥行业PM2.5排放的主要组成部分，因此本文主要开展水泥厂固定源PM2.5的排放检测。目前，美国国家环境保护局（US EPA）、美国材料测试协会（ASTM协会）以及国际标准化组织（ISO）发布了多种适合水泥生产线的PM2.5超细颗粒物标准测试方法，相关测试方法的详细介绍见张明飞等［6］的专题文章，本文不再赘述。根据采样原理的不同可分为直接采样法和稀释采样法两类。属于直接采样法的有：EPA 201A、EPA202、OTM027、OTM028和ISO23210：2009法；属于稀释采样法的有：EPA CTM-039、ASTM WK8124以及ISO25597：2013。本文主要采用比较成熟的EPA 201A方法，并在个别测点采用稀释采样法EPA CTM-039做对比。

图1　EPA 201A采样法的原理示意图

表1　A厂PM2.5检测结果

EPA 201A是一种等速平行采样法，其原理见图1。通过等速采样嘴进入采样管的烟气首先经过Ⅰ级大颗粒分割器，去除粒径＞10μm的颗粒物，再经由Ⅱ级颗粒分割器去除粒径2.5～10μm的颗粒物，最后由滤膜来收集PM2.5超细颗粒物，通过测量收集到的PM2.5超细颗粒物的质量计算得到PM2.5一次固态超细颗粒物浓度。

3　水泥PM2.5排放量的检测结果与分析

笔者自2014年9月至12月分别对京津冀地区三家水泥厂的窑尾、窑头、煤磨和水泥磨的排气PM2.5进行了采样，各测点均经过了袋式收尘器除尘，其PM2.5检测结果分别见表1、表2和表3。其中部分测点采用了直接采样法和稀释采样法进行对比采样，稀释采样法的稀释比为20倍，直接采样法的稀释比以0表示。从测量结果看，各厂各测点的PM2.5平均浓度均很低，其中PM2.5排放浓度最高的A厂窑尾烟囱也仅3.545mg/m3（标）。

表2　B厂PM2.5检测结果

表3　C厂PM2.5检测结果

根据各测点的PM2.5浓度、风量及系统产量，可以折算出系统的PM2.5排放因子，见表4。将本项目的PM2.5排放因子与马静玉［4］和田立柱等［5］的研究结果进行对比，见表5。由表5可见，各方的检测结果差异较大，这不仅与所选择的水泥生产线的实际排放情况有关，也与各自采用的检测方法与仪器不同有关。马静玉测得的水泥厂PM2.5排放因子较高，而本文与田立柱等所测的水泥厂PM2.5排放因子均相对较低。

表4　三家水泥厂PM2.5排放因子的核算

表5　水泥厂PM2.5排放因子的对比

表6　全国水泥行业PM2.5排放总量的估算

假设全国熟料平均实物煤耗为0.14t/t熟料，据此煤磨的PM2.5排放因子可以折算到以单位熟料为基准。以2013年全国熟料产量13.61亿吨，水泥产量24.14亿吨为基准，则单位熟料PM2.5排放因子及全国水泥行业PM2.5排放总量估算见表6。按马静玉的排放因子核算出的全国水泥行业PM2.5排放总量最大，为460 069t；按田立柱等的排放因子核算出的全国水泥行业PM2.5排放总量为17 278t；按本文的排放因子核算出的全国水泥行业PM2.5排放总量仅为8 690t。由于本文所选水泥生产线的环保指标较先进，造成本文核算出的水泥行业排放总量偏低。尽管以所列少量水泥厂的PM2.5测试结果推算全国水泥行业PM2.5排放总量尚缺乏数据样本的充分性，但本研究所采用数据均基于实测。而以往的文献报道中普遍认为水泥行业PM2.5排放量在300万吨以上，均缺乏实测数据的支撑，其所参考的排放因子均依据上世纪90年代的文献资料，当时的水泥行业收尘及其他环保措施十分落后。近十几年来，水泥生产技术突飞猛进，环保指标不断改善。本研究认为，目前水泥行业的PM2.5排放量远低于以往所认为的水平。

4　结论

本文对京津冀地区三家水泥厂的固定源进行了PM2.5采样分析，得到了PM2.5浓度及排放因子。所测水泥企业窑头PM2.5排放因子分别为0.019、0.059g/t熟料，窑尾排放因子分别为13.272、0.206、2.909g/t熟料，水泥磨排放因子分别为0.484、0.208g/t水泥，煤磨排放因子分别为3.703、0.155g/t煤粉。通过本文的研究可知，采用先进袋收尘器的新型干法水泥厂，其PM2.5排放浓度均低于以往的文献报道。本文测算出的水泥行业PM2.5排放因子可作国家和行业政策、标准制定的参考。

［1］张强，Klimont Zbigniew，David G.Streets，霍红，贺克斌.中国人为源颗粒物排放模型及2001年排放清单估算［J］.自然科学进展，2006，16（2）：223-231.

［2］雷宇，贺克斌，张强，刘作毅.基于技术的水泥工业大气颗粒物排放清单［J］.环境科学，2008，29（8）：2366-2371.

［3］张楚莹，王书肖，赵瑜，郝吉明.中国人为源颗粒物排放现状与趋势分析［J］.环境科学，2009，30（7）：1881-1887.

［4］马静玉.水泥行业大气污染物排放特征研究［D］.邯郸：河北工程大学，2010.

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

［6］张明飞，朱金波，马娇媚，贺孝一.新型干法水泥生产线PM2.5超细颗粒物排放测试方法研究［J］.环境工程，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

通讯地址：1天津水泥工业设计研究院有限公司，天津300400；2中国环境科学研究院，北京100012；

2015-03-19；编辑：吕光