不同装煤方式和炭化室高度的焦炉周边环境空气总悬浮颗粒物碳组分特征*

张姝婷 刘效峰# 白慧玲 牟 玲 彭 林 王志磊 张大宇

(1.太原理工大学环境科学与工程学院,山西 太原 030024；2.华北电力大学环境科学与工程学院，北京 102206)

随着我国工业的飞速发展，炼焦工业也得到了迅猛发展。山西省是全国最大的焦炭生产地。据《中国统计年鉴-2017》和《山西统计年鉴2017》统计，山西省焦炭产量占山西省一次能源产量的10.77%，占全国焦炭产量的17.79%。

彭林等[1]225研究发现，山西省城市环境空气颗粒物中有机碳(OC)和元素碳(EC)污染较为严重。OC中包含有多种有机污染物，如多环芳烃(PAHs)[2]、多氯联苯(PCBs)[3]、二噁英(PCDD/Fs)[4]等；EC则具有较强的吸附能力，容易成为富集中心和化学反应床[5]。OC和EC可通过呼吸作用进入人体肺部，从而引起各种呼吸疾病[6]。CAO等[7]研究发现，炼焦过程中颗粒物的碳组分排放量远高于燃煤电厂、生物质燃烧及机动车尾气的排放量。因此研究山西省焦炉周边环境空气颗粒物碳组分特征具有现实意义。本研究选取总悬浮颗粒物(TSP)展开研究。

焦炉顶和厂区环境空气中的颗粒物碳组分特征已有相关研究[8]2955，但不同装煤方式和碳化室高度的焦炉周边环境空气TSP中碳组分特征还鲜有人研究。在实际生产中，焦炉的炭化室高度和装煤方式存在很多差异[9]，其对周边环境空气TSP中碳组分的影响也不尽相同。

炭化室高度主要有3.2、4.3、6.0 m等，装煤方式主要有捣固和顶装两种。本研究分析了不同炭化室高度和装煤方式的焦炉周边环境空气TSP中碳组分特征，以期为焦化厂设计、污染预防提供基础资料。

1 样品采集与分析

1.1 样品的采集

在山西省地区选择了4座具有代表性的焦炉作为研究对象，其中炭化室高度4.3 m的焦炉2座，装煤方式分别为顶装和捣固，6.0 m的顶装焦炉和3.2 m的捣固焦炉各1座，煤气和空气供入方式均为下喷式。4座焦炉的基本特征见表1。

表1 焦炉的基本特征

采样点设在焦炉周边炼焦生产区的除尘地面站旁[8]2956,[10]，采样高度为2～3 m，每个样品采集时间为3～4 h，每座焦炉周边采集2～3个样品。利用改良的标准大体积TSP采样器(TH-1000F)采集，滤膜为美国Staplex公司的玻璃纤维滤膜(20.3 cm×25.4 cm)。

1.2 样品的分析测试及数据计算

采样前玻璃纤维滤膜用铝箔包裹后放在500 ℃条件下焙烧5 h，然后放入温度为25 ℃、相对湿度为50%的环境中平衡48 h，采用分析天平(Sartorius LA130S-F)称量采样前滤膜质量。采样后，将滤膜取下，用铝箔包裹后带回实验室用于称量采样后滤膜质量，计算TSP浓度，然后将其放入-20 ℃冰箱中保存，待分析总碳(TC)和OC浓度。

利用德国Elementar公司的碳元素分析仪(vario EL)分析所采集TSP中的TC和OC浓度[11]，EC浓度为TC和OC的浓度之差[12]。总碳气溶胶(TCA)包括有机物(OM)和EC两部分，OM浓度可通过1.6倍的OC浓度换算得到[13-14]。实验室中同时分析空白膜，未检出TC和OC。

2 结果与讨论

2.1 焦炉周边环境空气TSP中碳组分浓度水平

由表2可见，4座焦炉周边环境空气中TSP质量浓度为711.95～2 938.41 μg/m3，其中捣固焦炉周边的TSP浓度高于顶装焦炉，炭化室高度越高，焦炉周边的环境空气中TSP浓度越低。4座焦炉周边环境空气中TC占TSP的质量分数为44.81%～67.45%，均值为56.50%，普遍高于城市环境空气中TC在颗粒物中的质量分数[1]224，甚至比受交通源影响的环境空气中还高[15]。由此说明，TC是焦炉周边环境空气TSP中的主要污染物。其中，OC、EC的质量浓度分别为189.45～595.90、285.38～806.71 μg/m3，均值分别为440.66、521.15 μg/m3，分别占TC均值的质量分数为46%、54%。与燃煤电厂相比，焦化厂的EC占比更高，原因是燃煤电厂煤炭的完全燃烧程度较高，而炼焦过程是在隔绝空气的高温条件下热解，不完全燃烧产生的EC较多[16],[17]75。不同焦炉周边环境空气TSP中OC、EC浓度分布情况与TSP基本一致，牟玲[17]84研究发现的炭化室高度越高，焦炉烟气中OC、EC的排放因子越低，也支撑了这一结论。因此，为改善焦炉周边环境空气质量，可以通过增高炭化室高度和改捣固装煤方式为顶装装煤方式来实现。4座焦炉周边环境空气TSP中TCA质量浓度为588.50～1 727.85 μg/m3，均值为1 239.82 μg/m3，占TSP的质量分数为58.51%～87.51%，均值为71.87%，高于煤层自燃区[18]和城市环境空气[1]224,[19-20]。

表2 不同焦炉周边环境空气TSP中碳组分质量浓度

2.2 焦炉周边环境空气TSP中OC和EC质量比(OC/EC)

OC/EC是研究环境空气中颗粒物二次来源的常用参数[21]，本研究中4座焦炉周边环境空气TSP中，OC/EC为0.66～1.04，均值为0.85，YC(1.04)>YW(0.98)>YM(0.71)>AC(0.66)。CHOW等[22]认为，OC/EC>2时存在二次污染，本研究中不同焦炉周边环境空气中OC/EC均未超过2，说明焦炉周边环境空气中碳组分以一次污染为主。

表3列出一些城市环境空气TSP中OC、EC质量浓度及OC/EC。焦炉周边环境空气中OC、EC浓度远远高于城市环境，以地理位置相对较近的石家庄市[23]为例，焦炉周边环境空气中的OC、EC平均浓度分别是石家庄市环境空气中的35.34、64.10倍。北京市环境空气TSP中的OC/EC与本研究相差最大[24]，主要原因是北京市主要以二次污染为主[26]。

表3 城市环境空气TSP中的OC/EC

2.3 不同焦炉周边环境空气TSP中碳组分分歧系数

分歧系数一般用于源成分谱相似程度的分析[27-29]，最早应用于生物学，近年来较多应用于气溶胶分析，其计算公式如式(1)[30]所示。分歧系数为0～1，越接近于0，说明两个成分谱之间越相似；越接近于1，说明两成分谱之间差异越大。姬亚芹[31]和KONG等[32]均认为，分歧系数0～0.2两个成分谱必定相似；>0.2～0.5可能相似；>0.5～1.0必定不相似。

(1)

式中：CDjk为焦炉j和焦炉k周边环境空气TSP中碳组分的分歧系数；xji、xki分别为焦炉j和焦炉k周边环境空气TSP中碳组分i(包括TC、OC和EC)的质量浓度，μg/m3；i为碳组分序号；P为碳组分总数，本研究中为3。

由表4可以看出，本研究4座焦炉周边环境空气TSP中分歧系数为0.092～0.490，均低于0.5，因此总体来说4座焦炉周边环境空气TSP中碳组分有一定的差异。将分歧系数与装煤方式和炭化室高度结合分析发现，炭化室高度均为4.3 m的捣固焦炉YW与顶装焦炉YC的分歧系数为0.208，二者碳组分差异较小；装煤方式相同、炭化室高度不同的AC与YC和YW与YM的分歧系数分别为0.266、0.092，碳组分也差异不大；装煤方式和炭化室高度都不相同的焦炉间的分歧系数更接近0.5，差异相对较大。由此可见，装煤方式和炭化室高度都对焦炉周边环境空气TSP中碳组分的分布有一定影响，特别是装煤方式和炭化室高度都不同的焦炉周边环境空气TSP中碳组分差异较大。

表4 不同焦炉周边环境空气TSP中碳组分的分歧系数

3 结 论

(1) 4座焦炉周边环境空气中TSP质量浓度为711.95～2 938.41 μg/m3，其中OC、EC的质量浓度分别为189.45～595.90、285.38～806.71 μg/m3，TC占TSP的质量分数为44.81%～67.45%。捣固焦炉周边的TSP及其碳组分浓度高于顶装焦炉，炭化室高度越高的焦炉周边环境空气中TSP及其碳组分浓度越低。

(2) 4座焦炉周边环境空气TSP中OC/EC为0.66～1.04，均小于2，说明焦炉周边环境空气中碳组分以一次污染为主。

(3) 4座焦炉周边环境空气TSP中碳组分的分歧系数为0.092～0.490，均小于0.5，总体来说装煤方式和炭化室高度都对焦炉周边环境空气TSP中碳组分的分布有一定影响，特别是装煤方式和炭化室高度都不同的焦炉周边环境空气TSP中碳组分差异较大。