刘燕军

（河北邢台德龙钢铁有限公司 , 河北 邢台 054009）

摘　要：在我国加快城市化和工业化的进程中，因为 VOC 8 、NO X 、SO X 、汽车尾气、工业粉尘、工业烟尘等大气污染物的大量排放造成 PM 2.5 的污染问题越发严重。本文通过 ELPI（静电低压撞击器）分析高炉炼铁工艺中细颗粒物 PM 2.5 的质量浓度和粒径等排放特性。分析结果表明，矿槽除尘之后 PM 2.5 的粒数浓度大概在 10 ⁵ cm ^-3 左右，其颗粒物的主要粒径低于 1μm，质量浓度的分布是单峰；而出铁场进行除尘之后 PM 2.5 的粒数浓度大概在 10 ⁶ cm ^-3 左右，其颗粒物的粒径比 0.1μm 要小。

关键词：高炉炼铁；细颗粒物；排放特性 PM 2.5

0　引言

细颗粒物 PM 2.5 也可以被称为是可入肺颗粒物，主要指的是直径小于和等于 2.5μm 的大气颗粒物，其具有较为复杂的化学成分，不但会使大气可见度降低，也会危害人体健康。近几年，细颗粒物的污染更加严重，受到社会广泛关注。为了保护环境，不少国家多在大气环境的质量标准中明确要求了 PM 2.5 的排放问题。钢铁冶炼是大气污染的一个大户，其中主要的废气排放就是 PM 2.5 颗粒物，应该对其排放特性进行研究，从而做好减排工作。

1　研究材料和设备

本文选择的采样点是 1000m³ 高炉生产工艺中，细颗粒物 PM 2.5 的排放特性。采样位置是高炉出铁场除尘之后和矿槽除尘之后，采用的废气治理技术主要是布袋除尘。

在研究 PM 2.5 排放中分析内容和分析仪器主要是：利用 ELPI（荷电低压颗粒物撞击器）分析 PM 2.5 的粒径分布；利用离子色谱仪分析水溶性离子；利用电感耦合等离子体发射光谱仪和双道氰化物发生电子荧光光度计分析主量元素和痕量元素；利用热光碳分析仪分析 EC和 OC；利用 SEM 分析形貌。

1.1　分析方法

现场采集样品中，利用聚氨碳酸酯滤膜、Tefon 膜、石英膜分别实施等速采样^[1] 。利用荷电低压颗粒物撞击器对各个污染点源的细颗粒物 PM 2.5 浓度、粒径分别实施在线监测。　　

其中石英膜的样品主要用在 EC 和 OC 分析中，其具体操作是：把采集到的石英滤膜剪为条状的碎片，将其放到干净的10毫升试管中；在试管中加入 5 毫升高纯的去离子水将滤膜完全淹没，超声提取三十分钟，利用微孔滤膜对提取液实施过滤。之后重复一次以上步骤，合并两次滤液，用于 EC 和 OC 分析。

Tefon 膜样品主要用在分析主量元素和痕量元素中，其具体步骤是：把采样滤膜剪碎之后置于消解罐里，将氢氟酸 0.5ml、盐酸 3ml、硝酸 6 毫升放进消解罐里，摇匀之后将消解罐封闭；之后，把消解罐放到微波加速反应设备里，与压控、温控传感器相连，对微波消解程序进行设置，试验的主要是温控，辅助是压控，在消化完后等消解罐中的温度降低到室温之后，把消解罐取出来，把里面的溶解倒进烧杯中。电热板上实施低温赶酸之后，将其转移到容量瓶中，用蒸馏水对器皿进行冲洗，摇均匀后分析主量元素和痕量元素。

聚氨碳酸酯滤膜的样品主要用在分析颗粒形貌和水溶性的离子组分中。通过扫描电镜对颗粒物的形貌进行分析，采用的工作距离大概为 6.5 毫米，15 千伏的工作电压。把采集滤膜剪为条状的碎片，放到干净的 10ml 试管中，将加进高纯的去离子水 5ml，把滤膜完全淹没，实施 30 分钟的超声提取，用 0.25μm 的微孔滤膜对提取液实施过滤。重复一次以上的步骤，合并收集的两次滤液，并分析水溶性的离子组合，其中对阳离子进行分析的是 CS17 分析柱，CSRS 的抑制器；对阴离子进行分析的是 AS11-HC 分析柱，ASRS 抑制器^[2] 。

2　高炉炼铁工艺细颗粒物 PM 2.5 排放特性

2.1　PM 2.5 的粒径和浓度

通过荷电低压颗粒物撞击器的分析发现，高炉出铁场在除尘之后，PM 2.5 粒数的浓度是随着粒径的增加而呈现单调的递减，高炉炼铁工艺的规模不同，其出铁场在除尘之后的 PM 2.5 粒数浓度大概在 10 ⁶ cm ^-3 范围之内。颗粒物的颗粒不断增大而粒数浓度跟着减小，粒数浓度的排放由粒径比 0.1μm 小的颗粒所决定。所以，出铁场向外排放的大部分是小于 0.1μm 的细颗粒物 PM 2.5 。　　

高炉矿槽在除尘之后 PM 2.5 的粒数浓大概在 10 ⁵ cm ^-3 范围之内，其PM 2.5 粒数浓度主要决定于小于 0.1μm 粒径的颗粒，粒径在 0.1μm 到1μm 的细颗粒物浓度相对而言也比较大^[3] 。因此，高炉矿槽在除尘之后 PM 2.5 粒数浓度大小由小于 1μm 的细颗粒物浓度所决定，产生高炉矿槽粉尘的环节主要是高炉原料的转运加料与渣沟，包括熟矿原料、原始原料的投料和转运过程中出现的扬尘。

2.2　PM 2.5 细颗粒物的化学组成

在高炉矿槽和出铁场进行除尘之后，对 PM 2.5 的化学组成进行分析，主要包括水溶性离子（Ca ²⁺ 、Mg ²⁺ 、Na ⁺ 、K ⁺ 等阳离子和 Br ^- 、SO₄ ^2- 、NO^{3 -} 、Cl ^- 、F ^- 等阴离子）、主量元素（Mg、K、Na、Ca、Fe等）、痕量元素（Fe、Mn、Se、As 等） [4] 。出铁场和矿槽中 PM 2.5 水溶性离子的浓度高低基本上是一致的，NH₄ + <NO₃ - <Mg₂+ <Na⁺ <F^- <Cl ^-<Ca²⁺ <K + <SO₄ ^2- 。SO₄^2- 的含量最高在 10% 到 28% 之间，其次是 K⁺ 在10% 到 12% 之间，第三是 Ca²⁺ 在 4% 到 15% 之间，这主要是因为高炉炼铁中燃料煤种有较高的含硫量。PM 2.5 细颗粒物中大部分 NO^{3 -} 和SO₄^2- 是在 NO_X 和 SO² 气体氧化而形成的。总体而言，PM 2.5 中的主要元素成分依据含量大小分布是：EC<AI<OC<Si<Ca²⁺ <K + <SO₄^2- <Fe。

2.3　分析 PM 2.5 单体的颗粒形貌

分析高炉各点位颗粒物的微观形态，发现排放的颗粒物主要包括粉末状、不规则块状、凝聚态颗粒和球状颗粒等颗粒构型。出铁场中PM 2.5 的颗粒形态通常是不规则颗粒和球型颗粒，球型颗粒的表面比较粗糙，而不规则颗粒是呈现为絮状。矿槽中 PM 2.5 的颗粒形态主要是非球形不规则颗粒和球型颗粒，粉末颗粒或不规则颗粒通常因原料破碎产生，也和燃煤电厂、燃油厂排放的 PM 2.5 在物理化学上有相似的特性。

3　结语

高炉出铁场在除尘之后的 PM 2.5 粒数浓度在 10 ⁶ cm ^-3 范围中，主要细颗粒物要小于 0.1μm；高炉矿槽在除尘之后的 PM 2.5 粒数浓度在10 ⁵ cm ^-3 范围中，其细颗粒物小于 1μm。高炉矿槽和出铁场除尘之后的PM 2.5 质量浓度都是单峰分布。在高炉炼铁中 PM 2.5 的单体颗粒形态通常是不规则颗粒和球型颗粒。钢铁企业要对 PM 2.5 的排放情况有全面了解，从而做好降低排放的有效措施，降低炼铁所造成的污染。

参考文献：

[1] 范真真 , 赵亚丽 , 赵浩宁等 . 高炉炼铁工艺细颗粒物 PM 2.5 排放特性分析 [J]. 环境科学 ,2014(09):3287-3292.

[2] 赵浩宁 . 黑色金属冶炼 ( 钢铁 ) 行业细颗粒物 PM 2.5 排放特性及减排策略研究 [D]. 华北电力大学 ( 保定 ) 华北电力大学 ,2014.

[3] 梁兴印 , 张玉凤 , 赵大琛等 . 黑色金属冶炼行业 PM 2.5 排放特性研究 [J]. 实验技术与管理 ,2013(09):43-46.