典型工业源基于煤相关工艺环节挥发性有机物的排放特征

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挥发性有机物(VOCs)已成为加剧我国大气复合污染的主要原因。研究表明VOCs是细颗粒物及臭氧(O3)形成的关键前体物,探寻适合本国国情的VOCs治理道路已成为急需解决的问题。化学成分谱有助于研究排放源的化学组成和相对贡献,是进行VOCs排放控制的基础。我国典型排放源VOCs的源成分谱虽已初步建立,但仍有部分工业源谱数据缺失,如:水泥及陶瓷行业等,钢铁冶炼的源谱研究也没有细化到各工艺环节。本研究选取某钢铁厂(出焦、烧结、球团和炼铁高炉)、水泥厂(窑头及窑尾)和陶瓷厂(喷雾干燥塔及烧成窑炉)煤相关工艺环节有组织排放烟气进行了采样测试。主要对各工艺环节浓度水平、源成分谱、排放因子、臭氧生成潜势和防治措施进行了初步探讨,以期完善我国本土化的VOCs源成分谱数据库,识别主要排污环节,为针对性的控制VOCs提供数据支撑。主要结果如下:(1)钢铁厂球团工序(12985.67±4264.14μg/m3)TVOCs的排放浓度最高,其次为烧结(6563.54±520.23μg/m3)、炼铁(2509.63±579.79μg/m3)和出焦(1047.18±73.61μg/m3)工艺过程。水泥厂窑尾烟气(6854.64±2158.62μg/m3)TVOCs浓度水平是窑头烟气的6.8倍。陶瓷厂喷雾干燥及烧成窑炉TVOCs的浓度水平分别为1242.30±993.25μg/m3和2334.91±1050.01μg/m3。相较其他排放源,本研究各工序TVOCs的排放浓度相对较高,需注重其排放控制。(2)钢铁厂出焦烟气中烷烃、烯烃、芳香烃和卤代烃占比相当(21.95~27.12%),其中二氯甲烷(18.32%)、苯乙烯(17.65%)和1-丁烯(14.03%)占比最高;烯烃为烧结(47.42%)和球团(77.98%)工序烟气中主要组分,其中1-丁烯均为最为富集的单体化合物,分别占所测TVOCs的38.94%和72.94%;炼铁高炉烟气中芳香烃(49.25%)占比最高,其中苯乙烯(43.21%)为主要物种。水泥厂窑头及窑尾烟气VOCs各组分占比差异较大:窑头烟气中烷烃(61.24%)占比最高,其中C4-C5(占49.91%)的烷烃为主要物种,而窑尾烟气中1-丁烯(23.28%)、一溴甲烷(14.62%)、乙炔(12.74%)、苯(12.45%)是最为富集的物种。陶瓷厂喷雾干燥塔及烧成窑炉两工序组分特征较为相似:烯烃占比最高(分别为70.84%和76.13%),1-丁烯为主要单体化合物,分别占61.08%和71.65%。(3)钢铁厂烧结、球团和炼铁过程VOCs的排放因子分别为0.006、0.009和0.002g/kg。水泥烧成VOCs的排放因子为0.019 g/kg。陶瓷生产过程VOCs的排放因子为0.278g/m2。(5)本研究各工艺环节VOCs成分谱之间存在一定的差异性(分歧系数CD 0.318~0.675)。从组成特征来看,钢铁、水泥及陶瓷生产各工艺环节与机动车、溶剂使用、石化等相比,1-丁烯含量相对较高,可以为钢铁、水泥及陶瓷生产相关地区VOCs的源解析提供依据。(6)钢铁厂球团工艺TVOCs排放臭氧生成潜势(OFP)量最高(104414.60μg/m3),其次为烧结(37699.01μg/m3)、炼铁高炉(7225.54μg/m3)和出焦(3411.14μg/m3)过程。水泥厂窑尾(23860.97μg/m3)TVOCs排放OFP的量远高于窑头(2127.26μg/m3)。陶瓷厂喷雾干燥和烧成窑炉TVOCs排放OFP的量分别为9222.60μg/m3和18049.36μg/m3。水泥厂窑头烟气烷烃36.03%、烯烃27.48%、芳香烃34.56%对OFP贡献相当,其中异戊烷、1-丁烯和乙烯是贡献最大的三种单体(共占总OFP的56.44%)。剩余7个工艺环节最敏感组分均为烯烃(占比在54.68%~96.37%之间),最敏感单体均为1-丁烯。(7)基于本研究各工序烟气排放流量和VOCs浓度水平,可选取多级吸附浓缩+冷凝回收或吸附浓缩+蓄热式催化燃烧/热力燃烧(RCO/RTO)组合技术进行治理。
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