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。