1 引言(Introduction)

伴随着经济高速发展和城镇化进程的加快，我国大气污染形势日益严峻，已成为制约我国经济和社会可持续发展的重要瓶颈.其中，大气颗粒物是当前影响我国城市空气质量的主要污染物. 2014年，161个开展空气质量新标准监测地级及以上城市中，粗颗粒物(PM₁₀)未达标的城市占78.3%，细颗粒物(PM_2.5)未达标的城市占88.8%(MEP，2015).颗粒物中危害最大的是细颗粒物(PM_2.5)，能够危害人体健康和降低能见度，并有可能通过长距离传输影响区域空气质量(Wang et al.，2012; Voorhees et al.，2014).

钢铁工业具有高污染、高耗能的特性.作为国民经济的重要支柱产业，我国钢铁产量多年来持续快速增长，其生产过程对大气环境污染具有相当可观的影响(Yin et al.，2013).根据环境统计年报显示，黑色金属冶炼及压延加工业是我国第三大工业烟粉尘排放部门，年排放量达193.5×10⁴ t，占重点工业企业排放的17.7%(MEP，2014).

综合利用排放清单、空气质量模拟以及地面和卫星观测等手段，研究大气颗粒物尤其是细颗粒物对区域环境的影响，并将其用于空气质量管理决策，已成为当前大气环境研究的热点.由清华大学开发的中国多尺度排放清单模型MEIC(Multi-resolution Emission Inventory for China)是近年来我国区域大气污染研究中应用最为广泛的排放清单之一(Zhang et al.，2007; Streets et al.，2009; Zheng et al.，2014).然而，目前的排放清单(Klimont et al.，2002; Lei et al.，2011)对钢铁工业的排放源分级仅细化到工艺类型(烧结、球团、炼铁、炼钢等)，未对各项工艺的不同排放节点(即尘源点)进行区分.由于钢铁生产的各项工艺过程均具有颗粒物排放节点多、各个节点排放特征差异大的特点(EPA，2009；汪旭颖，2014)，对各节点排放情况缺乏细致划分的清单并不能有效估计不同控制措施对颗粒物排放量的影响，难以为钢铁工业颗粒物排放控制政策的制定提供充分的科学支持.

鉴于此，本研究在对我国钢铁工业工艺分布、除尘设施的应用调研基础上，建立了一个细化到排放节点的自下而上颗粒物排放计算模型，利用该模型估算了2006—2012年我国钢铁工业各种粒径范围颗粒物(TSP、PM₁₀和PM_2.5)的排放量，并探讨了不同的颗粒物控制措施对我国钢铁工业大气颗粒物排放特征的影响.

2 方法(Methodology) 2.1 研究方法

建立一个列表模型，采用自下而上的方法计算中国钢铁工业工艺生产过程的大气颗粒物排放量.模型将颗粒物分为PM_2.5、PM_2.5~10和PM_>10粒径范围，分别计算其排放量.计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，i为省(自治区、直辖市)；y为粒径范围；m为钢铁生产工艺类型；E_i，y为i地区钢铁工业粒径范围为y的颗粒物排放量；Α_i，m为i省m工艺对应的产品产量；ef_m，y为m工艺下粒径范围为y的颗粒物的排放系数. ef_m，y，nf为m工艺下粒径范围为y的颗粒物的有组织排放系数；ef_m，y，f为m工艺下粒径范围为y的颗粒物的无组织排放系数.p为m工艺生产过程排放颗粒物的节点；c为烟气捕集设施类型；d为除尘器类型；ef_m，p为m工艺p排放节点的TSP产污系数; f_m，p，y为m工艺p排放节点所产生的总颗粒物中粒径范围为y的颗粒物所占比例；C_{m，p，c，d}为颗粒物控制措施(烟气捕集设施类型为c，除尘器类型为d)在生产工艺m的排放节点p中的应用比例；γ_c为烟气捕集设施类型c对烟气的捕集率；η_d，y为除尘器类型d对于粒径范围y的颗粒物的去除效率.

模型研究范围为我国31个省、自治区和直辖市(未包括台湾和香港)，计算了2006—2012年钢铁工业一次颗粒物不同粒径范围(TSP、PM₁₀、PM_2.5)的排放量.根据我国钢铁工业的生产工艺现状，模型研究的生产工艺包括烧结、球团、高炉炼铁、转炉炼钢以及电炉炼钢5项，各项工艺的颗粒物重要排放节点共计15处，详见表 1.颗粒物排放控制技术考虑了布袋除尘器、静电除尘器、湿式除尘器、机械除尘器4种除尘器，以及相关的烟气捕集设备.

2.2 模型参数的确定 2.2.1 活动水平

模型需要输入钢铁工业的活动水平，即生产过程中各项工艺的产品产量，包括烧结矿、球团矿、生铁、转炉钢以及电炉钢.根据《中国统计年鉴》、钢铁协会统计资料以及相关文献(姜涛等，2012；许满兴，2012)，得到我国2006—2012年钢铁工业各类产品的分省产量及总产量.

2.2.2 颗粒物产生系数

钢铁的生产流程长，包括烧结(球团)、炼铁、炼钢、连铸以及轧钢等多项工艺，具有排放源数目多、点源面源共存的特点.其中，烧结(球团)、炼铁以及炼钢是钢铁工业最重要的颗粒物产生环节.

通过文献调研，获取钢铁工业各项工艺生产过程中主要排放节点的颗粒物产生系数，以及不同排放节点所产生的颗粒物中不同粒径颗粒物所占的质量分数，如表 1所示.表中所展示的模型参数主要来自国家环境保护部2010年工业污染物排放系数手册、欧盟2012年钢铁行业最佳可用技术手册以及美国环境保护署AP42钢铁行业2009年动态更新手册等各国公布的有关钢铁行业颗粒物排放的最新研究成果，基本可以代表国内外钢铁行业颗粒物排放特征研究的最新进展.

2.2.3 颗粒物去除效率

钢铁生产工艺过程的除尘措施包括烟气捕集设备和除尘器的使用.模型采用烟气捕集设备和除尘器对颗粒物的综合去除效率作为输入参数.在我国，自20世纪80年代以来，机械除尘器、湿式除尘器、静电除尘器和布袋除尘器已先后广泛应用于钢铁生产过程的烟粉尘排放控制.通过文献调研(EPA，2009；Lei et al.，2011)、专家交流以及钢铁企业实地调查等方式，确定不同除尘器的颗粒物去除效率以及不同烟气捕集措施的烟气捕集率.

2.2.4 除尘技术分布

“十一五”期间，国家环境保护部以及钢铁工业大气污染物排放标准烧结(球团)、炼铁和炼钢编制组分别对钢铁工业的烟粉尘排放控制情况开展过系统测试和调研(鞍钢，2007；中钢，2007；宝钢等，2007；MEP，2010).参考其调查结果，并结合不同文献对我国钢铁工业除尘技术发展情况的报道(胡学毅等，2004；梁广等，2005；马京华，2009；王永忠等，2009；中国金属学会等，2012)，研究确定2006—2012年钢铁工业除尘技术的应用比例分布情况. 图 1~3给出了模型中使用的烧结、炼铁以及炼钢过程重点排污环节的除尘技术分布.

本研究对2006—2012年钢铁工业除尘技术分布的影响因素从污染物排放标准、工艺设备淘汰更新两方面进行考虑：①我国钢铁工业的大气污染物排放标准(GB28662—2012、GB28663—2012、GB28664—2012)于2012年首次发布.在此之前，钢铁工业执行《工业窑炉大气污染物排放标准》(GB 9078—1996)，颗粒物排放浓度要求较为宽松(100~300 mg·m^-3左右).根据现场调查和实测结果(鞍钢，2007；中钢，2007；宝钢等，2007)，采用机械或湿式等低效除尘器的企业也可实现达标. 2012年颁布的新标准(GB28662—2012、GB28663—2012、GB28664—2012)大幅收紧了排放浓度限值(20~50 mg·m^-3左右).在更为严格的排放标准驱动下，钢铁工业除尘技术水平会得到显著提升.②《产业结构调整目录(2011年本)》对钢铁工业的落后产能提出了明确规定.在模型中同时考虑落后产能淘汰导致生产设备规模分布更迭而引起的除尘技术比例变化.

3 结果与讨论(Results and Discussion) 3.1 颗粒物排放系数

根据不同除尘措施的应用情况，本研究通过模型计算了2006—2012年钢铁工业的颗粒物排放系数，并将计算得到的TSP有组织排放系数与相关统计数据进行了比较，如图 4和5所示.模型计算结果显示，2006—2012年期间，我国钢铁工业颗粒物排放系数逐年下降，TSP排放系数从2006年的9.63 kg·t^-1粗钢降低到2012年的7.75 kg·t^-1粗钢，降低幅度为19.5%；PM_2.5、PM_2.5~10和PM_>10的排放系数分别降低了21.2%、19.3%和19.0%.烧结、球团、高炉炼铁以及转炉炼钢环节的颗粒物控制水平得到有效提高，TSP排放系数分别降低了24.5%、32.4%、20.8%以及17.2%.

按照国家的产业结构调整要求，2011年底前淘汰全部8 m²以下球团竖炉、400 m³及以下炼铁高炉、30 t及以下转炉电炉，2013年底前淘汰90 m²以下烧结机.这些落后生产设备的淘汰致使钢铁工业的颗粒物排放系数在2012年显著降低.

钢铁企业的颗粒物排放系数与产能规模具有一定相关性(周文彬等，2008)，小型企业由于生产技术、污染物控制技术以及管理水平偏低，其污染物排放系数往往高于大中型企业.模型的2006—2007年结果与钢铁工业环境统计数据(a)和钢铁工业协会大中型企业统计数据(b)显示的情况较为接近，但随着时间的推移，模型计算得到的排放系数降低速度低于a和b，这可能是由于a和b的统计范围为重点钢铁生产企业，缺失了一些规模小、排放恶劣、除尘技术更新改造速度滞缓的生产企业.

3.2 颗粒物排放量

根据本研究建立的模型，计算得到的2006—2012年我国钢铁工业一次颗粒物排放量以及各工艺过程的排放分布如图 6和图 7所示. 2006年至2011年期间，钢铁工业一次颗粒物排放量持续增加，2011年TSP排放量达到602×10⁴ t，其中PM₁₀排放量为200×10⁴ t，PM_2.5排放量为124×10⁴ t；2012年钢铁工业一次颗粒物排放量与2011年相比有所减少，TSP排放量为561×10⁴ t，其中PM₁₀排放量为187×10⁴ t，PM_2.5排放量为116×10⁴ t.

2006—2011年间，钢铁产量持续大幅增长致使钢铁工业一次颗粒物排放量在排放系数不断降低的情况下仍然逐年增加.随着国家对落后产能淘汰力度的加强，大批小规模高炉、转炉、电炉以及烧结机等落后生产设备的淘汰是2012年钢铁工业一次颗粒物排放量出现下降的关键原因.

我国于2012年颁布钢铁工业大气污染物排放标准，大幅收紧了对烧结机头、机尾、高炉出铁场、转炉一次烟气以及电炉等钢铁工业有组织源的颗粒物排放限值，排放浓度标准从100~300 mg·m^-3加严到了20~50 mg·m^-3，重点控制地区执行更严格的特别排放限值.钢铁工业新标准的实施可促使排放不能达标的有组织源进行除尘技术更新或改造，从而显著减少颗粒物的有组织排放.

根据模型计算显示，2012年我国钢铁工业一次TSP排放量中的有组织排放占25.5%，无组织排放占74.5%；PM₁₀的有组织排放占37.2%，无组织排放占62.8%；PM_2.5的有组织排放占39.5%，无组织排放占60.5%.以上估算结果说明，除了不断加严对有组织源的管控之外，实现颗粒物无组织排放的有效削减，对于钢铁工业颗粒物排放控制也具有十分重要的意义.

3.3 颗粒物排放地理分布

利用本研究的模型估算得到2006—2012年我国各省钢铁工业一次颗粒物排放量.如图 8所示.分省的排放量结果显示：一方面，我国钢铁产业集中度整体偏低，钢铁行业污染物排放源分布较为分散.除北京、海南和西藏3个省(直辖市、自治区)之外，其余28个省(直辖市、自治区)均有钢铁工业的分布，其中，一次颗粒物年排放量达到×10⁴ t以上的省(直辖市、自治区)有26个，×10⁵ t以上的省(直辖市、自治区)有16个.另一方面，我国钢铁行业颗粒物排放强度分布不均衡.河北、山东、江苏、辽宁、山西是我国钢铁工业大气颗粒物排放量最大的5个省，排放强度远高于其他省份，这5个省的排放量占全国总排放量的百分比在2006—2012年间维持在54%~58%左右.

4 结论(Conclusions)

1) 2006—2012年期间，我国钢铁工业颗粒物控制水平不断提高，一次颗粒物排放系数由9.63 kg·t^-1粗钢降低到了7.75 kg·t^-1粗钢；PM_2.5、PM_2.5~10和PM₁₀的排放系数分别降低了21.2%、19.3%和19.0%.落后产能淘汰对钢铁工业颗粒物排放系数降低具有显著影响.

2) 我国钢铁工业一次颗粒物排放量在2006—2011年持续增长，2011年TSP排放量达到602×10⁴ t，PM₁₀排放量为200×10⁴ t，PM_2.5排放量为124×10⁴ t；2012年出现下降，TSP排放量为561×10⁴ t，PM₁₀排放量为187×10⁴ t，PM_2.5排放量为116×10⁴ t. 2012年钢铁工业大气污染物排放标准的颁布，可有效减少钢铁工业颗粒物有组织排放量.模型估算结果显示，2012年我国钢铁工业一次TSP排放量中的有组织排放占25.5%，无组织排放占74.5%.除加严有组织源管控之外，削减颗粒物无组织排放，对于钢铁工业颗粒物排放控制也非常重要.

3) 我国钢铁工业污染源地理分布分散，同时颗粒物排放强度分布不均衡.根据估算结果，2012年颗粒物排放量达到万吨以上的省份有26个，河北、山东、江苏、辽宁、山西5个省的排放超过全国总排放的50%.