一种估算炼焦焦炉顶无组织排放碳颗粒物排放因子的方法

技术领域

本发明涉及一种针对机械炼焦焦炉顶无组织排放碳颗粒物(有机碳和元素碳)排放因子进行估算的方法。

背景技术

大气中的碳气溶胶是城市PM_2.5的重要组成，占PM_2.5的百分含量达40％，主要包括有机碳(OC)和元素碳(EC)，其中EC具有强烈的吸光性又被称为黑碳(BC)。研究表明，OC对光具有散射作用，而BC有较强的吸光吸热能力，被认为是导致全球变暖的主要物质之一，二者联合作用，对大气能见度、地气系统的辐射平衡、大气环流、地球水循环及气候变化具有显著影响。此外，由于OC中某些芳香族化合物如多环芳烃、二噁英等，具有高生理毒性，而EC具有较强的吸附能力，能富集环境空气中的半挥发性物质，促进化学反应过程，对人体健康构成严重威胁。建立一套针对我国各类排放源OC和EC排放因子及排放量的基础资料，是我国应对环境外交所面临各种挑战的前提和基础，也是有效控制环境空气中碳气溶胶污染、降低人体暴露水平的关键。

我国是世界焦炭生产大国，焦炭产量占世界总产量的60％以上。焦炭生产过程排放大量有毒有害污染物，严重威胁焦炭产区居民的身体健康。除家庭燃煤及生物质燃烧外，焦炭生产已成为EC的重要排放源。环保问题已成为当前我国焦化行业面临的突出问题。与煤燃烧不同，炼焦是原煤在隔绝空气条件下的高温干馏过程，其中包括煤中有机质的裂解、裂解产物中相对分子质量较小部分的挥发、裂解残留物的缩聚、挥发产物在逸出过程中的分解及化合、缩聚产物的进一步分解和再缩聚等过程。与工业和家庭燃煤相比，炼焦工艺更加复杂，具有污染物发生源多，面广，且连续性和阵发性并存。焦炭生产过程排放的污染物主要分为两部分：(1)炼焦期间焦炉逸出的散烟，为连续无组织排放；(2)机械操作过程排放的污染物，主要指装煤、推焦等过程产生。

焦炉炉组是炼焦过程主要的无组织排放源，主要与焦炉炉门、炉盖等泄露有关。

来自于无组织排放的大气污染物，释放后直接进入环境，对环境空气质量及人体健康会造成严重危害。排放因子是计算与评价污染物排放量及其环境影响的重要依据。然而，由于缺少相应的炼焦过程无组织排放OC和EC排放因子的估算方法，无法实现针对炼焦过程碳颗粒物排放量及其环境影响的准确评价，因此急需建立一种估算炼焦无组织排放污染物排放因子的方法。

发明内容

本发明要解决目前存在的无法针对炼焦过程无组织排放量进行估算的瓶颈问题，而建立的一种通过实地采样观察——实验室分析——模型计算为一体的炼焦过程无组织排放碳颗粒物排放因子的估算方法。

本发明是采用以下技术方案实现的：一种估算炼焦焦炉顶无组织排放碳颗粒物排放因子的方法，该方法按照以下步骤进行：

(1)通过实地采样-实验室分析，计算炼焦无组织排放颗粒物中有机碳和元素碳分别与焦炉顶无组织排放的苯可溶物也即BSO的浓度比值：采集炼焦焦炉顶无组织排放颗粒物样品，分析样品中BSO、有机碳和元素碳含量，并计算BSO与碳颗粒物的浓度比值；

(2)利用经验公式，分别计算炼焦过程焦炉炉门泄露和焦炉顶炉盖泄露的BSO的排放速率；

①炼焦过程焦炉炉门泄露的BSO的排放速率计算

根据焦炉污染物泄露程度，分别采用了不同的泄漏率并进行加和，公式如下：

E_d＝[F_a×N_D×0.019]+[F_b×N_D×0.011]+[(1-F_b-F_a)×N_D×0.002]…………(式1)

式中：E_d——焦炉炉门泄露BSO的排放速率，单位kg/h；

F_a——发生可见泄露的焦炉炉门占该炉组所有炉门的百分比(从炉顶观察)

N_D——焦炉炉组上所有炉门的总数，单位个；

0.019——典型焦炉炉门发生可见泄露时污染物泄露率(从炉顶观察)，单位kg/h；

F_b——发生可见泄露的焦炉炉门占该炉组所有炉门的百分比(从炉门观察)；

0.011——典型焦炉炉门发生可见泄露时污染物泄露率(从炉门观察)，单位kg/h；

0.002——未发生可见泄露的焦炉炉门污染物泄露率，单位kg/h；

②焦炉顶炉盖泄露的BSO的排放速率计算

公式如下：

E_L＝F_c×N_L×0.0033……………(式2)

式中：E_L——焦炉顶炉盖BSO排放速率，kg/h；

F_c——发生可见泄露的焦炉顶炉盖占炉盖总数的百分比(在炉顶观察)；

N_L——焦炉炉组上所有炉盖的总数，单位个；

0.0033——典型焦炉顶上炉盖污染物泄露率，单位kg/h；

(3)估算有机碳和元素碳排放因子：根据已确定的BSO与碳颗粒物的比值、炉门泄露和焦炉顶炉盖泄露的苯可溶物BSO的排放速率，计算无组织排放有机碳和元素碳的排放速率；在此基础上，计算无组织排放有机碳和元素碳的排放因子。

进一步的，步骤(3)中，计算无组织排放颗粒物上有机碳和元素碳排放因子时，采用公式如下：

EF＝(V_d+V_L)×T/P…………(式3)

式中：V_d和V_L分别为焦炉炉门和炉盖碳颗粒物排放速率，单位kg/h；T为排放时间，单位h；P为该段时间内焦炭产量，单位t。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种估算炼焦过程焦炉顶无组织排放碳颗粒物排放因子的方法。该方法通过实地采样、实验室化学分析及数学计算，能够对炼焦无组织排放有机碳和元素碳排放因子进行估算。所涉及的样品采集及测试分析手段稳定可靠，为进一步估算和评价炼焦过程所造成的环境影响提供了新思路。

附图说明

图1是样品测试分析基本流程图。

图2是估算炼焦无组织排放碳颗粒物排放因子的技术路线图。

具体实施方式

本发明以典型机械炼焦炉焦炉顶无组织排放碳颗粒物排放因子估算为例，用实施例对本发明的具体实施方式作出进一步的详细说明，以所属技术领域的技术人员能够实现为准。本实施例是对本发明的详细说明，并不对本发明作出任何限制。

实施本发明所提供的一种估算炼焦焦炉无组织排放碳颗粒物排放因子的方法，具体包括以下步骤：

一、选择典型焦化厂，将采样点设置在炉顶装煤塔与焦炉炉端机侧和焦侧两侧的1/3和2/3处，选择大流量大气颗粒物采样仪进行连续采样，每天采样3次，每次4h。在采样的同时，对各焦化厂基本生产情况进行详细的调研，主要包括焦化厂基本情况(日/年产量、周边环境、生产方式等、厂区布局)、焦炉资料(焦炉型号、尺寸、炉龄、除尘方式、炉组及装煤孔数、焦炉泄露情况等)、生产资料(原煤性质及配煤方式、炼焦温度及时间、出焦及装煤时间、装煤出焦量/炉、装煤出焦次数/天等)及采样期间气象资料。

二、将采集的无组织排放颗粒物样品按附图2剪成2部分：一部分(1/4滤膜)利用美国沙漠所研制的热光碳分析仪，运用热光反射法进行有机碳、元素碳浓度分析；另外一部分(3/4滤膜)利用索氏提取—重量法进行BSO测定，分别计算每个滤膜样品上OC/BSO、EC/BSO的浓度比值。

BSO浓度按下式计算：C(mg/m³)＝10⁶×(W₁-W₂)/V₀………(式4)

式中:C——苯可溶物浓度，mg/m³；

W₁——采样后滤膜重量，g；

W₂——提取后滤膜重量，g；

V₀——标准状态下的采样体积，L。

三、计算炼焦过程无组织排放焦炉炉门BSO的排放速率，计算公式如下：

E_d＝[F_a×N_D×0.019]+[F_b×N_D×0.011]+[(1-F_b-F_a)×N_D×0.002]…………(式1)

式中：E_d——焦炉炉门泄露BSO的排放速率，kg/h；

F_a——发生可见泄露的焦炉炉门占该炉组所有炉门的百分比(从炉顶观察)；

N_D——焦炉炉组上所有炉门的总数，个；

0.019——典型焦炉炉门发生可见泄露时污染物泄露率(从炉顶观察)，kg/h；

F_b——发生可见泄露的焦炉炉门占该炉组所有炉门的百分比(从炉门观察，若未观察，可取经验值0.06)；

0.011——典型焦炉炉门发生可见泄露时污染物泄露率(从炉门观察)，kg/h；

0.002——未见可见泄露的焦炉炉门污染物泄露率，kg/h。

四、计算炼焦过程无组织排放焦炉顶炉盖BSO排放速率，计算公式如下：

E_L＝F_c×N_L×0.0033………………(式2)

式中：E_L——焦炉顶炉盖BSO排放率，kg/h；

F_c——发生可见泄露的焦炉顶炉盖占炉盖总数的百分比(在炉顶观察)；

N_L——焦炉炉组上所有炉盖的总数，个；

0.0033——典型焦炉炉顶炉盖污染物泄露率，kg/h.

五、根据已确定的BSO与碳颗粒物的比值、炉门泄露和焦炉顶炉盖泄露的BSO的排放速率，计算无组织排放有机碳和元素碳的排放速率。在此基础上，根据公式3计算无组织排放有机碳和元素碳的排放因子。

EF＝(V_d+V_L)×T/P…………(式3)

式中：V_d和V_L分别为焦炉炉门和炉盖碳颗粒物排放速率，kg/h；T为排放时间，h；P为该段时间内焦炭产量，t。

实施例

为使本发明的上述特征、优点更加清晰易懂，选取我国山西省某机焦炉为计算实例。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本实施例中的各项参数来自现场检测与文献调研，具体参数应基于所研究的焦化厂的实际情况进行选取与确定。

根据现场采样、实验室分析，得出该焦化厂焦炉顶无组织排放EC、OC和BSO浓度及比值，见表1。

表1是山西省炼焦过程无组织排放污染物浓度及比值

各焦化厂发生可见泄露的焦炉炉门及炉盖所占百分比、焦炉炉组上所有炉门与炉盖总数见表2。

表2各焦化厂基本参数

将各个参数分别代入到本发明的相应公式中进行运算，确定焦化厂焦炉顶无组织排放OC和EC的排放因子，见表3。

表3炼焦无组织排放碳颗粒物排放速率与排放因子