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FESE | 前沿观点：钢铁行业或为雾霾治理新战场 |
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论文标题：Target the neglected VOCs emission from iron and steel industry in China for air quality improvement（钢铁行业或为雾霾治理新战场）
期刊：Frontiers of Environmental Science & Engineering
作者：Chenglin Cai, Juexiu Li, Yi He, Jinping Jia
发表时间：15 Dec 2022
DOI： 10.1007/s11783-022-1593-9
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本文原文获取地址：
https://journal.hep.com.cn/fese/EN/10.1007/s11783-023-1695-z
图1 摘要图
1.引言
从“十三五”开始，我国积极开展大气污染整治行动，全国二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）、颗粒物（PM）等污染物的排放量明显降低。但是在2020年我国仍有135个城市空气质量未能达到《环境空气质量标准》(GB 3095–2012)。这也提醒我们，存在未被关注的潜在雾霾发生因素，而钢铁行业的挥发性有机物（VOCs）排放可能是其中一个。
2.多维度解析钢铁产业与雾霾的相关性
时间维度：中国的粗钢产量自2009年以来一直占据世界粗钢产量的45%以上，至2020年产量超过10亿吨，约占全球的56.8%，位居全球第一。同时，中国钢铁行业的能源消耗从2000年的1.93亿吨标准煤当量增加到2016年的7.51亿吨标准煤当量。粗钢产量增长趋势与煤炭消费增长趋势相近，而严重的雾霾污染与高水平的钢铁产量和煤炭消费同时发生。
空间维度：空气污染与中国主要钢铁厂具有地理上的相关性。雾霾频繁发生的京津冀地区是最重要的粗钢生产地区，尤其是唐山和邯郸两个城市，钢铁行业对于当地大气质量影响明显。利用钢铁行业的特定元素作为指纹标记也证明了钢铁行业与雾霾事件的关联。此外上海和北京等地的实例证明限制生产或者搬迁钢厂会对当地的空气质量产生明显改善。
历史维度：从老牌钢铁大国来看，英国“雾都”（伦敦）、美国“烟城”（匹兹堡）、德国“工业毒都”（鲁尔区）都曾爆发长时间、大范围雾霾，但均在减少粗钢生产后缓解。
3.烧结烟气VOCs——被忽视的钢铁VOCs
钢铁行业VOCs主要来自焦炭与烧结工序。其中，随着干熄焦技术的应用，焦炭生产造成的污染已明显减少；而烧结工序中VOCs的生成主要源于化石燃料的不完全燃烧和热解（图2）。在炼钢的全流程中，烧结是最重要且污染最重的工序，而此过程产生的VOCs却容易被忽视。含原煤的湿烧结料从上往下燃烧，造成了料层的温度分布上高下低；随着烧结的进行，料层的最高温度区会逐步向前向下移动，直至烧到床底，到达出料口为止。这种负压下逐层燃烧方式，会造成最高温度区下的氧气含量被迅速消耗导致燃烧不完全，相当于上层高温烟气对下层烧结料的“干馏”，负压下逐层燃烧的烧结料会释放大量低凝点有机成分，且成分复杂。钢铁厂烧结烟气VOCs的主要成分是烷烃、烯烃、卤代烃、苯系物、多环芳烃、多氯苯和多氯萘等，依烧结工艺、取样方法和分析技术等的不同而有差异。冗长而开放的烧结生产线造成了大量VOCs的无组织排放。
图2 典型的烧结工艺和烧结烟气排放示意图
VOCs、NOx、SO2、灰尘和金属离子共存具有较大潜力形成二次有机气溶胶。钢铁厂烧结烟气排放对雾霾形成的可能路径如图3所示：烧结工序中产生的初级PM、NOx和SO2分别经过除尘、脱氮和脱硫装置，剩余组分与VOCs同时排放到大气中，在合适的条件下，经历二次光化学反应均匀成核。此外，钢铁烧结工序还可能是持久性大气氯氟化有机污染物的主要来源之一，而当前的超低排放设备对于去除氯化VOCs效果不佳。
图3 烧结工序排放对雾霾形成路线图
4.监测和标准的缺失
有研究表明，我国钢铁烧结烟气VOCs排放量约为1.77~40.9´105 吨/年；但目前我国对于钢铁烧结VOCs的数据测量有限，大部分数据是烟气末端测量值，忽视了无组织排放。
在排放标准方面，我国已对制药、化学合成、涂料、焦化、电池等行业制定了VOCs排放标准，但钢铁工业烧结烟气VOCs排放缺少国家标准限制。与水泥和燃煤电厂相比，钢铁行业与雾霾发生地具有更高匹配性，且VOCs排量相当甚至更多，值得关注。
5.建议
钢铁烧结烟气中的VOCs可能是一个被忽视的雾霾源头，对我国空气污染的潜在影响尚未得到充分的科学评估。在我国十四五期间对大气雾霾防治提出新要求的背景下，提出如下倡议，以期发挥关键推动作用：
首先，制定相关排放标准以源头控制污染物排放。在调查和验证的基础上，制定我国钢铁行业（尤其是烧结工序及厂区）无组织VOCs排放标准，并尽快将VOCs排放限值列入国家标准。目前河北省已出台了我国钢铁行业厂界无组织排放的省级标准（非甲烷总烃<2 mg/m3），乐见更多相关行动，以期在源头减少污染物。
其次，支持和鼓励开发能够协同处理多种污染物的设备。应用推广烧结烟气的多污染物协同处理技术，筛选和开发适用于钢铁烧结工序的VOCs无组织排放的收集、消除策略和终端处理技术。
最后，在全行业推行VOCs的原位实时监测，鼓励开展钢铁行业氯氟烃的排放总量检测及其对我国大气环境影响的研究工作。
文稿 | 贾金平，上海交通大学
审校 | 张 姣
本文内容来自FESE期刊2023年第17卷第8期发表的Pespectives文章 “Target the neglected VOCs emission from iron and steel industry in China for air quality improvement”。通讯作者为上海交通大学贾金平教授。
引用格式：Chenglin Cai, Juexiu Li, Yi He, Jinping Jia. Target the neglected VOCs emission from iron and steel industry in China for air quality improvement. Front. Environ. Sci. Eng., 2023, 17(8): 95
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主编：曲久辉院士，John Crittenden院士
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