【《钢铁行业排放量的计算方法综述》7600字】

致谢-PAGE128--PAGE127-钢铁行业排放量的计算方法综述目录TOC\o"1-3"\h\u30309钢铁行业排放量的计算方法综述 181551.1清单方法学 1294291.2活动水平数据库的建立 47441.3污染物控制技术 641541.3.1脱硫技术 6260991.3.2脱硝技术 931201.3.3除尘技术 114971.3.4温室气体 1328681.4排放因子数据库的建立 1310301.4.1SO2 1379861.4.2NOx 15129201.4.3PM 16105491.4.4温室气体 20221441.5排放量计算 21清单方法学为了给出1990年到2019年这几十年间产生的污染物总量，就要了解这些年间全国每个省份的钢铁产量，然后根据计算方法得出排放因子，就可以计算出上述数值，然后要进行的工作就是将每个区域内所产生的的污染物量累加起来，这样就能够得到2019年钢铁行业全国总排放。分省的各污染物的计算公式分别为：其中i，k，m，n和y分别代表了不同的含义，分别为省份，生产工序，生产工艺，排放控制技术和颗粒物浓度；A代表产量；EF代表直排的产污因子；ef代表有控制的排放因子；C代表了控制装备利用率；η代表控制装备的污染物脱除效率；f代表分粒径颗粒物的占比。为了调查清楚何种成分对大气污染比较严重，一般会采用在线监测法、排放因子法等，污染源调查法的数据来源于环保部门，精确度较高；排放因子法的数据精度存在着一定的不确定性，但由于排放因子数据易获取，应用最广泛；另外在线监测法主要借助监测设备来完成的，主要是要将该设备安装在排口，该方法的检测效果比较好。近年来，中国污染源在线监测数据质量逐年提高，为编制钢铁等工业源排放清单提供了新的思路。关于钢铁行业排放清单研究，现有研究更多集中于核算包含钢铁行业在内的多部门排放清单（例如工业源排放清单和人为源排放清单）。其中，以整个亚洲或者全国为研究对象的钢铁清单研究包括：这项研究成果主要是来自清华大学的团队完成的，其建立了一种考虑多方面因素的排放清单模型。以中国省市为研究对象的钢铁清单，例如Zhou[20]等采用自下而上的方法，编制了中国江苏省包含钢铁行业在内的多部门高分辨率排放清单，包括SO2、NOx、CO、NH3、挥发性有机化合物（VOCs）、总悬浮颗粒物（TSP）、PM10、PM2.5、黑碳（BC）、有机碳（OC）和CO2。以上清单研究均较为系统地研究了中国的大气污染物排放情况，也得到了广泛应用。然而，上述清单中钢铁行业均被划分到整体的工业部门中，而不是作为单独的部门进行清单计算。由于中国钢铁行业大气污染源排放清单研究起步较晚，现有针对钢铁行业单部门的排放清单研究，主要围绕局部区域或省市钢铁行业的重点工序（烧结、球团、炼铁和炼钢等）展开，较少针对钢铁行业全国范围全工序大气污染物排放清单研究。例如，伯鑫等[21]发现京津冀地区存在一些比较严重的污染问题，比如具体产生了多少污染是不知道的，所以为了搞清楚这个问题，首先进行了对该地区的钢铁行业进行了充分了解，然后结合多方面的污染源数据，将多种因素考虑在内，包括去污设备、环境的保护措施等，基于上述的分析与研究，提出了一套高时空分辨率的钢铁行业排放清单；肖凯等[22]采用排放因子法，建立了2006年珠三角区域人为源排放清单，估算了SO2、NOX、CO、PM10、PM2.5、VOCs等排放量情况；易鑫[23]等编制了2015年京津冀地区钢铁行业清单，重点工序包括焦化、烧结、球团、炼铁、炼钢、轧钢等。另外，通过对现有研究进行总结，发现已有研究主要应用文献中的排放因子数据，缺少表征时空变化的实时监测数据，无法反映在现状控制水平条件下污染物排放水平。综上，针对中国钢铁行业排放清单的研究中，分别针对其不同的排放工序，且多集中于单个工序大气污染排放分析，缺少对钢铁行业全部工序进行分析；或针对不同的研究区域，则多集中于单个钢铁企业或者特定区域钢铁行业研究（某省、某城市等），缺乏对中国钢铁行业整体大气污染情况的综合研究；针对全国清单，钢铁行业被划分到整体的工业部门中，而不是作为单独的部门进行清单计算。活动水平数据库的建立研究地区主要集中在我国的内陆地区，也就是对我国的内陆的省份和自治区进行了相关的统计。研究时间主要集中在2019年，通过仔细的调研，最终目的是建立钢铁行业数据库，其中有比较多的指标要进行确定，比如钢铁产量、去除污染的装备种类及相关技术、运营的时间等。上述数据的获取主要通过中国统计年鉴来过得其中有比较详细的数据，这些年鉴分别对能源、钢铁工业、等多方面的数据进行了统计。该行业生产的一般只有三类，分别是粗钢、生铁和钢。由往年的钢铁生产资料可知，再结合工业图2-1可以清楚知道2019年我国每个省份的钢铁结构。其中有三个省是名列前茅的，分别是河北、江苏和山东，这三个省已经占据了将近五成的钢铁产量，大约为43.6%。除了主要钢铁产品的产量外，还需要烧结、球团、转炉钢和电炉钢的产量信息来计算各工序的排放量。2019年，烧结矿的产量已经比较高了，为88663.76万吨、球团矿15764.3万吨、转炉钢7646.314万吨、另外其余种类的钢产量是5736.82万吨。因为没有比较标准的统计标准，所以在本次研究中使用的是外推法计算各省产量，通过调研发现，我国烧结矿生产基本不存在积压和跨省转移现象。因此，2019年的烧结矿产量可以参考中国各省生铁产量进行空间外推，2019年的烧结矿产量可以通过中国的省份获得，球团矿的产量也可以通过同样的方法获得。由于缺乏最新数据，因此推算了2015年各省的电炉钢产量。图3-12000年到2019年钢铁产量图3-22000年到2019年钢铁烧结矿和球团矿产量对比图3-32000年到2019年钢铁转炉钢和电炉钢产量对比污染物控制技术本次的毕业设计首先明确的是要对何种污染物进行研究，主要包括温室气体、SO2、NOx和PM，所以钢铁行业的污染物控制技术（此处主要指末端治理技术）主要为脱硫、脱硝和除尘技术等。SO2、NOx、颗粒物为钢铁行业的主要污染物，其主要来源为烧结、球团和炼钢等工艺，其中大气污染影响最大的工序就是烧结。在2016年最后阶段，已经有九成以上的钢铁公司进行相关脱硫脱硝装备的更换。脱硫技术烧结与球团是钢铁工业中排放SO2的重要工序。钢铁脱硫控制技术主要应用在烧结和球团工艺。上述技术按照脱硫原理可以分为三类，主要包括湿法、半干法和干法，其中第一项可以运用的方法比较多，包括钠碱法、双碱法等等；第二项技术主要用的技术包括旋转喷雾干燥法(SDA)、NID法等等。第三项技术主要借助一些吸附剂进行脱硫过程，主要有活性焦法和SDS。从2000年以来，钢铁工业的脱硫发展经历了从国外引进到国产融合，最后再到工艺改进和自主创新的发展过程。伴随着中国制造业的发展，钢铁国产化能力提高，大大降低了环保成本的投入。钢铁行业脱硫工艺的发展，也印证了这一发展历程，下面是几个代表性的发展阶段。阶段一：2001年到2010年烧结(球团)脱硫进入起步发展阶段。从2005年开始的脱硫试研究中，到2008年底已有10家钢铁企业进行脱硫投产，其中半干法占78%，密相干塔半干法技术是主流；湿法(WFGD)仅占22%。此阶段半干法脱硫效果很不稳定，脱硫效率仅75%～85%，且SO2浓度较高，为800～5000mg/m3，半干法不能够充分适应烧结烟气的工业情况。阶段二：2011年到2015年湿法脱硫技术迅速发展。在2013年，烧结烟气经常用到的方法是湿法脱硫在这一技术中，可以用到的相关原理较多，包括氨法、氧化镁法、双碱法等等。约占80%，半干法脱硫(密相干塔法、CFB、SDA等)仅占15%。相对半干法脱硫技术来说，湿法脱硫对SO2以及烟气量的变化适应性较好，脱硫效果稳定，达到了95%的脱除效率，并且湿法脱硫设备投资成本低，因此市场份额急剧扩大。阶段三：2015年到2019年湿式电除尘器得到了很大的推广应用。湿法脱硫适应性好，但因为湿法脱硫对一些特殊物不能有效的剔除掉，比如水雾、SO3等等，这些物质的粒子直径都比较小。所以容易出现蓝烟、烟囱雨等现象；随着2015年底火电行业的超低排放标准发布，湿式电除尘器已经在电厂领域得到了广泛的认可，同时烧结市场逐渐也会采用该项技术。GB28662—2012中烧结机头的颗粒物特别排放限定值为40mg/m3，占了当时80%的市场份额。颗粒物排放浓度一般在50～80mg/m3。所以钢铁企业湿法脱硫系统后需要继续除尘，比如加装WESP等。通过环境统计年报，获取了2012、2013、2014年钢铁行业全流程的平均二氧化硫去除率依次为20.4%、27.6%、40.3%；通过文献调研，获得各个研究不同年份的数据来建立烧结工序SO2随年份变化的回归直线方程。图3-42000年到2019年钢铁转炉钢和电炉钢产量对比表3-1主要脱硫措施及其理论脱除效率脱硫方法脱硫效率湿法石灰石-石膏法95（90-99）海水脱硫90（＞90）双碱法90（90-98）氨法90氧化镁法95（＞95）（半）干法烟气循环流化床法80密相干塔法90（＞90）SDA旋转喷雾干燥法90（＞90）MEROS法90（＞90）NID法90（＞85）活性炭法90（85-95）脱硝技术经过充分的调研发现，钢铁企业NOx排放量中有很大一部分是来自于高炉冶炼的过程，其占的比例相当大，大约为70%。因此我们要对上述两个过程进行严格的把控，尽量降低烧结、高炉烟气过程中产生的NOx，只有通过这样的方式才能减少NOx排放量。针对第一个过程中产生的NOx，主要有有几种方法可以将其处理掉，方法为过程控制以及对末端烟气进行相关的过滤剔除。有几种比较常用的脱硝方法，主要是利用化学原理进行，包括选择性催化或者非催化还原法氧化法和活性炭等等。这其中有几种要使用到的脱硝还原剂，一般会采用有氨水、液氨和尿素。使用烟气循环技术的脱硝手段可以通过部分NOx的热分解消耗而使脱硝效率达到40%-70%。这样NOx的还原率为45.2%，上述方法可以有效降低SO2的排放量。想要进行脱硝过程，一般就会使用干法原理，其中用到的比较重要的材料是活性炭，利用该种材料的吸附性能，该方法可以将排烟除尘、脱硫、脱硝三大功能于集于一体，所有可以称之为比较复合的脱硝技术，这也表明当今脱硝技术已经迈进了一个新的台阶。已经有公司利用该方法得到了比较好的脱硝效果，例如天创，其脱硝率足足提高到了40%。SCR技术主要作用是进行脱氮过程，这一过程要用到相关的催化剂，在起催化作用下将会发生NOx转化成N2的情况。这一方法已经在日本和欧洲推广开来。主要是因为该项技术具有比较高的脱氮率，一般都会达到70%以上。更有甚者已经利用该项技术将脱硝率比现在足足提高了10个百分点，就是台湾的一些企业。然而当今该项技术有一个比较大的缺点就是成本消耗较多，另外我国对NOx的排放并没有至今严格的标准，因此该项技术在我国并没有得到的比较大的推广。氧化吸收法主要过程是将氮的一氧化物转换为NO2、N2O3或N2O5的过程，然后还要经过吸收才能完全去除，主要用刀一些碱性物质，去除效率可达50%以上。对我国钢铁行业有关脱硫脱硝的论文分析见图1，从图1可以看出，我国2014年钢铁脱硝研究才开始迅速发展[24]，与此同时钢铁行业的脱硝设备相继开展，2015年开始焦炉烟气脱硝，2017年开始烧结脱硝，所以NOx20年来相当于直排。通过环境统计年报，获取了2012、2013、2014年钢铁行业全流程的NOx平均去除率依次为1.2%、9.1%、1.5%。图3-52000年到2019年钢铁产量除尘技术钢铁生产过程中每个工序都会排放一定量的颗粒物，其中烧结、炼铁和炼钢工序是钢铁生产中烟粉尘排放的主要来源。在工业当中，对于粉尘的清除并不是简单地依靠除尘器进行除尘，还是根据许多的除尘机理进行使用，每一种除尘机理的不同，设施也不同，主要在工业当中使用的除尘器为机械式，湿式、电以及过滤式。在烧结工艺中，因为烧结烟气体积大、高温高湿，机头机尾的具体特点如图所示，所以我国采用电除尘器可以更好的进行除尘，其中截止2013年80%左右的烧结机都已经安装了电除尘器。在2015年的时候，使用静电除尘剂的工厂已经非常多，能够达到99%。这种的效率比较高，能够在90%-99.4%之间，但是实际的计算过程当中只能够达到70%-99.42%。2013年经过现场试验，烧结机头尾采用静电除尘器（四个电场）。头部PM2.5和TSP去除效率分别为96.55%和98.22%，尾部PM2.5和TSP去除效率分别为98.30%和99.71%[25]。根据不同的调查研究，使用最好的是布袋除尘，但是前者运行成本较高，能够进行对与烧结造成影响。由于高温烧结烟气排放量和水蒸气含量大，如果使用布袋除尘器，会由于热损失和突然减速，使一部分水蒸气被液化并吸附在除尘器上，会影响除尘效果。高炉炼铁领域中主要使用袋式除尘器，其中PM2.5和TSP的去除效率分别为93.20%和99.39%。高炉煤气干湿布袋这种技术在钢厂当中使用的比较广泛，也是一种普遍使用的技术。该技术的特点是效率高、稳定性强，并且成本低、耗能少.在18年的时候，普及率在一半以上。袋式除尘器平均效率都在99%，即可以平均值进行计算。通过环境统计年报，知2012、2013、2014年钢铁行业全流程的颗粒物平均去除率依次为97.3%、97.3%、94.3%。通过文献调研，获得各个研究不同年份的数据来建立烧结工序颗粒物随年份变化的回归直线方程，以求得各个年份的颗粒物脱除效率，如图所示。图3-62000年到2019年钢铁产量温室气体强度平均值为4.62tCO2/t，其区间为3.47tCO2/t—5.48tCO2/t。2001到2006年碳排放区间值为2.38tCO2/t—2.89tCO2/t，其平均值为2.59tCO2/t。目前，大部分相关文献的钢材碳排放研究主要集中在宏观的国家或城市行业层面和微观的企业层面。企业层面的研究涵盖两条主要工艺路线，即高炉-转炉（BF-BOF）长流程路线和电弧炉（EAF）短流程路线。核算的温室气体种类主要是CO2为主，只有个别研究者考虑了CH4和N2O。在钢铁工业当中，排放的气体里面最多的是二氧化碳，会造成大部分的温室效应。二氧化碳也是消耗能源最多的气体。钢铁制造流程CO2排放源繁杂但主要集中在铁前系统。排放因子数据库的建立SO2根据已有的研究，钢铁生产的过程当中使用的主要燃料是煤炭。一些硫输入在铁矿石能够占到90%，在燃烧的过程当中会产生一些二氧化硫的排放，其铁矿石当中的硫化物以及硫元素会大量的存在。而燃烧过程当中会进行反应，发生氧化，形成一个烧结，产生二氧化硫，为有害气体。烧结过时候，SO2存在于区域，即SO2扩散沉淀区、SO2燃烧沉淀区和SO2吸收区。在该区域当中被许多碱性物质以及液态水能够对二氧化硫进行一个吸收的作用，降低有害物质的排放[26]。钢铁行业二氧化硫的排放因子取决于燃料的硫含量，原料，设备的类型和规模以及脱硫设施的去除效率。烧结球团是主要产生二氧化碳的一个物质，在钢铁当中常见。不同省份当中的铁矿石存在的不同差异。所以说为了提高其库存与实际值更加接近，对于不同省份煤炭的硫含量进行了一个考虑，然后统一形成一个排放因子。我国商品煤含硫量分布区域差异明显。研究表明，中国东部沿海地区和东北地区的燃煤硫含量普遍不高，而西南省份（如四川和贵州）的煤硫含量却很高。本研究采用这些省份商品煤的硫含量。我国国产铁矿石平均硫含量在0.17%左右，其中不同地区当中的含量不同，华东、华中地区含量是比较比华北、东北地区的高。我国进口的煤炭行业里面的硫含量是比较低的。在18年的时候，我国对于煤炭资产量能够达到14.5亿吨，是我国的60%以上的使用能源。但是考虑到其会产生比较大的排放因子，每个省份的排放因子并不明确清楚。因此要对于每个省份的铁矿石排放因子进行一个核算，并进行修正。近年来，烧结球团脱硫设施普及率迅速提高。2018年，全国共投产钢烧结脱硫装置389台，投产球团矿脱硫装置44台。在2014年的时候，数值能够在526.39.使得硫含量进行减少的最有效方法是湿式脱硫，效率比较高。本篇文章主要采用了一个研究法对于我国的钢铁行业当中的脱硫方法进行研究。其中湿式脱硫是主流的手段，效率比较高，能够在90%以上。但是石灰石以及氧化镁两种方式进行脱硫，效率也比较高，在95%。两者进行比较（半干法）脱硫效率略低，一般在85%～95%之间。表3-2钢铁工业各工序产污因子NOx钢铁在生产过程当中，使用的燃料为气体燃料，发生氧化反应过程当中会产生一些焦粉，然后作为一个燃料进行燃烧。其中会形成一个氮氧化物。该物质生成主要是在高温下进行。在烧结、炼铁的过程，会存在一个氮氧化物的排放。烧结工艺是钢铁行业NOx排放的主要来源，因为能源主要是煤粉和焦炭，燃料型NOx，是生产最为主要的方式，可占总量的80%-90%，NOx占总60%-70%，产生的NOx主要是NO。仅存在少量的NO2。炼铁过程中NOx排放的主要来源是热风炉，主要产生热力NOx，高炉拉拔有一定的无组织排放。在炼钢过程中，转炉、电炉使用气体燃料（混合气、天然气或液化气）和电能最为能源。NOx将通过钢水保温、烘烤包装和连铸切割产生。而且，电炉在对生产过程当中，每吨钢进行燃烧会产生一个比较高的排放因子，比转炉高。在轧制过程当中也会形成一个排放因子。使用的燃料为天然气会有一些，氧化物的生产[27]。燃料当中也会含有一些氮含量的燃料。经过一个空气系数的控制，在对于烟气进行循环的过程当中，低氮燃烧能够对于氮氧化物进行进一步的控制。在钢铁行业当中使用比较多，可以降低到20%-50%。但是对于排放当中污染处理的等级不同，我国对于一些脱销技术并没有进行一些开发。在13年的时候，活性炭的治理手段开始使用，因此本研究未考虑烧结过程的末端处理。由于烧结过程是钢铁工业NOx排放的主要来源，目前来看，根据不同规模的排放因子进行一个考虑，可以有效地减少钢铁行业当中的排放物，对于一些环境治理具有一个比较好的意义[28]。目前来看，氮氧化合物的排放，主要是由于排放浓度以及烟气量而造成的，所以说根据我国的调查手册可以进行计算，公式如下：PM钢铁在生产的过程当中会有排放物，其主要是由组织以及无组织两种形式，可并且与燃料的成分有关，过程中使用的原料，储存装置主要具有烟气，其与除尘效率相关。本研究综合文献、环境保护部发布的清单编制技术指南和第二届生产排放系数手册，得到PM、PM10和PM2.5的污染因子。全国污染源调查。由于国内缺乏对无组织排放的监测和研究，本研究对不同规模的生产设备采用相同的无组织排放因子，对转炉和电炉炼钢过程中产生的PM10和PM2.5进行分布根据烧结工艺成比