煤焦化过程中大气污染物的释放、迁移及控制

我国是世界焦炭生产大国，历年焦炭产量占世界的50%，出口量占世界的60%。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。对于典型致癌、致畸、致突变污染物多环芳烃（PAHs）的排放源中，焦炭生产过程对我国PAHs排放总量的贡献值达17.9%，远高于其他国家。相比国外，对于我国这样一个焦炭生产大国，部分学者仅以焦炉顶无组织排放及厂区环境空气中颗粒态PAHs为研究对象进行分析，未见有关炼焦不同工序PAHs排放浓度、分布特征（气固分布及其形成机制、粒径分布、毒性特征）的资料报道。同时，针对焦炭生产过程有机碳和元素碳污染水平、排放特征及重金属迁移规律也尚不清楚。因此，探讨煤焦化过程中大气污染物的排放尤为重要。本书针对焦化行业，探讨焦化产生的大气污染物中多环芳烃、重金属和碳颗粒物等物质的排放机理与治理对策，为企业和行业清洁生产提供科学依据。本书可供环境工程、化学工程等领域的工程技术人员、科研人员和管理人员参考，也供高等学校相关专业师生参阅。 

本书从我国焦炭行业生产现状及发展趋势出发，系统介绍了煤焦化过程中大气污染物的排放现状，煤焦化过程多环芳烃的生成机理，炼焦排放大气污染物的采集与测试分析方法，探讨了煤焦化过程典型大气污染物（多环芳烃、重金属、碳颗粒物）的污染水平、分布特征、排放因子及排放量，*后给出了针对我国焦化行业大气污染控制的对策与建议。本书旨在全面加深对我国焦化行业大气污染物的生成、排放与控制的理解，进一步促进焦化行业清洁生产，可供环境工程、化学工程等领域的工程技术人员、科研人员和管理人员参考，也可供高等学校相关专业师生参阅。

牟玲，太原理工大学环境科学与工程学院，讲师主要承担环境工程专业核心课程《大气污染控制工程》、《空气污染化学》的教学工作。博士期间完成了国家环保部公益性行业科研专项“焦化行业苯并芘排放总量及控制方法研究”；任教期间主持国家自然科学基金项目“煤焦化过程碳颗粒物形成及释放机制研究（41502324）”；山西省自然科学基金项目“煤焦化过程碳颗粒物排放机制研究（2015021170）”；山西省教育厅高校科技创新项目“炼焦过程有机碳和元素碳动态析出及排放行为研究（2015136）”。

第1章焦化行业生产现状及发展趋势/001

1.1世界焦炭生产及贸易现状/001

1.2我国焦炭生产现状/003

1.2.1焦炭行业生产现状/003

1.2.2焦炉污染的严重性和环保监管对策/006

1.2.3焦炭行业环境产业政策及相关标准/008

1.2.4我国焦炭行业调整成就/018

1.2.5我国焦炭行业发展趋势/021

1.3炼焦生产工艺/022

1.3.1炼焦基本生产工艺/022

1.3.2土焦生产工艺/023

1.3.3机械化炼焦工艺/024

1.3.4捣固炼焦与常规炼焦技术的对比/025

1.3.5国外炼焦工艺概况/030

1.4炼焦大气污染物的来源与特点/034

1.4.1废气来源/034

1.4.2废气特点/035

1.5山西焦化行业大气污染物排放水平/036

1.6焦炉烟尘控制的发展历程、现状和技术/038

1.6.1我国焦炉烟尘控制的发展历程/038

1.6.2焦炉烟尘控制技术/039

1.6.3烟气中挥发性有机物控制技术/041

第2章炼焦排放大气污染物现状调研与分析/048

2.1国内外炼焦排放多环芳烃污染水平/048

2.1.1国外炼焦排放多环芳烃污染特征/048

2.1.2我国炼焦排放多环芳烃污染特征/049

2.2国内外炼焦其他污染物排放现状分析/050

第3章煤焦化（热解）过程多环芳烃（PAHs）生成机理/051

3.1煤热解与炼焦/051

3.2煤热解过程多环芳烃生成机制研究方法/051

3.2.1研究方案/052

3.2.2实验装置及测试条件/052

3.3煤热解过程多环芳烃生成机制/054

3.3.1煤中可抽提PAHs量和种类随煤阶的变化规律/054

3.3.2煤变质程度对热解过程PAHs排放的影响/054

3.3.3小分子结构、大分子骨架结构、原煤在热解过程中PAHs的排放特性/060

3.3.4原煤热解过程中工艺条件对多环芳烃生成的影响/071

第4章炼焦排放大气污染物的采集及测试分析方法/081

4.1焦炉类型及生产情况/081

4.2采样方法/082

4.2.1多环芳烃和含碳颗粒物的采样方法/082

4.2.2重金属样品采集/085

4.3分析测试方法/085

4.3.1多环芳烃分析/085

4.3.2OC和EC分析/086

4.3.3重金属分析/086

4.4质量保证和质量控制（QA/QC）/087

4.4.1滤膜和PUF穿透性实验/087

4.4.2空白与平行实验/088

4.4.3PAHs分析过程的回收率控制/088

4.4.4重金属分析过程的回收率控制/088

第5章煤焦化过程多环芳烃的排放及控制/089

5.1多环芳烃的性质、来源及生成机制/089

5.1.1多环芳烃的定义和分类/089

5.1.2多环芳烃物理化学性质/090

5.1.3多环芳烃的来源/092

5.1.4多环芳烃形成及排放机制/093

5.1.5多环芳烃对人体健康的危害/094

5.2典型源排放多环芳烃污染特征/095

5.2.1污染源排放多环芳烃污染水平及分布特征/095

5.2.2污染源排放多环芳烃的粒径分布特征/099

5.2.3污染源排放PAHs的气固分布机制/101

5.2.4污染源排放多环芳烃的排放因子/102

5.3煤焦化过程多环芳烃污染水平/106

5.3.1烟气中多环芳烃浓度水平/106

5.3.2焦炉顶无组织排放PAHs浓度水平/109

5.3.3除尘器收集飞灰中PAHs浓度水平/110

5.4机械炼焦过程PAHs排放特征/112

5.4.1不同分子量PAHs组成特征/112

5.4.2不同环数PAHs组成特征/114

5.4.3PAHs气固相分配特征及形成机制/117

5.4.4PAHs毒性参数特征/124

5.5机械炼焦排放PAHs源成分谱特征/128

5.5.1PAHs源成分谱的轮廓特征/129

5.5.2PAHs比值特征/131

5.6机械炼焦过程排放颗粒态多环芳烃的粒径分布特征/133

5.6.1总体PAHs的粒径分布/133

5.6.2单一PAH的粒径分布特征/135

5.6.3不同粒径颗粒物上PAHs的轮廓特征/139

5.6.4苯并芘等效致癌毒性的粒径分布特征/139

5.7机焦炉生产中环保设施对颗粒态PAHs的脱除效率分析/141

5.8多环芳烃污染控制技术应用现状/142

5.8.1传统除尘器对PAHs去除效率的分析/142

5.8.2多环芳烃污染控制新技术/143

第6章煤焦化过程有机碳和元素碳排放特征/149

6.1有机碳和元素碳性质及危害/149

6.2大气中有机碳和元素碳的来源/150

6.3典型源排放有机碳和元素碳污染水平与分布特征/150

6.4炼焦过程排放有机碳和元素碳浓度水平/153

6.4.1烟气中OC和EC浓度水平/153

6.4.2焦炉顶无组织排放OC和EC浓度水平/154

6.4.3除尘器收集飞灰中OC和EC浓度水平/154

6.5炼焦排放OC和EC值特征/156

6.5.1烟气中EC/OC值/156

6.5.2炉顶无组织排放EC/OC值/158

6.6炼焦排放OC和EC相关关系/158

6.6.1烟气中OC和EC的相关关系/158

6.6.2焦炉顶无组织排放OC和EC的相关关系/159

6.7机械炼焦过程排放PAHs与OC、EC相互关系/160

6.7.1烟气中OC、EC与PAHs相互关系/160

6.7.2炉顶无组织排放OC、EC与PAHs相互关系/162

第7章煤焦化过程重金属迁移规律研究/163

7.1大气中重金属的来源及危害/163

7.2燃烧过程重金属迁移转化机制/164

7.3典型污染源重金属排放特征及迁移行为/165

7.4炼焦烟气中重金属浓度水平/167

7.5炼焦过程排放重金属的分布特征/168

7.6炼焦过程重金属的迁移特征/170

7.7炼焦过程重金属排放因子的初步计算/173

第8章煤焦化过程多环芳烃和含碳颗粒物排放因子及排放量/175

8.1炼焦烟气中多环芳烃和含碳颗粒物排放因子/175

8.1.1排放因子计算方法/175

8.1.2炼焦烟气中碳颗粒排放因子/175

8.1.3炼焦烟气中多环芳烃排放因子/177

8.2焦炉顶无组织排放碳颗粒物排放因子/179

8.2.1排放因子计算方法/179

8.2.2焦炉顶无组织排放碳颗粒物排放因子/181

8.3除尘器收集飞灰中碳颗粒物排放因子/181

8.3.1排放因子计算方法/181

8.3.2除尘器收集飞灰中碳颗粒物排放因子/182

8.4我国机械炼焦过程污染物排放量的估算/182

8.4.1煤炭生产和消耗总量及构成/182

8.4.2机械炼焦过程碳颗粒物和PAHs排放量估算/183

第9章焦化行业大气污染控制对策与建议/185

9.1推广大型机焦炉及型煤炼焦工艺/185

9.1.1发展具有完善治理设施的大型机焦炉/185

9.1.2发展型煤炼焦，多使用非主焦煤和中等变质程度煤/187

9.2提高炼焦生产过程中环保措施的污染治理水平/188

9.2.1装煤过程PAHs的污染控制/189

9.2.2推焦过程PAHs的污染控制/190

9.2.3焦炉顶无组织排放PAHs的污染控制/190

9.2.4加强热工管理/191

9.3研发新型焦化行业大气污染物控制与监测技术/191

9.3.1研发气态及细颗粒物上PAHs污染控制方法/191

9.3.2推广实施焦化行业无组织排放苯并芘在线监控系统/193

9.4制定与完善焦炭生产大气污染物排放标准及规范/194

9.4.1完善现有焦炭生产污染物排放标准/194

9.4.2制定炼焦固体废弃物污染防治技术政策/195

9.4.3推进焦化企业清洁生产建设，鼓励发展焦化配套产业/196

参考文献/199

 

我国是世界焦炭生产大国，历年焦炭产量占世界总产量的50%，出口量占世界总出口量的60%。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。据世界卫生组织研究报告，大气中苯并芘（BaP）含量2ng/m3，即为诱发癌变的极限含量，而产焦区苯并芘含量高于极限值60～100倍。据估计2005年焦化行业排放大气颗粒物约44.5×104t、苯可溶物（BSO）约4×104t、苯并芘（BaP）约1602t、化学需氧量（COD）约13×104t、酚类约2.4×104t、氰化物约707t、油类约2255t、氨氮约1.9×104t。环保问题已成为当前我国焦化行业面临的突出问题，焦化行业的健康发展也已成为全社会关注的焦点。

近年来，针对焦化行业存在的环保问题，国家发改委出台了一系列产业政策，对炼焦行业进行了清理和整顿，淘汰落后产能，优化产业结构。目前我国焦化行业已在总量控制、结构调整、节能减排等方面取得巨大进步，焦化行业产业集中度和企业结构得到了显著改善。

本书从我国焦炭行业生产现状及发展趋势出发，系统介绍了煤焦化过程中大气污染物的排放现状，煤焦化过程多环芳烃的生成机理，炼焦排放大气污染物的采集与测试分析方法，探讨了煤焦化过程典型大气污染物（多环芳烃、重金属、碳炭颗粒物）的污染水平、分布特征、排放因子及排放量，最后系统介绍了针对我国焦化行业大气污染控制的对策与建议，旨在全面加深对我国焦化行业大气污染的生成、排放与控制的理解，进一步促进焦化行业清洁生产。

感谢华北电力大学彭林教授、太原理工大学李凡教授和太原科技大学的何秋生教授在样品采集与实验室分析中给予的帮助与指导，三位老师的耐心帮助和细心指点是论著得以顺利完成的重要保障。

本书的工作开展是在国家自然科学基金项目（41502324）、国家环保公益项目（200809027）共同资助下完成的，在此一并表示感谢！

限于著者水平和著作时间，书中难免有疏漏和不足之处，恳请读者批评指正。

著者

2018年3月