0 引 言
烧结过程在钢铁企业中是仅次于高炉炼铁过程的第二大耗能工序，其能耗约占企业总能耗的10%[1-2]。该过程不仅能耗高，还会产生多种有害污染物，对人体、动植物产生很大危害。鉴于其危害的严重性，我国专门针对烧结烟气主要污染物提出了严格的排放标准[3]。不同企业烧结过程由于过量空气不同，污染物排放浓度间可比性较差。故单靠控制浓度是不科学的，需将污染物的排放浓度统一标准，即按照一定的基准氧含量进行折算，则可以进行不同钢铁企业之间污染物排放的对比分析。新的排放标准修改单即将基准氧含量取值纳入其中，由此可见，研究烧结过程的烟气氧含量尤为重要[4-6]。
基准氧含量通常指燃料恰好充分燃烧时烟气中含有的多余自由氧，该参数已经考虑了燃烧所需的实际空气量[7]。基准氧含量与燃料类型、烧结所用设备类型、工艺以及基础设施信息等多种因素有关。控制烟气氧含量，对实现烧结过程安全、高效运行及低污染排放非常重要[8]。
目前国内关于氧含量的报道多是关于锅炉、火电、砖瓦行业[9-12]，有关烧结烟气氧含量的情况鲜有报道。GB 28662—2012《钢铁、烧结、球团工业大气污染物排放标准》中要求，在国家未规定生产单位基准氧含量之前，以实测浓度作为判定大气污染物排放是否达标的依据。由此可见烟气氧含量对排放浓度计算的重要性。烟气氧含量是计算烧结工序污染物排放浓度的重要参数，是判断烧结烟气污染物排放能否达标的关键。本研究首先介绍了排放标准变化及基准氧含量取值，其次分析了氧含量数值对污染物排放浓度的影响。并在此基础上，对全国部分地区钢铁企业烧结机氧含量分布及其与烧结机规模之间的关系进行分析，旨在为全国钢铁行业烧结工序氧含量的研究提供参考。
1 研究方法
根据GB 13271—2014《锅炉大气污染物排放标准》以及多个行业现行大气污染物排放标准[13-16]，采用污染物基准氧含量排放浓度的公式如下：
C=C′×[(21-φ(O2))/(21-φ(O2)′)]
(1)
式中：C为大气污染物基准氧含量排放浓度，mg/m3；C′为实测大气污染物排放浓度，mg/m3；φ(O2)为基准氧含量，%；φ(O2)′为实测氧含量，%。
采用式(1)对污染物排放浓度进行折氧计算，并与实测浓度进行对比，以期对烧结工序排放污染物的检测与分析提供更为有效的参考。
2 结果与讨论
2.1 排放标准变化及基准氧含量取值
为进一步完善污染物排放标准，环保部于2017年发布了关于征求GB 28662—2012等20项国家污染物排放标准修改单(征求意见稿)意见函(下文称“意见函”)，一方面对主要大气污染物的特别排放限值进行调整，即提出新的烧结烟气特别排放限值。作为全国钢铁产能及排放大户的河北省也于2018年对河北省烧结烟气排放限值提出具体要求，关于钢铁行业超低排放的意见也于2019年发布。各标准及征求意见稿的相关排放限值如表1所示。
表1 烧结烟气主要污染物的相关排放标准及征求意见稿
Table 1 Related emission standards of main pollutants in sintered flue gas and draft for consultation
标准及征求意见污染物种类ρ(PM)/(mg·m-3)ρ(SO2)/(mg·m-3)ρ(NOx)/(mg·m-3)基准氧含量/%GB 28662—2012特别排放限值[3]40180300无征求意见特别排放限值[17]205010016国家超低排放限值[18]10355016河北超低标准新建企业排放限值[19]10355016
另一方面，意见函对基准氧含量进行了修改。未进行氧含量折算的污染物排放浓度可比性不高，也无法很好地反映烧结机排放实际情况。例如，烧结机的漏风现象可能造成高浓度污染物通过稀释作用而达到排放标准限值[20]。故新出台的2个排放标准均加入烧结烟气基准氧含量取值，以及实测烟气污染物排放浓度应换算为基准氧含量条件下的排放浓度。
2.2 氧含量对污染物排放浓度的影响
本研究以实地调研考察所得全国部分省份钢铁企业2017年烧结机头烟气排放数据为例，23个省份烧结机头烟气污染物排放浓度及折氧后浓度如表2所示。
由表2可知：除广东、广西以外的其他省份，其平均氧含量均大于基准氧含量。从实测排放浓度数据来看，3种污染物均能满足GB 28662—2012特别排放要求，大部分省市满足征求意见稿中PM特别排放要求(20 mg/m3)，约50%省市满足SO2的特别排放要求(50 mg/m3)，只有少数几个省市满足NOx排放要求(100 mg/m3)。几乎所有省市离达到超低排放限值(PM：10 mg/m3、SO2：35 mg/m3、NOx：50 mg/m3)
表2 全国部分地区烧结烟气主要污染物氧含量折算前后排放浓度对比
Table 2 Comparison of emission concentrations of main pollutants in sintered flue gas before and after conversion of oxygen content
地区样本数平均氧含量/%ρ(PM)/(mg·m-3)ρ(NOx)/(mg·m-3)ρ(SO2)/(mg·m-3)实测折算后实测折算后实测折算后变化率/%天津717.47 12.67 17.94 140.76 199.33 38.63 54.70 41.61 河北6317.01 14.79 18.52 141.43 177.11 43.83 54.89 25.23 山西1916.63 22.20 25.42 125.93 144.17 62.48 71.53 14.49 内蒙古817.86 24.95 39.76 107.76 171.73 83.51 133.09 59.36 辽宁1216.87 18.54 22.43 131.54 159.11 70.61 85.41 20.96 吉林516.37 22.89 24.71 145.79 157.37 14.30 15.44 7.95 黑龙江118.80 13.03 29.59 185.19 420.58 23.03 52.30 127.11 上海216.51 13.26 14.77 131.37 146.29 16.11 17.94 11.36 江苏1317.87 18.87 30.12 90.01 143.70 40.40 64.50 59.64 安徽316.43 14.78 16.18 155.97 170.79 38.47 42.13 9.50 福建718.90 19.47 46.35 108.69 258.74 71.97 171.33 138.05 山东1117.23 10.20 13.54 151.16 200.72 34.25 45.48 32.79 河南1417.47 19.37 27.42 137.04 193.99 61.65 87.27 41.56 湖北317.58 19.78 28.93 104.47 152.79 57.54 84.15 46.25 湖南117.52 23.19 33.28 130.85 187.77 70.55 101.23 43.50 广东115.56 14.27 13.12 137.69 126.58 69.49 63.88 -8.07 广西114.14 32.97 24.02 129.98 94.71 84.08 61.27 -27.13 重庆118.88 13.59 31.98 90.50 212.98 75.91 178.65 135.34 四川216.57 15.91 17.97 97.46 110.07 103.53 116.93 12.94 云南616.82 19.72 23.58 241.16 288.31 21.37 25.55 19.55 陕西216.15 10.17 10.47 124.03 127.74 40.47 41.68 2.99 甘肃118.96 20.90 51.18 130.20 318.90 52.61 128.86 144.93 新疆619.03 7.57 19.19 30.59 77.56 77.86 197.42 153.55
注：平均氧含量数据由该省所有企业烧结机剔除离散点(少数明显偏离)后的氧含量数据计算所得;变化率=[(C-C′)/C′]×100%。
相差甚远。但是，如果考虑基准氧含量条件(表1)可以发现，当平均氧含量大于基准氧含量，折算后的排放浓度比实测的排放浓度值要大。例如，河南、辽宁、黑龙江、江苏、福建、湖北、重庆、云南的实测PM浓度值，江苏、重庆、四川的实测NOx浓度值，以及天津、河北、黑龙江的实测SO2浓度值并未超出特别排放限值，折算后浓度值却超过限值。反之，若平均氧含量低于基准氧含量，反而多出了安全余量，如广西的NOx浓度值原本超过特别排放限值，折算后反而达标。值得注意的是，随着平均氧含量与基准氧含量差值的增大，变化率升高/下降趋快，故折算后浓度值与实测浓度也相差越大。
综上可知，单独对污染物排放的实测浓度进行对比，烧结过程排放的各污染物浓度没有进行比较的基准，甚至可能通过某些人为手段以达到要求[21]；但是如果将其进行折氧计算，其排放就有了可比性。在排放标准日趋严格的国家政策下，进行氧含量折算对排放浓度是否符合排放要求有关键性作用，同时也有利于促进企业采取相关措施。
2.3 全国部分地区平均氧含量分布
表2为全国部分省份氧含量的平均水平，很好地表现出整体氧含量值的水平。为了更准确地反映各企业平均氧含量的实际分布状况，对各省份中每一家企业的平均氧含量进行分析，如图1所示。可知：河北涉及企业最多，其次是山西、河南、江苏，故这几个省份比较有代表性。整体来看，绝大多数企业平均氧含量大于基准值，其中河北企业平均氧含量大多分布于14%～18%。江苏、河南、山西企业平均氧含量则基本分布在16%以上，只有个别位于河南、贵州、云南及新疆的4家企业平均氧含量存在极低的情况。其他省份不同企业平均氧含量分布不均，同一省份各企业之间氧含量值有高有低，不同省份中各企业之间的氧含量值波动相似，差异不显著。综上可知，氧含量值高或低并不是由地区因素引起的。
为了对图1各省份中企业平均氧含量的分布进行更直观的讨论，将其划分为长三角、汾渭平原、“2+26”城市三大区域。同时通过实地调研对长三角区域15家企业、“2+26”城市区域83家企业、汾渭平原区域15家企业的平均氧含量数据(表3)进行计算。
图1 全国部分企业平均氧含量分布
Fig.1 Distribution of average oxygen content in some enterprises in China
可知：长三角区域平均氧含量值最高，为17.6%，其次是“2+26”城市区域，为17.1%，最低则是汾渭平原，为16.4%。可以看出，长三角地区的徐州、无锡及常州的企业平均氧含量较高，高于18%；连云港企业平均氧含量较低，低于16%。在汾渭平原地区，晋中企业平均氧含量较高，高于18%，渭南及运城企业平均氧含量较低(<16%)。临汾可统计企业数相对较多，其平均氧含量比较有代表性，为16.3%。而分析“2+26”地区可以看出，廊坊、济南、淄博及安阳等城市平均氧含量偏高，沧州平均氧含量较低，且此地区只有沧州平均氧含量低于16%。唐山和邯郸样本数量较多，平均氧含量分别为16.5%和17.8%，可以代表整体水平。
表3 全国三大区域部分城市平均氧含量值
Table 3 Average oxygen content in some cities in three regions of China
“2+26”城市长三角汾渭平原城市平均氧含量/%样本数城市平均氧含量/%样本数城市平均氧含量/%样本数城市平均氧含量/%样本数廊坊18.181太原16.962徐州19.783晋中18.122济南18.021德州16.781无锡19.721汉中17.151淄博17.991石家庄16.751常州18.563吕梁16.791安阳17.928晋城16.641淮安16.871临汾16.336邯郸17.8919聊城16.581上海16.512运城15.714天津17.477唐山16.5533苏州16.313渭南15.141长治17.213滨州16.051泰州16.261邢台17.182沧州15.441连云港15.491
为了深入了解各个城市平均氧含量值具体的分布范围状况，将平均氧含量按照<15%，15%～16%，16%～17%，17%～18%，>18%共5个范围进行划分，其在不同范围内的频次分布，如图2所示。
整体来看，长三角及“2+26”城市区域的平均氧含量位于较高频次范围，汾渭平原区域则较低。其中，江苏、河北、山东以及山西样本数较多。可以看出，江苏3个城市(无锡、徐州、常州)企业的平均氧含量主要分布在>18%，2个城市(淮安、泰州)企业的平均氧含量主要分布在16%～17%。山西晋中企业平均氧含量主要分布在>17%，且吕梁也处于较高范围(>16%)。天津，河北邯郸、廊坊以及河南安阳企业平均氧含量均主要分布在>18%。山东各城市企业平均氧含量则主要分布在中间3个范围，很少有过高或过低值出现。平均氧含量值处于较低范围的情况主要存在于陕西渭南，江苏连云港、苏州，河北沧州以及山东滨州。
2.4 不同烧结机规模平均氧含量分布
为了进一步确定烟气中氧含量的影响因素，本文根据《产业结构调整指导目录(2011年本)》2013年修正版，按照烧结机面积<90，90～180，180～360，>360 m2进行分类。
图3为在不同烧结机规模下，部分省份钢铁企业烧结机平均氧含量对比情况。大部分企业的烧结机面积分布在90～360 m2。在统计的71家企业中，<90 m2及>360 m2规模下的样本数较少，只有7家企业烧结机面积>360 m2，2家企业<90 m2。同时部分省份(山东、山西)虽在不同规模烧结机的氧含量数值有记录，但是样本数偏少，不具有可比性。鉴于此，选取样本数最多、最具代表性的河北，对比分析其不同规模下企业平均氧含量的情况,可以发现，随着烧结机规模的增加，企业平均氧含量值有上升趋势。故初步得出结论，对于同一省份来说，烧结机面积与平均氧含量之间存在一定关系，即随着烧结机面积的增大，平均氧含量有升高的趋势。
注：每个气泡代表该城市所有企业在此氧含量范围内所有数据占总数据的比例，气泡大小代表该比值大小。
图2 全国部分地市平均氧含量频次分布
Fig.2 Frequency distribution of average oxygen content in selected cities in China
图3 全国部分地区不同烧结机规模下平均氧含量
Fig.3 Average oxygen content in different sintering machine scales in different regions of China
3 结 论
对实地调研所得的全国各企业烧结机排放数据进行分析，得到如下结论：氧含量折算对检测排放浓度是否符合排放要求有关键性作用，且平均氧含量和基准氧含量的差值越大，折算后的浓度值也相差越大；关于氧含量分布，整体来看，除广东、广西以外的其他省份，其平均氧含量均大于基准氧含量。分区域来看，长三角区域平均氧含量值最高，为17.6%，其次是“2+26”城市区域，为17.1%，最后则是汾渭平原区域，为16.4%。同样，长三角及“2+26”城市区域的平均氧含量位于较高频次范围，汾渭平原区域则较低。具体到各个企业来看，绝大多数企业平均氧含量大于基准值；对不同省份来说，不同企业烧结机平均氧含量值与烧结机规模之间无明显对应关系，而同一省份则随着烧结机面积的增大，平均氧含量有升高的趋势。
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