中国不锈钢生产过程中非甲烷挥发性有机化合物（NMVOCs）的排放量意外高于碳钢生产过程：来自现场测量的数据洞察

《Atmospheric Environment》：Unexpected larger NMVOCs emissions of Chinese stainless steel than carbon steel production: insights from field measurements

非甲烷挥发性有机化合物（NMVOCs）排放加剧空气质量恶化并潜在威胁健康和环境安全。本研究通过对比不锈钢与碳钢生产过程中不同工序的NMVOCs排放特征，揭示了两者在排放组成和因子上的显著差异。结果表明，不锈钢生产中NMVOCs排放强度显著高于碳钢，且排放组分存在明显差异，例如不锈钢烧结过程中二噁英排放量低于碳钢，这归因于原料差异和不锈钢生产更高的燃料消耗及更低的燃烧效率。此外，研究发现选择性催化还原（SCR）和湿法脱硫（WFGD）等APCDs对NMVOCs去除效率显著，而袋式除尘器（FF）可能反而增加NMVOCs排放。研究结果为钢铁行业NMVOCs排放控制提供了重要依据。

　　

李一婷|刘浩天|张雷|孙栓柱|吴荣荣|周伟哲|朱洁文|赵宇

中国江苏省南京市仙林路163号，南京大学环境学院，国家水污染控制与绿色资源回收重点实验室，210023

摘要

非甲烷挥发性有机化合物（NMVOCs）的排放会恶化空气质量，并对健康和环境构成潜在风险。钢铁行业是NMVOCs的重要来源之一，但针对钢铁行业NMVOCs排放的研究仍然有限，尤其是不锈钢制造领域。本研究对不锈钢和碳钢生产过程中的NMVOCs排放进行了实地调查，发现两者之间存在明显差异。结果表明，不锈钢生产过程中的NMVOCs排放量更高，且其化合物种类也有所不同。不锈钢制造过程中的二硫化碳排放量低于碳钢生产过程。这些差异归因于两种钢材生产所使用的原材料不同，以及不锈钢生产过程中燃料消耗较高、燃烧效率较低。不锈钢烧结过程的NMVOCs排放因子是碳钢烧结过程的40倍，因此如果不考虑这一高排放因子，钢铁生产的NMVOCs排放量可能会被低估。此外，本研究还探讨了空气污染控制设备（APCDs）对钢铁生产过程中NMVOCs排放的影响。选择性催化还原（SCR）和烟气脱硫（FGD）技术表现出较高的NMVOCs去除效率，而织物过滤器（FF）可能会增加NMVOCs的排放。这些不同的效果主要源于这些APCDs的去除机制以及NMVOCs的物理化学性质。通过实地测量，本研究加深了对钢铁制造业NMVOCs排放特性的理解，为制定NMVOCs排放控制策略提供了宝贵见解。

引言

臭氧（O₃）和颗粒物（PM_2.5）污染已成为中国最严重的环境问题之一（Li等人，2019a, 2019b；Liu等人，2022）。非甲烷挥发性有机化合物（NMVOCs）是这两类污染物的主要前体，对环境质量和人类健康有重大影响（Ehn等人，2014；Manisalidis等人，2020）。近年来，中国的NMVOCs排放量持续增加，钢铁制造被认定为工业NMVOCs的重要来源（Lei等人，2023；Zhou和Zhou，2023）。根据《中国多分辨率排放清单》（MEIC，Geng等人，2024），2020年钢铁行业的NMVOCs排放量为251 Gg，占总工业排放量的1.5%。作为全球最大的粗钢生产国，2022年中国钢铁生产导致的全球NMVOCs排放量占69%（EDGAR，2024）。在钢铁生产密集的地区，NMVOCs排放量可能特别高。例如，中国东部经济最发达的地区之一——长江三角洲（YRD），2022年其钢铁相关NMVOCs排放量占全球总量的24%，超过了其他十大钢铁生产国的总和（EDGAR，2024）。

钢铁制造包括多个阶段，如矿石破碎、燃料燃烧、烧结、造球、炼铁、炼钢和热轧，这些过程都会产生NMVOCs（Bo等人，2021；Cai等人，2023）。已有研究对中国钢铁厂的各类工艺排放特性进行了实地测量（Liu等人，2020；Miao，2017；Shi等人，2015；Tsai等人，2008；Wang等人，2022, 2023；Xu等人，2021）。例如，Wang等人（2022）指出烧结过程是钢铁行业NMVOCs的最大排放源，烟气中的质量浓度达到2.43 mg/m³。Xu等人（2021）对山西省的钢铁厂进行测量，发现烷烃和烯烃是烧结过程中主要的NMVOCs成分，分别占总NMVOCs的48.9%和26.8%。Wang等人（2023）研究了中国北方一家典型钢铁厂，估计烧结机尾部（SMT）和烧结机头部（SMH）分别占工厂NMVOCs排放量的27.4%和24.6%。烷烃和芳香烃的质量分数最高，分别为45.0%和41.5%。尽管有这些研究，但全面了解钢铁行业的NMVOCs排放特性仍存在局限。现有研究主要集中在碳钢工厂上，忽略了不锈钢工厂等其他类型工厂。此外，很少有研究探讨特定空气污染控制设备（APCDs）对NMVOCs排放的影响。

中国是不锈钢的最大生产和消费国（Xue，2022）。不锈钢生产和碳钢制造在原材料和工艺上存在显著差异。不锈钢生产主要使用含有镍和铬的铁矿石（Saleil等人，2020）。近年来，由于中国镍资源稀缺，其他国家对高等级镍矿石的出口管制严格，因此不锈钢生产现在主要使用低等级镍铬矿石（Xue，2022）。使用低等级矿石改变了生产过程，影响了燃料消耗和燃烧效率，进而可能改变空气污染物排放。然而，由于缺乏不锈钢工厂的实测数据，目前的排放清单通常是基于碳钢生产的排放因子制定的。此外，钢铁行业通常不采用专门的NMVOCs去除系统，而是使用空气污染控制设备（APCDs）来去除硫、氮和粉尘。这些APCDs在一定程度上会影响NMVOCs的排放。Sun等人（2021）研究了APCDs对燃煤电厂NMVOCs排放的影响，发现NOx控制设施显著提高了NMVOCs的去除效率，而湿法烟气脱硫（WFGD）系统则导致卤代烃和芳香烃的排放增加。然而，APCDs对钢铁生产过程中NMVOCs排放的影响仍不明确。

本研究旨在通过实地测量分析和比较不锈钢和碳钢生产的NMVOCs排放特性。共从两家钢铁厂收集了26个样本，涵盖了烧结、造球、炼铁、炼钢和热轧等主要生产过程。然后通过离线化学分析获得了各工厂和工艺的烟气浓度数据。结合现场调查和测量结果，计算了钢铁生产的NMVOCs排放因子和化学成分分布。此外，还测量了循环流化床脱硫（CFB-FGD）和选择性催化还原（SCR）等APCDs进出口处的样品，以评估这些设备对钢铁行业NMVOCs去除的协同效应。

部分内容摘录

所测量钢铁厂的描述

NMVOCs排放测量在中国东部的两家钢铁制造厂进行：一家是不锈钢工厂（工厂S），另一家是碳钢工厂（工厂C）。基本信息和正常运行条件总结在表1中。工厂S使用红土镍矿作为不锈钢生产的主要原料（Asadrokht和Zakeri，2022）。据行业统计，红土镍矿占全球镍矿产量的73.7%

不同工厂和工艺的NMVOCs排放特征

图2展示了工厂S和工厂C各工艺的NMVOCs排放成分分布，图3显示了不同NMVOCs组的质量分数。与碳钢生产相比，不锈钢生产过程中的烟气中NMVOCs的质量浓度明显更高，化学成分也有显著差异。在工厂S中，烧结机头部（SMH）过程的NMVOCs质量浓度最高，达到33.00 mg/m³。烷烃和烯烃加炔烃

结论

本研究分析了不锈钢和碳钢制造厂的NMVOCs排放特性，指出了两者在烟气浓度、成分分布和排放因子方面的差异。通过对中国东部两家钢铁厂的实地测量，我们发现不锈钢生产的NMVOCs排放量更高，且排放成分也有所不同。值得注意的是，

作者贡献声明

李一婷：撰写初稿、数据可视化、调查、数据整理。刘浩天：撰写初稿、数据整理。张雷：方法论设计、概念构建。孙栓柱：数据整理。吴荣荣：资金获取、数据分析。周伟哲：调查、数据分析。朱洁文：调查、数据分析。赵宇：撰写、审稿与编辑、方法论设计、概念构建。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2023YFC3709802）和江苏省（BE2022838）的支持。