第二卷 第七期 - 2007年十二月十四日
一貫作業煉鋼廠排放粒狀物之化學組成特性
蔡俊鴻*、林國雄1、陳世裕1、丁建原1、趙慶光1、江鴻龍2

*國立成功大學環境工程學系
1輔英科技大學環境工程系
2中國醫藥大學風險管理系

Email:jhtsai@mail.ncku.edu.tw

Journal of Hazardous Materials. 147, 111–119 (2007).

鐵業生產車輛、建設及消費產品之重要原料,同時也是能源密集產業並為重要之空氣污染排放源。一貫作業煉鋼廠主要操作包括燒結、煉焦、煉鐵、煉鋼及軋鋼等製程。圖1為台灣地區一貫煉鋼廠之生產製程示意圖。一貫作業煉鋼廠之主要原料為由赤鐵礦(Fe2O3)及磁鐵礦(Fe3O4)或針鐵礦(FeOOH)所組成之鐵礦砂。鐵礦砂燒結為一貫煉鋼廠最重要之製程,含有焦碳、碎鐵礦砂及石灰石的混合物經高溫加熱在高爐燒結;燒結製程、煉焦製程、加熱爐及高爐為主要的空氣污染排放源,約佔煉鋼業排放之90%。此外,煉焦爐亦為多環芳香烴碳氫化合物(PAHs)之重要排放源。本研究乃針對一貫大煉鋼廠製程排放之粒狀物進行採樣並辨識其組成以建立各種排放源之排放特徵。相關粒狀物組成分析包含21種元素分析、11種離子化合物、元素碳、有機碳、及16種多環芳香烴碳氫化合物。

煉鋼廠四個主要製程所得粒狀物元素成份分析結果如表1所列,硫、鐵及鈉為煉焦製程粒狀物中所含主要元素;燒結製程則含有高濃度的鉀及鉛,其中鉀濃度(157毫克/克)貢獻高達15%;於冷軋製程,粒狀物中所含硫、鐵、鈉、鉀及鑷之濃度範圍為147-21 mg/g;於熱軋製程,硫、鐵、鈉及鈣則為主要成份(60-14毫克/克)。整體而言,由於煉鋼廠於製鐵煉鋼程序中使用煤、助熔劑、重油、及許多回收物料,致使粒狀物含有較高質量濃度硫份。燒結工場排放粒狀物中之鉀的質量濃度較其他三製程為高,此乃由於鉀的低沸點及揮發性所致。此外,燒結工場亦使用相當多回收原物料,亦為造成粒狀物含高濃度鉀之原因。

離子組成濃度分析結果顯示,四個製程之硫酸鹽濃度(122至349毫克/克)高於其他化合物,其成因可能係由原物料所含硫份氧化形成二氧化硫,再被吸附或沉積於大氣微粒並形成硫酸鹽;另一轉化途徑可由氣態二氧化硫經鐵、鑷等金屬催化而轉化形成硫酸鹽微粒成份。燒結製程之鉀離子及氯離子濃度較硫份為高,分別為199及173毫克/克。燒結工場之返粉(return fines)、混合礦砂、蛇紋石、石灰石及碎焦碳也會回收利用來製造燒結礦;含氯及含鉀化合物大量回收物料用於燒結工場,造成高濃度鉀離子及氯離子釋出。

元素碳及有機碳之濃度範圍分別為9-137毫克/克及16-64毫克/克,總碳濃度為40-170毫克/克。由於製造程序之高溫(> 850 oC)及碳燒失(carbon burnoff)使得碳含量少。煉焦及冷軋製程呈現出相對較高的碳含量,此乃由於焦碳生成時的還原作用及冷軋係以較低溫度處理所致。

於16種可分析多環芳香烴碳氫化合物中,有8種化合物於採樣的四個製程中被偵測到(表2)。四製程所含粒狀物PAH含量依序為冷軋(6.2毫克/克) > 煉焦(1.8毫克/克) > 熱軋(1.6毫克/克) > 燒結(0.5毫克/克)。由於冷軋過程需加入油料且操作溫度較低,而促使PAH生成。本研究分析之16種PAHs質量濃度貢獻比例依序為三環化合物(88-69%)、五環化合物(3-13%)及四環化合物(8-24%)(圖2);三環之苊烯萘(acenaphthylene,AcPy)為優勢PAH物種,致癌物苯(a)芘(Benzo(a)pyrene, BaP)僅於燒結製程中量測到(0.041毫克/克)。於煉焦及冷軋製程發現到高的碳含量和此二製程量測到高PAH濃度的結果一致。

本研究主要成果乃建立一貫作業煉鋼廠四項主要製程排氣微粒之化學組成特徵,包括有機物成份及無機鹽類成份,其可用於研判一貫作業煉鋼廠周界大氣微粒潛在影響與排放來源鑑定,提供研擬管制對策參考
Table 1 Elemental concentration in particulate emissions from various processes in steel plant

a mean value ± standard deviation
bND: not detectable
cEach processor took 3 samples and each sample took 3 duplicate analyses.
dMDL: Method detection limit; Al, Ca, Fe, K, Mg, Na, and S were measured by ICP-AES and Co, Zn, Pb, Cu, Sr, As, Cr, Ba, Mn, Ni, Se, Cd, Sb, and V were measured by ICP-MS.


Table 2 PAHs concentrations in the four processes

*ND: not detectable
** Naphthalene (NaP), Acenaphthene (Acp), Anthracene (Ant), Fluoranthene (FL), Benzo(a)anthracene (BaA), Indeno(1,2,3-cd)pyrene (IND), Dibenzo(a,h)anthracene (DBA), and Benzo(g,h,i)pyrene (BghiP) were not detected in these samples.
*** Each processor took 3 samples and each sample took 3 duplicate analyses

Figure 1 The main processes of the integrated iron and steel plant

Figure 2 Distribution of various classes of PAHs
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