了得網工業技術_煤焦化區域大氣污染特征及健康危害效應

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1.本書從煤焦化生產工藝出發，繫統闡述了煤成焦過程及機理、焦化工藝特征、污染物排放環節與方式，對我國焦化行業影響區域的大氣污染狀況進行了比對分析，反映了當前大氣環境學科研究向揮發性有機物污染特征、區域性復合大氣污染的聯防聯控的擴展和延伸。 2.本書通過繫統分析焦化污染區域的典型重霾形成過程和疫情期間的污染形勢，探討了焦化污染區域灰霾的形成機制。借助受體模型和軌跡模型分析了汾河平原焦化行業聚集區大氣污染物，特別是關鍵致毒因子的來源組成及其區域傳輸路徑，對於我國北方治理灰霾具有一定的參考價值。 3.本書從流行病學調查、健康風險評估、細胞毒性等方面描述了焦化污染區域大氣氣溶膠的毒性，識別了關鍵致毒因子。從濃度、組成、特征比值等多個角度闡述了焦化污染區域大氣揮發性有機物（VOCs）的污染特征，評估了VOCs相關的臭氧生成潛勢、二次有機氣溶膠生成潛勢及健康風險，對大氣污染控制、保障人體健康具有較大參考價值。

內容簡介

本書以煤焦化區域大氣污染特征及健康危害效應為主線，主要介紹了煤焦化行業發展的歷史和現狀，煤焦化污染區域大氣氣溶膠的理化性質和大氣揮發性有機化合物（VOCs）的污染特征，探討了煤焦化區域大氣污染物的健康危害效應，煤焦化污染區域灰霾的污染特征與形成機制，後以案例分析的形式，詳細介紹了煤焦化區域污染物的來源、輸入與輸出路徑，以及疫情封鎖管控對空氣質量的改善效果，旨在全面加深對我國煤焦化區域大氣污染生消機制及其健康危害效應的理解，為相關區域灰霾和臭氧的針對性控制與人群健康防護提供參考，促進“美麗中國”建設，保障居民身體健康。本書具有較強的技術應用性和針對性，可供從事大氣污染形成機理、危害與控制等領域的工程技術人員、科研人員和管理人員參考，也可供高等學校環境科學與工程、生態工程、化學工程及相關專業師生參閱。

作者簡介

李宏艷，太原科技大學環境科學與工程學院副教授，碩導，中國青年科技工作者協會會員，山西省青年科技人纔協會會員。主要承擔環境工程專業核心課程《大氣污染控制工程》《環境毒理學》《環境模型與數據處理》的教學工作。碩博連讀期間主要進行環境科學及毒理方面的研究，任教期間主要從事大氣污染及源解析方面的研究，尤其是焦化污染區域大氣污染特征及健康危害效應研究，先後主持國家自然科學基金青年項目“焦化污染區域大氣細顆粒物的毒性因子特征研究”（41501543）、國家自然科學基金面上項目“焦化煙氣老化過程中顆粒物特征與毒性效應的演變規律研究（22076135）”、山西省重點研發計劃項目“太原盆地大氣灰霾組成特征、成因及控制（201803D421095）”、山西省應用基礎研究計劃項目“基於VOCs和NOx外場觀測研究太原盆地臭氧污染成因與有效控制策略（201901D111250）” 等項目的研究工作，參與1項國家自然科學基金項目“煤焦化大氣污染特征及標志物研究”。共發表期刊論文20餘篇，學術會議論文10餘篇，獲省級科技獎2項，獲專利授權1項，參與編書1本。

第1章概論 001
1.1 煤焦化產業的發展歷史及現狀 002
1.1.1 焦化過程及原理 002
1.1.2 我國焦化工藝的發展歷史及現狀 003
1.1.3 我國焦化行業的產能歷史及現狀 009
1.2 煤焦化行業空間分布特征 011
1.2.1 煉焦煤資源分布 011
1.2.2 焦化廠空間分布 012
1.2.3 焦炭產能、產量的空間分布 012
1.3 煤焦化行業污染物分類及排放特征 014
1.3.1 不同工藝環節污染物排放種類 014
1.3.2 焦化廠內大氣環境和煙氣污染物濃度 019
1.3.3 不同工藝環節標識性物種和特征比值 020
1.4 煤焦化區域污染狀況及危害 023

第1章概論 001
1.1 煤焦化產業的發展歷史及現狀 002
1.1.1 焦化過程及原理 002
1.1.2 我國焦化工藝的發展歷史及現狀 003
1.1.3 我國焦化行業的產能歷史及現狀 009
1.2 煤焦化行業空間分布特征 011
1.2.1 煉焦煤資源分布 011
1.2.2 焦化廠空間分布 012
1.2.3 焦炭產能、產量的空間分布 012
1.3 煤焦化行業污染物分類及排放特征 014
1.3.1 不同工藝環節污染物排放種類 014
1.3.2 焦化廠內大氣環境和煙氣污染物濃度 019
1.3.3 不同工藝環節標識性物種和特征比值 020
1.4 煤焦化區域污染狀況及危害 023
1.4.1 全國焦化行業污染物排放因子和各區域排放情況 023
1.4.2 焦化行業影響區域的大氣污染狀況 026
1.4.3 焦化行業影響區域人群健康危害狀況 032
1.5 煤焦化區域環保要求及相關政策 034
1.5.1 焦化行業管控政策 034
1.5.2 焦化行業大氣污染物排放標準 039
1.5.3 焦化行業大氣污染物排放控制/淨化工藝 044
參考文獻 048

第2章煤焦化污染區域大氣氣溶膠的理化特征 051
2.1 研究區域污染狀況 052
2.2 形貌、表觀化學特征 054
2.2.1 焦化園區內PM2.5 顆粒物的形貌特征 054
2.2.2 PM2.5 中典型顆粒物的能素分布特征 058
2.2.3 焦化污染環境大氣PM2.5 的XPS 分析 062
2.3 化學組成特征 067
2.3.1 水溶性離子 067
2.3.2 OC 和EC 075
2.3.3素 078
2.3.4 多環芳烴 080
2.4 顆粒物及其化學組分的粒徑分布特征 085
2.4.1 顆粒物粒徑分布特征.085
2.4.2 水溶性離子粒徑分布特征 090
2.4.3 PAHs 的粒徑分布特征 092
2.5 酸性 101
2.6 消光性 104
2.7 二次成分 108
2.7.1 二次無機氣溶膠生成機制研究 108
2.7.2 二次有機氣溶膠的污染特征研究115
參考文獻 121

第3章煤焦化污染區域大氣揮發性有機物（VOCs）的污染特征 127
3.1 VOCs 的污染狀況 129
3.1.1 非甲烷烴的污染狀況 129
3.1.2 醛酮的污染狀況 133
3.2 VOCs 的組成特征 133
3.2.1 非甲烷烴的組成特征 133
3.2.2 醛酮的組成特征 135
3.3 特征比值 136
3.3.1 苯與甲苯（B/T）比值分析 136
3.3.2 異戊烷/正戊烷比值分析 139
3.3.3 苯、甲苯和乙苯（B∶T∶E）的比值分析 140
3.3.4 羰基化合物的比值分析 142
3.4 二次有機氣溶膠生成潛勢 145
3.4.1 VOCs 的反應性 145
3.4.2 二次有機氣溶膠生成潛勢（SOAFP）150
3.5 臭氧生成控制機制 153
3.5.1 O3 的污染水平 153
3.5.2 O3 生成的控制機制 154
參考文獻 157

第4章煤焦化區域大氣污染物的健康危害效應 161
4.1 氣溶膠的健康危害 162
4.1.1 氣溶膠的健康風險 162
4.1.2 流行病學調查 169
4.1.3 毒性效應及機制 169
4.1.4 氧化潛勢與關鍵致毒因子 177
4.2 VOCs 的健康危害 184
4.2.1 VOCs 健康風險 184
4.2.2 有毒有害VOCs 的主要來源 191
參考文獻 192

第5章煤焦化污染區域灰霾的污染特征與形成機制 195
5.1 灰霾前體物隨污染等級的變化特征 196
5.2 PM2.5 中二次組分隨污染等級的變化特征 197
5.2.1 太原市水溶性離子 197
5.2.2 介休市化學組分 198
5.3 硫、氮轉化率隨污染等級的變化特征 200
5.4 PM2.5 酸度隨污染等級的變化特征 201
5.5 氣像因素在灰霾發生、發展與消散過程中的作用 204
5.5.1 氣像因素對NR-PM2.5 化學組分的影響 204
5.5.2 氣像因素對不同季節SOA 形成的影響 207
5.6 典型重灰霾污染過程分析 211
5.6.1 灰霾形成過程與機制 211
5.6.2 區域性灰霾形成的推動力 216
參考文獻 218

第6章典型案例分析 221
6.1 太原盆地污染物的來源解析 222
6.1.1 VOCs 的來源解析 222
6.1.2 PAHs 的來源解析 225
6.1.3 水溶性離子、OC/EC 及金屬的來源解析 227
6.1.4素的來源解析 232
6.2 太原市污染物的輸入與輸出路徑 235
6.2.1 PAHs 的區域輸送路徑 235
6.2.2 二氧化氮（NO2）的區域輸送路徑與潛在源區分析 237
6.2.3 VOCs 的區域輸送路徑與潛在源區分析 237
6.3 汾河平原疫情封鎖管控對太原盆地空氣質量的改善效果 240
6.3.1 疫情對太原市鼕季無機氣溶膠的影響 240
6.3.2 疫情對介休市鼕季有機氣溶膠的影響 245
參考文獻 255

前言

中國是世界上的煉焦煤生產和消費大國，焦炭的生產和出口量對世界總生產和出口量的貢獻比例分別為50%和60%。煉焦過程排放的大量有毒有害物質易通過擴散作用嚴重威脅周邊地區大氣環境質量及居民身體健康。大氣中苯並[a]芘（BaP）含量達2ng/m3，即為誘發癌變的極限含量，而焦化區苯並芘含量高於極限值60～100 倍。據估計，2015年焦化行業排放煙粉塵、SO2、NOx 量分別為28.3 萬噸、36.5 萬噸、24.6萬噸，分別占全國工業粉塵、SO2、NOx 排放量的1.9%、2.1%、1.7%。
焦炭產業集中的省份，往往也是灰霾嚴重高發的地區，因此焦化區域的大氣污染防治及其健康危害效應成為全社會關注的焦點。
近年來，針對煤焦化行業高耗能、高污染的問題，國家出臺了一繫列產業政策，對煤焦化行業進行了清理、整頓和規範，淘汰落後產能，優化產業結構。現階段，我國焦化行業在控制總量、淘汰落後、清潔生產、技術進步、結構調整、節能減排等方面取得了巨大進步，在深化供給側結構性改革，積極應對原燃料價格高位運行、碳達峰碳中和等方面做出了積極貢獻，行業生產集中度和企業結構得到了顯著改善。

中國是世界上的煉焦煤生產和消費大國，焦炭的生產和出口量對世界總生產和出口量的貢獻比例分別為50%和60%。煉焦過程排放的大量有毒有害物質易通過擴散作用嚴重威脅周邊地區大氣環境質量及居民身體健康。大氣中苯並[a]芘（BaP）含量達2ng/m3，即為誘發癌變的極限含量，而焦化區苯並芘含量高於極限值60～100 倍。據估計，2015年焦化行業排放煙粉塵、SO2、NOx 量分別為28.3 萬噸、36.5 萬噸、24.6萬噸，分別占全國工業粉塵、SO2、NOx 排放量的1.9%、2.1%、1.7%。
焦炭產業集中的省份，往往也是灰霾嚴重高發的地區，因此焦化區域的大氣污染防治及其健康危害效應成為全社會關注的焦點。
近年來，針對煤焦化行業高耗能、高污染的問題，國家出臺了一繫列產業政策，對煤焦化行業進行了清理、整頓和規範，淘汰落後產能，優化產業結構。現階段，我國焦化行業在控制總量、淘汰落後、清潔生產、技術進步、結構調整、節能減排等方面取得了巨大進步，在深化供給側結構性改革，積極應對原燃料價格高位運行、碳達峰碳中和等方面做出了積極貢獻，行業生產集中度和企業結構得到了顯著改善。
本書從煤焦化生產工藝出發，從工藝、產能、空間分布、污染物排放種類及特征、污染狀況及危害、環保政策及要求等方面繫統介紹了煤焦化行業的發展歷史和現狀。以顆粒物和大氣揮發性有機物（VOCs）的離線采樣為基礎，研究了煤焦化污染區域大氣氣溶膠的形貌、化學組成、粒徑分布、酸性、消光性以及二次成分等性質，並對VOCs 的化學組成、特征比值、二次有機氣溶膠（SOA）生成潛勢以及臭氧（O3）生成的控制機制等進行了研究。通過總結煤焦化區域相關健康危害研究及毒理學實驗，探討了煤焦化區域大氣污染物的健康危害效應。從灰霾前體物、顆粒物中二次組分隨污染等級的變化，以及氣像條件在灰霾形成過程中的作用方面探討了煤焦化污染區域灰霾的污染特征與形成機制。後，詳細介紹了太原盆地各種污染物的來源解析結果、太原市各污染物的輸入與輸出路徑以及疫情封鎖管控對太原市和介休市空氣質量的改善效果，旨在全面加深對我國煤焦化區域大氣污染的生成、排放與控制的理解，促進焦化行業清潔生產，保障居民身體健康。
本書的內容主要基於筆者及何秋生教授帶領的太原科技大學大氣污染協同控制團隊完成的相關研究，由李宏艷撰寫，溫彪、黃時丹、趙志新、張琰茹、付國校核稿，後由李宏艷統稿並定稿，何秋生主審。除署名者外，溫鑫宇、張澔、葛家寶、白京靄、黃銘珠對第1 章內容的資料進行了收集和整理；闫雨龍、郭利利、張瑾、李宏宇、李榮傑、王陽、趙志新對第2 章內容的資料進行了收集和整理；高雪瑩、宋琪、李婕、任璇、黃時丹、鄭曉敏、劉澤乾對第3 章內容的資料進行了收集和整理；張可正、寧靜、蘇雨軒、柳景煒、劉澤乾對第4 章內容的資料進行了收集和整理；王偉、王陽、李榮傑、田曉對第5 章內容的資料進行了收集和整理；黃時丹、李宏宇、張瑾、趙志新、宋琪、李榮傑、王陽對第6章內容的資料進行了收集和整理；並對圖書內容提出了修改建議等。同時感謝化學工業出版社對本書的關注和支持。
本書的撰寫與出版是在國家自然科學基金項目（41172316、41472311、41501543、22076135、42077201）、國家自然科學基金海外及港澳學者合作研究基金項目（41728008）、國家生態環境部大氣污染攻關項目（DQGG202107）、國家重點項目（211026）、山西省重點研發計劃—國際科技合作項目（201803D421095）、山西省應用基礎研究計劃項目（2015021059、201901D111250）等的共同資助下完成的，在此一並感謝。
限於著者水平及撰寫時間，書中不足和疏漏之處在所難免，敬請讀者提出修改建議。

李宏艷
2022 年5 月

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