燒結(jié)煙氣超低排放條件下煙囪高度合理性探討

榮 宜 閆小燕 張 奇 王 飛

(中冶北方工程技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116600)

0 引言

2019年4月28日，生態(tài)環(huán)境部等五部委聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見(jiàn)》(環(huán)大氣[2019]35號(hào))，該文提出燒結(jié)機(jī)機(jī)頭、球團(tuán)焙燒煙氣顆粒物、SO2、NOx排放濃度小時(shí)均值分別不高于10、35、50 mg/m3，與《鋼鐵燒結(jié)、球團(tuán)工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 28662-2012)中表2值(顆粒物、SO2、NOx分別為50、200、300 mg/m3)相比，污染物排放濃度大幅削減，顆粒物、SO2、NOx分別降低80%、82.5%、83.3%，排放濃度的大幅降低意味著排放量隨之大幅減少，即排放源強(qiáng)的減少。

早期燒結(jié)廠(chǎng)未設(shè)置脫硫脫硝設(shè)施，采用高煙囪排放方式以降低污染物對(duì)周邊環(huán)境影響，而目前新建燒結(jié)廠(chǎng)均同步配套建設(shè)煙氣脫硫脫硝系統(tǒng)，污染物排放濃度低，對(duì)環(huán)境影響小。而設(shè)置高煙囪增加了工程造價(jià)，卻對(duì)環(huán)境改善作用不明顯。目前，80、100、120 m的煙囪在同等或相近規(guī)模的燒結(jié)機(jī)中均有出現(xiàn)。因此，結(jié)合典型的300 m2燒結(jié)機(jī)，對(duì)超低排放條件下煙囪高度問(wèn)題進(jìn)行探討。

煙囪高度歸根結(jié)底需要滿(mǎn)足三方面的要求：一是排煙方面，要求煙囪抽力足夠大，須保證煙氣自身能順利排出，不需要額外提供壓頭進(jìn)行排煙；二是環(huán)境保護(hù)方面，根據(jù)新版環(huán)評(píng)大氣導(dǎo)則—HJ 2.2-2018《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 大氣環(huán)境》，應(yīng)按估算模型AERSCREEN或進(jìn)一步預(yù)測(cè)模型AERMOD、ADMS等，對(duì)經(jīng)煙囪排放的大氣污染物落地濃度進(jìn)行預(yù)測(cè)，須滿(mǎn)足污染物最大落地濃度與環(huán)境背景值疊加后滿(mǎn)足所在區(qū)域環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；三是煙囪高度還應(yīng)滿(mǎn)足相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

1 排煙計(jì)算

1.1 煙囪進(jìn)、出口內(nèi)徑

(1)

式中：d—煙囪出口內(nèi)徑，m；Q0—煙氣流量，m3/s；u0—煙氣在煙囪出口處速度，一般為20～25 m/s，本次計(jì)算取20 m/s。

300 m2燒結(jié)機(jī)主抽風(fēng)機(jī)流量為30 000 m3/min，煙囪出口煙氣流量Q0=155 萬(wàn)m3/h=430.56 m3/s，代入式(1)，得d=5.3 m。

D=2iH+d

(2)

式中：D—煙囪底部?jī)?nèi)徑，m；i—煙囪斜率，一般取0.02：H—煙囪高度，m。將d=5.3 m代入式(2)，得D=0.04H+5.3。

1.2 煙囪抽力

(3)

環(huán)境空氣溫度t空取20 ℃，煙氣平均溫度t煙取平均值132 ℃(入口為137 ℃、出口為127 ℃)，分別代入式(3)，得ρ空=1.20 kg/m3，ρ煙=0.86 kg/m3。

煙囪抽力[1]計(jì)算公式：

Pn=g(ρ空-ρ煙)

(4)

式中：Pn—煙道每米高度的幾何壓頭(即每米抽力)，Pa/m;ρ空—空氣的密度，kg/m3；ρ煙—煙氣的密度，kg/m3。

將ρ空、ρ煙分別代入式(4)，得Pn=3.39 Pa/m。

1.3 煙氣動(dòng)壓頭增量[2]

(5)

式中：h1—?jiǎng)訅侯^增量，Pa;u0—出口煙氣流速，一般為20～25 m/s，本次計(jì)算取20 m/s；ρ0—出口煙氣密度，ρ0=127/(1+127/273)=0.87 kg/m3；u1—入口煙氣流速，u1=4Q1/(3.14D2)=4Q0×(137+273.15)/(127+273.15)/(3.14D2)=562.19/(0.04 H+5.3)2m/s；ρ1—入口煙氣密度，ρ1=127/(1+137/273)=0.85 kg/m3。

將上述參數(shù)代入式(5)，得h1=174-134 324.48/(0.04 H+5.3)4m/s。

1.4 煙囪阻力

煙囪阻力損失主要為沿程阻力損失[2]，可將其等效為直徑為de的直管段。沿程阻力計(jì)算公式[3]：

(6)

將上述參數(shù)代入式(6)，得h2=6 630.42 H/(0.01 H+5.3)5Pa。

1.5 煙囪高度[1]

(7)

式中：H—煙囪的高度，m；h1—煙氣動(dòng)壓頭增量，Pa;h2—煙氣摩擦阻力損失，Pa;Pn—煙道每米高度的幾何壓頭(即每米抽力)，Pa/m。

將h1、h2、Pn代入式(7)，得3.39 H=1.2[174-134 324.48/(0.04 H+5.3)4+6 630.42 H/(0.01 H+5.3)5]，通過(guò)牛頓迭代法，解得H≈74 m。

從以上計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)于300 m2燒結(jié)機(jī)，煙囪高度為74 m時(shí)可滿(mǎn)足其排煙要求。

2 污染物落地濃度預(yù)測(cè)分析

預(yù)測(cè)因子及標(biāo)準(zhǔn)值見(jiàn)表1，點(diǎn)源參數(shù)見(jiàn)表2。依據(jù)HJ 2.2-2018《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則大氣環(huán)境》，利用AERSCREEN估算模式估算不同煙囪高度條件下，各污染物的落地濃度及占標(biāo)率，預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表1 預(yù)測(cè)因子和標(biāo)準(zhǔn)值

表2 點(diǎn)源參數(shù)表

續(xù)表2

表3 主要污染源估算模型計(jì)算結(jié)果表

表3中編號(hào)1#的數(shù)據(jù)表明，超低排放條件下，煙囪高度為80 m時(shí)，SO2、NOx、PM10最大落地濃度占標(biāo)率為3.57%、12.75%、1.13%，占標(biāo)率均較低，預(yù)計(jì)最大落地濃度疊加當(dāng)?shù)丨h(huán)境背景值后能滿(mǎn)足GB 3095-2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二類(lèi)區(qū)域中的指標(biāo)要求。

對(duì)比表3中編號(hào)1#、2#、3#的數(shù)據(jù)可知，煙囪高度從80 m提高至100 m，污染最大落地濃度降低6.19%～7.00%，煙囪高度從100 m提高至120 m，污染最大落地濃度降低3.61%～3.77%；通過(guò)對(duì)比編號(hào)4#、5#、6#的數(shù)據(jù)，可得出同樣的結(jié)論，即煙囪高度H≥80 m時(shí)，通過(guò)提高煙囪高度降低污染物落地濃度的降幅不明顯，且煙囪高度越高，降幅越小。

對(duì)比表3中編號(hào)1#與4#、2#與5#、3#與6#數(shù)據(jù)可知，按超低排放指標(biāo)設(shè)計(jì)時(shí)，各污染物最大落地濃度及占標(biāo)率，均較按GB 28662-2012設(shè)計(jì)時(shí)有80%以上的降幅，表明污染物源強(qiáng)顯著影響污染物最大落地濃度值。

3 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求

GB 16297-1996《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)煙囪高度有如下規(guī)定：“新污染源的排氣筒一般不應(yīng)低于15 m。排氣筒高度除須遵守表列排放速率標(biāo)準(zhǔn)值外，還應(yīng)高出周?chē)?00 m半徑范圍的建筑5 m以上，不能達(dá)到該要求的排氣筒，應(yīng)按其高度對(duì)應(yīng)的表列排放速率標(biāo)準(zhǔn)值嚴(yán)格50%執(zhí)行。”

GB 28662-2012《鋼鐵燒結(jié)、球團(tuán)工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)煙囪高度有如下規(guī)定：“所有排氣筒高度應(yīng)不低于15 m。排氣筒周?chē)霃?00 m范圍內(nèi)有建筑物時(shí)，排氣筒高度還應(yīng)高出最高建筑物3 m以上。”

此外，根據(jù)《關(guān)于推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見(jiàn)》(環(huán)大氣[2019]35號(hào))中的相關(guān)要求，燒結(jié)機(jī)機(jī)頭煙囪應(yīng)安裝自動(dòng)監(jiān)控設(shè)施(CEMS)。

HJ 75-2017《固定污染源煙氣(SO2、NOx、顆粒物)排放連續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》對(duì)CEMS安裝位置有如下要求：“測(cè)定位置應(yīng)避開(kāi)煙道彎頭和斷面急劇變化的部位。對(duì)于圓形煙道，顆粒物CEMS和流速CMES，應(yīng)設(shè)置在距彎頭、閥門(mén)、變徑管下游方向≥4倍煙道直徑，以及距上述部件上游方向≥2倍煙道直徑處；氣態(tài)污染物CEMS，應(yīng)設(shè)置在距彎頭、閥門(mén)、變徑管下游方向≥2倍煙道直徑，以及距上述部件上游方向≥0.5倍煙道直徑處?！?/p>

因此，煙囪高度還應(yīng)考慮周?chē)?00 m內(nèi)建筑物高度與煙囪高度的差值、CEMS安裝位置對(duì)上下游直管段的要求等。

4 結(jié)語(yǔ)

1)對(duì)于300 m2燒結(jié)機(jī)，煙囪高度為74 m時(shí)可滿(mǎn)足其排煙要求。

2)300 m2燒結(jié)機(jī)主煙囪高度為80 m時(shí)，超低排放條件下，SO2、NOx、PM10最大落地濃度占標(biāo)率為3.57%、12.75%、1.13%，占標(biāo)率均較低，預(yù)計(jì)最大落地濃度疊加當(dāng)?shù)丨h(huán)境背景值后能滿(mǎn)足GB 3095-2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二類(lèi)區(qū)域中的指標(biāo)要求。

3)300 m2燒結(jié)機(jī)主煙囪高度H≥80 m時(shí)，通過(guò)提高煙囪高度降低污染物落地濃度的降幅不明顯，且煙囪高度提高后將增加煙囪造價(jià)，經(jīng)濟(jì)上不合理。

4)為使預(yù)測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確，可采用AERMOD或ADMS等進(jìn)一步預(yù)測(cè)模型進(jìn)行分析預(yù)測(cè)。

5)煙囪高度還應(yīng)考慮周?chē)?00 m內(nèi)建筑物高度與煙囪高度的差值、CEMS安裝位置對(duì)上下游直管段的要求等。