燒結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

(中冶北方工程技術有限公司，遼寧 大連 116600)

0 引言

2019年4月28日，生態環境部等五部委聯合發布了《關于推進實施鋼鐵行業超低排放的意見》(環大氣[2019]35號)，該文提出燒結機機頭、球團焙燒煙氣顆粒物、SO2、NOx排放濃度小時均值分別不高于10、35、50 mg/m3，與《鋼鐵燒結、球團工業大氣污染物排放標準》(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，即排放源強的減少。

早期燒結廠未設置脫硫脫硝設施，采用高煙囪排放方式以降低污染物對周邊環境影響，而目前新建燒結廠均同步配套建設煙氣脫硫脫硝系統，污染物排放濃度低，對環境影響小。而設置高煙囪增加了工程造價，卻對環境改善作用不明顯。目前，80、100、120 m的煙囪在同等或相近規模的燒結機中均有出現。因此，結合典型的300 m2燒結機，對超低排放條件下煙囪高度問題進行探討。

煙囪高度歸根結底需要滿足三方面的要求：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行排煙；二是環境保護方面，根據新版環評大氣導則—HJ 2.2-2018《環境影響評價技術導則 大氣環境》，應按估算模型AERSCREEN或進一步預測模型AERMOD、ADMS等，對經煙囪排放的大氣污染物落地濃度進行預測，須滿足污染物最大落地濃度與環境背景值疊加后滿足所在區域環境質量標準；三是煙囪高度還應滿足相關排放標準的規定。

1 排煙計算

1.1 煙囪進、出口內徑

(1)

式中：d—煙囪出口內徑，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，本次計算取20 m/s。

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

D=2iH+d

(2)

式中：D—煙囪底部內徑，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 煙氣動壓頭增量[2]

(5)

式中：h1—動壓頭增量，Pa;u0—出口煙氣流速，一般為20～25 m/s，本次計算取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。沿程阻力計算公式[3]：

(6)

將上述參數代入式(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]，通過牛頓迭代法，解得H≈74 m。

從以上計算結果可知，對于300 m2燒結機，煙囪高度為74 m時可滿足其排煙要求。

2 污染物落地濃度預測分析

預測因子及標準值見表1，點源參數見表2。依據HJ 2.2-2018《環境影響評價技術導則大氣環境》，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率，預測結果見表3。

表1 預測因子和標準值

表2 點源參數表

續表2

表3 主要污染源估算模型計算結果表

表3中編號1#的數據表明，超低排放條件下，煙囪高度為80 m時，SO2、NOx、PM10最大落地濃度占標率為3.57%、12.75%、1.13%，占標率均較低，預計最大落地濃度疊加當地環境背景值后能滿足GB 3095-2012《環境空氣質量標準》二類區域中的指標要求。

對比表3中編號1#、2#、3#的數據可知，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%；通過對比編號4#、5#、6#的數據，可得出同樣的結論，即煙囪高度H≥80 m時，通過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。

對比表3中編號1#與4#、2#與5#、3#與6#數據可知，按超低排放指標設計時，各污染物最大落地濃度及占標率，均較按GB 28662-2012設計時有80%以上的降幅，表明污染物源強顯著影響污染物最大落地濃度值。

3 現行標準要求

GB 16297-1996《大氣污染物綜合排放標準》對煙囪高度有如下規定：“新污染源的排氣筒一般不應低于15 m。排氣筒高度除須遵守表列排放速率標準值外，還應高出周圍200 m半徑范圍的建筑5 m以上，不能達到該要求的排氣筒，應按其高度對應的表列排放速率標準值嚴格50%執行。”

GB 28662-2012《鋼鐵燒結、球團工業大氣污染物排放標準》對煙囪高度有如下規定：“所有排氣筒高度應不低于15 m。排氣筒周圍半徑200 m范圍內有建筑物時，排氣筒高度還應高出最高建筑物3 m以上。”

此外，根據《關于推進實施鋼鐵行業超低排放的意見》(環大氣[2019]35號)中的相關要求，燒結機機頭煙囪應安裝自動監控設施(CEMS)。

HJ 75-2017《固定污染源煙氣(SO2、NOx、顆粒物)排放連續監測技術規范》對CEMS安裝位置有如下要求：“測定位置應避開煙道彎頭和斷面急劇變化的部位。對于圓形煙道，顆粒物CEMS和流速CMES，應設置在距彎頭、閥門、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；氣態污染物CEMS，應設置在距彎頭、閥門、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。”

因此，煙囪高度還應考慮周圍200 m內建筑物高度與煙囪高度的差值、CEMS安裝位置對上下游直管段的要求等。

4 結語

1)對于300 m2燒結機，煙囪高度為74 m時可滿足其排煙要求。

2)300 m2燒結機主煙囪高度為80 m時，超低排放條件下，SO2、NOx、PM10最大落地濃度占標率為3.57%、12.75%、1.13%，占標率均較低，預計最大落地濃度疊加當地環境背景值后能滿足GB 3095-2012《環境空氣質量標準》二類區域中的指標要求。

3)300 m2燒結機主煙囪高度H≥80 m時，通過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，經濟上不合理。

4)為使預測結果更加準確，可采用AERMOD或ADMS等進一步預測模型進行分析預測。

5)煙囪高度還應考慮周圍200 m內建筑物高度與煙囪高度的差值、CEMS安裝位置對上下游直管段的要求等。