烧结烟气超低排放条件下烟囱高度合理性探讨

荣 宜 闫小燕 张 奇 王 飞

(中冶北方工程技术有限公司，辽宁 大连 116600)

0 引言

2019年4月28日，生态环境部等五部委联合发布了《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》(环大气[2019]35号)，该文提出烧结机机头、球团焙烧烟气颗粒物、SO2、NOx排放浓度小时均值分别不高于10、35、50 mg/m3，与《钢铁烧结、球团工业大气污染物排放标准》(GB 28662-2012)中表2值(颗粒物、SO2、NOx分别为50、200、300 mg/m3)相比，污染物排放浓度大幅削减，颗粒物、SO2、NOx分别降低80%、82.5%、83.3%，排放浓度的大幅降低意味着排放量随之大幅减少，即排放源强的减少。

早期烧结厂未设置脱硫脱硝设施，采用高烟囱排放方式以降低污染物对周边环境影响，而目前新建烧结厂均同步配套建设烟气脱硫脱硝系统，污染物排放浓度低，对环境影响小。而设置高烟囱增加了工程造价，却对环境改善作用不明显。目前，80、100、120 m的烟囱在同等或相近规模的烧结机中均有出现。因此，结合典型的300 m2烧结机，对超低排放条件下烟囱高度问题进行探讨。

烟囱高度归根结底需要满足三方面的要求：一是排烟方面，要求烟囱抽力足够大，须保证烟气自身能顺利排出，不需要额外提供压头进行排烟；二是环境保护方面，根据新版环评大气导则—HJ 2.2-2018《环境影响评价技术导则 大气环境》，应按估算模型AERSCREEN或进一步预测模型AERMOD、ADMS等，对经烟囱排放的大气污染物落地浓度进行预测，须满足污染物最大落地浓度与环境背景值叠加后满足所在区域环境质量标准；三是烟囱高度还应满足相关排放标准的规定。

1 排烟计算

1.1 烟囱进、出口内径

(1)

式中：d—烟囱出口内径，m；Q0—烟气流量，m3/s；u0—烟气在烟囱出口处速度，一般为20～25 m/s，本次计算取20 m/s。

300 m2烧结机主抽风机流量为30 000 m3/min，烟囱出口烟气流量Q0=155 万m3/h=430.56 m3/s，代入式(1)，得d=5.3 m。

D=2iH+d

(2)

式中：D—烟囱底部内径，m；i—烟囱斜率，一般取0.02：H—烟囱高度，m。将d=5.3 m代入式(2)，得D=0.04H+5.3。

1.2 烟囱抽力

(3)

环境空气温度t空取20 ℃，烟气平均温度t烟取平均值132 ℃(入口为137 ℃、出口为127 ℃)，分别代入式(3)，得ρ空=1.20 kg/m3，ρ烟=0.86 kg/m3。

烟囱抽力[1]计算公式：

Pn=g(ρ空-ρ烟)

(4)

式中：Pn—烟道每米高度的几何压头(即每米抽力)，Pa/m;ρ空—空气的密度，kg/m3；ρ烟—烟气的密度，kg/m3。

将ρ空、ρ烟分别代入式(4)，得Pn=3.39 Pa/m。

1.3 烟气动压头增量[2]

(5)

式中：h1—动压头增量，Pa;u0—出口烟气流速，一般为20～25 m/s，本次计算取20 m/s；ρ0—出口烟气密度，ρ0=127/(1+127/273)=0.87 kg/m3；u1—入口烟气流速，u1=4Q1/(3.14D2)=4Q0×(137+273.15)/(127+273.15)/(3.14D2)=562.19/(0.04 H+5.3)2m/s；ρ1—入口烟气密度，ρ1=127/(1+137/273)=0.85 kg/m3。

将上述参数代入式(5)，得h1=174-134 324.48/(0.04 H+5.3)4m/s。

1.4 烟囱阻力

烟囱阻力损失主要为沿程阻力损失[2]，可将其等效为直径为de的直管段。沿程阻力计算公式[3]：

(6)

将上述参数代入式(6)，得h2=6 630.42 H/(0.01 H+5.3)5Pa。

1.5 烟囱高度[1]

(7)

式中：H—烟囱的高度，m；h1—烟气动压头增量，Pa;h2—烟气摩擦阻力损失，Pa;Pn—烟道每米高度的几何压头(即每米抽力)，Pa/m。

将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]，通过牛顿迭代法，解得H≈74 m。

从以上计算结果可知，对于300 m2烧结机，烟囱高度为74 m时可满足其排烟要求。

2 污染物落地浓度预测分析

预测因子及标准值见表1，点源参数见表2。依据HJ 2.2-2018《环境影响评价技术导则大气环境》，利用AERSCREEN估算模式估算不同烟囱高度条件下，各污染物的落地浓度及占标率，预测结果见表3。

表1 预测因子和标准值

表2 点源参数表

续表2

表3 主要污染源估算模型计算结果表

表3中编号1#的数据表明，超低排放条件下，烟囱高度为80 m时，SO2、NOx、PM10最大落地浓度占标率为3.57%、12.75%、1.13%，占标率均较低，预计最大落地浓度叠加当地环境背景值后能满足GB 3095-2012《环境空气质量标准》二类区域中的指标要求。

对比表3中编号1#、2#、3#的数据可知，烟囱高度从80 m提高至100 m，污染最大落地浓度降低6.19%～7.00%，烟囱高度从100 m提高至120 m，污染最大落地浓度降低3.61%～3.77%；通过对比编号4#、5#、6#的数据，可得出同样的结论，即烟囱高度H≥80 m时，通过提高烟囱高度降低污染物落地浓度的降幅不明显，且烟囱高度越高，降幅越小。

对比表3中编号1#与4#、2#与5#、3#与6#数据可知，按超低排放指标设计时，各污染物最大落地浓度及占标率，均较按GB 28662-2012设计时有80%以上的降幅，表明污染物源强显著影响污染物最大落地浓度值。

3 现行标准要求

GB 16297-1996《大气污染物综合排放标准》对烟囱高度有如下规定：“新污染源的排气筒一般不应低于15 m。排气筒高度除须遵守表列排放速率标准值外，还应高出周围200 m半径范围的建筑5 m以上，不能达到该要求的排气筒，应按其高度对应的表列排放速率标准值严格50%执行。”

GB 28662-2012《钢铁烧结、球团工业大气污染物排放标准》对烟囱高度有如下规定：“所有排气筒高度应不低于15 m。排气筒周围半径200 m范围内有建筑物时，排气筒高度还应高出最高建筑物3 m以上。”

此外，根据《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》(环大气[2019]35号)中的相关要求，烧结机机头烟囱应安装自动监控设施(CEMS)。

HJ 75-2017《固定污染源烟气(SO2、NOx、颗粒物)排放连续监测技术规范》对CEMS安装位置有如下要求：“测定位置应避开烟道弯头和断面急剧变化的部位。对于圆形烟道，颗粒物CEMS和流速CMES，应设置在距弯头、阀门、变径管下游方向≥4倍烟道直径，以及距上述部件上游方向≥2倍烟道直径处；气态污染物CEMS，应设置在距弯头、阀门、变径管下游方向≥2倍烟道直径，以及距上述部件上游方向≥0.5倍烟道直径处。”

因此，烟囱高度还应考虑周围200 m内建筑物高度与烟囱高度的差值、CEMS安装位置对上下游直管段的要求等。

4 结语

1)对于300 m2烧结机，烟囱高度为74 m时可满足其排烟要求。

2)300 m2烧结机主烟囱高度为80 m时，超低排放条件下，SO2、NOx、PM10最大落地浓度占标率为3.57%、12.75%、1.13%，占标率均较低，预计最大落地浓度叠加当地环境背景值后能满足GB 3095-2012《环境空气质量标准》二类区域中的指标要求。

3)300 m2烧结机主烟囱高度H≥80 m时，通过提高烟囱高度降低污染物落地浓度的降幅不明显，且烟囱高度提高后将增加烟囱造价，经济上不合理。

4)为使预测结果更加准确，可采用AERMOD或ADMS等进一步预测模型进行分析预测。

5)烟囱高度还应考虑周围200 m内建筑物高度与烟囱高度的差值、CEMS安装位置对上下游直管段的要求等。