烧结烟气脱硫系统湿烟气排放的环境问题探讨

文章导读

某钢铁企业大型烧结烟气湿法脱硫系统采用湿烟气排放，在国内烧结脱硫领域尚属首例。对该脱硫系统湿烟气排放的扩散情况、烟羽长度等进行了计算，并对相关排放污染物的最大落地浓度及其出现距离等环境问题进行初步分析和探讨。

▲ 来源：《宝钢技术》   作者：周晶 刘道清等

某钢铁企业大型烧结烟气湿法脱硫系统采用湿烟气排放，在国内烧结脱硫领域尚属首例。对该脱硫系统湿烟气排放的扩散情况、烟羽长度等进行了计算，并对相关排放污染物的最大落地浓度及其出现距离等环境问题进行初步分析和探讨。计算结果表明，该脱硫系统当前湿烟气排放烟羽抬升高度为78～144m，冬季明显高于夏季;烟羽扩散长度为50-220m，随环境温度、相对湿度、风速等因素改变而改变;净化湿烟气中S02、NOx和粉尘等污染物排放浓度均满足国家环境标准要求。

前言

国内某大型钢铁集团烧结机烟气脱硫工程率先采用自主研发的气喷旋冲湿法脱硫工艺，自投运以来，具有运行稳定，污染物去除效率高等显著特点。在工程建设中，通过对国内外湿法脱硫系统设计运行的调研分析和基于节省投资的实际考虑，该系统最终决定采用湿烟气排放的尾排方式。湿烟气排放不仅可以避免加装结构复杂的烟气再热器(GGH)从而简化脱硫工艺，还可减少工程投资和运行费用。但湿烟气排放会在大气中形成白色烟羽并伴有少量烟囱雨，从而给使用方带来一定困扰。湿法脱硫系统湿烟气排放产生的环境影响一直以来也成为了国内外专家关注的焦点。目前，国内有关湿烟气排放过程中烟羽扩散的理论研究还处于起步阶段，本文通过对该脱硫系统白色烟羽的形成情况进行估算分析，并对湿烟气出口污染物所带来环境影响进行初步探讨，最终为环保考核和工程设计提供参考性的意见。

1、某烧结烟气脱硫工程概况

某烧结烟气脱硫工程建于2008年10月底，装机能力为495m2烧结机全烟气脱硫(处理烟气量13×105m3/h)。该系统自投运以来，长期保持90%以上的脱硫效率和90%以上的同步运行率，具有稳定高效的技术特点。该烧结机原烟囱建于1998年，烟囱内部铺设普通耐温砖，2008年底增设烟气脱硫工程后，考虑到湿烟气排放对原烟囱内衬的腐蚀影响，特新设一自立式钢烟囱作为备用烟囱，内涂防腐层。在原烟囱未进行防腐前，脱硫后净烟气通过备用烟囱进行排放，两套烟囱的设计数据及排放湿烟气的具体参数如表1所示。

2、湿烟羽的抬升与扩散

2.1湿烟羽的抬升高度

湿烟羽的抬升高度可依照《火电厂大气污染物排放标准》中城市、丘陵情况标准进行类似估算。根据该烧结脱硫系统烟气排放参数(烟囱出口处烟气温度按54℃，环境平均温度按冬季3℃、夏季32℃来计)以及原烟囱和备用烟囱的具体设计参数，可计算该烧结脱硫系统烟气热释放率、烟气抬升高度和烟囱有效源高，具体如表2所示。由表2可知，该脱硫系统备用烟囱烟气抬升高度为78～144m，有效源高为138～204m;原烟囱烟气抬升高度为65～269m，有效源高为265～469m。由于季节气温变化的原因，烟气抬升高度冬季明显高于夏季。

2.2湿烟羽的扩散长度

饱和湿烟气中的水蒸气在排放扩散的过程中会凝结形成白色烟羽，并在一定范围内产生降雨液滴是脱硫系统采用湿烟囱排放的一个备受争议的问题。白色烟羽的形成过程其实就是饱和大气中水蒸气的凝结过程，具体原理可用图1来说明。

如图1所示，曲线BEC为饱和大气中的水蒸气含量随环境温度的变化曲线。干烟气或处于未饱和状态的湿烟气排放前，其状态位于A点，外部环境状态位于D点，在烟气扩散过程中，若没有发生凝结现象，烟羽的状态将沿直线AD变化。而饱和湿烟气在排放过程中是会发生水蒸气凝结的，因此湿烟气发生状态变化沿直线AB到达B点时，将沿曲线BEC变化，同时伴有液态水滴凝结产生。烟气中的水蒸气凝结成白色小雾滴从而造成烟羽呈现白色，直至扩散尽头，烟气温度降低至重蒸发点C点，白色烟羽开始消失。在图1中，B点是白色烟羽的起点，C点是白色烟羽的终点(重蒸发点)。

加拿大Waterloo大学Slowson教授在1972年推算出适用于湿烟气排放的扩散模型，国电环境保护研究所姚增权于2003年对该计算方法进行了推导处理，得出估算湿烟气排放时白色烟羽长度的计算公式。假定烟羽离开烟囱口时处于饱和状态，即位于图1中的B点，则从烟囱出口至重蒸发点C的距离(Δx)可用下式计算:

由以上计算结果可知，通过备用烟囱排放，该脱硫系统白色烟羽长度为47～187m;通过原烟囱排放，该脱硫系统白色烟羽长度为54～212m;且烟羽长度随环境温度、相对湿度、风速等因素改变而改变。环境温度的变化对白色烟羽的形成有显著影响，夏季白色烟羽长度明显比冬季要短，当夏季环境温度比冬季环境温度高约30℃时，不同环境条件下白色烟羽长度均减少将近一半。环境相对湿度对白色烟羽长度也有影响，当环境相对湿度从76%增加到90%时，不同环境条件下白色烟羽长度会增加至原来的2倍以上。此外，白色烟羽长度还随环境风速的增大而增大。原烟囱比备用烟囱高140m，当烟囱高度增加时，出口处风速增大，风速增加约0.8m/s时，不同环境条件下白色烟羽长度相应增加10～20m。

3、湿烟羽的环境影响

湿烟羽的环境影响主要考虑脱硫系统排放净化烟气中SO2、NOx和粉尘等污染物对周围环境的影响。由于该脱硫工艺具有较高的脱硫除尘效率，经除尘脱硫后，排放烟气温度约为54℃，烟气中各类污染物含量很低，SO2浓度在50mg/m3以下;NOx浓度在200mg/m3以下;粉尘浓度在20mg/m3以下，且粒径小于15μm。在不同大气稳定度条件下，可根据高斯烟羽扩散模型分别计算冬夏两季净烟气从备用烟囱和原烟囱排放时SO2、NOx及烟尘的地面最大落地浓度，具体如图2、3所示，并据此对其环境影响作出初步判断。SO2、NOx和粉尘排放浓度分别按脱硫系统CEMS监测的最高值50、200、20mg/m3计。

据计算得知，该脱硫系统通过备用烟囱进行湿烟气排放时，其有效源高冬季为205m，夏季为138m。如图2所示，在大气稳定度最差，污染物对环境影响最大的A级天气情况下，烟气通过备用烟囱排放的SO2、NOx和粉尘的最大落地浓度分别为:冬季0.02713，0.10850，0.02713mg/m3，夏季0.04797，0.19190，0.04797mg/m3;根据我国国家标准GB3095—2012《环境空气质量标准》中规定的SO2、NOx和粉尘的小时平均浓度二级标准限值(SO2为0.5mg/m3，NOx为0.25mg/m3，粉尘为0.3mg/m3)计算可知，在大气稳定度最差的A级天气情况下，烟气通过备用烟囱排放时，冬季SO2、NOx和粉尘的最大落地浓度分别为二级标准规定限值的5%、43%、9%，夏季SO2、NOx和粉尘的最大落地浓度分别为二级标准规定限值的10%、77%、16%。

据计算得知，该脱硫系统通过原烟囱进行湿烟气排放时，其有效源高冬季为470m，夏季为265m。如图3所示，在大气稳定度最差，污染物对环境影响最大的A级天气情况下，烟气通过原烟囱排放的SO2、NOx和粉尘的最大落地浓度分别为:冬季0.00693，0.02773，0.00693mg/m3，夏季0.01564，0.06258，0.01564mg/m3。根据我国国家标准GB3095—2012《环境空气质量标准》中规定的SO2、NOx和粉尘的小时平均浓度二级标准限值(SO2为0.5mg/m3，NOx为0.25mg/m3，粉尘为0.3mg/m3)计算可知，在大气稳定度最差的A级天气情况下，烟气通过原烟囱排放时，冬季SO2、NOx和粉尘的最大落地浓度分别为二级标准规定限值的1%、11%、2%，夏季SO2、NOx和粉尘的最大落地浓度分别为二级标准规定限值的3%、25%、5%。

综合可知，该脱硫系统净化烟气通过备用烟囱排放时的最大落地浓度要高于通过原烟囱排放时的最大落地浓度。在同等天气条件下，夏季时SO2、NOx和烟尘等污染物落地浓度值均要高于冬季;但即便在大气稳定度最差，污染物对环境影响最大的A级天气情况下，该脱硫系统净化烟气通过备用烟囱排放，各项污染物浓度也完全满足GB3095—2012《环境空气质量标准》排放要求，考虑到所在地区大气环境污染物本底值和国家钢铁行业大气污染物排放控制法律法规的日趋严格，若后期该烧结机烟气脱硝压力较大，可考虑将备用烟囱适当加高至120m以上或增设专门的脱硝装置。

4、结论

(1)该烧结脱硫系统通过备用烟囱排放，烟气抬升高度为78～144m;若通过原烟囱排放，烟气抬升高度为65～269m，且冬季烟气抬升高度明显高于夏季。

(2)该烧结脱硫系统通过备用烟囱排放，白色烟羽长度在47～187m之间;若通过原烟囱排放，白色烟羽长度在54～212m之间;烟羽长度随环境温度、相对湿度、风速等因素改变而改变。环境温度越低，相对湿度越大，烟囱出口风速越大，白色烟羽越长。

(3)该烧结脱硫系统湿烟羽排放的扩散能力相对较差，但净烟气中SO2、NOx、粉尘各项污染物浓度较低，采用当前备用烟囱排放完全满足国家环保要求。其中，NOx排放环境影响明显，考虑到所在地区大气环境污染物本底值和国家钢铁行业大气污染物排放控制法律法规的日趋严格，若后期该烧结烟气脱硝压力较大，可考虑将备用烟囱适当加高至120m以上或增设脱硝装置。

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