對一次高爐煤氣燃燒放散過程可吸入顆粒物濃度變化情況的分析

季浩宇，謝 南

(攀枝花市環(huán)境監(jiān)測中心站，四川 攀枝花 617000)

高爐煤氣是高爐煉鐵生產(chǎn)過程中副產(chǎn)的可燃?xì)怏w，屬于低熱值煤氣，一般用作工業(yè)企業(yè)其他生產(chǎn)工序的燃?xì)?；?dāng)高爐在特殊情況下如停產(chǎn)檢修時，有時需要對高爐內(nèi)的高爐煤氣進(jìn)行放散處理，出于安全原因通常將高爐煤氣燃燒后放散。由于高爐煤氣中含有大量煙粉塵，如果沒有經(jīng)過完善的除塵處理過程，高爐煤氣燃燒放散會造成環(huán)境空氣中可吸入顆粒物(PM10)濃度的顯著升高。2017年7月10日至11日在攀枝花市一次因停爐空料線作業(yè)申請實施的高爐煤氣燃燒放散期間，周邊環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站點詳細(xì)記錄和反映了可吸入顆粒物濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化過程。

1 高爐煤氣燃燒放散與環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站點地理位置

高爐煤氣燃燒放散點與攀枝花市各環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站點的地理位置關(guān)系如圖1所示。

在實施高爐煤氣燃燒放散的1號高爐周邊有4個環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站點，其中弄弄坪站點距離最近，直線距離不足1.5km，與1號高爐共同位于金沙江北岸的山坡上，方位在高爐東北；炳草崗和四十中小站點與1號高爐直線距離小于5km，也位于金沙江河谷，但是地處南岸，方位分別在高爐東北和東側(cè)；仁和站點位于金沙江的支流大河河谷內(nèi)，距離高爐約10km，方位在高爐東南。

2 高爐煤氣燃燒放散過程

2017年7月10日因開展高爐停爐空料線作業(yè)，1號高爐煤氣經(jīng)過重力除塵初步處理后通過煤氣放散塔燃燒放散，申請放散時間為2017年7月10日19時0分至7月11日7時0分。在1號高爐的高爐煤氣燃燒放散過程中，工業(yè)運行控制對各個參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)的記錄，其中送風(fēng)風(fēng)量和送風(fēng)風(fēng)壓數(shù)據(jù)直接反映了燃燒放散的高爐煤氣的數(shù)量。

圖1 地理位置關(guān)系圖Fig.1 Location map

送風(fēng)風(fēng)量和送風(fēng)風(fēng)壓數(shù)據(jù)顯示：此次高爐煤氣燃燒放散從7月10日21時30分開始，至7月11日7時0分結(jié)束，整個燃燒放散過程送風(fēng)風(fēng)量平均為2 400m3/min；其中7月10日22時25分至23時25分期間送風(fēng)風(fēng)量達(dá)到穩(wěn)定最高，7月10日23時25分、7月11日0時30分和7月11日3時15分對送風(fēng)風(fēng)量進(jìn)行過調(diào)整，逐步降低了送風(fēng)風(fēng)壓和送風(fēng)風(fēng)量。送風(fēng)過程如圖2所示。

3 環(huán)境空氣可吸入顆粒物濃度變化過程

3.1 可吸入顆粒物濃度5min監(jiān)測數(shù)據(jù)

環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站點對環(huán)境空氣中可吸入顆粒物濃度進(jìn)行了監(jiān)測，將各站點7月10日7時0分至7時30分的可吸入顆粒物濃度均值作為本底濃度，在扣除本底值后，各站點7月10日21時0分至7月11日7時30分的可吸入顆粒物濃度變化(以5min監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示)如圖3所示。

圖2 送風(fēng)風(fēng)量及送風(fēng)風(fēng)壓變化圖Fig.2 Variation of air supply volume and pressure

圖3 可吸入顆粒物濃度變化圖Fig.3 Concentration changes of PM10

由圖3可見，弄弄坪、炳草崗和四十中小站點的可吸入顆粒物濃度在高爐煤氣燃燒放散期間均出現(xiàn)了明顯升高，其中四十中小站點在7月11日1時30分至4時30分期間出現(xiàn)了多次瞬時高峰值；仁和站點可吸入顆粒物濃度在7月10日23時30分左右升高到最高值后逐步下降，至7月11日2時左右下降后至本底值水平并維持到6時30分，之后再次上升。

3.2 可吸入顆粒物小時濃度最高值

環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站點有可吸入顆粒物濃度的5min監(jiān)測數(shù)據(jù)和按5min監(jiān)測數(shù)據(jù)平均計算的每個小時的小時濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)，為了避免按自然時間間隔統(tǒng)計的小時濃度遺漏掉可吸入顆粒物的最大濃度數(shù)據(jù)，參照《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ633-2012)中的要求，用滑動平均的方法計算和確定可吸入顆粒物小時濃度的最高值：以每12個5min監(jiān)測數(shù)據(jù)計算一次小時均值(7月11日6時30分以后因為5min監(jiān)測數(shù)據(jù)不足12個不作計算)[1]，依次計算可吸入顆粒物小時濃度變化如圖4所示。

圖4 可吸入顆粒物小時濃度變化圖Fig.4 Hourly variation of PM10

圖4顯示出：在1號高爐煤氣燃燒放散期間，各環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站點可吸入顆粒物濃度都出現(xiàn)了不止一次的小時濃度峰值，統(tǒng)計各站點主要的可吸入顆粒物小時濃度峰值監(jiān)測數(shù)據(jù)及出現(xiàn)時段如表1所示。

表1 可吸入顆粒物小時濃度峰值及出現(xiàn)時段統(tǒng)計表Tab.1 Statistics of hourly peak concentration and occurrence time of PM10

4 可吸入顆粒物濃度模擬計算

使用《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 大氣環(huán)境》(HJ 2.2-2008)推薦的估算模式對1號高爐煤氣燃燒放散期間環(huán)境空氣中顆粒物濃度增加值進(jìn)行模擬計算。估算模式是一種單源預(yù)測模式，可計算點源、面源和體源等污染源的最大地面濃度，由于在估算模式中嵌入了多種預(yù)設(shè)的氣象組合條件，包括一些最不利的氣象條件，此類氣象條件在某個地區(qū)有可能發(fā)生，也有可能不發(fā)生[2]，所以估算模式計算出的是某一污染源對環(huán)境空氣質(zhì)量的最大影響程度和影響范圍的保守的計算結(jié)果。估算模式執(zhí)行文件SCREEN3在環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評估中心環(huán)境質(zhì)量模擬重點實驗室網(wǎng)站(http://www.lem.org.cn/)下載。 模式計算主要參數(shù)(以弄弄坪站點為例)：

SOURCE TYPE = FLARE

EMISSION RATE (G/S) = 400.00[3～5]

FLARE STACK HEIGHT (M) = 60.00

TOT HEAT RLS (CAL/S) =0.3300E+08[6]

URBAN/RURAL OPTION = URBAN

EFF RELEASE HEIGHT (M) = 120.135 0

STABILITY CLASS = 4

估算模式計算1號高爐煤氣燃燒放散對各環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站點顆粒物濃度影響結(jié)果及與各站點可吸入顆粒物小時濃度最大增加值監(jiān)測數(shù)據(jù)比較如表2。

表2 模式計算結(jié)果及監(jiān)測數(shù)據(jù)比較表Tab.2 Comparison between model calculation results and monitoring data

由表2可見，利用估算模式計算的顆粒物濃度增加值，在弄弄坪、炳草崗和仁和站點都高于實際測定的可吸入顆粒物小時濃度最大增加值，但是四十中小站點實際的可吸入顆粒物小時濃度最大增加值卻遠(yuǎn)高于估算模式計算結(jié)果，說明有其他因素對可吸入顆粒物濃度的影響已經(jīng)高于了估算模式中內(nèi)嵌的最不利氣象條件的影響。

5 結(jié)果分析及討論

在各個環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站點都有地面5min氣象參數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，在1號高爐煤氣燃燒放散時段(7月10日21時30分至7月11日7時0分)，各站點風(fēng)向頻率和風(fēng)速數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表3，風(fēng)向玫瑰圖如圖5所示。

圖5 高爐煤氣燃燒放散時段各站點風(fēng)頻玫瑰圖Fig.5 Wind frequency rose diagram during the combustion of blast furnace gas

弄弄坪炳草崗四十中小仁和風(fēng)頻(%)風(fēng)速(m/s)風(fēng)頻(%)風(fēng)速(m/s)風(fēng)頻(%)風(fēng)速(m/s)風(fēng)頻(%)風(fēng)速(m/s)N0000469051150151308EN0000159052040328304E5302124082920420405SE7104090227030000S3507000009040000WS69910270197060000W1240712408221070000WN1804880335020000

由表3和圖5可見，在1號高爐煤氣燃燒放散時段，各環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站點在不同風(fēng)向的地面風(fēng)頻數(shù)據(jù)差異很大：弄弄坪站點的風(fēng)向以西南風(fēng)為主，西風(fēng)次之；炳草崗站點的風(fēng)向以北風(fēng)為主，東北風(fēng)、東風(fēng)和西風(fēng)的風(fēng)頻率接近；四十中小站點東風(fēng)頻率相對最高，東北風(fēng)和西風(fēng)其次；仁和站點的風(fēng)向以北風(fēng)為主，其次是東北風(fēng)和東風(fēng)。

炳草崗和四十中小站點位于金沙江河谷南岸的同一區(qū)域，相距不足2km，海拔高差約150m，在炳草崗站點是北風(fēng)頻率高而四十中小站點以東風(fēng)風(fēng)向為主，說明由于攀枝花市地處山區(qū)，地形條件復(fù)雜，對于污染排放源和各環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站點并沒有相同一致的地面氣象條件，而且即使位于河谷相同區(qū)域、距離接近的測點，其地面氣象條件差異也可能很大。

進(jìn)一步分析可吸入顆粒物濃度變化曲線，對2017年7月11日1時30分至4時30分四十中小站點監(jiān)測數(shù)據(jù)多次出現(xiàn)瞬時高峰值的時段的風(fēng)向頻率和風(fēng)速數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表4，風(fēng)向玫瑰圖如圖6。

表4 1∶30～4∶30時段各站點風(fēng)頻風(fēng)速統(tǒng)計表Tab.4 Wind frequency and wind speed statistics during 1∶30～4∶30

圖6 1∶30～4∶30時段各站點風(fēng)頻玫瑰圖Fig.6 Wind frequency rose diagram during 1∶30～4∶30

由表4和圖6可見，在2017年7月11日1時30分至4時30分時段，各站點的地面主要風(fēng)向都沒有變，但弄弄坪站點的西南風(fēng)、炳草崗站點的北風(fēng)和四十中小站點的東風(fēng)頻率都明顯增加。

弄弄坪站點西南風(fēng)和炳草崗站點北風(fēng)頻率的增加，會造成弄弄坪方向的1號高爐煤氣燃燒放散產(chǎn)生的顆粒物更多地通過炳草崗站點所處區(qū)域向四十中小站點所處區(qū)域輸送；而四十中小站點所處位置位于金沙江河谷南岸，西面越過山脊為大河河谷，地勢呈現(xiàn)北面和東面低而南面和西面高的特點，在夜間大氣穩(wěn)定度高的情況下，這個地勢特點阻止了北面輸送過來的空氣污染物向南面和西面擴(kuò)散，同時東風(fēng)頻率的增加使得該區(qū)域的地面氣象條件類似于河流的“回水區(qū)”，空氣污染物易于匯集卻難以擴(kuò)散，因而出現(xiàn)了可吸入顆粒物5min監(jiān)測數(shù)據(jù)多次高峰值的現(xiàn)象，同時造成了小時濃度的異常升高。

6 結(jié) 論

6.1 由于高爐煤氣中的煙粉塵含量非常高，燃燒放散時可能嚴(yán)重影響周邊環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站點的可吸入顆粒物濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)，尤其在長時間排放時，完全可能造成個別站點日均值濃度超標(biāo)的情況。因此從環(huán)境管理的角度應(yīng)當(dāng)盡量減少高爐煤氣燃燒放散的次數(shù)，并且盡量縮短每次燃燒放散的時間，以降低高爐煤氣燃燒放散可能對環(huán)境質(zhì)量造成的影響。

6.2 此次1號高爐煤氣燃燒放散時間為21時30分至次日7時0分，雖然在夜間實施放散燃燒降低了可能造成的視覺感官刺激和影響，但是由于攀枝花市夜間大氣穩(wěn)定度高，即使是在7-8月份等歷史上環(huán)境質(zhì)量狀況好的月份，由于空氣污染物擴(kuò)散條件相對晝間較差，也對環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站點的監(jiān)測結(jié)果造成了較大的影響。

6.3 攀枝花市地處山區(qū)，地形條件復(fù)雜，在局部地區(qū)，可能會因為局地地形條件和短時間內(nèi)氣象條件的特殊性造成空氣污染物的積累和堆積，從而使得空氣污染出現(xiàn)較通常情況下和可預(yù)計的最不利氣象條件下加重的現(xiàn)象。

[1] 環(huán)境保護(hù)部，環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)(HJ633-2012)[Z].2013-09-22.

[2] 環(huán)境保護(hù)部，環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 大氣環(huán)境(HJ 2.2-2008)[Z].2008-12-31.

[3] 李奇勇.1050m3高爐煤氣干法除塵技術(shù)應(yīng)用[J].冶金能源，2005,24(4):9-11.

[4] 李新峰.大型高爐煤氣全干式布袋除塵技術(shù)在韶鋼的應(yīng)用[J].冶金動力，2007,(5):20-22.

[5] 劉宏祿.高爐煤氣全干法布袋除塵技術(shù)應(yīng)用探討[J].冶金動力，2010,(5):29-30.

[6] 本溪鋼鐵(集團(tuán))有限責(zé)任公司.本溪鋼鐵(集團(tuán))有限責(zé)任公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 高爐煤氣(Q/BB452—2010)[Z].2010-01-28.

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