对一次高炉煤气燃烧放散过程可吸入颗粒物浓度变化情况的分析

季浩宇，谢 南

(攀枝花市环境监测中心站，四川 攀枝花 617000)

高炉煤气是高炉炼铁生产过程中副产的可燃气体，属于低热值煤气，一般用作工业企业其他生产工序的燃气；当高炉在特殊情况下如停产检修时，有时需要对高炉内的高炉煤气进行放散处理，出于安全原因通常将高炉煤气燃烧后放散。由于高炉煤气中含有大量烟粉尘，如果没有经过完善的除尘处理过程，高炉煤气燃烧放散会造成环境空气中可吸入颗粒物(PM10)浓度的显著升高。2017年7月10日至11日在攀枝花市一次因停炉空料线作业申请实施的高炉煤气燃烧放散期间，周边环境空气质量自动监测站点详细记录和反映了可吸入颗粒物浓度监测数据的变化过程。

1 高炉煤气燃烧放散与环境空气质量监测站点地理位置

高炉煤气燃烧放散点与攀枝花市各环境空气质量自动监测站点的地理位置关系如图1所示。

在实施高炉煤气燃烧放散的1号高炉周边有4个环境空气质量自动监测站点，其中弄弄坪站点距离最近，直线距离不足1.5km，与1号高炉共同位于金沙江北岸的山坡上，方位在高炉东北；炳草岗和四十中小站点与1号高炉直线距离小于5km，也位于金沙江河谷，但是地处南岸，方位分别在高炉东北和东侧；仁和站点位于金沙江的支流大河河谷内，距离高炉约10km，方位在高炉东南。

2 高炉煤气燃烧放散过程

2017年7月10日因开展高炉停炉空料线作业，1号高炉煤气经过重力除尘初步处理后通过煤气放散塔燃烧放散，申请放散时间为2017年7月10日19时0分至7月11日7时0分。在1号高炉的高炉煤气燃烧放散过程中，工业运行控制对各个参数数据进行了详细的记录，其中送风风量和送风风压数据直接反映了燃烧放散的高炉煤气的数量。

图1 地理位置关系图Fig.1 Location map

送风风量和送风风压数据显示：此次高炉煤气燃烧放散从7月10日21时30分开始，至7月11日7时0分结束，整个燃烧放散过程送风风量平均为2 400m3/min；其中7月10日22时25分至23时25分期间送风风量达到稳定最高，7月10日23时25分、7月11日0时30分和7月11日3时15分对送风风量进行过调整，逐步降低了送风风压和送风风量。送风过程如图2所示。

3 环境空气可吸入颗粒物浓度变化过程

3.1 可吸入颗粒物浓度5min监测数据

环境空气质量自动监测站点对环境空气中可吸入颗粒物浓度进行了监测，将各站点7月10日7时0分至7时30分的可吸入颗粒物浓度均值作为本底浓度，在扣除本底值后，各站点7月10日21时0分至7月11日7时30分的可吸入颗粒物浓度变化(以5min监测数据显示)如图3所示。

图2 送风风量及送风风压变化图Fig.2 Variation of air supply volume and pressure

图3 可吸入颗粒物浓度变化图Fig.3 Concentration changes of PM10

由图3可见，弄弄坪、炳草岗和四十中小站点的可吸入颗粒物浓度在高炉煤气燃烧放散期间均出现了明显升高，其中四十中小站点在7月11日1时30分至4时30分期间出现了多次瞬时高峰值；仁和站点可吸入颗粒物浓度在7月10日23时30分左右升高到最高值后逐步下降，至7月11日2时左右下降后至本底值水平并维持到6时30分，之后再次上升。

3.2 可吸入颗粒物小时浓度最高值

环境空气质量自动监测站点有可吸入颗粒物浓度的5min监测数据和按5min监测数据平均计算的每个小时的小时浓度监测数据，为了避免按自然时间间隔统计的小时浓度遗漏掉可吸入颗粒物的最大浓度数据，参照《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ633-2012)中的要求，用滑动平均的方法计算和确定可吸入颗粒物小时浓度的最高值：以每12个5min监测数据计算一次小时均值(7月11日6时30分以后因为5min监测数据不足12个不作计算)[1]，依次计算可吸入颗粒物小时浓度变化如图4所示。

图4 可吸入颗粒物小时浓度变化图Fig.4 Hourly variation of PM10

图4显示出：在1号高炉煤气燃烧放散期间，各环境空气质量自动监测站点可吸入颗粒物浓度都出现了不止一次的小时浓度峰值，统计各站点主要的可吸入颗粒物小时浓度峰值监测数据及出现时段如表1所示。

表1 可吸入颗粒物小时浓度峰值及出现时段统计表Tab.1 Statistics of hourly peak concentration and occurrence time of PM10

4 可吸入颗粒物浓度模拟计算

使用《环境影响评价技术导则 大气环境》(HJ 2.2-2008)推荐的估算模式对1号高炉煤气燃烧放散期间环境空气中颗粒物浓度增加值进行模拟计算。估算模式是一种单源预测模式，可计算点源、面源和体源等污染源的最大地面浓度，由于在估算模式中嵌入了多种预设的气象组合条件，包括一些最不利的气象条件，此类气象条件在某个地区有可能发生，也有可能不发生[2]，所以估算模式计算出的是某一污染源对环境空气质量的最大影响程度和影响范围的保守的计算结果。估算模式执行文件SCREEN3在环境保护部环境工程评估中心环境质量模拟重点实验室网站(http://www.lem.org.cn/)下载。 模式计算主要参数(以弄弄坪站点为例)：

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

估算模式计算1号高炉煤气燃烧放散对各环境空气质量自动监测站点颗粒物浓度影响结果及与各站点可吸入颗粒物小时浓度最大增加值监测数据比较如表2。

表2 模式计算结果及监测数据比较表Tab.2 Comparison between model calculation results and monitoring data

由表2可见，利用估算模式计算的颗粒物浓度增加值，在弄弄坪、炳草岗和仁和站点都高于实际测定的可吸入颗粒物小时浓度最大增加值，但是四十中小站点实际的可吸入颗粒物小时浓度最大增加值却远高于估算模式计算结果，说明有其他因素对可吸入颗粒物浓度的影响已经高于了估算模式中内嵌的最不利气象条件的影响。

5 结果分析及讨论

在各个环境空气质量自动监测站点都有地面5min气象参数监测数据，在1号高炉煤气燃烧放散时段(7月10日21时30分至7月11日7时0分)，各站点风向频率和风速数据统计如表3，风向玫瑰图如图5所示。

图5 高炉煤气燃烧放散时段各站点风频玫瑰图Fig.5 Wind frequency rose diagram during the combustion of blast furnace gas

弄弄坪炳草岗四十中小仁和风频(%)风速(m/s)风频(%)风速(m/s)风频(%)风速(m/s)风频(%)风速(m/s)N0000469051150151308EN0000159052040328304E5302124082920420405SE7104090227030000S3507000009040000WS69910270197060000W1240712408221070000WN1804880335020000

由表3和图5可见，在1号高炉煤气燃烧放散时段，各环境空气质量自动监测站点在不同风向的地面风频数据差异很大：弄弄坪站点的风向以西南风为主，西风次之；炳草岗站点的风向以北风为主，东北风、东风和西风的风频率接近；四十中小站点东风频率相对最高，东北风和西风其次；仁和站点的风向以北风为主，其次是东北风和东风。

炳草岗和四十中小站点位于金沙江河谷南岸的同一区域，相距不足2km，海拔高差约150m，在炳草岗站点是北风频率高而四十中小站点以东风风向为主，说明由于攀枝花市地处山区，地形条件复杂，对于污染排放源和各环境空气质量监测站点并没有相同一致的地面气象条件，而且即使位于河谷相同区域、距离接近的测点，其地面气象条件差异也可能很大。

进一步分析可吸入颗粒物浓度变化曲线，对2017年7月11日1时30分至4时30分四十中小站点监测数据多次出现瞬时高峰值的时段的风向频率和风速数据统计如表4，风向玫瑰图如图6。

表4 1∶30～4∶30时段各站点风频风速统计表Tab.4 Wind frequency and wind speed statistics during 1∶30～4∶30

图6 1∶30～4∶30时段各站点风频玫瑰图Fig.6 Wind frequency rose diagram during 1∶30～4∶30

由表4和图6可见，在2017年7月11日1时30分至4时30分时段，各站点的地面主要风向都没有变，但弄弄坪站点的西南风、炳草岗站点的北风和四十中小站点的东风频率都明显增加。

弄弄坪站点西南风和炳草岗站点北风频率的增加，会造成弄弄坪方向的1号高炉煤气燃烧放散产生的颗粒物更多地通过炳草岗站点所处区域向四十中小站点所处区域输送；而四十中小站点所处位置位于金沙江河谷南岸，西面越过山脊为大河河谷，地势呈现北面和东面低而南面和西面高的特点，在夜间大气稳定度高的情况下，这个地势特点阻止了北面输送过来的空气污染物向南面和西面扩散，同时东风频率的增加使得该区域的地面气象条件类似于河流的“回水区”，空气污染物易于汇集却难以扩散，因而出现了可吸入颗粒物5min监测数据多次高峰值的现象，同时造成了小时浓度的异常升高。

6 结 论

6.1 由于高炉煤气中的烟粉尘含量非常高，燃烧放散时可能严重影响周边环境空气质量监测站点的可吸入颗粒物浓度监测数据，尤其在长时间排放时，完全可能造成个别站点日均值浓度超标的情况。因此从环境管理的角度应当尽量减少高炉煤气燃烧放散的次数，并且尽量缩短每次燃烧放散的时间，以降低高炉煤气燃烧放散可能对环境质量造成的影响。

6.2 此次1号高炉煤气燃烧放散时间为21时30分至次日7时0分，虽然在夜间实施放散燃烧降低了可能造成的视觉感官刺激和影响，但是由于攀枝花市夜间大气稳定度高，即使是在7-8月份等历史上环境质量状况好的月份，由于空气污染物扩散条件相对昼间较差，也对环境空气质量自动监测站点的监测结果造成了较大的影响。

6.3 攀枝花市地处山区，地形条件复杂，在局部地区，可能会因为局地地形条件和短时间内气象条件的特殊性造成空气污染物的积累和堆积，从而使得空气污染出现较通常情况下和可预计的最不利气象条件下加重的现象。

[1] 环境保护部，环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)(HJ633-2012)[Z].2013-09-22.

[2] 环境保护部，环境影响评价技术导则 大气环境(HJ 2.2-2008)[Z].2008-12-31.

[3] 李奇勇.1050m3高炉煤气干法除尘技术应用[J].冶金能源，2005,24(4):9-11.

[4] 李新峰.大型高炉煤气全干式布袋除尘技术在韶钢的应用[J].冶金动力，2007,(5):20-22.

[5] 刘宏禄.高炉煤气全干法布袋除尘技术应用探讨[J].冶金动力，2010,(5):29-30.

[6] 本溪钢铁(集团)有限责任公司.本溪钢铁(集团)有限责任公司企业标准 高炉煤气(Q/BB452—2010)[Z].2010-01-28.

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