钢铁企业超低排放有组织评估监测质控问题探讨与建议

董 威,袁 超,李培源

(1.上海金艺检测技术有限公司,上海 201901; 2.上海宝化国立化工技术有限公司,上海 200941)

1 背景

钢铁行业是我国国民经济的支柱型产业,其关联产业范围广,在国民经济发展中具有举足轻重的地位[1]。党的十九大以来,我国钢铁产业从数量时期向高质量时期迈进,钢铁产能严重过剩问题得到明显的缓解[2-3]。但钢铁行业工艺流程长、产污环节多,污染物排放总量仍处于较高水平,是我国主要的大气污染排放源之一[4-5]。近几年,我国钢铁工业掀起超低排放重大“绿色革命”,执行着世界上最严格的环保排放标准要求,努力实现减污降碳协同效应[6-7]。中国宝武钢铁集团有限公司党委书记、董事长陈德荣在中国宝武绿色发展大会中指出“绿色发展是维护我国社会经济长期稳定的政治责任、民生工程,绿色发展是体现中央企业社会责任的重要方面”[8]。推动实施钢铁行业超低排放,实现全流程、全过程环境管理,是有效提高钢铁行业发展质量和效益,打赢蓝天保卫战的有力支撑[9]。

《做好钢铁企业超低排放评估监测工作的通知》(环办大气函〔2019〕922号)中提出按照精准治污、科学治污、依法治污的原则,做好钢铁企业超低排放评估监测工作。有组织排放作为评估监测三大部分之一,如何确保其监测结果真实有效至关重要。本文对有组织评估监测过程中发现的质控问题进行探讨,以期为高质量实施提供借鉴。

2 质控问题探讨

《钢铁企业超低排放评估监测技术指南》(以下简称《指南》)中指出企业或接受委托的机构在开展现场评估监测前,应对相关资料进行认真审查,对资料齐全且符合要求的,可开展现场勘查。现场勘查应包括:采样口和采样平台设置规范化、CEMS合规性以及自行监测规范化检查。当企业资料审查和现场勘查都符合基本条件后,方可开展现场评估监测工作。有组织评估监测过程中应注意采样口和采样平台设置、自行监测以及CEMS合规性、监测分析方法选择、监测数据代表性、工况记录等问题,以免影响公示进度。

2.1 采样口和采样平台规范化

采样口和采样平台设置应根据《指南》中附1钢铁企业超低排放有组织排放现场检查和监测技术要点进行核查,具体要求及示例见表1。勘查中部分企业烟囱因年代久远,工程改造难度较大,采样点位不满足“上四下二”要求。HJ 75—2017中提出:“当排放源无法满足‘上四下二’要求时,应尽可能选择在气流稳定的断面进行采样,并采取相应措施保证监测断面分布均匀,断面无紊流。”因此,企业可通过流场模拟试验佐证采样断面流速是否分布均匀。流场模拟直接影响到评估监测结果的准确性,试验时应关注采样孔数量、生产工况和风机运行、等面积同心环布点、采样频次等方面。

表1 采样口和采样平台设置规范化要求及示例Table 1 Standardization requirements for sampling port and sampling platform setting and examples

2.2 自行监测规范化

自行监测规范化检查是现场勘查中重要一环,但往往容易被忽视。2016年,国务院办公厅印发《控制污染物排放许可制实施方案》(国办发〔2016〕81号),标志着我国开始在全国范围内实施以排污许可制度为核心的最严格的固定污染源环境管理制度[10-11]。在国家坚决打好污染防治攻坚战、立法剑指近年来环境监测数据造假行为的新形势下,企业开展自行监测的意义更加凸显[12-13]。

部分企业由于自行监测监管要求不够完善、自行监测工作水平不够高等原因,出现自行监测未规范化的问题,主要可分为自行监测方案制定及自行监测开展过程两部分,见表2汇总。

表2 自行监测未规范化问题汇总Table 2 List of unstandardized problems in self-monitoring

因此,在自行监测规范化检查过程中,应确认企业自行监测方案完整性、合理性以及自行监测开展过程的真实性、规范性,详细检查内容详见表3。

表3 自行监测规范化检查内容Table 3 The content of self-monitoring standardized inspection

2.3 SO2监测方法选择

钢铁企业烧结机头、热风炉、焦炉烟囱废气排放口中,CO浓度普遍较高,约为8 000～10 000 mg/m3,且烟气成分复杂,如何选择合适的SO2监测方法尤为关键。SO2监测方法主要包括定电位电解法、非分散红外分析法、便携式紫外分析法。不同监测方法由于仪器的抗干扰修正程度、工作原理等存在差异,各自适用范围也不相同[14]。三种监测方法优点以及应用局限对比见表4。

表4 定电位电解法、非分散红外分析法以及便携式紫外分析法对比Table 4 Comparison of fixed potential by electrolysis、non-dispersive infrared and portable UV analysis

定电位电解法测定烟气中SO2抗干扰能力较差,且不同类型的烟气分析仪监测结果偏差也不尽相同,若采用定电位电解法监测烧结机头、热风炉、焦炉烟囱点位SO2,则会导致实测浓度出现偏差。如某钢铁企业烧结机头废气中CO浓度约为4 000 mg/m3,热风炉废气中CO浓度约为3 000 mg/m3。使用A型、B型烟气分析仪分别测定烧结机脱硫排口以及高炉热风炉烟囱排口SO2浓度时,其监测结果与使用非分散红外分析法测定结果偏差分别为62%、56%以及-38%、-44%,具体监测数据详见表5。

表5 定电位电解法与非分散红外分析法测定结果对比Table 5 Comparison of measurement results by fixed potentialby electrolysis and non-dispersive infrared mg/m3

因此,建议选择非分散红外分析法或者便携式紫外分析法。值得注意的是,在实际案例中也发现甲烷浓度对非分散红外吸收原理测定SO2有显著的正干扰,造成测定结果偏高。为消除干扰,实际监测时可在分析仪中增加甲烷过滤器或使用紫外差分原理仪器进行测试。在使用便携式紫外分析法测定SO2时,SO2的主要吸收波段(190～230 nm和280～320 nm)处有NO2对其存在干扰。据调研,目前市售紫外分析法仪器多采用差分吸收等技术手段去除NO2干扰,且效果较好。由于在实际应用中发现紫外分析法仪器抗干扰性能较好,开展干扰试验验证了目标气体为200 μmol/mol的SO2时,不同仪器设备对50 μmol/mol的NO2的干扰响应,这个浓度范围基本能够代表典型污染源现场的排放情况。结果显示,误差范围仅为-2.3%～1.1%,误差干扰较小,能够满足评估监测要求。此外,在280～320 nm吸收波段O3、二硫化碳、甲醛对SO2的测试会引进正干扰,而在190～230 nm吸收波段O3会引进负干扰,但废气现场极少存在高浓度的这些气体,且以上气体均可通过差分吸收等方法消除干扰。

2.4 实测风量数据合理性

有组织排放评估监测过程中有20%～30%的点位存在实测风量与设计风量偏差较大的问题,其中不乏主要污染源点位。因此,快速找出风量偏差原因并进行针对性整改对有组织排放评估监测开展进度及数据合理性尤为重要。各类影响实测风量与设计风量偏差较大的因素大致可分为以下四类:①采样口及采样平台设置未规范化;②工艺设计情况;③直径测量误差;④工况负荷不满足要求。四类问题占比情况详见图1。

图1 影响实测风量与设计风量偏差较大的主要因素占比Fig.1 Proportion of the main factors affecting the large deviation between the measured air volume and the design air volume

采样口和采样平台设置规范化相关问题包括应在现场勘查过程中逐一排查,梳理有组织排放点位清单、收集点位基础信息拍照建档,并告知企业根据《指南》等相关规范文件中要求进行整改。工况负荷相关问题应首先确认现场监测情况,在排除测量影响因素之后,前往生产中控了解该点位主要生产设施24 h内运行情况及生产负荷,核实与污染治理设施运行状况是否相匹配,待企业调整完毕满足要求后,方可重新开启评估监测。不同的工艺设计也是导致实测风量与设计风量偏差较大的因素之一,在编制监测方案时应提前与企业沟通工艺设计相关问题,结合企业排污许可证及“三同时”竣工验收报告中相关内容,厘清相关工艺流程及原理,并将企业提供的相关解释说明及证明材料附于评估监测报告中。对于直径测量误差问题,椭圆管道可根据现场测量的长直径和短直径换算成当量直径;烟气湿度较大点位可根据企业提供的设计图纸结合现场测量的管道周长、壁厚等参数进行模拟测算。

2.5 人工煤气硫分检测

《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》(环大气[2019]35号)中明确指出:“需加强源头控制,高炉煤气、焦炉煤气应实施精脱硫。”因此在有组织排放评估监测过程中,对人工煤气进行硫化物成分分析是不可或缺的一部分。以某钢铁厂人工煤气数据为例,高炉煤气中硫化物包含羰基硫、硫化氢,浓度范围分别为70.2～113.0 mg/m3、19.2～72.5 mg/m3;焦炉煤气中硫化物为羰基硫、二硫化碳、噻吩,浓度范围分别为30.8～118.0 mg/m3、0.2～250.0 mg/m3、0～22.3 mg/m3,转炉煤气中硫化物为羰基硫、硫化氢,浓度范围分别为1.3～40.1 mg/m3、0～8.0 mg/m3。因此仅对硫化氢进行分析是远远不够的,并且无法对企业采用的煤气清洁利用技术以及末端治理设施脱硫效率进行有效评估。目前对于硫化物的检测方法主要参考美国材料与实验协会ASTM《使用气相色谱和化学发光法测定天然气和气体燃料中硫化物含量的标准实验方法》(ASTMD 5504—2012),但该方法在抗干扰和定性上仍有些许不足。

2.6 CEMS合规性

多数钢铁企业建厂较早,由于重视程度不够,排污口监测点位设置普遍不规范,在线监测设施不能满足监测技术规范要求,需要开展排放口规范化建设和CEMS升级改造[7]。改造后的超低CEMS的安装、调试和运行在符合HJ 75—2017和HJ 76—2017规定的前提下,还需满足《指南》中的CEMS总体要求和CEMS质控目标,现场评估内容见表6。

表6 CEMS合规性现场评估内容Table 6 The content of CEMS standardized inspection

3 建议

(1) 建议以有组织排放评估监测为契机,完善排污许可证内容,优化自行监测方案,加强自行监测数据审核;完善生产和污染治理设施运行状况信息记录,结合设计风量等参数,并与实际工况拟合判定数据合理性;加强有效工况下超低改造项目自行监测的质量控制和管理,真实反映企业排污状态。

(2) 除根据《指南》附1钢铁企业超低排放有组织排放现场检查和监测技术要点中要求加强废气排放口规范化设置外,还应规范排放口基础参数的统计,注重对废气处理装置、风机管道等的前期选型、工艺变更影响论证,保证废气长期稳定达标排放。

(3) 为确保CEMS在线监测环保监督作用,需制定完善的运维管理制度,并建立在线监测系统运行质量保证体系,保证在线监测数据的准确性、合理性及合法性。