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濕法脫硫:治理燃煤煙氣污染卻成巨大污染源

發布時間:2018-07-25 點擊數:549

在今年三月份的全國兩會期間,李克強總理在陜西代表團參加審議時說:“霧霾的形成機理還需要深入研究,因為我們只有把這個機理研究透了,才能使治理措施更加有效,這是民生的當務之急。我們不惜財力也要把這件事研究透,然后大家共同治理好,一起打好藍天保衛戰。”

 

  “我在國務院常務會議幾次講過,如果有科研團隊能夠把霧霾的形成機理和危害性真正研究透,提出更有效的應對良策,我們愿意拿出總理預備費給予重獎!這是民生的當務之急啊。我們會不惜財力,一定要把這件事研究透!”

 

  “我相信廣大人民群眾急切盼望根治霧霾,看到更多藍天。這需要全社會擰成一股繩,打好藍天保衛戰!”

 

  從2013年初算起,中國治理大氣污染的大規模行動已經進行了四年多,各地政府和相關企業,為之投入了巨大的人力物力。京津冀地區,在幾個重點的燃煤煙氣污染領域,如鋼鐵冶金(重點是燒結機)、焦炭、水泥、燃煤發電廠、燃煤蒸汽和熱水鍋爐、玻璃行業,這幾年給幾乎所有的大煙囪都帶了口罩——加裝燃煤煙氣處理系統。收效雖有,但大家總覺得與治理的深度和廣度差距太大。我與某地環保局的專業工作人員聊天時,曾聽到對方的困惑:幾乎所有的大型燃煤設施,都已經上了煙氣處理措施。在重壓之下,有幾個企業敢大規模偷排啊?大氣中的PM2.5的濃度怎么還是這么高啊?這些顆粒物到底是從哪里來的?

 

  在中國,已經有很多科學論文介紹,中國的大氣顆粒物監測中經常發現有大量的硫酸鹽。北京的嚴重霧霾天氣,硫酸鹽的比例有時甚至遠超50%。

 

  曾經有專家認為大氣中大量的硫酸銨顆粒物是在大氣中由二氧化硫和氨氣合成的。而氨氣是從農業種植業和養殖業中逃逸出來的。還有中外合作的科研團隊的結論是,北京及華北地區霧霾期間,硫酸鹽主要是由二氧化硫和二氧化氮溶于空氣中的“顆粒物結合水”,在中國北方地區特有的偏中性環境下迅速反應生成。可農業種植和養殖業的氨逃逸不是最近幾年才突然增長,通過這幾年的大氣污染治理措施,大氣中二氧化硫和二氧化氮的含量是逐漸下降的。顯然,這些結論很牽強附會。篇幅所限,我就不深入分析了。

 

  我談談自己的經歷。

 

  去年夏天我在某市出差,前天晚上下了一場暴雨,第二天空氣“優”了一天,但第三天空氣質量就跨越兩個級別,達到輕度污染,第四天就是中度污染了。夏季沒有散煤燃燒采暖造成的污染,而該市主要的燃煤煙氣設備都有有效的顆粒物減排措施。雖然大氣中的二氧化硫和氨能合成二次顆粒物,可大氣中二氧化硫的濃度并不高,暴雨也能把地里的氨大部分都帶走,大氣中不可能有這么多的氨氣,而且顆粒物的增長也不應該這么快。

 

  我在一個企業調查時,用肉眼就清晰地發現,某大型燃煤設施經濕式鎂法脫硫后的煙氣中的水霧蒸發之后,仍拖著一縷長長的淡淡的藍煙。這是煙氣中的水霧在空氣中蒸發之后,水霧中的硫酸鎂從中析出,留在了空中。

 

  而在另外幾個企業,我則看到,用濕式鈣法脫硫技術處理的煙氣中的水霧蒸發后,留下一縷白色的顆粒物煙塵。其中有一次我在一個鋼鐵企業考察時,因為氣象的原因,經濕法脫硫的燒結機燃燒煙氣沉降到地面上,迅速聞到一股嗆人的粉塵氣味。

 

  這種現象很多專業人士都注意到了。某省一位專業環保官員告訴我,這種濕法脫硫工藝產生的煙氣顆粒物,還有一個俗稱,叫“鈣煙”。

 

  2015年我的德國能源署同事在中國的調研工作中清晰地發現了這個情況,并在2016年載入了科研報告:“很多燃煤熱力站的煙氣凈化主要在洗氣塔中進行,沒有在尾部安裝過濾裝置。由于洗氣塔的凈化效果有限,并且只適用于分離水溶性物質,因此,中國企業廣泛采用未加裝過濾裝置的洗氣塔的方式并不可靠”。

 

  更糟糕的是,我們看到,很多企業為了降低不菲的煙氣脫硫廢水處理成本,不對濕法脫硫的廢水中溶解的硫酸鹽做去除處理,而是將溶有大量硫酸鹽的廢水反復使用,還美其名曰,廢水零排放。廢水是零排放了,可溶性的硫酸鹽卻全都撒到天上了,每立方米的燃煤煙氣中,有好幾百毫克的硫酸鹽,全都變成PM2.5了。還不如不做煙氣脫硫處理呢!

 

  今年5月17日下午,中國生物多樣性保護與綠色發展基金會與國際中國環境基金會總裁何平博士聯合組織了一次“燃煤煙氣治理問題與對策研討會”。我也應邀參加了這次會議。在這次會議上,大家紛紛指出了一個重要的大氣污染源,燃煤煙氣濕法脫硫。

 

  其中山東大學的朱維群教授介紹了他從經濕法脫硫后的煙氣里檢出了大量硫酸鹽的實驗結果。與會的其他兩個公司也介紹了類似的發現。其中一個來自東北某省會城市的公司介紹,最近兩年,該市每年在供暖鍋爐啟動運行的第一天,就出現大氣中的顆粒物含量迅速上升現象。而這些鍋爐都有煙氣處理工藝,從監測儀表上看,顆粒物的排放比前些年大幅下降。而二氧化硫和二氧化氮要合成二次顆粒物不會這么快。可以斷定,是在煙氣處理過程中的濕法脫硫工藝合成了大量的顆粒物。該公司負責人還調侃說,他曾給市環保局建議,把全市的燃煤煙氣濕法脫硫停止運行試一天做個試驗,肯定大氣中的顆粒物濃度會大幅下降。

 

  我也介紹了我和同事們在河北進行大氣污染治理時發現的類似現象,并介紹了我們于2016年在有關報告中建議的治理方法:“基于德國的經驗,建議采用(半)干法煙氣凈化技術取代濕法洗氣塔。具體而言,我們建議采用APS (Activated Powder Spray,活性粉末噴灑)煙氣處理工藝”。

 

  十分湊巧的是,就在舉辦這個會議的當天晚上,華北某市的環保局局長(尊重他的意愿,我不能公開他的姓名和所在的城市)來北京出差,約我聊一聊治霾問題。一見面,他就開門見山告訴我一件令他困惑了幾年并終于揭曉的謎:

 

  幾年來,他一直懷疑現在的燃煤煙氣處理工藝有問題,因為在這些已經采用了燃煤煙氣處理工藝的煙囪附近的空氣質量監測站,發現大氣中顆粒物的濃度要明顯高于其他地區監測站監測的結果。不久前,他所在城市的一家大型燃煤發電廠剛剛安裝了超凈煙氣處理設施。但在超凈煙氣處理設施運行的當天,附近大氣質量監測站檢測出的大氣中的顆粒物濃度比起其他地區的監測站,有了突然的大幅升高。于是他讓環保檢測人員到現場從煙囪里抽出煙氣到實驗室里檢測。結果,發現有大量的冷凝水,在將這些冷凝水蒸發后,得到了大量的硫酸鹽,其數量相當于在每立方米的煙氣中,有100~300毫克/的以硫酸鹽為主的顆粒物。而國家規定的燃煤鍋爐煙氣中的顆粒物排放上限(依鍋爐的功率和是否新建或既有)分別為20~50毫克/立方米;燃煤電廠煙氣超凈排放標準的顆粒物排放上限甚至只有5~10毫克/立方米。也就是說,濕法脫硫產生的二次顆粒物造成煙氣中的顆粒物濃度超過不同的國家標準上限幾倍至幾十倍!

 

  超凈煙氣中水分含量更高,帶出的冷凝水和溶鹽更多,煙氣的溫度也更低,所以在煙囪附近沉降的顆粒物更多。

 

  既然是超凈排放,煙氣中怎么還會有這么多的顆粒物?煙氣中的顆粒物可都是有在線監測的。難道是偷排?還真不是偷排。

 

  原因很簡單:國家的煙氣檢測規范規定,煙氣中的顆粒物濃度是在煙氣除塵之后濕法脫硫之前進行檢測。這也有道理,因為在濕法脫硫工藝之后,大量的水霧被帶到煙氣中,這些水霧在普通的煙氣檢測技術方法中,往往會被視為顆粒物,造成巨大的測量誤差。即便有高級儀器能區分濕煙氣中的水霧和顆粒物,也很難測定水霧中的硫酸鹽含量。除非能檢測水霧中的鹽含量。但這太困難了。即使有檢測裝置能夠在線檢測出來水霧中的硫酸鹽濃度,成本也太驚人了。

 

  燃煤煙氣在經過濕法脫硫后,會含有大量的水霧,水霧中溶解有大量的硫酸鹽和并含有脫硫產生的微小顆粒物,其總量總高可達幾百毫克。

 

  以上的事實,對大氣中的顆粒物中有大量的硫酸鹽、甚至經常有超過50%比例的硫酸鹽的現象做出了合理的解釋:大氣中絕大部分的硫酸鹽并不是二氧化硫和氨氣在大氣中逐漸合成的,而是在濕法脫硫裝置中非常高效迅速地合成的。

 

  也就是說,濕法脫硫雖然減少了二氧化硫——這個在大氣中能與堿性物質合成二次顆粒物的污染物,但卻在脫硫工藝中直接合成出大量的一次顆粒物。在已經普遍安裝了燃煤煙氣處理裝置的地方,濕法脫硫在非采暖季已經成為大氣中最大的顆粒物污染源。萬萬沒想到,煙氣治理,治理出更多的顆粒物來,甚至出現在超凈煙氣處理的工藝中,真是太冤了。

 

  難怪下了這么大的力氣治理燃煤煙氣污染,大氣中的顆粒物濃度降不下來,原因就是燃煤煙氣污染治理本身,并不是燃煤的企業和環保部門的工作人員治理大氣污染不積極、不認真;而是方法錯了。方法錯了,南轅北轍。這充分說明,鐵腕治霾,一定要建立在科學的基礎上。方法不科學,很可能腕越鐵,霾越重。

 

  有疑問嗎?有疑問不必爭辯,找人對濕法脫硫之后的燃煤煙氣進行取樣,拿到實驗室去一檢測就清楚了。實踐是檢驗真理的唯一標準。

 

  現在霧霾治不了,很多地方的環保部門就采用“特殊手段”。其中一種手段是用水炮。可是,一些人不知道,硫酸鹽是水合鹽,在濕度高時,硫酸鹽分子會吸收大量的水分,增大體積,這也就是為什么很多地方在空氣濕度升高后,顆粒物的濃度會突然大幅增加的原因。我有個朋友是環保專家,他告訴我,有一次,他所在的地區大氣顆粒物濃度過高,他的上司要派人到監測站附近打水炮降顆粒物,他趕忙攔住:“現在濕度高,越打水炮,硫酸鹽顆粒物吸水越多,顆粒物濃度越高。”

 

 

 

 

  更下策的辦法是給監測儀器上手段,直接對儀器作假,譬如給顆粒物探測頭上纏棉紗。第一個作假被抓住并被公布的環保局官員,就是在我的家鄉西安,我的心情很不平靜。在這里,我不是為作假者開脫,而是為他們的無奈之舉感到深深的悲哀。

 

  濕法脫硫的技術包括鈣法、雙堿法、鎂法、氨法。這些工藝都或多或少地在濕法脫硫過程中合成大量的硫酸鹽,只是其中所含硫酸鹽的種類(硫酸鈉、硫酸鎂、硫酸銨、硫酸鈣)和比例有所不同。

 

  我用最常用的鈣法脫硫的煙氣處理(超凈排放需要增加脫硝的處理工序)流程圖,簡要地解釋一下濕法脫硫產生大量的硫酸鹽的過程:

 

 

 

 

  濕法脫硫產生大量二次顆粒物的問題,從上世紀七八十年代起,在德國也出現過。德國發現了這個問題后,研究解決方案,選擇了兩條解決問題的路徑:

 

  1. 在原來濕法脫硫的基礎上打補丁。其具體措施是:

 

  1) 加強水處理措施,對每次脫硫后的廢水去除其中顆粒物和溶解的鹽;

 

  2) 加裝煙氣除霧裝置(例如旋風分離器);

 

  3) 加裝濕法靜電除塵器;

 

  4) 采取了以上的方法后,煙氣中仍然有可觀的顆粒物。于是為了避免顆粒物在煙囪附近大量沉降,又加裝了GGH煙氣再熱裝置,將煙氣加熱,升到更高的高度,以擴散到更遠的地方——雖然擴大了污染面積,但減輕了在煙囪附近的空氣污染強度。當然煙氣再加熱,又要消耗大量的熱能。

 

 

 

 

  但國內外都發現了GGH煙氣再熱裝置結垢堵塞的現象,于是在發生結垢堵塞要對GGH再熱裝置進行清洗(結垢就是顆粒物,這也證實了濕法脫硫后的煙氣中含有大量的顆粒物)時,需要有煙氣旁路。而中國的環保部門為了防止偷排,關閉了旁路。所以,檢修鍋爐要停機,很多燃煤電廠為了防止頻繁的鍋爐停機,只好拆除了GGH煙氣再熱裝置,由于煙氣溫度過低,因此煙氣中的大量顆粒物在煙囪附近沉降,這也就是前述的某市環保局長發現的在燃煤電廠附近區域空氣監測站發現大氣中有較高的顆粒物含量的原因。

 

  但這個方法只適合于大型燃煤鍋爐,如燃煤電廠的大型燃煤鍋爐。因為采用上述的技術措施,工藝復雜,電廠的大鍋爐,由于規模大,脫硫廢水和廢渣的處理成本還能承受。對于小的燃煤鍋爐在經濟上根本承受不了,且不說還要加裝價格不低的濕式靜電除塵器。因此,在德國,非大型燃煤電廠的鍋爐幾乎都不采用這種在原濕法脫硫工藝的基礎上打補丁的方法,而是采用下述的第二種方法。

 

  2. 第二種方法就是干脆去除禍根濕法脫硫工藝,采用(半)干法煙氣綜合處理技術。德國比較成功的是APS (Activated Powder Spray,活性粉末噴灑)煙氣處理工藝,綜合脫硫、硝、重金屬和二惡英。這種工藝是在上世紀末發明的,本世紀開始逐漸成熟并得到推廣。其具體措施是:

 

  1) 燃煤煙氣從鍋爐出來用旋風分離器進行大致的除塵后,即進入到APS煙氣綜合處理罐,進行綜合脫硫、硝、重金屬和二惡英(垃圾焚燒廠和鋼鐵工業的燒結機排放的煙氣中有大量的二惡英);

 

  2) 而后用袋式除塵器將處理用的大量脫污染物的粉末和少量的顆粒物一并過濾回收,多次循環使用(平均約100次左右)。

 

 

 

 

  德國現在普遍采用這種(半)干法綜合煙氣處理工藝。即便是從前采用給濕法脫硫打補丁的燃煤電廠,也逐步地改為(半)干法綜合煙氣處理工藝。

 

 

 

 

 

 

  上面兩張圖片是在德國凱澤斯勞滕市中心的熱電聯供站的屋頂上拍攝的,熱電聯供站既有燃煤鍋爐,也有燃氣鍋爐。其中燃煤鍋爐滿足基礎熱力負荷,而燃氣鍋爐提供峰值熱力負荷。上面兩張照片上的兩個煙囪當時都在排放燃煤煙氣,不過這些燃燒煙氣經過了APS半干法煙氣綜合煙氣系統的處理,顆粒物排放濃度當時只有1毫克/立方米左右,所以用肉眼根本看不到排放的煙氣。2016年,凱澤斯勞滕市的年均大氣PM2.5濃度為13微克/立方米。

 

  燃煤煙氣采用先進的半干法煙氣綜合煙氣系統,完全可以達到中國燃煤煙氣超凈排放的標準,即:顆粒物<5~10毫克/立方米煙氣,SOx<35毫克/立方米煙氣;NOx<50毫克/立方米煙氣。如果煙氣中有二惡英,則煙氣中的二惡英濃度甚至可以降低到0.05納克/立方米以下(在實際項目中經常可以降到0.001納克/立方米以下),而歐盟標準的上限是0.1納克/立方米煙氣。

 

  濕法脫硫這個新的巨大的大氣污染源被發現是壞事也是好事。壞事是知道很多的錢白花了,污染卻沒減多少,甚至有所增加,很遺憾。好事是知道了大氣污染的主要癥結在哪里,知道了如何去治理;特別是知道了,大氣質量會因此治理措施(在中國北方+散煤治理措施)得到根本性的改善。

 

  這一污染并不難治,采用先進的(半)干法技術綜合煙氣處理技術,立馬就能把這個問題解決。盡管有一些成本,但是可以接受的成本,因為這種處理技術,如果要達到同樣的環保排放標準,成本比采用濕法脫硫技術的煙氣處理工藝還要低。如果現在就開始治理,冬奧會之前,把京津冀地區這個主要污染源基本治理好,再加上治理好散煤污染(在下一篇中詳述),讓大氣質量上一個大臺階,把京津冀所有市縣的年均PM2.5的濃度降到35微克/立方米一下,應該不難實現。

 

  最后我要強調的是,這個主要大氣污染源的發現,并非我一個人或者我們這個中德專家團隊所為,而是一批工作在治霾第一線的專家和環保官員們(當然也包括我和我們這個團隊)經過精心觀察發現的,并逐步得到越來越清晰的分析結果。我只不過把我們分別所做的工作用這篇文章做一個簡單的綜述。在此,本文作者對所有為此做出了貢獻的人(很遺憾,他們之中的很多人現在不愿意公布他們的姓名和單位——也許要待到治霾成功那一天他們才愿意公布)表示衷心的敬意和感謝!

 

  作者為中德可再生能源合作中心(中國可再生能源學會與德國能源署合辦)執行主任

 

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