我國大氣霧霾的元兇、對策與機遇探討
我國大氣霧霾的元兇到底是什么？治理對策是什么？以電力行業(yè)濕法脫硫為首的工業(yè)排煙濕度大和排煙水份中的溶解性顆粒物就是元兇，對策是排煙除濕脫白，這不僅能快速抑制霧霾，還能大幅減少煤炭清潔燃燒的投資和成本，節(jié)水、節(jié)能，分享如下供指教和參考。
追尋元兇：簡單對比法
回想十多年前,我國酸雨、工業(yè)煙粉塵排放量都大但卻少有霧霾，十多年來從電力行業(yè)開始普及應(yīng)用鍋爐煙氣除塵、脫硫、脫硝，近年來又推行超低排放，主要指標(biāo)如顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放量都大幅度降低，霧霾卻多了[1]，為什么？我們用簡單對比，結(jié)果見表1，對比看出，僅火電行業(yè)2014年排放煙氣中的水量就比2005年增加了超過15億噸，排煙水分中的溶解性顆粒物排放量2000萬噸以上，這還不包括循環(huán)水冷卻塔排放的水分。估算的方法是，每燃燒1噸煤排放10000m3煙氣，沒有脫硫時排煙所含水分50g/m3，脫硫濕煙氣所含飽和水分0.112kg/m3（@50°C），水中溶解性顆粒物1000mg/L。順序還有燃煤熱電、天然氣鍋爐、鋼鐵、焦炭、電解鋁、水泥、平板玻璃、汽車尾氣、餐飲等，估算全國每年人為排放濕煙氣所含水分超過60億噸，這應(yīng)該就是我國大氣霧霾的元兇。
表1電力行業(yè)主要污染物排放量（萬噸）
有些人一直強調(diào)，霧是霧、霾是霾，那就擱置霾的來源，做為常識，首先霧就是水，能看見的白霧就是小水滴。煙氣中水蒸汽屬于氣體，是任何除霧器、哪怕十級除霧器，包括濕式靜電除塵器都除不去的，并且是在燃燒過程中和脫硫漿液噴淋期間產(chǎn)生的，而不是除霧器清洗過程產(chǎn)生的。煙氣中飽和水蒸汽密度0.804kg/m3小于空氣，排出煙囪與低溫環(huán)境空氣混合降溫后變?yōu)殚L長的白霧，霧滴顆粒為PM2.5級，很細(xì)很多，但密度與水相同、為1000kg/m3，是空氣密度的近800倍，懸浮累計在幾百米到幾千米的大氣層中形成大霧，這從飛機上都看得到。遇天氣升溫水霧蒸發(fā)為水蒸汽，水中的溶解性顆粒物析出就是霾，遇冷冷凝會變成雨、雪，或遇風(fēng)可被風(fēng)吹走。一再強調(diào)霧霾與天氣條件有關(guān)、屬于氣象災(zāi)害純都是推托，人不能勝天，但可以改變我們自己。多項研究表明，我國大氣霧霾的PM2.5來源中50%來自二次生成，而二次生成的細(xì)顆粒與水分密切相關(guān)，也就是說霧就是人為排放水分多直接導(dǎo)致的，而霾則主要是間接產(chǎn)生的。把煙氣中產(chǎn)生的水分用國土面積去分?jǐn)偸堑图夊e誤，我國霧霾的產(chǎn)生與能源消耗密度密切相關(guān)，是極不均勻的。
追尋元兇：簡單試驗[2]
為了驗證煙氣中水分對霧霾形成的影響，進行了簡單試驗，方法是向房間加濕器內(nèi)分別加入純凈水、礦泉水和自來水，監(jiān)測室內(nèi)空氣污染情況，試驗結(jié)果如下：
l加純凈水，室內(nèi)PM2.5濃度為20微克/立3
l加礦泉水，室內(nèi)PM2.5濃度為30微克/立3
l加自來水，室內(nèi)PM2.5濃度為340微克/立3
參考空氣質(zhì)量指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)：PM2.5濃度為0-50微克/立3空氣質(zhì)量為一級，51-100微克/立3空氣質(zhì)量為二級，大于300微克/立3為重度污染。
深入分析純凈水、礦泉水與自來水的區(qū)別，水中的可溶性顆粒物含量TDS差別大。溶解性顆粒物的特點是可溶解于水中，在排放煙氣檢測時呈水分狀態(tài)，檢測不出顆粒物，離開煙囪后水分蒸發(fā)，可溶性固體就會再以固體顆粒出現(xiàn)，并且均為超細(xì)顆粒。純凈水的TDS為0-5mg/L，礦泉水為5-50mg/L，合格自來水TDS為50-120mg/L,不合格的自來水TDS為可達300mg/L；相比之下，各種工業(yè)凈水（直流冷卻水、循環(huán)冷卻水補充水、洗滌用水、鍋爐補充水、工藝和產(chǎn)品用水）的TDS控制標(biāo)準(zhǔn)為小于1000mg/L,而濕法脫硫循環(huán)液不僅TDS高達30000mg/L以上，還含有20%的懸浮固體顆粒。這個試驗容易重復(fù)做，結(jié)果都相似。張家口有人在加濕器加入自來水后發(fā)現(xiàn)，房間內(nèi)都除都有一薄層白色粉末。還有開啟加濕器后發(fā)現(xiàn)孩子咳嗽加重。這些結(jié)果應(yīng)該能解釋為什么我國十多年來大氣治理各項考核指標(biāo)都大幅降低的情況下，為什么霧霾卻越來越嚴(yán)重[1]，因為真正導(dǎo)致產(chǎn)生霧霾的根源性因素在現(xiàn)有的電力行業(yè)超低排放和鋼鐵、天然氣、煤焦化、包括餐飲在內(nèi)的各行業(yè)大氣污染控制標(biāo)準(zhǔn)中，都沒有控制要求。有些人總喜歡拿一些發(fā)達國家的做法說事，就算發(fā)達國家都不強制控制煙氣濕度對我國治理霧霾參考借鑒價值也不大，因為他們的煤耗總量小得多、分散。中國的霧霾必須、只能用我們自己的方法解決。
治理對策：排煙除濕脫白[4]
上述研究結(jié)果表明，霧霾源自于水，也可以用水抑制。治理我國霧霾政府正在推行的燃煤超低排放、煤改氣、煤改電、散煤治理、汽車尾氣、秸稈禁燒、建筑揚塵控制等等都是十分必要，問題是要不要控制排放水分？為了驗證煙氣除濕脫白對于抑制霧霾、超低排放和余熱深度回收的作用，中國節(jié)能協(xié)會、清華大學(xué)建筑節(jié)能中心牽頭，在熱力鍋爐上進行了工業(yè)示范項目的建設(shè)，項目在兩臺130噸+1臺220噸鍋爐的濕法脫硫和循環(huán)水冷卻塔上進行，在兩臺130噸鍋爐共用的濕法脫硫塔后、煙囪之間增加1套立式直接噴淋換熱深度凈化系統(tǒng)，在1臺220噸鍋爐脫硫塔后、煙囪之間增加1臺臥式直接噴淋換熱深度凈化系統(tǒng)，除濕脫白、深度凈化后的煙氣通過共用的煙囪排放。示范項目的主要數(shù)據(jù)和結(jié)果如下：
l處理煙氣量：120萬m3/h
l實測入口煙氣溫度：~50℃
l實測出口煙氣溫度：~40℃
l計算入口煙氣濕度：114g/Nm3
l計算出口煙氣濕度：63g/Nm3
l計算除濕量和冷凝水回收量：45%
l實測循環(huán)水溫：供水≤30℃、排水~40℃
l實測出口粉塵濃度：≤10mg/Nm3
l實測出口SO2濃度：17mg/Nm3
l實測出口NOx濃度：55mg/Nm3
運行結(jié)果表明，通過煙氣直接噴淋冷凝除濕和深度凈化，首先低成本實現(xiàn)了電力行業(yè)現(xiàn)行的煙氣超低排放指標(biāo)，同時通過回收煙氣余熱和冷凝水，企業(yè)增加供熱能力15%，提高鍋爐燃煤綜合效率7%，一個采暖季凈增效益760萬元，投資回收期不到四年。企業(yè)還對循環(huán)水冷卻的余熱進行了回收利用，均采用特殊設(shè)計的高溫?zé)岜没厥昭h(huán)水的余熱，外供80-120℃熱水用于供熱，煙氣的低溫余熱則通過直接噴淋換熱轉(zhuǎn)移到循環(huán)水中。在我國能源結(jié)構(gòu)主要是煤炭，電力、熱力等行業(yè)燃煤鍋爐大量采用濕法脫硫短時期內(nèi)難以改變的情況下，該示范項目首先證明超低排放可以實現(xiàn)低成本、甚至有效益，更主要的是，通過直接噴淋冷凝除濕脫白也為煤炭清潔燃燒、抑制霧霾提供了可行技術(shù)，是更符合國情的大氣和能源發(fā)展道路。
機遇：低成本超低排放、節(jié)水、節(jié)能
水在自然界有三種狀態(tài)：固態(tài)冰、雪，液態(tài)水、霧，氣態(tài)水蒸汽。水吸熱后會蒸發(fā)相變?yōu)樗羝M入大氣，水蒸汽含量達到飽和后的大氣遇冷降溫就會再相變?yōu)殪F、雨、雪、冰雹等。在地球表面積、太陽輻射變化不大的情況下，自然界水變蒸汽、蒸汽冷凝成水有其自身的規(guī)律和平衡，我國最濕月份室外平均大氣濕度為12g/kg（折算15g/Nm3），西北部大氣濕度低屬于干燥區(qū)域，東南部屬于高濕區(qū)域。工業(yè)、民生等人為排放煙氣濕度過大就破壞的自然界本來的平衡和規(guī)律。對我國主要各行業(yè)煙氣除濕量的估算如下：
4.1火電：火電行業(yè)燃煤鍋爐濕法脫硫和循環(huán)水冷卻塔排水：每燃燒1噸煤濕煙氣帶走水份1噸，主要包括煤中原始含水、脫硫補充水，火電循環(huán)水冷卻塔向大氣排放更多的水分，僅火電行業(yè)每年向大氣排放的濕煙氣夾帶水份和循環(huán)水冷卻塔散失的水份就超過二十億噸，與燃煤量相接近。以60萬千瓦煤電機組為例，采用濕法脫硫工藝每小時排放水份90t/h，循環(huán)水冷卻塔煤小時排放水分700t/h[3]。
4.2鋼鐵行業(yè)：鋼鐵行業(yè)燒結(jié)脫硫排煙、高爐水沖渣、連鑄二冷蒸汽、轉(zhuǎn)爐燜渣、轉(zhuǎn)爐除塵、濕熄焦、循環(huán)水冷卻塔等排煙蒸發(fā)散失的水分為1.5t/t，按照年產(chǎn)鋼10億噸估算，鋼鐵行業(yè)每年向大氣排放水分15億噸。
4.3天燃?xì)馊紵好咳紵?單位體積的天燃?xì)猓瑫a(chǎn)生2個體積的水蒸汽，按照2014年我國天燃?xì)庀牧?800億立方米，則產(chǎn)生3600億立方米水蒸汽，折合近3億噸水分。
4.4煤焦化：按照我國焦炭實際產(chǎn)量4.5億噸、噸焦放散水分0.5t/t，煤焦化行業(yè)每年排放水分2.25億噸，其中50%在鋼鐵行業(yè)，另一半主要在獨立焦化廠的濕熄焦系統(tǒng)。
還有有色、化工、建材、玻璃、餐飲油煙等，估算我國放散煙氣每年人為排放到大氣的水分超過60億噸，主要集中在京津冀、長三角、珠三角，也就是霧霾嚴(yán)重的區(qū)域，分布極不均勻，重點是燃煤鍋爐、鋼鐵、天然氣和煤焦化。煙氣除濕的主要意義至少有如下幾點：
l抑制霧霾，低成本實現(xiàn)超低排放、環(huán)保達標(biāo)，還可以除酸、除VOC、除重金屬、二噁英等水溶性污染成分，將煙氣中污染成分一網(wǎng)打盡
l節(jié)水：按照80%的回收率，年節(jié)水預(yù)計40億噸，回收的冷凝水接近蒸餾水，只需簡單處理就能回用，年回收量可以超過海水淡化總量，成為一個新的非常規(guī)水源，但比海水淡化、南水北掉更經(jīng)濟
l回收低溫余熱：鍋爐效率提高10%
l該系統(tǒng)還可以考慮處理利用廢水。。。
煙氣除濕脫白的可行技術(shù)途徑
煙氣除濕有混風(fēng)除濕、升溫除濕、冷凍除濕、吸附除濕、溶液除濕和混合除濕等幾類方法。煙氣除濕的方法參考附圖1，現(xiàn)在的濕煙氣排出煙囪一定距離后白霧消除就屬于混風(fēng)除濕，見圖中O點，~50°C飽和濕煙氣與低溫的環(huán)境空氣混合后，煙氣的相對濕度降低到接近大氣水平，但實際上排放煙氣的總含濕量沒有減少。我國引進濕法脫硫工藝中，采用升溫除濕技術(shù)，比如GGH、MGGH，通過濕煙氣與脫硫塔進口高溫?zé)煔忾g接換熱升溫，降低煙氣的相對濕度除濕脫白，同樣也沒有減少排水的總水分，并且增加能耗，參考圖中OA。由于升溫除濕存在沒有減少水分排放量、投資、運行成本高、維修量大等許多問題，其推廣應(yīng)用一直存在爭論，在超低排放的技術(shù)規(guī)范中僅被列為可選擇項目，有的廠家用，大部分企業(yè)不用、甚至拆除，這是導(dǎo)致我國霧霾一個嚴(yán)重錯誤，也算有一定理由。國外也有企業(yè)采用天然氣燃燒后的高溫?zé)煔馀c濕煙氣混風(fēng)、升溫除濕，消耗額外能量，也不值得推廣。國內(nèi)也有人研究溶液除濕，有開發(fā)前途，但還沒有達到在煙氣濕法脫硫系統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用的水平。
目前唯一實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用值得推廣的就是前述示范項目所采用的直接噴淋換熱冷凍除濕，將放散濕煙氣逐步冷卻到大氣平均溫濕度最好，比如降低到25°C、相對濕度70%，可以徹底解決排煙除濕，回收冷凝水接近80%，再熱后則煙囪無需防腐。
問題討論
1）超低排放：由于我國煤炭消耗量巨大，火電、熱力等行業(yè)必須實施超低排放，鋼鐵、天然氣、焦化等行業(yè)也應(yīng)該實施以潔凈空氣指標(biāo)為參照的超低近零排放。但超低排放的工藝流程、設(shè)備選擇還有減少投資降低成本為目的的簡化、優(yōu)化的必要，主要問題：一是沒有控制煙氣的溫度濕度，指標(biāo)設(shè)計上存在缺失，二是將濕式靜電除塵器做為主要技術(shù)措施，濕電在精除塵、除白霧方面確有良好效果，問題是濕電不能去除水蒸汽狀態(tài)的水分，而且由于工藝定位不當(dāng)，濕電入口煙氣粉塵濃度、溫度、濕度值設(shè)計不合理，導(dǎo)致造價高、設(shè)備尺寸大，是否能長期穩(wěn)定運行也有疑問。
2）煙氣脫硝：以電力行業(yè)為代表的煙氣脫硝大量采用SCR、SNCR噴氨脫硝，首先由于氨的生產(chǎn)過程是高耗能高污染的行業(yè)，噴氨脫硫純屬污染物轉(zhuǎn)移，得不償失。更主要的是，噴氨脫硝存在的氨逃逸也是形成霧霾的重要因素[5]。
3）除塵技術(shù)：目前除塵技術(shù)選擇上過于選擇干式電除塵、電袋、布袋，這些類型的除塵器出口顆粒物濃度降低到20mg/m3、甚至5mg/m3都是可能的，問題是否合理、是否經(jīng)濟。研究表明，如前所述，經(jīng)過濕法脫硫排放煙氣中水分中夾帶出去的溶解性顆粒物遠超過100mg/m3，因此通過脫硫塔改進，通過噴淋冷凝洗滌達到5mg/m3才更有意義，投資、運行費用也都更低，前面原有的電除塵器可以利用，但沒有必要進行超低改造。
4）煤改氣：從長遠看，我國進行能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、多用清潔能源是完全正確和十分必要的，但需要一定的條件，比如用天然氣、電的價格降低到與用煤接近的水平，需要通過市場手段而不是行政手段。我國現(xiàn)在焦化廠行業(yè)存在產(chǎn)能過剩，許多廠都付產(chǎn)天然氣，在煤制天然氣技術(shù)發(fā)展到一定程度國內(nèi)供應(yīng)量充足、價格有優(yōu)勢時，用戶自然會選擇多用天然氣。用天然氣也必須充分進行脫硝和除濕，才是真正的清潔能源。
4）直接噴淋除濕：采用直接噴淋冷凝除濕脫白和深度凈化設(shè)備簡單、投資少，但通過熱泵實現(xiàn)循環(huán)水的冷卻和余熱回收投資較多，回收余熱需要投入的蒸汽、天然氣、電等能耗高。在采暖季余熱能得到利用，而在不需要采暖的地方和季節(jié)，大量的冷卻所需冷量和低溫余熱用途是需要考慮的問題。研究采用直接噴淋與間接換熱相結(jié)合的混合冷凝工藝可以減少熱泵的容量和能耗，應(yīng)該更經(jīng)濟。按照必要性和經(jīng)濟性順序考慮，首先除濕脫白是除霧霾的需要，還能節(jié)水、低成本實現(xiàn)超低排放，足夠的投入是必須的。為了降低投資、運行成本，可以按照回收和不回收利用余熱，順便選擇以下免費、廉價冷源和低溫余熱的用途：
l自然冷源：海、江、河、湖、地?zé)、冷空?
l人工游泳池、河、湖、景觀
l自來水、生活排污水
l本系統(tǒng)或企業(yè)工藝?yán)?
l生活熱水
l冬季采暖
l夏季空調(diào)供冷
l低溫余熱發(fā)電
結(jié)論與建議
1.我國大范圍頻繁出現(xiàn)的霧霾污染的元兇就是人為排放的水分過多。
2.為了徹底抑制霧霾，我國火電等各行業(yè)的環(huán)保大氣控制標(biāo)準(zhǔn)必須增加排煙溫濕度控制指標(biāo)要求，最終目標(biāo)為25ºC以下、相對濕度70%以下。直接噴淋冷凝除濕脫白和深度凈化是適合國情的超低近零排放技術(shù)路線
3.實施煙氣除濕為主要技術(shù)手段的超低排放后，相關(guān)行業(yè)的技術(shù)設(shè)備發(fā)展需要進行必要的調(diào)整，比如除塵、防腐、開式循環(huán)冷卻塔、SCR/SNCR脫硝等應(yīng)該淘汰、或限制采用。
作者：劉晨美國斯普瑞噴霧系統(tǒng)上海有限公司環(huán)保事業(yè)部總工藝師
參考文獻
[1]張靜，大氣治理15年：指標(biāo)下降霧霾卻更重,第一財經(jīng)日報(上海)，2014-10-29
[2]朱維群，煙氣污染物超低排放技術(shù)探討，2016年3月26日武漢第二屆全國脫硝（氮）、汞、顆粒物、除塵技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研討會演講
[3]中國環(huán)境報2016年3月23日：專家論證：“煙氣溫度濕度對霧霾形成起關(guān)鍵作用”說法不成立
[4]江億，蒸汽鍋爐煙氣降污余熱深度回收項目介紹，2016年3月18日濟南2016鍋爐節(jié)能減排技術(shù)研討會
[5]羅衛(wèi)國孫中強，為何治理力度越大霧霾越重？真相在這里，2016年12月21日網(wǎng)絡(luò)文章
[6]專家論證：“煙氣溫濕度對霧霾形成起關(guān)鍵作用”說服不成立，中國環(huán)境報2016年3月23日
[7]真相|環(huán)保部曝光“2016年度十大霧霾謠言”，2016年12月30日環(huán)保部宣傳教育中心和北京市環(huán)保局宣傳教育中心
[8]工程師稱天然氣采暖加劇中國北方霧霾，南華早報，2016年12月28日
[9]辟謠|煤改氣真的會加重霧霾嗎？中國環(huán)境報2016年12月18日
[10]何平不聽工程師意見，中國三年治霾無功，國際中國環(huán)境基金會，2017年1月6日網(wǎng)絡(luò)
[11]人民日報七問霧霾：何時能呼吸到清潔空氣？人民日報2017年1月6日
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