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苏跃进:水蒸气和水溶性离子排放对雾霾暴发的影响分析
 
 

苏跃进:水蒸气和水溶性离子排放对雾霾暴发的影响分析

2018年10月2日,《武安君》自媒体发表了江得厚、苏跃进的文章,题目是《治霾当务之急是控制可凝结颗粒物的排放浓度》,立刻在业界引起强烈反响。在这之后,陶光远博士4月13日在《一席》上发表演讲:我当时认为治霾这事很简单,结果走一走发现不对劲,然后,恍然大悟,引起轰动效应。何平、周勇等专家也分别撰文,阐述自己对雾霾发生机制的看法。

然而,在笔者看来,上述专家的看法多偏重于定性研究,定量显得不足。孙中强教授的文章有唐山、平顶山17座烟羽治理的业绩作为支撑,好于前者。苏跃进的文章很重视数据说话,显得更加以理服人。今天,武安君自媒体刊登苏跃进的文章,题目是:《水蒸气和水溶性离子排放对雾霾暴发的影响分析》




文章|苏跃进

编辑|武安君


水蒸气和水溶性离子排放对雾霾暴发的影响分析


摘要:

近年来,工业生产活动产生的水蒸气排放基本未受限制,排放量快速增长。在特定时间段、地理区域内,在雾霾易发的气象条件下,当水蒸气排放量快速提高或局部区域大气相对湿度较高,大气中的干态水溶性离子颗粒物吸湿长大,大气中的常规大气污染物发生二次复合,排放过程中的大气污染物生成湿态水溶性离子颗粒物。湿态水溶性离子颗粒物在大气边界层内富集,细颗粒物质量浓度快速增长致雾霾暴发。减少水溶性离子颗粒物的生成和排放,控制水蒸气的排放量,是抑制雾霾暴发的有效手段。


关键词:水蒸气;水溶性离子;排放;气象条件;GGH 作用;雾霾



0、 引言


水蒸气排放不是污染物排放,但会造成局部气象条件[1]改变。多数情况下,水蒸气的排放量对气象条件的改变很小[2]。关于水蒸气排放对环境影响的研究不多[3,4],容易被忽视。


烟气经湿法脱硫装置后,在排放可过滤颗粒物的同时也排放了水溶性离子颗粒物[5];在湿烟气排放的情况下,在烟羽、烟囱范围内,二氧化硫、可过滤颗粒物可以生成为水溶性离子颗粒物;高湿环境下,大气中污染物二次复合成新的水溶性离子颗粒物;冷却塔风吹损失中的水溶性离子颗粒物排放量往往被忽视。本文就水蒸气和水溶性离子排放对雾霾暴发的影响进行分析,并提出应对措施。


1、水蒸气排放基本情况


1.1 部分行业排放的水蒸气量巨大


水蒸气排放最多的领域是能源、冶金、化工等行业,且多为强制排放。


火力发电行业水蒸气排放量巨大。对湿法脱硫并排放饱和湿烟气的煤电机组,每生产 1 千瓦时电能按排放 3.5 立方米标态烟气计算,饱和湿烟气温度按 50℃计算,该温度下饱和湿烟气的含湿量为 111.8 克/立方米[6,7],每生产 千瓦时电能对应排放水蒸气量为 0.39 公斤。


对闭式水冷循环的火电机组,通过冷却塔排放的水蒸气量按照 4.5 倍烟气排放水蒸气量估算[2],每生产 1 千瓦时电能对应排放水蒸气量约 1.76 公斤,与烟气排放部分合计 2.15 公斤。


2017 年全国火电发电量为 4.66 万亿千瓦时[8,9],估算水蒸气排放量为 100.0 亿吨,考虑部分机组采用空冷、直流冷却方式,估算水蒸气排放量约80 亿吨[10]


钢铁行业的水蒸气排放量也非常大。每吨粗钢生产对应约 1.5 吨的水蒸气排放量[4]2017

年,全国粗钢产量 8.3 亿吨,对应水蒸气排放量约 12.5 亿吨。


1.2 近年来与水蒸气、大气污染物排放量密切相关的工业活动快速增长


&, amp;, nbsp;2000 年至 2016 年,全国能源消费总量、煤炭消费总量、火电发电量、钢铁产量增长迅速。火电发电量增长至 4.0 倍,见图 1。


 

图2:2000~2017 年,中国钢铁产量变化趋势


环保治理力度加大,大气污染物减排量明显,排放浓度下降更明显,见图 3。

 


           图3: 2000~2017 年,中国烟气主要污染物排放量变化趋势


煤电行业污染物减排成效尤其显著[11]。因超低排放技术大量推广应用、高效机组投产等,2017年,全国火电行业二氧化硫排放量 120 万吨、氮氧化合物排放 114 万吨,粉尘 26万吨,合计 260万吨,三项污染物历史上的峰值合计为 2950 万吨。煤电机组 100%脱硫, 其中烟气脱硫 9.4 亿千瓦,占 95.8%,基本上是石灰石-石膏法为主的湿法脱硫工艺。脱硝机组 10.2 亿千瓦,超低排放机组 7 亿千瓦。


部分省区,如河北省,和水蒸气、大气污染物排放量密切相关的工业活动增长更快。2000 年至 2016年,焦炭消费量增长至 6.6 倍,见图 4。

 

生铁产量增长至 11 倍,粗钢产量增长至 16 倍,钢材产量增长至 20 倍,见图 5。2016 年的粗钢和钢铁产量分别占全国的 25% 24%



河北省大气污染物排放量总体在下降,下降不够明显,见图 6。2016 年,二氧化硫、氮氧化合物、烟(粉)尘分别占全国排放量的 7.2%8.1%12.4%。河北省国土面积 18.8 万平方公里,仅占全国国土面积的 1.8%

 

从河北周边区域看,京津冀及周边地区的二氧化硫排放强度是全国平均的 3.6 倍,氮氧

化合物和烟粉尘排放分别是全国的 4 倍和 6 倍,进入采暖季后,污染物排放增加很快[12]


2.0 特定时段和区域,水蒸气排放量对环境相对湿度的影响显著


2.1 水蒸气排放可致大气相对湿度明显改变


在低温、高湿、静稳[1]气象条件下,自然蒸发量少,水蒸气排放量对大气含湿量的改变可能较小,对相对湿度改变非常明显。水蒸气排放量对相对湿度的影响,受到温度等气象环境条件的影响[13]


 7 给出了各种温度下每立方米干空气的饱和含湿量[6,7]。温度越高,饱和含湿量越大。每增加 1克含湿量对不同温度下相对湿度的改变量差别巨大,在 0℃的情况下,相对湿度增加 20.4%


水蒸气排放量和人类的生产活动密切相关,相对稳定。水蒸气排放量主要是工业生产活动所产生。水蒸气排放量大的行业,通常也是化石燃料使用量、大气污染物排放量大的行业。化石燃料、水的使用和污染物排放的地理区域相对比较集中。水蒸气排放量相对稳定。


2.2水蒸气排放源对周边相对湿度的影响分析


水蒸气排放和工业布局直接相关,通常呈现点状、带状分布。以 2  1000 兆瓦煤电机组为例,设定冬季的日平均负荷率为 75%,日发电量为 36000 兆瓦时,对应水蒸气排放量77400 吨。环境温度为 0℃、高湿、静稳气象条件下,设大气边界层高度为 500 米,水蒸气平均扩散,可导致 310 平方公里面积内的空气相对湿度1 日内提高 10%


2.3 在北京市局部区域内的冬季,水蒸气排放量对相对湿度有明显影响


北京市2016年天然气消费量 162.3 亿立方米,2015 年火力发电量 411 亿千瓦时。北京市煤电机组基本作为应急备用机组使用。北京市冬季每日天然气消耗约 亿立方米,燃烧产 1.5 亿公斤水蒸气随烟气排放[14]。燃气发电冷却塔的循环水流量小,每千瓦时发电量按照0.75 公斤冷却塔水蒸气排放量、冬季按照每日 1.33 亿千瓦时发电量估算,冷却塔排放约 1 亿公斤水蒸气。北京市冬季使用天然气每日排放的水蒸气量约在 2.5 亿公斤。燃气锅炉的烟囱高度远低于燃煤电厂。设定该部分水蒸气排放只影响北京市的 1401 平方公里建成区[15]部分、平均分布在高度为 500 米的大气边界层内,每日可提高每立方米空气含湿量 0.36 克, 在-10℃的时候,可提高大气相对湿度 17.1%。北京市冬季大量使用天然气对于本地区相对湿度有明显影响。


3、大气中水溶性离子颗粒物的来源分析


大气污染物排放标准中没有对水溶性离子颗粒物排放作出规定,水溶性离子颗粒物排放  未能得到有效控制。水溶性离子颗粒物对大气环境的影响已经引起关注 [5,16-19]


3.1 大气中水溶性离子的存在形式


通常,水溶性离子以溶解于凝结液滴、雾化液滴、微小冰晶,或者以干态气溶胶方式自  排放源排入大气中成为大气颗粒物,是 PM2.5 的重要组成部分[20]。本文中将可凝结颗粒物并入水溶性离子考虑[16]


对含水溶性离子的微小液滴或冰态颗粒物,称之为湿态水溶性离子颗粒物。对液态结合水量少,水溶性离子主要以结晶盐形式存在的固体颗粒物,称之为干态水溶性离子颗粒物。干态和湿态水溶性离子颗粒物在结合水量变化的情况下可相互转化。


干态水溶性离子颗粒物的质量非常小,不容易沉降,消光作用不明显[21-23]。干态水溶性离子颗粒物具有较强的吸湿特性。在指定湿度下,大气颗粒物从环境中吸收水蒸气发生潮解   和吸湿增长的能力主要取决于颗粒物的化学成分。一般来说,可溶性无机盐对大气颗粒物吸   湿增长贡献最大。相当一部分霾粒在70%相对湿度已经吸湿潮解并以液滴存在。在 95%相对湿度的情况下,硫酸铵、硝酸钠的吸湿增长因子分别为 1.972.5,这意味着两种颗粒的体积分别增大了 6.6  16.6 [23]。吸收长大后的湿态细颗粒物下坠,导致大气边界层高度变[24]


当水溶性离子存在于冷凝液滴、雾化液滴中排放至大气中时,或干态水溶性离子颗粒物  吸湿长大后,或结合水结冰[25]情况下,以湿态水溶性离子颗粒物形式存在。


3.2 中国能源消费仍以化石能源为主,排放烟气中含一定量水溶性离子颗粒物


2016 年,中国能源消费总量是 43.6 亿吨标准煤,其中,煤炭、石油、天然气消费总量分别是27.08.02.8 亿吨标准煤,占能源消费总量的 86.7%。我国以化石能源为主的状况短时间内不可能根本转变。


燃煤使用时排放烟气中,含有一定量的水溶性离子。燃煤烟气多以湿法工艺脱除二氧化硫,201年以后,燃煤电厂通常不再设置 GGHGas-Gas-Heater,烟气多以饱和湿烟气形式排放[26-28]烟气中包含有可凝结颗粒物,可凝结颗粒物主要为水溶性离子颗粒物[16-19]。燃煤电厂烟气排放中,三氧化硫是主要的可凝结颗粒物,国内仅上海等少数地方出台地方标准进行控制[29]。采用 MGGHMedia Gas-Gas-Heater)加热烟气,仍存在可凝结颗粒物排放问题[30]


湿法脱硫后烟气中微小粒径的雾滴经除雾器(包括湿式电除尘器)时存在逃逸现象。雾滴浓度指的是逃逸的脱硫浆液量,脱硫浆液中含有较高浓度的水溶性离子。运行中,雾滴浓度尚未实施监测[2]。湿法脱硫工艺不同,脱硫浆液中的水溶性离子浓度差别很大。燃煤电厂湿法脱硫主要是石灰石-石膏法,副产石膏的溶解度较低,脱硫浆液中水溶性离子浓度较低。 钠法、氨法、镁法脱硫工艺的副产物溶解度均远高于硫酸钙,雾滴中携带水溶性离子量大。氨法脱硫存在氨逃逸问题[31]


3.3 饱和湿烟气排放时,常规污染物在脱硫后的烟囱烟道内生成水溶性离子


常温常压环境中,二氧化硫难以氧化为三氧化硫后再生成硫酸雾。有液态水存在的情况  下,二氧化硫容易和水反应后再氧化生成硫酸 [26,32-33]


3.3.1 冷凝液滴和二氧化硫间的反应


脱硫塔内脱硫浆液的雾化粒径按 2 毫米[30,33]估算,1  1000 兆瓦煤电机组通常每小时形成的脱硫浆液雾化液滴表面积约 1 亿多平方米,可实现 99%左右的脱硫效率。


在燃煤电厂湿法脱硫之后的烟道、烟囱内通流面积变小,烟气流速加快导致绝热膨胀, 饱和湿烟气压力下降后温度降低,以微小粒径的可过滤颗粒物为凝结核形成大量的冷凝液滴。冷凝液滴粒径在1 微米左右[30,33]1 吨冷凝液滴的表面积约 600 万平方米。1  600 瓦煤电机组烟囱烟道内每小时形成的冷凝液滴量大约在 5 吨左右[34],形成的冷凝液滴表面积可达 3000 万平方米左右。冷凝液滴吸收二氧化硫并发生化学反应,生成水溶性离子排放。二氧化硫的吸收反应式为:


2H2O+2SO2+O2=2H2SO4


二氧化硫在液态水中的溶解度比较高,常压下,50℃时的溶解度为 50 克/升。烟气中的氧气含量约6%,液滴中金属离子可作为亚硫酸氧化的催化剂 [26,33,35]。冷凝液滴表面积大、在烟气中分布均匀、烟气流速快、反应时间长、冷凝液滴的初始 pH 值高等,均有助于二氧化硫的吸收反应[26]


3.3.2 冷却液喷淋冷凝法吸收二氧化硫效率高


采用冷却液喷淋冷凝方法[36,37]进行烟气脱白处理,脱硫效率比较高,主要是因为低温冷却液雾化后的液滴表面积大;混合换热效率高,水蒸气冷凝量大,冷凝液滴表面积大;喷淋水温度低,二氧化硫溶解度高。近几年喷淋冷凝实践研究渐多。


山东济南某热电厂采用喷淋式冷凝换热器进行脱白和余热利用,二氧化硫减排 59%,氮氧化合物减排 8.8%[38]


陕西汉中某钢铁企业球团竖炉采用喷淋冷凝法烟气脱白技术,脱白设备前后,二氧化硫浓度从 69 降至 13 毫克/立方米,脱除率为 81%;氮氧化合物浓度从 22 降至 20 毫克/立方米, 脱除率为 10%;可过滤颗粒物浓度从 20 降至 9 毫克/立方米,脱除率为 55%。


3.3.3 表面式换热器形成的冷凝液膜吸收二氧化硫效率低


烟囱烟道壁和外界热交换能形成一定面积的冷凝液膜。相对凝结液滴形态,液膜的表面积小很多,气液边界层不容易打破,液膜吸收二氧化硫后 pH 值低,脱硫效率比较低[28,39-40]。表面式换热冷凝法对污染物脱除也有较明显的效果。上海某发电厂 7#机组已经完成超低排放改造[41],每小时冷凝液中脱除的水溶性离子量为约 38 公斤,折合烟气中脱除的水溶性离子浓度为 12.37 毫克/立方米,其中硫酸根浓度为 11.13 毫克/立方米。


3.3.4 可过滤颗粒物和冷凝液滴中形成的酸反应,形成水溶性离子排放[42]


粒径微小的可过滤颗粒物多为碱性物质,可以和酸液间发生中和反应,形成水溶性离子,   并有利于酸性气体二氧化硫吸收[19]。因冷凝液滴、酸性液滴量大,石灰石石膏法工艺产生的微溶于水的硫酸钙颗粒物能够充分溶解。


3.饱和湿烟气排放时,在烟羽范围内的冷凝液滴中,二氧化硫和可过滤颗粒物生成水  溶性离子排放


环境温度低于饱和湿烟气排放温度,烟囱出口处产生冷凝液滴并形成烟羽。


3.4.1 雾霾易发气象条件下,烟羽浓重,烟羽内产生大量冷凝液滴,表面积巨大


雾霾易发气象条件下,烟羽浓重,拖尾很长。低温,会导致冷凝液滴生成量巨大;高湿,  会导致已生成的冷凝液滴不易蒸发;静稳,会导致冷凝液滴不容易扩散蒸发,有利于保持烟羽形状,保持烟气中的污染物和冷凝液滴间的接触状态。


环境温度 01  1000 兆瓦燃煤发电机组满发、烟气排放温度为 50℃时,理想情况下每小时可产生冷凝液滴量约为 374 吨,液滴表面积可达 22.4 亿平方米;使用褐煤时烟气排放温度按 55℃计算,每立方米标态烟气的饱和含湿量为 148.4 克,理想情况下每小时可产生冷凝液滴量约为 519 吨,液滴表面积可达 31.2 亿平方米。


3.42在雾霾易发气象条件下,二氧化硫、可过滤颗粒物在烟羽范围内能够大比例转化 为水溶性离子


在烟羽范围内的常规污染物生成水溶性离子的反应条件,和湿烟囱内中情形相近,反应 环境为开放环境。


0℃时二氧化硫在水中的溶解度为 220 克/升,雾霾易发气象条件下,烟羽范围大,推断烟气中二氧化硫基本可以在浓重的烟羽内被冷凝液滴完全吸收,并氧化生成硫酸,大部分可过滤颗粒物生成水溶性离子[19,26]。喷淋冷凝法烟气脱白装置对二氧化硫的脱除效果[38]可作验证。


在雾霾不易发的气象条件下,烟羽相对比较小、薄,二氧化硫和冷凝液滴中的液态水反应生成的亚硫酸根、亚硫酸氢根不稳定,若不能及时氧化为硫酸,还会分解为二氧化硫排放。   冷凝液滴脱离烟羽范围后,大部分液态水会迅速蒸发,冷凝液滴中的水溶性离子形成干态水溶性离子颗粒物,在大气中持续积聚扩散[43]


3.5 冷却塔风吹损失的液滴携带水溶性离子排放


冷却塔的水蒸气排放量中[44],大部分直接蒸发排放;少部分是风吹损失,一般为循环水量的 0.05%,水质和循环水相同。风吹液滴中的液态水蒸发后,水溶性离子以干态颗粒物形态排放至大气。


1  1000 兆瓦机组,设定满发时循环水量为 10 万吨/小时、城市中水为主要补充水源、循环水中水溶性离子平均浓度 800 毫克/公斤,则每小时风吹损失水量约 50 吨,产生 40 斤的水溶性离子排放,相当于每千瓦时发电量排放的水溶性离子量为 40 毫克。按照每千瓦时发电量对应 3.5 立方米标态烟气计算,随烟气排放的水溶性离子浓度为 11.4 毫克/立方米。冬季时,循环水量有所减少。2017 4.7 万亿火电发电量中按 70%采用闭式水冷循环[10]算,冷却塔排放水溶性离子量约为 4.7 万亿千瓦时×40 毫克/千瓦时×70%=13.2 万吨。火电厂循环水浓缩倍率显著提升、中水的普遍应用,会提高循环水排放的水溶性离子颗粒物量[44]

 8 给出了燃煤电厂排放饱和湿烟气情况下,水溶性离子的产生和排放过程。


 


4、 水蒸气和水溶性离子对雾霾暴发的影响机理分析


衡量雾霾是否暴发,关键看 PM2.5 质量浓度。PM2.5 可以是固态的,也可以是液态的[20]细颗粒物中液态水的含量,影响颗粒物是雾还是霾的形态,不影响颗粒物质量浓度[23]。当细颗粒物吸湿长大、细颗粒物在空间范围内积聚浓缩时,都可以表现为细颗粒物质量浓度的上升。


4.1 雾霾快速暴发的一种可能解释


雾霾暴发往往非常迅猛 [45]。静稳气象条件下,排除输入颗粒物影响情况下,若存量颗粒物形态没有明显变化,不太可能在几个小时内出现 PM2.5 质量浓度快速攀升至重度污染水平。

雾霾快速暴发,可能存在这样的解释:在雾霾易发气象条件下,水蒸气排放快速推高相对湿度,大气中的干态水溶性离子颗粒物吸湿长大;以湿态水溶性离子颗粒物为反应载体,   大气中的二氧化硫等常规污染物二次复合为新的水溶性离子,湿态水溶性离子颗粒物量积累增长;排放中的污染物大量生成湿态水溶性离子颗粒物。湿态水溶性离子颗粒物在接近地表大气范围内积聚,大气边界层高度变小,细颗粒物质量浓度快速上升,雾霾形成。


4.2 雾霾易发气象条件下,水蒸气排放会快速推高环境的相对湿度


秋冬季环境温度降低是自然现象。工业过程产生的水蒸气排放量相对稳定,雾霾易发气象条件下,大的排放源能够迅速提高局部区域的相对湿度至较高值,高湿对雾霾的生成和保   持有着显著影响[23,46];水蒸气排放对夜间相对湿度的影响尤为明显。


4.3 大气中的干态水溶性离子颗粒物吸湿长大,颗粒物质量浓度快速提高

当雾霾易发气象条件出现,特别是在水蒸气排放量大、能够提高并保持大气相对湿度在较高值的情况下,大气中已有的干态水溶性离子颗粒物吸湿长大成为湿态,堆积富集于较低   的大气边界层内,导致地表附近 PM2.5 质量浓度的快速上升。


在雾发期间,大气颗粒物主要是由吸湿性成分所组成,大气中大量的水蒸气凝结到这些   细颗粒物表面会起到降低大气相对湿度的效果,数量巨大的大气细颗粒物抑制了湿沉降的发   生,可能会导致大雾时严重的大气污染通常要持续相当长一段时间[47]


4.4 以湿态水溶性离子颗粒物为反应载体,常规大气污染物发生二次复合过程


吸湿后的湿态水溶性离子颗粒物表面积非常巨大,在大气中分布相对均匀,大气中二氧化硫能够迅速被湿态水溶性离子颗粒物内的液态结合水吸收并反应,在氮氧化合物的作用下,形成硫酸根[48]。二氧化硫转化为硫酸盐的转化率随着相对湿度的增高,量呈指数型增加。相对湿度小于 20%时,转化率为 0.1;相对湿度大于 90%时,转化率为 1.1 [3]


氨气能够二次复合生成铵盐湿态水溶性离子颗粒物 [48,49]。中国华北区域的大气中,氨气呈现富余特征。碱性氨气很容易和硫酸、硝酸反应,生成铵盐。水溶性离子颗粒物中富含铵根等营养物、含湿量高的情况下,还可能发生细菌等微生物的快速繁殖,颗粒物质量浓度   快速增长[50]


4.5 排放中的污染物生成湿态水溶性离子


雾霾发生时,烟气污染物仍在排放中,烟羽中湿态水溶性离子颗粒物的生成排放量增大,   常规污染物的排放量下降。


4.6 雾霾的生成会导致雾霾易发气象条件的进一步强化,直至大气中湿态水溶性离子的质量浓度趋于稳定



 

湿态水溶性离子颗粒物大量产生,雾霾形成,新排放的水蒸气在比较低的大气边界层内扩散,地表的空气密度升高,大气边际层内的相对湿度进一步升高和保持。由于湿态水溶性离子颗粒物的消光作用[23],大气边界层阻挡太阳光线照射至地面,地表温度低,大气的垂直层结相对稳定,地表形成逆温环境[12],空气的上下间流动显著减弱。PM2.5 质量浓度快速升高进一步加剧了雾霾易发气象条件的形成,造成一种雾霾生成和不利气象条件形成间的双向反馈[12],图 9 中给出这种机制发生过程。当大气中新形成的湿态水溶性离子颗粒物量对PM2.5 质量浓度的改变不再明显的时候,雾霾即趋于稳定。


4.7雾霾的扩散


吸湿后的颗粒物导致大气中水分不足,雾滴无法达到湿沉降的临界直径,在无明显降水  的情况下,湿态水溶性离子颗粒物难以发生自沉降[47]。排放中的污染物生成湿态水溶性离子颗粒物的量相对有限,在雾霾已经形成的情况下,减少生产活动,能够控制雾霾发展,对快速消除雾霾作用有限。


当有明显外部风力作用、且没有明显的输入细颗粒物的情况下,雾霾易发的气象条件通常能够迅速得到改善[13,51-52],雾霾可快速扩散。较大风力作用下,部分湿态水溶性离子颗粒物能够输送至其他区域,而新补充来的清洁空气稀释本地颗粒物,降低大气含湿量和相对湿度,湿态水溶性离子颗粒物中的液态水快速蒸发,形成干态水溶性离子颗粒物。雾霾扩散后,水溶性离子以干态颗粒物形式存在大气中,很容易在更大的地理范围内流动,隐形于大气中。


4.8 2013 年雾霾大暴发的可能原因


周勇[53]认为,2013 年雾霾大暴发的唯一可能就是湿法脱硫造成的。其中一个重要因素是取消GGH。


4.8.1 本文推断冬季时烟羽范围内生成大量的水溶性离子颗粒物是 2013 年雾霾暴发的直接原因


GGH 能够提高烟气抬升高度、减少水蒸气量、结垢减少细颗粒物排放等作用,和减少雾霾间有关联性[33,54-55],但不至于对雾霾暴发有决定性的影响[2]。本文推断认为,湿法脱硫取消 GGH 后,雾霾暴发的直接原因是饱和湿烟气形成的烟羽内生成了较高浓度的水溶性离子颗粒物,环境温度越低影响越显著,该种影响仍在延续中。


2012 年时燃煤电厂二氧化硫排放标准是新建燃煤锅炉小于 100 毫克/立方米,现有燃煤锅炉小于 200 毫克/立方米。二氧化硫排放浓度按照 100 毫克/立方米分析,在雾霾易发气象条件时,设若极端情况下烟羽内二氧化硫全部转化为硫酸液滴,对应的硫酸液滴排放浓度为  153 毫克/立方米。脱硫装置出口处的三氧化硫浓度按照 30 毫克/立方米计算 2],形成的硫酸液滴浓度为 37 毫克。两项合计硫酸液滴排放浓度为 190 毫克/立方米。该数值已经远远高于30 毫克/立方米的可过滤颗粒物排放标准。硫酸液滴在大气中形成铵盐的情况下,细颗粒物量更多,190 毫克的硫酸液滴可以形成 256 毫克的硫酸铵。


2017 年底,全国累计 7 亿千瓦火电机组实现超低排放,当年 4.66 万亿千瓦时的火电发电量排放了 120 万吨二氧化硫,二氧化硫的平均排放浓度为 74 毫克/立方米。2012 年时还没有对燃煤电厂提出超低排放的要求,二氧化硫平均排放浓度更高。


非电行业的大气污染物排放标准通常比火电厂的要求低,采用钠法、镁法、氨法脱硫工艺比较多,雾滴中携带的水溶性离子浓度高[16,56]。如果除雾器性能不好,或运行维护不好, 水溶性离子颗粒物排放量可能会是灾难性的[54]。较高浓度的二氧化硫在干烟气情况下排放, 对环境的影响主要是酸雨和空气质量指数 AQI,对雾霾的影响相对较小;而雾霾易发气象条件下,湿法脱硫后的湿烟气在烟囱、烟羽中产生大量冷凝液滴,允许排放较高浓度的二氧化硫会大量转化为硫酸液滴,对于雾霾生成的影响可能比不脱硫还大。


4.2.2 对石灰石湿法脱硫后 GGH 作用的再认识


如果有 GGH,烟气在烟囱内处于不饱和状态;即使在冬季情况下,烟羽也不会很浓厚, 形成的冷凝液滴量很少,烟羽中水溶性离子颗粒物的生成量会少很多。这个有可能是 GGH 未被揭示的核心作用。低温季节若没有类似 GGH 的烟气加热装置,烟羽范围内产生的水溶性离子颗粒物排放浓度可能会远高于可凝结颗粒物的排放浓度,更远高于可过滤颗粒物的排放浓度。如果不能排除烟羽、湿烟囱内污染物的二次转化过程对雾霾的影响,通过 GGH 烟气加热方式实现烟气消白可能就不只是美容,更可能是有效治病[57]


5、 雾霾的治理


5.1 总结雾霾暴发的原因


对雾霾成因的认识是一个渐进过程,而湿法脱硫对雾霾生成的影响至今没有一个能被广泛接受的解释。何平[58]指出湿法脱硫取消GGH和雾霾发生间存在联系;孙中强[59]、江得厚[19] 等认识到水溶性离子对雾霾有着直接影响;郦建国[60]等认为非常规污染物的控制需要新的突破,需要控制三氧化硫等可凝结颗粒物、湿烟气液态水中的溶解性盐颗粒物等。只有找到雾霾暴发的机理,治理雾霾才能对症下药。


本文认为,雾霾暴发的根源,是区域性地向环境排放了过量的水溶性离子颗粒物[61]水蒸气,超过了环境的承载能力,而以饱和湿烟气排放的湿法脱硫工艺是水溶性离子颗粒物的重要来源。


大气污染物得到了有效减排,每年秋冬季节雾霾依然频繁发生,说明减排的污染物不是主要致霾物[59]。同时,必须承认湿法脱硫对二氧化硫减排的重要作用,若没有湿法脱硫的大面积推广应用,大量化石能源产生的二氧化硫排放对大气污染、酸雨的影响将不堪设想,   大气中高浓度的二氧化硫形成硫酸液滴对雾霾生成也会有显著影响[62]


5.2 雾霾的治理


治理无机盐引发的雾霾,在减少常规污染物的基础上,重点要减少水溶性离子的生成和  排放,控制水蒸气排放量。

 10 给出了治理途径。

 


 

5.2.1 减少常规污染物的排放量

节能增效、创新发展,大力发展可再生能源,是有效减少污染物排放的有效手段。对常规大气污染物减排,应将有限的财力物力,重点用于有较大治理潜力的行业[19,59],尤其是水溶性离子排放浓度高的行业。


5.2.2 减少水溶性离子的排放

控制烟气中水溶性离子的排放。高效除雾器、湿式电除尘器、冷凝除湿 [63,64]对饱和湿烟气中的可凝结颗粒物、雾滴有较好的脱除作用[30]。对脱硫副产物溶解度比较高的湿法脱硫工艺,须严格控制雾滴浓度[16,56]


控制常规污染物生成水溶性离子排放。控制烟气在烟道、烟羽范围内不饱和、低含湿量[19,26],包括除湿脱白、烟气加热等手段。


5.2.3 控制水蒸气的排放量

减少随烟气排放的水蒸气量。通过换热器降低脱硫装置入口烟气温度、冷凝法降低出口烟气温度、污染物干法脱除技术,降低随烟气的水蒸气排放量。

减少冷却塔水蒸气排放量效果更明显。采用背压技术供热、空冷火力发电机组不需要喷淋冷却塔。采用汽轮机低压缸切除或光轴技术,用中压缸排汽供热方式,可不投入冷却水循环。


5.3主要结论

(1) 水蒸气排放量快速增长,在雾霾易发的气象条件下,在特定区域、特定时间段内, 水蒸气排放对推高大气相对湿度作用明显。

(2) 湿法脱硫饱和湿烟气排放时,烟气和环境间的温度差产生冷凝液滴,产生烟羽, 冷凝液滴质量和表面积对二氧化硫等转化为湿态水溶性离子颗粒物的程度有显著影响。

(3) 冷却塔的风吹损失中,随液滴排放的水溶性离子颗粒物量不容忽视。

(4) 在雾霾易发气象条件下,水蒸气排放推高相对湿度,大气中的干态水溶性离子颗粒物吸湿长大;二氧化硫等常规污染物和湿态水溶性离子颗粒物间发生二次复合,湿态水溶性离子颗粒物积累增长;排放中的大气污染物高比例转化为湿态水溶性离子颗粒物,大气中湿态水溶性离子颗粒物在较低的大气边界层内富集,细颗粒物质量浓度快速增长,雾霾暴发。

(5) GGH的核心作用是保持排放中的烟气处于水蒸气不饱和状态,二氧化硫和可过滤颗粒物无法生成水溶性离子颗粒物。

(6) 治理雾霾,重点要控制水溶性离子颗粒物的生成和排放,控制水蒸气的排放。

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 作者简介:苏跃进(1972-,男,河南焦作人,高级工程师,上海交通大学双学士,研究方向为电力系统自动化。

 

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