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再论湿法烟气脱硫可能为引起全国性雾霾的主要原因缪正清上海交通大学2014.1.19目录0. 引言1.我国的能源结构及其对环境的影响2.目前针对性的环保措施3.湿法脱硫引起雾霾的简要原理4.为何大众没有关注湿法脱硫对于雾霾的作用5.电站锅炉湿法脱硫对雾霾的贡献6.工业锅炉的湿法脱硫对雾霾的贡献远小于火电厂7.湿法脱硫引起雾霾的证据分析8.如何尽快走出雾霾的阴影摘要2013年冬季全国100多个城市几乎同时遭受严重雾霾的环境污染事件，已引起世界关注。国家也在全力组织研究。弄清污染源是研究中最重要的任务，然而，目前学界对于污染源认识的模糊性与笼统性，不利于主要污染源的辨认，并可能因此影响到未来治理雾霾污染的难度及效果。目前学界认为燃煤污染引起雾霾。本文认为，并非燃煤本身直接引起雾霾，而是燃煤过程中所加进的湿法烟气脱硫才是引起严重雾霾的根本原因，本文对此观点进行论证。在此基础上提出，治理雾霾最紧要的是改变湿法脱硫的方式。当然，加强研究、推进洗煤、优化能源结构，减少汽车排放等措施从实现高标准的环保要求来看，也是必须的。关键词：雾霾，湿法烟气脱硫，洗煤，PM2.50.前言2013年持续大规模的雾霾污染范围涉及了17个省市自治区四分之一的国土面积，影响人口约6亿。引起了国内外媒体和公众的高度关注，也引起中央领导高度重视。大众已经开始认识到，造成全国性雾霾的主要根源不在汽车(尽管汽车排放也有相当影响)，而在煤炭。这自然也是主流专家观点传播所起的舆论影响作用。中国煤炭总量十年来呈线性比例上升，确为事实。但是，简单地归为煤炭用量增加达到了引起雾霾的临界环境容量，这可能同样是没有看到问题的本质，或者说仍然属于非专业性的见解。近年来为了解决燃烧煤炭引发的酸雨而在较短时间内完成的大规模湿法脱硫环境工程，可能才是引发全国性雾霾的真正实质。原因不清将影响污染治理的投入和效果。如为前者，则中国雾霾就像慢性病一样缓慢而难治。如为后者，则病情虽急，只要治疗得法，治愈也不难。1. 我国能源结构及其对环境的影响———尘、SO2,NOx，重金属、CO2•能源是国民经济的命脉。我国缺油、少气、富煤。在全国已探明石化能源储量中，石油和天然气仅占6%，其余94%均为煤炭。•我国能源结构由于资源禀赋而高度依赖煤炭。建国以来，煤炭在一次能源消费构成中一直占70%以上(最近两年比例略有下降，但总量继续提高)，是美国的4倍多。2011年我国煤炭消费量排名前6位的山东、内蒙、河北等省的用煤量甚至超过了俄罗斯和德国。•煤炭消费随着国家经济发展而快速增加，煤炭产量从2000年的9.99亿吨，到2012年已经增加到36.5亿吨。中国煤炭耗量占全世界耗量的50%。•煤炭的利用方式主要有：火电厂锅炉燃烧发电(约占50%)，工业锅炉燃烧供热、供汽(约占25%)和钢铁、化工及民用能源等(约25%)。1. 我国能源结构及其对环境的影响(续)———尘、SO2,NOx，重金属、CO2•能源结构决定污染方式。煤炭中的化学元素成分主要有C，H，O，N，S及其含金属元素化合物的矿物灰分(如Al，Ca，Fe，Mg等)。其中的C、H元素燃烧后产生热量，CO2还会产生温室效应；N与S元素燃烧后生成NOx和SO2，进入大气后生成NOx产生光化学烟雾污染，NOx，SO2还形成酸雨。矿物灰分排入大气形成灰污染和重金属污染。这是煤炭燃烧产生环境污染的一般性知识。•国外工业发达国家，洗煤率在80%以上，美国洗煤率在90%以上。洗煤可以去掉煤中的大部分灰分，相应地，可以脱除相当部分的S、N和重金属。从而，从源头上减轻污染治理高昂的后续成本，并有效减轻污染排放。我国煤炭洗煤率极低，发电用煤几乎不洗。这就不仅增加了污染排放的绝对量，也给后续污染治理增加了难度和成本。2.目前针对性的环保措施———除尘、脱硫、脱硝•油气能源化学成分中，灰分极少，S,N元素也较煤炭低很多。煤炭能源利用中污染治理以往主要除尘。工业锅炉的除尘效率大约90%，电站锅炉的除尘约99%。近年来，随着环保要求的提高，电站锅炉的除尘效率已经提高到99.5%以上(除尘器后相应尘的浓度50mg/m3以下)。•脱硫与脱硝是近10年开始的解决煤燃烧排放形成酸雨的环保技术。电力系统在国家行政推动下，在前三年内脱硫任务已迅速全面完成。后三年内全国火电厂的脱硝也将很快完成。正因为如此，即使还有一些其它工业和工业锅炉执行排放不严的情况，但全国的酸雨确实少见了，这是我国环保在近几年里取得的最显著而直接的效果。•中国在煤炭利用过程中环保投入总量要比西方大，这是由中国的能源结构决定的。未来因为还需要减排CO2和重金属，而且标准会越来越高，因此，投入的资金会更大，一方面是自身环保的要求，另一方面也来是世界外部的压力。3. 什么是雾霾和PM2.5[1]•雾是由大量悬浮在近地面空气中的微小水滴或冰晶组成的、能见度降低到1000米以内的自然现象。霾是指大量极细微的干尘粒等均匀地悬浮在空中，使水平能见度小于10公里的空气普遍混浊，使远处光亮物体微带黄、红色，使黑暗物体微带蓝色。雾和霾的区别在于水分含量的大小：水分含量达到90%的叫雾，水分含量低于80%的叫霾。80%～90%之间的，是雾和霾的混合物，主要成分是霾。雾霾是气溶胶。•PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称为可入肺颗粒物。它是形成雾霾的主要来源。一般认为，颗粒物来自扬尘、机动车尾气、燃煤及挥发性有机物等，它对空气质量和能见度等有重要影响。PM2.5粗细还不到头发丝的三十分之一，能携带大量有毒有害物质，通过支气管进入人体的肺部，甚至融入到血液之中，引发呼吸系统疾病，心血管疾病，造成肺癌死亡率的增加，成为危害身体健康的隐形杀手。3. 湿法脱硫引起雾霾的简要原理•烟气脱硫技术按脱硫过程是否加水和脱硫产物的干湿形态分为：湿法、半干法、干法三大类。湿法脱硫效率高，操作简单，技术较为成熟而成为获得最主要应用的脱硫技术。•煤燃烧产生的SO2或者SO3随着烟气进入脱硫吸收塔，与自上而下喷嘴喷出的碱性石灰石浆液雾滴逆流接触，通过与石灰水进行化学反应生成CaSO4而在脱硫塔内被除下。脱硫效率可以达到95%。不可否认，形成的一部分硫酸钙呈细颗粒，也会被烟气带入大气。行业中所说的石膏雨只是这种情况中的一种极端情形而已。•在除尘器之前，通常还设置了脱硝塔。国际上应用最为广泛的烟气脱硝技术为选择性催化还原法(SCR )，脱除效率达90%以上，运行可靠，便于维护。3. 湿法脱硫引起雾霾的简单原理(续1)•SCR 技术原理为：在催化剂作用下，向温度约280～420 ℃的烟气中喷入氨，将NOX 还原成N2和H2O。NH3与烟气均匀混合后一起通过一个填充了催化剂(如V2O5‐TiO2)的反应器，NOx与NH3在其中发生还原反应，生成N2和H2O。残留的氨与SO2反应生成(NH4)2SO4，NH4HSO4 。•显然，经过脱硫与脱硝后，排入大气的是湿烟气，湿烟气携带了煤灰(矿物灰)、湿烟气和煤灰还携带了CaSO4，(NH4)2SO4，NH4HSO4，NH4NO3，Ca(NO3)2颗粒。•湿烟气呈雾状，而其结合了细煤灰和CaSO4，(NH4)2SO4，NH4HSO4，NH4NO3，Ca(NO3)2细颗粒后就形成了典型的雾霾。因此，湿法脱硫后的电厂烟囱完全成为了雾霾排放源。•由于目前针对锅炉排放灰尘浓度的测点在除尘器与脱硫塔之间的烟道上，因此，锅炉烟尘浓度测量结果不反映硫酸盐颗粒；脱硫与脱硝测量的排放浓度只测量SO2和NOx,而不包括硫酸盐与硝酸盐，因此，电厂通过烟囱排放的硫酸盐与硝酸盐至今还是一个谜。尽管如此，当全国47万台工业锅炉和全部8.1亿千瓦火电装机(相当于2700台300万千瓦机组锅炉)同时成为雾霾排放源时，排放规模之宏大，危害之严重，如何估计也不为过。3. 湿法脱硫引起雾霾的简要原理(续2)湿法脱硫向大气排放大量细颗粒(PM2.5)的事实只要简要了解脱硫原理就能很好理解：湿法烟气脱硫中的含尘烟气穿透碱液雾时使得：•烟气被碱液雾饱和变成湿烟气；•烟气中的尘粒吸附碱液成湿尘——气溶胶主体；•来自烟气中的SO2分子与来自碱液雾中的Ca离子作用生成CaSO4分子，由于脱硫技术中，碱液滴呈现不同的粒径，大粒径的碱液雾滴中的Ca离子与SO2反应后形成的CaSO4仍然在大液滴中，跟随大液滴被脱硫塔收集，而雾化成更细的碱液中的Ca离子则与烟气中的SO2分子作用后，随细液滴跟随烟气逸出脱硫塔通过烟囱排入大气。一部分相对较粗的颗粒(也可能由小颗粒聚集而成)，在烟囱附近因为重力而与烟羽相分离，俗称“石膏雨”，而更大量的极其微细(可以细到PM2.5以下)的CaSO4颗粒则随湿的飞灰细颗粒与烟气、湿蒸汽以气溶胶——俗称“雾霾”进入大气。3. 湿法脱硫引起雾霾的简要原理(续3)•如此，电厂通过湿法脱硫这一媒介，使得原有的细飞灰和逸出脱硫塔的大量微细CaSO4颗粒，两者共同构成PM2.5的主要成分，变成气溶胶核心，因受浮力作用，很难在大气中分散沉降。当遇到长期的静稳天气，不易扩散，又遇秋冬季节空气中水蒸汽分压力低、饱和水蒸汽的容量小，因此，白天尤其是晴天地表蒸发水蒸汽、早晚温度下降，空气中水蒸汽凝结，从而形成大雾，而含有细颗粒的大雾就成为雾霾。•晚秋到冬季一般雨水少，北京2013年冬季长达68天未下雨，全国雨水也少，因此，空气中的气溶胶积累时间长，就形成严重的雾霾。•火电厂湿法烟气脱硫从原理到规模都可以较好地解释全国性雾霾及其严重程度，而其它因素，如汽车尾气排放、城市工业污染等虽有影响，但都没有湿法脱硫带来的直接影响大。4. 为何大众没有关注湿法脱硫对于雾霾的影响？•专业工作者以往主要集中在研究湿法脱硫技术本身，大气物理研究者可能不太熟悉和关心专有技术，因而脱硫技术对雾霾影响成为研究的空白地带，也就见怪不怪了。•既使专业技术工作者确曾注意过脱硫引起的局部石膏雨现象，但也没有扩大到作为可能影响大气环境的普遍问题加以延伸研究，是囿于专业工作本身的局限。•雾霾是大气环境污染的一种形态。任何孤立和小规模的污染源不足以形成大规模雾霾环境污染。因此，在2013年大规模大气雾霾污染现象出现之前，脱硫专业工作者无法预料到，似也在情理之中。•而大气物理工作者未能从国家如此大的环境工程中给予湿法脱硫技术可能带来副作用问题足够关注与研究，以给脱硫专业工作者一种提醒，也确实是一种重大失误。这也提醒我们，学科之间的交融是多么的重要！4. 为何大众没有关注湿法脱硫对于雾霾的影响？(续1)•湿法脱硫作为一项专业技术主要应用于一定规模的工业锅炉和大型电站锅炉，一般大众对其没有接触和了解。•湿法脱硫作为公认的环保技术，社会大众一般不会怀疑到它的反面，即对于环保的副作用。这多少与我们习惯的单向思维也有一定的关系。•既使现在污染现象让每个人都身临其境，也即令我们提出这一观点，许多专业工作者也可能不容易接受我们的观点。因为，这是一个全新的课题。我们的观点也还存在需要更多客观数据的支持。•国际上曾经发生过的伦敦雾霾、洛杉矶雾霾的原因都无法解读中国雾霾的大规模性和突发性。因此，雾霾从2011年到2013年的三年间，从北京等少数城市发展到全国100多个城市，波及国土面积1/10的广大区域，仍然让人迷惑不解。5.电站锅炉湿法脱硫对雾霾的贡献•这一节可参考笔者在百度文库里发表的《雾霾寻源》(2013.12.22)[2]。•在上一篇文章里，提出了对火电厂大规模脱硫引发全国性雾霾的观点，认为，我国电力用煤规模大、原煤不经洗煤、灰分高等因素，结合湿法脱硫而成为我国雾霾形成的独特原因。•笔者经过估算，我国电站锅炉2012年底装机容量达到8.1亿千瓦。按照燃煤18亿吨、结合卫星拍摄到的100万平方公里的污染区域，冬季45天不下雨(实际上2013年冬季北京68天没有下雨)估算，由于湿法脱硫排放湿烟气形成大气气溶胶，来自火电厂的煤灰颗粒在大气中的浓度达到50ug/m3。根据在城市中大气取样的分析结果，矿物灰占整个PM2.5中颗粒浓度的20%计算，反推得到由此可造成总量达到250ug/m3的高污染浓度。此与实际也比较相符。由