关于大气污染控制技术的几点思考陈运法

2013年.第28卷.第3期大气灰霾追因与控制FormationMechanismandControlStrategiesofHazeinChina*修改稿收到日期：2013年5月4日基金项目：中科院战略性先导科技专项课题（XDB05050300）364【摘要】中国的大气污染已处于传统煤烟型污染与PM2.5、O3等二次污染物共存的区域性复合型污染阶段。大气污染控制不仅要充分考虑治理SO2、NOx、可吸入颗粒物的技术创新，更应及早布局开展形成二次污染物前体物的控制技术研究与应用。【关键词】大气污染，控制技术，可挥发有机物，PM2.5,SO2,NOxDOI10.3969/j.issn.1000-3045.2013.03.010文/陈运法1朱廷钰1程杰2陈进生3马金珠2刘海弟11中国科学院过程工程研究所北京1001902中国科学院生态环境研究中心北京1000853中国科学院城市环境研究所厦门361021关于大气污染控制技术的几点思考*2013年1月，我国部分地区出现大范围、长时间雾霾天气，空气质量明显下降，引起全社会的高度关注。中科院“大气灰霾追因与控制”专项组、中国环境与发展国际合作委员会“区域空气质量综合控制体系研究”专题组对北京强霾污染过程进行了追踪观测分析，对成因进行了溯源研究，结果发现：颗粒物污染严重时，PM2.5占绝对主导地位，均占PM10的90%以上，其化学成分包括水溶性无机盐、有机物、黑碳、矿尘等。导致PM2.5生成的前体物以SO2、NOx等成分为主，值得关注的是，有机物和硝酸盐所占比例显著升高，NH3和挥发性有机物（VOCs）的排放数据出乎意料。这些分析数据表明，我国大气环境形势十分严峻，在传统煤烟型污染尚未得到有效控制的情况下，以PM2.5、O3和酸雨为特征的区域性复合型大气污染日益突出。大气污染控制从SO2、NOx减排阶段跨入以雾霾治理为重点、以多污染物综合高效控制为目标的攻坚阶段，亟待加强污染物控制技术研究与集成应用。1严格控制燃煤污染物排放是防治大气污染的重点巨大的能源消费量和以煤为主的能源消费结构是我国长期以来空气污染的主要成因。我国SO2排放量的90%、NOx排放量的67%、烟尘排放量的70%均来自燃煤。据预测，到2015年重点区域GDP将增长50%以上，煤炭消费总量仍将增长30%以上。按照目前的污染控制力度，将新增SO2、NOx和工业烟粉尘分别为160万吨、250万吨和100万吨，占2010年排放量的15%、22%和院刊365关于大气污染控制技术的几点思考17%。此外，煤炭消费存在空间分布不平衡、消费结构不合理与清洁高效利用水平较低等突出问题，现有的污染控制力度难以满足改善空气质量的迫切需求，亟待采取更加严格的控制措施。1.1燃煤电厂污染物排放控制成效显著燃煤电厂排放是大气污染的首要污染源。“十一五”期间，尽管火电装机容量增长了10倍以上，但烟尘排放总量略有下降，SO2控制取得明显成效，烟气脱硝工程开始加速建设，NOx控制初见成效。根据中国电力企业联合会的统计，2012年火电脱硫装机容量为6.8亿千瓦，占现役燃煤机组的90%；脱硝装机容量为2.3亿千瓦，占现役燃煤机组的28%。我国从20世纪70年代开始研究SO2控制技术，80年代中期研发力度加大，1991年在重庆珞璜电厂2台36万千瓦机组上安装了石灰石-石膏湿法烟气脱硫装置。“十五”以后脱硫机组容量快速增长，石灰石-石膏脱硫技术被普遍认同。该工艺采用石灰或石灰石的浆液在洗涤塔内吸收烟气中的SO2，脱硫效率可达95%以上。其主要缺点是易结垢堵塞、设备部件磨损较严重，尤其副产物石膏难处理，易形成二次污染。此外，值得关注的是海水脱硫技术，可利用海水的自然碱度直接中和吸收烟气中的SO2，适用于海边电厂的脱硫，过程简单，吸收SO2后的海水经鼓入空气处理后排海。与石灰石-石膏法烟气脱硫相比，海水脱硫技术投资和运行费用低、经济优势显著，但是对燃煤品质要求高，也存在设备腐蚀和脱硫海水重金属含量升高等问题。目前全国有12个燃煤电厂共47套海水脱硫工程投运或在建，总装机容量约为20GW。在烟气脱硝方面，低氮燃烧技术在20世纪90年代开始得到应用。低氮燃烧技术设备投资较低，可基本满足GB13223-2003的排放要求，但单靠该技术无法满足日益严格的排放标准，需要与其他NOx控制技术联合使用。选择性催化还原(SCR)工艺具有脱除效率高、系统简单、运行可靠、维护方便、无副产物等优点。因此，随着2012年新《火电厂大气污染物排放标准》的实施以及脱硝电价政策的出台，SCR脱硝技术正在得到快速发展与应用。目前，国内的脱硝机组70%采用了SCR技术，大都采用NH3作为还原剂，但NH3是一种化学危险品，储运安全与环境风险较高。个别电厂尝试选用尿素作为脱硝还原剂，但运行成本高。另外，运行中的SCR脱硝装置，也发现存在催化剂积灰、下游空预器结垢等问题。从20世纪80年代中期开始，我国陆续引进FGE、Lurgi等公司的除尘器技术。通过消化吸收和创新，国产电除尘技术发展迅速。袋式除尘技术和设备已实现专业化和标淮化，研制的锅炉烟气净化专用特种滤料，也已在工程中成功应用。随着环保要求的提高，布袋除尘器及电-袋复合除尘器相继在燃煤电站得到应用。电-袋复合除尘器是一种有机集成静电除尘和过滤除尘两种除尘机理的除尘装置。前部分的收尘室为电除尘方式，后部分为袋除尘方式，可以保证最大的除尘效率，特别是在控制大气细颗粒物的污染排放方面有其独特的优点。1.2燃煤工业锅炉和炉窑污染物排放控制亟待加强燃煤工业锅炉是中国第二大煤烟型污染源，具有如下特点：首先，燃煤消耗量大，而且多为高灰分高硫煤，污染物排放量巨大；其次，烟筒低矮，烟气低空排放；第三，布局分散，排放的烟气温度高、压力低、组成复杂，含有酸性气体，腐蚀性强。近年来，我国燃煤工业锅炉粉尘控制较为有效，SO2污染治理刚刚起步，NOx控制则少之又少。因此，现阶段应高度关注燃煤工业锅炉的污染2013年.第28卷.第3期大气灰霾追因与控制FormationMechanismandControlStrategiesofHazeinChina127366排放，其难度远大于控制燃煤发电厂锅炉污染。目前我国仅钢铁、水泥、有色、玻璃、陶瓷行业就有20万台工业炉窑，原煤耗量仅次于电站锅炉、工业锅炉，已成为城市群大气复合污染重要污染源。据估算，2008年钢铁、有色、水泥、玻璃、陶瓷等行业工业炉窑年排放约270万吨粉尘、400万吨SO2、200万吨NOx，分别占全国排放量的50%、18%、15%，同时这些工业炉窑也是氟化物、氯化物、重金属、二口恶英等污染物的主要排放源。以水泥工业为例，2011年我国水泥产量达到20.9亿吨，占世界水泥产量的一半以上，是重点污染行业。随着我国全面提升《水泥工业大气污染排放标准》，水泥企业普遍采用了静电或布袋除尘技术，颗粒物排放量开始得到抑制，但分级燃烧、SN-CR等技术应用还缺乏长期稳定运行经验，SCR技术尚不成熟，面临的技术挑战是巨大的，远远落后于燃煤电站锅炉和燃煤工业锅炉的烟气污染控制。1.3燃煤烟气污染物控制急需创新技术支撑经过多年发展，烟气脱硫技术已相对成熟，脱硫设备、材料的国产化率达到95%以上，脱硫设施及运行成本大幅度降低。今后其发展重点将集中在：开展新型烟气脱硫机理、技术和工艺研究，扩大烟气脱硫技术工业应用研究；开展脱硫副产物综合利用研究，扩展应用领域。目前我国很多脱硫副产物尚无出路，不得不抛弃，从而增加了脱硫成本，导致二次污染。面对我国NOx排放不降反升的迫切局面，烟气脱硝将步入快速发展阶段，但在脱硝技术与装置方面仍有许多问题亟待解决。首先，催化剂是SCR脱硝系统中最关键的环节，约占脱硝工程总造价的40%左右，催化剂的自主创新研制、运行再生与失效处置技术有待突破；其次，NH3作为一种化学危险品，存在潜在的环境与安全风险，相比之下，CH4储量丰富且分布广泛，容易获取，故用CH4选择还原NOx的工艺具有更加广阔的实用前景和经济价值；第三，目前世界各国都在大力开发新型低温脱硝催化剂和低温脱硝技术，Shell公司研发的商业化低温NH3-SCR脱硝技术，工作温度120℃—300℃，但应用条件十分苛刻（粉尘10mg/m3、SO210ppm），不能满足我国实际需求。因此，科技部“十二五”“863”主题项目“工业炉窑烟气控制”中设置单独的课题研究开发适合我国国情的低温脱硝技术。此外，采用SNCR/SCR联合烟气脱硝技术可以减少催化剂的用量，实现脱硝的经济运行，值得进一步研究；采用烟气同时脱硫脱硝技术要比单独进行脱硫脱硝经济，应加强此类关键技术研究，如活性炭吸附加氨法、电子束法、脉冲电晕等离子法等。在烟气细粒子控制方面，燃煤电站和工业锅炉多采用电除尘器，但细粒子的粒径太小难以荷电，三电场除尘的脱除效率不高，通常采用增加电场数或将末端电场改造成布袋除尘的方式来提高细粒子的捕集效率；部分电厂新建除尘器完全采用布袋除尘技术，虽然提高了细粒子的捕集效率，但同时却增加了运行阻力和成本。目前，浙江菲达、福建龙净等行业骨干企业致力于推广如旋转电极式电除尘器、烟尘预荷电微颗粒收集装置、低温电除尘器、湿式电除尘器等高效除尘新技术。其中旋转电极式电除尘器和高频电源在电力行业显示出高效的除尘效果。工业炉窑烟气成分复杂、粉尘性质因行业不同差异较大（冶金粉尘通常比电阻更大）、湿度大、部分炉窑（如玻璃陶瓷行业）排烟温度高，决定了工业炉窑细粒子控制与常规除尘控制技术存在差别。布袋除尘在工业炉窑上应用的主要缺点是滤料的耐腐蚀耐高温性能较差。研究实践表明，一种有效的方法是在气溶胶颗粒进入除尘装置前先对其进行预处理，使气溶胶的平均粒径增大，然后在传统除尘器中进行有效脱除。气溶胶微粒在电场、磁场、温度场和声场中都可能产生团聚，声波团聚是其中较为有效的一种方法，是今后发展的一个方向。2VOCs污染控制成为空气质量改善的关键环节VOCs排放源包括自然源和人为源。人为源院刊128367包括移动源和固定源两大类。移动源是指机动车、轮船、飞机等各种交通运输工具的尾气排放。固定源包括生活源和工业源等。生活源对象复杂，包括建筑装饰、油烟排放、焚烧、燃煤、服装干洗等；工业源涉及行业众多，包括炼油与石化生产、油品（溶剂）储存、运输和销售过程以及有机精细化工产品应用（如涂料、胶粘剂等）等多个环节，为重点控制源。2010年国务院办公厅发布的《环境保护部关于推进大气污染联防联控工作改善区域空气质量指导意见的通知》，首次提出开展VOCs防治工作，并将一些重点行业VOCs作为防控重点。2.1工业VOCs控制技术已具备技术积累VOCs的排放控制技术主要分为回收技术和销毁技术。回收技术包括吸附技术、吸收技术、冷凝技术及膜分离技术等；销毁技术主要有热力燃烧、催化氧化、生物氧化、光催化氧化、等离子体技术等。VOCs的种类繁多、性质各异，所涉及到的污染行业、工艺过程繁杂，污染气体排放情况差异很大，单一的治理技术不可能满足所有VOCs废气的治理要求。目前发展的主流技术有吸附回收技术、催化氧化技术以及由吸附和催化技术集成的吸附浓缩/氧化燃烧技术。吸附技术利用固体吸附材料选择吸附工业废气中的VOCs进而回收或后续处理，常用于回收高浓度的VOCs和吸附浓缩等工业废气排放控制过程。目前常用的吸附材料有活性炭、活性炭纤维、分子筛等，治理工艺有固定床、移动床、流化床吸附器等。吸附法具有设备简单、操作灵活、去除效率高等优点，是经济和有效的回收技术之一，但存在运行费用较高、易产生二次污染等缺陷。VOCs吸附材料也存在一些技术难点需要突破，如常用吸附材料活性炭存在的着火点低、床层阻力大及成型困难；不可燃硅系分子筛替代吸附剂的生产成本高、成型难；高湿度条件下吸附剂吸附能力下降等。同时，针对低浓度、大风量VOCs的控制，吸附材料要满足吸附脱附的动力学性能、吸附床层的气流阻力较低等要求，需要发展吸附材料的整体化成型技术。催化氧化技术是指VOCs在催化剂的作用下完全氧化为CO2和H2O等产物的处理技术，可以高效、彻底地处理含有复杂组分的