京都一浪客:对“雾霾”天气的理解和思考

中国大气网2018-10-21 12:09:23

文章导读


关于冬天雾霾为什么如此严重的问题,中国大气网曾发布过多篇深度文章,其中包括博主“京都一浪客”的《是谁制造了“雾霾”?》。今天我们再次与您分享博主的另外一篇博文,本文发表在博主15年12月27日的博客中(仅代表个人观点)。下面是他的主要观点:“1、减少“雾霾”天气频繁发生的关键是减少“霾”的生成,使地球的自净能力与大气中“霾”的积累达到一种平衡。2、我国现有的烟气湿法脱硫技术就是“霾”的生成器,这也是燃煤烟气越治理,“雾霾”天气反而越严重的主要原因。3、“超低排放”一定要分散相对连续相,否则必然要消耗大量的能源等副作用。喷淋散射塔技术汇集了“喷淋塔”与“鼓泡塔”各自的优点,它是针对我国国情而逐渐成熟的治“霾”技术。


来源:京都一浪客(新浪博客)


  在烟气净化领域“刨食”近二十年的我,本想早些对人们关心的“雾霾”天气发表一番感慨,但因要解决温饱问题,所以无暇顾忌。今天偷闲在网上看到人们对“雾霾”天气议论纷纷,实在是憋不住了,在此凑个热闹,谈一下我个人对“雾霾”天气的理解和思考。


  “雾霾”天气的形成有其外在因素和内在因素。外在因素包括:地形条件(如太行山脉以东和燕山山脉以南所形成的“雾霾”多发区)、冬季气温造成的“逆温”和“逆温层”条件、温差小而形成的静风现象、热岛效应产生的大气微循环等等;而“雾霾”天气的内在因素就是“霾”。


  我们都知道:“霾”当遇到冷湿空气时会作为凝结核凝结水汽而形成“微雾”,“微雾”间的相互碰撞和不断地凝聚水汽就变成了能见度很低的“雾霾”天气。“雾”和“霾”是有很大的区别的。《新华字典》对“霾”的解释是:“空气中因悬浮着大量的烟、尘等微粒而形成的混浊形象”。现代人对“霾”的理解应该是:“气溶胶(如:碳氢化合物、可挥发性有机物、盐类、尘埃及前体物二氧化硫和氮氧化物等)悬浮在近地表面1000~3000m而形成的大气混沌现象”。


  “雾霾”天气的外在因素是指“霾”的聚集和扩散问题,对此我们只能是听天由命了。“雾霾”天气的内在因素是指“霾”的生成问题,对此我们可以通过采取措施来减少“霾”的生成,但绝不能可杜绝“霾”的生成。


  一、 “霾”非常可怕吗


  今天的国人谈“霾”色变,其实,地球无时无刻不在产生着“霾”,如:海上的盐雾、火山的爆发、森林的野火等都会向大气中输送“霾”,我们人类就是伴随着大气中的“霾”而进化和繁衍的,关键是我们人类如何控制自己的欲望,如何使地球的自净能力和燃料型能源产生的“霾”在大气中达到一种平衡,而不是打破这种平衡。


  网上有一篇题目为“不要因为雾霾而葬送了明天”的文章,本人看后很受启发,其中有这样一段内容:“90年代,南非曾经是发达国家,工业十分发达,人均寿命高,收入好,治安稳定……于是西方国际环保组织找上门去,表示南非已经是杠杠的发达国家了,应该注意保护环境,要不然成天都是雾霾,不利于身体健康等等……等到民意沸腾之后,西方就拿出了解决方案来,首先他们让南非总统曼德拉看欧美国家的青山绿水的照片(特选夏天和晴天的时候拍摄的那些)。然后向他建议实行“史上最严的环保法案” ……于是南非开始了去工业化治理模式……导致南非最后一批还有竞争力的制造业瞬间崩溃……早已虎视眈眈的西方外资企业就向狼一样地冲进南非,以白菜一般的价格收购了这些破产的企业……于是短短几年的时间,南非的产业就全部从本土人手中转移到了西方人手中。”


  对“霾”的治理不仅是中国的问题,也是世界的问题(见图1-1)。西方发达国家在发展过程中也同样遭遇“霾”的困扰,他们的成功经验是需要我们学习的,但决不可照搬,而是要符合中国的国情。前不久,国家环保部曾确认:“全国PM2.5浓度之所以严重超标,与燃煤有直接关系,燃煤对PM2.5浓度贡献率在61%左右”。本人认为:燃煤对PM2.5浓度贡献率的比例可能还要高一些,但尽管如此,在未来的很长一段时间内,我国的主要能源结构还将是以“煤炭”为主,原因是“煤炭”的使用事关我国的能源安全问题,这就是国情。



图1-1

 

  曾经有一位生物学家,在高倍显微镜下看到世界上到处都是细菌、病毒。他害怕极了,于是就自杀了。今天的中国人绝不能因“雾霾”而葬送中国的发展,我们应该根据自己的国情,勇敢地向“霾”宣战。


  二、 对“霾”的治理误区


  随着我国工业的迅猛发展和人民生活质量的不断提高,以及燃料型能源的大量使用,重度污染的“霾”也时常光顾我们。本人作为一名烟气净化的从业者,深深地感到我国政府对“霾”的治理高度重视,同时,本人还感觉到:在我国的烟气净化领域中一直存在着如下误区:


   1、 治“霾”的政策误区


  a. 治“霾”忽略了中小锅炉


  我国政府从“十五”、“十一五”、“十二五”规划开始就投入了大量的资金用于治理因燃煤造成的烟气污染,但大部分的资金都用于“五大电力集团”及电力系统,而其它行业却很少获得相关资金。如:烟气脱硫上网电价每度补助1.5分、烟气脱硝上网电价每度补助0.8分、超低排放上网电价每度补助1分,对1台年运行7000小时的600MW机组,粗略一算每年可获得补贴为:1.176亿元,虽然补贴中包含运行费用,但据有关人士讲:在煤价最高时期,发电企业的利润大部分来源于此类补贴。如此大的利润诱使发电企业不计成本地纷纷上马“近零排放”(即:尘含量5mg/Nm3、SO2含量35 mg/Nm3、NOx含量50 mg/Nm3)的装置,如:xxxx发电集团2×600MW机组“近零排放”的投资尽然达3.2亿元,运行费用在原运行费用的基础上再增加每千瓦0.5分(年需再增加运行费用4200万元),对此该集团的老总却说:要讲政治,这点投入不算贵。本人怀疑:这些企业支出的环保代价最终是否都要由老百姓来承担?


  目前,全国已有近七十万台燃煤的中小锅炉和工业窑炉在运行,对这么多的中小锅炉和工业窑炉的环保政策却是“谁污染,谁治理”,而这些企业在进行环保治理时是最需要政府补助的,因此,出现了这样的现象:企业需要补贴,政府却没有钱,结果是:地方政府为了保就业、保GDP就只能放宽燃煤的排放标准。以SO2的排放标准为列:电力行业“超低排放”的标准是35mg/Nm3,不同地区、不同行业的SO2排放标准却是500mg/Nm3、400 mg/Nm3、200 mg/Nm3、100 mg/Nm3。今天的“霾”包围城市的局面,不能说与近七十万台燃煤的中小锅炉和工业窑炉的烟气排放无关。


  b.治“霾”的重点偏离


  我们在电视和广播上常听到的治“霾”措施是:“施工现场停止土石方作业、露天作业、渣土运输作业等”、“关停燃煤锅炉”、“限制燃油车辆上路”、“将燃煤锅炉改为燃气锅炉”等等。为了证明这些措施没有抓住重点,本人从网上查找的有关数据和标准,经计算后列出表2-1,若有不准确的地方请有关人士指正:


表2-1



   由表2-1得知:治“霾”的重点应该是首先治理燃煤锅炉和工业窑炉的烟气排放,而不是在枝节上去浪费大量的人力、物力和财力。北京的“APEC蓝”和“奥运蓝”就是很好的例证。


   2、 治“霾”的技术误区


  环发[2015]164号文件已于2015年12月11日颁布了,在《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》中规定“全国所有具备改造条件的燃煤电厂力争实现超低排放,(即在基准氧含量6%条件下,烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不高于10、35、50毫克/立方米)……”同时,要求:东部地区11省市于2017年前总体完成;中部地区8省于2018年前基本完成;西部地区12省区市及新疆生产建设兵团于2020年前完成。可以说:《方案》中确定的排放指标远远高于欧美发达国家,但是,对《方案》执行的代价和效果怎样?本人是有质疑的,在此就目前的国内达标技术中的问题,谈谈个人看法:


  a. 看法1


  目前,要达到“超低排放”的主要技术路线为:低温省煤器(或静电除尘器改高频脉冲电源、或静电除尘器改为布袋除尘器)+单塔双循环(或双塔双循环)+湿式静电除尘器,该路线被“超低排放”称为主流技术。


  主流技术中烟气脱硫采用的是单塔双循环或双塔双循环技术,该技术的基本原理是上世纪六十年代初美国玛苏莱公司发明的“喷淋塔”(或空塔喷淋)技术,该技术有很多的优点,但是,由于该技术是分散相(烟气中的污染物)对分散相(喷淋的吸收液),造成该技术能耗高,且对于烟气中低浓度的污染物去除效果较差,因此,为了达到“超低排放”的要求,国内的环保公司采用单塔双循环或双塔双循环技术通过改变不同区域吸收液的PH值来达到脱硫率的高效,所以造成了设备投资提高和更大的能源消耗。


   单塔双循环或双塔双循环技术由于采用的是“喷淋塔”的形式,烟气和吸收液采用的是逆流方式(烟气向上,吸收液向下),烟气夹带吸收液的现象非常严重。因此,为了解决吸收液的夹带问题,就需要在塔的上部安装一套除雾器,而除雾器的技术指标允许其有75mg/Nm3的吸收液雾滴可随烟气夹带排放,按吸收液的浓度20%计算就会有15mg/Nm3左右的吸收剂颗粒物(盐类)被持续地排放到大气中。同时,除雾器的工作原理决定,其对PM2.5以下的污染物是无法拦截的,“喷淋塔”自身造成的气溶胶等物质也会随烟气持续地排入到大气中。这就是燃煤烟气越治理,“雾霾”天气反而更严重的主要原因。


   为了达到“超低排放”的要求,国内的环保公司在“喷淋塔”后部再加装一套“湿式静电除尘器”,以解决“喷淋塔”造成的气溶胶、盐雾、酸碱细颗粒物等问题。“湿式静电除尘器”是通过电能产生一个连续的磁场,使烟气中的污染物被荷电后,在磁场力的作用下由阳极板捕集,然后用水对阳极板进行冲洗,最终由水对“喷淋塔”造成的污染物(或称“霾”)进行溶解和收集。


  主流技术是可以满足“超低排放”中要求的各项指标的,但是,该主流技术造价昂贵、运行费用过高,若没有政府的高额补贴,中小锅炉和工业窑炉的企业是难以承受。


  b. 看法2


  本人一直认为:“我国现有的烟气湿法脱硫装置(指未进行“超低排放”改造的烟气湿法脱硫装置)就是“霾”的生成器”。为什么这么说呢?众人皆知的“铁锅效应”,即:将铁锅烧热,然后泼上盐水就会产生一股蒸汽,此时的蒸汽一定会发“咸”,这说明蒸汽中有盐雾等气溶胶的存在。现有的烟气湿法脱硫时,进入脱硫装置的烟气温度在120~160℃之间(工业窑炉的烟气温度还要更高一些。某环保工程师所提到的GGH(烟气再热器)和“超低排放”的主流技术采用低温省煤器的作用都是使烟气进入脱硫装置的温度降到90℃左右, 相当于只将铁锅烧到90℃,其产生的盐雾等气溶胶减少了),通过脱硫装置的循环泵对烟气进行洗涤喷淋(主要成分为盐和水)时,烟气温度被降到50℃左右,因烟气温度下降所释放热量产生的蒸汽(相当于铁锅一直保持在120~160℃之间,且不断地泼盐水)中必然含有大量的盐雾、气溶胶、酸碱细颗粒物等(这些物质统称为“霾”),并随烟气排入大气,“雾霾”天气的频繁发生应该于此有很大关系。


  为了证明现有的烟气湿法脱硫技术是“霾”的生成器,特用图2-1、图2-2、图2-3和图2-4加以说明:



图2-1


  图2-1是某电厂烟气湿法脱硫装置的排烟情况,从图中可以看到烟囱的拉烟距离很长,这说明:该烟气湿法脱硫装置产生的“霾”很多。一般来讲:烟气湿法脱硫装置的出口拉烟越长,就表明该装置产生的“霾”就越多。



图2-2


  图2-2是某电厂烟气湿法脱硫装置的远处的排烟情况,实景中可以明显地看到蓝天中飘浮着一层“霾”带(此照片是由手机拍摄的,可能是像素不够,所以,照片中的“霾”带不够明显)。


图2-3 图2-4


   图2-3和图2-4是国内某知名环保公司的宣传图片(尘可达到近零排放标准,即:5mg/Nm3以下),从2-3图可知:烟气中粒径为1.8μm左右的尘分布最多,高达25%;从2-4图可知:烟气中粒径为1μm左右的尘分布最多,高达35%以上,若在吸收塔进、出口取样条件相同的话,则图2-4说明该装置对2.5μm以上的尘去除率较好,但对2.5μm以下的尘去除率不仅没有,反而有增加的趋势。此图再次证明了:现有的烟气湿法脱硫技术是“霾”的生成器。


  c. 看法3


  国家环保部至今还未出台“超低排放”的监测标准,“超低排放”如何检查?资金如何补贴?特别是我国现阶段的烟气监测标准还只是总量检测,而对湿法脱硫技术后的烟气中“霾”的检测不但没有标准,而且是否有过检测都是疑问。若国家或企业对“超低排放”投入了大量的资金后,我国大气中“霾”的积累仍没有明显改善的话,甚至还在增多(这不是耸人听闻,因为,湿法烟气脱硫产生的气溶胶中“成核膜态粒子”的粒径小于10nm,“爱根膜态粒子”的粒径在10~100nm之间,主流技术中的“湿式静电除尘器”能否把好关,能否对这些超细“粒子”起作用,目前还是个未知数),那将……。


  三、 治“霾”的思考与探索


  人们在期待大气环境质量尽快改善的过程中,除了发现大风可以使“雾霾”天气消失外,还有一种现象就是雨雪天气后,除了蓝天白云外,人们会感觉到视野清晰。我时常问自己:为什么北方的土壤显碱性,南方的土壤显酸性呢?为什么我国南方的人口密度和工业发展水平要高于北方,而“雾霾”天气却没有北方那么严重呢?除了“雾霾”天气的外在因素以外,难道都是与水有关系吗?


  经核实发现:“霾”(或称气溶胶)是由碳氢化合物、可挥发性有机物、盐类、尘埃及前体物二氧化硫和氮氧化物等物质组成,而这些物质中有90%以上是易溶于水的(尘埃很容易被水捕集)。由此推断:南方的“雾霾”天气比北方少的一个最主要的原因是南方的雨水多,“霾”被水溶解和捕集后落到地面,使土壤显酸性;而北方的“雾霾”天气之所以多,是因为北方的雨水少,所以土壤易显碱性。也就是说:水是治理“霾”的最好利器,水也是地球对大气中 “霾”进行自净的武器。


  我国古代劳动人民在长期的生活实践中发明了“水烟袋”。水烟袋可以通过水来滤除烟丝燃烧后在烟气中所含的尼古丁、焦油、烟碱等有害物质。日本人通过水烟袋原理发明了“鼓泡塔”。“鼓泡塔”曾分别在日本和美国多次获得“大奖”,并广泛应用于日本和美国的600WM及1000MW发电机组锅炉的烟气净化上。但是,“鼓泡塔”在国内却被普遍认为是一种淘汰的、落后的技术,甚至在我国已经运行十多年的“鼓泡塔”也将要面临着被拆除的命运。


  “鼓泡塔”在我国的运行中的确存在着阻力大、易堵塞等问题,但本人认为:它对去除烟气湿法脱硫过程所生成的“霾”(或称气溶胶)具有奇效。因为,“鼓泡塔”的工作原理是:分散相(烟气中的污染物)对连续相(吸收剂和水),即使在烟气脱硫过程中产生了“霾”,也会通过连续相中的水而捕集和溶解掉。2008年本人在国内xxxx发电厂的2×600WM机组看到,采用“鼓泡塔”进行烟气脱硫时的数据是:1号机组烟尘排放为:4.63mg/Nm3,2号机组烟尘排放为:2.6mg/Nm3。


  具有关资料显示:鼓泡塔可对粒径>2.0μm粉尘的捕集率大于99%,粒径为0.6 ~ 1.0μm 时捕集率约为82%,粒径为0.3~0.6μm时捕集率几乎为0,粒径小于0.3μm时捕集率又提高(抄录原文,对0.6μm以下的捕集率可能有翻译上问题或设备问题,其原理应该没有问题);其还具有对有害空气污染物(HAP)进行捕集:对氯化氢(HCI)和氟化氢(HF)的捕集率大于90%,对痕量金属的捕集率为:80%~98%,对汞(Hg)和镉(Cd)的捕集率为46%,对Se(硒)67%,对钒(V)和砷(As)的捕集率为95%以上。


   本人认为:“超低排放”一定要分散相对连续相,否则必然要消耗大量的能源。其实,虽然国内主流技术中的湿式静电除尘器也好、旋汇耦合(或旋风乳化)技术也好、托盘技术也好都存在一定的问题(在此不再赘述),但他们有个共同的特点就是:在吸收和捕集稀少的烟气污染物“霾”的方面都想创造一种连续相。


  我们曾尝试利用湿法烟气脱硫技术的“喷淋塔”优点(在脱除烟气中高浓度污染物时能效比高),回避其缺点(在脱除烟气中低浓度污染物时能效比低,且能耗高),并利用“鼓泡塔”具有分散相对连续相的高效传质特点(以解决“喷淋塔”脱除烟气中低浓度污染物时能耗高的问题),规避其缺点(因气流通道和疏水性差等造成的阻力大、易堵塞的问题),发明了“喷淋散射塔”技术,该技术的最大特点就是:在节能的前提下具有去除烟气湿法脱硫过程所生成的污染物“霾”。


  喷淋散射塔技术在山东“xxxx公司3×75t/h+2×58MW锅炉烟气治理的工程示范中,当入口烟尘为603.1 mg/Nm3、SO2为1962 mg/Nm3时,出口可以达到烟尘为10.9 mg/Nm3、SO2为33 mg/Nm3,该结果已基本达到主流技术的“超低排放”标准,且节能和性价比远远高于现有的主流烟气净化技术。


  结论:


  1、发达国家和发展中国家同样面临着“雾霾”天气的问题,减少“雾霾”天气频繁发生的关键是减少“霾”的生成,使地球的自净能力与大气中“霾”的积累达到一种平衡。

  2、我国现有的烟气湿法脱硫技术就是“霾”的生成器,这也是燃煤烟气越治理,“雾霾”天气反而越严重的主要原因。


  3、“超低排放”一定要分散相对连续相,否则必然要消耗大量的能源等副作用。喷淋散射塔技术汇集了“喷淋塔”与“鼓泡塔”各自的优点,它是针对我国国情而逐渐成熟的治“霾”技术。








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