濕法脫硫：霧霾元兇 or 治霾功臣？
2017-12-20 10:16:11
摘要：濕法脫硫究竟是治霾功臣，還是霧霾元兇？這一爭論自2013年我國開始大力度治霾時(shí)便已有之，今年尤其激烈，8月份環(huán)保部專門召開專家研討會對此進(jìn)行討論。
濕法脫硫是我國燃煤電廠鍋爐普遍采用的脫硫方法，其工作原理是：把大量的水與石灰石粉或生石灰粉混合，形成石灰石或熟石灰堿性乳液，從脫硫塔的上部噴灑；在風(fēng)機(jī)作用下，含有大量二氧化硫的酸性煙氣則從下向上流動(dòng)，與堿性液滴中的石灰石或熟石灰相遇反應(yīng)生成石膏及其他硫酸鹽，隨液滴墜落到脫硫塔塔底，收集去除。“批濕派”與“挺濕派”爭論的核心問題是，在濕法脫硫過程中，是否向大氣中排放了大量硫酸鹽顆粒物，以及濕法脫硫是否應(yīng)該被（半）干法脫硫工藝取代。
年終將至，霧霾問題依舊牽掛人心。本刊特約今年“批濕派”代表性人物中德可再生能源合作中心執(zhí)行主任陶光遠(yuǎn)與“挺濕派”代表人物國電環(huán)境保護(hù)研究院院長、國家環(huán)境保護(hù)大氣物理模擬與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任朱法華，總結(jié)各自陣營的觀點(diǎn)，以期對讀者真正了解問題癥結(jié)與爭論原委有所幫助。
陶光遠(yuǎn)：
有環(huán)保專家確認(rèn)，在我國，硫酸鹽顆粒物已經(jīng)成為當(dāng)前大氣中PM2.5的第一大組成部分。非采暖季，硫酸鹽顆粒物占大氣PM2.5的比例為2/3左右；采暖季的平均占比在1/3左右。
有觀點(diǎn)認(rèn)為，這些硫酸鹽顆粒物主要是大氣中的二氧化硫與氨氣合成的。但近年來，我國大氣中二氧化硫濃度大幅下降，氨氣的主要來源農(nóng)業(yè)尿素的用量也在下降，大氣中由二氧化硫和氨氣合成的硫酸鹽顆粒物應(yīng)該同步下降才對。那么，濃度不降反升的硫酸鹽顆粒物該如何解釋？
答案只有一個(gè)：濕法脫硫工藝。
二次顆粒很要命
在濕法脫硫的脫硫塔內(nèi)，脫硫乳液中的石灰石或熟石灰，以及其他少量的堿性元素，如鎂、鋁、鐵、氨等，與二氧化硫反應(yīng)生成石膏及其他硫酸鹽。由于石膏在水中的溶解率很低，因此收集落到塔底的乳液，將其中的石膏分離出來，剩下的就是含有大量可溶性硫酸鹽的污水，這些硫酸鹽包括硫酸鎂、硫酸鐵、硫酸鋁等。
問題就出在這些硫酸鹽身上。脫硫過程中，并非所有乳液都落到了塔底，因?yàn)檫M(jìn)入脫硫塔的煙氣溫度很高，將大量乳液液滴蒸發(fā)，由于蒸發(fā)速度很快，一些微小液滴中的可溶性硫酸鹽來不及結(jié)晶，于是析出了大量極細(xì)的硫酸鹽固體顆粒，平均粒徑很小，很大一部分顆粒物直徑在1微米以下。這些含有硫酸鈣顆粒和可溶鹽的乳液蒸發(fā)量非常巨大，對應(yīng)一臺100萬千瓦的燃煤發(fā)電機(jī)組，脫硫塔乳液蒸發(fā)量每小時(shí)高達(dá)100噸左右，因此析出的極細(xì)顆粒物數(shù)量也很大。這些顆粒物隨著煙氣向脫硫塔上部流動(dòng)，大部分被從上部滴落的液滴吸附，但仍有可觀的殘留顆粒物隨著煙氣從塔頂排出。
近年來，隨著深度脫硝工作的推進(jìn)，又產(chǎn)生了一種不可忽視的顆粒物，即硫酸銨。在燃煤鍋爐煙氣污染物減排流程中，第一道工藝是脫硝，第二道是除塵，第三道才是脫硫，脫硝工藝中以氨水或尿素水作為還原劑，有可能發(fā)生氨逃逸。氨逃逸量與氨噴射和控制技術(shù)有關(guān)，同時(shí)與氮氧化物的排放上限成反比，在技術(shù)相同的情況下，要求排放的氮氧化物越少，氨的使用量就越多，逃逸量也就越多。如果在脫硝環(huán)節(jié)逃逸了10毫克/立方米的氨，在濕法脫硫環(huán)節(jié)90%的氨與二氧化硫合成硫酸銨，則可以產(chǎn)生約36毫克/立方米的硫酸銨。全國每年煤炭消耗近20億噸的燃煤電廠采用脫硝加濕法脫硫工藝，硫酸銨生成量將高達(dá)72萬噸/年。
濕法脫硫后的煙氣經(jīng)過煙囪排放到大氣中，脫硫過程中產(chǎn)生的大量二次顆粒物也隨之排放到了大氣中。其中石膏顆粒物粒徑較大，于是跌落在距煙囪不遠(yuǎn)的周圍，被稱為石膏雨；而那些粒徑較小的可溶鹽則隨風(fēng)飄向遠(yuǎn)方，并逐漸沉降，提高了廣大地區(qū)大氣中顆粒物的濃度。
經(jīng)測算，脫硫后煙氣中的硫酸鹽顆粒物常常會達(dá)到幾百毫克/立方米，比起脫硫前煙氣中的顆粒物濃度，增加了好幾倍甚至幾十倍，它們?nèi)甲兂闪薖M2.5。這就是經(jīng)過最近幾年大規(guī)模燃煤煙氣處理后，大氣中的PM2.5濃度并沒有大幅度下降的原因所在。
老設(shè)備老辦法，新設(shè)備新辦法
去除濕法脫硫環(huán)節(jié)產(chǎn)生的二次顆粒物，關(guān)乎我國大氣污染治理的成敗，不得不重視。根據(jù)德國等發(fā)達(dá)國家的經(jīng)驗(yàn)，一般是老設(shè)備采用老辦法，新設(shè)備采用新辦法，即對于已經(jīng)投入運(yùn)行、設(shè)計(jì)使用年限還未到的濕法脫硫設(shè)備，主要用打補(bǔ)丁的方式減少顆粒物排放；而對于新上馬的燃煤鍋爐，則直接改用（半）干法脫硫工藝。
給濕法脫硫打補(bǔ)丁的具體措施主要包括，第一，加裝濕式靜電除塵器，用靜電吸附顆粒物和液滴。第二，利用煙氣冷凝去除顆粒物，如果在煙氣從脫硫塔出來后對其冷凝，會均勻地冷凝出大量水滴，及時(shí)地與鄰近的顆粒物結(jié)合，以冷凝水形式從冷凝器排出，從而將顆粒物大量清除；也可以在煙氣進(jìn)入濕法脫硫環(huán)節(jié)之前就將其冷卻，這樣煙氣中能夠容納的飽和蒸汽量會大大降低，脫硫塔中沒有大量液滴蒸發(fā)，也就不會析出大量的硫酸鹽顆粒物了。第三，煙氣再加熱，經(jīng)過濕法脫硫的煙氣溫度較低，排放到大氣中之后上升高度較低，大量顆粒物散落在煙囪周圍，嚴(yán)重影響煙囪周圍的大氣環(huán)境，如果將煙氣加溫，煙氣上升高度增加，顆粒物的散落范圍將擴(kuò)大，但是這種操作并沒有減少大氣中顆粒物總量。第四，通過煙氣再加熱裝置將煙氣加熱到消除水霧的溫度后，再通過袋式除塵器除塵。
前些年，我國的燃煤電廠很少采用上述任何一種工藝，近幾年可能是因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了極細(xì)顆粒物排放問題，才陸陸續(xù)續(xù)加裝第一項(xiàng)濕式靜電除塵器。然而，問題在于，如果僅采用第一項(xiàng)工藝，對硫酸鹽顆粒物的去除效果有限。因?yàn)轭w粒物越小，其表面積與質(zhì)量之比越大，顆粒物在空氣里運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力就越大，運(yùn)動(dòng)到靜電除塵器極板上的速度很慢，很大比例的極細(xì)顆粒物沒有被這道工藝去除。實(shí)際上，顆粒物越小，在空氣中漂浮時(shí)間就越長，對大氣污染的影響也就越大。而如果再安裝第二項(xiàng)或者第四項(xiàng)工藝，可以大大減少二次顆粒物的排放量，但隨之帶來的是設(shè)備投資的大量增加，對小一點(diǎn)兒的燃煤鍋爐，煙氣處理裝置甚至超過了對鍋爐系統(tǒng)的投資，且運(yùn)行費(fèi)用很高，企業(yè)根本承受不起。
所以在新建鍋爐上，建議干脆摒棄濕法脫硫工藝，采用（半）干法煙氣綜合處理技術(shù)。德國目前比較成功的是APS（ActivatedPowderSpray，活性粉末噴灑）煙氣處理工藝，可以綜合脫硫、硝、重金屬和二惡英，在脫硫過程中不產(chǎn)生新增的極細(xì)顆粒物，而且它沒有污水需要處理，從而節(jié)約運(yùn)行成本。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，采用這種系統(tǒng)，顆粒物排放濃度可以達(dá)到1毫克/立方米左右，二氧化硫排放可以達(dá)到5毫克/立方米左右，大大低于當(dāng)前我國的超低排放標(biāo)準(zhǔn)。由于（半）干法脫硫的優(yōu)勢很明顯，所以目前德國新建的鍋爐，尤其是在垃圾焚燒廠，基本上都是采用這種工藝。
朱法華：
從2003年頒布《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，到2014年發(fā)布《煤電節(jié)能減排升級與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014~2020年)》，我國對燃煤電廠污染物排放的治理已經(jīng)走了十多個(gè)年頭，其中，濕法脫硫是主要環(huán)節(jié)之一。當(dāng)前，我國燃煤發(fā)電機(jī)組幾乎100%加裝了煙氣脫硫裝置，或者使用具有脫硫作用的循環(huán)流化床鍋爐。因?yàn)檫@些努力，與2010年相比，我國電力行業(yè)2016年的煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放量分別下降了88.6%、81.6%和85.2%。
然而，有部分觀點(diǎn)將煤電行業(yè)的濕法脫硫認(rèn)作了霧霾的元兇之一，認(rèn)為其導(dǎo)致了大氣中硫酸鹽顆粒物占比的大量升高。對此，首先要認(rèn)識到，濕法脫硫是治理大氣污染的重要手段，如果最終讓污染更為嚴(yán)重，不符合邏輯；其次需要明確，大氣中硫酸鹽顆粒物占比上升，不等于總量上升。從近幾年的監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，我國大氣中的硫酸鹽顆粒物平均濃度是逐年下降的，這要?dú)w功于濕法脫硫工藝。
濕法脫硫是治霾功臣
濕法脫硫工藝加重了大氣中PM2.5濃度的觀點(diǎn)，肯定是站不住腳的。對于這個(gè)問題，要從兩方面理解。
其一，如果沒有濕法脫硫，大量燃煤產(chǎn)生的二氧化硫直接排放到空氣中會是什么后果？我國燃煤電廠產(chǎn)生的煙氣，在未經(jīng)脫硫之前二氧化硫濃度平均在2200毫克/立方米左右，如果直接排放到空氣中，經(jīng)測定，將有10%以上轉(zhuǎn)化為硫酸鹽顆粒物，假設(shè)生成的全部為硫酸銨，濃度將超過450毫克/立方米。在當(dāng)前大氣氧化性逐年增強(qiáng)的情況下，實(shí)際轉(zhuǎn)化率絕對不止10%，加之嚴(yán)重的酸雨威脅，如果沒有濕法脫硫，燃煤造成的大氣污染是不可承受的。
其二，就濕法脫硫環(huán)節(jié)本身而言，究竟是增加了還是減少了顆粒物的濃度，需要進(jìn)行具體的分析與測定。濕法脫硫后的濕煙氣中，會對大氣PM2.5濃度造成影響的成分有三種，即可凝結(jié)顆粒物、可過濾顆粒物和可溶鹽。
可凝結(jié)顆粒物，是指在煙道溫度狀況下為氣態(tài)，離開煙道后在環(huán)境狀況下降溫?cái)?shù)秒后凝結(jié)成為液態(tài)或固態(tài)的物質(zhì)，燃煤電廠濕煙氣中的可凝結(jié)顆粒物主要是三氧化硫。毋庸置疑，三氧化硫進(jìn)入大氣后會與堿性組分反應(yīng)生成硫酸鹽，增加PM2.5濃度，但是，濕法脫硫本身并不產(chǎn)生三氧化硫，相反，它可以協(xié)同脫除部分三氧化硫，即濕法脫硫?qū)p少煙氣中三氧化硫排放形成的PM2.5是有貢獻(xiàn)的。根據(jù)國內(nèi)近百臺燃煤機(jī)組的實(shí)測結(jié)果，濕法脫硫?qū)θ趸虻拿摮试?0%～90%之間。
可過濾顆粒物，包括除塵器未能完全收集的煙塵及脫硫、脫硝過程中產(chǎn)生的、未被捕集的次生顆粒物，如石膏顆粒等。在濕法脫硫環(huán)節(jié)，脫硫塔內(nèi)有多層噴淋層，類似于下大暴雨，正常情況下會將煙氣中的顆粒物淋洗下來。在我國，大量電廠的測試結(jié)果表明，濕法脫硫?qū)蛇^濾顆粒物的脫除效率與日本燃煤電廠效率相近，在70%～80%，甚至更高。
濕煙氣中可溶鹽的含量，是爭議最大的部分。濕法脫硫排放的可溶鹽可以分為二部分，一部分是煙氣中三氧化硫排入大氣中形成的鹽，另一部分是液態(tài)水中溶解的鹽。需要特別強(qiáng)調(diào)的是，只有液態(tài)水中才有可溶鹽，氣態(tài)水中沒有可溶鹽。對濕煙氣液態(tài)水中可溶鹽含量的測定，目前尚無標(biāo)準(zhǔn)方法，國內(nèi)外的測試結(jié)果均很少，原因就在于業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)同，濕煙氣中攜帶的液態(tài)水及可溶鹽對大氣污染的影響是微乎其微的。根據(jù)上海3臺超低排放機(jī)組的測定，濕法脫硫后，濕煙氣中大于3微米的液滴平均濃度為409.6毫克/立方米，氣態(tài)水含量在100克/立方米以上，可見液態(tài)水占總水量的比例小于千分之四。同時(shí)，其攜帶的可溶鹽濃度平均為677.1毫克/升，據(jù)此可以計(jì)算出，濕煙氣中攜帶的可溶鹽濃度平均為0.28毫克/立方米。若考慮到小于3微米的液滴中溶解的鹽，濕法脫硫?qū)嶋H排放的可溶鹽濃度會稍大一些，但總量依然是很小的。
綜合分析濕法脫硫?qū)θ趸颉⒖蛇^濾顆粒物的協(xié)同脫除，濕煙氣中液態(tài)水?dāng)y帶的可溶鹽含量，濕法脫硫環(huán)節(jié)本身對大氣中PM2.5的減少具有正面貢獻(xiàn)。而如果加上大量脫除二氧化硫的貢獻(xiàn)，濕法脫硫絕對是治霾的功臣。
濕法脫硫是歷史的選擇
當(dāng)然，早期的濕法脫硫工程，由于工程投資、運(yùn)行管理等方面的原因，“石膏雨”現(xiàn)象較為普遍，但隨著工藝的不斷成熟、管理流程的不斷完善，以及超低排放的實(shí)施，“石膏雨”現(xiàn)象越來越少。此外，“石膏雨”中的石膏均是大顆粒，均會在煙囪周圍500米范圍內(nèi)降落到地面，所以與大氣中的PM2.5無關(guān)。我們不能以個(gè)別不滿足環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求的電廠濕法脫硫后可過濾顆粒物或PM2.5濃度稍有增加的案例，來否定濕法脫硫工藝。
其實(shí)，我國燃煤電廠以及大多數(shù)其他燃煤企業(yè)之所以選擇濕法脫硫，是經(jīng)過了反復(fù)實(shí)驗(yàn)與論證的。從上世紀(jì)70年代末開始到現(xiàn)在，我國對于（半）干法脫硫的工業(yè)實(shí)驗(yàn)一直都沒有停止過，但經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)、研究，包括對國際經(jīng)驗(yàn)的借鑒，最終選擇了濕法脫硫工藝，因?yàn)樗拿摿蛐矢摺⑦\(yùn)行更穩(wěn)定、副產(chǎn)物處理也更為方便。濕法脫硫是燃煤電廠脫硫的主要技術(shù)，這是世界各國環(huán)保工程師和科學(xué)家經(jīng)過多年的研發(fā)應(yīng)用后所達(dá)成的普遍共識，當(dāng)前，濕法脫硫工藝在我國電廠中占比為91%，世界平均水平為85%。
多年來，濕法脫硫工藝也在不斷的完善過程中。我國燃煤電廠現(xiàn)在逐步推行煙氣超低排放，在此之前，脫硫環(huán)節(jié)有脫硫環(huán)節(jié)的規(guī)范，脫硝環(huán)節(jié)有脫硝環(huán)節(jié)的規(guī)范，但是發(fā)展到超低排放工程技術(shù)規(guī)范，就不能對每個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行單獨(dú)評定了，因?yàn)槌团欧艧煔庵卫硎且粋€(gè)系統(tǒng)工程，各子系統(tǒng)之間會相互影響，如何對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，在實(shí)現(xiàn)減排的同時(shí)更為節(jié)能，是下一步煙氣治理的研究與突破方向。
至于很多人關(guān)心的霧霾治理成效問題，應(yīng)該認(rèn)識到，并不是說硫氧化物、氮氧化物以及揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）排放量降下來，大氣PM2.5濃度就會同比例地下降。根據(jù)美國公布的數(shù)據(jù)，與2000年相比，美國2010年排放的硫氧化物削減了50%、氮氧化物削減了41%、VOC削減了35%，但最終導(dǎo)致PM2.5年均地面濃度僅減少了27%。硫氧化物、氮氧化物、VOC排放量的削減幅度之和是PM2.5地面濃度削減幅度的4.7倍，在歐洲也有類似的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由此可見，為了緩解霧霾天氣頻發(fā)問題，我國硫氧化物、氮氧化物、VOC的減排任重而道遠(yuǎn)。為此，我們需要進(jìn)一步推廣并優(yōu)化包含濕法脫硫在內(nèi)的超低排放煙氣治理系統(tǒng)。（《能源評論》彭慧文）
