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专家观点丨烟气消白是美容 不是治病

    习近平总书记在2014年6月13日中央财经领导小组会议上强调指出,要“推动能源供给革命,大力推进煤炭清洁高效利用”,随后在神华集团等发电企业的引领示范和各级政府的推动下,燃煤电厂超低排放上升为一项国家专项行动,在全国范围内推广。截至2017年底,全国已完成超低排放改造的燃煤发电机组容量达7亿千瓦,占煤电总装机容量比例约71%。

2017年电力行业排放的二氧化硫、氮氧化物和烟尘分别下降至120万吨、114万吨和26万吨,占全国相应排放总量的比例从高峰时的40%左右下降到10%左右,甚至更低。

    根据“大气十条”终期评估报告,燃煤电厂超低排放改造对长三角、珠三角、京津冀等重点区域细颗粒物(PM2.5)年均浓度下降的贡献分别达到24%、23%和10%,为全国大气环境改善作出了巨大贡献。但也有少数人认为,燃煤电厂的湿烟气排放加剧了雾霾的发生,力推干法脱硫或者对烟气进行加热,消除白色烟羽排放,并影响少数地方政府出台了相关文件。系统分析湿烟羽的成分及其消白的技术与环境效益,是科学决策湿烟羽治理的关键。

01烟气成分及颜色

     燃煤烟气从烟囱排入大气后,在向下风向传输过程中,其中心线会上升,同时烟体向四周扩散。由于烟气在扩散过程中其外形有时像羽毛状,因此常称其为烟羽。烟羽的颜色与烟气成分密切相关。

    1996年以前,我国燃煤电厂主要控制烟尘排放,当时的烟尘排放浓度每立方米均超过50毫克,烟羽多为黑色或灰色,经常见到烟囱冒黑烟现象,我们称之为黑色烟羽或灰色烟羽,是由烟气中的烟尘引起的。

     2003年,我国燃煤电厂烟尘的排放标准严格到每立方米50毫克,同时推动燃煤电厂的烟气脱硫。烟尘浓度小于每立方米50毫克的干烟气从烟囱排入大气,人眼基本看不见烟羽,称之为无色烟羽。也正如此,世界上仍有不少国家由于大气环境容量较大,燃煤烟气的烟尘排放限值规定为每立方米50毫克。由于石灰石—石膏湿法脱硫能够稳定实现二氧化硫的高效率脱除,且经济性较好,在世界范围内得到广泛应用,在我国电力行业的应用容量占比超过92%。湿法脱硫后的烟气如不进行加热处理,烟气中的气态水在排入大气环境后,由于温度降低,气态水会冷凝形成直径1微米左右的细小水滴,在烟囱出口附近形成“白烟”,我们称之为白色烟羽。但由于空气湿度没有饱和,这些细小水滴很快就会被蒸发。

     2011年,我国出台了史上最严的火电厂大气污染物排放标准,2014年,推出燃煤电厂超低排放政策,燃煤电厂烟气中的颗粒物、二氧化硫、氮氧化物的排放限值比全世界最低的标准限值都要低,接近燃气电厂污染物排放水平,被称为超低排放。由于要实现氮氧化物的超低排放,大量燃煤电厂必须加装选择性催化还原法进行烟气脱硝,将烟气中的氮氧化物还原为氮气,同时烟气中会有少部分的二氧化硫被氧化为三氧化硫。由于烟气中含有较多的水汽,烟气中的三氧化硫以硫酸气溶胶的形式存在,当浓度较高时呈蓝色。因此,会发现有少数实现超低排放后的电厂,白色烟羽消散后,出现蓝色烟羽。

    总之,燃煤电厂排放烟气中的主要成分是氮气、水气、氧气、二氧化碳、一氧化碳等无色气体。当烟气中排放的颗粒物浓度大于每立方米50毫克时,烟气呈现灰色或黑色;小于每立方米50毫克时,基本看不见,小于每立方米30毫克时,根本看不见。

02烟气中的水分与消白技术

    烟气中水分包括气态水和液态水,气态水的质量占比超过99.95%,液态水的质量占比小于0.05%。液态水是由烟气挟带造成的,包括三方面来源,统称液滴,以镁离子浓度为基准折算成脱硫浆液的浓度,称为雾滴。

     一是挟带的脱硫浆液,颗粒直径主要在1000~2000微米之间,其成分与脱硫浆液相同,挟带量过大,会在烟囱附近形成“石膏雨”。由于超低排放电厂,要求可过滤的颗粒物排放浓度小于每立方米10毫克,浓度太低不可能出现“石膏雨”。

    二是挟带的除雾器冲洗水,这部分液态水的粒径也在1000~2000微米之间,其成分同冲洗水,基本不含固体悬浮物,溶解盐浓度与冲洗水中的溶解盐浓度相同。第三部分挟带的是因烟气温度下降烟气中气态水冷凝形成的冷凝水,由于烟道或烟囱的壁效应、冷凝水滴之间的碰撞,该部分冷凝水的粒径在1000~5000微米之间,烟气中的酸性气体会部分溶入冷凝水中,使冷凝水的成分类似于酸雨,pH值呈酸性。烟气挟带的除雾器冲洗水与冷凝水,是形成“烟囱雨”的主要原因。可通过提高除雾器的除雾效果,并在烟囱内壁加装烟气中液态水收集装置,可避免出现“烟囱雨”。

    占烟气中水量99.95%以上的气态水,其中60%~70%来自煤和空气中的水分,30%~40%来自湿法脱硫中的水分蒸发,不含任何污染物。但其排放大气后,由于温度下降,部分气态水会凝结成粒径在1微米左右的细小水滴,飘散在空中,由于粒径很小,不会降落到地面,就是我们所说的白色烟羽或者大白烟。由于大气不是饱和状态,因此细小的水滴很快就会被蒸发,什么也看不见。

    所有的烟气消白技术,均离不开烟气加热环节,即通过加热的方式,大幅提高烟气温度,让烟气中的气态水处于高度不饱和状态,使得烟气排入大气后,即使温度下降,气态水也不会冷凝形成细小液滴,从而消除白色烟羽。由此可见,加热消白的方式并不减少污染物排放,相反,加热烟气要消耗大量能量,烟气加热及阻力增加一般会提高供电煤耗每千瓦时1~3克。即使在超低排放条件下,也会使相应排放的总PM2.5浓度提高每立方米0.6~1.8毫克。可见,烟 气消白是美容,不但不减少污染物排放,相反会增加耗煤,增加污染物排放。

03治理雾霾需要对症下药

    烟气从烟囱排入大气,依赖动力抬升与热力抬升,烟气抬升高度越高,扩散的范围越大,污染物对地面浓度影响越小。由于烟气消白需要加热,因此消白后的干烟气抬升高度比湿烟气要高,扩散后污染物对地面浓度的影响要小,污染物地面浓度可以下降一倍左右。但由于实现了超低排放,即使是湿烟气排放,颗粒物对地面日均浓度贡献年最大值仅占标准限值的1%左右,因此烟气是否消白,对当地环境空气中的颗粒物浓度影响甚微。

    烟气中3种液态水占总水量比例不足0.05%,其中溶解较多盐分的仅是烟气挟带的脱硫浆液,根据实测和计算,满足超低排放要求的采用石灰石—石膏湿法脱硫的电厂,烟气中的溶解盐浓度每立方米一般不超过1毫克。烟气加热消白,不减少这些溶解盐的排放,只是让它们提前蒸发结晶成颗粒物。

    由于雾霾的发生,主要在冬季且湿度较大的时候,因此有人认为电厂排放的湿烟气是引起雾霾的主要原因。事实上烟囱排放的水分总量与大气中的水分总量相比微不足道,电厂烟囱排水不可能改变大气的湿度。需要指出的是,加热消白并没有减少烟气中的水分排放,即加热消白没有改变燃煤电厂烟囱的排水总量。

    从雾霾控制的角度来看,实现超低排放的电厂,颗粒物、二氧化硫、氮氧化物的减排已没有潜力。白色烟羽后存在蓝烟的少数超低排放电厂,其三氧化硫的治理会有效改善大气中PM2.5的浓度,需要加以重视。治理烟气中的三氧化硫除大幅提高低低温电除尘器、湿法脱硫、湿式电除尘器的协同脱除效果外,还可采用喷碱或烟气冷却的方法。

(作者:朱法华 系国电环境保护研究院院长、国家环保大气物理模拟与污染控制重点实验室主任)

来源:中国电力报    作者:朱法华