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霧霾元兇是水分排放過多?專家建議新增治氣指

霧霾元兇是水分排放過多?專家建議新增治氣指標(biāo)2017年03月28日

【中國環(huán)保在線 廢氣處理】李克強(qiáng)總理強(qiáng)調(diào),要集中科學(xué)家攻克霧霾形成機(jī)理難題。本文通過對(duì)比法和簡單實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論,我國大范圍頻繁出現(xiàn)的霧霾污染的元兇就是人為排放的水分過多。同時(shí),本文也提出了治理對(duì)策:排煙除濕脫白,并且建議各行業(yè)環(huán)保大氣控制標(biāo)準(zhǔn)增加排煙溫濕度控制指標(biāo)要求。

霧霾元兇是水分排放過多?專家建議新增治氣指標(biāo)
 
我國大氣霧霾的元兇到底是什么?治理對(duì)策是什么?以電力行業(yè)濕法脫硫?yàn)槭椎墓I(yè)排煙濕度大和排煙水份中的溶解性顆粒物就是元兇,對(duì)策是排煙除濕脫白,這不僅能快速抑制霧霾,還能大幅減少煤炭清潔燃燒的投資和成本,節(jié)水、節(jié)能,分享如下供指教和參考。
 
追尋元兇:簡單對(duì)比法
 
回想十多年前,我國酸雨、工業(yè)煙粉塵排放量都大但卻少有霧霾,十多年來從電力行業(yè)開始普及應(yīng)用鍋爐煙氣除塵、脫硫、脫硝,近年來又推行超低排放,主要指標(biāo)如顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放量都大幅度降低,霧霾卻多了,為什么?我們用簡單對(duì)比,結(jié)果見表1,對(duì)比看出,僅火電行業(yè)2014年排放煙氣中的水量就比2005年增加了超過15億噸,排煙水分中的溶解性顆粒物排放量2000萬噸以上,這還不包括循環(huán)水冷卻塔排放的水分。估算的方法是,每燃燒1噸煤排放10000m3煙氣,沒有脫硫時(shí)排煙所含水分50g/m3,脫硫濕煙氣所含飽和水分0.112kg/m3(@50°C),水中溶解性顆粒物1000mg/L。順序還有燃煤熱電、天然氣鍋爐、鋼鐵、焦炭、電解鋁、水泥、平板玻璃、汽車尾氣、餐飲等,估算全國每年人為排放濕煙氣所含水分超過60億噸,這應(yīng)該就是我國大氣霧霾的元兇。

表1電力行業(yè)主要污染物排放量(萬噸)
 
有些人一直強(qiáng)調(diào),霧是霧、霾是霾,那就擱置霾的來源,做為常識(shí),首先霧就是水,能看見的白霧就是小水滴。煙氣中水蒸汽屬于氣體,是除霧器、哪怕十級(jí)除霧器,包括濕式靜電除塵器都除不去的,并且是在燃燒過程中和脫硫漿液噴淋期間產(chǎn)生的,而不是除霧器清洗過程產(chǎn)生的。煙氣中飽和水蒸汽密度0.804kg/m3小于空氣,排出煙囪與低溫環(huán)境空氣混合降溫后變?yōu)殚L長的白霧,霧滴顆粒為PM2.5級(jí),很細(xì)很多,但密度與水相同、為1000kg/m3,是空氣密度的近800倍,懸浮累計(jì)在幾百米到幾千米的大氣層中形成大霧,這從飛機(jī)上都看得到。遇天氣升溫水霧蒸發(fā)為水蒸汽,水中的溶解性顆粒物析出就是霾,遇冷冷凝會(huì)變成雨、雪,或遇風(fēng)可被風(fēng)吹走。一再強(qiáng)調(diào)霧霾與天氣條件有關(guān)、屬于氣象災(zāi)害純都是推托,人不能勝天,但可以改變我們自己。多項(xiàng)研究表明,我國大氣霧霾的PM2.5來源中來自二次生成,而二次生成的細(xì)顆粒與水分密切相關(guān),也就是說霧就是人為排放水分多直接導(dǎo)致的,而霾則主要是間接產(chǎn)生的。把煙氣中產(chǎn)生的水分用國土面積去分?jǐn)偸堑图?jí)錯(cuò)誤,我國霧霾的產(chǎn)生與能源消耗密度密切相關(guān),是極不均勻的。
 
追尋元兇:簡單試驗(yàn)
 
為了驗(yàn)證煙氣中水分對(duì)霧霾形成的影響,進(jìn)行了簡單試驗(yàn),方法是向房間加濕器內(nèi)分別加入純凈水、礦泉水和自來水,監(jiān)測室內(nèi)空氣污染情況,試驗(yàn)結(jié)果如下:
 
l加純凈水,室內(nèi)PM2.5濃度為20微克/立3
 
l加礦泉水,室內(nèi)PM2.5濃度為30微克/立3
 
l加自來水,室內(nèi)PM2.5濃度為340微克/立3
 
參考空氣質(zhì)量指數(shù)標(biāo)準(zhǔn):PM2.5濃度為0-50微克/立3空氣質(zhì)量為一級(jí),51-100微克/立3空氣質(zhì)量為二級(jí),大于300微克/立3為重度污染。
 
深入分析純凈水、礦泉水與自來水的區(qū)別,水中的可溶性顆粒物含量TDS差別大。溶解性顆粒物的特點(diǎn)是可溶解于水中,在排放煙氣檢測時(shí)呈水分狀態(tài),檢測不出顆粒物,離開煙囪后水分蒸發(fā),可溶性固體就會(huì)再以固體顆粒出現(xiàn),并且均為超細(xì)顆粒。純凈水的TDS為0-5mg/L,礦泉水為5-50mg/L,合格自來水TDS為50-120mg/L,不合格的自來水TDS為可達(dá)300mg/L;相比之下,各種工業(yè)凈水(直流冷卻水、循環(huán)冷卻水補(bǔ)充水、洗滌用水、鍋爐補(bǔ)充水、工藝和產(chǎn)品用水)的TDS控制標(biāo)準(zhǔn)為小于1000mg/L,而濕法脫硫循環(huán)液不僅TDS高達(dá)30000mg/L以上,還含有20%的懸浮固體顆粒。這個(gè)試驗(yàn)容易重復(fù)做,結(jié)果都相似。張家口有人在加濕器加入自來水后發(fā)現(xiàn),房間內(nèi)都除都有一薄層白色粉末。還有開啟加濕器后發(fā)現(xiàn)孩子咳嗽加重。這些結(jié)果應(yīng)該能解釋為什么我國十多年來大氣治理各項(xiàng)考核指標(biāo)都大幅降低的情況下,為什么霧霾卻越來越嚴(yán)重,因?yàn)檎嬲龑?dǎo)致產(chǎn)生霧霾的根源性因素在現(xiàn)有的電力行業(yè)超低排放和鋼鐵、天然氣、煤焦化、包括餐飲在內(nèi)的各行業(yè)大氣污染控制標(biāo)準(zhǔn)中,都沒有控制要求。有些人總喜歡拿一些發(fā)達(dá)國家的做法說事,就算發(fā)達(dá)國家都不強(qiáng)制控制煙氣濕度對(duì)我國治理霧霾參考借鑒價(jià)值也不大,因?yàn)樗麄兊拿汉目偭啃〉枚唷⒎稚?。中國的霧霾必須、只能用我們自己的方法解決。
 治理對(duì)策:排煙除濕脫白
 
上述研究結(jié)果表明,霧霾源自于水,也可以用水抑制。治理我國霧霾政府正在推行的燃煤超低排放、煤改氣、煤改電、散煤治理、汽車尾氣、秸稈禁燒、建筑揚(yáng)塵控制等等都是十分必要,問題是要不要控制排放水分?為了驗(yàn)證煙氣除濕脫白對(duì)于抑制霧霾、超低排放和余熱深度回收的作用,中國節(jié)能協(xié)會(huì)、清華大學(xué)建筑節(jié)能中心牽頭,在熱力鍋爐上進(jìn)行了工業(yè)示范項(xiàng)目的建設(shè),項(xiàng)目在兩臺(tái)130噸+1臺(tái)220噸鍋爐的濕法脫硫和循環(huán)水冷卻塔上進(jìn)行,在兩臺(tái)130噸鍋爐共用的濕法脫硫塔后、煙囪之間增加1套立式直接噴淋換熱深度凈化系統(tǒng),在1臺(tái)220噸鍋爐脫硫塔后、煙囪之間增加1臺(tái)臥式直接噴淋換熱深度凈化系統(tǒng),除濕脫白、深度凈化后的煙氣通過共用的煙囪排放。示范項(xiàng)目的主要數(shù)據(jù)和結(jié)果如下:
 
l處理煙氣量:120萬m3/h
 
l實(shí)測入口煙氣溫度:——50℃
 
l實(shí)測出口煙氣溫度:——40℃
 
l計(jì)算入口煙氣濕度:114g/Nm3
 
l計(jì)算出口煙氣濕度:63g/Nm3
 
l計(jì)算除濕量和冷凝水回收量:45%
 
l實(shí)測循環(huán)水溫:供水≤30℃、排水——40℃
 
l實(shí)測出口粉塵濃度:≤10mg/Nm3
 
l實(shí)測出口SO2濃度:17mg/Nm3
 
l實(shí)測出口NOx濃度:55mg/Nm3
 
運(yùn)行結(jié)果表明,通過煙氣直接噴淋冷凝除濕和深度凈化,首先低成本實(shí)現(xiàn)了電力行業(yè)現(xiàn)行的煙氣超低排放指標(biāo),同時(shí)通過回收煙氣余熱和冷凝水,企業(yè)增加供熱能力15%,提高鍋爐燃煤綜合效率7%,一個(gè)采暖季凈增效益760萬元,投資回收期不到四年。企業(yè)還對(duì)循環(huán)水冷卻的余熱進(jìn)行了回收利用,均采用特殊設(shè)計(jì)的高溫?zé)岜没厥昭h(huán)水的余熱,外供80-120℃熱水用于供熱,煙氣的低溫余熱則通過直接噴淋換熱轉(zhuǎn)移到循環(huán)水中。在我國能源結(jié)構(gòu)主要是煤炭,電力、熱力等行業(yè)燃煤鍋爐大量采用濕法脫硫短時(shí)期內(nèi)難以改變的情況下,該示范項(xiàng)目首先證明超低排放可以實(shí)現(xiàn)低成本、甚至有效益,更主要的是,通過直接噴淋冷凝除濕脫白也為煤炭清潔燃燒、抑制霧霾提供了可行技術(shù),是更符合國情的大氣和能源發(fā)展道路。
 
機(jī)遇:低成本超低排放、節(jié)水、節(jié)能
 
水在自然界有三種狀態(tài):固態(tài)冰、雪,液態(tài)水、霧,氣態(tài)水蒸汽。水吸熱后會(huì)蒸發(fā)相變?yōu)樗羝M(jìn)入大氣,水蒸汽含量達(dá)到飽和后的大氣遇冷降溫就會(huì)再相變?yōu)殪F、雨、雪、冰雹等。在地球表面積、太陽輻射變化不大的情況下,自然界水變蒸汽、蒸汽冷凝成水有其自身的規(guī)律和平衡,我國濕月份室外平均大氣濕度為12g/kg(折算15g/Nm3),西北部大氣濕度低屬于干燥區(qū)域,東南部屬于高濕區(qū)域。工業(yè)、民生等人為排放煙氣濕度過大就破壞的自然界本來的平衡和規(guī)律。對(duì)我國主要各行業(yè)煙氣除濕量的估算如下:
 
4.1火電:火電行業(yè)燃煤鍋爐濕法脫硫和循環(huán)水冷卻塔排水:每燃燒1噸煤濕煙氣帶走水份1噸,主要包括煤中原始含水、脫硫補(bǔ)充水,火電循環(huán)水冷卻塔向大氣排放更多的水分,僅火電行業(yè)每年向大氣排放的濕煙氣夾帶水份和循環(huán)水冷卻塔散失的水份就超過二十億噸,與燃煤量相接近。以60萬千瓦煤電機(jī)組為例,采用濕法脫硫工藝每小時(shí)排放水份90t/h,循環(huán)水冷卻塔煤小時(shí)排放水分700t/h。
 
4.2鋼鐵行業(yè):鋼鐵行業(yè)燒結(jié)脫硫排煙、高爐水沖渣、連鑄二冷蒸汽、轉(zhuǎn)爐燜渣、轉(zhuǎn)爐除塵、濕熄焦、循環(huán)水冷卻塔等排煙蒸發(fā)散失的水分為1.5t/t,按照年產(chǎn)鋼10億噸估算,鋼鐵行業(yè)每年向大氣排放水分15億噸。
 
4.3天燃?xì)馊紵好咳紵?單位體積的天燃?xì)猓瑫?huì)產(chǎn)生2個(gè)體積的水蒸汽,按照2014年我國天燃?xì)庀牧?800億立方米,則產(chǎn)生3600億立方米水蒸汽,折合近3億噸水分。
 
4.4煤焦化:按照我國焦炭實(shí)際產(chǎn)量4.5億噸、噸焦放散水分0.5t/t,煤焦化行業(yè)每年排放水分2.25億噸,其中在鋼鐵行業(yè),另一半主要在獨(dú)立焦化廠的濕熄焦系統(tǒng)。
 
還有有色、化工、建材、玻璃、餐飲油煙等,估算我國放散煙氣每年人為排放到大氣的水分超過60億噸,主要集中在京津冀、長三角、珠三角,也就是霧霾嚴(yán)重的區(qū)域,分布極不均勻,重點(diǎn)是燃煤鍋爐、鋼鐵、天然氣和煤焦化。煙氣除濕的主要意義至少有如下幾點(diǎn):
 
l抑制霧霾,低成本實(shí)現(xiàn)超低排放、環(huán)保達(dá)標(biāo),還可以除酸、除VOC、除重金屬、二噁英等水溶性污染成分,將煙氣中污染成分一網(wǎng)打盡
 
l節(jié)水:按照80%的回收率,年節(jié)水預(yù)計(jì)40億噸,回收的冷凝水接近蒸餾水,只需簡單處理就能回用,年回收量可以超過海水淡化總量,成為一個(gè)新的非常規(guī)水源,但比海水淡化、南水北掉更經(jīng)濟(jì)
 
l回收低溫余熱:鍋爐效率提高10%
 

l該系統(tǒng)還可以考慮處理利用廢水……

煙氣除濕脫白的可行技術(shù)途徑
 
煙氣除濕有混風(fēng)除濕、升溫除濕、冷凍除濕、吸附除濕、溶液除濕和混合除濕等幾類方法?,F(xiàn)在的濕煙氣排出煙囪一定距離后白霧消除就屬于混風(fēng)除濕,——50°C飽和濕煙氣與低溫的環(huán)境空氣混合后,煙氣的相對(duì)濕度降低到接近大氣水平,但實(shí)際上排放煙氣的總含濕量沒有減少。我國引進(jìn)濕法脫硫工藝中,采用升溫除濕技術(shù),比如GGH、MGGH,通過濕煙氣與脫硫塔進(jìn)口高溫?zé)煔忾g接換熱升溫,降低煙氣的相對(duì)濕度除濕脫白,同樣也沒有減少排水的總水分,并且增加能耗。由于升溫除濕存在沒有減少水分排放量、投資、運(yùn)行成本高、維修量大等許多問題,其推廣應(yīng)用一直存在爭論,在超低排放的技術(shù)規(guī)范中僅被列為可選擇項(xiàng)目,有的廠家用,大部分企業(yè)不用、甚至拆除,這是導(dǎo)致我國霧霾一個(gè)嚴(yán)重錯(cuò)誤,也算有一定理由。國外也有企業(yè)采用天然氣燃燒后的高溫?zé)煔馀c濕煙氣混風(fēng)、升溫除濕,消耗額外能量,也不值得推廣。國內(nèi)也有人研究溶液除濕,有開發(fā)前途,但還沒有達(dá)到在煙氣濕法脫硫系統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用的水平。
 
目前一實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用值得推廣的就是前述示范項(xiàng)目所采用的直接噴淋換熱冷凍除濕,將放散濕煙氣逐步冷卻到大氣平均溫濕度好,比如降低到25°C、相對(duì)濕度70%,可以解決排煙除濕,回收冷凝水接近80%,再熱后則煙囪無需防腐。
 
問題討論
 
1)超低排放:由于我國煤炭消耗量巨大,火電、熱力等行業(yè)必須實(shí)施超低排放,鋼鐵、天然氣、焦化等行業(yè)也應(yīng)該實(shí)施以潔凈空氣指標(biāo)為參照的超低近零排放。但超低排放的工藝流程、設(shè)備選擇還有減少投資降低成本為目的的簡化、優(yōu)化的必要,主要問題:一是沒有控制煙氣的溫度濕度,指標(biāo)設(shè)計(jì)上存在缺失,二是將濕式靜電除塵器做為主要技術(shù)措施,濕電在精除塵、除白霧方面確有良好效果,問題是濕電不能去除水蒸汽狀態(tài)的水分,而且由于工藝定位不當(dāng),濕電入口煙氣粉塵濃度、溫度、濕度值設(shè)計(jì)不合理,導(dǎo)致造價(jià)高、設(shè)備尺寸大,是否能長期穩(wěn)定運(yùn)行也有疑問。
 
2)煙氣脫硝:以電力行業(yè)為代表的煙氣脫硝大量采用SCR、SNCR噴氨脫硝,首先由于氨的生產(chǎn)過程是高耗能高污染的行業(yè),噴氨脫硫純屬污染物轉(zhuǎn)移,得不償失。更主要的是,噴氨脫硝存在的氨逃逸也是形成霧霾的重要因素。
 
3)除塵技術(shù):目前除塵技術(shù)選擇上過于選擇干式電除塵、電袋、布袋,這些類型的除塵器出口顆粒物濃度降低到20mg/m3、甚至5mg/m3都是可能的,問題是否合理、是否經(jīng)濟(jì)。研究表明,如前所述,經(jīng)過濕法脫硫排放煙氣中水分中夾帶出去的溶解性顆粒物遠(yuǎn)超過100mg/m3,因此通過脫硫塔改進(jìn),通過噴淋冷凝洗滌達(dá)到5mg/m3才更有意義,投資、運(yùn)行費(fèi)用也都更低,前面原有的電除塵器可以利用,但沒有必要進(jìn)行超低改造。
 
4)煤改氣:從長遠(yuǎn)看,我國進(jìn)行能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、多用清潔能源是完全正確和十分必要的,但需要一定的條件,比如用天然氣、電的價(jià)格降低到與用煤接近的水平,需要通過市場手段而不是行政手段。我國現(xiàn)在焦化廠行業(yè)存在產(chǎn)能過剩,許多廠都付產(chǎn)天然氣,在煤制天然氣技術(shù)發(fā)展到一定程度國內(nèi)供應(yīng)量充足、價(jià)格有優(yōu)勢時(shí),用戶自然會(huì)選擇多用天然氣。用天然氣也必須充分進(jìn)行脫硝和除濕,才是真正的清潔能源。
 
4)直接噴淋除濕:采用直接噴淋冷凝除濕脫白和深度凈化設(shè)備簡單、投資少,但通過熱泵實(shí)現(xiàn)循環(huán)水的冷卻和余熱回收投資較多,回收余熱需要投入的蒸汽、天然氣、電等能耗高。在采暖季余熱能得到利用,而在不需要采暖的地方和季節(jié),大量的冷卻所需冷量和低溫余熱用途是需要考慮的問題。研究采用直接噴淋與間接換熱相結(jié)合的混合冷凝工藝可以減少熱泵的容量和能耗,應(yīng)該更經(jīng)濟(jì)。按照必要性和經(jīng)濟(jì)性順序考慮,首先除濕脫白是除霧霾的需要,還能節(jié)水、低成本實(shí)現(xiàn)超低排放,足夠的投入是必須的。為了降低投資、運(yùn)行成本,可以按照回收和不回收利用余熱,順便選擇以下免費(fèi)、廉價(jià)冷源和低溫余熱的用途:
 
l自然冷源:海、江、河、湖、地?zé)?、冷空?/span>
 
l人工游泳池、河、湖、景觀
 
l自來水、生活排污水
 
l本系統(tǒng)或企業(yè)工藝?yán)?/span>
 
l生活熱水
 
l冬季采暖
 
l夏季空調(diào)供冷
 
l低溫余熱發(fā)電
 
結(jié)論與建議
 
1、我國大范圍頻繁出現(xiàn)的霧霾污染的元兇就是人為排放的水分過多。
 
2、為了抑制霧霾,我國火電等各行業(yè)的環(huán)保大氣控制標(biāo)準(zhǔn)必須增加排煙溫濕度控制指標(biāo)要求,終目標(biāo)為25oC以下、相對(duì)濕度70%以下。直接噴淋冷凝除濕脫白和深度凈化是適合國情的超低近零排放技術(shù)路線。
 
3、實(shí)施煙氣除濕為主要技術(shù)手段的超低排放后,相關(guān)行業(yè)的技術(shù)設(shè)備發(fā)展需要進(jìn)行必要的調(diào)整,比如除塵、防腐、開式循環(huán)冷卻塔、SCR/SNCR脫硝等應(yīng)該淘汰、或限制采用。(劉晨)
 
注:本文有刪減
 
原標(biāo)題:我國大氣霧霾的元兇、對(duì)策與機(jī)遇探討

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