我國大氣霧霾的元兇、對策與機遇探討
我國大氣霧霾的元兇到底是什么？治理對策是什么？以電力行業濕法脫硫為首的工業排煙濕度大和排煙水份中的溶解性顆粒物就是元兇，對策是排煙除濕脫白，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，節水、節能，分享如下供指教和參考。
追尋元兇：簡單對比法
回想十多年前,我國酸雨、工業煙粉塵排放量都大但卻少有霧霾，十多年來從電力行業開始普及應用鍋爐煙氣除塵、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[1]，為什么？我們用簡單對比，結果見表1，對比看出，僅火電行業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，這應該就是我國大氣霧霾的元兇。
表1電力行業主要污染物排放量（萬噸）
有些人一直強調，霧是霧、霾是霾，那就擱置霾的來源，做為常識，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，是任何除霧器、哪怕十級除霧器，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生的，而不是除霧器清洗過程產生的。煙氣中飽和水蒸汽密度0.804kg/m3小于空氣，排出煙囪與低溫環境空氣混合降溫后變為長長的白霧，霧滴顆粒為PM2.5級，很細很多，但密度與水相同、為1000kg/m3，是空氣密度的近800倍，懸浮累計在幾百米到幾千米的大氣層中形成大霧，這從飛機上都看得到。遇天氣升溫水霧蒸發為水蒸汽，水中的溶解性顆粒物析出就是霾，遇冷冷凝會變成雨、雪，或遇風可被風吹走。一再強調霧霾與天氣條件有關、屬于氣象災害純都是推托，人不能勝天，但可以改變我們自己。多項研究表明，我國大氣霧霾的PM2.5來源中50%來自二次生成，而二次生成的細顆粒與水分密切相關，也就是說霧就是人為排放水分多直接導致的，而霾則主要是間接產生的。把煙氣中產生的水分用國土面積去分攤是低級錯誤，我國霧霾的產生與能源消耗密度密切相關，是極不均勻的。
追尋元兇：簡單試驗[2]
為了驗證煙氣中水分對霧霾形成的影響，進行了簡單試驗，方法是向房間加濕器內分別加入純凈水、礦泉水和自來水，監測室內空氣污染情況，試驗結果如下：
l加純凈水，室內PM2.5濃度為20微克/立3
l加礦泉水，室內PM2.5濃度為30微克/立3
l加自來水，室內PM2.5濃度為340微克/立3
參考空氣質量指數標準：PM2.5濃度為0-50微克/立3空氣質量為一級，51-100微克/立3空氣質量為二級，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是可溶解于水中，在排放煙氣檢測時呈水分狀態，檢測不出顆粒物，離開煙囪后水分蒸發，可溶性固體就會再以固體顆粒出現，并且均為超細顆粒。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300mg/L；相比之下，各種工業凈水（直流冷卻水、循環冷卻水補充水、洗滌用水、鍋爐補充水、工藝和產品用水）的TDS控制標準為小于1000mg/L,而濕法脫硫循環液不僅TDS高達30000mg/L以上，還含有20%的懸浮固體顆粒。這個試驗容易重復做，結果都相似。張家口有人在加濕器加入自來水后發現，房間內都除都有一薄層白色粉末。還有開啟加濕器后發現孩子咳嗽加重。這些結果應該能解釋為什么我國十多年來大氣治理各項考核指標都大幅降低的情況下，為什么霧霾卻越來越嚴重[1]，因為真正導致產生霧霾的根源性因素在現有的電力行業超低排放和鋼鐵、天然氣、煤焦化、包括餐飲在內的各行業大氣污染控制標準中，都沒有控制要求。有些人總喜歡拿一些發達國家的做法說事，就算發達國家都不強制控制煙氣濕度對我國治理霧霾參考借鑒價值也不大，因為他們的煤耗總量小得多、分散。中國的霧霾必須、只能用我們自己的方法解決。
治理對策：排煙除濕脫白[4]
上述研究結果表明，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？為了驗證煙氣除濕脫白對于抑制霧霾、超低排放和余熱深度回收的作用，中國節能協會、清華大學建筑節能中心牽頭，在熱力鍋爐上進行了工業示范項目的建設，項目在兩臺130噸+1臺220噸鍋爐的濕法脫硫和循環水冷卻塔上進行，在兩臺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，在1臺220噸鍋爐脫硫塔后、煙囪之間增加1臺臥式直接噴淋換熱深度凈化系統，除濕脫白、深度凈化后的煙氣通過共用的煙囪排放。示范項目的主要數據和結果如下：
l處理煙氣量：120萬m3/h
l實測入口煙氣溫度：~50℃
l實測出口煙氣溫度：~40℃
l計算入口煙氣濕度：114g/Nm3
l計算出口煙氣濕度：63g/Nm3
l計算除濕量和冷凝水回收量：45%
l實測循環水溫：供水≤30℃、排水~40℃
l實測出口粉塵濃度：≤10mg/Nm3
l實測出口SO2濃度：17mg/Nm3
l實測出口NOx濃度：55mg/Nm3
運行結果表明，通過煙氣直接噴淋冷凝除濕和深度凈化，首先低成本實現了電力行業現行的煙氣超低排放指標，同時通過回收煙氣余熱和冷凝水，企業增加供熱能力15%，提高鍋爐燃煤綜合效率7%，一個采暖季凈增效益760萬元，投資回收期不到四年。企業還對循環水冷卻的余熱進行了回收利用，均采用特殊設計的高溫熱泵回收循環水的余熱，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移到循環水中。在我國能源結構主要是煤炭，電力、熱力等行業燃煤鍋爐大量采用濕法脫硫短時期內難以改變的情況下，該示范項目首先證明超低排放可以實現低成本、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，是更符合國情的大氣和能源發展道路。
機遇：低成本超低排放、節水、節能
水在自然界有三種狀態：固態冰、雪，液態水、霧，氣態水蒸汽。水吸熱后會蒸發相變為水蒸汽進入大氣，水蒸汽含量達到飽和后的大氣遇冷降溫就會再相變為霧、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律和平衡，我國最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域，東南部屬于高濕區域。工業、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律。對我國主要各行業煙氣除濕量的估算如下：
4.1火電：火電行業燃煤鍋爐濕法脫硫和循環水冷卻塔排水：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、脫硫補充水，火電循環水冷卻塔向大氣排放更多的水分，僅火電行業每年向大氣排放的濕煙氣夾帶水份和循環水冷卻塔散失的水份就超過二十億噸，與燃煤量相接近。以60萬千瓦煤電機組為例，采用濕法脫硫工藝每小時排放水份90t/h，循環水冷卻塔煤小時排放水分700t/h[3]。
4.2鋼鐵行業：鋼鐵行業燒結脫硫排煙、高爐水沖渣、連鑄二冷蒸汽、轉爐燜渣、轉爐除塵、濕熄焦、循環水冷卻塔等排煙蒸發散失的水分為1.5t/t，按照年產鋼10億噸估算，鋼鐵行業每年向大氣排放水分15億噸。
4.3天燃氣燃燒：每燃燒1單位體積的天燃氣，會產生2個體積的水蒸汽，按照2014年我國天燃氣消耗量1800億立方米，則產生3600億立方米水蒸汽，折合近3億噸水分。
4.4煤焦化：按照我國焦炭實際產量4.5億噸、噸焦放散水分0.5t/t，煤焦化行業每年排放水分2.25億噸，其中50%在鋼鐵行業，另一半主要在獨立焦化廠的濕熄焦系統。
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，也就是霧霾嚴重的區域，分布極不均勻，重點是燃煤鍋爐、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：
l抑制霧霾，低成本實現超低排放、環保達標，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打盡
l節水：按照80%的回收率，年節水預計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，成為一個新的非常規水源，但比海水淡化、南水北掉更經濟
l回收低溫余熱：鍋爐效率提高10%
l該系統還可以考慮處理利用廢水。。。
煙氣除濕脫白的可行技術途徑
煙氣除濕有混風除濕、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。煙氣除濕的方法參考附圖1，現在的濕煙氣排出煙囪一定距離后白霧消除就屬于混風除濕，見圖中O點，~50°C飽和濕煙氣與低溫的環境空氣混合后，煙氣的相對濕度降低到接近大氣水平，但實際上排放煙氣的總含濕量沒有減少。我國引進濕法脫硫工藝中，采用升溫除濕技術，比如GGH、MGGH，通過濕煙氣與脫硫塔進口高溫煙氣間接換熱升溫，降低煙氣的相對濕度除濕脫白，同樣也沒有減少排水的總水分，并且增加能耗，參考圖中OA。由于升溫除濕存在沒有減少水分排放量、投資、運行成本高、維修量大等許多問題，其推廣應用一直存在爭論，在超低排放的技術規范中僅被列為可選擇項目，有的廠家用，大部分企業不用、甚至拆除，這是導致我國霧霾一個嚴重錯誤，也算有一定理由。國外也有企業采用天然氣燃燒后的高溫煙氣與濕煙氣混風、升溫除濕，消耗額外能量，也不值得推廣。國內也有人研究溶液除濕，有開發前途，但還沒有達到在煙氣濕法脫硫系統工業應用的水平。
目前唯一實現工業應用值得推廣的就是前述示范項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最好，比如降低到25°C、相對濕度70%，可以徹底解決排煙除濕，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、熱力等行業必須實施超低排放，鋼鐵、天然氣、焦化等行業也應該實施以潔凈空氣指標為參照的超低近零排放。但超低排放的工藝流程、設備選擇還有減少投資降低成本為目的的簡化、優化的必要，主要問題：一是沒有控制煙氣的溫度濕度，指標設計上存在缺失，二是將濕式靜電除塵器做為主要技術措施，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的水分，而且由于工藝定位不當，濕電入口煙氣粉塵濃度、溫度、濕度值設計不合理，導致造價高、設備尺寸大，是否能長期穩定運行也有疑問。
2）煙氣脫硝：以電力行業為代表的煙氣脫硝大量采用SCR、SNCR噴氨脫硝，首先由于氨的生產過程是高耗能高污染的行業，噴氨脫硫純屬污染物轉移，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[5]。
3）除塵技術：目前除塵技術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、是否經濟。研究表明，如前所述，經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超過100mg/m3，因此通過脫硫塔改進，通過噴淋冷凝洗滌達到5mg/m3才更有意義，投資、運行費用也都更低，前面原有的電除塵器可以利用，但沒有必要進行超低改造。
4）煤改氣：從長遠看，我國進行能源結構調整、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。我國現在焦化廠行業存在產能過剩，許多廠都付產天然氣，在煤制天然氣技術發展到一定程度國內供應量充足、價格有優勢時，用戶自然會選擇多用天然氣。用天然氣也必須充分進行脫硝和除濕，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備簡單、投資少，但通過熱泵實現循環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，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合的混合冷凝工藝可以減少熱泵的容量和能耗，應該更經濟。按照必要性和經濟性順序考慮，首先除濕脫白是除霧霾的需要，還能節水、低成本實現超低排放，足夠的投入是必須的。為了降低投資、運行成本，可以按照回收和不回收利用余熱，順便選擇以下免費、廉價冷源和低溫余熱的用途：
l自然冷源：海、江、河、湖、地熱、冷空氣
l人工游泳池、河、湖、景觀
l自來水、生活排污水
l本系統或企業工藝利用
l生活熱水
l冬季采暖
l夏季空調供冷
l低溫余熱發電
結論與建議
1.我國大范圍頻繁出現的霧霾污染的元兇就是人為排放的水分過多。
2.為了徹底抑制霧霾，我國火電等各行業的環保大氣控制標準必須增加排煙溫濕度控制指標要求，最終目標為25ºC以下、相對濕度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路線
3.實施煙氣除濕為主要技術手段的超低排放后，相關行業的技術設備發展需要進行必要的調整，比如除塵、防腐、開式循環冷卻塔、SCR/SNCR脫硝等應該淘汰、或限制采用。
作者：劉晨美國斯普瑞噴霧系統上海有限公司環保事業部總工藝師
參考文獻
[1]張靜，大氣治理15年：指標下降霧霾卻更重,第一財經日報(上海)，2014-10-29
[2]朱維群，煙氣污染物超低排放技術探討，2016年3月26日武漢第二屆全國脫硝（氮）、汞、顆粒物、除塵技術與產業發展研討會演講
[3]中國環境報2016年3月23日：專家論證：“煙氣溫度濕度對霧霾形成起關鍵作用”說法不成立
[4]江億，蒸汽鍋爐煙氣降污余熱深度回收項目介紹，2016年3月18日濟南2016鍋爐節能減排技術研討會
[5]羅衛國孫中強，為何治理力度越大霧霾越重？真相在這里，2016年12月21日網絡文章
[6]專家論證：“煙氣溫濕度對霧霾形成起關鍵作用”說服不成立，中國環境報2016年3月23日
[7]真相|環保部曝光“2016年度十大霧霾謠言”，2016年12月30日環保部宣傳教育中心和北京市環保局宣傳教育中心
[8]工程師稱天然氣采暖加劇中國北方霧霾，南華早報，2016年12月28日
[9]辟謠|煤改氣真的會加重霧霾嗎？中國環境報2016年12月18日
[10]何平不聽工程師意見，中國三年治霾無功，國際中國環境基金會，2017年1月6日網絡
[11]人民日報七問霧霾：何時能呼吸到清潔空氣？人民日報2017年1月6日
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