淺析濕法脫硫對大氣霧霾的影響

柴永志

（CLP中電企業(yè)管理（北京）有限公司 北京 100020）

引言

霧霾天氣是一種大氣污染狀態(tài)，霧霾是對大氣中各種懸浮顆粒物含量超標的籠統(tǒng)表述，尤其是PM2.5被認為是造成霧霾天氣的“元兇”[1]。目前普遍認為霧霾的形成原因主要集中在燃煤，機動車尾氣，工業(yè)排放，建筑業(yè)，餐飲等行業(yè)。中科院大氣物理研究所研究員張仁建[2]認為，春季PM2.5的主要來源有無機氣溶膠、沙塵和生物質燃燒；夏季主要來源為工業(yè)污染；在秋冬季節(jié)，燃煤及建筑工地的浮塵影響最大。汽車尾氣的排放物大多轉化為了二次無機氣溶膠。

燃煤電廠作為化石能源消耗大戶，一直以來受到環(huán)保界的持續(xù)關注。2014年9月，新發(fā)布的《煤電節(jié)能減排升級與改造計劃（2014-2020年）》[3]，對新建及大型機組提出了史上最嚴的超低排放要求，即在基準氧含量6%條件下，NOx，SO2，顆粒物排放濃度分別不超過 50mg/Nm3，35mg/Nm3，10mg/Nm3。隨著煤電減排指標的日益嚴苛，污染物限排濃度的持續(xù)降低，但公眾期待的藍天碧水并沒有出現(xiàn)，燃煤電廠的煙氣污染物控制再次出現(xiàn)在了公眾的視野，目前社會關注的主要話題集中在電廠主流的濕法脫硫技術（FGD）是否助長了霧霾的發(fā)生。截止2016年底，我國97%以上的脫硫機組使用濕法脫硫，其中，石灰石-石膏法占據(jù)了絕大部分（92.9%）

石灰石-石膏脫硫技術主要是原理是利用石灰石 (CaCO3)漿液作洗滌劑，在反應塔中對煙氣進行洗滌，從而除去煙氣中的SO2，其脫除效率一般大于95%。大多數(shù)燃煤電廠采用的石灰石濕法脫硫技術是對霧霾治理的進步還是倒退，不同學者有不同的見解。

1 FGD加劇霧霾

隨著濕法脫硫技術的大規(guī)模普及，治理霧霾卻未有明顯的效果。對此，何平[4]（美國威斯康星大學土木環(huán)境工程系博士，國際中國環(huán)境基金會（IFCE）總裁）認為經FGD系統(tǒng)處理的煙氣濕度增加，殘留在其中的細煤灰、硫酸銨、硝酸銨、硫酸鈣、硝酸鈣等在大氣中遇到工業(yè)排放于汽車尾氣的二次污染物，形成嚴重的氣溶膠，加劇了霧霾的產生。與此同時，由于沒有排煙溫度和濕度的詳細規(guī)定，電廠開始大規(guī)模取消GGH，使得煙氣抬升高度下降，難以擴散，更加劇了霧霾的形成。

對這一說法，陶光遠[5]（（中德可再生能源中心主任）表示贊同，他提供了所在實驗團隊針對華北某市電廠的超凈煙氣處理設備處理之后的煙氣凝結水的化驗數(shù)據(jù)，將凝結水蒸發(fā)后其中的硫酸鹽含量為100~300mg/Nm3，遠大于燃煤電廠超凈排放標準的5~10mg/m3。除此之外，陶光遠認為燃煤電廠中GGH的經常性堵塞更能說明經過煙氣處理設備的濕煙氣中含有大量的硫酸鹽。

針對GGH的取消是否加劇了霧霾，繆正清[6-7]（上海交通大學副教授）認為現(xiàn)行的FGD系統(tǒng)盡管能夠高效的吸收轉化煙氣中的SO2，但是并沒有做到高效收集。因為脫硫塔內的洗滌水并沒有經過再生處理，其中的硫酸鹽，碳酸鹽等極細的顆粒存留于濕煙氣中。當這部分濕煙氣經過沒有安裝GGH的煙囪后，以水霧作為媒介，增加了大氣中的鹽含量，含量達到134ug/m3。

2 FGD不應為霧霾背鍋

FGD系統(tǒng)經過的多年的發(fā)展，被世界上絕大多數(shù)的大型燃煤電廠采用，其中的脫硫工藝已非常先進。王志軒[8]（中電聯(lián)副理事長）認為FGD系統(tǒng)排出的濕煙氣引發(fā)霧霾這個說法不正確，SO2對環(huán)境的影響主要取決于電廠脫硫效率。對于GGH的取消是否加重霧霾，王志軒表示由于質量守恒，同樣的SO2含量，煙氣抬升高度的降低只會使煙囪附近的污染物濃度增高，而遠距離環(huán)境的濃度肯定會降低。并且由于超凈排放設備的處理，SO2的排放不超過35mg/m3，那遠距離環(huán)境的濃度只會低于這個數(shù)值。

對于濕煙氣中攜帶可溶鹽加劇了霧霾的說法，朱法華[9]（國電環(huán)境保護研究院院長）則給出了團隊的數(shù)據(jù)，實驗團隊自行采用多種方法對多個電廠進行了研究性監(jiān)測。結果表明，F(xiàn)GD排放的可溶鹽小于1mg/m3，這個濃度對環(huán)境沒有影響。朱法華認為FGD處理后的煙氣只有0.4%的液態(tài)水，這部分的確可以溶解鹽的。但是FGD排放的可溶鹽主要是CaSO4，CaSO3，CaCO3，三者的可溶性見表1，極少的水量與較難溶解的鈣鹽，二者相乘即可知FGD導致的可溶鹽不會多。

表1 主要鈣鹽溶解性表

十幾年來，燃煤電廠不斷采用先進的污染物處理技術，使煙氣污染物的排放水平降低90%以上。霧霾的持續(xù)存在不應由電廠負全責，彭應登[10]（國家城市環(huán)境污染控制技術研究中心研究員）認為冬季采暖的大氣污染物排放量比平時增加30%以上，加上冬季大氣混合層平均壓縮30%以上，污染負荷增大和環(huán)境容量降低的雙重惡化，是近十年冬季空氣質量難以改善的根本內在原因，某一技術層面微小的調整變化暫時還不能撼動這個困局。侯峰[11]（旅美工程師，文化和戰(zhàn)略工程師）表示霧霾的問題不僅在中國，在美國這種發(fā)達國家也同樣存在，盤踞在美國亞利桑那州菲尼克斯市上空的霧霾每年冬天如期而至。侯峰認為，菲尼克斯市的霧霾成因主要是汽車尾氣與當?shù)厝讼埠萌荒救∨?，菲尼克斯市擁有良好的能源結構（多核少煤）、揚塵控制（地表全覆蓋）和地理擴散條件（平原地帶），尚無法避免霧霾，而中國內陸的人口密度，車輛密度，工業(yè)污染和揚塵的疊加效應，以及較差的地理擴散條件，治理霧霾絕非單純是濕法脫硫的問題。

若是濕法脫硫加劇了霧霾的發(fā)展，則珠三角的空氣質量應該也同樣不容樂觀。王圣[12]（國電環(huán)境保護研究院副院長）表示，廣東省的燃煤裝機量處于全國第三的位置，但珠三角地區(qū)的空氣質量一直處于較好的水平。另外，北京近年來已將周圍四座大型供熱電廠停了三座，但是冬季霧霾所發(fā)揮的威力并沒有較往年減輕，這從另一方面也說明了電廠FGD項目不應為霧霾負全部責任。

污染物的含量是霧霾天氣的主要原因，柴發(fā)合[13]（中國環(huán)境科學研究院副院長）、江億[14]（中國工程院院士）認為對于現(xiàn)代大型燃煤發(fā)電廠，在脫硝，電除塵，脫硫工藝都齊全并正常運行的情況下，GGH的存在與否對煙氣污染物減排并無實質影響。GGH主要起到了對污染物遠距離運輸，滿足公眾“視覺環(huán)?！钡男枨?，對擴散落地濃度僅為擴散稀釋作用，是一種權宜之計。白色煙羽并不是環(huán)境問題，是一個公眾認識問題。法脫硫過程中若產生白色煙羽，說明煙氣溫度低，其中含有大量的水蒸氣，并且除霧器效果較好，凈煙氣中的液滴直徑多在20um以下，煙氣流速一般低于18m/s。若除霧器效果較差，則會在電廠周圍產生石膏雨，落下來的是大顆粒，并不對霧霾產生影響，表2是某電廠周圍石膏雨成分化驗分析。

表2 石膏雨中化學成分分析

除霧器對不同直徑霧滴的脫除效率不同，對直徑大于22μm的霧滴的去除率為99.99%，對直徑15~22μm的液滴去除率為50%，對15μm一下的霧滴無法攔截，因此凈煙氣中攜帶必然攜帶有一定的石膏漿液，可通過在系統(tǒng)設計時考慮入口煙氣量與設計偏差、煙氣流速、除霧器選型與較小的液氣比來減小石膏雨的產生[15]。

3 FGD溢出石膏量分析

3.1 分析對象

以某燃煤電廠600MW機組濕法脫硫為分析案例，表3為機組脫硫裝置運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。機組平均一年石灰石使用量為2萬噸。

電廠采用SCR脫硝設備，電除塵（ESP），石灰石-石膏濕法脫硫（FGD）等一系列煙氣處理設備。SCR設備采用蜂窩式催化劑，多層布置，脫硝效率達到85%，電除塵效率達到95%，F(xiàn)GD效率達到99%。

表3 機組脫硫裝置主要運行參數(shù)

處理過的煙氣經過FGD系統(tǒng)，由于FGD對粉塵同樣具有去除作用，經過FGD系統(tǒng)后煙氣污染物濃度如表4所示。

表4 電廠煙氣凈化處理后污染物濃度表

為了得到機組在應用一系列煙氣處理設備后溢出的石膏量，分別從石灰石耗量，煙氣攜帶石膏雨含量和濕蒸汽中含鹽量進行估算。

3.2 從石灰石耗量進行估算

由于石灰石-石膏法采用石灰石為脫硫原料，若經過煙氣處理設備后若產生鹽類，其中超過99%都屬于鈣鹽。600MW機組平均一年使用石灰石為2萬噸，石灰石純度為92%，純石灰石經濕法脫硫系統(tǒng)后，轉化為石膏（CaSO4含量92%），表5為脫硫過程中鈣鹽的分子量轉化過程。

表5 鈣鹽分子量

此機組濕法脫硫后產生的石膏為2×0.92×136/100/0.92=2.72萬噸/年，假設濕法脫硫后顆粒直徑極細的石膏CaSO4顆粒（一般為15μm以下）逃離除霧器，除霧器效率為99%。則此機組全年這算溢出CaSO4總量為：

3.3 從脫硫工藝進行估算

濕煙氣的排放量為G1=2440400m3/h，干煙氣的排放量為G2=2347400m3/h，按吸收塔出口煙氣出口平均溫度為50.7℃計算。則煙囪出口煙氣攜帶的飽和水蒸氣為：

其中，ρ為干煙氣密度，ρ=1.344kg/m3，d 為煙氣含濕量，pw為

脫硫系統(tǒng)中石膏漿液主要來源于吸收塔噴淋層噴嘴霧化后的小液滴，吸收塔內除霧器將經過的煙氣中含液態(tài)水量控制在75mg/m3以下，未攔截的小液滴（直徑一般為15μm以下）排出煙囪形成石膏雨。對比表2中石膏雨化學含量分析，將石膏雨中除水分之外的煙塵及鈣氧化物都認為是煙氣經FGD系統(tǒng)后遺留產物后能夠引起霧霾形成的物質，則排放量為：

3.4 對估算結果分析

取Q1，Q2的平均值，得到此600MW機組溢出石膏總量為250t/年。截止2015年，全國火電裝機量達到10億千瓦，按機組投運率60%計算，則2015全國石膏溢出量為10×108/60/105×60%×250=25萬噸。2015全國廢氣中煙（粉）塵排放量為1538萬噸[16]，同年的工業(yè)產生煙塵排放量為1232.6萬噸，占2015年總煙塵量的80%。假設經FGD系統(tǒng)溢出的石膏顆粒全部轉化為煙塵，則火電廠排放的經石膏轉化成的煙塵占全國煙塵排放量1.6%，占工業(yè)生產排放煙氣量的2.0%。

另，參閱全國環(huán)境公報（2015）[16]，全國共調查統(tǒng)計工業(yè)企業(yè)161598家，其中黑色金屬冶煉和壓延加工廠3476家，排放煙（粉）塵357.2萬噸；火電行業(yè)3539家，排放煙粉塵165.2萬噸；水泥制造企業(yè)3377家，排放煙（粉）塵83.6萬噸。由此可見，火電行業(yè)排放的粉塵量為冶金行業(yè)的一半。

結語

在現(xiàn)代大型電廠生產水平和煙氣處理水平不斷提高的狀態(tài)下，全國范圍內天氣狀況并沒有明顯改善，這引起了科學界與公眾對于燃煤電廠中濕法脫硫的關注。文中對比了近段時間比較典型的觀點，分別從濕法脫硫是否會導致霧霾天氣，以及GGH的取消是否會加劇這種現(xiàn)象進行介紹。由于目前并沒有權威的實時數(shù)據(jù)發(fā)布，所以各種討論從邏輯推理上進行，并沒有真實的實驗數(shù)據(jù)。本文以某電廠為例，粗略估算了若石膏從FGD中溢出，其溢出量占總煙塵量的1.6%，占工業(yè)煙塵量的2.0%。

[1]智穎.呼和浩特市空氣顆粒物PM_（2.5）污染特征分析[D].內蒙古大學,2014.

[2]ZHANG R,JING J,TAO J,etc.Chemical characterization and source apportionment of PM2.5 in Beijing：Seasonal perspective[J].Atmospheric Chemistry and Physics,2013,13(14)：7053-7074.

[3]中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.關于印發(fā)《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014-2020年）》的通知[R/OL].(2014-09-12).

[4]何平.濕法脫硫發(fā)生器和催化器，應當立即禁止[N/OL].(2017-04-13).

[5]陶光遠.濕法脫硫：治理燃煤煙氣污染卻成巨大污染源[N/OL].(2017-08-04).

[6]繆正清.再論濕法煙氣脫硫可能為引起全國性霧霾的主要原因[J/OL].(2014-01-19).

[7]繆正清.三論濕法煙氣脫硫可能為引起全國性霧霾的主要原因[J/OL].(2014-07-09).

[8]王志軒.燃煤電廠脫硫脫硝并未加劇霧霾[N/OL].(2017-01-19).

[9]朱法華.煤電濕法脫硫是治霾功臣[N/OL].(2017-09-12).

[10]彭應登.北京大幅度消除重污染天氣至少需要25年[N/OL].(2016-01-09).

[11]侯峰.一個旅美清華工程師眼中的中國“霧霾真相”[N/OL].(2015-12-21).

[12]王圣.濕法脫硫爭論再起[N/OL].(2017-08-21).

[13]柴發(fā)合.霧霾，濕法脫硫惹的禍[N/OL].(2015-12-10).

[14]江億.治霾神技被疑治霾罪魁：脫硫技術應用有問題[N/OL].(2015-12-09).

[15]程永新,曹佩.濕法煙氣脫硫系統(tǒng)中“石膏雨”問題的分析及對策[J].電力建設,2010,31(11)：94-97.

[16]中華人民共和國環(huán)境保護部.全國環(huán)境統(tǒng)計公報 (2015)[R/OL].(2017-02-23).