雾霾大爆发的根本原因:湿法脱硫取消GGH引发PM2.5粒数浓度暴增

文章来源: IFCE周勇2019-05-04 13:34

编者按
 
2013年中国雾霾爆发以来,引起国内外的广泛关注。在经济增速趋缓,燃煤总量有所下降的背景下,是什么原因导致雾霾天数突然爆发,而且长时期居高不下,是专家学者一直在探究的问题。2017年初,国际中国环境基金会(IFCE)会长何平博士指出一项污染治理工艺-湿法脱硫的缺陷导致了中国雾霾大爆发,引起广泛关注,并导致了这两年学术界和环保行业内外的大讨论, 一些地区和城市也开始治理湿法脱硫排出的有色烟羽。2017年 8月,山东省科学院研究员周勇在第一期山东科技智库论坛上对外公布三年来持续跟踪调查的结果,他表示:“湿法脱硫是导致2013年雾霾大暴发的主因,也是2016年铁腕治理下的雾霾天气反弹的主因” 。2019年4月周勇研究员在《科学与管理》杂志发表他更进一步的研究成果,指出2013-2014年中国雾霾大爆发的根本原因是湿法脱硫取消GGH引发PM2.5粒数浓度暴增, 以详尽的数据和严密的分析, 正式确认了中国雾霾大爆发的原因,并对目前的大气治理政策和措施提出了建设性的意见。以下是周勇的论文摘要。 夲呅內傛莱源亍:ф啯碳*排*放^鲛*易-網 τā ńpāīfāńɡ.cōm
 
雾霾大爆发的根本原因:湿法脱硫取消GGH引发PM2.5粒数浓度暴增
 
(摘要)
 
周勇 (齐鲁工业大学(山东省科学院),山东 济南 )
科学与管理,第39卷 第2期2019年04月
  
作者采用突变分析和系统分析方法,基于气象数据、监测数据、不同阶段相关文献中的检测数据等,构建相关分析模型,确认PM2.5粒数浓度暴增而非质量浓度变化是2013-2014年京津冀及周边省份雾霾大爆发的主因。确认硫酸根、硝酸根、铵根等水溶性离子为主的可凝结颗粒物,均受湿法脱硫取消GGH后的湿烟囱污染物排放这一因素的直接或间接影响。湿法脱硫取消GGH是最主要的引发PM2.5粒数浓度暴增的因素,同期大规模的脱硝加剧了这一趋势。其它任何因素没有在2013-2014年间发生突变的可能,也不可能引起雾霾天数倒钩型的变化。最后根据萃智创新方法提出燃煤烟气超低排放改造的优化方向。
 
造成2013—2014年雾霾大暴发的根本原因是湿法脱硫取消GGH引发一系列连锁反应,使得PM2.5粒数浓度暴增。这种连锁反应主要有8 条路径。
 
(1)取消GGH后,脱硫塔入口温度提高,导致脱硫塔出口PM1.0粒数浓度暴增10~100倍。2012年开始执行火电厂大气污染物新排放标准和脱硝电价、供热脱硫脱硝加价,而长期存在堵塞问题的GGH也影响烟气中二氧化硫达标排放,在业内取得 “GGH用处不大、不得不拆除” 的共识后,当年较大部分电厂拆除 GGH且以后新建电厂不再安装GGH。这导致其它行业上湿法脱硫时不再考虑GGH这一环节。由此导致看得见的突变是石膏雨,看不见的突变是PM2.5粒数浓度暴增。此后冶金、化工等大中型企业部分采用湿法脱硫技术,对PM2.5粒数浓度暴增也有贡献。
 
(2)烟气排放由“干烟囱”模式转换为“湿烟 囱”模式。本来就存在问题的除雾器对暴增的PM1.0不起作用,超细颗粒物、细微液滴甚至脱硫浆液被烟气携带至大气中,随着烟气飘散稀释,PM2.5粒数比监测取样处暴增上万倍。而进入大气监测指标的只有烟尘,属于可过滤颗粒物,不存在进入大气后颗粒数暴增的问题。
 
(3)烟囱干湿转换后,在烟道、烟囱及烟羽中的二氧化硫更容易转换为三氧化硫,加上脱硝系统产生的三氧化硫,进入大气后形成硫酸雾,再与大气中富含的氨和脱硝逃逸的氨结合,形成硫酸盐、铵盐。为了达到较为严苛的氮氧化物排放标准的过量喷氨造成的氨逃逸和硫酸盐、铵盐也是不容忽视的问题。
 
(4)大量超细颗粒物属于水溶性盐类物质,进入大气后不自然沉降,在燃煤区的静稳天气逐日累积,几天后就能进入轻雾霾状态,遇到湿度大的天气吸水并黏附变大,雾霾逐渐形成,直到遇到大一些的风、 雨或形成大雾霾后沉降;非燃煤区也有天然气燃烧增加的氮氧化物和水汽,加上漂移来的外部颗粒物和当地的其他污染物,也会形成雾霾,只是少一些。
 
(5)暴增的超细颗粒物吸水黏附变大后成为二次颗粒物的温床,导致雾霾频发,而雾霾天气潮湿的细颗粒物又加速二氧化硫、氮氧化物向酸性物质及硫酸盐、硝酸盐和铵盐的转换。
 
(6)取消GGH后排烟温度降低,烟柱高度下降,排放空间减少一半,污染物最大落地点浓度增加1倍 左右,仅此变化就带来PM2.5质量浓度100% 左右的增长,粒数浓度增长更高。
 
(7)2012—2015年间大规模脱硝,增加大量硫酸盐、铵盐类PM1.0并产生三氧化硫,进入后续的除尘和脱硫环节后,部分进入大气,与上述取消GGH的连锁反应叠加,加剧了大气中PM2.5粒数浓度的暴增。
 
(8)取消GGH后排放的过多水汽,增加了容易形成霾天气时大气的湿度,加速雾霾形成。
 
综上所述,湿法脱硫取消GGH后,主要由可凝结颗粒物引起的PM1.0超细颗粒物浓度暴升,进而大气中 PM2.5粒数浓度成倍增加,1~2年内迅速超过已经接近上限的大气污染物容量的若干倍,导致雾霾大暴发。湿法脱硫取消GGH后导致PM2.5粒数浓度暴增, 主要是除尘脱硫脱硝系统出现技术失误造成的,而电厂、钢铁厂等采用湿法脱硫的企业都是购买产品和服务的用户,并非是脱硫脱硝设备的生产者和监管者。不出现这一技术失误或采用其他技术路径可能不会出现雾霾大暴发。
 
当然也不是单纯因为煤炭消费量、二氧化硫和氮氧化物的排放量等变化引起的。超低排放改造的目的是减排烟尘、二氧化硫、氮氧化物等常规污染物,而导致雾霾大暴发的主要污染物是PM2.5,产生这些 PM2.5的主要贡献者是烟气携带含溶解物雾滴进入大气后生成的二次颗粒物。因此,超低排放对治霾而言不是对症下药,并没有十分明显改善京津冀及周边的雾霾问题。超低排放确实可以弥补取消GGH带来的一些功能缺失,比如湿式电除尘可以去除45%的PM1.0质量浓度 [41],但治霾效果并不很明显。大发电机组排放的烟气中PM2.5粒数浓度因为其燃烧特性仍然较高[15],相关减排指标也并非针对雾霾治理,烟气拖尾现象还很普遍,因此需要针对降低PM2.5粒数浓度继续努力。治霾的关键是降低烟气排放全过程所有PM2.5的粒数浓度,而非单纯降低烟气排放连续监测仪安装位置处二氧化硫、氮氧化物和烟尘的质量浓度。烟气排出烟囱口后也有PM2.5颗粒产生、液滴扩散过程中逐渐超细化并导致PM2.5粒数暴增,目前在线监测对于目前安装位置后的PM2.5监测是缺失的。
 
根据萃智创新方法,在不得不取消GGH,但GGH 自身有许多功能不可缺少情况下,需要通过增加相关组件,恢复其有用功能,裁剪其有害功能。目前的超低排放改造,虽然主要是为了治理石膏雨、二氧化硫、氮氧化物和烟尘,并非专门针对引起雾霾的所有形式的PM2.5(如可凝结颗粒物和三氧化硫等),但增加的低低温省煤器起到了GGH取消后降低脱硫塔进口温度的作用,脱硫塔后面的湿式电除尘起到了阻拦部 分PM1.0的作用,脱硝、除雾器和烟囱都比2013—2014 年优化。
 
现在的超低排放改造主要是缺少去除可凝结颗粒物、 抬升脱硫塔后的烟气温度及烟气排放变回干烟囱状态的措施。如可通过类似MGGH等技术,达到取消GGH之前的排烟温度,可以避免监测仪检测数据失真;使可凝结颗粒物气溶胶能够在烟道中相互碰撞增大,或把可凝粒颗粒在烟道中转化为固体颗粒物,避免在大气中产生粒数暴增;也可以抬升烟柱高度, 扩大排放空间;降低污染物最大落地点浓度。烟气冷凝除湿也是需要补充的功能。当然,如果烟气能够很干净,没有污染物,不用抬升温度也可以,但这几乎不可能,也不经济。相关研究证明,即使大发电机组超低排放水平很高,污染物排放质量浓度很低,但其粒数浓度大大高于循环流化床机组,与工业层燃炉的差距远小于质量浓度的差距。而对于是否在其他领域推广并非针对雾霾治理的超低排放改造,需要谨慎研究。
 
产业结构调整、能源结构调整、减少污染物排放对雾霾治理,过去、现在和将来都是永恒的话题和正确的举措,但并非低成本快速高效精准治霾的关键。放松烟尘、二氧化硫和氮氧化物的超低排放标准,纳入和加严可凝结颗粒物、三氧化硫和氨排放标准,重新定义超低排放的内涵和外延,是经济性快速精准治霾的必然选择。否则,可能会对经济社会发展和人民健康带来很大危害,比如不必要的关闭大量企业、失业、经济减速、每年上百万人因为雾霾早死亡等。

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