淺析濕法脫硫?qū)Υ髿忪F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(duì)大氣中各種懸浮顆粒物含量超標(biāo)的籠統(tǒng)表述，尤其是PM2.5被認(rèn)為是造成霧霾天氣的“元兇”[1]。目前普遍認(rèn)為霧霾的形成原因主要集中在燃煤，機(jī)動(dòng)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(rèn)為，春季PM2.5的主要來(lái)源有無(wú)機(jī)氣溶膠、沙塵和生物質(zhì)燃燒；夏季主要來(lái)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(zhuǎn)化為了二次無(wú)機(jī)氣溶膠。

燃煤電廠作為化石能源消耗大戶，一直以來(lái)受到環(huán)保界的持續(xù)關(guān)注。2014年9月，新發(fā)布的《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造計(jì)劃（2014-2020年）》[3]，對(duì)新建及大型機(jī)組提出了史上最嚴(yán)的超低排放要求，即在基準(zhǔn)氧含量6%條件下，NOx，SO2，顆粒物排放濃度分別不超過(guò) 50mg/Nm3，35mg/Nm3，10mg/Nm3。隨著煤電減排指標(biāo)的日益嚴(yán)苛，污染物限排濃度的持續(xù)降低，但公眾期待的藍(lán)天碧水并沒(méi)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(huì)關(guān)注的主要話題集中在電廠主流的濕法脫硫技術(shù)（FGD）是否助長(zhǎng)了霧霾的發(fā)生。截止2016年底，我國(guó)97%以上的脫硫機(jī)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(shù)主要是原理是利用石灰石 (CaCO3)漿液作洗滌劑，在反應(yīng)塔中對(duì)煙氣進(jìn)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(shù)是對(duì)霧霾治理的進(jìn)步還是倒退，不同學(xué)者有不同的見(jiàn)解。

1 FGD加劇霧霾

隨著濕法脫硫技術(shù)的大規(guī)模普及，治理霧霾卻未有明顯的效果。對(duì)此，何平[4]（美國(guó)威斯康星大學(xué)土木環(huán)境工程系博士，國(guó)際中國(guó)環(huán)境基金會(huì)（IFCE）總裁）認(rèn)為經(jīng)FGD系統(tǒng)處理的煙氣濕度增加，殘留在其中的細(xì)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(yán)重的氣溶膠，加劇了霧霾的產(chǎn)生。與此同時(shí)，由于沒(méi)有排煙溫度和濕度的詳細(xì)規(guī)定，電廠開(kāi)始大規(guī)模取消GGH，使得煙氣抬升高度下降，難以擴(kuò)散，更加劇了霧霾的形成。

對(duì)這一說(shuō)法，陶光遠(yuǎn)[5]（（中德可再生能源中心主任）表示贊同，他提供了所在實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)針對(duì)華北某市電廠的超凈煙氣處理設(shè)備處理之后的煙氣凝結(jié)水的化驗(yàn)數(shù)據(jù)，將凝結(jié)水蒸發(fā)后其中的硫酸鹽含量為100~300mg/Nm3，遠(yuǎn)大于燃煤電廠超凈排放標(biāo)準(zhǔn)的5~10mg/m3。除此之外，陶光遠(yuǎn)認(rèn)為燃煤電廠中GGH的經(jīng)常性堵塞更能說(shuō)明經(jīng)過(guò)煙氣處理設(shè)備的濕煙氣中含有大量的硫酸鹽。

針對(duì)GGH的取消是否加劇了霧霾，繆正清[6-7]（上海交通大學(xué)副教授）認(rèn)為現(xiàn)行的FGD系統(tǒng)盡管能夠高效的吸收轉(zhuǎn)化煙氣中的SO2，但是并沒(méi)有做到高效收集。因?yàn)槊摿蛩?nèi)的洗滌水并沒(méi)有經(jīng)過(guò)再生處理，其中的硫酸鹽，碳酸鹽等極細(xì)的顆粒存留于濕煙氣中。當(dāng)這部分濕煙氣經(jīng)過(guò)沒(méi)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(dá)到134ug/m3。

2 FGD不應(yīng)為霧霾背鍋

FGD系統(tǒng)經(jīng)過(guò)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(jìn)。王志軒[8]（中電聯(lián)副理事長(zhǎng)）認(rèn)為FGD系統(tǒng)排出的濕煙氣引發(fā)霧霾這個(gè)說(shuō)法不正確，SO2對(duì)環(huán)境的影響主要取決于電廠脫硫效率。對(duì)于GGH的取消是否加重霧霾，王志軒表示由于質(zhì)量守恒，同樣的SO2含量，煙氣抬升高度的降低只會(huì)使煙囪附近的污染物濃度增高，而遠(yuǎn)距離環(huán)境的濃度肯定會(huì)降低。并且由于超凈排放設(shè)備的處理，SO2的排放不超過(guò)35mg/m3，那遠(yuǎn)距離環(huán)境的濃度只會(huì)低于這個(gè)數(shù)值。

對(duì)于濕煙氣中攜帶可溶鹽加劇了霧霾的說(shuō)法，朱法華[9]（國(guó)電環(huán)境保護(hù)研究院院長(zhǎng)）則給出了團(tuán)隊(duì)的數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)自行采用多種方法對(duì)多個(gè)電廠進(jìn)行了研究性監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明，F(xiàn)GD排放的可溶鹽小于1mg/m3，這個(gè)濃度對(duì)環(huán)境沒(méi)有影響。朱法華認(rèn)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(jiàn)表1，極少的水量與較難溶解的鈣鹽，二者相乘即可知FGD導(dǎo)致的可溶鹽不會(huì)多。

表1 主要鈣鹽溶解性表

十幾年來(lái)，燃煤電廠不斷采用先進(jìn)的污染物處理技術(shù)，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(yīng)由電廠負(fù)全責(zé)，彭應(yīng)登[10]（國(guó)家城市環(huán)境污染控制技術(shù)研究中心研究員）認(rèn)為冬季采暖的大氣污染物排放量比平時(shí)增加30%以上，加上冬季大氣混合層平均壓縮30%以上，污染負(fù)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(zhì)量難以改善的根本內(nèi)在原因，某一技術(shù)層面微小的調(diào)整變化暫時(shí)還不能撼動(dòng)這個(gè)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(wèn)題不僅在中國(guó)，在美國(guó)這種發(fā)達(dá)國(guó)家也同樣存在，盤踞在美國(guó)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(rèn)為，菲尼克斯市的霧霾成因主要是汽車尾氣與當(dāng)?shù)厝讼埠萌荒救∨?，菲尼克斯市擁有良好的能源結(jié)構(gòu)（多核少煤）、揚(yáng)塵控制（地表全覆蓋）和地理擴(kuò)散條件（平原地帶），尚無(wú)法避免霧霾，而中國(guó)內(nèi)陸的人口密度，車輛密度，工業(yè)污染和揚(yáng)塵的疊加效應(yīng)，以及較差的地理擴(kuò)散條件，治理霧霾絕非單純是濕法脫硫的問(wèn)題。

若是濕法脫硫加劇了霧霾的發(fā)展，則珠三角的空氣質(zhì)量應(yīng)該也同樣不容樂(lè)觀。王圣[12]（國(guó)電環(huán)境保護(hù)研究院副院長(zhǎng)）表示，廣東省的燃煤裝機(jī)量處于全國(guó)第三的位置，但珠三角地區(qū)的空氣質(zhì)量一直處于較好的水平。另外，北京近年來(lái)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(méi)有較往年減輕，這從另一方面也說(shuō)明了電廠FGD項(xiàng)目不應(yīng)為霧霾負(fù)全部責(zé)任。

污染物的含量是霧霾天氣的主要原因，柴發(fā)合[13]（中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院副院長(zhǎng)）、江億[14]（中國(guó)工程院院士）認(rèn)為對(duì)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(yùn)行的情況下，GGH的存在與否對(duì)煙氣污染物減排并無(wú)實(shí)質(zhì)影響。GGH主要起到了對(duì)污染物遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，滿足公眾“視覺(jué)環(huán)保”的需求，對(duì)擴(kuò)散落地濃度僅為擴(kuò)散稀釋作用，是一種權(quán)宜之計(jì)。白色煙羽并不是環(huán)境問(wèn)題，是一個(gè)公眾認(rèn)識(shí)問(wèn)題。法脫硫過(guò)程中若產(chǎn)生白色煙羽，說(shuō)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(huì)在電廠周圍產(chǎn)生石膏雨，落下來(lái)的是大顆粒，并不對(duì)霧霾產(chǎn)生影響，表2是某電廠周圍石膏雨成分化驗(yàn)分析。

表2 石膏雨中化學(xué)成分分析

除霧器對(duì)不同直徑霧滴的脫除效率不同，對(duì)直徑大于22μm的霧滴的去除率為99.99%，對(duì)直徑15~22μm的液滴去除率為50%，對(duì)15μm一下的霧滴無(wú)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(guò)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮入口煙氣量與設(shè)計(jì)偏差、煙氣流速、除霧器選型與較小的液氣比來(lái)減小石膏雨的產(chǎn)生[15]。

3 FGD溢出石膏量分析

3.1 分析對(duì)象

以某燃煤電廠600MW機(jī)組濕法脫硫?yàn)榉治霭咐?，?為機(jī)組脫硫裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。機(jī)組平均一年石灰石使用量為2萬(wàn)噸。

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

表3 機(jī)組脫硫裝置主要運(yùn)行參數(shù)

處理過(guò)的煙氣經(jīng)過(guò)FGD系統(tǒng)，由于FGD對(duì)粉塵同樣具有去除作用，經(jīng)過(guò)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(jī)組在應(yīng)用一系列煙氣處理設(shè)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(jìn)行估算。

3.2 從石灰石耗量進(jìn)行估算

由于石灰石-石膏法采用石灰石為脫硫原料，若經(jīng)過(guò)煙氣處理設(shè)備后若產(chǎn)生鹽類，其中超過(guò)99%都屬于鈣鹽。600MW機(jī)組平均一年使用石灰石為2萬(wàn)噸，石灰石純度為92%，純石灰石經(jīng)濕法脫硫系統(tǒng)后，轉(zhuǎn)化為石膏（CaSO4含量92%），表5為脫硫過(guò)程中鈣鹽的分子量轉(zhuǎn)化過(guò)程。

表5 鈣鹽分子量

此機(jī)組濕法脫硫后產(chǎn)生的石膏為2×0.92×136/100/0.92=2.72萬(wàn)噸/年，假設(shè)濕法脫硫后顆粒直徑極細(xì)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(jī)組全年這算溢出CaSO4總量為：

3.3 從脫硫工藝進(jìn)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(jì)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(lái)源于吸收塔噴淋層噴嘴霧化后的小液滴，吸收塔內(nèi)除霧器將經(jīng)過(guò)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(duì)比表2中石膏雨化學(xué)含量分析，將石膏雨中除水分之外的煙塵及鈣氧化物都認(rèn)為是煙氣經(jīng)FGD系統(tǒng)后遺留產(chǎn)物后能夠引起霧霾形成的物質(zhì)，則排放量為：

3.4 對(duì)估算結(jié)果分析

取Q1，Q2的平均值，得到此600MW機(jī)組溢出石膏總量為250t/年。截止2015年，全國(guó)火電裝機(jī)量達(dá)到10億千瓦，按機(jī)組投運(yùn)率60%計(jì)算，則2015全國(guó)石膏溢出量為10×108/60/105×60%×250=25萬(wàn)噸。2015全國(guó)廢氣中煙（粉）塵排放量為1538萬(wàn)噸[16]，同年的工業(yè)產(chǎn)生煙塵排放量為1232.6萬(wàn)噸，占2015年總煙塵量的80%。假設(shè)經(jīng)FGD系統(tǒng)溢出的石膏顆粒全部轉(zhuǎn)化為煙塵，則火電廠排放的經(jīng)石膏轉(zhuǎn)化成的煙塵占全國(guó)煙塵排放量1.6%，占工業(yè)生產(chǎn)排放煙氣量的2.0%。

另，參閱全國(guó)環(huán)境公報(bào)（2015）[16]，全國(guó)共調(diào)查統(tǒng)計(jì)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(wàn)噸；火電行業(yè)3539家，排放煙粉塵165.2萬(wàn)噸；水泥制造企業(yè)3377家，排放煙（粉）塵83.6萬(wàn)噸。由此可見(jiàn)，火電行業(yè)排放的粉塵量為冶金行業(yè)的一半。

結(jié)語(yǔ)

在現(xiàn)代大型電廠生產(chǎn)水平和煙氣處理水平不斷提高的狀態(tài)下，全國(guó)范圍內(nèi)天氣狀況并沒(méi)有明顯改善，這引起了科學(xué)界與公眾對(duì)于燃煤電廠中濕法脫硫的關(guān)注。文中對(duì)比了近段時(shí)間比較典型的觀點(diǎn)，分別從濕法脫硫是否會(huì)導(dǎo)致霧霾天氣，以及GGH的取消是否會(huì)加劇這種現(xiàn)象進(jìn)行介紹。由于目前并沒(méi)有權(quán)威的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)布，所以各種討論從邏輯推理上進(jìn)行，并沒(méi)有真實(shí)的實(shí)驗(yàn)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(nèi)蒙古大學(xué),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(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).關(guān)于印發(fā)《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)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(yīng)當(dāng)立即禁止[N/OL].(2017-04-13).

[5]陶光遠(yuǎn).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(guó)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(guó)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(yīng)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(gè)旅美清華工程師眼中的中國(guó)“霧霾真相”[N/OL].(2015-12-21).

[12]王圣.濕法脫硫爭(zhēng)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(shù)應(yīng)用有問(wèn)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(wèn)題的分析及對(duì)策[J].電力建設(shè),2010,31(11)：94-97.

[16]中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部.全國(guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)公報(bào) (2015)[R/OL].(2017-02-23).