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雾霾元凶是水分排放过多?

[日期:2017-03-29] 来源:  作者: [字体: ]

  李克强总理强调,要集中优秀科学家攻克雾霾形成机理难题。本文通过对比法和简单实验得出结论,我国大范围频繁出现的雾霾污染的元凶就是人为排放的水分过多。同时,本文也提出了治理对策:排烟除湿脱白,并且建议各行业环保大气控制标准增加排烟温湿度控制指标要求。

  我国大气雾霾的元凶到底是什么?治理对策是什么?以电力行业湿法脱硫为首的工业排烟湿度大和排烟水份中的溶解性颗粒物就是元凶,对策是排烟除湿脱白,这不仅能快速抑制雾霾,还能大幅减少煤炭清洁燃烧的投资和成本,节水、节能,分享如下供指教和参考。

  追寻元凶:简单对比法

  回想十多年前,我国酸雨、工业烟粉尘排放量都大但却少有雾霾,十多年来从电力行业开始普及应用锅炉烟气除尘、脱硫、脱硝,近年来又推行超低排放,主要指标如颗粒物、二氧化硫、氮氧化物排放量都大幅度降低,雾霾却多了,为什么?我们用简单对比,结果见表1,对比看出,仅火电行业2014年排放烟气中的水量就比2005年增加了超过15亿吨,排烟水分中的溶解性颗粒物排放量2000万吨以上,这还不包括循环水冷却塔排放的水分。估算的方法是,每燃烧1吨煤排放10000m3烟气,没有脱硫时排烟所含水分50g/m3,脱硫湿烟气所含饱和水分0.112kg/m3(@50°C),水中溶解性颗粒物1000mg/L。顺序还有燃煤热电、天然气锅炉、钢铁、焦炭、电解铝、水泥、平板玻璃、汽车尾气、餐饮等,估算全国每年人为排放湿烟气所含水分超过60亿吨,这应该就是我国大气雾霾的元凶。

  

 

  表1电力行业主要污染物排放量(万吨)

  有些人一直强调,雾是雾、霾是霾,那就搁置霾的来源,做为常识,首先雾就是水,能看见的白雾就是小水滴。烟气中水蒸汽属于气体,是任何除雾器、哪怕十级除雾器,包括湿式静电除尘器都除不去的,并且是在燃烧过程中和脱硫浆液喷淋期间产生的,而不是除雾器清洗过程产生的。烟气中饱和水蒸汽密度0.804kg/m3小于空气,排出烟囱与低温环境空气混合降温后变为长长的白雾,雾滴颗粒为PM2.5级,很细很多,但密度与水相同、为1000kg/m3,是空气密度的近800倍,悬浮累计在几百米到几千米的大气层中形成大雾,这从飞机上都看得到。遇天气升温水雾蒸发为水蒸汽,水中的溶解性颗粒物析出就是霾,遇冷冷凝会变成雨、雪,或遇风可被风吹走。一再强调雾霾与天气条件有关、属于气象灾害纯都是推托,人不能胜天,但可以改变我们自己。多项研究表明,我国大气雾霾的PM2.5来源中50%来自二次生成,而二次生成的细颗粒与水分密切相关,也就是说雾就是人为排放水分多直接导致的,而霾则主要是间接产生的。把烟气中产生的水分用国土面积去分摊是低级错误,我国雾霾的产生与能源消耗密度密切相关,是极不均匀的。

  追寻元凶:简单试验

  为了验证烟气中水分对雾霾形成的影响,进行了简单试验,方法是向房间加湿器内分别加入纯净水、矿泉水和自来水,监测室内空气污染情况,试验结果如下:

  l加纯净水,室内PM2.5浓度为20微克/立3

  l加矿泉水,室内PM2.5浓度为30微克/立3

  l加自来水,室内PM2.5浓度为340微克/立3

  参考空气质量指数标准:PM2.5浓度为0-50微克/立3空气质量为一级,51-100微克/立3空气质量为二级,大于300微克/立3为重度污染。

  深入分析纯净水、矿泉水与自来水的区别,水中的可溶性颗粒物含量TDS差别大。溶解性颗粒物的特点是可溶解于水中,在排放烟气检测时呈水分状态,检测不出颗粒物,离开烟囱后水分蒸发,可溶性固体就会再以固体颗粒出现,并且均为超细颗粒。纯净水的TDS为0-5mg/L,矿泉水为5-50mg/L,合格自来水TDS为50-120mg/L,不合格的自来水TDS为可达300mg/L;相比之下,各种工业净水(直流冷却水、循环冷却水补充水、洗涤用水、锅炉补充水、工艺和产品用水)的TDS控制标准为小于1000mg/L,而湿法脱硫循环液不仅TDS高达30000mg/L以上,还含有20%的悬浮固体颗粒。这个试验容易重复做,结果都相似。张家口有人在加湿器加入自来水后发现,房间内都除都有一薄层白色粉末。还有开启加湿器后发现孩子咳嗽加重。这些结果应该能解释为什么我国十多年来大气治理各项考核指标都大幅降低的情况下,为什么雾霾却越来越严重,因为真正导致产生雾霾的根源性因素在现有的电力行业超低排放和钢铁、天然气、煤焦化、包括餐饮在内的各行业大气污染控制标准中,都没有控制要求。有些人总喜欢拿一些发达国家的做法说事,就算发达国家都不强制控制烟气湿度对我国治理雾霾参考借鉴价值也不大,因为他们的煤耗总量小得多、分散。中国的雾霾必须、只能用我们自己的方法解决。

  文治理对策:排烟除湿脱白

  上述研究结果表明,雾霾源自于水,也可以用水抑制。治理我国雾霾政府正在推行的燃煤超低排放、煤改气、煤改电、散煤治理、汽车尾气、秸秆禁烧、建筑扬尘控制等等都是十分必要,问题是要不要控制排放水分?为了验证烟气除湿脱白对于抑制雾霾、超低排放和余热深度回收的作用,中国节能协会、清华大学建筑节能中心牵头,在热力锅炉上进行了工业示范项目的建设,项目在两台130吨+1台220吨锅炉的湿法脱硫和循环水冷却塔上进行,在两台130吨锅炉共用的湿法脱硫塔后、烟囱之间增加1套立式直接喷淋换热深度净化系统,在1台220吨锅炉脱硫塔后、烟囱之间增加1台卧式直接喷淋换热深度净化系统,除湿脱白、深度净化后的烟气通过共用的烟囱排放。示范项目的主要数据和结果如下:

  l处理烟气量:120万m3/h

  l实测入口烟气温度:——50℃

  l实测出口烟气温度:——40℃

  l计算入口烟气湿度:114g/Nm3

  l计算出口烟气湿度:63g/Nm3

  l计算除湿量和冷凝水回收量:45%

  l实测循环水温:供水≤30℃、排水——40℃

  l实测出口粉尘浓度:≤10mg/Nm3

  l实测出口SO2浓度:17mg/Nm3

  l实测出口NOx浓度:55mg/Nm3

  运行结果表明,通过烟气直接喷淋冷凝除湿和深度净化,首先低成本实现了电力行业现行的烟气超低排放指标,同时通过回收烟气余热和冷凝水,企业增加供热能力15%,提高锅炉燃煤综合效率7%,一个采暖季净增效益760万元,投资回收期不到四年。企业还对循环水冷却的余热进行了回收利用,均采用特殊设计的高温热泵回收循环水的余热,外供80-120℃热水用于供热,烟气的低温余热则通过直接喷淋换热转移到循环水中。在我国能源结构主要是煤炭,电力、热力等行业燃煤锅炉大量采用湿法脱硫短时期内难以改变的情况下,该示范项目首先证明超低排放可以实现低成本、甚至有效益,更主要的是,通过直接喷淋冷凝除湿脱白也为煤炭清洁燃烧、抑制雾霾提供了可行技术,是更符合国情的大气和能源发展道路。

  机遇:低成本超低排放、节水、节能

  水在自然界有三种状态:固态冰、雪,液态水、雾,气态水蒸汽。水吸热后会蒸发相变为水蒸汽进入大气,水蒸汽含量达到饱和后的大气遇冷降温就会再相变为雾、雨、雪、冰雹等。在地球表面积、太阳辐射变化不大的情况下,自然界水变蒸汽、蒸汽冷凝成水有其自身的规律和平衡,我国最湿月份室外平均大气湿度为12g/kg(折算15g/Nm3),西北部大气湿度低属于干燥区域,东南部属于高湿区域。工业、民生等人为排放烟气湿度过大就破坏的自然界本来的平衡和规律。对我国主要各行业烟气除湿量的估算如下:

  4.1火电:火电行业燃煤锅炉湿法脱硫和循环水冷却塔排水:每燃烧1吨煤湿烟气带走水份1吨,主要包括煤中原始含水、脱硫补充水,火电循环水冷却塔向大气排放更多的水分,仅火电行业每年向大气排放的湿烟气夹带水份和循环水冷却塔散失的水份就超过二十亿吨,与燃煤量相接近。以60万千瓦煤电机组为例,采用湿法脱硫工艺每小时排放水份90t/h,循环水冷却塔煤小时排放水分700t/h。

  4.2钢铁行业:钢铁行业烧结脱硫排烟、高炉水冲渣、连铸二冷蒸汽、转炉焖渣、转炉除尘、湿熄焦、循环水冷却塔等排烟蒸发散失的水分为1.5t/t,按照年产钢10亿吨估算,钢铁行业每年向大气排放水分15亿吨。

  4.3天燃气燃烧:每燃烧1单位体积的天燃气,会产生2个体积的水蒸汽,按照2014年我国天燃气消耗量1800亿立方米,则产生3600亿立方米水蒸汽,折合近3亿吨水分。

  4.4煤焦化:按照我国焦炭实际产量4.5亿吨、吨焦放散水分0.5t/t,煤焦化行业每年排放水分2.25亿吨,其中50%在钢铁行业,另一半主要在独立焦化厂的湿熄焦系统。

  还有有色、化工、建材、玻璃、餐饮油烟等,估算我国放散烟气每年人为排放到大气的水分超过60亿吨,主要集中在京津冀、长三角、珠三角,也就是雾霾严重的区域,分布极不均匀,重点是燃煤锅炉、钢铁、天然气和煤焦化。烟气除湿的主要意义至少有如下几点:

  l抑制雾霾,低成本实现超低排放、环保达标,还可以除酸、除VOC、除重金属、二噁英等水溶性污染成分,将烟气中污染成分一网打尽

  l节水:按照80%的回收率,年节水预计40亿吨,回收的冷凝水接近蒸馏水,只需简单处理就能回用,年回收量可以超过海水淡化总量,成为一个新的非常规水源,但比海水淡化、南水北掉更经济

  l回收低温余热:锅炉效率提高10%

  l该系统还可以考虑处理利用废水……

  烟气除湿脱白的可行技术途径

  烟气除湿有混风除湿、升温除湿、冷冻除湿、吸附除湿、溶液除湿和混合除湿等几类方法。现在的湿烟气排出烟囱一定距离后白雾消除就属于混风除湿,——50°C饱和湿烟气与低温的环境空气混合后,烟气的相对湿度降低到接近大气水平,但实际上排放烟气的总含湿量没有减少。我国引进湿法脱硫工艺中,采用升温除湿技术,比如GGH、MGGH,通过湿烟气与脱硫塔进口高温烟气间接换热升温,降低烟气的相对湿度除湿脱白,同样也没有减少排水的总水分,并且增加能耗。由于升温除湿存在没有减少水分排放量、投资、运行成本高、维修量大等许多问题,其推广应用一直存在争论,在超低排放的技术规范中仅被列为可选择项目,有的厂家用,大部分企业不用、甚至拆除,这是导致我国雾霾一个严重错误,也算有一定理由。国外也有企业采用天然气燃烧后的高温烟气与湿烟气混风、升温除湿,消耗额外能量,也不值得推广。国内也有人研究溶液除湿,有开发前途,但还没有达到在烟气湿法脱硫系统工业应用的水平。

  目前唯一实现工业应用值得推广的就是前述示范项目所采用的直接喷淋换热冷冻除湿,将放散湿烟气逐步冷却到大气平均温湿度最好,比如降低到25°C、相对湿度70%,可以彻底解决排烟除湿,回收冷凝水接近80%,再热后则烟囱无需防腐。

  问题讨论

  1)超低排放:由于我国煤炭消耗量巨大,火电、热力等行业必须实施超低排放,钢铁、天然气、焦化等行业也应该实施以洁净空气指标为参照的超低近零排放。但超低排放的工艺流程、设备选择还有减少投资降低成本为目的的简化、优化的必要,主要问题:一是没有控制烟气的温度湿度,指标设计上存在缺失,二是将湿式静电除尘器做为主要技术措施,湿电在精除尘、除白雾方面确有良好效果,问题是湿电不能去除水蒸汽状态的水分,而且由于工艺定位不当,湿电入口烟气粉尘浓度、温度、湿度值设计不合理,导致造价高、设备尺寸大,是否能长期稳定运行也有疑问。

  2)烟气脱硝:以电力行业为代表的烟气脱硝大量采用SCR、SNCR喷氨脱硝,首先由于氨的生产过程是高耗能高污染的行业,喷氨脱硫纯属污染物转移,得不偿失。更主要的是,喷氨脱硝存在的氨逃逸也是形成雾霾的重要因素。

  3)除尘技术:目前除尘技术选择上过于选择干式电除尘、电袋、布袋,这些类型的除尘器出口颗粒物浓度降低到20mg/m3、甚至5mg/m3都是可能的,问题是否合理、是否经济。研究表明,如前所述,经过湿法脱硫排放烟气中水分中夹带出去的溶解性颗粒物远超过100mg/m3,因此通过脱硫塔改进,通过喷淋冷凝洗涤达到5mg/m3才更有意义,投资、运行费用也都更低,前面原有的电除尘器可以利用,但没有必要进行超低改造。

  4)煤改气:从长远看,我国进行能源结构调整、多用清洁能源是完全正确和十分必要的,但需要一定的条件,比如用天然气、电的价格降低到与用煤接近的水平,需要通过市场手段而不是行政手段。我国现在焦化厂行业存在产能过剩,许多厂都付产天然气,在煤制天然气技术发展到一定程度国内供应量充足、价格有优势时,用户自然会选择多用天然气。用天然气也必须充分进行脱硝和除湿,才是真正的清洁能源。

  4)直接喷淋除湿:采用直接喷淋冷凝除湿脱白和深度净化设备简单、投资少,但通过热泵实现循环水的冷却和余热回收投资较多,回收余热需要投入的蒸汽、天然气、电等能耗高。在采暖季余热能得到利用,而在不需要采暖的地方和季节,大量的冷却所需冷量和低温余热用途是需要考虑的问题。研究采用直接喷淋与间接换热相结合的混合冷凝工艺可以减少热泵的容量和能耗,应该更经济。按照必要性和经济性顺序考虑,首先除湿脱白是除雾霾的需要,还能节水、低成本实现超低排放,足够的投入是必须的。为了降低投资、运行成本,可以按照回收和不回收利用余热,顺便选择以下免费、廉价冷源和低温余热的用途:

  l自然冷源:海、江、河、湖、地热、冷空气

  l人工游泳池、河、湖、景观

  l自来水、生活排污水

  l本系统或企业工艺利用

  l生活热水

  l冬季采暖

  l夏季空调供冷

  l低温余热发电

  结论与建议

  1、我国大范围频繁出现的雾霾污染的元凶就是人为排放的水分过多。

  2、为了彻底抑制雾霾,我国火电等各行业的环保大气控制标准必须增加排烟温湿度控制指标要求,最终目标为25ºC以下、相对湿度70%以下。直接喷淋冷凝除湿脱白和深度净化是适合国情的超低近零排放技术路线。

 

  3、实施烟气除湿为主要技术手段的超低排放后,相关行业的技术设备发展需要进行必要的调整,比如除尘、防腐、开式循环冷却塔、SCR/SNCR脱硝等应该淘汰、或限制采用。(刘晨)





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