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濕法脫硫:霧霾元兇or治霾功臣?

分類:
行業新聞
作者:
發布時間:
2019/03/22 15:27
【摘要】:
上周,京津冀及周邊地區再次出現了持續時間長、范圍大、污染重的區域污染過程,引起社會的廣泛關注。根據專家組的調查,燃煤、工業、機動車、揚塵依舊是霧霾再起的四大主要來源。而這其中被廣泛應用的濕法脫硫法再次成為業內人士討論的熱點。濕法脫硫究竟是治霾功臣,還是霧霾元兇?本刊去年采訪了“批濕派”代表性人物,中德可再生能源合作中心執行主任陶光遠與“挺濕派”代表人物國電環境?;ぱ芯吭涸撼?、國家環境?;ご篤錮砟?

河南快3开奖结果今天一定牛 www.tenusp.com.cn 上周,京津冀及周邊地區再次出現了持續時間長、范圍大、污染重的區域污染過程,引起社會的廣泛關注。根據專家組的調查,燃煤、工業、機動車、揚塵依舊是霧霾再起的四大主要來源。

而這其中被廣泛應用的濕法脫硫法再次成為業內人士討論的熱點。濕法脫硫究竟是治霾功臣,還是霧霾元兇?本刊去年采訪了“批濕派”代表性人物,中德可再生能源合作中心執行主任陶光遠與“挺濕派”代表人物國電環境?;ぱ芯吭涸撼?、國家環境?;ご篤錮砟D庥胛廴究刂浦氐閌笛槭抑魅沃旆ɑ?,他們總結各自陣營的觀點,希望能給讀者帶來一些新的思考。

濕法脫硫是我國燃煤電廠鍋爐普遍采用的脫硫方法,其工作原理是:把大量的水與石灰石粉或生石灰粉混合,形成石灰石或熟石灰堿性乳液,從脫硫塔的上部噴灑;在風機作用下,含有大量二氧化硫的酸性煙氣則從下向上流動,與堿性液滴中的石灰石或熟石灰相遇反應生成石膏及其他硫酸鹽,隨液滴墜落到脫硫塔塔底,收集去除?!芭傘庇搿巴κ傘閉鄣暮誦奈侍饈?,在濕法脫硫過程中,是否向大氣中排放了大量硫酸鹽顆粒物,以及濕法脫硫是否應該被(半)干法脫硫工藝取代。

“批濕派”陶光遠:

有環保專家確認,在我國,硫酸鹽顆粒物已經成為當前大氣中PM2.5的第一大組成部分。非采暖季,硫酸鹽顆粒物占大氣PM2.5的比例為2/3左右;采暖季的平均占比在1/3左右。

有觀點認為,這些硫酸鹽顆粒物主要是大氣中的二氧化硫與氨氣合成的。但近年來,我國大氣中二氧化硫濃度大幅下降,氨氣的主要來源農業尿素的用量也在下降,大氣中由二氧化硫和氨氣合成的硫酸鹽顆粒物應該同步下降才對。那么,濃度不降反升的硫酸鹽顆粒物該如何解釋?

答案只有一個:濕法脫硫工藝。

二次顆粒很要命

在濕法脫硫的脫硫塔內,脫硫乳液中的石灰石或熟石灰,以及其他少量的堿性元素,如鎂、鋁、鐵、氨等,與二氧化硫反應生成石膏及其他硫酸鹽。由于石膏在水中的溶解率很低,因此收集落到塔底的乳液,將其中的石膏分離出來,剩下的就是含有大量可溶性硫酸鹽的污水,這些硫酸鹽包括硫酸鎂、硫酸鐵、硫酸鋁等。

問題就出在這些硫酸鹽身上。脫硫過程中,并非所有乳液都落到了塔底,因為進入脫硫塔的煙氣溫度很高,將大量乳液液滴蒸發,由于蒸發速度很快,一些微小液滴中的可溶性硫酸鹽來不及結晶,于是析出了大量極細的硫酸鹽固體顆粒,平均粒徑很小,很大一部分顆粒物直徑在1微米以下。這些含有硫酸鈣顆粒和可溶鹽的乳液蒸發量非常巨大,對應一臺100萬千瓦的燃煤發電機組,脫硫塔乳液蒸發量每小時高達100噸左右,因此析出的極細顆粒物數量也很大。這些顆粒物隨著煙氣向脫硫塔上部流動,大部分被從上部滴落的液滴吸附,但仍有可觀的殘留顆粒物隨著煙氣從塔頂排出。

近年來,隨著深度脫硝工作的推進,又產生了一種不可忽視的顆粒物,即硫酸銨。在燃煤鍋爐煙氣污染物減排流程中,第一道工藝是脫硝,第二道是除塵,第三道才是脫硫,脫硝工藝中以氨水或尿素水作為還原劑,有可能發生氨逃逸。氨逃逸量與氨噴射和控制技術有關,同時與氮氧化物的排放上限成反比,在技術相同的情況下,要求排放的氮氧化物越少,氨的使用量就越多,逃逸量也就越多。如果在脫硝環節逃逸了10毫克/立方米的氨,在濕法脫硫環節90%的氨與二氧化硫合成硫酸銨,則可以產生約36毫克/立方米的硫酸銨。全國每年煤炭消耗近20億噸的燃煤電廠采用脫硝加濕法脫硫工藝,硫酸銨生成量將高達72萬噸/年。

濕法脫硫后的煙氣經過煙囪排放到大氣中,脫硫過程中產生的大量二次顆粒物也隨之排放到了大氣中。其中石膏顆粒物粒徑較大,于是跌落在距煙囪不遠的周圍,被稱為石膏雨;而那些粒徑較小的可溶鹽則隨風飄向遠方,并逐漸沉降,提高了廣大地區大氣中顆粒物的濃度。

經測算,脫硫后煙氣中的硫酸鹽顆粒物常?;崠锏郊赴俸量?立方米,比起脫硫前煙氣中的顆粒物濃度,增加了好幾倍甚至幾十倍,它們全都變成了PM2.5。這就是經過最近幾年大規模燃煤煙氣處理后,大氣中的PM2.5濃度并沒有大幅度下降的原因所在。

老設備老辦法,新設備新辦法

去除濕法脫硫環節產生的二次顆粒物,關乎我國大氣污染治理的成敗,不得不重視。根據德國等發達國家的經驗,一般是老設備采用老辦法,新設備采用新辦法,即對于已經投入運行、設計使用年限還未到的濕法脫硫設備,主要用打補丁的方式減少顆粒物排放;而對于新上馬的燃煤鍋爐,則直接改用(半)干法脫硫工藝。

給濕法脫硫打補丁的具體措施主要包括,第一,加裝濕式靜電除塵器,用靜電吸附顆粒物和液滴。第二,利用煙氣冷凝去除顆粒物,如果在煙氣從脫硫塔出來后對其冷凝,會均勻地冷凝出大量水滴,及時地與鄰近的顆粒物結合,以冷凝水形式從冷凝器排出,從而將顆粒物大量清除;也可以在煙氣進入濕法脫硫環節之前就將其冷卻,這樣煙氣中能夠容納的飽和蒸汽量會大大降低,脫硫塔中沒有大量液滴蒸發,也就不會析出大量的硫酸鹽顆粒物了。第三,煙氣再加熱,經過濕法脫硫的煙氣溫度較低,排放到大氣中之后上升高度較低,大量顆粒物散落在煙囪周圍,嚴重影響煙囪周圍的大氣環境,如果將煙氣加溫,煙氣上升高度增加,顆粒物的散落范圍將擴大,但是這種操作并沒有減少大氣中顆粒物總量。第四,通過煙氣再加熱裝置將煙氣加熱到消除水霧的溫度后,再通過袋式除塵器除塵。

前些年,我國的燃煤電廠很少采用上述任何一種工藝,近幾年可能是因為發現了極細顆粒物排放問題,才陸陸續續加裝第一項濕式靜電除塵器。然而,問題在于,如果僅采用第一項工藝,對硫酸鹽顆粒物的去除效果有限。因為顆粒物越小,其表面積與質量之比越大,顆粒物在空氣里運動時的摩擦阻力就越大,運動到靜電除塵器極板上的速度很慢,很大比例的極細顆粒物沒有被這道工藝去除。實際上,顆粒物越小,在空氣中漂浮時間就越長,對大氣污染的影響也就越大。而如果再安裝第二項或者第四項工藝,可以大大減少二次顆粒物的排放量,但隨之帶來的是設備投資的大量增加,對小一點兒的燃煤鍋爐,煙氣處理裝置甚至超過了對鍋爐系統的投資,且運行費用很高,企業根本承受不起。

所以在新建鍋爐上,建議干脆摒棄濕法脫硫工藝,采用(半)干法煙氣綜合處理技術。德國目前比較成功的是APS (Activated Powder Spray,活性粉末噴灑)煙氣處理工藝,可以綜合脫硫、硝、重金屬和二惡英,在脫硫過程中不產生新增的極細顆粒物,而且它沒有污水需要處理,從而節約運行成本。實踐經驗表明,采用這種系統,顆粒物排放濃度可以達到1毫克/立方米左右,二氧化硫排放可以達到5毫克/立方米左右,大大低于當前我國的超低排放標準。由于(半)干法脫硫的優勢很明顯,所以目前德國新建的鍋爐,尤其是在垃圾焚燒廠,基本上都是采用這種工藝。

“挺濕派”朱法華:

從2003年頒布《火電廠大氣污染物排放標準》,到2014年發布《煤電節能減排升級與改造行動計劃(2014~2020年)》,我國對燃煤電廠污染物排放的治理已經走了十多個年頭,其中,濕法脫硫是主要環節之一。當前,我國燃煤發電機組幾乎100%加裝了煙氣脫硫裝置,或者使用具有脫硫作用的循環流化床鍋爐。因為這些努力,與2010年相比,我國電力行業2016年的煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放量分別下降了88.6%、81.6%和85.2%。

然而,有部分觀點將煤電行業的濕法脫硫認作了霧霾的元兇之一,認為其導致了大氣中硫酸鹽顆粒物占比的大量升高。對此,首先要認識到,濕法脫硫是治理大氣污染的重要手段,如果最終讓污染更為嚴重,不符合邏輯;其次需要明確,大氣中硫酸鹽顆粒物占比上升,不等于總量上升。從近幾年的監測數據來看,我國大氣中的硫酸鹽顆粒物平均濃度是逐年下降的,這要歸功于濕法脫硫工藝。

濕法脫硫是治霾功臣

濕法脫硫工藝加重了大氣中PM2.5濃度的觀點,肯定是站不住腳的。對于這個問題,要從兩方面理解。

其一,如果沒有濕法脫硫,大量燃煤產生的二氧化硫直接排放到空氣中會是什么后果?我國燃煤電廠產生的煙氣,在未經脫硫之前二氧化硫濃度平均在2200毫克/立方米左右,如果直接排放到空氣中,經測定,將有10%以上轉化為硫酸鹽顆粒物,假設生成的全部為硫酸銨,濃度將超過450毫克/立方米。在當前大氣氧化性逐年增強的情況下,實際轉化率絕對不止10%,加之嚴重的酸雨威脅,如果沒有濕法脫硫,燃煤造成的大氣污染是不可承受的。

其二,就濕法脫硫環節本身而言,究竟是增加了還是減少了顆粒物的濃度,需要進行具體的分析與測定。濕法脫硫后的濕煙氣中,會對大氣PM2.5濃度造成影響的成分有三種,即可凝結顆粒物、可過濾顆粒物和可溶鹽。

可凝結顆粒物,是指在煙道溫度狀況下為氣態,離開煙道后在環境狀況下降溫數秒后凝結成為液態或固態的物質,燃煤電廠濕煙氣中的可凝結顆粒物主要是三氧化硫。毋庸置疑,三氧化硫進入大氣后會與堿性組分反應生成硫酸鹽,增加PM2.5濃度,但是,濕法脫硫本身并不產生三氧化硫,相反,它可以協同脫除部分三氧化硫,即濕法脫硫對減少煙氣中三氧化硫排放形成的PM2.5是有貢獻的。根據國內近百臺燃煤機組的實測結果,濕法脫硫對三氧化硫的脫除效率在20%~90%之間。

可過濾顆粒物,包括除塵器未能完全收集的煙塵及脫硫、脫硝過程中產生的、未被捕集的次生顆粒物,如石膏顆粒等。在濕法脫硫環節,脫硫塔內有多層噴淋層,類似于下大暴雨,正常情況下會將煙氣中的顆粒物淋洗下來。在我國,大量電廠的測試結果表明,濕法脫硫對可過濾顆粒物的脫除效率與日本燃煤電廠效率相近,在70%~80%,甚至更高。

濕煙氣中可溶鹽的含量,是爭議最大的部分。濕法脫硫排放的可溶鹽可以分為二部分,一部分是煙氣中三氧化硫排入大氣中形成的鹽,另一部分是液態水中溶解的鹽。需要特別強調的是,只有液態水中才有可溶鹽,氣態水中沒有可溶鹽。對濕煙氣液態水中可溶鹽含量的測定,目前尚無標準方法,國內外的測試結果均很少,原因就在于業內普遍認同,濕煙氣中攜帶的液態水及可溶鹽對大氣污染的影響是微乎其微的。根據上海3臺超低排放機組的測定,濕法脫硫后,濕煙氣中大于3微米的液滴平均濃度為409.6毫克/立方米,氣態水含量在100克/立方米以上,可見液態水占總水量的比例小于千分之四。同時,其攜帶的可溶鹽濃度平均為677.1毫克/升,據此可以計算出,濕煙氣中攜帶的可溶鹽濃度平均為0.28毫克/立方米。若考慮到小于3微米的液滴中溶解的鹽,濕法脫硫實際排放的可溶鹽濃度會稍大一些,但總量依然是很小的。

綜合分析濕法脫硫對三氧化硫、可過濾顆粒物的協同脫除,濕煙氣中液態水攜帶的可溶鹽含量,濕法脫硫環節本身對大氣中PM2.5的減少具有正面貢獻。而如果加上大量脫除二氧化硫的貢獻,濕法脫硫絕對是治霾的功臣。

濕法脫硫是歷史的選擇

當然,早期的濕法脫硫工程,由于工程投資、運行管理等方面的原因,“石膏雨”現象較為普遍,但隨著工藝的不斷成熟、管理流程的不斷完善,以及超低排放的實施,“石膏雨”現象越來越少。此外,“石膏雨”中的石膏均是大顆粒,均會在煙囪周圍500米范圍內降落到地面,所以與大氣中的PM2.5無關。我們不能以個別不滿足環保標準要求的電廠濕法脫硫后可過濾顆粒物或PM2.5濃度稍有增加的案例,來否定濕法脫硫工藝。

其實,我國燃煤電廠以及大多數其他燃煤企業之所以選擇濕法脫硫,是經過了反復實驗與論證的。從上世紀70年代末開始到現在,我國對于(半)干法脫硫的工業實驗一直都沒有停止過,但經過反復實驗、研究,包括對國際經驗的借鑒,最終選擇了濕法脫硫工藝,因為它的脫硫效率更高、運行更穩定、副產物處理也更為方便。濕法脫硫是燃煤電廠脫硫的主要技術,這是世界各國環保工程師和科學家經過多年的研發應用后所達成的普遍共識,當前,濕法脫硫工藝在我國電廠中占比為91%,世界平均水平為85%。

多年來,濕法脫硫工藝也在不斷的完善過程中。我國燃煤電廠現在逐步推行煙氣超低排放,在此之前,脫硫環節有脫硫環節的規范,脫硝環節有脫硝環節的規范,但是發展到超低排放工程技術規范,就不能對每個子系統進行單獨評定了,因為超低排放煙氣治理是一個系統工程,各子系統之間會相互影響,如何對整個系統進行優化,在實現減排的同時更為節能,是下一步煙氣治理的研究與突破方向。

至于很多人關心的霧霾治理成效問題,應該認識到,并不是說硫氧化物、氮氧化物以及揮發性有機化合物(VOC)排放量降下來,大氣PM2.5濃度就會同比例地下降。根據美國公布的數據,與2000年相比,美國2010年排放的硫氧化物削減了50%、氮氧化物削減了41%、VOC削減了35%,但最終導致PM2.5年均地面濃度僅減少了27%。硫氧化物、氮氧化物、VOC排放量的削減幅度之和是PM2.5地面濃度削減幅度的4.7倍,在歐洲也有類似的統計結果。由此可見,為了緩解霧霾天氣頻發問題,我國硫氧化物、氮氧化物、VOC的減排任重而道遠。為此,我們需要進一步推廣并優化包含濕法脫硫在內的超低排放煙氣治理系統。