朱法華：煤電濕法脫硫是治霾功臣

　　近年來國家持續(xù)加大污染治理力度，環(huán)境質(zhì)量總體有所改善，但冬季京津冀地區(qū)霧霾仍然頻發(fā)，引起不少人質(zhì)疑治霾措施的正確性。有觀點認為，由于燃煤電廠的濕法脫硫排放大量的可溶鹽，未對煙氣加熱排放，導(dǎo)致低溫、高濕度的煙氣難以擴散，進而得出“濕法脫硫治理燃煤污染或是霧霾形成的重要原因”的結(jié)論，并極力推行干法脫硫。因此，有必要全面認識濕法脫硫，厘清霧霾形成的主要原因，把握正確的治霾方向。

　　01煙氣脫硫及其減排效益

　　2003年我國頒布的《火電廠大氣污染物排放標準》首次對燃煤含硫量大于1%的新、擴、改建電廠提出了煙氣脫硫的要求；2011年我國出臺了“史上最嚴”的新版《火電廠大氣污染物排放標準》，極大地推動了燃煤電廠的煙氣脫硫與脫硝；2014年，國家發(fā)改委、環(huán)保部、能源局等印發(fā)了《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014-2020年）》，拉開了燃煤電廠實施超低排放的序幕。

　　截至2015年底，全國已投運的煙氣脫硫機組容量約8.2億千瓦，占全國火電機組容量的81.55%，占全國煤電機組容量的91.20%，如果考慮具有脫硫作用的循環(huán)流化床鍋爐，全國脫硫機組占煤電機組比例接近100%。

　　截至2016年底，全國已投運的超低排放煤電機組容量達4.4億千瓦，占煤電機組總?cè)萘康?9%。與2010年相比，2016年電力行業(yè)煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放量分別下降88.6%、81.6%和85.2%。污染物減排的環(huán)境效益相當(dāng)顯著，全國酸雨面積下降70%，重點城市（包括京津冀、長三角、珠三角）2016年的PM2.5濃度與2013年相比下降30%左右。由于全國總量減排任務(wù)主要是靠電力行業(yè)減排完成的，電力行業(yè)無疑對上述環(huán)境改善貢獻最大。

　　02濕法脫硫及濕煙氣排放是世界實踐結(jié)果

　　發(fā)達國家自20世紀50年代就開始研究燃煤電廠的煙氣脫硫，先后開發(fā)出100多種脫硫技術(shù)，但真正實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)很少。依據(jù)脫硫產(chǎn)物的形態(tài)，煙氣脫硫分為濕法和干法，濕法包括石灰石-石膏濕法、海水法、氨法、亞鈉循環(huán)法、氧化鎂法、雙堿法等，干法包括煙氣循環(huán)流化床法、旋轉(zhuǎn)噴霧干燥法、爐內(nèi)噴鈣增濕活化法、電子束法、活性炭吸附法等。

　　日本、德國等主要燃煤發(fā)達國家對燃煤電廠的煙氣脫硫始于20世紀70年代初，在10-20年的時間里，基本完成了燃煤電廠的煙氣脫硫，如德國1983年頒布的《大型燃燒裝置法》規(guī)定：到1993年德國所有燃煤、燃油電廠都需進行煙氣脫硫。美國燃煤電廠的煙氣脫硫也始于70年代初，但由于其推行排污權(quán)交易，燃煤電廠的煙氣脫硫是逐步推廣的，早期的電廠脫硫主要在燃煤含硫量高的大機組上進行，直至2012年底，美國燃煤電廠安裝煙氣脫硫的機組容量占煤電機組容量的63.7%。如1990年12月美國燃煤電廠的煙氣脫硫共159臺機組，容量達7178.2萬千瓦，燃煤平均含硫量1.87%。據(jù)1998年的統(tǒng)計資料，全世界煙氣脫硫設(shè)施中，濕法脫硫約占85%，其中煙氣脫硫設(shè)施較多的日本濕法脫硫約占98%、美國約占92%、德國約占90%。

　　美國燃煤電廠1985年底共有135臺機組5789.9萬千瓦安裝了煙氣脫硫設(shè)施，其中濕法脫硫占92%；1990年底共有159臺機組7178.2萬千瓦安裝了煙氣脫硫設(shè)施，其中濕法脫硫占91%；2007年底共有582臺機組13081.5萬千瓦安裝了煙氣脫硫設(shè)施，其中濕法脫硫占85%。濕法脫硫的比例在下降，與此同時，安裝脫硫設(shè)施機組的單機容量下降得更快，從1990年到2007年，安裝脫硫設(shè)施的機組平均單機容量從45.1萬千瓦下降到22.5萬千瓦，說明新增的脫硫機組單機容量普遍較小，采用干法脫硫比例的相對較多，這與干法更適用于中小機組的改造以及小機組的排放要求較為寬松有很大關(guān)系。

　　在1992年到2002年期間，德國、美國、日本、挪威、荷蘭、加拿大等各種不同的煙氣脫硫技術(shù)在我國開展廣泛試驗，經(jīng)過10余年的實踐，滿足燃煤電廠排放標準要求、經(jīng)濟可行、運行穩(wěn)定的脫硫技術(shù)越來越少。濕法脫硫，特別是石灰石-石膏濕法脫硫，因脫硫效率高、運行可靠、操作簡單，得到了廣泛應(yīng)用。

　　據(jù)電力行業(yè)2015年底的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，各種脫硫工藝市場占比中，石灰石-石膏濕法占92.87%，海水法占2.58%，氨法占1.81%，煙氣循環(huán)流化床法占1.80%，其它脫硫工藝占0.93%?？梢姡瑵穹摿蛘急冗_到97.26%，且以石灰石-石膏濕法為主，因此以下除特別注明外，濕法脫硫均指石灰石-石膏濕法。

　　美國是世界上第二大煤炭消費國，煤炭主要用于發(fā)電，對煙囪的煙氣排放溫度從來沒有要求，以濕煙氣排放為主。德國在2002年以前要求煙囪的排煙溫度大于72℃，2002年廢除了該項規(guī)定，此后對煙氣排放溫度沒有要求。日本由于人口密度大，電廠附近的居民不接受濕煙氣排放，所以燃煤機組加裝加熱裝置排放煙氣非常普遍，日本企業(yè)的排放要求很大程度上取決于當(dāng)?shù)鼐用瘛?o:p>

　　03濕煙氣中的主要成分

　　濕法脫硫后排放的濕煙氣中除氮氣、氧氣、二氧化碳、一氧化碳外，還有常規(guī)污染物煙塵、二氧化硫、氮氧化物，此外，還有可凝結(jié)顆粒物、液態(tài)水及其溶解鹽、氣態(tài)水。

　　煙塵，實際上是指可過濾顆粒物，包括除塵器未能完全收集的煙塵及煙氣脫硫、脫硝過程中產(chǎn)生的未被捕集的次生顆粒物，如石膏顆粒等。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(xiàn)象較為普遍，但隨著超低排放的實施，“石膏雨”現(xiàn)象越來越少，因為“石膏雨”嚴重的電廠，其煙塵（可過濾顆粒物）排放濃度不可能滿足排放標準要求，更不用說滿足超低排放要求了。此外，“石膏雨”中石膏均是大顆粒，在煙囪周圍500米范圍內(nèi)降落到地面，所以與霧霾表征因子PM2.5無關(guān)。

　　依據(jù)美國環(huán)保署的定義，可凝結(jié)顆粒物是指在煙道溫度狀況下為氣態(tài)，離開煙道后在環(huán)境狀況下降溫數(shù)秒內(nèi)凝結(jié)成為液態(tài)或固態(tài)，此類物質(zhì)通常以凝結(jié)核的形式存在，空氣動力學(xué)直徑小于1微米。燃煤電廠濕煙氣中可凝結(jié)顆粒物主要是氣霧狀的三氧化硫等。

　　濕煙氣中的液態(tài)水是指在煙道溫度狀況下呈液態(tài)形式存在的水，其中會溶解部分鹽，排入大氣中蒸發(fā)后，溶解的鹽即形成PM2.5。

　　濕煙氣中的氣態(tài)水是指在煙道溫度狀況下呈氣態(tài)形式存在的水，俗稱水蒸氣，氣態(tài)水中基本不含任何污染物，對PM2.5無貢獻。

　　毋庸置疑，濕法脫硫極大地減少了煙氣中二氧化硫及可過濾顆粒物的排放，但三氧化硫及液態(tài)水中的可溶鹽排放會增加大氣中的PM2.5，因為三氧化硫排入大氣中會與堿性組分反應(yīng)生成硫酸鹽。

　　04濕法脫硫可減少煙氣中的可過濾顆粒物

　　濕法脫硫塔內(nèi)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。濕法脫硫?qū)煔庵袩焿m（可過濾顆粒物）的去除效率與顆粒物的初始濃度和粒徑、脫硫系統(tǒng)的液氣比、流場均勻性、煙氣流速、除霧器的除霧效果等許多因素有關(guān)。

　　日本電廠的測試結(jié)果表明，濕法脫硫?qū)煔庵锌蛇^濾顆粒物的去除效率一般在70%-80%。我國早期的濕法脫硫工程，由于脫硫效率較低，測試結(jié)果表明濕法脫硫?qū)蛇^濾顆粒物的脫除效率一般在50%左右，新建電廠環(huán)評報告編制過程中濕法脫硫?qū)焿m的去除效果均是按50%進行計算的。

　　對于少數(shù)除霧器效果較差、“石膏雨”現(xiàn)象嚴重的電廠，甚至出現(xiàn)脫硫后可過濾顆粒物濃度增加的現(xiàn)象，這些電廠排放煙氣中的霧滴濃度均不滿足2005年頒布的國家環(huán)保標準《火電廠煙氣脫硫工程技術(shù)規(guī)范石灰石/石灰-石膏法》的要求。但不能以個別早期不滿足環(huán)保標準要求的電廠，煙氣脫硫后可過濾顆粒物或PM2.5質(zhì)量濃度稍有增加的案例來否定濕法脫硫?qū)蛇^濾顆粒物的脫除效果。

　　2014年以后，隨著超低排放的大力推進，燃煤電廠濕法脫硫工程的脫硫效率及除霧器的除霧效率均大幅提高。大量電廠的測試結(jié)果表明，濕法脫硫?qū)蛇^濾顆粒物的脫除效率與日本燃煤電廠的測試結(jié)果相近，在70%-80%，甚至更高。

　　05濕法脫硫排放的可溶性鹽

　　濕法脫硫排放的可溶性鹽可以分為二部分，一部分是煙氣中的三氧化硫排入大氣中形成的鹽，另一部分是液態(tài)水中溶解的鹽。

　　1.濕法脫硫減少了三氧化硫排放形成的PM2.5

　　不管是干法脫硫還是濕法脫硫，排放煙氣中均存在三氧化硫，排入大氣中會形成鹽，其顆粒粒徑小于2.5微米（PM2.5）。需要明確的是，濕法脫硫本身不產(chǎn)生三氧化硫，相反可以協(xié)同脫除部分三氧化硫，即濕法脫硫?qū)p少煙氣中三氧化硫排放形成的PM2.5是有貢獻的。

　　根據(jù)國內(nèi)近百臺燃煤機組的實測結(jié)果，濕法脫硫?qū)煔庵腥趸虻拿摮试?0%-90%之間，超低排放機組一般在70%以上，脫除效率與脫硫塔的形式有關(guān)，復(fù)合塔的脫除效率明顯高于空塔。實現(xiàn)超低排放的機組多采用復(fù)合塔脫硫技術(shù)，超低排放機組煙氣中三氧化硫測試結(jié)果的平均值8.86毫克每立方米，其中加裝濕式電除塵器的20臺機組平均值6.6毫克每立方米。實現(xiàn)超低排放之前，煙氣中三氧化硫的排放濃度平均不超過30毫克每立方米。

　　2016年煤電機組容量8.98億千瓦，濕法脫硫機組容量8.76億千瓦（含海水脫硫、氨法脫硫等），年平均利用小時取4500小時，可以算出所有濕法脫硫煤電機組沒有超低之前，年排放三氧化硫約36萬噸，全部折算成硫酸銨約為59.4萬噸；全部實現(xiàn)超低排放后，年排放三氧化硫約10.6萬噸，全部折算成硫酸銨約為17.5萬噸

　　根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有工程的測試結(jié)果，超低排放條件下濕法脫硫協(xié)同脫除三氧化硫的效率一般在70%以上，高于干法脫硫的56.6%（介于48.5%-64.2%）。

　　2.液態(tài)水排放攜帶的可溶鹽量很小

　　（1）濕煙氣中的液態(tài)水含量

　　濕法脫硫過程中會產(chǎn)生液滴隨煙氣上升，為減少這些液滴排放，濕法脫硫系統(tǒng)中均設(shè)有除霧器，除霧器后的濕煙氣中仍會含有液態(tài)水，環(huán)保標準中稱之為霧滴。霧滴濃度與除霧器的除霧效果密切相關(guān)，2005年頒布實施的環(huán)保標準《火電廠煙氣脫硫工程技術(shù)規(guī)范石灰石/石灰-石膏法》中規(guī)定：在正常運行工況下，煙氣中的霧滴濃度應(yīng)低于75毫克每立方米。2017年頒布實施的環(huán)保標準《火電廠污染防治可行技術(shù)指南》中要求超低排放煙氣中霧滴濃度低于25毫克每立方米。

　　霧滴濃度不是指煙氣中實際排放的液態(tài)水濃度或液滴濃度，而是指折算到相應(yīng)濕法脫硫漿液中鎂離子濃度條件下，標準狀態(tài)干煙氣中的霧滴總質(zhì)量濃度，包括霧滴中的液態(tài)水及其溶解的鹽。

　　據(jù)國電環(huán)境保護研究院近三年對燃煤電廠煙氣中的霧滴監(jiān)測結(jié)果，26臺超低排放機組排放煙氣中霧滴濃度介于1.1-19.7毫克每立方米,平均6.6毫克每立方米；其中10臺超低排放機組，濕法脫硫后濕式電除塵器前煙氣中霧滴濃度介于4.0-43.4毫克每立方米,平均16.8毫克每立方米。未實現(xiàn)超低排放但達標排放的9臺機組，濕法脫硫出口煙氣中霧滴濃度介于10.5-71.4毫克每立方米,平均38.5毫克每立方米。由此可見，規(guī)范建設(shè)、運行的濕法脫硫裝置，其排放煙氣中的霧滴濃度均是滿足環(huán)保標準要求的。

　?。?）液態(tài)水?dāng)y帶的可溶鹽

　　除霧器后煙氣中的液態(tài)水溶液，包括濕法脫硫過程中形成的隨煙氣上升的液滴、除霧器沖洗水形成的液滴、煙氣中氣態(tài)水冷凝形成的液滴、以及煙氣中的三氧化硫與二氧化硫等氣態(tài)物質(zhì)部分溶入液態(tài)水中。

　　濕煙氣液態(tài)水中可溶鹽含量的測定，目前尚無標準測試方法，國內(nèi)外的測試結(jié)果均很少。根據(jù)上海3臺超低排放機組煙囪液（順著煙囪內(nèi)壁流下的煙氣中的液態(tài)水）中離子組份的測定，發(fā)現(xiàn)煙囪液中離子組分與脫硫漿液、脫硫廢水的成分有很大的差異，煙囪液的pH值低至2左右，成分中以硫酸根與鈣離子為主，硫酸根占陰離子摩爾濃度的99.8%-100%，平均99.9%；鈣離子占陽離子（鈣、鎂、鋁、鐵）摩爾濃度的32%-64%，平均50%；可溶鹽濃度介于501.8-869.2毫克每升，平均677.1毫克每升。

　　同時采用國家標準方法測試了相應(yīng)機組煙氣中大于3微米的液滴濃度，7次測試結(jié)果介于216.5-640.2毫克每立方米，平均409.6毫克每立方米。據(jù)此可計算出液態(tài)水排放攜帶的可溶鹽濃度平均為0.28毫克每立方米?？紤]到小于3微米的液滴（目前無標準的采集方法）中溶解的鹽，實際排放的可溶鹽濃度會稍大。

　　需要特別強調(diào)的是液態(tài)水中才有可溶鹽，氣態(tài)水中沒有可溶鹽。如上所述，濕煙氣中的液態(tài)水平均濃度為409.6毫克每立方米，氣態(tài)水含量在100克每立方米以上，可見液態(tài)水占總水量的比例小于千分之四。

　　由以上計算結(jié)果可以看出，濕法脫硫排放的可溶鹽對大氣中PM2.5的影響較小。綜合對比濕法脫硫?qū)θ趸虻膮f(xié)同脫除量、濕煙氣中液態(tài)水?dāng)y帶的可溶鹽，濕法脫硫?qū)Υ髿庵蠵M2.5的減少具有較大的貢獻。

　　06濕煙氣中水汽排放對大氣濕度影響極小

　　濕法脫硫后濕煙氣中的水汽（包括氣態(tài)水與液態(tài)水）排放量可達到100克每標準立方米以上，但以氣態(tài)水蒸汽為主。煙囪排放水汽總量，與相同規(guī)模電廠冷卻塔排放的水汽總量相比，約是其四分之一到五分之一。我國北方的燃煤電廠普遍建有濕式冷卻塔，僅在2007年以后國家才要求北方缺水地區(qū)應(yīng)采用空氣冷卻方式，不建濕式冷卻塔。百年來濕式冷卻塔的水汽一直在排放，且其排放的水汽量遠遠高于煙囪排放的水汽量，沒有對大氣的濕度產(chǎn)生影響，北方空氣的濕度依然遠低于南方。

　　事實上，干法脫硫排放的煙氣中一樣含有大量的水蒸汽，所不同的是由于干法脫硫排煙溫度較高，煙溫越高，飽和煙氣中的水蒸汽含量越大，只是肉眼看不見而已。根據(jù)計算及實際測試，石灰石-石膏濕法脫硫排放煙氣的含水量比干法脫硫排放的煙氣含水量僅高10%左右。

　　此外，對濕煙氣進行加熱到75℃左右后排放，可以消除濕煙氣排放形成的“大白煙”，但并不減少細顆粒物的排放；加熱煙氣需要消耗大量能源，實際上會增加污染物排放。采用先對煙氣冷卻析出大量水，再對煙氣加熱升溫5℃左右的方式，既可消除“大白煙”，又可節(jié)水節(jié)能。

　　燃煤電廠濕法脫硫排放的水汽總量與區(qū)域地面蒸發(fā)量、大氣中的水汽總量相比基本可以忽略，因此濕煙氣排放對大氣濕度的影響也可以忽略。

　　07煙氣低溫排放對煙氣抬升影響冬季小于夏季

　　影響煙氣抬升高度的主要因素是熱力抬升與動力抬升，就同一煙氣脫硫工程而言，大氣環(huán)境溫度是影響干、濕煙氣排放煙氣抬升高度差異的主要影響因素，即環(huán)境溫度越高，煙氣溫度與環(huán)境溫度的差值越小，越不利于煙氣抬升與擴散。

　　根據(jù)計算，當(dāng)環(huán)境溫度低于10℃時，濕法脫硫后干、濕煙氣的抬升高度相差無幾，地面濃度的差異基本可以忽略。因此，濕煙氣在我國北方冬季排放，對大氣環(huán)境的影響與干煙氣基本沒有差別。在夏季，由于煙氣溫度與環(huán)境溫度相差較小，煙氣抬升高度較小，對地面濃度的影響較大。

　　08大幅減少污染物排放是治理霧霾的正確方向

　　根據(jù)美國公布的統(tǒng)計結(jié)果，美國2010年主要污染物排放量與2000年相比，PM10削減了5%，硫氧化物削減了50%，氮氧化物削減了41%，VOC了削減35%，最終導(dǎo)致PM2.5年均地面濃度削減了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。

　　在歐洲經(jīng)濟區(qū)（EEA）的32個地區(qū)內(nèi)，2009年主要污染物排放量與1990年相比，PM10削減了27%，硫氧化物削減了80%，氮氧化物削減了44%，VOC削減了55%，最終導(dǎo)致PM2.5年均地面濃度削減了34%。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5.3倍。

　　不論是美國還是歐洲，PM2.5年均地面濃度削減幅度均遠遠小于硫氧化物、氮氧化物、VOC排放量的削減幅度。我國北京PM2.5年均地面濃度約是環(huán)境空氣質(zhì)量標準的2倍，要想滿足標準要求，意味著要再下降50%，對區(qū)域硫氧化物、氮氧化物、VOC排放量的削減就需要更大的幅度。

　　日本1983年1月統(tǒng)計的煙氣脫硫設(shè)施共1366臺，電廠僅為64臺，占4.7%。脫硫設(shè)施數(shù)目以造紙廠、化工廠最多，其次是紡織業(yè)，合起來占總數(shù)的48.8%。供熱、供汽和公共浴室因為基本上都用液化天然氣，故用到煙氣脫硫的只是個別單位，數(shù)目極少。

　　就處理能力來看，則電廠最高，占全部處理能力的33.3%，因為電廠的排煙量最大；其次是造紙廠和化工廠，占27.9%。平均脫硫效率以供氣、供熱和金屬加工行業(yè)最高，在96%以上；玻璃廠和廢棄物焚燒廠的脫硫效率較低，各為63.9%和73.7%，造紙廠脫硫設(shè)施的平均脫硫效率為83.2%，電廠為90.8%。全國煙氣脫硫設(shè)施加權(quán)平均效率為86.4%。

　　由此可見，為了減少霧霾頻發(fā)，我國硫氧化物、氮氧化物、VOC的減排任重道遠，光靠主要行業(yè)減排是不行的，必須動員全社會力量。

　　總而言之，盡管國內(nèi)外開發(fā)了100多種的煙氣脫硫技術(shù)，但真正實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的只有幾種，其中以石灰石-石膏濕法脫硫應(yīng)用最多。除日本由于人口過于密集，對濕煙氣進行加熱排放，消除“大白煙”視覺污染外，其他國家一般均采用濕煙氣排放。濕煙氣中除常規(guī)污染物外，還有可凝結(jié)顆粒物、液態(tài)水及其溶解鹽、氣態(tài)水。

　　濕法脫硫本身不產(chǎn)生三氧化硫等可凝結(jié)顆粒物，與干法脫硫相比，可更多地減少煙氣中三氧化硫等可凝結(jié)顆粒物的排放。濕法脫硫排放的濕煙氣中99.6%以上的水是以氣態(tài)形式存在的，不含有污染物，以液態(tài)形式存在的液滴溶解的可溶鹽量很小。濕煙氣排放對大氣濕度的影響可以忽略，低溫排放對煙氣抬升高度與擴散的影響夏季遠大于冬季，北方冬季干、濕煙氣排放的抬升高度相差無幾。

　　環(huán)境空氣中PM2.5地面濃度的消減幅度要遠小于硫氧化物、氮氧化物和VOC的削減幅度，電力行業(yè)的濕法脫硫及超低排放盡管是霧霾治理的“功臣”，但僅靠電力行業(yè)的減排遠遠不能消散霧霾，需要動員全社會力量，每一個企業(yè)、每一個單位、每一個人都需為消散霧霾做出自己的貢獻。