霧霾大爆發(fā)的根本原因：濕法脫硫取消GGH引發(fā)PM2.5粒數(shù)濃度暴增

編者按
 

2013年中國霧霾爆發(fā)以來，引起國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。在經(jīng)濟增速趨緩，燃煤總量有所下降的背景下，是什么原因?qū)е蚂F霾天數(shù)突然爆發(fā)，而且長時期居高不下，是專家學(xué)者一直在探究的問題。2017年初，國際中國環(huán)境基金會（IFCE）會長何平博士指出一項污染治理工藝-濕法脫硫的缺陷導(dǎo)致了中國霧霾大爆發(fā)，引起廣泛關(guān)注，并導(dǎo)致了這兩年學(xué)術(shù)界和環(huán)保行業(yè)內(nèi)外的大討論， 一些地區(qū)和城市也開始治理濕法脫硫排出的有色煙羽。2017年 8月，山東省科學(xué)院研究員周勇在第一期山東科技智庫論壇上對外公布三年來持續(xù)跟蹤調(diào)查的結(jié)果，他表示：“濕法脫硫是導(dǎo)致2013年霧霾大暴發(fā)的主因，也是2016年鐵腕治理下的霧霾天氣反彈的主因” 。2019年4月周勇研究員在《科學(xué)與管理》雜志發(fā)表他更進一步的研究成果，指出2013-2014年中國霧霾大爆發(fā)的根本原因是濕法脫硫取消GGH引發(fā)PM2.5粒數(shù)濃度暴增， 以詳盡的數(shù)據(jù)和嚴(yán)密的分析， 正式確認(rèn)了中國霧霾大爆發(fā)的原因，并對目前的大氣治理政策和措施提出了建設(shè)性的意見。以下是周勇的論文摘要。
 

霧霾大爆發(fā)的根本原因：濕法脫硫取消GGH引發(fā)PM2.5粒數(shù)濃度暴增
 

（摘要）

 

周勇 （齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院），山東 濟南 ）

科學(xué)與管理，第39卷 第2期2019年04月

  

作者采用突變分析和系統(tǒng)分析方法，基于氣象數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、不同階段相關(guān)文獻中的檢測數(shù)據(jù)等，構(gòu)建相關(guān)分析模型，確認(rèn)PM2.5粒數(shù)濃度暴增而非質(zhì)量濃度變化是2013-2014年京津冀及周邊省份霧霾大爆發(fā)的主因。確認(rèn)硫酸根、硝酸根、銨根等水溶性離子為主的可凝結(jié)顆粒物，均受濕法脫硫取消GGH后的濕煙囪污染物排放這一因素的直接或間接影響。濕法脫硫取消GGH是最主要的引發(fā)PM2.5粒數(shù)濃度暴增的因素，同期大規(guī)模的脫硝加劇了這一趨勢。其它任何因素沒有在2013-2014年間發(fā)生突變的可能，也不可能引起霧霾天數(shù)倒鉤型的變化。最后根據(jù)萃智創(chuàng)新方法提出燃煤煙氣超低排放改造的優(yōu)化方向。

 

造成2013—2014年霧霾大暴發(fā)的根本原因是濕法脫硫取消GGH引發(fā)一系列連鎖反應(yīng)，使得PM2.5粒數(shù)濃度暴增。這種連鎖反應(yīng)主要有8 條路徑。

 

（1）取消GGH后，脫硫塔入口溫度提高，導(dǎo)致脫硫塔出口PM1.0粒數(shù)濃度暴增10~100倍。2012年開始執(zhí)行火電廠大氣污染物新排放標(biāo)準(zhǔn)和脫硝電價、供熱脫硫脫硝加價，而長期存在堵塞問題的GGH也影響煙氣中二氧化硫達標(biāo)排放，在業(yè)內(nèi)取得 “GGH用處不大、不得不拆除” 的共識后，當(dāng)年較大部分電廠拆除 GGH且以后新建電廠不再安裝GGH。這導(dǎo)致其它行業(yè)上濕法脫硫時不再考慮GGH這一環(huán)節(jié)。由此導(dǎo)致看得見的突變是石膏雨，看不見的突變是PM2.5粒數(shù)濃度暴增。此后冶金、化工等大中型企業(yè)部分采用濕法脫硫技術(shù)，對PM2.5粒數(shù)濃度暴增也有貢獻。

 

（2）煙氣排放由“干煙囪”模式轉(zhuǎn)換為“濕煙 囪”模式。本來就存在問題的除霧器對暴增的PM1.0不起作用，超細(xì)顆粒物、細(xì)微液滴甚至脫硫漿液被煙氣攜帶至大氣中，隨著煙氣飄散稀釋，PM2.5粒數(shù)比監(jiān)測取樣處暴增上萬倍。而進入大氣監(jiān)測指標(biāo)的只有煙塵，屬于可過濾顆粒物，不存在進入大氣后顆粒數(shù)暴增的問題。

 

（3）煙囪干濕轉(zhuǎn)換后，在煙道、煙囪及煙羽中的二氧化硫更容易轉(zhuǎn)換為三氧化硫，加上脫硝系統(tǒng)產(chǎn)生的三氧化硫，進入大氣后形成硫酸霧，再與大氣中富含的氨和脫硝逃逸的氨結(jié)合，形成硫酸鹽、銨鹽。為了達到較為嚴(yán)苛的氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)的過量噴氨造成的氨逃逸和硫酸鹽、銨鹽也是不容忽視的問題。

 

（4）大量超細(xì)顆粒物屬于水溶性鹽類物質(zhì)，進入大氣后不自然沉降，在燃煤區(qū)的靜穩(wěn)天氣逐日累積，幾天后就能進入輕霧霾狀態(tài)，遇到濕度大的天氣吸水并黏附變大，霧霾逐漸形成，直到遇到大一些的風(fēng)、 雨或形成大霧霾后沉降；非燃煤區(qū)也有天然氣燃燒增加的氮氧化物和水汽，加上漂移來的外部顆粒物和當(dāng)?shù)氐钠渌廴疚铮矔纬伸F霾，只是少一些。

 

（5）暴增的超細(xì)顆粒物吸水黏附變大后成為二次顆粒物的溫床，導(dǎo)致霧霾頻發(fā)，而霧霾天氣潮濕的細(xì)顆粒物又加速二氧化硫、氮氧化物向酸性物質(zhì)及硫酸鹽、硝酸鹽和銨鹽的轉(zhuǎn)換。

 

（6）取消GGH后排煙溫度降低，煙柱高度下降，排放空間減少一半，污染物最大落地點濃度增加1倍 左右，僅此變化就帶來PM2.5質(zhì)量濃度100% 左右的增長，粒數(shù)濃度增長更高。

 

（7）2012—2015年間大規(guī)模脫硝，增加大量硫酸鹽、銨鹽類PM1.0并產(chǎn)生三氧化硫，進入后續(xù)的除塵和脫硫環(huán)節(jié)后，部分進入大氣，與上述取消GGH的連鎖反應(yīng)疊加，加劇了大氣中PM2.5粒數(shù)濃度的暴增。

 

（8）取消GGH后排放的過多水汽，增加了容易形成霾天氣時大氣的濕度，加速霧霾形成。

 

綜上所述，濕法脫硫取消GGH后，主要由可凝結(jié)顆粒物引起的PM1.0超細(xì)顆粒物濃度暴升，進而大氣中 PM2.5粒數(shù)濃度成倍增加，1~2年內(nèi)迅速超過已經(jīng)接近上限的大氣污染物容量的若干倍，導(dǎo)致霧霾大暴發(fā)。濕法脫硫取消GGH后導(dǎo)致PM2.5粒數(shù)濃度暴增， 主要是除塵脫硫脫硝系統(tǒng)出現(xiàn)技術(shù)失誤造成的，而電廠、鋼鐵廠等采用濕法脫硫的企業(yè)都是購買產(chǎn)品和服務(wù)的用戶，并非是脫硫脫硝設(shè)備的生產(chǎn)者和監(jiān)管者。不出現(xiàn)這一技術(shù)失誤或采用其他技術(shù)路徑可能不會出現(xiàn)霧霾大暴發(fā)。

 

當(dāng)然也不是單純因為煤炭消費量、二氧化硫和氮氧化物的排放量等變化引起的。超低排放改造的目的是減排煙塵、二氧化硫、氮氧化物等常規(guī)污染物，而導(dǎo)致霧霾大暴發(fā)的主要污染物是PM2.5，產(chǎn)生這些 PM2.5的主要貢獻者是煙氣攜帶含溶解物霧滴進入大氣后生成的二次顆粒物。因此，超低排放對治霾而言不是對癥下藥，并沒有十分明顯改善京津冀及周邊的霧霾問題。超低排放確實可以彌補取消GGH帶來的一些功能缺失，比如濕式電除塵可以去除45%的PM1.0質(zhì)量濃度 [41]，但治霾效果并不很明顯。大發(fā)電機組排放的煙氣中PM2.5粒數(shù)濃度因為其燃燒特性仍然較高[15]，相關(guān)減排指標(biāo)也并非針對霧霾治理，煙氣拖尾現(xiàn)象還很普遍，因此需要針對降低PM2.5粒數(shù)濃度繼續(xù)努力。治霾的關(guān)鍵是降低煙氣排放全過程所有PM2.5的粒數(shù)濃度，而非單純降低煙氣排放連續(xù)監(jiān)測儀安裝位置處二氧化硫、氮氧化物和煙塵的質(zhì)量濃度。煙氣排出煙囪口后也有PM2.5顆粒產(chǎn)生、液滴擴散過程中逐漸超細(xì)化并導(dǎo)致PM2.5粒數(shù)暴增，目前在線監(jiān)測對于目前安裝位置后的PM2.5監(jiān)測是缺失的。

 

根據(jù)萃智創(chuàng)新方法，在不得不取消GGH，但GGH 自身有許多功能不可缺少情況下，需要通過增加相關(guān)組件，恢復(fù)其有用功能，裁剪其有害功能。目前的超低排放改造，雖然主要是為了治理石膏雨、二氧化硫、氮氧化物和煙塵，并非專門針對引起霧霾的所有形式的PM2.5（如可凝結(jié)顆粒物和三氧化硫等），但增加的低低溫省煤器起到了GGH取消后降低脫硫塔進口溫度的作用，脫硫塔后面的濕式電除塵起到了阻攔部 分PM1.0的作用，脫硝、除霧器和煙囪都比2013—2014 年優(yōu)化。

 

現(xiàn)在的超低排放改造主要是缺少去除可凝結(jié)顆粒物、 抬升脫硫塔后的煙氣溫度及煙氣排放變回干煙囪狀態(tài)的措施。如可通過類似MGGH等技術(shù)，達到取消GGH之前的排煙溫度，可以避免監(jiān)測儀檢測數(shù)據(jù)失真；使可凝結(jié)顆粒物氣溶膠能夠在煙道中相互碰撞增大，或把可凝粒顆粒在煙道中轉(zhuǎn)化為固體顆粒物，避免在大氣中產(chǎn)生粒數(shù)暴增；也可以抬升煙柱高度， 擴大排放空間；降低污染物最大落地點濃度。煙氣冷凝除濕也是需要補充的功能。當(dāng)然，如果煙氣能夠很干凈，沒有污染物，不用抬升溫度也可以，但這幾乎不可能，也不經(jīng)濟。相關(guān)研究證明，即使大發(fā)電機組超低排放水平很高，污染物排放質(zhì)量濃度很低，但其粒數(shù)濃度大大高于循環(huán)流化床機組，與工業(yè)層燃爐的差距遠(yuǎn)小于質(zhì)量濃度的差距。而對于是否在其他領(lǐng)域推廣并非針對霧霾治理的超低排放改造，需要謹(jǐn)慎研究。

 

產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、減少污染物排放對霧霾治理，過去、現(xiàn)在和將來都是永恒的話題和正確的舉措，但并非低成本快速高效精準(zhǔn)治霾的關(guān)鍵。放松煙塵、二氧化硫和氮氧化物的超低排放標(biāo)準(zhǔn)，納入和加嚴(yán)可凝結(jié)顆粒物、三氧化硫和氨排放標(biāo)準(zhǔn)，重新定義超低排放的內(nèi)涵和外延，是經(jīng)濟性快速精準(zhǔn)治霾的必然選擇。否則，可能會對經(jīng)濟社會發(fā)展和人民健康帶來很大危害，比如不必要的關(guān)閉大量企業(yè)、失業(yè)、經(jīng)濟減速、每年上百萬人因為霧霾早死亡等。