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雾霾真相:火电厂脱硫“打折”所致?

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进入21世纪,我国的大气治理力度逐年加大,有关部门公布的空气污染物指数总体趋势是不断下降。但事实上,虽然今年夏天出现罕见的蓝天白云,但总体上,却是雾霾越来越严重,尤其在冬天。


2015这个夏天,武汉、郑州、北京等几个城市,看到了久违的蓝天和白云,还有夜晚那满天灿烂的星斗。朋友圈里,不少人也在晒自己拍摄的蓝天照,带着一份难得的欣喜和惊讶。


曾被称作老男人饭局上的斟酒女孩、央视最穷主持人的柴静,自费百万拍了一部环保纪录片《穹顶之下》,在火了几天之后,被迅速封杀。


片中提到了燃煤、汽车排放甚至餐饮对雾霾的影响。柴静提出的一些解决方案是否靠谱,这里不做评论,仅从一个环保工程师的角度谈谈对雾霾的看法。


雾霾,必须直面的问题


进入21世纪,我国的大气治理力度逐年加大,有关部门公布的空气污染物指数总体趋势是不断下降。


前瞻产业研究院发布的《2015-2020年中国大气污染治理行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》显示,2012年,全国工业废气排放量635519亿立方米(标态),比上年减少5.8%,工业废气排放量首次出现了下降;集中式废气排放量36832.3亿立方米(标态)。


2013年,全国工业废气排放量61.34万亿立方米,同比下降3.48%。


雾霾的主要原因我们真的清楚了吗?


要找到雾霾的主因,就要从我国的能源结构入手。普通人通常很少接触能源、石化、炼钢等行业,所以对环保,他们通常的感觉就是汽车尾气、污水排放、甚至乱扔垃圾之类,事实上,虽然这些也是环境污染的一部分,但不是主要的。


为什么这样说呢?中国汽车拥有量虽然增长很快,但跟美国等发达国家比起来还是不多的,发达国家汽车多年前就有很高的拥有量,但也没有出现象我国这样严重的雾霾。


汽车和餐饮的排放跟燃煤比起来,也只是很小一部分。不论汽车还是餐饮,显然不足以造成如此严重的雾霾。


其实,要找到雾霾主要来源,其实也不难,就是看我们主要的能源来源于哪里,就很容易找到雾霾的真正原因。排放导致雾霾,这点不可否认。


中国的火力发电占总发电量的80%左右,而水力发电仅占百分之十几,核电、风能、光能等新能源发电仅占百分之几,由此可见,火电站是我国主要能源提供者,而火电几乎全部都是以煤为燃料。


而钢铁、水泥、石油这些重污染行业,无一例外地都需要燃煤,即便是我们汽车燃油的生产,也是需要煤提供能源或原料,这些所有行业,也都需要消耗电力,而电力,80%左右来源于煤。


从数据来分析,一吨煤产生的二氧化碳约2.5吨,我国2013年煤消耗量约35亿吨,约产生二氧化碳87.5亿吨。


2014年汽油消费量约1亿吨,柴油消费量约1.6亿吨,全部燃烧产生的二氧化碳约8亿吨,不到燃煤产生二氧化碳的10%,而燃煤废气除了二氧化碳之外,还有烟尘等杂质,废气比例来看,显然燃煤占绝大部分。


所以,中国超过80%的能源来源于煤,也可以就此推出80%左右的废气排放来源于煤。煤是主要污染来源。


煤是主要污染来源,这点是毫无疑问的,这点柴静在片中也提到。柴静甚至提出了减少煤的消耗,提高天然气比例的措施(这个观点其实也是有问题的)。


但作为一个能源消耗大,能源结构以煤为主的“多煤、少气、缺油”的国家,短期内停止用煤,甚至仅仅是减少到一半,都是不可想象的。那直接导致全国大范围缺电,对经济的打击不言而喻。


环保上我们做了多少?


实际上,近年来,针对燃煤火电、化工、采暖的洁净燃烧技术已经发展非常快,脱硫、脱硝已经成为必备设备,到2015年,几乎所有的火力发电厂都装备了脱硫和脱硝设备,这些比起十几年前相比是非常大的进步。


氮化物也是产生雾霾的原因之一,所以今年夏天的蓝天白云,很大程度上得益于今年全国大部分火电厂都投运了烟气脱硝设备,大大减少了氮化物排放。


燃煤大户电力行业,二氧化硫和氮化物的排放确实大幅度减少,这是我们不能忽略的事实。


目前火电厂几乎100%都装了脱硫设备,大部分装了脱硝设备。近些年来,各火电厂为环保投入的资金数以千亿计,并且根据有关部门提供的排放物指标的检测数据,确实在下降,从这个角度说,环保部门的排放物逐年下降的说法似乎有了证据。但为什么总体来看,雾霾依旧越来越严重?是哪里出了问题?


从本世纪以来,我国火电厂开始在烟气排放末端加装脱硫设备,业内称脱硫岛,并且在近几年又开始进行脱硝改造,即去除烟气中影响大气污染得氮化物。到2015年,火电厂脱硫和脱硝基本普及。


问题在于:环保部门一直在关注排放烟气的多少,而忽视了烟气的温度与湿度才是问题所在!


脱硫设备打了折扣?


雾霾的产生,主要来源于排放的烟气,不论是根据常识,还是专业的试验都可以证明,烟温越高,烟升越高,越容易扩散。


同时,烟气温度直接影响烟气的湿度,湿度越大的烟气,越难以扩散,也越容易形成雾霾。所以,烟气的温度对于扩散有非常重要的影响。


上个世纪,由于我国没有安装烟气脱硫设备,火电厂烟气排放温度在130-150℃之间,在这个温度下的烟气属于干烟气,容易扩散,不易形成雾霾。这种情况下,虽然大量含硫含氮化物的烟气排放到大气中,但通常不会导致烟气在低空聚集。


这就是为什么大家记忆中的童年都是白天蓝天白云,晚上星光灿烂。那时虽然没有这么复杂的环保设备,但是烟气排放温度高,不容易形成雾霾。


为了控制酸雨,本世纪以来,提高了环保要求,引进国外的脱硫技术,烟气脱硫开始在火电厂普及。


我国能源消耗主要是燃煤,最大的燃煤用户是电厂锅炉。电厂锅炉全部上了烟气脱硫,并且超过90%是湿法脱硫,湿法脱硫之后的烟气温度在30-50℃左右的,湿度在100~200g/Nm3(克/标方),而我国大气的平均湿度仅为9g/Nm3,锅炉湿法脱硫排烟湿度为大气平均湿度的10倍以上,温度比脱硫前低80-100℃。


总量上看,按吨煤燃烧湿法脱硫烟气带出1吨水估算,我国燃煤锅炉烟气湿法脱硫每年向大气排放约40亿吨的水蒸气。按照烟囱设计规范,由于污染雾浓度降低,脱硫后防腐湿烟囱通常只有原来干烟囱高度的一半,烟囱高度降低、湿度增大,使排烟难以扩散。


脱硫不是从国外引进的先进技术吗?为什么引进后不行了呢?问题出在哪儿呢?


根据国外经验,湿法脱硫岛通常需要加装烟气再热器(业内称GGH,Gas gas heater),将烟气温度抬升到80度以上排放。采用80度以上高温烟气排放,这在不少发达国家是排放硬性标准。


例如,德国的《大型燃烧设备法》规定,烟囱入口温度不得低于72℃;英国规定排烟温度不得低于80℃,日本规定排烟温度在90-100℃。采用GGH加热烟气的工艺是国外早已成熟的技术,但在我国却大面积出现了新的问题,就是系统堵塞,导致系统无法正常运行。


原因在哪儿呢?主要是两点:


1、脱硫公司或者因为没有吃透技术,或者为了节约成本,对脱硫工艺和布置进行了不恰当的简化。


例如,国外的流程是,脱硫后的烟气需要除雾,除雾后的烟气从脱硫塔进入烟气再热器的下部进行换热,这样可以保留较长的烟道,以便除雾不尽的含有石膏液滴的烟气充分沉降,不至于堵塞设备。


国内几乎所有的脱硫后的烟气都是从GGH(烟气再热器)上部直接进入,这样固然可以简化烟道布置,节约投资成本,但是,由于石膏液滴除雾不完全,或运行时吸收塔液面控制不好,由于重力影响,导致石膏浆液很容易在烟气再热器上部附着,造成设备经常堵塞,设备无法正常运行。


2、部分设备的选型或质量存在问题,比较典型的是除雾器选型不当或质量不好,导致除雾余量不够,效果不好。


引进的技术没有吃透,在设计、制造等方面存在问题不少,设备的运行故障频发。之所以造成这种局面,也存在政策上的原因,国家划定了总体完成脱硫脱硝的时间表,但对各企业而言,脱硫是个很大的投入,越晚上脱硫,成本越低。这就造成了全国在要求的时间节点到来之前,短期内大量上脱硫项目,远远超出市场承受力。


一窝蜂上脱硫。一时间,国内大大小小脱硫公司纷纷冒出,甚至有不少脱硫公司实际上是几个人,几张桌子的皮包公司。在这种乱象之下,不出问题,也不可能了。


“砖家”的建议靠谱吗?


这个时候,我们的专家出现了,某些所谓的专家,不是积极研究如何改进工艺,提高排放标准,而是想方设法用最少的钱,换取更大的利益,哪怕牺牲环境与健康。


他们认为,GGH(烟气再热器)不是必要的设备,建议取消。理由是:


1、经常堵塞,导致脱硫岛无法运行,甚至影响整个机组的运行安全,导致机组停机带来巨大经济损失。


2、取消GGH(烟气再热器)对脱硫效率几乎没有影响,不影响排放指标的实现,甚至因为没有泄漏,甚至有利于提高脱硫效率。


3、由于排烟温度高,消耗了热量,降低了机组效率,不利于节能。


这些理由说的符合实际吗?符合,每一条都是实际情况。但取消烟气再热器依然不是正确的选择,这是典型的因噎废食!环保与节能,某些时候,是无法双赢的,必然要做出谁优先的选择。


某一种小范围内的能源是有限的,但自然界总体看来,能量必然是守恒的,既不会增加,也不会减少,只会从一种形式转为另一种形式,这是中学教材中的常识。


而环保,本来是一个很专业的科学领域,几乎所有的环保设备都会存在能源消耗。但是,不知出于何种原因,某些人却硬要将节能与环保混为一团,似乎环保就是少用电,少开车那么简单。


于是,在某些专家的建议下,有关部门的默许下,国家又开始了大规模取消GGH(烟气再热器)的运动。


一大批新上的电厂不再要求安装GGH,已经安装的电厂开始大规模拆除GGH,排烟温度的要求也没人提了,某些电厂的排烟温度几乎接近大气温度。温度越低,烟气湿度越大。


而我国排烟温度和湿度在现行的大气污染控制指标中还没有详细规定。


这样的结果是直接导致大量烟气低温、高湿度排放。低温、高湿度的烟气难以扩散,雾霾也就越来越严重。这也可以解释为什么夏天雾霾比冬天少。


夏天虽然一样是用电高峰,但温度较高,烟气湿度较低,扩散较快。对于电厂等企业来说,他们更乐意烟气低温排放,因为低温烟气排放,不仅省去了GGH(烟气再热器)的设备费用,同时意味着锅炉有更高的效率,更低的发电成本。


如果住在电厂周围,你会有更明显地感受,每一片树叶上都是厚厚一层石膏灰,这是脱硫后烟气携带的小的石膏液滴和煤灰的混合物。


笔者到过近百家电厂,不用进电厂,只需将车停在附近半天,就知道该厂的烟气势低温排放还是高温排放,如果车上积了厚厚一层灰,一定是低温排放。


而焦点在于:这些极大污染周边环境的、含有大量石膏灰低温排放的烟气,是符合环保要求的!


发达国家是怎么做的呢?


事实上,一些发达国家,烟气排放温度一直是环保要求的刚性指标,通常要求在80度以上。


日本,由于日本是个岛国,为了避免对本国的污染,要求排放大气温度90-100℃,几乎所有的火电厂都安装了烟气再热器。


在美国,除了一部分电厂安装烟气再热器,也有部分火电厂采用天然气加热烟气的方式进行排放,均采用高温排放。


在德国,要求排放温度不低于72℃,除了安装烟气再热器,同时推广其他烟气加热技术,烟气通过冷却塔余热加热的方式。


英国,要求烟气排放温度不低于80℃,主要采用烟气再热器加热方式。


这些国家,都是强制要求烟气高温排放。而我国,越来越多的火电厂都采用低温排放烟气。经过湿法脱硫后的烟气,如果不经过再加热,排放温度只有40-50℃。


那么问题来了:发达国家装设烟气再热器的不会发生设备堵塞吗?不能说完全没有,这与运行状况有关,但绝没有国内这般普遍,基本都能满足正常运行。


以同样是国内环保公司总承包的香港项目为例,由龙源公司总承包的香港南丫岛脱硫项目,凯迪公司总承包的CLP脱硫项目,脱硫系统都运行良好,也没有发生烟气再热器堵塞问题。


所以,毫无疑问,取消烟气再热器无疑个因噎废食的错误决策!


煤改气能避免雾霾吗?


柴静的《穹顶之下》有个隐含观点,燃煤是污染主因,减少煤的使用量就可以避免大气污染吗?答案是否定的。


天然气燃烧增加了排烟湿度和氮氧化物总量。天然气所含颗粒物和二氧化硫低,一直是作为大气治理的措施之一,煤改气对于减少颗粒物和二氧化硫排放量有利,却增加了排烟湿度和氮氧化物排放量。


计算表明,每立方米天然气燃烧会排放其两倍体积的水蒸气,并且因为燃烧温度高产生的氮氧化物含量比燃煤高,由于设计标准问题,天然气燃烧的烟囱更低,北京有许多小区采暖天然气锅炉排放烟囱就在居民楼顶。


按照我国年天然气消耗量1600多亿立方米估算,每年天然气燃烧产生的水蒸气量超过3200亿立方米,相当于向大气排放水分接近3亿吨。


此外,钢铁、热力锅炉、有色金属、氧化铝、化工、餐饮等行业也都在向大气大量排水分,这些水分与排放的烟气一起,更容易形成雾霾。


我们该怎么做?


1、完善空气污染控制标准,在大气污染控制标准中增加排烟温度、湿度控制的内容,比如将排烟控制规定在高于大气温度约60℃(或实际温度不低于80℃)、湿度低于90%,在解决大气雾霾污染的同时,同步实现节能和节水。


2、对各电厂的脱硫岛进行改造,除了扩容之外,尽快增设烟气再热器,将各电厂已取消的GGH设备恢复或采用其他方式加热烟气再进行排放,尤其是离市区较近,人口密集区域的电厂排放烟气必须经过加热才能排放。


3、烟温较低、湿度较大的烟气的烟囱设计标准需要更改,对于低温的湿烟气,不论污染物是否达标,都需要更高的烟囱高度才能满足要求。


4、逐步推广近零排放技术,进一步加快环保改造。


5、在环保政策上,不要再提“环保与节能并举”,对于民用而言,环保与节能或许具有一致性,这个提法似乎没有大问题,但对大多数工业而言,要想环保,就无法节能。


以电厂为例,增加脱硝、脱硫、以及未来可能要求的脱碳等环保措施,势必增加能源的消耗量。对电厂而言,环保花钱,让他们投入环保设备的驱动力无非是怕罚款,而节能,是有利于企业自身利益的,这本身就是驱动力。


也正因为如此,不少电厂以节能为理由,停开或少开部分环保设备,导致污染排放增加。(来源:电力环保技术)

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