雾霾治理的大蛋糕,你想不想切一块?

1 雾霾元凶

1.1 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t ,排烟水分中的溶解性颗粒物排放量2000 万t 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 t 煤排放10000 m3 烟气,没有脱硫时干排烟所含水分50 g/m3,脱硫湿烟气所含饱和水分112 g/m3(@50 ℃),水中溶解性颗粒物1000 mg/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t,这应该就是我国大气雾霾的元凶。

     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,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0.804 kg/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1000 kg/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。雾霾确与天气条件有关,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。我国雾霾的产生与能源消耗密度密切相关,是极不均匀的,比如京津冀区域7%国土面积消耗全国33%的能源。

1.2 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:

* 加纯净水,室内PM2.5 浓度为20 ug/m3;

* 加矿泉水,室内PM2.5 浓度为30 ug/m3;

* 加自来水,室内PM2.5 浓度为340 ug/m3。

    参考空气质量指数标准:PM2.5 浓度为0~50ug/m3 空气质量为一级,51~100 ug/m3 空气质量为二级,大于300 ug/m3 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0~5 mg/L,矿泉水为5~50 mg/L,合格自来水TDS 为50~120 mg/L, 不合格的自来水TDS 为可达300 mg/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30000 mg/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,房间内到处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,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。发达国家不强制控

制烟气温湿度对我国借鉴价值也不大,因为我们的煤耗总量是世界其余国家的总和,而且集中。中国的雾霾有自己的特殊性,必须、只能用我们自己的方法解决。

2 治理对策:排烟除湿脱白

    研究表明,雾霾源自于水,反之也可以用水抑制雾霾。治理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,在热力锅炉上进行了示范项目的建设,项目在两台130 t+1 台220 t 锅炉的湿法脱硫和循环水冷却塔上进行,在两台130 t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 t 锅炉增加1 台卧式直接喷淋换热深度净化系统,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:

* 处理烟气量:120 万m3/h

* 实测入口烟气温度:~50 ℃

* 实测出口烟气温度:~40 ℃

* 计算入口烟气湿度:114 g/m3

* 计算出口烟气湿度:63 g/m3

* 实测循环水温:供水≤30 ℃、排水~40 ℃

* 实测出口粉尘浓度:≤10 mg/m3

* 实测出口SO2 浓度:17 mg/m3

* 实测出口NOx 浓度:55 mg/m3

    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 益热水用于供热。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。

3 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12 g/kg(折算15 g/m3),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:

3.1 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 t 煤湿烟气带走水份1 t,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kW 煤电机组为例,采用湿法脱硫工艺每小时排放水份90 t/h,循环水冷却塔每小时排放水分700 t/h。

3.2 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1.5 t/t,按照年产钢10 亿t估算,钢铁行业每年向大气排放水分15 亿t。

3.3 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m3,则产生3600 亿m3 水蒸汽,折合近3 亿t 水分。

3.4 煤焦化

    按照我国焦炭实际产量4.5 亿t、吨焦放散水分0.5 t/t,煤焦化行业每年排放水分2.25 亿t,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t,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:

* 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、二恶英等水溶性污染成分,将烟气中污染成分一网打尽。

* 节水:按照80%的回收率,年节水预计40 亿t,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。

* 回收低温余热:锅炉效率提高10%。

* 该系统还可以考虑处理利用废水。

4 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。烟气除湿的方法参考图1,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,见图1 中0 点,50 ℃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,实际上总排水量没有减少。引进湿法脱硫升温除湿技术,比如GGH、MG原GH,通过脱硫后净湿烟气与脱硫前高温烟气间接换热升温,降低烟气相对湿度除湿脱白,同样也没有减少总排水量,并且增加能耗,参考图1 中0A。由于升温除湿存在水排放量不减、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议,在超低排放的技术规范中仅被列为可选择项目,从国家环保标准HJ462-2009《工业锅炉及炉窑湿法烟气脱硫工程技术规范》开始湿法脱硫排湿烟气合法化开始,大部分企业不用、有些采拆除,这是导致我国雾霾一个严重的、必须改正的错误。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。国内还有人研究溶液除湿,有开发前途,但还没有达到在湿法脱硫系统工业应用的水平。

     目前实现工业应用最值得推广的就是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℃、相对湿度70%,可以彻底解决排烟除湿,回收排烟冷凝水接近80%,全国每年有40 亿t 以上的节水潜力。再热后则烟囱无需防腐,可以节省防腐蚀成本。

5 相关问题探讨

1)超低排放:由于我国煤炭消耗量巨大,火电、热力等行业多用湿法脱硫的国情短期内难以改变,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、设备选择须简化、优化,一是得增加控制烟气温度湿度,二是优化湿电入口烟气粉尘浓度、温度、湿度设计值,降低造价和设备尺寸,三是除尘、脱硝、脱硫降低投资和运行成本。

2)烟气脱硝:以电力、水泥行业为代表的烟气脱硝大量采用SCR、SNCR 喷氨脱硝是不适合我国国情,首先氨和尿素生产过程属于高耗能高污染,喷氨脱硫纯属污染物转移,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:除尘选择干式电除尘、电袋、布袋,出口颗粒物浓度降低到20 mg/m3、甚至5 mg/m3 都是可能的,问题是否合理、是否经济。研究表明,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100 mg/m3,通过脱硫塔改进、喷淋冷凝洗涤达到5 mg/m3 才更有意义,投资、运行费用也都更低,原有的电除尘器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。

5)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,足够的投入是必要的。

6 结论与建议

6.1 我国雾霾污染的元凶就是人为排放的水量巨多和水中溶解性颗粒物含量高。

6.2 为了抑制雾霾,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25 ℃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

6.3 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 脱硝等都应该简化、优化或限制采用。

认真阅读的您,为了感谢您的认真,文末有小编精心准备的福利红包送您!

Copyright © 2018 武汉流光设备有限公司 鄂ICP备18016868号