水蒸气和水溶性离子排放对雾霾暴发的影响分析

3.3.2冷却液喷淋冷凝法吸收二氧化硫效率高

采用冷却液喷淋冷凝方法[36,37]进行烟气脱白处理，脱硫效率比较高，主要是因为低温冷却液雾化后的液滴表面积大；混合换热效率高，水蒸气冷凝量大，冷凝液滴表面积大；喷淋水温度低，二氧化硫溶解度高。近几年喷淋冷凝实践研究渐多。

山东济南某热电厂采用喷淋式冷凝换热器进行脱白和余热利用，二氧化硫减排59%，氮氧化合物减排8.8%[38]。

陕西汉中某钢铁企业球团竖炉采用喷淋冷凝法烟气脱白技术，脱白设备前后，二氧化硫浓度从69降至13毫克/立方米，脱除率为 81%；氮氧化合物浓度从22降至20毫克/立方米，脱除率为10%；可过滤颗粒物浓度从20降至9毫克/立方米，脱除率为55%。

3.3.3表面式换热器形成的冷凝液膜吸收二氧化硫效率低

烟囱烟道壁和外界热交换能形成一定面积的冷凝液膜。相对凝结液滴形态，液膜的表面积小很多，气液边界层不容易打破，液膜吸收二氧化硫后pH值低，脱硫效率比较低[28,39-40]。表面式换热冷凝法对污染物脱除也有较明显的效果。上海某发电厂 7#机组已经完成超低排放改造[41]，每小时冷凝液中脱除的水溶性离子量为约38公斤,折合烟气中脱除的水溶性离子浓度为 12.37 毫克/立方米，其中硫酸根浓度为 11.13 毫克/立方米。

3.3.4可过滤颗粒物和冷凝液滴中形成的酸反应，形成水溶性离子排放[42]

粒径微小的可过滤颗粒物多为碱性物质，可以和酸液间发生中和反应，形成水溶性离子， 并有利于酸性气体二氧化硫吸收[19]。因冷凝液滴、酸性液滴量大，石灰石石膏法工艺产生的微溶于水的硫酸钙颗粒物能够充分溶解。

3.4饱和湿烟气排放时，在烟羽范围内的冷凝液滴中，二氧化硫和可过滤颗粒物生成水 溶性离子排放

环境温度低于饱和湿烟气排放温度，烟囱出口处产生冷凝液滴并形成烟羽。

3.4.1雾霾易发气象条件下，烟羽浓重，烟羽内产生大量冷凝液滴，表面积巨大

雾霾易发气象条件下，烟羽浓重，拖尾很长。低温，会导致冷凝液滴生成量巨大；高湿， 会导致已生成的冷凝液滴不易蒸发；静稳，会导致冷凝液滴不容易扩散蒸发，有利于保持烟羽形状，保持烟气中的污染物和冷凝液滴间的接触状态。

环境温度0℃，1台1000兆瓦燃煤发电机组满发、烟气排放温度为50℃时，理想情况下每小时可产生冷凝液滴量约为374吨，液滴表面积可达22.4亿平方米；使用褐煤时烟气排放温度按55℃计算，每立方米标态烟气的饱和含湿量为148.4克，理想情况下每小时可产生冷凝液滴量约为519吨，液滴表面积可达31.2亿平方米。

3.42在雾霾易发气象条件下，二氧化硫、可过滤颗粒物在烟羽范围内能够大比例转化为水溶性离子

在烟羽范围内的常规污染物生成水溶性离子的反应条件，和湿烟囱内中情形相近，反应 环境为开放环境。

0℃时二氧化硫在水中的溶解度为220克/升，雾霾易发气象条件下，烟羽范围大，推断烟气中二氧化硫基本可以在浓重的烟羽内被冷凝液滴完全吸收，并氧化生成硫酸，大部分可过滤颗粒物生成水溶性离子[19,26]。喷淋冷凝法烟气脱白装置对二氧化硫的脱除效果[38]可作验证。

在雾霾不易发的气象条件下，烟羽相对比较小、薄，二氧化硫和冷凝液滴中的液态水反应生成的亚硫酸根、亚硫酸氢根不稳定，若不能及时氧化为硫酸，还会分解为二氧化硫排放。 冷凝液滴脱离烟羽范围后，大部分液态水会迅速蒸发，冷凝液滴中的水溶性离子形成干态水溶性离子颗粒物，在大气中持续积聚扩散[43]。

3.5冷却塔风吹损失的液滴携带水溶性离子排放

冷却塔的水蒸气排放量中[44]，大部分直接蒸发排放；少部分是风吹损失，一般为循环水量的0.05%，水质和循环水相同。风吹液滴中的液态水蒸发后，水溶性离子以干态颗粒物形态排放至大气。

1台1000兆瓦机组，设定满发时循环水量为10万吨/小时、城市中水为主要补充水源、循环水中水溶性离子平均浓度800毫克/公斤，则每小时风吹损失水量约50吨，产生40公斤的水溶性离子排放，相当于每千瓦时发电量排放的水溶性离子量为40毫克。按照每千瓦时发电量对应3.5立方米标态烟气计算，随烟气排放的水溶性离子浓度为11.4毫克/立方米。冬季时，循环水量有所减少。2017年4.7万亿火电发电量中按70%采用闭式水冷循环[10]估算，冷却塔排放水溶性离子量约为4.7万亿千瓦时×40毫克/千瓦时×70%=13.2万吨。火电厂循环水浓缩倍率显著提升、中水的普遍应用，会提高循环水排放的水溶性离子颗粒物量[44]。

图8给出了燃煤电厂排放饱和湿烟气情况下，水溶性离子的产生和排放过程。

图8 燃煤电厂饱和湿烟气中污染物形成水溶性离子排放过程

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