我国大气雾霾的元凶、对策与机遇探讨

我国大气雾霾的元凶到底是什么？治理对策是什么？以电力行业湿法脱硫为首的工业排烟湿度大和排烟水份中的溶解性颗粒物就是元凶，对策是排烟除湿脱白，这不仅能快速抑制雾霾，还能大幅减少煤炭清洁燃烧的投资和成本，节水、节能，分享如下供指教和参考。

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[1]，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15亿吨，排烟水分中的溶解性颗粒物排放量2000万吨以上，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吨煤排放10000m3烟气，没有脱硫时排烟所含水分50g/m3，脱硫湿烟气所含饱和水分0.112kg/m3（@50°C），水中溶解性颗粒物1000mg/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60亿吨，这应该就是我国大气雾霾的元凶。

表1电力行业主要污染物排放量（万吨）

有些人一直强调，雾是雾、霾是霾，那就搁置霾的来源，做为常识，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、哪怕十级除雾器，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0.804kg/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1000kg/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，水中的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。一再强调雾霾与天气条件有关、属于气象灾害纯都是推托，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。把烟气中产生的水分用国土面积去分摊是低级错误，我国雾霾的产生与能源消耗密度密切相关，是极不均匀的。

追寻元凶：简单试验[2]

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：

l加纯净水，室内PM2.5浓度为20微克/立³

l加矿泉水，室内PM2.5浓度为30微克/立³

l加自来水，室内PM2.5浓度为340微克/立³

参考空气质量指数标准：PM2.5浓度为0-50微克/立3空气质量为一级，51-100微克/立3空气质量为二级，大于300微克/立3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0-5mg/L，矿泉水为5-50mg/L，合格自来水TDS为50-120mg/L,不合格的自来水TDS为可达300mg/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30000mg/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，房间内都除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。这些结果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，为什么雾霾却越来越严重[1]，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。有些人总喜欢拿一些发达国家的做法说事，就算发达国家都不强制控制烟气湿度对我国治理雾霾参考借鉴价值也不大，因为他们的煤耗总量小得多、分散。中国的雾霾必须、只能用我们自己的方法解决。

治理对策：排烟除湿脱白[4]

上述研究结果表明，雾霾源自于水，也可以用水抑制。治理我国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，中国节能协会、清华大学建筑节能中心牵头，在热力锅炉上进行了工业示范项目的建设，项目在两台130吨+1台220吨锅炉的湿法脱硫和循环水冷却塔上进行，在两台130吨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吨锅炉脱硫塔后、烟囱之间增加1台卧式直接喷淋换热深度净化系统，除湿脱白、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：

l处理烟气量：120万m3/h

l实测入口烟气温度：~50℃

l实测出口烟气温度：~40℃

l计算入口烟气湿度：114g/Nm3

l计算出口烟气湿度：63g/Nm3

l计算除湿量和冷凝水回收量：45%

l实测循环水温：供水≤30℃、排水~40℃

l实测出口粉尘浓度：≤10mg/Nm3

l实测出口SO2浓度：17mg/Nm3

l实测出口NOx浓度：55mg/Nm3

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℃热水用于供热，烟气的低温余热则通过直接喷淋换热转移到循环水中。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。

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12g/kg（折算15g/Nm3），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：

4.1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吨煤湿烟气带走水份1吨，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60万千瓦煤电机组为例，采用湿法脱硫工艺每小时排放水份90t/h，循环水冷却塔煤小时排放水分700t/h[3]。

4.2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1.5t/t，按照年产钢10亿吨估算，钢铁行业每年向大气排放水分15亿吨。

4.3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1800亿立方米，则产生3600亿立方米水蒸汽，折合近3亿吨水分。

4.4煤焦化：按照我国焦炭实际产量4.5亿吨、吨焦放散水分0.5t/t，煤焦化行业每年排放水分2.25亿吨，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60亿吨，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：

l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、二噁英等水溶性污染成分，将烟气中污染成分一网打尽

l节水：按照80%的回收率，年节水预计40亿吨，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

l回收低温余热：锅炉效率提高10%

l该系统还可以考虑处理利用废水。。。

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