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雾霾大暴发的根本原因:湿法脱硫取消GGH引发PM2.5粒数暴增

2019-05-09 10:07:17 中国能源网

摘要:本文基于突变分析和系统分析方法,采用气象数据、监测数据、不同阶段相关文献中的检测数据等,构建相关分析模型,确认PM2.5粒数浓度暴增而非质量浓度变化是2013—2014年京津冀及周边省份雾霾大暴发的主因。确认硫酸根、硝酸根、铵根等水溶性离子为主的可凝结颗粒物,均受湿法脱硫取消烟气换热系统(Gas-Gas-Heater,GGH)后的湿烟囱污染物排放这一因素的直接或间接影响。湿法脱硫取消GGH是最主要的引发PM2.5粒数浓度暴增的因素,同期大规模的脱硝加剧了这一趋势。其他任何因素没有在2013—2014年间发生突变的可能,也不可能引起雾霾天数倒钩型的变化。最后根据萃智创新方法提出超低排放改造的优化方向。

关键词:PM2.5;粒数浓度;质量浓度;雾霾;湿法脱硫;GGH

中图分类号:X51;X773   文献标识码:A   DOI:10.3969/j.issn.1003-8256.2019.02.005

开放科学(资源服务)标识码(OSID):\

0 引言

以雾霾天数为标志,2013—2014年雾霾在京津冀及周边省份大暴发(下文简称雾霾大暴发)。2013年开始探索雾霾治理,2015年后燃煤电厂率先开始较大规模的超低排放改造,再加上对非电行业排放大户采取“停限产”等铁腕协同治理措施,雾霾天数于2014年达到峰值,2015年以后有较大程度下降,但相对暴发前仍在高位运行。雾霾危害很大,已众所周知;雾霾成因不能确认,治霾对策就不能精准,造成资源浪费,影响经济发展和人民生活。2017年两会期间,李克强总理参加陕西代表团审议时说“如果有科研团队能够把雾霾的形成机理和危害性真正研究透,提出有效的应对良策,我们愿意拿出总理预备费给予重奖!这是民生当务之急啊。我们会不惜财力,一定要把这件事研究透”[1]!“山东科技智库论坛”在2017—2018年组织过三次全国性的雾霾成因研讨会,在国内引起较大反响[2];中美绿色合作伙伴结对-山东省科学院与美国劳伦斯伯克利国家实验室组成的雾霾成因研究小组进行了一年多的综合性研究。

本文以2013—2014年雾霾大暴发这一突变事实为线索,运用突变论和系统论方法,以学术文献的实验数据和实际监测数据为基础,排除不可能造成突变的常规因素,找出引起雾霾大暴发的突变因素,综合分析雾霾暴发后至今尚未消退的根本原因。以2012年底为界,之前为PM2.5粒数较少的燃煤干烟气排放为主的大气环境系统,之后转化为PM2.5粒数暴升的燃煤湿烟气排放为主的发生质变的大气环境系统。

1 雾霾大暴发的表现及初步原因判断

1.1 雾霾天数突增

气象数据显示2013—2014年雾霾天数突增,这也与人们的切身感受一致。图1为山东省1961—2016年雾霾天数的变化趋势:2013年开始,山东省雾霾天数连续两年翻番式增长,2014年达到峰值;2015—2016年相对2014年下降25%,但远高于2012年之前的雾霾天数[3]。济南市1981—2014年龟山、章丘、长清、济阳、商河和平阴六个气象站年平均霾日数在2013—2014年也呈现飞跃式突变。从图2可以看出,济南及周边县市的雾霾天数有较大差异,只有市区及煤炭生产和消费集中的章丘率先从2010年开始霾天数的爬升,其他地区仅略有增长。2013年之后所有观测点都开始爬升,2014年暴增。虽然有关济南市的文献对霾级别定义和测算与山东省不同,但二者可以相互印证2013—2014年雾霾天数的突变性事实[4]。同时,京津冀及周边省份连续发生大面积雾霾。雾霾已经不限于局部地区、特定时间,而是经常性的连片暴发。

这种由零星区域雾霾天数上升,到京津冀及周边省份的大规模暴发,是大气系统对雾霾承载力迅速被超越的突出表现。大气系统是相对稳定的,在一年内出现暴发式的突变,致霾污染源联手成片,说明大气中的致霾因素突然大大超过环境容量。这种突变及倒钩型的变动趋势可以排除掉部分因素。如,山东省煤炭消费量持续增长至2016年达到峰值,散煤燃烧、汽车存量和工业至今均稳步增长。上述因素带来的污染物排放均不可能带来2013—2014年的倒钩型突变;同理,自然因素如地形、地貌、风速、紫外线强度等,在两年内更不可能有根本性变化。这些均无法解释雾霾大暴发的突变性。

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图1 山东省1961—2016年雾霾天数变化趋势[3]

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图2 济南市1981—2014年六个气象站观测年平均霾日数[4]

1.2 PM2.5质量浓度变化很小、粒数浓度暴增

雾霾大暴发后,PM10或PM2.5引起雾霾已经是基本常识,二者基本决定空气质量。粒数浓度与质量浓度是PM2.5的两个指标,本文发现PM2.5粒数浓度变化与2013—2014年雾霾天数变化一致、质量浓度变化很小。

济南市2010—2017年PM10、PM2.5年均质量浓度变化趋势显示(图3),2013年是PM10的明显峰值。PM2.5在2013年相对2012年是一个小峰值,但与2011年类似。即使PM10质量浓度有明显峰值,与山东省雾霾天数连续两年翻番式增长也有巨大差异。2017年PM10和PM2.5质量浓度都大大低于2013峰值年,雾霾天数却大大高于雾霾暴发前。

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图3 济南市2010—2017年PM10、PM2.5质量浓度年均变化[5]

北京市某监测点按照小时计算的2009—2016年PM2.5质量浓度与济南市变动趋势类似,PM2.5质量浓度2013年高于2012年,略低于2010年,与2009年相同(图4)。对该观测点每日每时PM2.5数值分类,严重级别的雾霾小时数呈现出2013—2014年为2009—2016年间的峰值(图5)。

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图4 北京市2009—2016年PM2.5质量浓度(每立方米.微克)年均变化[6]

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图5 PM2.5大于300严重雾霾(二级)级别以上的小时数[6]

气象数据中相对湿度小于80%或大于90%时的能见度水平是判断灰霾污染或雾的重要指标,可以反映PM2.5污染程度。Liu等(2017)基于多年气象条件和质量浓度的统计规律,推算出京津冀地区多年月度PM2.5质量浓度平均值,并与1963—2014年平均值比较得到距平值,在2013—2014年出现异常值[7]。实际监测值却显示2013—2014年前后PM2.5质量浓度没有太大变化。异常值的出现,并非模型本身有问题,而是2013—2014年发生了脱离过去模式的突变,造成这两年的数据与过去常规变化有较大偏离。

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图6 根据气象数据推算的京津冀地区月度PM2.5距平值[7]

1.3 PM2.5增加导致雾霾的基本科学前提下,大气中PM2.5粒数浓度暴增是唯一选项

相关研究指出,只关注固定污染源排放的总颗粒物质量浓度远远不够,针对细颗粒物和超细颗粒物,粒数浓度更能反映其对生态环境及人体健康的危害程度[8]。在PM2.5质量浓度变化无法反映雾霾大暴发的情况下,PM2.5粒数浓度变化就成了唯一选项。这意味着,2013—2014年间虽然大气中PM2.5质量浓度没有发生大的变化,PM2.5粒数浓度却成倍增长。

后续研究显示,湿法脱硫取消GGH以及2012—2015年间脱硝设施快速建成,脱硝和湿法脱硫燃煤设施排放的烟气中可凝结颗粒物、氨和三氧化硫等水溶性物质增加,导致其排放的PM2.5粒数暴升,但质量浓度并没有大的变化;进而引起大气中PM2.5粒数浓度和粒数若干倍的暴升,导致雾霾大暴发。换言之,导致雾霾大暴发的根本原因是,在脱硫设施林立的京津冀及周边省份等重点地区,湿法脱硫去除GGH这一小的判断失误导致一系列连锁反应所致,大力度的脱硝加剧这一趋势。在雾霾大暴发前重点地区已经接近大气污染物容量上限,局部地区已经开始出现零星雾霾情况下,暴增的PM2.5粒数成为引发二次颗粒物暴增的温床,导致大气中颗粒物在1~2年内大大超过大气污染物容量上限若干倍,雾霾大暴发是必然发生的。在此之前,我国已经进行多年的产业结构调整、能源结构调整、大气环境治理、污染物大力度减排,二氧化硫、氮氧化物、烟尘已经大幅度减少,城市中的许多高耗能、重化工企业早已“腾笼换鸟”。气候、地形地貌因素是客观存在,并非能够改变的因素。导致突然暴发大雾霾的原因应该容易找到,因为这本身也是湿法脱硫取消GGH,烟气排放的“干烟囱”模式转换为“湿烟囱”模式导致的突变造成的。进入2012年底之后的湿烟囱模式后,在新的PM2.5粒数发生质变的大气系统内部,通过比较不同区域的差异,来寻找雾霾暴发的主因是非常困难的。不识庐山真面目,只缘身在此山中。

2 取消GGH导致烟气中PM2.5粒数浓度暴增的突变

根据第一部分,引起2013—2014年PM2.5粒数浓度暴增的因素可能为雾霾大暴发的源头。雾霾天数的倒钩型变动已经排除掉大部分可能致霾主因。2012年大部分电厂的湿法脱硫取消烟气换热系统(GGH)、新建电厂不再安装GGH、同期新增大量脱硝设备,以及从2013年1月1日起施行严格的在线监测和惩罚措施等影响,从污染物来源、发生时间上均可对雾霾大暴发做出解释。本部分对湿法脱硫取消GGH和脱硝如何影响PM2.5粒数浓度进行论证。

2.1取消GGH导致脱硫塔入口烟气温度上升,PM2.5粒数浓度出口相对入口暴增10~100倍

湿法脱硫产生的细颗粒物是PM2.5的潜在来源。在典型条件下,120℃~160℃的入口温度范围内,脱硫塔PM2.5产生率最高可达每立方厘米两亿个粒子。取消GGH导致高温原烟气不能与脱硫吸收塔出口的低温净烟气进行热量交换,进入脱硫塔的烟温高于取消GGH前[9-11],而脱硫塔烟气入口温度是影响PM2.5粒数浓度的重要因素。在超低排放改造之前的2013年前后工况下,湿法脱硫取消GGH,脱硫塔烟气进口温度大幅度提高,使得脱硫塔PM2.5粒数浓度增加10~100倍[12]。除尘器入口温度提高也使得除尘器中PM2.5的粒数浓度大增。除尘器对PM1.0以下的颗粒作用很小。取消GGH后,进入大气的PM0.1~PM1.0颗粒物突然增多。

这也解释了关于GGH相矛盾的结论:部分研究表明GGH自身并没有阻拦或减少颗粒物的排放,但多方检测显示有和没有GGH的质量浓度相差3~4倍[13],以及有GGH比没有GGH的机组PM1.0粒数浓度下降95%以上[14]。因为取消GGH后,脱硫塔入口温度增加等因素导致脱硫塔中PM1.0粒数浓度增加几十到几百倍,质量浓度仅增加一倍甚至下降[14-15],以PM1.0为主的颗粒物全部排入大气,造成PM2.5粒数浓度暴增。

表1 有无GGH相关污染物的平均浓度[13]

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由于PM2.5源解析中燃煤占质量比重较大、粒数比重更大,进而导致大气中PM2.5粒数浓度成倍增长。PM2.5粒数浓度的增长主要体现在PM0.1或PM1.0等小粒径粒子的增长,质量浓度变化很小;在被脱除的多为较大粒径粒子的情况下,有些机组脱硫塔检测结果显示PM2.5粒数浓度增加几十倍,但质量浓度减少。

2.2 取消GGH后增加了烟气携带或随水汽排放的水溶性离子,可凝结颗粒物粒径随着烟气在大气中的扩散由大变小,粒数出现上万倍的暴升

目前所有检测颗粒物排放的质量浓度、粒数浓度,基本上都是在烟气排放连续监测系统检测位置处的值,未能真实反映烟气扩散过程中所含颗粒物的存在形态,实际排放至环境中的细颗粒物粒数高很多。被监测烟气经稀释、冷却后,出现质量不变但颗粒物粒数暴增的现象;而湿法脱硫后的湿烟气在排放扩散至大气过程中必然被稀释、冷却[16]。有GGH时,可凝结颗粒物可以凝结成固体颗粒物而不会在大气中产生粒数的暴增,或者在烟道中以气溶胶相互碰撞形式凝结成大的气溶胶进入大气后容易沉降等。没有GGH后烟气排放由“干烟囱”模式变为“湿烟囱”模式,秋冬季节在烟囱、烟羽中,会形成比表面积和粒数为巨量的微小粒径冷凝液滴,有些污染物和冷凝液滴间会发生反应,污染物可以大比例转化为水溶性离子,还有些污染物被机械携带或在逃逸的极细液滴中溶解着。液滴中的水蒸发后形成水溶性离子颗粒物并扩散,颗粒物粒数暴增[17]。

烟气进入大气后是一个逐渐稀释的过程。对电厂烟囱60米横断面处原烟气稀释,稀释倍数从7倍增至10倍,0.006~0.0136微米粒径段颗粒物粒数浓度分别约为原烟气该粒径段的2.5和104倍。即随着稀释比的增大,烟温和湿度逐渐降低,半挥发性物质饱和度增加以及水蒸气在颗粒物表面的冷凝,导致烟气中纳米级颗粒物数浓度骤然增加。该过程很好地模拟了高温高湿烟气排放到大气中真实的混合过程[16]。对白烟消失后的拖尾黑烟进行检测,距离烟囱越近,大颗粒的PM10越高,PM2.5、PM1.0和PM0.38越少;随着增加检测仪与烟囱的距离,PM2.5、PM1.0和PM0.38逐渐增加,说明小粒径颗粒物在逐渐相对变多[18]。

即使湿烟气的质量浓度于在线仪器监测处的差异仅有几倍,它们进入大气后粒数会产生上万倍的变化。这一方面说明检测仪器需要模拟大气扩散过程,检测数据才相对真实;另一方面也说明,仪器监测位置检测到的相对较小的变化,也会在大气中放大上万倍。

2.3 取消GGH导致烟柱高度大大降低,烟气污染物最大落地点浓度增加1倍

取消GGH的脱硫系统,虽有效避免了GGH的堵塞问题,但由于“湿烟囱”无烟气再热措施,排烟温度较低,排烟高度降低一半,烟囱排放污染物最大落地点质量浓度增加一倍[20]。仅此变化就带来PM2.5质量浓度100%左右的增长,粒数浓度增长更大。

2.4 取消GGH导致烟气中雾滴里溶解的二氧化硫和可溶物逃避监测

目前的在线检测仪器只适合干烟气检测,雾滴里溶解的二氧化硫和可溶物在通过检测设备时是以溶解态存在的,所以造成二氧化硫和烟尘的检测数据都偏低。饱和烟气向后传输的过程一直在降温,会有大量过饱和水析出,析出的雾滴比表面积极大,会迅速与烟气中剩余的二氧化硫结合,生成亚硫酸。如果雾滴中含有脱硫产物亚硫酸钙,就会生成亚硫酸氢钙,这些物质都是非稳定态物质,排入大气失水后会分解,重新释放出二氧化硫,这部分二氧化硫无法被在线监测设备检测到。而逃逸检测的含溶解物雾滴进入大气后,首先随烟气扩散,大气的温度一般都比烟气低,烟气先降温过饱和,形成白色烟气;同时大气的湿度会远小于烟气湿度,烟气中的水分迅速蒸发,蒸发速度取决于大气相对湿度、温度和扩散条件。烟气拖尾的长短还和烟气的绝对湿度有关,烟气温度高、带水量大、带水雾滴粒径越大都会让烟气拖尾变长[18]。

2.5 取消GGH导致颗粒物无法在烟道中增大,进入大气后难以沉降

GGH加热时烟气还没有扩散,雾滴气化升温时会相互碰撞,在气溶胶状态下很容易相互吸附长大,生成的结晶体粒径较大,排出烟囱后有利于沉降。取消GGH后的烟气是排入大气后生成的二次颗粒物,这些颗粒物是在扩散后生成的,这时粒子之间的距离很大,没有机会碰撞长大,生成的颗粒非常细小,比表面积非常大,靠自重很难沉降,会在大气中长期漂浮形成富集。在湿度和大气传输条件不好时就形成雾霾[18]。

2.6 脱硝设备对PM2.5粒数浓度暴增的叠加影响

2007—2017年脱硫脱硝行业发展报告或综述提出了主要行业尤其是火电行业脱硫脱硝进程中产生的若干棘手问题,这些问题大多与造成雾霾大暴发的硫酸盐、铵盐、硫酸雾等相关[19,21-32]。

火电厂大气污染物排放新标准规定新建燃煤发电锅炉2012年1月1日起、现有火力发电锅炉2014年7月1日起执行新的标准。在执行新标准前,原国家标准或地方标准相对宽松。2012年京津冀及周边部分省市开始实行脱硝电价,大型集中供热锅炉也执行电厂的排放标准。再加上供热脱硫脱硝加价等政策,激励了电力和热力企业脱硝设施大量上马,脱硫设施运行率也一反常态而大大提高,火电厂二氧化硫和氮氧化物排放量快速下降。2015年开始的较大规模超低排放改造,燃煤电厂脱硝环节、脱硫环节的PM1.0分别增加52.11%、59.41%[31],而PM1.0的粒数浓度与PM2.5基本相同。在2012—2014年,电厂尚未安装超低排放改造后的精细SCR、低低温省煤器和布袋除尘等工况下,主要有静电除尘、脱硫设施两大部分,PM1.0去除率较低,脱硝后增加的PM1.0也使脱硫后排入大气的PM2.5增加。其中,可凝结颗粒物,以及水溶性离子等大量增加,相对原来主要是可过滤颗粒物或可凝结颗粒物转化为可过滤颗粒物的情况,取消GGH后大气中PM2.5粒数浓度大大增加。

脱硝工艺新产生的超细颗粒物与取消GGH造成PM2.5粒数浓度暴增相互叠加,进一步加大取消GGH后PM1.0粒数浓度的增幅。另外,脱硝之后还有氨气的逃逸问题[33,47],造成大气中铵盐增加。钢厂也开始进行脱硫,部分采用湿法脱硫[21-24]。这些改变都与2013—2014年雾霾大暴发时间点和增加的排放污染物类型吻合。

3 众多湿法脱硫企业2013年1月1日前取消GGH,之后严格在线监测及奖罚措施下开始不间断运行、同期脱硝设施的大幅度上马等造成单个企业取消GGH粒数浓度发生突变基础上的众多企业脱硫脱硝设施运行状况集体突变

2012年底之前已经有部分新建脱硫设施不再安装GGH,且有较大比例在2010年前安装的GGH被拆除。据调查,2012年许多脱硫设施处于检修或改造状态而没有正常运行。因为GGH经常堵塞,烟气旁路系统被铅封;2011年新排放标准于2012年在新上的机组实施,而2014年7月1日开始老的机组也要实施新标准。GGH的原烟气泄露会造成二氧化硫等排放不达标;拆除GGH后,氮氧化物超标问题在脱硝电价刺激下快速的脱硝设施上马后也能够迎刃而解。因此,2012年有足够多的动因,突击拆除GGH。2013年1月1日开始的严格在线监测和重罚措施,使已经去除GGH的脱硫脱硝设施都突然开始正常运行,也不再因为GGH堵塞等原因而停产检修等,由此造成的突变导致2013年初雾霾大暴发,2014年达到峰值。相关佐证如下。

3.1对相关企业调查显示,2010年之后不再安装GGH,2012年集中拆除已有GGH

据调查,某省一个大发电企业2010年前投产的8台机组都有回转式GGH,2012年全部拆除。其中4台200MW,2台300MW,2台600MW。位于市区的2台200MW机组,拆除老GGH后安装了MGGH。2010年之后投产的4台1000MW机组,都没有安装GGH。

3.2相关文献显示,2010年对是否加装GGH没有定论,但新机组不再安装,2012年上半年就有70%的发电机组不再有GGH

2010年针对烟气脱硫湿法工艺是否需要加装GGH的问题,进行了相当一段时间的讨论,且没有定论。但是新建湿法烟气脱硫机组越来越多地采用了不装设GGH的方案。石膏雨的产生与湿法脱硫取消GGH不无关系。取消GGH后,烟气排烟温度降低,烟气扩散能力减弱,直接导致烟气携带的石膏浆液滴在烟囱附近落地,形成石膏雨现象。另外,石膏雨的产生与脱硫塔流速、除雾器的设计和冲洗效果也有直接联系[9],在当时这方面的问题也比较多。因为堵塞严重、原烟气泄漏等问题使二氧化硫排放难以达到新标准,到2012年上半年就有70%以上的脱硫设施不再有GGH[34],相应带来的是石膏雨。

3.3取消GGH导致石膏雨的严重程度变化也显示2013-2014年众多企业脱硫脱硝设施运行情况发生突变

石膏雨问题成为大规模取消GGH的直接反映。无GGH装置的脱硫系统投产后,虽有效避免了GGH的堵塞问题,但由于“湿烟囱”无烟气再热措施,排烟温度较低,脱硫塔出口带有饱和水的净烟气在排出过程中部分冷凝形成液滴,烟气自烟囱口排出后不能有效地抬升、扩散到大气中,导致取消GGH装置后烟气不能迅速消散,特别是在地区温度、气压较低或阴霾天气的时间段,烟气中携带的粉尘及液滴聚集在烟囱附近,落到地面形成“石膏雨”或酸雨,对电厂及周边环境产生污染,甚至腐蚀设备[19]。

我国火电厂脱硫脱硝行业2011年发展综述指出,石膏雨是个实际问题,2012年上升到突出问题,2013-2014年为普遍问题,2015年因为采取超低排放改造治理石膏雨,不再有石膏雨问题的描述[21-24,29]。可见,石膏雨的加剧也说明2013年开始是个突变。

3.4二氧化硫排放量和火电厂脱硫设施占比也说明2013年初开始脱硫设施运行率大大提高

已经投运烟气脱硫机组2012年底比2011年底有很大提高,这也是为了应对2013年1月1日开始的严格在线监测和违规惩罚措施,与2013—2014年雾霾大暴发基本吻合。而2013年和2014年脱硝机组大幅增长,与2013—2014年雾霾大暴发的时间点相吻合,2014年雾霾天数达到峰值。电厂石膏雨问题太明显,2015年较大规模的超低排放措施抑制住了石膏雨问题,也使得雾霾天数比2014年的峰值年下降20%,2016年比2014年峰值下降25%。

从二氧化硫、氮氧化物和烟尘排放量来看,也显示2012—2015年有非常快速的下降。二氧化硫排放量的下降主要是因为脱硫设施运行率大大提高,而脱硝快速下降缘于脱硝设施快速上马。两者都加速PM2.5粒数浓度或质量浓度的增加。

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图7 2005—2015年全国火电厂脱硫脱硝渗透率[31]

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图8 全国火电烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放与山东省雾霾天数的变化趋势[35]

图8显示,二氧化硫的排放,2012年没有比2011年增加多少,说明2012年增长较多的脱硫机组主要是在年底之后运行,为了应对2013年1月1日开始的严格在线监测。2013—2014年脱硫脱硝设施开足马力后,氮氧化物和二氧化硫快速下降。

由于脱硝设施快速上马的突变,加上众多脱硫设施在2012年比较集中的取消GGH的突变,再加上过去取消或不安装GGH的脱硫设施由断断续续运行变为2013年1月1日之后严格的在线监控下不间断运行的突变,三重突变叠加造成2013—2014年雾霾天数连续两年的每年翻番式增长。2015年为应对石膏雨普遍实行超低排放改造措施,使石膏雨问题大大减轻的同时,雾霾天数也有了较大程度的下降,但相比雾霾暴发前仍处于高位运行。

4 排除无法引起2013—2014年雾霾天数突变的因素

4.1煤炭消费量

煤炭消费量不是雾霾暴发的原因。京津冀及周边省份煤炭消费量在2013年达到峰值,山东省2016年达到峰值(图9)。达到峰值时有连续几年的平台期,在煤炭消费量变化不大的情况下不可能引发雾霾天数连续两年翻番,2015年又有25%的下降。因此,京津冀及周边省份燃煤强度大污染物排放多无法解释2013—2014年雾霾大暴发。

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图9 山东省煤炭消费和雾霾天数的变化趋势

4.2 二氧化硫和氮氧化物排放量

二氧化硫和氮氧化物据说是大气中二次PM2.5的前体物。2013—2014年雾霾大暴发发生在火电厂脱硫和脱硝快速推进、二氧化硫和氮氧化物排放量急速下降的2012—2015年,而2006年是二氧化硫排放峰值、2011年是氮氧化物排放峰值。在二氧化硫和氮氧化物的排放量远远大于2013—2014年的2011年没有暴发大雾霾,而在二氧化硫和氮氧化物下降较大的2013年暴发大雾霾。这说明如果没有大气中PM2.5粒数浓度的突变,不可能在2013—2014年有更大量的二氧化硫、氮氧化物加速被氧化并新产生PM2.5,加剧雾霾天污染程度。

4.3 产业结构、能源结构变化及其它大气污染物或能产生大气污染物的变量

常见的产生大气污染物的变量,像小型汽车存量、柴油车存量等都是十几年的当年购买量减去淘汰量后逐渐积累起来的,不可能在1~2年中发生突变。能够产生较大污染的产业早已是“十一五”和“十二五”污染治理的重点,产业结构也在持续优化调整中。GDP增长速度逐渐在下降,GDP是各产业增加值之和,各产业通过投入产出而相互关联、相互制约,与此相关的各类产出带来的大气污染物也不会有突变的可能。

以老工业城市沈阳为例,其也是全国工业转型做得最早的城市。2000年前后,很多能源消耗大户和污染排放大户从沈阳消失,如沈阳冶炼厂、沈阳钢厂等,沈阳的年燃煤消耗从2000年的3800多万吨,降低到2013年的2800多万吨。与此同时,沈阳还对供暖锅炉做了“扒小建大”的大面积改造,并全部新上初级除尘。2000年到2012年沈阳空气良好指数在全国省会级城市中名列前茅。然而,经过了大规模的工业转型升级之后,2013年10月31日,沈阳也发生了史上最严重的重度雾霾。湿法脱硫取消GGH后确实是PM2.5的一个重要来源,对沈阳市而言是最大的来源[18]。沈阳市的雾霾大暴发并非发生在产业结构偏重、污染物排放多的时期,而是在大量重化工业消失,工业转型升级,煤炭消费大幅度下降的2013年。显然,产业结构偏重、污染物排放多并非2013—2014年雾霾大暴发的主因。

4.4 京津冀及周边省份大气环境容量上限是在2013—2014年被连续翻番式突破,而非日积月累的结果

第一部分已经指出京津冀及周边大气环境容量是在短短一到两年被大大突破,寻找造成这种突变的原因,比寻找温水煮青蛙式变化的原因容易。若仅研究2013年之后的变化,只能找到产业结构偏重、污染物排放超过环境容量、区域间传输、气象、地形、地貌等方面的原因。这些原因不是短期内形成的,也不是短期内能够解决的,对打赢当下的蓝天保卫战作用有限。另外,从2013年之前局部地区雾霾天数开始持续上升来看,京津冀及周边省份大气环境容量在雾霾大暴发前已经接近上限。

5湿法脱硫取消GGH后的湿烟囱排放的污染物与导致雾霾暴发的PM2.5主要成分一致或受其造成的大气环境突变后的直接影响

5.1 脱硫设施周围的石膏雨和形成雾霾的超细颗粒物同根同源,外部条件不同而形成较大差异

对石膏雨的一般性描述主要是烟气中夹带的石膏浆液或脱硫浆液雾化夹带、烟气中携带的粉尘和液滴等随烟气排放落到地面。在除雾器性能不好的情况下,脱硫浆液被烟气夹带进入大气中,而脱硫浆液或脱硫废水中含有烟气中吸收过来并逐步浓缩的大量溶解盐、固体悬浮物及少量氟离子、重金属离子等有害物质,这些也都是大气中PM2.5源解析的重要组成元素。如,热电厂反复使用的脱硫浆液、烟囱凝水或脱硫废水中就含有比重很高的氯离子、硫酸根、钙和镁离子[11]。极细颗粒物不可能被除雾器拦截,通过烟气被携带到大气中也是自然的,何况除雾器还大面积存在问题。《我国火电厂脱硫脱硝行业2010年发展综述》中通过对22家企业2008年底前建设的火电厂烟气脱硫工程后评估结果分析,60%电厂脱硫机组实际燃煤含硫量超出设计值,67%的GGH、44%的除雾器等设备存在严重质量问题[28]。

天气好的情况下,有时“石膏雨”并不沉降,而是与烟气中其他颗粒物一样,直接成为大气中的颗粒物。也有些大气中的颗粒物是湿法脱硫后的湿烟囱排放间接产生,或由此形成的新环境,促进了大气中二氧化硫和氮氧化物转化成硫酸盐、硝酸盐、铵盐等。虽然移动源也排放氮氧化物,但在氮氧化物峰值年时雾霾也没有暴发,那时大气中氮氧化物远多于现在。造成雾霾的大量二次颗粒物的产生,主要原因还是脱硫后取消GGH的湿烟囱暴升的看不见的一次PM2.5颗粒物在容易成霾天气下,吸水后迅速变大,相互粘附,成为可见颗粒物,影响能见度并为加速二氧化硫、氮氧化物氧化创造了条件。

5.2 湿法脱硫取消GGH后的湿烟囱污染物排放与硫酸根、硝酸根和铵根有直接或间接关系

已有研究证明硫酸根离子大量存在于燃煤锅炉湿法脱硫的排放烟气中[36-38]。一般来讲,脱硫和脱硝均会增加燃煤电厂的一次PM2.5的排放,这可能引起燃煤电厂排放特征的明显转变,一定程度上还会抵消二氧化硫和氮氧化物减排带来的二次PM2.5削减效果[39]。马召辉等(2015)对比了燃煤电厂、供热/工业燃煤锅炉、水泥窑炉、垃圾焚烧、生物质燃烧源和餐饮源,发现前两者排放的PM2.5中硫酸根含量较高[40]。大型燃煤电厂烟气排放中也有相对较大比例的硝酸根。燃煤电厂、供热/工业燃煤锅炉90%以上采用湿法脱硫,且较容易人为控制,重要活动期间的关停或发电量减少均可成为硫酸根减少的主要来源[41]。

湿法脱硫由于存在脱硫产物结晶析出、脱硫浆液雾化夹带等物化过程(描述与石膏雨相同),本身又可能形成PM2.5,使得经湿法脱硫后烟气中PM2.5排放特征产生显著变化[42]。脱硫脱硝系统中产生的各类硫酸盐、硝酸盐、氨或铵盐、三氧化硫等排放到大气中,这已经主要不是锅炉直接产生的颗粒物和气体。这些极细颗粒物作为凝结核,在湿度较大的天气吸水、相互黏附,成为加速二氧化硫、氮氧化物氧化并与大气中的氨等碱性物质结合后转换为二次颗粒物的温床。

5.3 湿法脱硫取消GGH后湿烟囱排放的污染物在静稳天气下具有不衰减的累积效应,很快就会造成大气中超细颗粒物不断升高,遇到湿度较大的天气迅速转化成雾霾

燃煤污染源对大气颗粒物浓度贡献量的大小不仅受其颗粒物排放的影响,还与气象条件有关,比如静稳天气持续时间、大气温度和湿度等。在静稳天气情况下,第2天是第1天的2倍,第3天是第1天的3倍,依此类推。300米高空的颗粒物浓度是500米高空的1.67倍。在静稳天气的第三天,300米高空的可溶性盐和不溶性颗粒物的浓度之和达到18.45μg/m3,第四天达到24.6μg/m3[36]。按照燃煤占大气中PM2.5组分比例,第四天大气中PM2.5质量浓度可达到100μg/m3左右。即使PM2.5的其它组分增长慢,再过几天也会达到较高水平,采暖季空气湿度大的情况下更是如此。

这种累积使得取消GGH后暴增的粒径更细小且不沉降的PM2.5,在静稳和湿度较大的天气不断集聚;以此作为凝结核,吸收空气中的水分,凝聚粘附大气中的其他PM2.5;溶解并加快二氧化硫、氮氧化物的氧化,进一步和大气中的碱性物质化合成为硫酸盐、硝酸盐、铵盐;凝结核由小到大,从PM0.01到PM0.1,再到PM1.0、PM2.5和PM10。这一系列连锁反应在二氧化硫、氮氧化物浓度更高的2011年并没有发生,那时大气中没有因为集中取消GGH后粒数暴增且不沉降、不断累积的极细颗粒物。

在大气中不断累积的颗粒物的消除,主要靠较大的风或雨,或者是雾霾暴发后类似水汽凝结成水后落下的沉降。较大的风能够吹走当地的雾霾,也能把其他地方的雾霾带来。在雾霾天卫星云图常显示的是雾霾随气流在京津冀及周边省份等重点区域上方移动,连片成区域性雾霾。在属于静稳天气的3级微风情况下,雾霾气团没有因为风吹而脱水、析出和散开,而是不断累积强化,24小时内移动400公里,从邢台跑到北京[43]。

5.4 雾霾天气氯离子奇高是湿法脱硫取消GGH后湿烟囱的污染物排放与雾霾直接相关的证据

相关检测都证明,反复使用的湿法脱硫浆液中氯离子浓度很高。“山东科技智库论坛”在2017年首次讨论雾霾成因时,有雾霾成因研究团队的专家表示,根据在重雾霾天气检测到的大气污染物成分,氯离子浓度比自然状态下高很多,而湿法脱硫后的烟气排放是氯离子的主要来源(加上可能来源于发电机组循环水的氯离子等,是连续输送氯离子到大气中的唯一来源),所以湿法脱硫湿烟囱是雾霾大暴发的主要根源。雾霾天影响能见度的硫酸根、硝酸根和铵根等要么直接来自湿法脱硫取消GGH后的湿烟囱,要么是因为取消GGH后形成的湿烟囱的直接排放,导致大气中形成有利于二氧化硫、氮氧化物和氨等转换为硫酸根、硝酸根和铵根等二次颗粒物的环境,从而间接造成二次颗粒物的增多。

采用环保部门2013—2018年空气质量监测数据可以验证冬季集中供热锅炉启动后没有GGH的湿法脱硫湿的影响,随机选择若干城市多个年份冬季采暖启动日前后三周大气PM2.5质量浓度进行对比。结果显示采暖季启动日开始后的三周内,遇到静稳天气时,PM2.5质量浓度普遍比前面三周,尤其是前面2~3周高不少,有的是成倍增加。这说明每个城市区区几台没有GGH的湿法脱硫供热锅炉,就足以引起大气PM2.5质量浓度的剧烈变动,是没有GGH的湿法脱硫导致秋冬季雾霾天气显著上升的主因[48]。这也是没有可能关停发电厂来检验是否湿法脱硫取消GGH导致雾霾的情况下,一种可信的替代性检验方法。

5.5 雾霾天气下硫酸根、硝酸根和铵根比重高,三者常出现相同的起伏变化,除了地域特点的差异

硫酸根、硝酸根和铵根是雾霾天气下比重较高的水溶性离子。济南市2010—2013年环境空气细颗粒物PM2.5主要成分质量百分比(图10)中,除了地壳元素、有机物和碳元素,主要就是硫酸根、硝酸根和铵根。对济南市2014年1月20日至3月15日PM10和PM2.5中主要影响能见度的水溶性离子浓度进行最大值、最小值和平均值排序,有五组是硫酸根、硝酸根和铵根浓度的顺序,只有PM10的最小值排序是铵根、硫酸根、硝酸根的顺序,前三位都相同,而明显具有不同来源的其它水溶性离子浓度值的各种排序变化较大[4]。

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图10济南市2010—2013年环境空气细颗粒物PM2.5主要成分

质量百分比[4]

2014年APEC会议期间,京津冀及周边城市实行严格的控排措施,会议前后污染物排放水平差异大,可控制的重点也不同,但硫酸根、硝酸根和铵根受天气影响的累积曲线形状和峰值基本一致,而其他元素曲线差异大。这说明三者除了受天气影响外,还受一个共同因素直接支配或间接影响[44]。在燃煤较多的区域,雾霾天时这三种离子也表现出很强的关联性。京津冀及附近省份“停止除保障群众基本生活必须之外的一切向大气排放污染物的生产活动”后,主要是燃煤电厂湿法脱硫后的湿烟囱还在排放,硫酸根、硝酸根和铵根的变化曲线表现出峰和谷变动时间的一致性,虽然因为用电量下降而发电量和污染物排放量也下降。

进一步对比2014年11月初北京APEC会议期间及其前后济南市和北京市大气中硫酸根、硝酸根和铵根的变化幅度,济南市进入采暖季后硫酸根、硝酸根、铵根的浓度约为APEC期间的5倍、3.5倍、2.5倍[4];北京APEC会议期间的二氧化硫、二氧化氮、PM10和PM2.5浓度分别降低74.1%、48.0%、66.6%和64.7%;2014年APEC期间和秋季非APEC期间PM2.5化学组份中,硫酸根、硝酸根、铵根和有机碳分别下降60%、47.9%、52.3%和36.3%,是比例最大的四种成份[45]。以上均说明硫酸根、硝酸根和铵根浓度有可能受单一因素直接或间接影响。

2017—2018年采暖季期间,“2+26”城市PM2.5的平均浓度为85微克/立方米,其中有机物、硝酸盐、硫酸盐、铵盐等主要组分的占比分别为28%、19%、12%和11%[46]。这是由于淘汰燃煤小锅炉、散煤治理和煤控方面以及燃煤锅炉二氧化硫脱除方面取得决定性胜利;在氮氧化物的脱除方面由于氮氧化物来源较广、喷氨存在氨泄露和生成硫酸盐、铵盐等,以及氮氧化物脱除与臭氧污染加剧之间的反向相关的“跷跷板效应”,导致硝酸盐的比重超过硫酸盐,以及铵盐比重下降慢的变化。京津冀及周边地区大气PM2.5化学特征发生的这种显著变化,是现行脱硫脱硝措施的体现,是量变导致的大气PM2.5成分的变化,并非是像2013—2014年由于湿法脱硫取消GGH导致PM2.5粒数浓度暴增而引发雾霾天数暴增的质变。

6主要研究结论

造成2013—2014年雾霾大暴发的根本原因是湿法脱硫取消GGH引发一系列连锁反应,使得PM2.5粒数浓度暴增,但质量浓度变化不大。这种连锁反应主要有8条路径。

(1)取消GGH后,脱硫塔入口温度提高,导致脱硫塔出口PM1.0粒数浓度暴增10~100倍。2012年开始执行火电厂大气污染物新排放标准和脱硝电价、供热脱硫脱硝加价,而长期存在堵塞问题的GGH也影响烟气中二氧化硫达标排放,在业内取得“GGH用处不大、不得不拆除”的共识后,当年较大部分电厂拆除GGH且以后新建电厂不再安装GGH。这导致其它行业上湿法脱硫时不再考虑GGH这一环节。由此导致看得见的突变是石膏雨,看不见的突变是PM2.5粒数浓度暴增。此后冶金、化工等大中型企业部分采用湿法脱硫技术,对PM2.5粒数浓度暴增也有贡献。

(2)烟气排放由“干烟囱”模式转换为“湿烟囱”模式,本来就存在问题的除雾器对暴增的PM1.0不起作用,超细颗粒物、细微液滴甚至脱硫浆液被烟气携带至大气中,随着烟气飘散稀释,PM2.5粒数比监测取样处暴增上万倍。而进入大气监测指标的只有烟尘,属于可过滤颗粒物,不存在进入大气后颗粒数暴增的问题。

(3)烟囱干湿转换后,在烟道、烟囱及烟羽中的二氧化硫更容易转换为三氧化硫,加上脱硝系统产生的三氧化硫,进入大气后形成硫酸雾,再与大气中富含的氨和脱硝逃逸的氨结合,形成硫酸盐、铵盐。为了达到较为严苛的氮氧化物排放标准的过量喷氨造成的氨逃逸和硫酸盐、铵盐也是不容忽视的问题。

(4)大量超细颗粒物属于水溶性盐类物质,进入大气后不自然沉降,在燃煤区的静稳天气逐日累积,几天后就能进入轻雾霾状态,遇到湿度大的天气吸水并黏附变大,雾霾逐渐形成,直到遇到大一些的风、雨或形成大雾霾后沉降;非燃煤区也有天然气燃烧增加的氮氧化物和水汽,加上漂移来的外部颗粒物和当地的其他污染物,也会形成雾霾,只是少一些。

(5)暴增的超细颗粒物吸水黏附变大后成为二次颗粒物的温床,导致雾霾频发,而雾霾天气潮湿的细颗粒物又加速二氧化硫、氮氧化物向酸性物质及硫酸盐、硝酸盐和铵盐的转换。

(6)取消GGH后排烟温度降低,烟柱高度下降,排放空间减少一半,污染物最大落地点浓度增加1倍左右,仅此变化就带来PM2.5质量浓度100%左右的增长,粒数浓度增长更高。

(7)2012—2015年间大规模脱硝,增加大量硫酸盐、铵盐类PM1.0并产生三氧化硫,进入后续的除尘和脱硫环节后,部分进入大气,与上述取消GGH的连锁反应叠加,加剧了大气中PM2.5粒数浓度的暴增。

(8)取消GGH后排放的过多水汽,增加了容易成霾天气时大气的湿度,加速雾霾形成。

综上,湿法脱硫取消GGH后,主要由可凝结颗粒物引起的PM1.0超细颗粒物浓度暴升,进而大气中PM2.5粒数浓度成倍增加,1~2年内迅速超过已经接近上限的大气污染物容量的若干倍,导致雾霾大暴发。

湿法脱硫取消GGH后导致PM2.5粒数浓度暴增,主要是除尘脱硫脱硝系统出现技术失误造成的,而电厂、钢铁厂等采用湿法脱硫的企业都是购买产品和服务的用户,并非是脱硫脱硝设备的生产者和监管者。不出现这一技术失误或采用其他技术路径可能不会出现雾霾大暴发。

当然也不是单纯因为煤炭消费量、二氧化硫和氮氧化物的排放量等变化引起的。超低排放改造的目的是减排烟尘、二氧化硫、氮氧化物等常规污染物,而导致雾霾大暴发的主要污染物是PM2.5,产生这些PM2.5的主要贡献者是烟气携带含溶解物雾滴进入大气后生成的二次颗粒物。因此,超低排放对治霾而言不是对症下药,并没有十分明显改善京津冀及周边的雾霾问题。

超低排放确实可以弥补取消GGH带来的一些功能缺失,比如湿式电除尘可以去除45%的PM1.0质量浓度[41],但治霾效果并不很明显。大发电机组排放的烟气中PM2.5粒数浓度因为其燃烧特性仍然较高[15],相关减排指标也并非针对雾霾治理,烟气拖尾现象还很普遍,因此需要针对降低PM2.5粒数浓度继续努力。

治霾的关键是降低烟气排放全过程所有PM2.5的粒数浓度,而非单纯降低烟气排放连续监测仪安装位置处二氧化硫、氮氧化物和烟尘的质量浓度。烟气排出烟囱口后也有PM2.5颗粒产生、液滴扩散过程中逐渐超细化并导致PM2.5粒数暴增,目前在线监测对于目前安装位置后的PM2.5监测是缺失的。

根据萃智创新方法,在不得不取消GGH,但GGH自身有许多功能不可缺少情况下,需要通过增加相关组件,恢复其有用功能,裁剪其有害功能。目前的超低排放改造,虽然主要是为了治理石膏雨、二氧化硫、氮氧化物和烟尘,并非专门针对引起雾霾的所有形式的PM2.5(如可凝结颗粒物和三氧化硫等),但增加的低低温省煤器起到了GGH取消后降低脱硫塔进口温度的作用,脱硫塔后面的湿式电除尘起到了阻拦部分PM1.0的作用,脱硝、除雾器和烟囱都比2013—2014年优化。现在的超低排放改造主要是缺少去除可凝结颗粒物、抬升脱硫塔后的烟气温度及烟气排放变回干烟囱状态的措施。如可通过类似MGGH等技术,达到取消GGH之前的排烟温度,可以避免监测仪检测数据失真;使可凝结颗粒物气溶胶能够在烟道中相互碰撞增大,或把可凝粒颗粒在烟道中转化为固体颗粒物,避免在大气中产生粒数暴增;也可以抬升烟柱高度,扩大排放空间;降低污染物最大落地点浓度。烟气冷凝除湿也是需要补充的功能。

当然,如果烟气能够很干净,没有污染物,不用抬升温度也可以,但这几乎不可能,也不经济。相关研究证明,即使大发电机组超低排放水平很高,污染物排放质量浓度很低,但其粒数浓度大大高于循环流化床机组,与工业层燃炉的差距远小于质量浓度的差距。而对于是否在其他领域推广并非针对雾霾治理的超低排放改造,需要谨慎研究。

产业结构调整、能源结构调整、减少污染物排放对雾霾治理,过去、现在和将来都是永恒的话题和正确的举措,但并非低成本快速高效精准治霾的关键。放松烟尘、二氧化硫和氮氧化物的超低排放标准,纳入和加严可凝结颗粒物、三氧化硫和氨排放标准,重新定义超低排放的内涵和外延,是经济性快速精准治霾的必然选择。否则,可能会对经济社会发展和人民健康带来很大危害,比如不必要的关闭大量企业、失业、经济减速、每年上百万人因为雾霾早死亡等。

参考文献(略):

基金项目:基金项目:山东省社科规划课题、山东省科学院智库专项课题:山东省经济社会发展与能源碳排放协同研究和中美绿色合作伙伴山东省科学院-美国劳伦斯伯克利国家实验室结对研究项目

作者简介:周勇(1964-),齐鲁工业大学(山东省科学院)二级研究员,美国劳伦斯伯克利国家实验室客座资深科学家,山东省智库高端人才,研究方向:科技创新战略与政策,经济社会发展与能源环境碳排放协同的定量分析研究。

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http://kns.cnki.net/kcms/detail/37.1020.G3.20190416.1744.004.html

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责任编辑: 张学坤

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