習近平總書記在2014年6月13日中央財經(jīng)領導小組會議上強調指出，要“推動能源供給革命，大力推進煤炭清潔高效利用”，隨后在神華集團等發(fā)電企業(yè)的引領示范和各級政府的推動下，燃煤電廠超低排放上升為一項國家專項行動，在全國范圍內(nèi)推廣。截至2017年底，全國已完成超低排放改造的燃煤發(fā)電機組容量達7億千瓦，占煤電總裝機容量比例約71%。
2017年電力行業(yè)排放的二氧化硫、氮氧化物和煙塵分別下降至120萬噸、114萬噸和26萬噸，占全國相應排放總量的比例從高峰時的40%左右下降到10%左右，甚至更低。
根據(jù)“大氣十條”終期評估報告，燃煤電廠超低排放改造對長三角、珠三角、京津冀等重點區(qū)域細顆粒物(PM2.5)年均濃度下降的貢獻分別達到24%、23%和10%，為全國大氣環(huán)境改善作出了巨大貢獻。但也有少數(shù)人認為，燃煤電廠的濕煙氣排放加劇了霧霾的發(fā)生，力推干法脫硫或者對煙氣進行加熱，消除白色煙羽排放，并影響少數(shù)地方政府出臺了相關文件。系統(tǒng)分析濕煙羽的成分及其消白的技術與環(huán)境效益，是科學決策濕煙羽治理的關鍵。
01煙氣成分及顏色
燃煤煙氣從煙囪排入大氣后，在向下風向傳輸過程中，其中心線會上升，同時煙體向四周擴散。由于煙氣在擴散過程中其外形有時像羽毛狀，因此常稱其為煙羽。煙羽的顏色與煙氣成分密切相關。
1996年以前，我國燃煤電廠主要控制煙塵排放，當時的煙塵排放濃度每立方米均超過50毫克，煙羽多為黑色或灰色，經(jīng)常見到煙囪冒黑煙現(xiàn)象，我們稱之為黑色煙羽或灰色煙羽，是由煙氣中的煙塵引起的。
2003年，我國燃煤電廠煙塵的排放標準嚴格到每立方米50毫克，同時推動燃煤電廠的煙氣脫硫。煙塵濃度小于每立方米50毫克的干煙氣從煙囪排入大氣，人眼基本看不見煙羽，稱之為無色煙羽。也正如此，世界上仍有不少國家由于大氣環(huán)境容量較大，燃煤煙氣的煙塵排放限值規(guī)定為每立方米50毫克。由于石灰石—石膏濕法脫硫能夠穩(wěn)定實現(xiàn)二氧化硫的高效率脫除，且經(jīng)濟性較好，在世界范圍內(nèi)得到廣泛應用，在我國電力行業(yè)的應用容量占比超過92%。濕法脫硫后的煙氣如不進行加熱處理，煙氣中的氣態(tài)水在排入大氣環(huán)境后，由于溫度降低，氣態(tài)水會冷凝形成直徑1微米左右的細小水滴，在煙囪出口附近形成“白煙”，我們稱之為白色煙羽。但由于空氣濕度沒有飽和，這些細小水滴很快就會被蒸發(fā)。
2011年，我國出臺了史上最嚴的火電廠大氣污染物排放標準，2014年，推出燃煤電廠超低排放政策，燃煤電廠煙氣中的顆粒物、二氧化硫、氮氧化物的排放限值比全世界最低的標準限值都要低，接近燃氣電廠污染物排放水平，被稱為超低排放。由于要實現(xiàn)氮氧化物的超低排放，大量燃煤電廠必須加裝選擇性催化還原法進行煙氣脫硝，將煙氣中的氮氧化物還原為氮氣，同時煙氣中會有少部分的二氧化硫被氧化為三氧化硫。由于煙氣中含有較多的水汽，煙氣中的三氧化硫以硫酸氣溶膠的形式存在，當濃度較高時呈藍色。因此，會發(fā)現(xiàn)有少數(shù)實現(xiàn)超低排放后的電廠，白色煙羽消散后，出現(xiàn)藍色煙羽。
總之，燃煤電廠排放煙氣中的主要成分是氮氣、水氣、氧氣、二氧化碳、一氧化碳等無色氣體。當煙氣中排放的顆粒物濃度大于每立方米50毫克時，煙氣呈現(xiàn)灰色或黑色;小于每立方米50毫克時，基本看不見，小于每立方米30毫克時，根本看不見。
02煙氣中的水分與消白技術
煙氣中水分包括氣態(tài)水和液態(tài)水，氣態(tài)水的質量占比超過99.95%，液態(tài)水的質量占比小于0.05%。液態(tài)水是由煙氣挾帶造成的，包括三方面來源，統(tǒng)稱液滴，以鎂離子濃度為基準折算成脫硫漿液的濃度，稱為霧滴。
一是挾帶的脫硫漿液，顆粒直徑主要在1000~2000微米之間，其成分與脫硫漿液相同，挾帶量過大，會在煙囪附近形成“石膏雨”。由于超低排放電廠，要求可過濾的顆粒物排放濃度小于每立方米10毫克，濃度太低不可能出現(xiàn)“石膏雨”。
二是挾帶的除霧器沖洗水，這部分液態(tài)水的粒徑也在1000~2000微米之間，其成分同沖洗水，基本不含固體懸浮物，溶解鹽濃度與沖洗水中的溶解鹽濃度相同。第三部分挾帶的是因煙氣溫度下降煙氣中氣態(tài)水冷凝形成的冷凝水，由于煙道或煙囪的壁效應、冷凝水滴之間的碰撞，該部分冷凝水的粒徑在1000~5000微米之間，煙氣中的酸性氣體會部分溶入冷凝水中，使冷凝水的成分類似于酸雨，pH值呈酸性。煙氣挾帶的除霧器沖洗水與冷凝水，是形成“煙囪雨”的主要原因?？赏ㄟ^提高除霧器的除霧效果，并在煙囪內(nèi)壁加裝煙氣中液態(tài)水收集裝置，可避免出現(xiàn)“煙囪雨”。
占煙氣中水量99.95%以上的氣態(tài)水，其中60%~70%來自煤和空氣中的水分，30%~40%來自濕法脫硫中的水分蒸發(fā)，不含任何污染物。但其排放大氣后，由于溫度下降，部分氣態(tài)水會凝結成粒徑在1微米左右的細小水滴，飄散在空中，由于粒徑很小，不會降落到地面，就是我們所說的白色煙羽或者大白煙。由于大氣不是飽和狀態(tài)，因此細小的水滴很快就會被蒸發(fā)，什么也看不見。
所有的煙氣消白技術，均離不開煙氣加熱環(huán)節(jié)，即通過加熱的方式，大幅提高煙氣溫度，讓煙氣中的氣態(tài)水處于高度不飽和狀態(tài)，使得煙氣排入大氣后，即使溫度下降，氣態(tài)水也不會冷凝形成細小液滴，從而消除白色煙羽。由此可見，加熱消白的方式并不減少污染物排放，相反，加熱煙氣要消耗大量能量，煙氣加熱及阻力增加一般會提高供電煤耗每千瓦時1~3克。即使在超低排放條件下，也會使相應排放的總PM2.5濃度提高每立方米0.6~1.8毫克。可見，煙 氣消白是美容，不但不減少污染物排放，相反會增加耗煤，增加污染物排放。
03治理霧霾需要對癥下藥
煙氣從煙囪排入大氣，依賴動力抬升與熱力抬升，煙氣抬升高度越高，擴散的范圍越大，污染物對地面濃度影響越小。由于煙氣消白需要加熱，因此消白后的干煙氣抬升高度比濕煙氣要高，擴散后污染物對地面濃度的影響要小，污染物地面濃度可以下降一倍左右。但由于實現(xiàn)了超低排放，即使是濕煙氣排放，顆粒物對地面日均濃度貢獻年最大值僅占標準限值的1%左右，因此煙氣是否消白，對當?shù)丨h(huán)境空氣中的顆粒物濃度影響甚微。
煙氣中3種液態(tài)水占總水量比例不足0.05%，其中溶解較多鹽分的僅是煙氣挾帶的脫硫漿液，根據(jù)實測和計算，滿足超低排放要求的采用石灰石—石膏濕法脫硫的電廠，煙氣中的溶解鹽濃度每立方米一般不超過1毫克。煙氣加熱消白，不減少這些溶解鹽的排放，只是讓它們提前蒸發(fā)結晶成顆粒物。
由于霧霾的發(fā)生，主要在冬季且濕度較大的時候，因此有人認為電廠排放的濕煙氣是引起霧霾的主要原因。事實上煙囪排放的水分總量與大氣中的水分總量相比微不足道，電廠煙囪排水不可能改變大氣的濕度。需要指出的是，加熱消白并沒有減少煙氣中的水分排放，即加熱消白沒有改變?nèi)济弘姀S煙囪的排水總量。
從霧霾控制的角度來看，實現(xiàn)超低排放的電廠，顆粒物、二氧化硫、氮氧化物的減排已沒有潛力。白色煙羽后存在藍煙的少數(shù)超低排放電廠，其三氧化硫的治理會有效改善大氣中PM2.5的濃度，需要加以重視。治理煙氣中的三氧化硫除大幅提高低低溫電除塵器、濕法脫硫、濕式電除塵器的協(xié)同脫除效果外，還可采用噴堿或煙氣冷卻的方法。
(作者：朱法華 系國電環(huán)境保護研究院院長、國家環(huán)保大氣物理模擬與污染控制重點實驗室主任)
