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雾霾(大气污染)深度治理的问题与建议

发布时间:2021-04-06 16:06:39 点击数:

  2013年雾霾爆发以来,各地采取积极措施治理大气污染,使大气环境有所改善。但大气污染仍然没有控制住,近几年秋冬季节,即使在大范围的停工限产的前提下,大面积雾霾现象在北方除北京以外的地区仍然频繁发生,给企业生产和人民健康带来严重影响。为了使未来的大气污染治理更加有效,我们分析了这几年大气污染治理的得失,并提出改进建议。

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  1.问题

  2013年重霾爆发以来,政府从中央到地方,采取各种措施“铁腕治霾”,包括实施世界上严格的烟气超低排放标准,大范围的煤改气、煤改电,治理散、乱、污等。目前控制的三个常规大气污染物,颗粒物(尘PM),二氧化硫(SO2)的排放量同比2014年前的峰值下降 80%以上, 氮氧化物(NOx)的排放量也同比峰值下降了30%。从指标上看,常规污染物减排治理成果非常好,但实际的雾霾治理效果远远低于预期。到秋冬季,北方地区不得不靠大范围的停工、限产来维持一定的大气环境质量。即使如此,雾霾仍然频繁来袭。特别是2020年春节疫情期间,在国民经济几乎处于停顿状态的情况下,大范围、长时间的重霾仍然未能避免。

  污染物排放与不利大气扩散条件是雾霾发生的两个主要因素。北方秋冬季雾霾频发的原因不仅与常规污染物排放有关,更与非常规污染物排放有关,否则,常规污染物在峰值期间(2008-2011)更容易暴发雾霾。同时,不利大气扩散条件不仅由自然因素引起,也与人类活动有关,特别是工业水汽排放相关。

  经过反复的研究和分析,我们认为目前治理常规大气污染物 (二氧化硫和氮氧化物)减排技术缺陷和标准缺失,导致了大量非常规污染物的排放,而这些非常规污染物没有得到监管,是当前雾霾久治不愈的根本原因,大量工业水汽排放引发的不利大气扩散条件是重要原因。

  2.治理技术缺陷和标准缺失

  2.1氮氧化物NOx 减排的同时,产生了大量的氨排放

  目前减排氮氧化物(脱硝)主流技术 SCR 法用氨作为还原剂,为了达到远高于欧美标准的超低控制指标,企业过量喷氨现象十分普遍。这些过量的氨气形成铵盐等氨氮物, 通过粉煤灰、脱硫废水、雾滴等被携带排出烟道,终形成氨气排至大气。专家估算,按 2017年电厂的氨使用量计算,这部分排放的氨气量约为137-218万吨。非电行业的脱硝设施不少设置于脱硫设施之后,过量的氨直接排入大气,比电厂的影响更严重。中国科学院大气物理研究所研究员王跃思团队通过观测发现,“华北是我国氨气大的‘热点区’,浓度异常高,空间覆盖范围广” 。该团队前不久在《国家科学评论》 发表文章,直接建议 “将氨(包括氨气和铵盐)作为大气污染物列入控制性指标”。

  工业过程中的氨排放问题一直没有得到关注。根据前不久完成的国家大气污染防治攻关联合中心组织的“大气重污染成因与治理攻关项目(总理基金)”报告所述:“氨排放主要是畜牧业和农业”,这一结论远远脱离现实。、国内多重研究表明,在城市范围内,工业早已是主要氨排放源,特别是超低排放启动后,工业氨用量大幅增加,大气中的氨含量也随之升高。

  氨气是大气中的高浓度碱性气体, 排放到大气中的氨与硝酸或硫酸等酸性气体发生反应, 形成硫酸盐、硝酸盐,氨盐等二次细颗粒物,是大气中气态污染物转变成颗粒态污染物的重要推手。另外氨(氨类物质)对雾霾的影响还表现在高湿环境下,溶解于液滴中的氨类物质和硝酸盐,作为营养物质导致一些微生物大量快速的繁殖,使得雾霾快速发展。我们在追求超低的氮氧化物排放的同时,忽视了目前技术的局限性,使得大量的氨排向空中,转而形成二次颗粒物和微生物的繁殖,抵消了其它颗粒物减排的效果。

  近年来,华北地区降雨已经从局部性酸雨转变为全面偏碱性,这从宏观上也证明,减排常规污染物的同时,导致了过量氨气的排放。在低温季节氨气铵盐湿沉降能力弱的情况下,过量氨气排放会导致大气中的细颗粒物较长时间存在,在较大范围扩散分布。

  2.2 二氧化硫(SO2)减排,湿法脱硫工艺与细颗粒物排放

  目前绝大部分电厂和工业企业使用湿法脱硫工艺进行二氧化硫(SO2)减排,尽管脱硫效果明显,但由于中间的烟气升温器 (GGH)被取消,使得烟气低温、低空、高湿排放,脱硫浆液中的细颗粒物通过饱和湿烟气夹带排入大气,可凝结颗粒物 CPM浓度偏高,且未控制。取消GGH的情况下,低温季节,饱和湿烟气条件下,排出的烟气形成浓重的烟羽,二氧化硫在烟羽内的液滴内形成亚硫酸,进一步形成硫酸的极好条件。这样的排放变化过程完全无法监控。

  根据包括北京,上海等17个达到超低排放标准机组的测试结果,CPM的平均值是 13.93毫克/立方米,超过了超低排放颗粒物标准10毫克/立方米。更为严重的是,CPM形成的颗粒物粒径小,粒数浓度非常高,每立方厘米粒数以千万计。同样质量浓度的CPM,其粒数远超过可过滤颗粒物,对大气的消光作用也远远大于可过滤颗粒物。这些CPM 在大气中作为凝结核,遇冷凝并,吸湿长大,并产生液相下的二次复合过程,雾霾暴发时,以PM2.5质量浓度形态显现。

  齐鲁工业大学研究员周勇通过多重证据研究,确认湿法脱硫后PM2.5粒数浓度暴增是2013-2014年京津冀及周边省份雾霾大爆发的主因。而湿法脱硫工艺取消GGH是主要的引发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。这也说明了为什么在2011年以前,常规污染物二氧化硫、氮氧化物处于峰值时,没有形成严重的雾霾,而在治理措施加大后(在新的大气污染物排放标准、脱硝加价和严管政策刺激下,2012年开始进行大规模脱硝和脱硫设施建设或改造,2012年底开始没有GGH并和脱硝设施串联的湿法脱硫系统全面推开并实行严格的在线监测),雾霾反而显现了!这一现象不但发生在华北地区,甚至是全国性的。现在冬季,从南到北,主要工业城市上空大部分时间是灰朦朦的。

  由于可凝结颗粒物CPM没有包括在目前的颗粒物标准之中,因此没有得到监管。这一颗粒物指标上的漏洞,说明了为什么环保指标上的成果对不上实际的大气污染情况。因为指标只管住了可过滤的固体颗粒物,对雾霾影响更严重的CPM没有得到监管,超低排放评价显著低估了颗粒物的实际排放水平,所谓的超低排放,实际上是非关键致霾指标的超低,不可能实现对症下药来治理雾霾! 2018年各地采取的俗称“除湿脱白”的烟羽中污染物治理措施,治理湿法脱硫后的白色烟羽,对控制 CPM 有一定效果,但由于各种原因,被主管部门叫停!这也就是为什么疫情期间,只有全面实现超低排放的电厂和有限的其它工业排放,雾霾依然席卷大半个中国。

  2.3工业水汽排放

  湿度是雾霾形成的一个关键因素,观察表明,重度雾霾都是伴随着高湿天气发生的。北方秋冬季形成明显雾霾前的敏感阶段及成霾过程中,煤炭/天然气燃烧、湿法脱硫、冷却塔等排放的水气,对当时大气湿度有20%左右的贡献,对雾霾的形成也有较大贡献。

  在工业集中的地区,水汽形成的水蒸汽气溶胶,使得局部的云层增厚,在城市上空形成一个“锅盖”,使污染物无法自由扩散,大气中包括CPM在内的各类细颗粒物,在这种人为排放水汽形成的高湿环境下,吸湿增长(研究表明,如果空气湿度达95%,在短时间内可凝结颗粒物粒径能增长6-16倍),与各种污染源排出的硫氧化物、氮氧化物、VOC等污染物化合,形成二次颗粒物,导致雾霾加重。

  城市周边大量工业水汽的排放,还会造成静稳,逆温的天气增加。水汽形成的水蒸汽气溶胶,使得局部的云层增厚,在城市上空形成一个“锅盖”,大气流动性减弱,形成静稳环境,使污染物无法自由扩散;由于湿态水溶性离子颗粒物的消光作用,大气边界层阻挡太阳光线照射至地面,地表温度低,形成逆温环境,同时这些工业水汽都带有热度,高于环境温度,在高空遇冷冷凝,释放出热量,使高空的气温升高,也有助于逆温天气的形成。静稳,逆温环境导致污染物在近地表大气边界层内累积,形成雾霾。

  工业水汽排放不但对大气扩散条件产生影响,同时,水汽中夹带大量细颗粒物。除了湿法脱硫后的白色烟羽含有巨量可凝结颗粒物和可溶性盐,目前为了节约用水,不少电厂冷却塔使用中水作为补充水,不断的循环,使水汽中的含盐量大幅上升。据估算,一个百万千瓦机组的冷却塔每小时可排 200-400公斤的溶解性颗粒物到空中,是同样机组烟气总颗粒物TPM排放浓度的4-8倍!

  3.雾霾形成与暴发过程分析

  尽管在多年的努力下,常规污染物二氧化硫 SO2,氮氧化物 NOx, 和颗粒物(尘PM)已经降到低位,但由于技术缺陷和标准缺失,所产生的非常规污染物(可凝结颗粒物CPM, 氨和工业水汽)没有得到治理和控制,以至北方地区秋冬季雾霾没有得到有效控制,其形成与爆发的过程如下:

  在低温静稳干燥气象条件下,粒数巨大没有得到管控的可凝结颗粒物 CPM 排放到大气中形成固态或液态的细颗粒物;湿法脱硫,冷却塔等工业水蒸气排放推高相对湿度,大气中的干态水溶性离子颗粒物吸湿长大;烟气中残留的氮氧化物、硫氧化物,VOCs和氨气等和吸湿长大后的干态水溶性离子颗粒物,水汽夹带的细颗粒物在大气中发生二次复合,形成硝酸盐,硫酸盐,有机盐和氨盐等二次颗粒物。由于湿态水溶性离子颗粒物的消光作用,大气边界层阻挡太阳光线照射至地面,地表温度低,形成逆温环境。这些盐粒在逆温,静稳大气的影响下,在较低的大气边界层内富集,形成雾霾。

  在高湿天气,这个过程显著加快和加强,湿态水溶性离子颗粒物粒径大幅增长,新排放的水蒸气和夹带的细颗粒物在更低的大气边界层内扩散,地表的空气密度升高,大气的垂直层结构相对稳定,空气的上下间流动显著减弱,静稳,逆温环境加强,同时,水溶性离子颗粒物中铵根,硝酸根等营养物,促使微生物快速繁殖,PM2.5质量浓度快速增长,雾霾爆发,并会维持一段时间,直至大气环境发生改变(如大风,下雨,冷空气入侵等)。

  4. 建议

  4.1 确定雾霾主因后进行针对性治理,避免秋冬季的“停工限产”措施

  为了维持北方地区的环境质量,从 2017年开始实施“大气污染应急管控防治措施”,即在污染天气各地要求企业 “停工限产”。这一措施虽然缓解和减轻了雾霾污染的影响,但给各地的经济带来严重的伤害,同时也掩盖了环保治理的问题和缺陷。从经济上考虑,治理目前的大气污染问题,对于一个省,只是一个百亿级的投入(如果通过节能措施减排, 投入的成本还可回收),但大面积的停工限产,经济损失是千亿级别,而且年复一年。根据前面的分析,重度雾霾不是一次排放造成,而是大气扩散条件变差后,二次颗粒物暴增所引起,“停工限产”的作用有限。因此,我们建议在“十四五”期间,取消“大气污染应急管控防治措施”,停止各种名目甚至加码的“停工限产”,保障国民经济,特别是北方地区的可持续发展。

  4.2 设立国务院雾霾治理办公室

  由于雾霾形成的复杂性和治理的长期性,光凭环保部门的力量是不够的,这几年各地政府都设立了“大气污染防治办公室”,协调环保,能源,交通,工业,科技,城市管理等部门的合作,建议国务院也设立“雾霾治理办公室”,从顶层开始,整合资源,全面协调大气污染治理的工作,而不是目前环保部门单打独斗,头痛医头,脚痛医脚,并且受制于一些利益集团和固有的思维模式,不能开展真正有效的治理。

  4.3 通过余热回收,治理湿法脱硫后排出的烟气

  湿法脱硫后排出的烟气不但含有水汽和细颗粒物,还有余热。为贯彻落实《国务院关于印发大气污染防治行动计划的通知》,发改委 2015年就发布《余热暖民工程实施方案》鼓励回收烟气余热,并在 150 个区县开展试点。目前余热回收利用技术已完全成熟,为了迅速抑制雾霾,特别是重霾的发生,应该强制回收湿法脱硫后烟气的余热和水汽,使企业达到节能、节水、降霾、减碳和增收的五重效益。这是目前经济成本低,控制雾霾有效的方法。

  4.4回收工业排放的水汽和余热

  根据各地的工业布局和环境容量,采取积极措施鼓励或要求回收电厂冷却、冶炼、化工等行业各工序排出的水汽、余热。此举能减轻甚至拿掉城市上空的 “锅盖”,大幅度改善大气扩散条件,减少雾霾的产生,并能减少随水汽排出的盐粒和污染物。同时重复利用水,减少工业用水总量,降低企业成本,余热还可以回收利用,产生经济效益。

  4.5增加超低排放的内容,弥补排放指标上缺失

  要把氨(包括氨气和铵盐)纳入控制性指标,严格控制氨的使用。城区的氨排放除了电力、工业的脱硝外,还包括机动车,特别是柴油车的氮氧化物减排中的氨排放,和尿素制作过程中的氨排放等。

  颗粒物超低标准必须包括可凝结颗粒物CPM。目前直接检测CPM 比较困难,可通过间接检测方法(如测冷凝水中的电导率)进行监测。

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