湿法脱硫如何导致大面积雾霾

何平　李树生　朱维群　孙中强++梁婉

摘要：湿法脱硫技术从国外引进后，由于各種原因，烟气换热器 （GGH） 被取消，造成燃煤湿烟气低空、低温排放，成为中国大面积雾霾产生的一个重要诱因。根据对湿法脱硫前后颗粒物变化的研究，脱硫后细颗粒物数量（PM2.5以下）增加400多倍！这些超细颗粒物与湿烟气混在一起，成为雾霾的核心，同时，在排向空中后，与空气中其它不凝气体吸附在一起，形成“团状颗粒物”，在静稳和逆温环境下，这些“团状颗粒物”不断累积， 很快形成重度雾霾。地方环保部门已经开始对湿法脱硫烟气排放的问题开始采取措施， 但如果要迅速消除或减轻雾霾，必须对湿法脱硫烟气排放进行全面治理。

关键词：雾霾；湿法脱硫；颗粒物；烟气换热器

中图分类号：X773 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-8256.2017.06.002

How Wet Desulfurization Cause Large Area Smog

HE Ping1， LI Shusheng2， ZHU Weiqun3， SUN Zhongqiang4， LIANG Wan5

（1.International Fund for China's Environment， Beijing 100000；2.Shandong Tianjing Environment Protection Technology Corporate， Zibo 255000， Shandong，China；3.School of Chemistry and Chemical Engineering，Shandong University，Jinan 250100，Shandong，China；4.Liaoning Industrial Flue Gas Industry Technology Innovation Strategic Alliance， Chenyang 110000， Liaoning， China；5.Shanghai Huaxinguohui Environmental Technology Co.，Ltd. Shanghai 201100， China）

Abstract：After wet desulfurization technology was introduced to China， due to some reasons， one of key elements Gas Gas Heater（GGH） was removed. This caused wet flue gas emitting to lower altitude with lower temperature， which became one of key causes of heavy smog occurred in recent years in China. According to a researcher in Huadian Electric Power Research Institute， the number of small particulates （PM2.5 and below） was increased more than 400 times after wet desulfurization. These super tiny particulates， mixed in wet flue gas， formed the core of smog. They then glue with other gas like CO2， NOx， etc. in the air and form more secondary particulates. Under stable weather condition or temperature inversion， the heavy smog could be formed rapidly. Local environmental protection agencies in China have already began to take actions to deal with this problem. However， to abate heavy smog more efficiently， it is imperative to further clean up wetflue gas emitted from wet desulfurization.

Keywords：Smog； Wet desulfurization； Particulates； Gas Gas Heater（GGH）

2017年初，国际中国环境基金会总裁何平博士关于雾霾成因的文章“不听工程师意见，中国三年治霾无功”，认为：目前广泛应用的去除燃煤烟气主要污染物二氧化硫的手段——湿法脱硫，其工艺由于使用大量石灰水，导致雾霾加剧，引起广泛的关注。今年8月10日，在以“雾霾成因与散煤控制”为主题的2017年第一期山东科技智库论坛上，山东科技发展战略所副所长周勇对外公布三年来持续跟踪调查和大数据分析的结果，他表示：“湿法脱硫是导致2013年雾霾大暴发的主因，也是2016年铁腕治理下的雾霾天气反弹的主因。”9月1日，在环保部召开的京津冀及周边地区秋冬季大气污染综合治理攻坚行动新闻发布会上，环境保护部大气环境管理司司长刘炳江作出了回应。他表示，湿法脱硫是国际烟气治理通用技术，目前的数据并不支持湿法脱硫导致雾霾，9月12日，国电环境保护研究院院长、国家环境保护大气物理模拟与污染控制重点实验室主任朱法华在《中国能源报》发表文章“煤电湿法脱硫是治霾功臣”。 显然，目前关于湿法脱硫对雾霾的影响没有共识。湿法脱硫的确是国际上相对成熟的工艺，但在中国的应用却屡受质疑，并认为直接导致了雾霾的暴发，究竟是什么原因？目前是否有足够的数据支持？本文将对这两个问题进行分析和解答。endprint

1 去掉烟气换热器（GGH）是中国湿法脱硫与其它国家的主要不同， 也是致使雾霾的主要诱因

湿法脱硫之后的烟气温度在30℃～50℃左右，根据国际经验，湿法脱硫通常需要加装烟气换热器（业内称GGH），将烟气温度抬升到70℃～80℃以上排放。GGH的主要作用是：

1） 提高烟气从烟囱排放时的抬升高度，增加排放空间。根据对某电厂实际工程的计算 ， 烟囱高度为210 m ， 在环境湿度未饱和的条件下， 安装和不安装GGH的烟气抬升高度分别为524m和274m ， 有明显的差异[1]，取消GGH后， 烟气在相对低的高度排放，相当于减少了污染容积空间，自然会增加低空区域污染物浓度。

2） 去除水汽，减轻湿法脱硫后烟囱冒白烟问题。湿法脱硫后从烟囱排出的烟气处于饱和状态 ， 在环境温度较低时，凝结水汽会形成白色的烟羽，形成所谓 “大白龙”， 即“有色烟羽”，安装GGH后， 由于水气被烘干，湿度降低，大白龙现象大幅减轻。

3） 降低脱硫系统的水耗。增加了GGH以后，进入脱硫系统的烟气温度降低，从而使烟气在脱硫系统中的降温幅度得到减小，因而减少了系统水耗，也减少了烟气带走的水蒸汽量。

湿法脱硫技术从德国和日本引进后，由于两国都对排烟温度有具体要求，因此GGH是湿法脱硫系统的标配，国内大部分发电厂湿法脱硫系统都安置有 GGH，2005年的“脱硫技术规范”也要求烟气温度不低于80℃。在运行一段时间后，由于 GGH 部件的腐蚀和换热元件堵塞造成的运行故障成为湿法脱硫系统稳定运行的一个问题，降低了系统的使用率，增加了维修费用，同时，安装GGH后，系统的投资和运行费用也增加不少，并且部分专家认为无论是否安装 GGH ，它们的落地污染浓度只占环境允许值的很小一部分，GGH弊大于利，对于环境容量较大地区的电厂，建议脱硫装置不设置GGH[1，3]。于是，环评的尺度开始放松，一大批新上的湿法脱硫系统，经过环评批准后，不再要求安装GGH，已经安装的电厂开始大规模拆除GGH（这个拆除过程是否经过再环评，不得而知）。GGH的取消，使烟气温度降低，湿度增大，湿烟气不能抬升，在低空排放，给雾霾形成创造出最佳条件。

2 湿法脱硫致使烟气含盐量增加和细颗粒物数量大幅增加，是造成雾霾的主要原因

湿法脱硫后排放的湿烟气中除氮气、氧气、二氧化碳、一氧化碳外，还有常规污染物烟尘、二氧化硫、氮氧化物，此外，还有可凝结颗粒物、液态水及其溶解盐、气态水。液态水溶液包括湿法脱硫过程中形成的随烟气上升的液滴、除雾器冲洗水形成的液滴、烟气中气态水冷凝形成的液滴、以及溶入液态水中的三氧化硫与二氧化硫等气态物质。朱法华[7]认为测试了烟气中大于3微米的液滴中可溶盐质量浓度，没有测试小于3微米的液滴，也没有测试数量浓度，便得出“湿法脱硫排放的可溶盐对大气中PM2.5的影响较小”，有失偏颇。进而表述“综合对比湿法脱硫对三氧化硫的协同脱除量、湿烟气中液态水携带的可溶盐，湿法脱硫对大气中PM2.5的减少具有较大的贡献”更是荒谬。

实际上，正是湿烟气中液态水及其溶解盐质量的增加和数量大幅增加，形成巨量PM颗粒物，导致了雾霾。

2015年9月发表在《节能技术》上的一篇哈尔滨工业大学的“湿法脱硫对660MW煤粉炉PM2.5排放影响的实验研究”[5]，清楚的表明了湿法脱硫前后颗粒物的数量和质量的变化。以下是其PM颗粒数浓度和质量浓度变化的数据。

表1 各粒径范围粒数浓度（单位，粒/立方厘米）

位置 PM.38 PM1.0 PM2.5 PM2.5 单位质量粒数/粒-毫克

除尘设备出口（脱硫前） 54，855 59，237 60，186 205，588

脱硫设备出口（脱硫后） 25，138，978 25，145，878 25，146，871 4，176，916

从以上数据看出，脱硫后细颗粒物数量（PM2.5以下）增加418～458倍！同时注意到这个数值的单位是立方厘米，而每立方米的数量是上面数值的1，000，000倍！

表2 各粒径范围质量浓度 （单位，毫克/立方米）

位置 PM.38 PM1.0 PM2.5

除尘设备出口（脱硫前） 0.267 2.733 6.391

脱硫设备出口（脱硫后） 6.019 9.407 13.236

从以上数据看出，脱硫后细颗粒物质量增加2～22倍，其中，PM0.38 的质量增加最多。

尽管在目前的超净排放系统里，增加了电除尘或高效除雾器， 能够去除一部分相对较大的颗粒，使以前的“石膏雨”消失，但通常的电除尘设施对2.5微米 （PM2.5）以下的细颗粒物作用很小，对1微米（PM1.0）以下的超细颗粒物没有作用。这些天量的超细颗粒物，低空排放，既不会落地，由于GGH的取消，也不能在更高的大气层中扩散，在静稳，特别是逆温环境中，不断累积后，便形成了雾霾。

遗憾的是，中国目前的环境标准，对于烟气排放的顆粒物，只有质量浓度标准，没有粒数标准，对于超细颗粒物（PM1.0以下），粒数浓度比质量浓度更为重要。 另外，由于受到水气的影响，环保监测设备均放在脱硫设施的前面，而不是最后的烟囱或排放口，使得脱硫过程中产生的颗粒物没有得到监测。这是环保排放数据（达标或超净）与实际空气质量明显不符的主要原因。

2013年10月沈阳暴发第一场严重雾霾后，辽宁工业烟气治理产业技术创新战略联盟启动了“雾霾成因研究和治理技术”的研发。由于 2013年以前，沈阳的空气质量一直很好，他们分析了2011年至2013年沈阳的污染源变化情况，发现工业燃煤粉尘，民用散煤燃烧，汽车及工业燃油，道路扬尘，有机废气等污染源增量很少， 有些污染源如民用散煤燃烧，道路扬尘的污染还在减少，唯有2011～2012年开始在城市供热燃煤锅炉上和燃煤电厂安装的湿法脱硫系统，烟气排放大量增加，他们把研究的重点放在湿法脱硫的烟气上。endprint

沈阳的一个燃煤供暖锅炉脱硫塔

在对供热燃煤锅炉取样调查后，他们发现，燃煤锅炉脱硫液1蒸吨锅炉一天逃逸量在1～3吨，脱硫液离子浓度均大于10%，且大部分在15%以上，这些物质随水雾进入大气，当水分蒸发后，形成颗粒物。按15%浓度测算，沈阳三环以内有4万蒸吨锅炉，取1蒸吨锅炉日逃逸1吨脱硫液，一天就有4万吨脱硫液进入大气，进入大气的纯溶质就有6000吨。由于溶质是以硫酸盐为主，硫酸盐都会有结晶水，含上结晶水后重量会是原来溶质重量的两倍多，也就是说每天排出的6000吨溶质可以生成颗粒物超过一万吨。当遇到扩散条件不好的静稳天气，如此排放生成的颗粒物就可以让沈阳达到中度雾霾，甚至达到重度雾霾。因此他们确定沈阳的雾霾就是由湿法脱硫尾气带水携带可溶物进入大气形成的颗粒物造成的。

沈阳的大型锅炉和电厂采用的是石灰石石膏法脱硫和双碱法脱硫，供暖锅炉大部分采用氧化镁脱硫，不同的脱硫介质产生的脱硫液中离子浓度会有差别。沈阳案例虽然有它的特殊性，但确认主要污染源的方法是有普遍性的，因为从全国角度来看，其它主要污染源的排放已经减轻，或者增长幅度有限，而大范围湿法脱硫的湿烟气排放，与大面积雾霾发生的时间上一致。如前所述，周勇[8]公開发表的论文中，通过相互独立的大数据、气象数据和山东大学2013年前科研用监测数据进行定量分析证明，2013年雾霾集中暴发是一个突变、突发事件，而湿法脱硫和湿烟气大量排放是一个完全吻合而且是唯一的突变因素。

沈阳的案例还说明另一个问题，即应用湿法脱硫的其它工业和民用领域，如钢铁、水泥和燃气供暖等，由于标准偏低，湿法脱硫引起的问题比燃煤电厂更加严重。

3 低温湿烟气尘霾与大气中其它气体化合，形成更多二次颗粒物，是雾霾加剧的主要原因

如果按照朱法华[7]的湿法脱硫中排出的水蒸气相同于大自然水蒸气，雾霾也不至于这么严重。但这里的烟气水分子在排出烟囱后，由于温度低，粘合脱硫排放的带负电荷的巨量尘霾，化合演变成各种酸碱性颗粒物，与烟囱附近的二氧化碳CO2、NOx等不凝气体吸附粘贴在一起，形成“团状颗粒物”，在静稳天气或三级以下微风的情况下，为“带负电荷团状颗粒物”创造了新的更广泛的吸附机会，它们迅速将周围大气中的H2O、CO2、N2等酸碱气体吸附，产生更多更大的“团状颗粒物”，生成巨量的二次颗粒物，这就是重霾暴发的主要原因[4]。在二次颗粒物的生成过程中， 大气相对湿度起着至关重要的作用。相对湿度不仅是决定二次粒子的生成和低空累积的重要条件，而且是决定二次粒子粒径增大与散射率变化的首要条件。湿法脱硫排出的湿气大大增加了区域的相对湿气，直接催生了雾霾的暴发。

中国科学院地球环境研究所“千人计划”专家铁学熙团队近期研究指出，大气中的水汽分子对中国东部严重的霾污染起到了放大器的作用，造成霾污染的爆发性增长[14]。

德国马克斯·普朗克化学研究所的程雅芳等在美国《科学进展》杂志上发表论文也证实了这一现象[6]，文章指出，随着PM2.5污染程度上升，硫酸盐是PM2.5中相对比重上升最快的成分。他们发现，在北京及华北地区雾霾期间，硫酸盐主要是由二氧化硫和二氧化氮溶于空气中的“颗粒物结合水”，在中国北方地区特有的偏中性环境下迅速反应生成。这里的“颗粒物结合水”就是来自湿法脱硫的湿烟气尘霾。

湿法脱硫排出的湿烟气在大气中生成二次颗粒物，其生成速度和量，可以进一步通过实验室测试或模拟得出。这应该是总理特别基金所要支持的研究课题。

4 环保行业内的讨论和地方环保系统的反应

自从烟气换热器GGH被去掉后， 湿法脱硫的问题就显现出来，环保行业内从企业到监管部门也有许多讨论并开始采取措施。

2014年中国环境报一篇“如何消除湿法脱硫后患？”中写到，“目前广泛采用的湿法脱硫技术虽将燃煤排烟中气态SO2含量大大降低，但研究发现，在脱硫过程中产生的大量非SO2形态的含硫颗粒物未被有效去除。”，南开大学环境科学与工程学院和天津市天利人烟气净化工程股份公司等单位合作，研发了“燃煤烟气除尘脱硫一体化工艺技术与设备”，这一技术可将燃煤烟气夹带的全部烟尘颗粒（包括PM2.5）、气体污染物二氧化硫、氮氧化物和净化过程产生的二次污染物全部分离并回收，烟囱排出的是无色透明、纯净度极高的CO2气体。 由15位专家组成的鉴定委员会鉴定结论认为，这一成果从理论和实验两方面证实了在目前常规燃煤烟气湿法脱硫过程中，确实存在烟气夹带液滴中含有可溶性硫酸氢盐、亚硫酸氢盐等现象，并使相当部分的含硫物质最终进入大气环境[11]。

2016年两会期间，环保龙头企业“龙净环保” 在北极星环保网发表文章《不重视SO3脱除和排烟温度的“超低排放”对解决雾霾收效低甚至起反作用》，其文章摘要如下：“随着火力发电领域‘超低排放的提出，电力SO2的减排量进一步被提高，而SO3的减排和排烟温度却被忽视。与SO2的远程污染相比，SO3贡献的二次硫酸盐细颗粒物量约为SO2的5.9倍，甚至更高，极大地加剧了雾霾的发生。而低温排烟造成环保监测数据失真，监管失效，一些白烟严重拖尾、藏污纳垢、烟囱雨严重的环保装置却可以轻松被验收为超低排放项目。不重视SO3脱除和排烟温度的“超低排放”也导致了众多‘毒瘤——‘脱硫尾迹及伪劣技术的产生。”[9]

中国硫酸工业协会在《硫酸雾问题工作简报》中指出“2016年3月份后新的硫酸雾检测方法（离子色谱法）实施以来，协会陆续收到企业反映，在应用新的硫酸雾检测方法之后，硫酸装置尾气中硫酸雾数值普遍超标。对于众多采用氨法和钠法（湿法脱硫工艺）处理尾气的硫酸装置来说，尾气中仅可溶性硫酸盐一项，含量就远超排放标准规定的30mg/m3”[13]。据对相关专家的进一步了解，有的企业这一指标达到200mg/m3。而按照现在标准，其它行业湿法脱硫后并不对排出的水汽里面的溶解盐或其他非溶解物进行监测。针对硫酸雾普遍超标的问题，协会两次向环保部办公厅发函反映问题，提出建议，希望得到环保部的支持。endprint

地方环保监管部门不仅注意到湿法脱硫烟气排放的问题，而且已经开始采取措施。

今年8月28日，浙江环保厅发布地方環境保护标准《燃煤电厂大气污染物排放标准》征求意见稿。标准要求：位于城市主城区及环境空气敏感区的燃煤发电锅炉应采取烟温控制及其他有效措施消除石膏雨、有色烟羽等现象。标准所述的有色烟羽指的是烟囱排放的白色、蓝色、黄色等烟气，目前大部分电厂均对烟气加装了高效净化装置，少有出现黑色、蓝色或黄色烟气排放情况，但是白色烟气的现象很普遍[10]。

上海市环保局7月发布《上海市燃煤发电机组环保排序办法》， 在传统的二氧化硫、氮氧化物、烟尘的指标上，增加了消除石膏雨飘落及有色烟羽、煤场密封两项指标并赋予相应的权重。《办法》要求将排序结果在政府网站公布。

天津环保局10月21日发出通知，将对火电，钢铁等重点行业开展“石膏雨，有色烟羽”治理工作。

5 结论

尽管湿法脱硫在降低污染物SO2取得成效，但由于没有对烟气带水和颗粒物的检测与控制，从而导致烟气尾气携带大量水气及溶解物排入大气，致使局部空气湿度增加和颗粒物剧增，从而在静稳大气环境中，导致严重雾霾，这一事实已得到多方确认。建议国家选择2～3个城市进行试点，对湿法脱硫的烟气进行进一步除湿处理或使用干法脱硫，如果试点城市雾霾大幅下降，则可推广到全国，使大面积雾霾早日得到消除，国家经济活动和人民生活回归正常。

参考文献：

[1] 韩璞，毛新静，焦嵩鸣，等.湿法烟气脱硫中GGH的利弊分析[J].电力科学与工程，2006（2）：28-30+58.

[2] 陈方，梁喆，杨浩，等.火电厂湿法烟气脱硫系统取消GGH的技术经济分析[J].水电与新能源，2010（3）：72-74.

[3] 叶明，沈隼睿，韦存忠.浅谈湿法脱硫取消GGH设计的可行性[J].化学工程与装备，2010（10）：195-196.

[4] 李树生.中国雾霾起源和治霾新思路[EB/OL].国务院研究中心信息网，2014.5.23.

[5] 李壮，王海涛，董鹤鸣，等， 湿法脱硫对660MW煤粉炉PM2.5排放影响的实验研究[J].节能技术，2015（5）：398-402.

[6] Yafang Cheng， etc. Reactive nitrogen chemistry in aerosol water as a source of sulfate during haze events in China ， Science Advances 21 Dec 2016：Vol. 2， no. 12， e1601530.

[7] 朱法华.煤电湿法脱硫是治霾功臣[N].中国能源报，2017.9.12.

[8] 周勇.雾霾暴发主因： 湿法脱硫：基于大数据、气象数据和实验数据的确认[J].科学与管理，2017（4）：15-21.

[9] 龙净环保.不重视SO3脱除和排烟温度的“超低排放”对解决雾霾收效低甚至起反作用[EB/OL].北极星节能环保网，2016.3.7.

[10] 北极星环保网.浙江环保厅发布《燃煤电厂大气污染物排放标准》征求意见稿[EB/OL].环保技术互联，2017.9.14.

[11] 王奎庭.如何消除湿法脱硫后患[N].中国环境报， 2014.9.3.

[12] 何平.不听工程师意见，中国三年治霾无功[Z].国际中国环境基金会微信公众号（IFCE-China），2017-1-6.

[13] 中国硫酸工业协会.硫酸雾问题工作简报[R].2017.1.

[14] 千人计划网.“千人计划”专家铁学熙团队研究表明水汽分子促进雾霾频发[EB/OL].2017.11.30

（编辑：邵波）endprint