霧霾的成因及治理技術淺析

劉偉東，崔定軍

（蘇州協(xié)昌環(huán)保科技股份有限公司，江蘇 蘇州 215222）

霧霾的成因及治理技術淺析

劉偉東，崔定軍

（蘇州協(xié)昌環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆K 蘇州 215222）

燃煤工業(yè)生產(chǎn)過程會產(chǎn)生大量煙塵，但目前該行業(yè)普遍采用的除塵和脫硫脫硝系統(tǒng)中卻缺失一個關鍵環(huán)節(jié)，即在脫硫塔后沒有采取任何控制措施，造成脫硝過程產(chǎn)生的過量SO3和脫硫過程產(chǎn)生的微細顆粒直接排放并形成二次污染，是霧霾形成的重要原因。WEV技術集除塵與氣體洗滌為一體，在同一過程中可除去細微顆粒及氣體中的SO3，確保排放氣體干凈，在經(jīng)濟上和技術上，都是治理霧霾的有效方法之一。

霧霾；治理技術；氣體洗滌

1 霧霾的影響

近年來，霧霾污染日益嚴重，已成為舉國關注的大事。如何治理霧霾引發(fā)的“生態(tài)災難”也成為國家急需解決的難題之一。解決霧霾問題的首要步驟是需要對其形成的原因進行全面深刻的研究，即要找出形成霧霾的所有原因。目前，人們對霧霾形成的原因，大多還只是停留在汽車、飛機的尾氣排放，工業(yè)燃燒排放以及建筑工地灰塵，露天燒烤等表面現(xiàn)象。除此之外，是否還有其他原因則需要做進一步調研。國內有不少專家在公開場合表示：大范圍霧霾天氣的“禍首”—細顆粒物（PM2.5）與工業(yè)企業(yè)、發(fā)電站和供熱廠的燃煤關系密切。地球空氣的凈化，一直是靠大氣降水實現(xiàn)的。通過水循環(huán)，即水汽蒸發(fā)、輸送、集匯、凝結，成云致雨降落地面的過程，將大氣污染物全部凈化干凈。目前城市高樓林立，近地面以靜穩(wěn)天氣為主，大氣層低空的空氣運動受到限制，大氣擴散條件非常差，不利氣象條件造成污染物持續(xù)累積，而PM2.5等霧霾微粒是很好的凝結核，在空氣相對濕度增加的條件下，大氣顆粒物吸水膨脹，導致空氣污染持續(xù)累積，霧霾天氣也就難免。目前我國每年消費的煤炭數(shù)量高達近40億噸，占世界總量的1/2。同時根據(jù)中國煤炭工業(yè)協(xié)會初步研究預測，到2020年中國煤炭消費量將達48億噸左右，且在未來較長的時期內，煤炭仍將是我國的主體能源。為應對這一趨勢，必須發(fā)展清潔燃煤技術及設備。

2 霧霾形成的重要原因

燃煤中包含的元素有碳、氮、硫和少量的水銀等重金屬。燃煤工業(yè)的主要污染產(chǎn)物有SO2、NOx、SO3、重金屬（Hg等）和粉塵等。燃煤的主要污染形式如下表所示。針對燃煤工業(yè)，目前已有很多處理技術和環(huán)保設備防止灰塵和酸性氣體向大氣中排放。為了治理燃煤對空氣的污染，需要設計一個控制多污染物的高科技環(huán)保系統(tǒng)。

燃煤的主要污染形式一覽表

目前的燃煤煙氣處理系統(tǒng)包括脫硝、脫硫和除塵等設備，其中脫硝利用SCR和SNCR降低NOx的排放量，但這個過程可能增加SO2進一步氧化成SO3，且SO3難以在后續(xù)的脫硫過程中除去。而SO3的濃度達到5～10ppm時，就會形成不引人注意的二次酸霧。酸霧的主要成分是酸性懸浮微粒，硫酸氫胺及其它的化學反應生成物也夾雜其中。沒有清理這個污染的后續(xù)過程，也是導致霧霾形成的重要成因之一。

現(xiàn)代的脫硫技術（除去SO2）有濕法和干法的煙氣脫硫（Wet and Dry FGD）。對于含硫量較低的燃煤應用，干法FGD可使用SDA（干噴吸收法）、CDS （循環(huán)干洗滌法）和DSI（干吸收劑注入法）等，這些方法的優(yōu)勢是在脫硫裝置之后，大都安置了高效的除塵裝置—袋式除塵或靜電除塵系統(tǒng)，是煙氣進入煙囪的最后一關，因而可確保煙氣排出的顆?；覊m濃度（即PM2.5）在很低的范圍內，常用干法煙氣脫硫設計系統(tǒng)如圖1。目前在脫硫設備中占絕大部分的是濕法的FGD，特別是在燃煤含硫量大于2%的工況下，由于濕法FGD在總體投資及費用上優(yōu)于其它方法，所以我國在很多含硫燃料的脫硫應用中都使用該方法。通常使用的濕法石灰石煙氣脫硫和同時強制氧化的脫硫并生成石膏的化學反應表達為：

整個脫硫過程從熱的煙氣進入脫硫塔開始，煙氣與石灰石噴射的水漿反方向流動，且煙氣將被石灰石水漿冷卻達到水蒸汽飽和。在這個過程中，煙氣中的SO2與石灰石（CaCO3）反應生成亞硫酸鈣CaSO3·1/2H2O并被除去，同時強制氧化反應將此生成石膏 （CaSO4·2H2O）。針對大部分應用這個方法的系統(tǒng)，脫硫效果可達98%。然而這個方法目前在國內使用系統(tǒng)中可能會造成大量的PM2.5排放，因為后續(xù)沒有進一步去除的措施，從而成為霧霾形成的另一重要原因。典型的濕法FGD脫硫裝置和脫硫系統(tǒng)設計如圖2。

（一）干法FGD的典型系統(tǒng)設計

圖1 脫硫系統(tǒng)常用設計

圖2 濕法FGD的典型設計

分析脫硫塔的組成和整個煙氣脫硫和除塵系統(tǒng)：首先為了脫硫效果好，石灰石水漿需要由噴嘴逆煙氣方向噴入，產(chǎn)生微小的液珠，同時熱的煙氣會使微小液珠的表層蒸發(fā)一些，產(chǎn)生更細小的液珠，這些液珠會被向上流動的煙氣夾帶向上流出。為了防止大量的石灰石水漿液珠流出，在脫硫塔的頂部設置有除霧器。但即使采用最有效的除霧器裝置，由于除霧效果公認的是平均在液珠直徑大于25微米時才可以有效除去，在實際使用中可能會比這個數(shù)據(jù)更差，因此該類脫硫裝置會產(chǎn)生大量的PM2.5級的細顆粒，而且毫無控制。目前國內絕大部分的燃煤電廠、水泥廠和鋼廠等，煙氣都是經(jīng)脫硫后直接進入煙囪排入大氣。更嚴重的是，這個生成石膏粉的反應可能仍在進行中，這都將會對PM2.5的排放造成影響。

綜上，目前的脫硫、脫硝技術雖都在很大程度上減少了酸性氣體的排放，對減少酸雨的污染起到了很大的作用，但同時卻增加了SO3和PM2.5的排放，因而這兩者也都是霧霾形成的主要原因之一。

3 霧霾的治理建議方案

PM2.5和SO3排放是形成霧霾的關鍵因素，治理霧霾就是要減少PM2.5和SO3的排放。細微粉塵和準細微顆粒（由SO3與水蒸汽結合形成的H2SO4酸霧）是燃煤排放的最大污染。SO3可以用一些堿性化學原料（如氧化鎂、氫氧化鈣、氨水、堿等）洗滌去除。污染顆?？梢杂伸o電除塵器或袋式除塵器去除。但由于脫硫后煙氣的含水量很高，因而該兩種除塵設備都不方便使用。目前在西方國家有采用濕法靜電除塵（WESP）作為煙氣排放至煙囪前的最后一級裝置，但這種技術不僅一次投資高，運行成本也很高，運行中還存在材料腐蝕、污染物易殘留在電極上造成設備除塵性能下降、排放濃度增加等技術問題。圍繞WESP技術，仍有很多研究在進行，而且都各具優(yōu)缺點。目前較流行的一種煙氣處理系統(tǒng)如圖3。但針對國內已建設的煙氣脫硫系統(tǒng)， 很難在煙塵排放進入煙囪前再增加一個大型除塵設備，因為進行這種改造，無論在廠房空間和投資預算上都有很大的困難。為消除霧霾，開發(fā)一種能去除多種污染物且經(jīng)濟可靠的煙氣處理系統(tǒng)勢在必行，

針對具體情況，加拿大沃森環(huán)?？萍脊荆╓atson Process Systems）結合多年在氣體凈化處理和燃煤脫硫脫硝領域中的技術和經(jīng)驗積累，設計出既可以除去細微顆粒PM2.5甚至更細的微粒，同時可以除掉SO3和重金屬（Hg2+）的WEV洗滌系統(tǒng)。早在20世紀90年代初，WPS公司就開發(fā)并使用該技術，在很多領域成功解決了同時進行除塵和去酸或堿性氣體，形成了獨特設計的產(chǎn)品 WEV（Watson Enhanced Vortex）沃森強化渦式洗滌系統(tǒng)。

圖3 目前較典型的煙氣處理系統(tǒng)

WEV洗滌系統(tǒng)是一種壓力降驅動的洗滌過程，其使用獨特的原理高效捕獲顆粒和酸性氣體。在煙塵入口處的設計可引導氣體局部高速旋轉，與安裝在塔內的固定葉片一起造成塔內中心真空的高速旋轉渦流，將塔底的洗滌液吸起并破碎成小液滴，即葉片霧化設計；利用離心力使霧滴從氣流中分離，洗滌霧滴在分離室內被聚集，并在分離器內破碎并排出。這個過程吸附了需被除去的氣體成分和微細顆粒及重金屬顆粒，并隨液滴一起分離出去。洗滌液滴在WEV室內的形成分布如圖4所示。該設計在氣動洗滌功效上可通過簡單的操作進行適當?shù)恼{整。

圖4 WEV內洗滌液的液滴形成和分布區(qū)域示意圖

WEV洗滌系統(tǒng)的優(yōu)點有：1）洗滌顆粒的直徑范圍廣，靈活設計使設備可在運行過程中通過調整壓力降來調整除塵的范圍和效率；2）液體霧化不需要噴嘴；3）無可移動部件；4）在相同塔內具備多樣性的處理方法；5）在設計好的塔內更易更新。

WEV洗滌系統(tǒng)可以直接連接系統(tǒng)風扇和煙囪并包括除雨裝置。煙氣在WEV系統(tǒng)內完成三個過程：氣體冷卻到飽和濕度、粗顆粒通過潮濕氣旋被去除、細微顆粒物及酸霧在旋轉液滴云中被去除。典型WEV的現(xiàn)場安裝情況如圖5。

圖5 WEV現(xiàn)場安裝狀況

WEV系統(tǒng)作為燃煤煙氣處理系統(tǒng)的最后一級，設計保證PM2.5甚至粒徑小于2.5μm的微粒的去除效率達到95%以上。且同時可除去SO3和重金屬污染微粒。這項技術的推廣使用可大大降低形成霧霾的PM2.5和SO3，以及重金屬的排放。

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聲 明

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《中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)》編輯部

Simple Analysis on Cause of Formation of Fog & Mist and Treatment Technology

LIU Wei-dong, CUI Ding-jun
(Suzhou Xiechang Environmental Protection Technology Co., Ltd, Jiangsu Suzhou 215222, China)

Coal-fired industry generates a lot of soot in the course of production, but a key link is imperfect in dust removing and desulfurization and denitration system adopted by the industry at the present time, namely no any control measure is adopted behind the desulfurization tower, causing the generation of excessive SO3in the course of denitration and direct emission of fine particulates in the course of desulfurization, and causing second pollution. It is an important reason in the formation of fog and mist. WEV technology integrates dust removing with gas wash, fine particulates and SO3can be removed in the same course, and insures the gas clean emission. It is one of the efficient methods in the treatment of fog and mist in economy and technology.

fog and mist; treatment technique; gas wash

X701

A

1006-5377（2014）12-0056-04