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周勇:雾霾大暴发根本原因是燃煤烟气治理缺陷

北极星电力网新闻中心  来源:北极星电力网  作者:周勇  2021/2/24 14:42:59  我要投稿  
所属频道: 火力发电   关键词: 烟气治理 周勇 湿法脱硫

北极星火力发电网讯:【执行摘要】根据相互印证的数据,并综合集成多领域、多学科研究,可以确认,造成2013年雾霾大爆发并持续至今的根本原因,是燃煤烟气排放治理中的技术缺陷、标准缺陷和监管不到位等。重点区域的煤电、供热、钢铁、焦化等大型燃煤企业,数量众多,分布密集。在相同的时间段,相同的新补贴政策、新标准规范和严格的监管措施等刺激下,逐渐采取相对一致的湿法脱硫、氨法脱硝等烟气治理技术改造。各种缺陷叠加累积,造成不受控制的可凝结颗粒物(CPM)、过度喷氨造成的氨/铵排放、含有水溶性盐的气溶胶或雾滴、湿烟囱排放的过量水汽等非常规污染物(简称非常规污染物)暴升,进一步导致PM2.5数浓度暴升几十甚至到上百倍,由此导致雾霾大爆发。

随后的雾霾治理措施,主要还是原先治理酸雨措施的延续或增强,如二氧化硫、氮氧化物和烟尘的深度治理,包括超低排放改造,并非针对PM2.5数浓度暴升的非常规污染物。因此,8年雾霾治理的成绩仅限于重雾霾天数的减少和PM2.5质量浓度下降50%,而能见度较低的霾、雾和轻雾天数之和在雾霾大爆发之后没有多少下降,是雾霾大爆发之前的9倍(山东省2019年)。

作为治霾主要抓手之一的煤炭消费总量控制,华北平原在2001-2006年间与PM2.5质量浓度同步增长,2006年PM2.5质量浓度达到峰值,之后进入下降通道;而煤炭消费量则是继续增长,2013年达到峰值后进入平台期。显然,二者从2007年开始就因为大规模的脱硫除尘等措施而脱钩,这也是脱硫除尘电价加价(简称脱硫加价)政策取得的重要成果。更何况造成雾霾大爆发的是暴升几十倍的PM2.5数浓度变量,而不是没有多大变化甚至一直在下降的PM2.5质量浓度。

2011年出台的大气污染物排放新标准,2012年进行大规模的脱硝和湿法脱硫改造(包括取消GGH),原本期望2013年初开始的脱硝电价加价(简称脱硝加价)和严管带来类似2007年脱硫除尘电价加价带来的大气污染治理辉煌。但是,由于大规模的湿烟气排放和脱硝过度喷氨等次生污染无监管排放,导致2013年初开始至今,雾霾在中国北方大面积爆发并延续至今。

2013年后煤炭消费量和PM2.5质量浓度都在下降通道,导致2013年开始雾霾大爆发的因素并非这两个,而是PM2.5数浓度暴升若干倍所致。当然,煤炭消费量和PM2.5质量浓度都需要持续下降,但雾霾治理更急迫,PM2.5数浓度暴升对健康的危害更大。

目前,大气污染治理的各类技术很多,良莠难分。找对原因,甄别有效技术,对症下药,方能迅速见效。如果继续沿着治理酸雨的路径下去,治理好雾霾遥遥无期。

另外,臭氧污染也是2013年开始发生突变,之后进入渐变状态。造成秋冬季雾霾大爆发的次生污染物,不可能在其他季节销声匿迹,二者很大程度上是同根同源。针对燃煤烟气治理存在的多方面缺陷进行有针对性的改进,雾霾和臭氧污染应该会很大程度上一并解决。

在治霾压力下,各地已研发出许多成熟技术,如喷淋、冷凝、云除、过程优化等,可大幅降低致霾污染物排放。近期的减污降碳的重点,应该是对症下药,减少非常规污染物,按照尊重经济规律,允许改进现有设备并使用一段年;在财力允许或外部压力加大时,淘汰现有烟气治理设施,更换先进的脱硫脱硝技术;2035年后,加快煤炭清洁化利用进程;2050年前后仅保留用于供热为主的热电联产,并通过CCUS或碳汇抵消燃煤碳排放,实现减污降碳的协同。

北京所处的大气场是华北平原大气场,监测和卫星反演显示,细颗粒物随风传输,平时一直在进行。因此,整个华北平原区域需要弥补燃煤烟气治理中存在的多方面缺陷。

同时,北京作为规模相对较大的禁煤区,需要针对众多燃气设施烟气治理过程中的氨/铵排放,以及秋冬季低温季节大量水气低空排放,导致的易霾条件过快、过多形成(增加25%左右),并加速本地排放和外地平时输入的超细颗粒物的二次复合等问题,减少氨/铵排放和水气排放。

可以设立治霾技术验证基金,从目前若干成熟的技术中,甄别对症下药的技术,打一场先行先试的区域治霾示范战役,以最大程度的完成禁绝重霾和臭氧污染这个重要政治任务。

需要把冬奥会区域以及华北平原等相关传输区域,作为治霾重点区域,突出对症下药,强化立竿见影,真正削减非常规污染物。同时,也是对前面8年治霾的一种补救措施。。

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雾霾大暴发根本原因是燃煤烟气治理缺陷

(周 勇 齐鲁工大(山东省科学院)二级研究员

山东省生态文明研究中心 主任)

最近四年,我们利用空气质量监测数据、气象数据、卫星数据等进行大数据分析,参考国内外期刊上的学术论文,与多个大学、科研机构和企业专家建立了研究网络或联合研究小组,连续几年共同研究雾霾成因。本文涉及所有结论都经过多领域对比研究、多来源数据相互验证,并咨询多个专业专家。即使有局部的、细节性的不确定性,但整体结论应该不会存在问题。

本着雾霾治理,匹夫有责的精神,作为雾霾主因研究的“弱势群体”,对可能来自强势部门的质疑,须遵循举证倒置原则,因为共同目标都是为了雾霾治理。执着于让“弱势群体”去企业或城市验证某些结论,而看不到国内外学术期刊上非常多的研究数据和结论,容易让人产生是否真的想搞清楚雾霾主因的质疑。把雾霾主因和治理方法的讨论定性为技术和管理范畴的探讨,允许有些许帮助的任何人贡献才智,而不是垄断雾霾治理议题,禁止雾霾主因讨论,是管理部门应有的胸怀。

一、对题目的进一步解读

雾霾(大暴发):统称能见度小于7.5千米(2012年后自动观测标准)或10千米(2012年前的人工观测标准)的霾、雾、轻雾等。本文中2012年之前人工观测数据中,轻雾都属于雾或霾的统计范围。本研究不再区分霾、雾或轻雾,主要是为了避免因为不同概念或通过定义新的概念,掩盖实际的能见度不达标的天数,造成雾霾大爆发前后霾、雾天数不可比的问题。

(雾霾)大暴发:以每年的霾、雾、轻雾等天数做衡量标准,数倍的突变。2001-2011年间雾霾发生的频率是常规变化,山东在30天左右;2012年是湿烟囱为特征的脱硫脱硝烟气排放范式改变的建设年,由于许多企业在进行技术改造,重雾霾天数变化不大,但轻雾天数开始暴增;2013年至今,包括霾、雾和轻雾的能见度较低的天数开始暴增,且一直在200-300天(山东)的高位徘徊,是雾霾大爆发前的7-10倍,不包括轻雾的雾霾天数也连续两年翻番式暴升,北京之外的华北平原区域类似。这几年雾霾治理的成就,主要表现在重雾霾天数降低,PM2.5质量浓度下降50%。

根本原因:在所有导致雾霾天数暴增的原因中占比70%以上,区别于所有其他贡献很小的原因。

燃煤烟气治理:主要指电力和其它行业采用湿法脱硫、氨法脱硝的大型燃煤烟气治理设施,并非指散煤治理的气代煤、电代煤等零散措施。目前这类大型烟气治理设施大多已进行超低排放改造,但排放的可凝结颗粒物(CPM)和氨过量排放等,照样多到在新冠疫情导致其他经济活动近乎停滞时,仍雾霾频发。燃煤产生但不属于烟气治理技术缺陷的污染物,包括在CPM中。

燃煤(烟气治理):专门指出燃煤,是为了排除其它因素,如天然气、机动车尾气治理、建筑工地扬尘等其他污染源。

(燃煤)烟气治理:专门指出烟气治理,是为了排除煤炭燃烧量、煤炭燃烧技术、发电技术、建筑工地扬尘、机动车数量等其他变量或环节产生的污染。

缺陷:包括污染物排放治理的技术缺陷、标准缺陷和监管缺陷(或管理缺失)。

技术缺陷,如拆除或没有GGH的湿法脱硫使干烟囱全部变成湿烟囱,湿烟气产生大量可凝结颗粒物(CPM),脱硝过量喷氨导致的多种形式氨/铵排放,有水溶性盐的气溶胶或雾滴被机械携带,湿法脱硫的湿烟羽中形成超细颗粒物等,都属于燃煤烟气治理技术缺陷导致。

标准缺陷,如过低的氮氧化物排放标准导致过量的喷氨,最终通过氨/铵等以多种形式排放到大气中。在雾霾爆发时,严格管控氮氧化物排放而导致过量喷氨,过量氨/铵排放导致更严重雾霾,陷入“死循环”。超低排放要求的过低二氧化硫排放标准,也值得商榷。中国北方属于挥发性有机物(VOCs)控制区,过低的氮氧化物排放标准,导致其过快下降,也导致夏季臭氧浓度升高。

监管缺陷(或管理缺失),二氧化硫、氮氧化物、烟尘等常规污染物(简称常规污染物)治理以酸雨为目标,其治理过程中次生CPM、氨/铵过量排放等污染物,导致危害更大的雾霾。监管只关注三项常规污染物及后来加入的VOCs,忽略了次生污染物对雾霾形成的显著影响,疏于对最重要的污染物管理。除了上面提及的CPM、氨排放外,不受限制的水蒸气排放,会加剧低温季节的相对湿度:不受限制的高空热排放会加剧逆温环境的形成;这两项监管缺陷会加剧低温季节时高湿、静稳气象条件的形成,导致雾霾更早、更多、更严重的发生。另外,广泛使用的冷却塔产生的溶解固相物排放,尤其是采用中水、海水、苦咸水、含盐废水作为补充水,为提高节水率而显著提高循环水浓缩倍率的情况下,也向大气提供了可观的氯离子排放量,氯离子本身就是大气中PM2.5无机盐的重要组成部分。同时,氯离子和氮氧化合物形成的硝酰氯,参与大气中的光化学反应,形成氯自由基,对臭氧形成作用显著。

总之,如果没有燃煤烟气治理多种缺陷造成的非常规污染物的无控制排放,雾霾不会大暴发,也不会持续到现在。

二、2013年中国北方暴发大雾霾并持续至今,是可以确认的事实

首先简要梳理一下电厂和工业燃煤烟气治理的演变过程。

1、2001-2006年:PM2.5质量浓度与煤炭消费量同步上升阶段,PM2.5、二氧化硫、氮氧化物等迅速上升

在这一阶段,随着中国加入WTO,经济快速发展,煤炭消费量快速上升。而PM2.5质量浓度,根据卫星灯光数据和专家数据,也近乎同步迅速上升。卫星捕捉到的华北平原的霾,也从淡淡的霾逐渐变为浓重的霾。2006年成为二氧化硫、烟尘、PM10、PM2.5的峰值年。

由于没有相应的烟气治理措施,煤炭消费在这一阶段与PM2.5质量浓度有很强的因果关系,并同步增长。这一阶段抓控煤的话,就能够明显遏制PM2.5质量浓度的增长。

2、2007-2012:PM2.5质量浓度与煤炭消费量脱钩阶段,脱硫除尘电价加价政策起了决定性作用

2007年开始,脱硫除尘电价加价政策作用显现,二氧化硫排放量大幅度下降,卫星灯光数据推算和专家推算的PM2.5质量浓度不再伴随煤炭消费量的上升而上升,而是进入徘徊中逐渐下降的通道。实现这个脱钩,应该说是很重要的胜利。

如果2006年的趋势继续下去,以能见度为代表的雾、霾天数增加,也应该会很快到来,尽管可能与现在的雾霾性质不同,导致的原因不同,更可能是渐变,而不是突变。

这一阶段PM2.5质量浓度与煤炭消费量已经脱钩,抓控煤对遏制PM2.5质量浓度的增长已经开始没有多大效果。

图片1.png

图1煤炭消费量与PM2.5质量浓度的变化趋势

(图1中PM2.5排放量系根据贺克斌院士图截取的全国数据,煤炭消费量为山东省数据,2000-2006年二者同向变化,2006年之后二者脱钩。山东省PM2.5排放量或质量浓度变化趋势与全国的类似)

3、2013至今:雾霾大暴发并持续阶段,霾、雾和轻雾天数高位徘徊,尽管重雾霾天数下降,PM2.5质量浓度下降50%

进入2013年初,雾霾在华北平原大暴发。2013年1月北京连续25天雾霾。国内外新闻媒体记录了大雾霾的可怕情形。最大的几次雾霾弥漫多个省,横跨上千公里。

这一阶段抓控煤,对PM2.5质量浓度下降50%没有多大贡献,因为上一阶段就脱钩了。散煤治理对PM2.5质量浓度下降应该是作用不小,但散煤燃烧量相对较小,在雾霾大暴发前可能更多,不可能导致雾霾大爆发。

4、以山东为例,2013年和2014年霾和雾的天数连续两年翻番式暴升,能见度低的总天数在雾霾大暴发之后至今没有多少下降

图片2.png

图2山东省雾霾天数变化趋势

(图2为几个典型时间段霾和雾日数平均值。2012年后不包括新设的轻雾日数,2011年前为人工观测值,包括能见度小于10千米的轻雾天数)

如果考虑雾霾大暴发后新定义的轻雾(相当于雾霾大暴发之前的雾或霾)天数,2012年后最高年份相当于2001-2011年霾、雾平均天数的10倍暴升,令人难以置信,且持续至今,没有大的下降。

5、铁腕治霾取得一些成绩,但雾霾至今依旧,只是蓝天有所增加,重雾霾天数有较大下降,PM2.5质量浓度下降50%

华北平原在经过8年的铁腕治理后,在超低排放改造、停产限产、大量关闭小散乱污企业、气代煤电代煤等治霾措施下,重雾霾天数有较大下降,PM2.5质量浓度下降50%。只是强调后两者数字变化作为大气治理的成绩,看不到令人难以置信的能见度低的霾、雾和轻雾(轻霾)天数高位徘徊,会导致重大的决策失误。

在北京以外的华北平原城市,在高楼或视野开阔的其他地方,看远处灰蒙蒙是常态。只有在雨雪或大风、降温之后才有几天能见度高的蓝天白云,才似乎回到了雾霾大暴发之前。

6、以雾霾频发为表征的环境容量大幅降低,是由于非常规污染物浓度和排放量暴升,而常规污染物排放同期大幅度下降,二者由于烟气治理设施的缺陷而成为表面上的因果关系

图片3.png

图3环境容量大幅降低的真实原因,是非常规污染物浓度暴升

(图3为山东省不考虑2012年后轻雾的雾霾天数,2013年、2014年连续两年翻番式上升,以雾霾天数衡量的污染物排放量是大气环境容量的4倍。如果以超细颗粒物的数浓度暴升来衡量,可能是成百上千倍。这里假设在雾霾大暴发之前污染物排放与环境容量基本持平。如果考虑轻雾天数,上述4倍可能变为8倍,这是需要关注的重点)

取消或不设GGH后,干烟气排放变为湿烟气排放,加上脱硝的过度喷氨,造成雾霾天数大约从30天暴升到120天,加上轻雾天数会更大很多。这相当于技术失误导致致霾污染物大大增加,环境容量相对大大缩小,雾霾暴发。而常规污染物则是大幅度下降,与雾霾大暴发成反向相关关系。

7、在非常显著的突变发生前后寻找突变的原因,远比在雾霾大爆发后的环境中寻找细枝末节的改变容易,种种原因导致错失了快速发现问题的机会

霾、雾天数四倍或N倍暴升,且持续若干年,这是典型的突变,应该很好找到原因。

相对几倍的变化,所有能想到的常规变量变化都相对缓慢。剔除缓慢变化的因素,就可以锁定突变因素,确认是否为雾霾大暴发的根本原因。但是,人为原因造成的缺少2012年之后气象部门发布的霾和雾的天数,以及缺少2013年之前环保部门早就安排若干课题监测的PM2.5数据,错失了通过明显的突变寻找雾霾成因的极好机会,导致雾霾持续暴发到现在。

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