雾霾的成因及治理技术浅析

刘伟东，崔定军

（苏州协昌环保科技股份有限公司，江苏 苏州 215222）

雾霾的成因及治理技术浅析

刘伟东，崔定军

（苏州协昌环保科技股份有限公司，江苏 苏州 215222）

燃煤工业生产过程会产生大量烟尘，但目前该行业普遍采用的除尘和脱硫脱硝系统中却缺失一个关键环节，即在脱硫塔后没有采取任何控制措施，造成脱硝过程产生的过量SO3和脱硫过程产生的微细颗粒直接排放并形成二次污染，是雾霾形成的重要原因。WEV技术集除尘与气体洗涤为一体，在同一过程中可除去细微颗粒及气体中的SO3，确保排放气体干净，在经济上和技术上，都是治理雾霾的有效方法之一。

雾霾；治理技术；气体洗涤

1 雾霾的影响

近年来，雾霾污染日益严重，已成为举国关注的大事。如何治理雾霾引发的“生态灾难”也成为国家急需解决的难题之一。解决雾霾问题的首要步骤是需要对其形成的原因进行全面深刻的研究，即要找出形成雾霾的所有原因。目前，人们对雾霾形成的原因，大多还只是停留在汽车、飞机的尾气排放，工业燃烧排放以及建筑工地灰尘，露天烧烤等表面现象。除此之外，是否还有其他原因则需要做进一步调研。国内有不少专家在公开场合表示：大范围雾霾天气的“祸首”—细颗粒物（PM2.5）与工业企业、发电站和供热厂的燃煤关系密切。地球空气的净化，一直是靠大气降水实现的。通过水循环，即水汽蒸发、输送、集汇、凝结，成云致雨降落地面的过程，将大气污染物全部净化干净。目前城市高楼林立，近地面以静稳天气为主，大气层低空的空气运动受到限制，大气扩散条件非常差，不利气象条件造成污染物持续累积，而PM2.5等雾霾微粒是很好的凝结核，在空气相对湿度增加的条件下，大气颗粒物吸水膨胀，导致空气污染持续累积，雾霾天气也就难免。目前我国每年消费的煤炭数量高达近40亿吨，占世界总量的1/2。同时根据中国煤炭工业协会初步研究预测，到2020年中国煤炭消费量将达48亿吨左右，且在未来较长的时期内，煤炭仍将是我国的主体能源。为应对这一趋势，必须发展清洁燃煤技术及设备。

2 雾霾形成的重要原因

燃煤中包含的元素有碳、氮、硫和少量的水银等重金属。燃煤工业的主要污染产物有SO2、NOx、SO3、重金属（Hg等）和粉尘等。燃煤的主要污染形式如下表所示。针对燃煤工业，目前已有很多处理技术和环保设备防止灰尘和酸性气体向大气中排放。为了治理燃煤对空气的污染，需要设计一个控制多污染物的高科技环保系统。

燃煤的主要污染形式一览表

目前的燃煤烟气处理系统包括脱硝、脱硫和除尘等设备，其中脱硝利用SCR和SNCR降低NOx的排放量，但这个过程可能增加SO2进一步氧化成SO3，且SO3难以在后续的脱硫过程中除去。而SO3的浓度达到5～10ppm时，就会形成不引人注意的二次酸雾。酸雾的主要成分是酸性悬浮微粒，硫酸氢胺及其它的化学反应生成物也夹杂其中。没有清理这个污染的后续过程，也是导致雾霾形成的重要成因之一。

现代的脱硫技术（除去SO2）有湿法和干法的烟气脱硫（Wet and Dry FGD）。对于含硫量较低的燃煤应用，干法FGD可使用SDA（干喷吸收法）、CDS （循环干洗涤法）和DSI（干吸收剂注入法）等，这些方法的优势是在脱硫装置之后，大都安置了高效的除尘装置—袋式除尘或静电除尘系统，是烟气进入烟囱的最后一关，因而可确保烟气排出的颗粒灰尘浓度（即PM2.5）在很低的范围内，常用干法烟气脱硫设计系统如图1。目前在脱硫设备中占绝大部分的是湿法的FGD，特别是在燃煤含硫量大于2%的工况下，由于湿法FGD在总体投资及费用上优于其它方法，所以我国在很多含硫燃料的脱硫应用中都使用该方法。通常使用的湿法石灰石烟气脱硫和同时强制氧化的脱硫并生成石膏的化学反应表达为：

整个脱硫过程从热的烟气进入脱硫塔开始，烟气与石灰石喷射的水浆反方向流动，且烟气将被石灰石水浆冷却达到水蒸汽饱和。在这个过程中，烟气中的SO2与石灰石（CaCO3）反应生成亚硫酸钙CaSO3·1/2H2O并被除去，同时强制氧化反应将此生成石膏 （CaSO4·2H2O）。针对大部分应用这个方法的系统，脱硫效果可达98%。然而这个方法目前在国内使用系统中可能会造成大量的PM2.5排放，因为后续没有进一步去除的措施，从而成为雾霾形成的另一重要原因。典型的湿法FGD脱硫装置和脱硫系统设计如图2。

（一）干法FGD的典型系统设计

图1 脱硫系统常用设计

图2 湿法FGD的典型设计

分析脱硫塔的组成和整个烟气脱硫和除尘系统：首先为了脱硫效果好，石灰石水浆需要由喷嘴逆烟气方向喷入，产生微小的液珠，同时热的烟气会使微小液珠的表层蒸发一些，产生更细小的液珠，这些液珠会被向上流动的烟气夹带向上流出。为了防止大量的石灰石水浆液珠流出，在脱硫塔的顶部设置有除雾器。但即使采用最有效的除雾器装置，由于除雾效果公认的是平均在液珠直径大于25微米时才可以有效除去，在实际使用中可能会比这个数据更差，因此该类脱硫装置会产生大量的PM2.5级的细颗粒，而且毫无控制。目前国内绝大部分的燃煤电厂、水泥厂和钢厂等，烟气都是经脱硫后直接进入烟囱排入大气。更严重的是，这个生成石膏粉的反应可能仍在进行中，这都将会对PM2.5的排放造成影响。

综上，目前的脱硫、脱硝技术虽都在很大程度上减少了酸性气体的排放，对减少酸雨的污染起到了很大的作用，但同时却增加了SO3和PM2.5的排放，因而这两者也都是雾霾形成的主要原因之一。

3 雾霾的治理建议方案

PM2.5和SO3排放是形成雾霾的关键因素，治理雾霾就是要减少PM2.5和SO3的排放。细微粉尘和准细微颗粒（由SO3与水蒸汽结合形成的H2SO4酸雾）是燃煤排放的最大污染。SO3可以用一些碱性化学原料（如氧化镁、氢氧化钙、氨水、碱等）洗涤去除。污染颗粒可以由静电除尘器或袋式除尘器去除。但由于脱硫后烟气的含水量很高，因而该两种除尘设备都不方便使用。目前在西方国家有采用湿法静电除尘（WESP）作为烟气排放至烟囱前的最后一级装置，但这种技术不仅一次投资高，运行成本也很高，运行中还存在材料腐蚀、污染物易残留在电极上造成设备除尘性能下降、排放浓度增加等技术问题。围绕WESP技术，仍有很多研究在进行，而且都各具优缺点。目前较流行的一种烟气处理系统如图3。但针对国内已建设的烟气脱硫系统， 很难在烟尘排放进入烟囱前再增加一个大型除尘设备，因为进行这种改造，无论在厂房空间和投资预算上都有很大的困难。为消除雾霾，开发一种能去除多种污染物且经济可靠的烟气处理系统势在必行，

针对具体情况，加拿大沃森环保科技公司（Watson Process Systems）结合多年在气体净化处理和燃煤脱硫脱硝领域中的技术和经验积累，设计出既可以除去细微颗粒PM2.5甚至更细的微粒，同时可以除掉SO3和重金属（Hg2+）的WEV洗涤系统。早在20世纪90年代初，WPS公司就开发并使用该技术，在很多领域成功解决了同时进行除尘和去酸或碱性气体，形成了独特设计的产品 WEV（Watson Enhanced Vortex）沃森强化涡式洗涤系统。

图3 目前较典型的烟气处理系统

WEV洗涤系统是一种压力降驱动的洗涤过程，其使用独特的原理高效捕获颗粒和酸性气体。在烟尘入口处的设计可引导气体局部高速旋转，与安装在塔内的固定叶片一起造成塔内中心真空的高速旋转涡流，将塔底的洗涤液吸起并破碎成小液滴，即叶片雾化设计；利用离心力使雾滴从气流中分离，洗涤雾滴在分离室内被聚集，并在分离器内破碎并排出。这个过程吸附了需被除去的气体成分和微细颗粒及重金属颗粒，并随液滴一起分离出去。洗涤液滴在WEV室内的形成分布如图4所示。该设计在气动洗涤功效上可通过简单的操作进行适当的调整。

图4 WEV内洗涤液的液滴形成和分布区域示意图

WEV洗涤系统的优点有：1）洗涤颗粒的直径范围广，灵活设计使设备可在运行过程中通过调整压力降来调整除尘的范围和效率；2）液体雾化不需要喷嘴；3）无可移动部件；4）在相同塔内具备多样性的处理方法；5）在设计好的塔内更易更新。

WEV洗涤系统可以直接连接系统风扇和烟囱并包括除雨装置。烟气在WEV系统内完成三个过程：气体冷却到饱和湿度、粗颗粒通过潮湿气旋被去除、细微颗粒物及酸雾在旋转液滴云中被去除。典型WEV的现场安装情况如图5。

图5 WEV现场安装状况

WEV系统作为燃煤烟气处理系统的最后一级，设计保证PM2.5甚至粒径小于2.5μm的微粒的去除效率达到95%以上。且同时可除去SO3和重金属污染微粒。这项技术的推广使用可大大降低形成雾霾的PM2.5和SO3，以及重金属的排放。

[1] Cooper，C.D.and Alley，F.C.，Air pollution Control:A design approach, Waveland Press Inc.，Long Grove，IL，USA 2011.

[2] Moretti，A.L.and Jones C.S，Advanced Emissions control Technologies for Coal-Fired Power Plants，Babcock & Wilcox Power Generation Group Inc., Barberton，OH，USA 2012.

[3] Altman W., Control Of Sulfuric Acid Mist Emissions from Coal-Fired Boilers, Power Gen, 2002.

[4] Henningsgaard，R.and Lynch,S,Summary of Wet ESP Operation at NSP’s Sherco Station，4th International Conference on Electrostatic Precipitation，1997.

[5] Caine J.and Shah H，Membrane WESP- A lower cost Technology to reduce PM2.5，SO3and Hg2+Emissions，2012.

声 明

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《中国环保产业》编辑部

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