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PM2.5祸首:大气中这么多硫酸盐颗粒物从哪来

2017年10月17日 08:15 来源于 财新网
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京津冀地区大气污染治理,现在的主战场只有两个,一个是大幅度去除湿法脱硫排放的硫酸盐,第二个主战场是冬季散煤采暖的烟气治理
陶光远
陶光远,财新网“未来能源”专栏作家。1979年本科毕业于陕西机械学院(现西安理工大学)自动控制专业,1983年获清华大学系统工程专业硕士学位。后在中国科学院应用数学研究所工作,并在国家经委(现国家发改委)综合运输研究所兼职。1988年赴德国,在柏林工大进修学习,曾任在纽伦堡的德中经贸合作中心副总经理。2009年获“欧洲能源管理师”证书,并受“欧洲能源管理师”全球培训联盟委托担任中国培训项目负责人。2011年10月起,在德国能源署(dena)与中国可再生能源学会合作成立的中德可再生能源合作中心担任执行主任职务。

  【财新网】(专栏作家 陶光远)原来,大气中的PM2.5(粒径小于2.5微米的颗粒物)主要来自于化石能源燃烧直接产生的颗粒物,罪魁祸首是燃煤。

  但是,现在专家和环保部门都确认,硫酸盐颗粒物已经成为PM2.5中的第一大组成部分。在非采暖季,硫酸盐颗粒物在大气PM2.5中的比例平均为2/3左右;而在采暖季,硫酸盐颗粒物在大气PM2.5中所占的比例平均为1/3左右。但化石能源燃烧并不直接产生硫酸盐,那么,大气中这么多的硫酸盐颗粒物到底是从哪里来的?

  有一些专家认为,大气中这么多的硫酸盐颗粒物主要是由大气中的二氧化硫与氨气合成的。而氨气主要是农业使用的氮肥在部分挥发后排放的。

  但是:

  中国自2013年大规模开展大气污染治理以来,大规模安装燃煤烟气处理装置,除尘脱硫,二氧化硫在大气中的浓度大幅度下降,如下图所示,从2014年到2017年大气中的二氧化硫,在北京市下降了2/3左右,在邢台市下降了1/2左右。

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空气中二氧化硫的平均浓度(微克/立方米)

  农业种植业使用的氮肥在分解过程中产生的氨气,是大气中氨气的主要来源。但是从2013年至2016年,中国主要的氮肥——尿素的产量总体略有下降。

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  既然大气中的二氧化硫大幅下降,产生氨气的主要来源尿素的用量也是下降的,那么,在大气中由二氧化硫和氨气合成的硫酸盐颗粒物,就应该大量下降,遑论上升。

  如果在大气中合成的硫酸盐颗粒物大量下降,那么是谁把这么多的硫酸盐颗粒物排放到大气中的?答案只有一个:脱硫工艺。只有湿法脱硫工艺能够合成如此大量的硫酸盐颗粒物并排放到空中。而恰恰在2013年至2016年,中国安装了大量的燃煤除尘脱硫设施。中国的绝大部分烟气脱硫设施采用湿法脱硫工艺。(注:小汽车、散煤采暖和几乎所有的小散乱污企业的燃煤锅炉和窑炉都没有脱硫设备,因此向大气中排放的硫酸盐极少。带有脱硝设备的大型柴油车向大气中排放的硫酸盐的总量很少。)

  关于湿法脱硫合成硫酸盐颗粒物这个题目,有很多文章做过阐述。我找到了2017年9月27日在国网能源研究院主办的《中国电力》上李朋(华北电力科学研究院)等人发表的文章,《湿法脱硫工艺对电厂烟气颗粒物排放的影响研究》。这篇文章公布的对脱硫前后颗粒物分析的结果表明:

  在脱硫之后,粒径>2.5微米的颗粒物减少了约94%,粒径为1~2.5微米的颗粒物减少了约76%,粒径为0.5~1微米的颗粒物减少了约54%。

  但是,在脱硫之后,粒径为0.2~0.5微米的颗粒物却增加了约63%,而粒径<0.2微米的颗粒物则增加了约6%;粒径<0.5微米的颗粒物在脱硫之前,仅占颗粒物总排放量的约28%,在脱硫之后却增加到了约68%。

  上述文章建议,在脱硫系统出口增设湿式静电除尘装置。但是,颗粒物的粒径越小,湿式静电除尘装置对其去除效果就越差。原因是,颗粒物的粒径越小,其单位质量的表面积就越大,被静电吸到极板上在空气中运动时的空气阻力就越大。因此,湿式静电除尘装置对粒径较小的颗粒物的去除效果比对粒径较大的颗粒物的去除效果要差。

  而在大气中,同样质量的颗粒物,粒径越小,颗粒量就越多,在空中漂浮的时间和距离就越长。

  另外,补充一个信息: 2015年与1990年相比,德国大气中氨气的平均浓度仅仅下降了4.3%,而PM2.5却下降了48.9%;德国现在大部分地区的PM2.5年均浓度为10至15微克/立方米,最高的几个城市,如柏林、哈勒、斯图加特等城市,也不超过20微克/立方米。降低大气中氨气的浓度非常难。如果指望通过降低大气中氨气的浓度来治霾,到2050年中国京津冀地区的霾也治不了。

  结论:京津冀地区大气污染治理,现在的主战场只有两个,一个是大幅度去除湿法脱硫排放的硫酸盐,第二个主战场是冬季散煤采暖的烟气治理。只要将湿法脱硫排放的硫酸盐颗粒物和冬季散煤采暖排放的颗粒物(主要是煤焦油和固体颗粒物)大幅度降低,或许可以将京津冀地区所有城市的PM2.5年均浓度降低到35微克/立方米以下。毕竟这个地区几乎所有的燃煤大烟囱都安装了除尘脱硫设备。

  作者为中德可再生能源合作中心(中国可再生能源学会与德国能源署合办)执行主任,本文数据根据公开资料整理。

责任编辑:张帆 | 版面编辑:张翔宇
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