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脫硫脫硝的技術(shù)悖論與霧霾的有效治理

日期：2017-07-17　

【概要描述】

（本文基于拋磚引玉的想法，歡迎批評指正。原創(chuàng)作品并由公眾號“霧霾治理與生態(tài)優(yōu)化”首發(fā)，轉(zhuǎn)載需注明出處，有批評建議請聯(lián)系本公眾號或微信號：xu1840）

治理霧霾，黨和國家高度重視，如2017年4月26日國務(wù)院常務(wù)會議“集中攻克霧霾成因，堅決打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”。

2016年冬天，環(huán)保部采取了嚴(yán)格措施，河北省通過調(diào)度令對重點行業(yè)實施調(diào)控停產(chǎn)，減排了非常多的污染物。但冬天的霧霾次數(shù)、面積、持續(xù)時間、嚴(yán)重程度都超過上年度。最近7月初“桑拿天”的PM2.5數(shù)據(jù)同比高于往年，更有統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示6月份有半數(shù)城市的PM2.5同比轉(zhuǎn)差。

幾十年來國內(nèi)外專家對霧霾的研究很多，為什么今年總理還說：“如果有科團(tuán)隊能夠把霧霾的形成機(jī)理和危害性真正研究透，提出更有效的應(yīng)對良策，我們愿意拿出總理預(yù)備費給予重獎！這是民生的當(dāng)務(wù)之急啊。我們會不惜財力，一定要把這件事研究透！”。

本質(zhì)原因就是傳統(tǒng)脫硫脫硝技術(shù)的悖論，治理到某種程度后實際效果會迅速遞減，甚至?xí)霈F(xiàn)負(fù)面效應(yīng)。

一、西方霧霾治理技術(shù)的宏觀悖論：

研究西方發(fā)達(dá)國家治理霧霾的歷史，可以發(fā)現(xiàn)其成功的最關(guān)鍵因素是產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，而不是技術(shù)。

如果通過技術(shù)、法律、行政管理、道德等綜合手段能徹底解決霧霾，西方發(fā)達(dá)國家就不會大量的向發(fā)展中國家（包括中國）轉(zhuǎn)移污染產(chǎn)業(yè)，其空氣質(zhì)量也不會直到1990年代才真正好轉(zhuǎn)。

還有兩個例子值得注意：德黑蘭基本上是天然氣，但霧霾也很嚴(yán)重；南非去工業(yè)化的環(huán)境治理模式，使國家經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)陷入倒退。

對此，我國科技界早有論斷，如原環(huán)保部陳吉寧部長在2011年曾用“單位土地第二產(chǎn)業(yè)增加值”來表征經(jīng)濟(jì)增長帶來的環(huán)境壓力，對國內(nèi)外的分析比對發(fā)現(xiàn)，如果沒有“十倍”的技術(shù)進(jìn)步的話，那今天所有復(fù)制歐洲和美國的治理模式都將很難成功。

我國人口眾多，能源結(jié)構(gòu)以煤為主，排放強(qiáng)度是西方最高峰值的2-3倍，經(jīng)濟(jì)穩(wěn)中求進(jìn)的要求，決定了不能重蹈南非去工業(yè)化道路的覆轍，也不能復(fù)制西方產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的模式。

二、傳統(tǒng)脫硫脫硝技術(shù)的微觀悖論：

傳統(tǒng)脫硫脫硝技術(shù)片面注重了二氧化硫、氮氧化物的減少，沒有重視所有物料的轉(zhuǎn)化與物料平衡，特別是向空氣中排放的物質(zhì)。主要技術(shù)悖論如下：

1、濕法脫硫包括石灰石膏法、鈣法、雙堿法、鎂法、氨法等，向空氣中增加了大量的液態(tài)水和超細(xì)顆粒物排放。

（1）、實際案例：石灰石膏法的煙囪附近的石膏雨現(xiàn)象普遍，沒有落地的石膏雨就會成為空氣中的超細(xì)顆粒物。

（2）、物料平衡的理論計算與實際的差距，過于專業(yè)，不展開論述了。

（3）、空氣的PM2.5檢測出大量硫酸鹽。如果對空氣中的超細(xì)顆粒物PM1甚至0.5進(jìn)行檢測，硫酸鹽將會更多。

（4）、石灰石膏法從國外引進(jìn)初期均有GGH煙氣再熱裝置，后因大量堵塞而全部取消，試想一下，過去堵塞的物質(zhì)去哪里了？當(dāng)然是空氣中，并且水蒸發(fā)后的可溶物全部變成超細(xì)顆粒物，有硫酸鹽、硝酸鹽、重金屬等其他鹽類。

2、脫硝包括SCR和SNCR脫硝，向空氣增加了大量的氨（銨鹽）和三氧化硫等排放。

（1）、脫硝（SCR工藝）增加三氧化硫是公認(rèn)的，程度不同而已，一般會使煙氣中三氧化硫增加50%以上。

（2）、作為脫硝原料的氨很容易與二氧化硫、三氧化硫、二氧化氮等酸性氣體形成銨鹽，并且是氣溶膠形態(tài)的銨鹽為主，在后續(xù)的濕法脫硫階段很難去除。

（3）、理論上，氨與氮氧化物的反應(yīng)需要嚴(yán)格的溫度控制，并且同時在催化劑表面才能產(chǎn)生，化學(xué)反應(yīng)條件很苛刻，而幾百PPM濃度下的反應(yīng)更難，產(chǎn)物、副反應(yīng)產(chǎn)物、原料（氨和氮氧化物）等均會大量存在于體系中。

現(xiàn)有常用儀器檢測的結(jié)果不一定能反映出脫硝化學(xué)反應(yīng)的各物質(zhì)真實情況，需要更可靠的分析手段。

（4）、宏觀的實際效果方面，對空氣中酸堿性的權(quán)威研究表明，美國的空氣偏酸性，而我國空氣偏中性。以環(huán)保部公布的我國每年排放二氧化硫和氮氧化物各2000萬噸為基準(zhǔn)，這么多酸性氣體還使空氣呈現(xiàn)明顯的偏中性特征，需要多少氨基本上是可以理論推算出來的。

這么多的氨從哪里來？農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、生活廢水處理、垃圾填埋等都會產(chǎn)生，但更多的是來自于脫硝的氨（銨鹽）逃逸，冬天后者比例更高。

上述因脫硫脫硝而新增加排放到空氣中的物質(zhì)，準(zhǔn)確評價其對霧霾的貢獻(xiàn)，就可以發(fā)現(xiàn)技術(shù)悖論的最直接證據(jù)。

三、脫硫脫硝新增加的物質(zhì)對霧霾的貢獻(xiàn)：

正常氣象是空氣離地面越高溫度越低，每升高100米溫度下降約0.6℃（霧霾高度約350米），地面熱空氣不斷向上升騰，將污染物擴(kuò)散到高空。反之就是逆溫層，這時垂直方向的空氣對流運動減弱甚至停滯，容易形成霧霾。

1、液態(tài)水和超細(xì)顆粒物既增加了逆溫層形成的風(fēng)險，又增加了氣溶膠形成的可能性，對霧霾的貢獻(xiàn)較大：

（1）空氣中的液態(tài)水氣化，不僅使近地氣溫下降，還大量增加了空氣濕度，水中的可溶物更形成超細(xì)顆粒物。

（2）超細(xì)顆粒物是氣溶膠的凝結(jié)核，顆粒越小數(shù)量越大，納米級更有紫外光催化活性作用，促進(jìn)臭氧和二次污染物的生成；還能吸收空中紅外線形成空中加溫現(xiàn)象。

2、三氧化硫，強(qiáng)酸性氣溶膠形態(tài)，很容易吸收水分和氨，在空氣中形成PM2.5，對霧霾有貢獻(xiàn)。

3、氨（銨鹽）不僅對霧霾有直接貢獻(xiàn)，更有化肥特性，容易導(dǎo)致微生物的爆發(fā)式繁殖，形成嚴(yán)重霧霾：

美國馬里蘭大學(xué)的研究表明，過量的氨形成富營養(yǎng)化的氣氛，讓懸浮顆粒漂浮在空氣中，是霧霾的主要貢獻(xiàn)者。

同時，氨及銨鹽是化肥，溶解于氣溶膠會形成有水有肥的小氛圍，促進(jìn)空氣中微生物繁殖導(dǎo)致霧霾。

脫硝過程中本來就有氨（銨鹽）逃逸，冬天霧霾嚴(yán)重時啟動應(yīng)急預(yù)案，為了降低排放指標(biāo)，普遍加大噴氨量，更多的氨（銨鹽）反而加重空氣營養(yǎng)化，形成惡性循環(huán)。這是2016年冬天霧霾比上年度更嚴(yán)重的最主要原因。

四、現(xiàn)階段霧霾成因的微觀分析：

從物質(zhì)角度看有下列因素：粉塵煙塵類、二氧化硫、氮氧化物、VOC、臭氧、近地空氣中液態(tài)水及氣態(tài)水、硫酸鹽、氨（銨鹽）、硝酸鹽、微生物等。

采用對比法和排除法，現(xiàn)階段霧霾有其特殊性，重點在于找到主要矛盾和矛盾的主要方面。

1、空氣中的微生物在有水有肥的情況下爆發(fā)式繁殖導(dǎo)致嚴(yán)重霧霾，這是現(xiàn)階段霧霾的最主要成因。

有研究表明空氣中微生物上千種，微生物是結(jié)構(gòu)簡單、繁殖快、分布廣、個體最?。{米、微米級）、適應(yīng)性強(qiáng)的生物，有些在0℃以上就可以不同速度的繁殖。

冬季寒冷干燥的空氣中微生物活力低，使空氣中的氨、銨鹽、硝酸鹽不斷積累，當(dāng)氣溶膠形成條件適合時，有水有肥的微環(huán)境導(dǎo)致微生物爆發(fā)式繁殖，大面積霧霾一夜之間突如其來；而一夜之間快速消散的原因是高空冷空氣下沉使空氣濕度降低，氣溶膠減少且微生物不再繁殖，并不是污染物被風(fēng)吹跑，而且風(fēng)速也不可能一夜之間千里之遠(yuǎn)。

還有兩個間接證據(jù)：霧霾嚴(yán)重時PM10數(shù)值迅速變大，現(xiàn)實中沒有PM10排放突增的可能性，原因主要是微生物繁殖后尺寸變大，這也是嚴(yán)重霧霾時視覺效果差的關(guān)鍵因素之一；近年空氣中銨鹽和硝酸鹽含量很高，但是嚴(yán)重霧霾時對顆粒物采用掃描電鏡的觀察，反而很少發(fā)現(xiàn)銨鹽和硝酸鹽（主要是因微生物繁殖而消耗）。

2、液態(tài)水、超細(xì)顆粒物容易導(dǎo)致氣象異常，而氣象異常加重污染從而引發(fā)霧霾，這是現(xiàn)階段霧霾的主要成因。

冬天更容易形成逆溫層（低處因液態(tài)水氣化而降溫，高處因超細(xì)顆粒物的陽光加溫效應(yīng)而升溫），逆溫層加重污染和霧霾，霧霾再加劇逆溫層，惡性循環(huán)，必須有冷空氣才能打破循環(huán)，俗話說“等風(fēng)來”。

3、污染物排放總量過大，包括二氧化硫、氮氧化物、VOC

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