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脫硫脫硝的技術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。原創作品并由公眾號“霧霾治理與生態優化”首發，轉載需注明出處，有批評建議請聯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日國務院常務會議“集中攻克霧霾成因，堅決打贏藍天保衛戰”。

2016年冬天，環保部采取了嚴格措施，河北省通過調度令對重點行業實施調控停產，減排了非常多的污染物。但冬天的霧霾次數、面積、持續時間、嚴重程度都超過上年度。最近7月初“桑拿天”的PM2.5數據同比高于往年，更有統計數據顯示6月份有半數城市的PM2.5同比轉差。

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

本質原因就是傳統脫硫脫硝技術的悖論，治理到某種程度后實際效果會迅速遞減，甚至會出現負面效應。

一、西方霧霾治理技術的宏觀悖論：

研究西方發達國家治理霧霾的歷史，可以發現其成功的最關鍵因素是產業轉移，而不是技術。

如果通過技術、法律、行政管理、道德等綜合手段能徹底解決霧霾，西方發達國家就不會大量的向發展中國家（包括中國）轉移污染產業，其空氣質量也不會直到1990年代才真正好轉。

還有兩個例子值得注意：德黑蘭基本上是天然氣，但霧霾也很嚴重；南非去工業化的環境治理模式，使國家經濟和產業陷入倒退。

對此，我國科技界早有論斷，如原環保部陳吉寧部長在2011年曾用“單位土地第二產業增加值”來表征經濟增長帶來的環境壓力，對國內外的分析比對發現，如果沒有“十倍”的技術進步的話，那今天所有復制歐洲和美國的治理模式都將很難成功。

我國人口眾多，能源結構以煤為主，排放強度是西方最高峰值的2-3倍，經濟穩中求進的要求，決定了不能重蹈南非去工業化道路的覆轍，也不能復制西方產業轉移的模式。

二、傳統脫硫脫硝技術的微觀悖論：

傳統脫硫脫硝技術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化與物料平衡，特別是向空氣中排放的物質。主要技術悖論如下：

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水和超細顆粒物排放。

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

（2）、物料平衡的理論計算與實際的差距，過于專業，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顆粒物PM1甚至0.5進行檢測，硫酸鹽將會更多。

（4）、石灰石膏法從國外引進初期均有GGH煙氣再熱裝置，后因大量堵塞而全部取消，試想一下，過去堵塞的物質去哪里了？當然是空氣中，并且水蒸發后的可溶物全部變成超細顆粒物，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，并且是氣溶膠形態的銨鹽為主，在后續的濕法脫硫階段很難去除。

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

現有常用儀器檢測的結果不一定能反映出脫硝化學反應的各物質真實情況，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威研究表明，美國的空氣偏酸性，而我國空氣偏中性。以環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，這么多酸性氣體還使空氣呈現明顯的偏中性特征，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？農業、養殖業、生活廢水處理、垃圾填埋等都會產生，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，準確評價其對霧霾的貢獻，就可以發現技術悖論的最直接證據。

三、脫硫脫硝新增加的物質對霧霾的貢獻：

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、液態水和超細顆粒物既增加了逆溫層形成的風險，又增加了氣溶膠形成的可能性，對霧霾的貢獻較大：

（1）空氣中的液態水氣化，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顆粒物。

（2）超細顆粒物是氣溶膠的凝結核，顆粒越小數量越大，納米級更有紫外光催化活性作用，促進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象。

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

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

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

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，促進空氣中微生物繁殖導致霧霾。

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

四、現階段霧霾成因的微觀分析：

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

采用對比法和排除法，現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式繁殖導致嚴重霧霾，這是現階段霧霾的最主要成因。

有研究表明空氣中微生物上千種，微生物是結構簡單、繁殖快、分布廣、個體最小（納米、微米級）、適應性強的生物，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，當氣溶膠形成條件適合時，有水有肥的微環境導致微生物爆發式繁殖，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，并不是污染物被風吹跑，而且風速也不可能一夜之間千里之遠。

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

2、液態水、超細顆粒物容易導致氣象異常，而氣象異常加重污染從而引發霧霾，這是現階段霧霾的主要成因。

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

3、污染物排放總量過大，包括二氧化硫、氮氧化物、VOC