陶光远:重霾为何重返京城?

2018年11月19日 12:02
如果在11月14日的大气中PM2.5的主要成分是铵盐的话,天然气燃烧的脱硝工艺造成的氨逃逸可能是主犯。

图片来源:视觉中国

(作者系中德可再生能源合作中心执行主任,治霾专家。文章仅代表个人观点。)

从2018年11月12日起,北京的雾霾日重一日,14日达到顶峰,PM2.5日均浓度为223微克/立方米,达到了“严重污染”的级别。久违的重霾,为何重返京城?

当然,气象条件是决定大气质量的两个必要条件之一。去年冬季的大气质量显著改善,主要就是因为京城乃至整个京津冀地区几乎刮了一个冬天的北风。

决定大气质量的另一个必要条件就是大气污染源了。没有严重的大气污染源,气象条件再差也不会出现严重的大气污染。那么这次京城重霾的主要污染源来自于哪里?来自周边还是本地?来自于燃煤?燃气?还是机动车?

北京今日雾深霾重多条高速封闭,明日冷空气驱霾降温

我们先看一组测量统计数据:

11月14日当天北京市和周边的天津、廊坊、保定、张家口和承德的主要大气污染物均值(除了CO的单位为毫克/立方米外,其余为微克/立方米):

我们再看一下前两天的情况:

PM2.5的最高值出现在北京,但北京的SO2值却一直是最低的。而且北京的NOx与SO2的比值为14~19,远大于其它城市,与周边地区的空气成分差异很大。

眼盯着这组数据,得出“主要是周边地区污染北京”的结论,恐怕要有些想象力。

这里需要特别说明的是,尽管北京出现了重霾天,但是大气中二氧化硫的浓度很低,是个位数,要知道大气质量“优”的二氧化硫24小时平均浓度上限是50毫克/立方米;而在11月14日的这个重霾天里,北京大气中二氧化硫的浓度却只有4毫克/立方米,可以说这个指标是超级“优”,浓度如此之低的二氧化硫,在大气中合成的颗粒物肯定是微乎其微;这说明了北京市的绝大部分燃煤烟气要么因退煤消失,要么燃煤烟气得到处理。另外,氮氧化物的浓度也不高,在“良”的范围。说明燃气和燃油的氮氧化物排放也得到了有效的控制,尽管还有进一步改善的潜力。这说明了北京市绝大多数的燃煤企业,对治霾工作非常积极和认真,值得点赞!

尽管如此,重霾还是来了。北京有句俗话,皮裤套棉裤,必定有缘故。发生严重的污染天就一定有严重的大气污染源。可惜我拿不到北京市11月14日大气中PM2.5的化学组分,否则就能估计个八九不离十。现在就只能根据过去的信息,列举出可能的情景,并做原因分析了。

我曾经非正式地喵过一眼华北地区各个城市最近一两年来的PM2.5的组分。因为不是官方公开的数据,我看了一眼就有了犯罪感,更别说拷贝了。因此这里拿不出来具体数据,只能告知当时看完后做粗略分析得出的结果:

  1. 在PM2.5中,硫酸盐和硝酸盐是主要成分,而且其中主要是硫酸铵和硝酸铵。在非采暖季,硫酸盐和硝酸盐在PM2.5中占70%左右;在采暖季占50%左右。
  2. 在采暖季,有机碳和无机碳所占的比例明显增大。
  3. 铝和硅在PM2.5中全年所占的比例都很低。

现在让我们分析可能造成重霾的原因:​

1.是工地施工和道路扬尘造成的?

分析:工地施工和道路的扬尘中都有大量的铝和硅。既然PM2.5中铝和硅很少,工地施工和道路的扬尘在大气中PM2.5所占的比例肯定很小。建议以后别三天两头地让工地停工、给道路拼命洒水了。特别是冬天,给地上洒水结冰造成道路安全隐患。

2.是散煤采暖造成的?

分析:北京治理散煤花了很大的力气,前几年每年冬季400多万吨散煤采暖,要全部煤改气煤改电,估计要花300亿元左右,光储气库就得花几十亿元。现在储气库没完全建好,采暖季北京的气不够了就到全国要气,反正要到谁头上谁都得给。另外,气和电比煤炭贵多了,北京市散煤采暖的煤改气煤改电全部完成后,北京市政府每年得给煤改气和煤改电的家庭补贴几十亿,不过这是题外话了。现在散煤采暖改了多少?今年散煤采暖还要烧多少煤,还没有看到官方公布的消息。

有机碳和无机碳是典型的散煤燃烧产生的主要污染物。散煤对大气环境的污染程度,用有机碳和无机碳在大气中的浓度说话。燃气锅炉的烟气中基本没有有机碳和无机碳颗粒物,而在北京除了散煤采暖外,有烟气处理系统的燃煤锅炉几乎都装上了烟气处理系统(从北京市大气中二氧化硫的浓度可以得出此判断),排放的有机碳和无机碳很少。问题是:11月14日的PM2.5里有多大比例的有机碳和无机碳?

散煤燃烧不会产生硫酸盐和硝酸盐。如果在PM2.5里,硫酸盐和硝酸盐超过50%,则散煤采暖造成的污染就不是主要的。反之,散煤就是主要的污染源。我至今没有看到官方公布的信息。如果有,则答案就很明确了。

3.是小汽车尾气排放造成的?

分析:北京有500多万辆小汽车,每天要烧2000万升左右的汽油。北京在采暖季每天烧1亿立方米左右的天然气,其热值大约相当于1亿升左右的汽油。按热值计算,在采暖季北京的天然气燃烧量是汽油的5倍左右。如果燃气设备没有脱硝措施,仅有低氮燃烧措施,则燃气的氮氧化物总量会远远高于小汽车排放的氮氧化物总量。且不说北京有100多万台左右大部分没有低氮燃烧措施也没有脱硝措施的户用天然气采暖炉,冬季每天平均要烧10立方米左右的天然气,总计每天要烧1000万立方米的天然气,相当于要烧1000多万升汽油。

而北京的小汽车,大多数有尾气三元催化器,小汽车的氮氧化物排放要低于这些户用天然气采暖炉。因此,即便氮氧化物是产生PM2.5主要原因,在采暖季,小汽车排放的氮氧化物总量也会明显低于天然气燃烧排放的氮氧化物总量。小汽车直接排放的PM2.5很少,况且直接排放的那一点儿PM2.5里也没有硫酸盐和硝酸盐。

把这次重霾的原因归结到小汽车身上,很牵强附会。

4.是大型柴油机动车尾气排放造成的?

分析:柴油机排放的尾气中的颗粒物远高于汽油车,这是大家都清楚的。连德国大众公司都要对柴油机动车排放的颗粒物浓度造假,可见解决这问题的代价很大。北京每天有几十万台柴油大客车和载重车在运行,特别是那些重载卡车,直接排放不少的颗粒物。而且成分与散煤燃烧接近,也是有机碳和无机碳。不过,柴油车包括那些重型载重卡车,排放的PM2.5与散煤燃烧相比可就是小巫见大巫了。按照新标准的柴油车,尾气中的颗粒物只有几十毫克/立方米,比起既有散煤采暖炉几百毫克的燃烧烟气排放,要差以数量级。即便北京还剩十万户散煤采暖户,排放的PM2.5恐怕也比所有的柴油车加起来还要多。不过前提是,现在北京跑的柴油车,颗粒物排放符合新标准。

柴油车当然也排放氮氧化物,但在采暖季排放的氮氧化物恐怕也不会比燃气多。不过柴油车有一个值得怀疑的地方,脱硝!柴油车是采用SCR法脱硝,喷尿素水,掌握不好就会造成氨逃逸,逃逸的氨与尾气中残存的二氧化氮和二氧化硫结合,就会生成铵盐。以前中国柴油里的二氧化硫很高,达到800~2000ppm,不知现在有多高?不过铵盐合成的效率不会很高,因为合成需要水环境。柴油车排放的尾气温度较高,水雾不大,因此合成的铵盐有限。要让柴油车造成这么重的霾,勉为其难。

5.天然气燃烧排放的?

分析:这是最值得怀疑的“嫌犯”。北京市去煤采用的主要方法就是煤改气。燃煤电站改为燃气电站,大大小小的燃煤锅炉改为燃气锅炉。

北京市市区现在主要用天然气采暖。在采暖季天然气的用量是非采暖季的好几倍,所以全年使用的燃气灶和燃气热水器显然不是主要污染源。我们看一看北京采暖的天然气是怎么烧的?北京的采暖天然气主要有三种烧法:

燃气轮机+烟气余热锅炉:北京市有1000多万千瓦的燃气蒸汽联合循环发电机组。在采暖季,每天最多可烧掉5000万立方米左右的天然气,是北京冬季烧气的大户。燃气轮机的燃烧温度高达1500℃左右,氮氧化物产生的量与温度成正比,因此燃气轮机的尾气里有大量的氮氧化物,不得进行脱硝,要喷氨水。氨水喷少了氮氧化物降不下来,但喷多了会造成氨逃逸,逃逸的氨会与二氧化氮和二氧化硫(天然气中有少量残存的二氧化硫)在燃烧烟气的水雾中直接合成为颗粒物——硫酸铵和硝酸铵/亚硝酸铵。很遗憾,氨逃逸量与氮氧化物的排放量是呈反比的,要想让氮氧化物降下来,氨逃逸量就会升高,这是个矛盾。

燃气锅炉:据说现在北京市几乎所有的燃气锅炉都进行了低氮燃烧的技术改造。如果这些锅炉仅仅增加了低氮燃烧措施,而没有增加脱硝措施,则烟气中的氮氧化物排放会高一些,在100毫克左右/立方米。如果增加脱硝措施,要喷氨水或尿素水,会产生的问题上面已经说了。

户用天然气采暖炉。如前所述,北京有100多万台左右大部分没有低氮燃烧措施也不没有脱硝设备的户用天然气采暖炉,这些采暖炉会排放大量的氮氧化物。但是,不会排放硝酸盐和硫酸盐。

为了防止氨逃逸量过大,国际上对燃烧烟气中氮氧化物的排放上限采取了比较谨慎的做法。以德国为例:20MW(30吨)以下的燃煤小锅炉,氮氧化物的排放上限为400毫克/立方米;20MW(30吨)以上的燃煤锅炉,氮氧化物的排放上限为200毫克/立方米,最近正在改为100毫克/立方米;只有垃圾焚烧厂,排放上限最低,为100毫克/立方米。而中国的燃煤和燃气燃烧超低排放标准中对氮氧化物的排放上限定得特别低,50毫克/立方米。毫无疑问,氮氧化物排放上限的降低,不可避免地增加大氨逃逸的量。只是逃逸了多少,与烟气中的二氧化氮和二氧化硫结合,生成了多少铵盐,就是个谜了。

天然气燃烧中产生的氮氧化物由一氧化氮和二氧化氮组成。一氧化氮在空气中进一步氧化,就变成了二氧化氮。在大气中二氧化氮与碱性物质结合生成硝酸盐需要碱性物质。从PM2.5的分析中,可以得知生成硝酸盐的主要碱性物质是氨。空气中的氨主要是种植业施肥和养殖业的禽畜粪便产生的。不过在冬季,施肥少,气温低,因此种植业散发到空气中的氨比起在春夏秋很少,养殖业也不多。另外由于冬季干燥和气温低,氨与酸性气体的合成效率也比春夏秋要低得多。因此,冬季二氧化氮与氨在大气中合成硝酸铵/亚硝酸铵的量要远远低于春夏秋季。况且,从官方公布的大气污染物数值看,在11月14日大气中二氧化氮的平均浓度为75微克/立方米,在“良”的范围。大气中的二氧化氮不多,氨很少,在大气中的合成条件又很差。因此,在11月14日,各种污染源排放的氮氧化物当不是产生PM2.5的主因。

这样看来,如果在11月14日的大气中PM2.5的主要成分是铵盐的话,天然气燃烧的脱硝工艺造成的氨逃逸可能是主犯。

6.燃煤锅炉造成的?

分析:因为去年的天然气供应短缺,北京不得不重新启动了燃煤热电联供站,实现了我在三年前就预言过的北京大规模煤改气后必定有一天会气改煤。大型燃煤电站煤改气,弊端很大,因为燃煤电站的烟气污染排放减排的成本较低,天然气的价格是煤炭的3~4倍,中国又是一个天然气大量依赖进口的国家,无论从经济的角度还是从能源安全的角度,中国都应该尽量节约天然气的使用。

根据官方媒体报道,北京重新启动的燃煤热电联供站的燃煤烟气排放中的污染物浓度为:颗粒物1.5毫克/立方米,二氧化硫5毫克/立方米,氮氧化物20毫克/立方米。氮氧化物的排放太低了,这意味氨逃逸可能非常严重。

除了重新启动的燃煤热电联供站,北京市还有什么燃煤锅炉,就不得而知了。如果有,就有与燃煤热电联供站同样的疑问。

等一等。上面不是说燃煤烟气中的颗粒物排放只有1.5毫克/立方米吗?而天然气燃烧排放的烟气中颗粒物不是低于5毫克/立方米吗?这与我所说的烟气中有大量的铵盐不是很矛盾吗?

这是个矛盾。道理是,燃气的烟气和燃煤湿法脱硫的烟气中,有大量的水雾,因而导致烟气中的可溶盐在线测量不准确。解决这个矛盾并不复杂,从烟囱里抽一管子烟气到实验室里做离线检测就是了。让我感到疑惑的是,定期或不定期的烟气离线检测在西方国家是环保机构必须做的检测工作,但在中国几乎没有环保机构去做。为什么?我曾经询问过。地方环保机构给我的解释是,所有的检测工作由国家生环部(过去的国家环保部)规定。因为国家生环部没有规定要做烟气离线检测,所以不做。对所有可能的大气污染源,进行系统地现场抽样离线检测,是确定污染源最可靠的办法,花费也不多。国家生环部为什么没有规定各地做烟气成分的离线测量?这是个谜。

有个朋友告诉我,他曾经对一家号称实现了烟气污染物超低排放(PM2.5<10毫克/立方米)的燃煤电站进行了烟气抽样离线检测。结果让他大吃一惊,检测出大量的可溶性盐,折合平均每立方米烟气中含100毫克/立方米以上。也许这就是谜底。

现在生环部下令给燃煤烟气湿法脱硫“脱白”,说穿了就脱硫酸盐和硝酸盐,不声张地纠正这个失误,也算是迷途知返,可喜可贺。

需要说明的是,燃煤或燃气处理后的烟气里的硫酸盐和硝酸盐的粒径特别小,大部分粒径小于1微米,是所谓的超细颗粒物,即PM1。颗粒物的粒径越小,则比表面积(表面积与质量之比)越大,在空气中运动时的阻力也就越大,于是在空中漂浮的时间就越长。

说了这么多原因。治不了白说。有没有立竿见影的治法?有:

提高燃气轮机+余热锅炉的氮氧化物排放上限,因而减少氨逃逸量。如果燃气锅炉已经加装有效的低氮燃烧装置,就不要再使用脱硝工艺了。这样就可以大大减少脱硝环节喷射的氨水,因而大大减少氨逃逸和因此造成的铵盐排放。即使在11月14日大气质量为“严重污染”的情况下,北京大气中的氮氧化物浓度还是“良”(与“严重污染”中间还隔着“轻度污染”、“中度污染”、“重度污染”三个级别),增加点儿氮氧化物的排放不会增加多少PM2.5的排放。

提高燃煤热电联供站的氮氧化物排放上限,譬如只做炉内的SNCR脱硝,不做炉外的SCR脱硝,以减少氨逃逸。进一步还可以考虑使用超低硫煤,不脱硫,只除尘。这样,即使有氨逃逸,没有湿法脱硫产生的大量水雾,氨与二氧化硫和二氧化氮的合成量也很有限。我的老家陕西省咸阳市的彬长煤田,就有硫含量极低的超低硫煤(硫含量为0.2%左右)。尽管产量少,但是满足北京市一个冬天200万吨左右的消耗,应该还是没有问题的。现在,北京大气中的二氧化硫浓度很低,容得下燃煤热电联供站排放的那点儿二氧化硫。如果烧的是超低硫煤的话,一个冬天也就才排放几千吨二氧化硫。

给燃气热电联供电站和燃气锅炉加装电锅炉,在有弃风电和在低谷电价时段里,使用电力替代天然气供暖。前几天,河北省南部一家造纸厂的老板来找我,希望帮助解决煤改气后能源价格过高的问题。今年这个企业拿到的管道天然气价格是每立方米3.9元,冬季就变成5元了。原来燃煤烧锅炉,1吨纸的能源费用是200多元,用3.9元/立方米的天然气是500多元,生产就亏损了,但停产就会损失客户,还得迎着头皮干。用1立方米5元/立方米的天然气,能源成本就接近700元/吨纸了,亏损不起,只得停产了。天然气的热值是约10kWh,合0.39~050元/kWh。北京的低谷电价是0.33元左右/kWh;弃风电价,现在也就是0.20元左右/ kWh。张家口地区的风电弃风,每年高达好几十亿千瓦时,如果加上邻近北京的内蒙古地区的弃风电,就上百亿千瓦时了,风电弃风主要发生在冬季,其原因就是采暖季大量的热电联供机组发电,将风电挤出了电网。如果北京市用这些弃风电替代天然气,就可以减少10多亿千瓦时天然气的消耗,挽回风电企业几十亿元的弃风损失。北京减少了燃气的污染、还节省了采暖能源费用,河北的用气企业得到了廉价的天然气,风电企业减少了弃风损失,一箭四雕,利人利己利国,又何乐而不为呢?

已经说得够多的了,到此打住。

真心希望:这不期而遇的重霾,能让治霾者们更聪明,治霾路上少走弯路;能让决策者们更明智,治霾路上少被忽悠。愿我们国家今后的治霾工作事半功倍,而不是事倍功半。

我是一个在江湖上赶路的治霾者。

来源:界面新闻

广告等商务合作,请点击这里

未经正式授权严禁转载本文,侵权必究。

打开界面新闻APP,查看原文
界面新闻
打开界面新闻,查看更多专业报道

热门评论

打开APP,查看全部评论,抢神评席位

热门推荐

    下载界面APP 订阅更多品牌栏目
      界面新闻
      界面新闻
      只服务于独立思考的人群
      打开