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王志轩:消除烟囱“白烟”是舍本求末得不偿失

时间:2020-07-06 13:09

  在全国人民抗击新型冠状病毒肺炎的特殊时期,有关春节期间引起严重雾霾天气原因的分析文章在新媒体大量传播。仔细一看,一些具有显著误导性文章(论点)却只是换了个标题老调重谈,就像换了个马甲又重现江湖。这些文章发布是否合乎时宜,读者自有评判,但如果不正本清源,必然会对社会产生不良影响。简要归纳这些文章有一个集中指向,把雾霾成因说成是主要由火电厂湿法脱硫后排放的湿烟气(简称“白烟”或者“有色烟羽”)所为,进而极力鼓吹“消白”,并推荐、宣传相应的技术或公司。就文章的写法和内容不难看出有以下显著特点:一是先把自己打扮成环保专家,讲一些似是而非的道理,以偏概全、移花接木,把复杂的雾霾形成问题简单化、单一化成“白烟”所为。二是污名化中国火电厂污染控制成就,认为花费巨大经济代价没有相应效果,指责政府管理不力;三是把中国对火电厂的污染控制技术路线与发达国家对立起来,造成了中国不如国外的假象,顺便给电力行业戴上一顶行业保护的帽子并贴上只讲经济效益不重视环保的标签;四是推荐技术设备,并宣称取得了“辉煌”业绩,造成环保技术唯我独尊的假象。近日,有五位专家接受媒体采访集中解答了污染成因的一些问题,对以上部分问题起到了一定正本清原的作用。但是从发电行业看,以一个长期从事电力环保专业者来看,还有一些问题必须进一步澄清,有些“锅”电力行业、电力环保人不背!

  电力结构向清洁低碳发展。截至2018年底,全国发电装机容量190012万千瓦。其中,水电35259万千瓦、火电114408万千瓦(其中煤电100835万千瓦),核电4466万千瓦,并网风电18427万千瓦,并网太阳能发电17433万千瓦。2018年,全国全口径发电量69947亿千瓦时。其中,水电12321亿千瓦时,火电49249亿千瓦时(其中煤电44829亿千瓦时),核电2950亿千瓦时,并网风电3658亿千瓦时,并网太阳能发电1769亿千瓦时。2018年,全国非化石能源发电装机容量占全国发电总装机容量的40.8%,非化石能源发电量占全口径发电量的30.9%。

  火电装机占比60.2%、发电量占比70.4%(煤电装机占比53.1%、发电量占比64.1%;燃气发电装机占比10.5%、发电量占比4.4%)。中国30万千瓦及以上火电机组装机容量占全国火电装机容量的比重由1978年的3.8%提升至2018年的80.1%,火电单机100万千瓦及以上容量等级机组从无到占比达10%。2018年,全国6000千瓦及以上火电机组供电标准煤耗307.6克/千瓦时,比1978年的471克/千瓦时下降了163.4克/千瓦时;单位发电量耗水量由2000年的4.1千克/千瓦时降至2018年的1.23千克/千瓦时,降幅约70%;与世界主要煤电国家相比,在不考虑负荷因素影响下,我国煤电效率与日本基本持平,总体上优于德国、美国。

  煤电烟尘排放量由1978年约600万吨,降至2018年的21万吨左右,下降超过96%;二氧化硫排放量由2006年峰值1350万吨,降至2018年的99万吨左右,比峰值下降约93%;氮氧化物排放量由2011年峰值1000万吨左右,降至2018年的96万吨左右,比峰值下降约90%。2018年与1978年相比,污染排放强度即单位发电量煤电烟尘(颗粒物)、二氧化硫、氮氧化物排放量,分别由约26、10、3.6克/千瓦时,下降到0.04、0.20和0.19克/千瓦时,这一水平达到世界领先水平。由1图可以看出,随着火电发电量的增长,污染物排放量呈现先升后降,并在近10多年来加快下降,表明了我国污染控制技术的不断进步和力度不断强化。

  衡量污染控制水平首先是排放标准的对比。中国对火电厂大气污染物排放控制的污染因子主要为烟尘(颗粒物)、二氧化硫、氮氧化物3项,这与全世界对燃煤电厂的控制要求是相同的。法定控制要求主要通过大气污染物排放标准来约束。从1974年有国家排放标准以来,国家火电厂大气污物排放标准又经历了四次制定和修订,现行的标准是2011修订的。标准变化的过程就是不断严格污染物控制的过程,标准的修订频次在世界上是最高的,标准的要求的限值及考核要求(以小时浓度均值考核)在世界上也是最严的。在实际执行过程中,国家有关部门通过制定超低排放文件,对大部分电厂提出的要求比国家排放标准要求更严。

  火电厂排放的污染物对大气环境质量的影响主要有直接影响和间接影响。直接影响是指由生产工艺过程中产生的烟尘、SO2、NOx等污染物(一次污染物),经过环保设备排放到环境后,经大气扩散、稀释对受影响的地区在一定时间段内,增加了空气中污染物浓度的现象;间接影响是指排放的一次污染物或者在治理过程中产生的新污染物(二次污染物)在大气中发生大气化学反应又生成了新的污染物或者一次、二次污染物通过物理凝聚形成新的污染现象。显然,要做到有效控制污染必须从减少一次、二次污染两方面着手、不论从大气污染控制理论还是实践看,燃煤电厂核心和首要问题是减少一次污染物排放,同时,在选择污染控制工艺时必须考虑减少二次污染物的产生。可以说,几十年来,中国火电厂大气污染物控制的历史和实践就是一部不断减少一次污染排放和限制二次污染产生和排放的历史。从主流燃煤发电工艺和烟气治理工艺特性看,燃煤电厂排放的烟气中的颗粒物几乎全为PM10,且其中PM2.5所占比重较大。如,国电环境保护研究院对长三角地区6个有代表性的燃煤电厂排放的烟尘、PM10和PM2.5进行了实测,结果表明:受检燃煤电厂的烟气经过静电除尘器和石灰石-石膏湿法脱硫后,PM10和PM2.5的占比分别为87.54%~95.90%,41.22%~50.31%,平均为91.57%和46.14%。近年来,火电厂大规模提高除尘、脱硫、脱硝装置的效率,使电力行业一次污染物烟尘、SO2、NOx的排放总量和单位发电量排放量不断下降,极大降低了一次污染物的直接影响并减少了形成二次污染的机会,这一点从我国酸雨程度的改善就可以得到证明;同时,通过污染治理工艺的选择和技术措施以及技术规范性的限制等,尽量减少新形成的二次污染。据生态环境部公布,截至2019年底,全国实现超低排放的煤电机组约8.9亿千瓦。中国火电厂大气污染物控制技术与管理水平已处于世界先进行列,大幅削减了常规大气污染物排放,对改善大气环境质量发挥了重要作用。

  需要强调是,中国火电厂大气污染物控制的排放标准要求、控制的技术措施等,是充分吸收了全世界大气污染控制经验而形成的,其关键技术、核心设备也是先从发达国家引进逐步形成自有知识产权技术的,工艺路线具有高度的同源性和可比性。如选择石灰石湿法脱硫技术、取消GGH等也是在汲取了美国等发达国家的经验,结合中国的教训和经验,经过充分论证来推进的。根本不是一些人主观臆测电力行业为了少花钱而取消的。

  2017年以来,全国多地相继出台一些地方标准和行政文件,规定对主要工业源排放湿烟羽颜色、温度和措施进行控制。如,不同地方环保部门规定“燃煤发电锅炉应采取烟温控制及其他有效措施消除石膏雨、有色烟羽等现象”,再如 “燃煤锅炉应采取相应技术降低烟气排放温度,通过收集烟气中液滴和饱和水蒸气中水分的方式,减少溶解性盐类和可凝结颗粒物的排放”,还有“位于环境空气敏感区的燃煤电厂应采取烟温控制或其他有效措施消除石膏雨、有色烟羽等现象”等 。系统分析这些要求,结合一些发表的言论,对消除烟羽问题提出几点上人看法。

  一是对湿烟羽形成和影响认识不清,判据缺乏严谨性。火电厂的产生湿烟羽是由于普遍采用的湿法脱硫工艺(脱硫出口烟气一般为处于饱和或接近饱和状态,烟气温度一般在45~52℃)后,烟气经烟囱排放到大气中,与温度相对较低的环境空气接触而冷凝及凝结,所形成的大量雾状水汽对光线产生折射、散射,因天空背景色和天空光照、观察角度等原因发生颜色的细微变化,通常呈现出白色、灰(白)色或蓝色等。其中,“白色烟羽”较为常见,饱和湿烟气直接经烟囱进入大气环境,遇冷凝结成微小液滴而产生,对于治理设施质量合格的超低排放机组来说,其成分以水雾为主,污染物浓度很低,对环境质量无直接影响,属视觉污染。“灰(白)色烟羽”是在较暗光线下,光线经大量雾状水汽或反射或折射,视觉上感觉“发暗、发黑”,当然也不排除是由于除尘效果不好所致。“蓝色烟羽”可能是烟气中主要含有以三氧化硫/硫酸气溶胶为代表的可凝结颗粒物在浓度较高时形成,此种情况很少,根据发电企业测试数据,燃煤硫分约1.5%的超低排放电厂,烟气中三氧化硫浓度已经降至5 mg/m3左右,其它溶解盐含量一般在1 mg/m3左右;而其它燃用更低硫分煤炭的电厂,三氧化硫排放已到1 mg/m3以下。同时,湿烟羽也会发生在燃用含水量较高的褐煤电厂;更会体出现在机械式湿式除尘器如在上世纪八九十年代火电厂普遍采用的文丘里湿式除尘器上。

  不同地方环保机构对数点湿烟羽的看法和治理要求并不统一,有的将“白色烟羽”“灰色烟羽”“蓝色烟羽”统称为“有色烟羽”,有的则认为治理湿烟羽只是针对“消白”。由于认识上不一致,所以提出“观测法”和“排烟温度法”不同的判定依据缺乏严谨性。如,“观测法”要求观察者在观测条件下未见明显有色烟羽即可视为有色烟羽消除,但在执法中存在一定干扰因素,如,光线、观察角度、观察者主观判断等;而“排烟温度法”针对不同控制措施、季节等提出排烟温度限值,通过烟气在线监测系统(CEMS)可监管排烟温度,但“颜色”“控温”与“环境质量”不存在对应关系,因此也无法有效反映湿烟羽控制效果。图2中的3张图是我在内蒙古一个电厂所摄,电厂环保设施稳定运行,全部满足环保要求,但烟流在不同光线、不同时间、不同角度下呈现不同颜色。实际上生活常识告诉我们,即便是云有时是“白云”有些则是“乌云”有时更是“彩霞”。

  二是治理措施及效果与环境质量脱节。现行火电企业实施的湿烟羽治理措施,本质上是通过调整烟气温度、湿度改变烟气排入环境后水汽凝结状态,主要目的还是消除“白色烟羽”视觉影响。其中,烟气加热消白的方式并不能削减烟气中已有污染物排放,相反烟气加热需要消耗能量,增加能源消耗,这意味着总体上增加了污染物排放;烟气冷凝消白的方式(包括烟气冷凝再热方式)通过回收烟气中凝结水对减少烟气中污染物排放有一定效果,但在普遍实现烟气超低排放情况下这种效果有限,对改善环境空气质量收效甚微。有的地方执法部门甚至规定只要电厂加装了消白装置并连续运行则可以免予监督,不管是否有消白效果,显然是为做工程而行政执法。可以看出,火电厂湿烟羽治理本质上与改善环境质量无关,从政策目标、监管要求和治理措施上看,仅能起到消除视觉影响的作用。

  三是湿烟羽治理措施对原有设备或系统造成影响,增加系统运维潜在风险。据已完成技改的电厂反映,湿烟羽治理工艺和设备稳定性差,且对生产设备和系统造成多方面影响。如,采用浆液冷凝技术存在影响脱硫系统水平衡问题、换热器易冲刷磨损造成泄漏问题、泄漏后消除故障难度大工期长问题,影响脱硫系统设备正常运行进而影响脱硫效率问题等,采用管式烟气换热器时,存在管束磨损、积灰、腐蚀等问题。

  四是湿烟羽治理措施投入大、运行成本高,技术经济性和环境效益差。以目前普遍采用的烟气冷凝法为例,实施两台30万千瓦火电机组改造,需要投资4000万元左右,增加运行成本超过1000万元,同时增加煤耗约1~1.5克/千瓦时。根据电力企业测算,影响湿烟羽改造工程成本经济性最大因素为机组利用小时数,其次为工程静态投资,电价和水价也有一定的影响。根据中电联统计,以2018年为估算年份,天津、上海、河北等已实施湿烟羽治理政策的地区中,涉及燃煤机组约4.5亿千瓦,按照典型湿烟羽技术改造工艺,估算改造投资费用约320~680亿元,年增加运维费用约120亿元。同时,增加标准煤消耗约230~600万吨,相当于向大气多排放烟尘、二氧化硫、氮氧化物累计约3200~8400吨,还增加二氧化碳排放量约600~1500万吨。随着可再生能源发电比例的不断提升,火电厂灵活性改造将持续推进,煤电利用小时数将难以提高,“消白”的成本将会进一步增大。从全社会来看,这些大量的投资最终必然要传导到全社会层面成为全社会成本。在燃煤电厂普遍实现超低排放基础上再进行消除湿烟羽,总体上是盲目的、得不偿失。

  五是湿烟羽政策制定随意性大,与法律要求相抵触。根据《环境保护法》,省级地方人民政府可以制定比国家排放标准要求更严的污染物排放标准,但也明确规定污染物排放标准要依据环境质量标准和经济技术条件来制定。对于湿烟羽治理问题,在没有足够科学论证下,不能随意给企业设定要求,且大面积实施。同时,《行政许可法》也明确规定,政府不得任意改变已经生效的行政许可,即便是为了环境保护要求变更许可,但要对企业造成的影响给予补偿。更为重要的是,对企业许可的应当是规定达到的治理效果,而不是直接规定企业应当采取的具体措施。显然,消除湿烟羽的有关规定性要求与法规要求是抵触的。

  一是科学认识湿烟羽的基本问题。湿烟羽对环境影响的基本问题应当是可知、已知范围的事情,现在主要的问题是要防止有些人把小问题甚至是没有的问题用极端语言,乱扣帽子的方式放大成大问题;把个别技术问题放大成社会问题;把不确定性问题放大到既成事实的问题。

  二是运行好现有环保设施,减少二次污染物的产生。值得注意的是,为达到严苛的氮氧化物超低排放要求,一些电厂在脱硝装置中增加催化剂用量,提高了三氧化硫转化率及排放;运行中增加还原剂氨喷入量,造成过量氨逃逸;机组和烟气治理系统运行协调不好,也会造成一部分氨盐、三氧化硫以气溶胶态排放到空气中形成蓝色或者黄色烟羽;此外,个别电厂的脱硫塔中除雾器存在设计、制造、运行等问题,除雾效率达不到设计要求,经烟囱排入大气时白色烟羽加浓,甚至烟囱周围有“石膏雨”现象。但此类问题的产生属于污染治理系统设计、运行或管理不当造成的二次污染问题,应加强对这些电厂的监管,不断优化工艺系统。但要认识到,这些问题非湿烟羽“原生”问题,也是极个别电厂非典型问题,不宜笼统划归为湿烟羽问题,更不宜盲目变成普遍性、强制性的政策要求。从现有的技术和设备的基本情况看,只要按技术要求控制好氨逃逸,运行好除雾器,白色或者有色烟羽不会成为形成雾霾的原因,更不会对环境造成不可接受的影响。

  三是进行评估和执法检查。对已完成湿烟羽技改的典型电厂开展系统性评估,应考虑环境、技术和经济等因素提出综合性评估结论。执法检查不仅检查企业执行法律情况,也应检查地方政府出台相关要求是否符合法定要求的情况。应进一步明确地方政府制定污染物排放标准的基本条件,防止出现不科学、损害企业合法权益的要求的情况。国家环境行政主管部门在对地方污染物排放标准备案时(环保法要求)应当发挥必要的监督作用。

  四是建议对先行试点湿烟羽治理的发电企业给予适当政策补偿。湿烟羽治理政策是对现有火电企业环保行政许可的变更,根据相关法律法规,应对按地方政府要求进行湿烟羽治理的发电企业给予经济补偿。在坚持依法治理污染的同时,依法维护企业的合法权益。

  五是加强宣传,提高公众对火电厂污染物治理情况的知情度。火电行业在环保管理和污染物控制方面开展了大量工作,但成效并不为公众所了解,在一些误导性信息的宣传下,很多人认为只要是电厂烟囱排放出来的(包括“白烟”)都是污染,分不清烟囱和冷水塔排放水气的情况具有普遍性。建议有条件的火电厂实行“开放日”,鼓励附近居民走进电厂,了解电厂环保,减少误解。行业组织及政府部门也应加强火电厂环保成效的科普宣传,提高公众对火电厂污染物治理认知。