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“十四五”大气污染治理还有那些短板要补?

IFCE 何平 / 2020-08-24 10:09:49
今年是从2018年开始的《打赢蓝天保卫战三年行动计划》的收宫之年,也是总理直接支持的“大气重污染成因与治理攻关项目”结题的时间。尽管重金投入科研,“蓝天保卫战”的措施频出,大气污染仍然没有控制住,重污染的成因仍存疑问。按照生态环保部黄润秋部长的说法是“环境污染和生态保护所面临的严峻形势没有根本改变”,同时“环境事件多发频发的高风险态势没有根本改变”。
 
由于前段时间治理的效果不佳,环保治理开始“补短板”,今年的重点是治理 VOC(挥发性有机物)。VOC 是五个主要大气污染物之一,不但是臭氧的前置物,也是 PM2.5 的前置物,前几年居然没有管,一直等到臭氧爆发,才意识到出了问题,说明我们前些年工作没有做到家。今年也是制定新的“十四五”大气污染治理规划的时间。为了使未来五年的治理更加有效,我们应该认真总结前段时间大气污染治理的得失,找出治理的短板,进行系统的规划,而不是重复“头痛医头”,“脚痛医脚”,打补丁式的治理。
 
1. 对重污染成因的疑问
 
“国家大气污染防治攻关联合中心”今年5月在生态环境部召开新闻发布会表示,通过“大气重污染成因与治理攻关项目”,弄清了京津冀及周边地区秋冬季大气重污染频发的根本原因,是“超出环境容量50%以上的高强度的排放”。
 
这个原因有点令人吃惊,2013年重霾爆发后,政府实施最严格的排放标准,并采取各种措施“铁腕治霾”,包括实施世界上最严格的烟气超低排放标准,治理散乱污,大范围的煤改气,煤改电,秋冬季的不断的停产,限产等,排放强度仍然如此之大,说明我们治理的效果实在是差!我们的治理方法出了问题。
 
仔细分析“大气重污染成因与治理攻关项目”的报告,京津冀地区总排放量,五项主要污染物指标,有四项排放的确超出环境容量。表1是京津冀地区2018年总排放量和薛文博等人2014年“基于全国城市PM2.5达标约束的大气环境容量模拟”出的环境容量对比。
 
“十四五”大气污染治理还有那些短板要补?
表1 京津冀地区总排放量和环境容量对比(单位:万吨)
 
为了弄清在几乎不惜成本,全面实施电力和主要工业企业超低排放和其它多项大气污染治理措施的场景下,污染物总量仍然居高不下的原因,我们来分析对这几项污染物减排以及实现超低排放的具体过程,看它们是如何超出环境容量的。同时,根据环保部门的数据,烟尘(PM),二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOx)的排放峰值都在 2011年以前, 为什么这些污染排放物在峰值的时候,雾霾的严重程度远不及2013年后?另外,PM、NOx、SO2在2018年排放值实际上远低于历史峰值,为什么雾霾仍然十分严重?只有探究这些问题,才能找出大气污染治理的短板,找到当前雾霾久治不愈的根源。
 
2. PM 2.5
 
对于环保部门管控的企业,我们目前并没有直接监测 PM 2.5,而是笼统的颗粒物 PM, PM2.5 是按照占比折算出来的。从数据上看,超过环境容量 19%,不算太高。但仔细分析下这个颗粒物指标的内含,就发现了问题。目前这个指标上的颗粒物只包括可过滤的固体颗粒物(由于仪表设备的局限,检测的基本是 PM1 以上的颗粒物),而没有包括可凝结颗粒物 (CPM), 因为我们的颗粒物标准里就没有 CPM。
 
这部分CPM有多少?根据中国工程院任阵海院士整理出 17个超低排放机组的测试结果,CPM的平均值是 13.93 毫克每立方米(任阵海,超低排放后应进一步对可凝结颗粒物等PM1粒子进行管控,北极星大气网,来源:中国环境科学研究院,2019-11-23)。也就是说,我们目前超低排放颗粒物标准是 10 毫克每立方米,假设监测得超低排放机组/锅炉颗粒物排放平均值是 5 毫克每立方米,满足超低标准,但实际排放是5+13.93=18.93毫克每立方米,高出检测值278%!把这个值应用到上面的表格,2018年的实际 PM2.5 的排放是 264 万吨,远超出 80 万吨的环境容量。这一个指标漏洞,就可以说明为什么我们的环保指标对不上实际的大气污染情况。我们的超低排放指标上有重大缺陷, 而且遗漏的 CPM 是 PM1 以下气溶胶,正是形成雾霾的核心。
 
3. 氮氧化物NOx
 
氮氧化物NOx超出容量 45%,实际情况可能超得还多。NOx包含了一氧化氮NO、二氧化氮NO2、五氧化二氮N2O5等多种组分,实际在烟气检测中,由于NO在NOx中占比较高,所以仅检测NO,再等当量折算成NO2的质量浓度,加权后计做总NOx的质量浓度,NO2、N2O5等组分时常被低估。
 
NOx 来源分固定源和移动源,固定源相对容易监测,移动源监测比较困难,几乎所有使用化石燃料的交通工具都排放 NOx. 目前对机动车排放管理较严,航运和航空排放管理很弱,随着城市化的扩展,居民生活和服务业的排放占比也在增加,这些目前都没有在监测和统计中。另外,大多数固定源采用在线监测,与实际排放情况也有出入,因此,NOx 的实际排放要大于表 1中的数值。因此,减少 NOx  还有很多细致的工作要做。
 
4. 二氧化硫 SO2
 
二氧化硫 SO2是控制得最好的,实际排放低于容量的 30%。但由于目前大部分使用湿法脱硫工艺,中间的烟气升温器被取消,使得湿烟气低温,低空排放,导致了 2013-2014年雾霾大爆发(周勇,雾霾大爆发的根本原因:湿法脱硫取消GGH引发PM2.5粒数浓度暴增,《科学与管理》,第39卷第2期2019年04月).  后来由于湿电除尘器的使用,去除了大部分颗粒物,重雾霾的情形得到了缓解,但如前所述,烟气里大量可凝结颗粒物仍然存在,同时烟气湿度很高,很多水汽排放到空中,促进了颗粒物的二次生成。
 
这些年工业的扩展,人为排放的水汽量增加很多,如电厂/化工厂的冷却塔,锅炉湿法脱硫后的烟气,以及高炉冲渣水,焦化厂的湿熄焦工艺,天然气的燃烧等。专家估算,一个60万千瓦煤电机组满发时,冷却塔排放水量约12960吨/天,湿法后烟囱排放水量约3387吨/天。从全国范围来讲,湿法后排出的水汽约 40亿吨/年,冷却塔排放水量每年超过 100亿吨,在工业集中的地区,这些水汽对局部的大气环境是有影响的,特别在低温静稳大气条件下,水蒸汽致使大气相对湿度升高,形成水蒸汽气溶胶,使得局部的云层增厚,在城市上空形成一个“盖子”,使污染物无法自由扩散,这种人为排放水汽形成的气溶胶,在城市上空不断累积,压缩了污染物排放空间,环境容量因此下降,从各个污染源排出的硫化物,氮氧化物,VOC,CPM等气态污染物,在水汽和氨的作用下,在排放空间被压缩的大气中形成二次颗粒物,导致雾霾加重。
 
5. 氨气 NH3
 
氨气 NH3 的排放超出环境容量的 76%,  这一点也不意外。目前虽然烟气排放标准里有对 NH3 的要求,但不是强制性指标,环保部门很少检测。实施超低排放以来,由于控制氮氧化物排放的技术--选择性催化还原技术(SCR)使用氨作为还原剂,氨的用量快速增长,为了达到超低的氮氧化物排放要求,过量喷氨现象十分普遍,未参与还原反应氨气量占喷氨量的 1/4-1/3,这些氨气在烟道中形成铵盐等氨氮物, 氨氮物主要通过粉煤灰、脱硫废水、雾滴等被携带排出烟道, 外排的氨氮物大部分最终形成氨气排至大气。按 2017年电厂的氨使用量估算,这部分逃逸的氨气量约为137-218万吨(苏跃进,周念昕, 氨法脱硝中未参与还原反应氨气产生的氨排放问题研究,《科学与管理》2019年05期)。表 1中的 2018年的排放值在苏的估算范围内,说明脱硝过程中的氨逃逸是增量工业/电力氨排放的主要来源。一些专家在排出的烟气中测得氨含量不高,因为氨逃逸是发生在整个脱硫脱硝的过程中,烟气中的氨只是一部分。
 
传统上认为大气中的氨主要来自于农业,但最近的研究推翻了这一观念。中国科学院大气物理研究所研究员潘月鹏研究员发现,非农业(包括电力,工业,废物,和机动车)的氨排放已占 66%。(潘月鹏,大气氨浓度观测和同位素溯源研究最新进展,《大气科学进展AAS》,2020.7.30)。
 
 
大气物理研究所研究员王跃思团队也通过观测发现,“我国北方氨气浓度显著高于长江以南地区;在不同区域内,城市站点观测到的氨气浓度与农田站点相当,且显著高于森林、草地和高山等站点。研究证实,华北是我国氨气最大的“热点区”,浓度异常高,空间覆盖范围广;华北氨气沉降量不足氨排放的一半,区域大气氨已经过饱和,且可能对周边地区生态环境产生影响。该研究提示氨气减排不仅需要考虑农(牧)业氨,非农业氨(尤其是工业)排放也需要关注。”(Shili Tian, etc, Identifying Ammonia Hotspots in China Using a National Observation Network, Environ. Sci. Technol.2018, 52, 3926−3934) 。王跃思团队前不久在《国家科学评论》发表关于大气污染研究的最新成果,直接建议 “将氨(包括氨气和铵盐)作为大气污染物列入控制性指标”。(中国科学院大气物理研究所网站,2020.7.1)
 
氨气是大气中唯一的高浓度碱性气体, 逃逸到大气中的氨,一方面与硝酸或硫酸等酸性气体发生反应, 形成硫酸盐,硝酸盐等二次颗粒物,另一方面与其它酸性气体反应形成氨盐,是大气中气态污染物转变成固态污染物的重要推手。因此,没有控制氨排放,是大气治理一个明显的短板,特别是脱硝过程中的氨逃逸,使得大气中的PM 2.5 升高,抵消了削减氮氧化物的效果。
 
6. 挥发性有机物VOC
 
挥发性有机物 VOC 超出环境容量近一倍,主要原因也是因为 VOC 没有纳入强制性指标和重点检测内容,在以前的环境容量估算中,甚至都没有考虑 VOC 的影响。 VOC 实际上是一个很主要的大气污染物,它一方面是臭氧的前置物,同时,大气中的 VOC 也会转化成有机盐,成为 PM 2.5 的重要组成部分。 
 
这个忽略,使得近年来大气中臭氧水平不断升高,已经成为仅次于 PM2.5 的主要污染物,因此 VOC 的治理成了今年的大气污染治理的重点,开始弥补前几年治理中的一个短板,特别是石油化工行业的烟气治理。但VOC 的来源很广,包括工业,交通,服务行业以及日常生活。不同行业VOC排放环境、排放物质、排放特征以及治理技术都不尽相同,因此,需要结合行业排放特征,制定适宜的VOCS行业标准并采取相适应的技术。
 
7. 讨论与建议
 
根据上面的分析,我们找到了在超低排放全面实施的场景下,大气污染物还超出环境容量的原因。首先,目前的超低排放的指标上有严重缺陷,五个主要大气污染物,超低排放只控制了两个半,即 SO2, NOx 和可过滤的PM,另外两个半没有控制,NH3, VOC 和CPM(可凝结颗粒物). 而没有控制的两个半污染物,对雾霾的影响比前面的两个半还要大。第二,在控制前面两个半污染物的过程中,产生严重的副作用,如脱硫排放了大量水汽和 CPM,同时降低了烟气排放高度,脱硝逃逸了氨气,这些副作用,导致二次颗粒物的大幅增加,不但抵消一次颗粒物减排的效果,在不利气象条件下,会导致重度雾霾的爆发。这就是为什么在冬季即使不断停工限产,一遇上静稳高湿天气,持续数天的重霾就会产生。因为我们人工不间断的水汽,氨和 CPM的排放,在累积一段时间后,为雾霾的爆发提前做好了铺垫!
 
在“十四五”的进一步治理中,我们建议首先要增加超低排放的内容,弥补指标上缺失。现在已经开始治理 VOC,同时我们也要把 NH3纳入控制性指标,颗粒物指标必须包括 CPM,否则只管住大的颗粒物,对雾霾产生更直接影响的PM1 气溶胶给漏掉了。
 
第二要降低脱硫脱硝的副作用,对于湿法脱硫排出的有色烟羽,可采取直接升温(浙江,上海),除湿脱白(天津,唐山,邯郸等地)或烟气余热回收等措施进行治理。对于脱硝的氨逃逸,要通过严格的监测,促使企业改善工艺,大幅减少氨逃逸,同时推广采用创新的无氨脱硝技术,包括使用在柴油车的脱硝工艺中。
 
第三要回收工业排放的水汽,如电厂的冷却水,钢焦,化工等行业各工序的水汽排放。回收水汽有三个好处,首先是改善城市大气/气象环境,拿掉城市上空的“盖子”,减少雾霾的产生,二是减少随水汽排出的盐粒和污染物,三是重复利用水,减少工业用水总量,降低企业成本。
 
8. 结语
 
2013年雾霾爆发以来,经过五年的《大气污染防治行动计划》以及《打赢蓝天保卫战三年行动计划》,大气污染仍然居高不下,我们必须总结经验和教训,认真思考如何更有效的进行深度治理。在“铁腕治霾”的各种努力下,大气污染物还超出环境容量的原因,是我们的控制指标上有短板和漏洞,我们治理技术有副作用,导致我们的环境容量被压缩,二次颗粒物超出了直接的排放。我们在制定“十四五”的治理规划时,要把目前的短板补上,在继续减少主要污染物的一次排放的同时,要采取措施改善整个的大气环境,降低二次颗粒物的形成。提出的治理手段要更协调,更细致,更有针对性,而不是限制在单个传统污染物指标,或者简单的关停,搬迁。我们要争取环境经济双赢,而不是牺牲经济来改善环境。
 
(作者简介:何平,美国威斯康辛大学土木环境工程系博士,国际中国环境基金会会长,全国政协海外特邀代表)
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