中国大气污染防治技术进展

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欢迎访问e展厅 展厅 3 环保设备/水处理设备展厅 噪音控制, 紫外线杀菌器, 反渗透装置, 粉尘过滤器, 除尘器, ... 我国大气污染严重，污染废气排放总量处于较高水平。为控制和整治大气污染，“九五”以来，我国在污染排放控制技术等方面开展了大量研究开发工作，取得了许多新的成果，大气污染的防治也取得重要进展。在“八五”、“九五”期间，国家辟出专款开展全球气候变化预测、影响和对策研究，在温室气体排放和温室效应机理、海洋对全球气候变化的影响、气候变化对社会经济与自然资源的影响等方面取得很大进展。近年来，我国环境监测能力有了很大提高，初步形成了具有中国特色的环境监测技术和管理体系，环境监测工作的进展明显。 前 言 我国国民经济的高速发展推动了我国环保科技研究领域不断拓展，我国早期的环境科学偏重单纯研究污染引起的环境问题，现在扩展到全面研究生态系统、自然资源保护和全球性环境问题；特别是污染防治，由工业“三废”治理技术，扩展到综合防治技术，由点源的治理技术，扩展到区域性综合防治技术，并研究开发了无废少废的清洁生产工艺、废物资源化技术等。 在大气污染防治技术的研究开发方面，近年来我国取得众多成果，与此同时，如表1所列，大气污染的治理也取得了很大进展。 表1 近年我国大气污染治理取得的一些进展[1] 大气污染防治 1995年 1996年 1997年 1998年 1999年 2000年 工业废气治理率（%） 82.5 84.4 86.3 87.1 85.1 89.8 建成城市烟尘 控制区数（个） 3002 2319 2339 2446 2364 2718 烟尘控制区面积 （平方公里） 12532 12961 15791 13796 16000 18000 “九五”期间全国主要污染物排放总量控制计划基本完成。在国内生产总值年均增长8.3%的情况下，在大气污染防治方面，2000年全国二氧化硫、烟尘、工业粉尘等项主要污染物的排放总量比“八五”末期分别下降了10？15%。 结合经济结构调整，国家取缔、关停了8.4万多家技术落后、浪费资源、质量低劣、污染环境和不符合安全生产条件的污染严重又没有治理前景的小煤矿、小钢铁、小水泥、小玻璃、小炼油、小火电等“十五小”企业，对高硫煤实行限产，有效地削减了污染物排放总量。 全国23万多家有污染的工业企业中，90％以上的企业实现了主要污染物达标排放。46个考核的环境保护重点城市中，25个城市实现了大气质量按功能分区达标，有19个城市（区）被授予国家环境保护模范城市（区）。 重点区域的污染治理也取得了阶段性成果。“两控区”二氧化硫排放总量降低，酸雨范围和频率得到控制，保持稳定。北京市环境治理初见成效。重点区域的污染治理带动了全国污染防治工作的全面展开[2]。 1 大气污染防治技术 为控制和整治大气污染，“九五”以来，我国在煤炭洁净加工开发技术、煤炭洁净高效燃烧技术、煤炭洁净转化技术、污染排放控制技术等方面开展了大量研究和开发，取得了许多新的成果。与此同时，我国大气污染的防治也取得重要进展。酸雨和二氧化硫控制区的污染防治工作已深入展开。“两控区”内175个地市和电力、煤炭等行业编制了二氧化硫污染防治规划。关停小火电机组198台（装机容量208万千瓦）。8个省、自治区、直辖市开始限制燃煤含硫量。目前，“两控区”年削减二氧化硫排放量近80万吨，93个城市二氧化硫的浓度达到国家环境质量标准[3]。 如果中国的燃煤电站的烟气排放要达到目前发达国家规定的水平，SO2的排放量将从每年680万吨下降至170万吨，NOx的排放量将从100％下降至30％，CO2也将减排2500万吨。中国控制和整治大气污染任重而道远。 1.1脱硫技术 控制SO2排放的工艺按其在燃烧过程中所处位置可分为燃烧前、燃烧中和燃烧后脱硫三种。燃烧前脱硫主要是洗煤、煤的气化和液化。洗煤可用作脱硫的辅助手段，经济适用的煤气化和液化技术在进一步开发之中。就燃烧中脱硫的型煤和循环流化床燃烧来说，燃用型煤比直接燃用原煤节煤又干净，较多用于中小锅炉上；国内最大的循环流化床是75t/h炉型，适用于工业锅炉和采暖，国外电站应用于机组容量有的高达300t/h。 表2 烟气脱硫技术[4] 湿 法 干 法／半 干 法 1，石灰石/石灰抛弃法 1，旋转喷雾干燥（SDA）法 2，石灰石/石膏法 2，炉内喷钙尾部增湿活化 (LIFAC与LIMB) 法 3，双碱法 3，循环流化床脱硫技术 4，氧化镁法 4，荷电干式喷射脱硫（CDSI）法 5，韦尔曼―洛德 5，电子束照射（EBA）法 （Wellman-Lord）法 6，氨法 6，脉冲电晕等离子体（PPCP）法 燃烧后烟气脱硫技术是当前世界唯一大规模商业化应用的脱硫方式，是控制SO2污染和酸雨的主要技术手段。而烟气脱硫被认为是控制SO2最行之有效的途径。烟气脱硫主要有湿法、半干法、干法和硫氮联脱法等。目前世界上采用烟气脱硫系统最多的国家为美国、日本和德国。各国目前采用的各种主要烟气脱硫技术列于表2。其中，湿式石灰石-石膏法、喷雾干燥法、LIFAC法、CDSI法是工艺成熟、应用较广的烟气脱硫方法，其工艺流程和经济性能比较列于表3。 表3几种烟气脱硫（FGD）工艺经济性能比较[4] 工艺流程 湿式石灰石-石膏法 喷雾干燥法 LIFAC法 CDSI 法 适用煤种 含硫量(%) ＞1.5 1-3 ＜2 ＜2 Ca/S 1.1 1.5 2.0 1.5 钙的利用率(%) ＞90 40-45 35-40 4-45 脱硫成效(%) ＞90 80-85 70-75 60-70 投资占电 厂投资比例(%) 13-19 8-12 3-5 2-4 脱硫费用 (元/tSO2脱除)900-1250 750-1050 600-900 600-800 设备占地面积 大 中 小 极小 灰渣状态 湿 干 干 干 烟气再热 需 无需 无需 无需 目前，世界上运行着500座以上的烟气脱硫装置。而其中90％以上（按机组容量计）为湿法脱硫工艺。发达国家大型燃煤锅炉几乎都配备有效率在95%以上的湿法脱硫设备，中小锅炉也采取了经济可行的脱硫措施，包括炉内喷钙及增湿活化脱硫工艺。半干法旋转喷雾法、炉内喷吸收剂――增湿活化脱硫工艺在欧洲应用较多。流化床燃烧技术在燃烧过程中有效控制SO2和NOx的生成，日益受到重视。日本开展利用表面热处理后的活性炭纤维（ACF）对烟道气进行脱硫、脱氮的试验研究，取得了很好效果。利用ACF净化烟道气的技术属于半干式氧化型，其优点是：脱硫、脱氮反应在常温下进行，副产的硫酸、硫酸盐及硝酸、硝酸盐等可以获得连续回收。这种燃煤锅炉烟气脱硫、脱氮技术不仅具有较高的脱硫、脱氮性能，而且用水量少，所需设备简单，目前正在进行实用化研究。 二氧化硫不仅在大气中形成酸雨，造成空气污染，而且严重腐蚀锅炉尾部设备，影响生产和安全运行。电站锅炉是我国二氧化硫的主要排放源，它的特点是烟气量大，SO2浓度低，综合利用难度大。在电站烟气脱硫的运行费中，脱硫剂的费用占有很高比例。我国发电用煤的平均含硫量高达1.15%，因此，电站烟气脱硫对我国来说更为重要。 我国燃煤二氧化硫控制技术的研究开发始于20世纪60年代初，其后规模不断扩大。“七五”期间，工业型煤开发、燃煤固硫新型循环床锅炉技术开发、火电厂排烟脱硫技术研究等列入国家科技攻关计划；“八五”期间，循环床燃烧脱硫技术完善化及工程配套应用技术研究、工业型煤固硫技术完善化及工业应用研究、湿式脱硫除尘技术研究、喷钙脱硫成套技术开发等列入国家科技攻关计划；“九五”期间，又把燃煤烟气二氧化硫控制关键技术及设备研究列入科技攻关计划。 对于燃煤烟气净化技术，近年来，我国在基础研究和中小锅炉烟气净化技术方面取得了一定进展。为提高脱硫剂的脱硫效率，在Ca(OH)2中加入易潮解盐和碱，或用燃烧飞灰和Ca(OH)2的水合物作吸着剂，或用活性焦或活性炭作吸附剂，在实验室研究中都取得一定成果。适合中小型锅炉的网膜塔除尘脱硫系统、双击式除尘脱硫工艺、旋转喷雾半干法烟气脱硫小型试验装置等都取得初步成效[5，6]。 另外，在“九五”国家科技攻关计划中，脉冲电晕法离子体烟气脱硫技术取得了重要进展，完成了2万Nm3/h中试线建设与试验，脱硫率大于80% [7]；新型氨法脱硫技术（NADS）通过验收；“利用杭州湾海水脱除电厂烟气中二氧化硫”的中试研究取得突破。 在自主开发研制的同时，如表4所列，一些大型电厂也相继从国外引进了一些先进的除硫设备，对多种工艺进行了试验和示范。如珞璜电厂的石灰石-石膏法技术、黄岛电厂的旋转喷雾干燥法、山西太原第一热电厂的高速水平流简易湿法、南京下关电厂的炉内喷钙尾部增湿活化法（LIFAC）、深圳西部电厂的海水脱硫法等等[8]。 表4我国引进的部分烟气脱硫装置情况[4] 引进单位 工艺流程 烟气量 锅炉 脱硫剂 效率(%) 运行时间 技术提供方 万m3/h t/h 胜利油口南化工厂 氨一硫铵法 210 NH3H2SO4 90 1979 日本东洋公司 南京钢铁厂 碱式硫酸铝法 5.18 AI2(SO4)3 Al(OH)3 95 1981 日本同和公司 沈阳黎明发动机公司 喷雾干燥法 5 石灰 85 1990 丹麦NIRO公司 重庆珞璜电厂 湿石灰石―石膏法 108.7 石灰石浆 95 1992 1993 日本三菱公司 山东德州电厂 荷电干吸收剂喷射法 75 Ca(OH)2 60―70 1995 美国ALANCO公司 重庆长寿化工总厂 JBR喷气沸腾法 6.1 石灰石 70 1995 日本千代田公司 山东潍坊化工厂 简易石灰石膏法 10 消石灰浆 70 1995 日三菱公司 太原发电厂 小型高速平流式 60 石灰石 80 1996 日本日立公司 广西南宁化工厂 简易石灰石石膏法 5 Ca(OH)2 70 1996 日本川崎公司 南京下关电厂 炉内喷钙增湿活化法 79.5 石灰石 75 1997 芬兰IVO公司 成都热电厂 电子束法 30 NH3 80 1997 日本荏原制作所 上海四方锅炉厂 角管锅炉+喷钙 35 石灰石 丹麦 山东淄博矿物局岭子煤矿 IHI-FW循环流化床锅炉 万m3/h 30 石灰石 90 日本石川岛播磨公司 深圳西部发电厂 海水烟气脱硫装置 7000吨SO2/年 海水 90 2000 挪威ABB环境工程公司 其中，“中日合作电子束烟气脱硫示范工程” 处理成都电厂200MW机组锅炉的30万m3/h烟气，是目前世界上已投入运行的处理烟气量最大的电子束脱硫装置。其脱硫率及脱硝率均超过80％及10％的设计值，各项运行消耗指标均低于设计值。 与日方合作建设的山东潍坊化工厂、南宁化工集团公司和四川长寿化工总厂三套简易石灰石-石膏法脱硫装置的示范工程，从运行效果看，装置都具有设计先进新颖、结构紧凑、自动化控制程度高、电脑监控和图象显示直观明了以及操作简单、维修方便并无须对原有烟简进行改造等优点，其脱硫率也远远高于其它同类型的设备，的确起到了示范作用，为我国酸雨污染的治理提供了有效技术。 但是，我国目前还没有掌握烟气脱硫设备的设计和制造技术，治理手段也比较落后，排放标准要求低，燃煤锅炉的二氧化硫排放基本处于失控状态。至今，我国99％以上的电厂没有脱硫装置。表4中所列从国外引进的先进除硫设备，无论何种脱硫工艺，其环境效益是明显的，对我国积累设备设计、运行和管理经验也是有用的。但价格既昂贵，国力难以承受，又无中国知识产权，而且，总的来说，在运行中在经济上是亏损的。 1.2脱氮技术 1980年代以来，世界上许多国家围绕NOx排放控制问题采取了一系列国家行动和国际性合作方案。 早在1979年，有33个国家签署了联合国经济委员会关于欧洲长程越界空气污染公约。1988年11月根据该公约制定了一项议定书，要求到1994年将N0x排放冻结在1987年（或更早年份）的水平上。所有签字国均被要求采用最佳实用技术控制新增固定源和流动源排放的NOx。欧洲在1988年通过了“欧共体关于大型燃烧设备污染物排放限制法令”，要求欧共体1987年7月以前安装的大于50MW的全部燃烧设备，其NOx排放总量到1993年要在1980年基础上削减10％，到1998年要削减30％。其中德国、比利时、法国、荷兰和卢森堡等国到1993年削减20％，1998年削减40％。 除上述国际公约外，许多国家还根据各自特点采取了相应的国家行动。如奥地利、比利时、丹麦、德国、意大利、日本、荷兰、瑞典、瑞士、英国和美国等均制定了现有锅炉和新增锅炉的NOx排放标准及国家控制方案。在NOx控制技术方面，上述国家均己应用商业化的低NOx燃烧技术，其中奥地利、日本和德国等己应用商业化的烟气脱氮技术，而美国、丹麦、荷兰、瑞典等国烟气脱氮则处于示范工程阶段。 NOx排放控制技术大致可分为二类：改进燃烧技术减少NOx的产生和烟气中去除NOx。 在SOx/NOx的联合脱除技术中，一类是脱硫技术和脱氮技术（主要是SCR技术）的组合，如SNRB工艺和S NOx工艺。SNRB的原理是在省煤器后喷入钙基吸着剂脱除SO2，在布袋除尘器的滤袋中悬浮有SCR催化剂并在气体进布袋除尘器前喷入NH3以去除NOx。该技术己在美国R.E.Burger电厂进行了5MW规模的示范，脱氮率达90％，脱硫率大于80％，据估计用于250MW机组时的投资约为260美元／kW；SNOx技术的原理是以SCF去除NOx，SO2催化氧化为三氧化硫（SO3）在降膜冷凝中凝结水合为硫酸，该技术已在美国进行了35MW规模的示范，脱氮率94％，脱硫率95％，设备投资为250美元／kW。另一类SOx/NOx联合脱除技术是利用吸附剂同时脱除硫氧化物（SOx）和NOx，如氧化铜工艺。1970年代，壳牌公司（Shell）开发了固定床反应器体系，并在日本一燃油锅炉上进行了试验；1980年，该工艺又在美国进行了0.5MW的小试；目前，美国匹斯堡能源技术中心正开发流化床反应器体系，小试己达到脱氮、脱硫率90％左右，估计投资费约为133美元/kW。第三类是NOx SO技术，它是类似的干法可再生工艺，其吸附剂为钠浸渍型Al2O3，S02和NOx在120℃的流化床中与吸附剂反应生成复杂的S-N化合物，反应产物在620℃下加热释放NOx，又用甲烷和蒸汽处理使释放出SO2和H2S而得以再生。该工艺小试己在Toronto电厂进行（5MW），脱氮率可达70％-90％，脱硫率达90％，115MW的工程示范将在美国能源部的清洁煤计划的第三阶段中进行。第四类是炉内和烟道喷吸着剂技术，它也可同时脱除SOx和NOx。Natec资源公司开发的烟道喷NaHCO3工艺己在五个燃煤锅炉安装了示范装置，结果表明，当用电除尘器（ESP）除尘时， 脱硫率可达90％， 脱氮率为25％。 对烟气脱硫设备进行改造以满足控制NOx要求的联合脱除工艺也是近年来开发的热点。美国Dravo石灰公司于1991年在迈阿密的Fort电站进行了1.5MW规模的小试，在湿式脱硫系统中加入金属鳌合剂脱氮率可达60％，增加脱氮后的投资需增加48-65美元/kW，脱除lt NOx的费用为646-830美元。贝纳特尔公司则进行了在湿式系统中加入磷的氧化物的小试。美国阿贡国家实验室在20MW燃高硫煤锅炉上进行了喷雾干燥法联合脱硫脱氮的示范试验，通过在石灰水溶液中加入一定量的NaOH，脱氮率可达50％。 发达国家在脱氮方面目前主要采取在大型燃煤锅炉上安装低氮燃烧器，使氮氧化物排放降低40%左右。环保标准严格的日本和德国还要求在大型燃煤锅炉装设烟气脱氮装置。 我国在烟气脱氮方面近年取得新的进展，如“整体分级低NOX燃烧技术”于2000年1月通过鉴定。在设备方面，目前在新建300MW及以上锅炉已装有低氮燃烧器；但大量300MW以下锅炉氮氧化物（NOX）仍无法控制，而且燃烧控制调节水平低，使氮氧化物生成量增加[9]。目前我国仅有NOx的环境质量标准，尚无固定源燃烧NOx排放标准。有关固定源燃烧NOx排放技术研究仅局限于个别低NOx燃烧技术和燃烧固硫技术中附带削减NOx的效果研究等。 但是，随着我国产业结构由粗放型向集约型的转变和能源消费结构的优化调整，能源消耗排放NOx不断增加的趋势有所缓解，1996年达到排放峰值。自1997年开始，NOx排放量逐渐回落,1997年和1998年全国NOx排放总量分别下降到11.66Mt和11.18Mt，分别比1996年峰值减少了0.34Mt和0.82Mt，1998年甚至比1995年降低了0.12Mt[10]。 1.3除尘技术 尘埃细粒子对人体呼吸系统、大气能见度和城市景观等都会产生极其不良的影响。 随着各种除尘器的使用和对土壤扬尘、道路扬尘的控制，较易被去除的大粒子的排放水平有很大的降低，但由于细粒子的去除比较困难，细粒子的排放水平没有显著下降，它在大气气溶胶中的比例反而有所上升。因此，许多发达国家早已把大气气溶胶的环境标准由总悬浮颗粒物（TSP＜100µm）改变为对人体健康危害更大的PM10（又称为可吸入颗粒物或IP＜10µm），并对PM10的污染现状、来源、环境影响、健康影响和控制对策等问题进行了一系列深入的调查研究。特别是美国经过多年的研究，注意到控制大气气溶胶的污染，不能只控制总悬浮微粒物（TSP）的排放，更应重点控制PM10，甚至PM2.5（颗粒粒径＜2.5µm）的排放，为此，美国联邦环保局（EPA）于1997年6月新颁布的大气环境质量标准中增加了PM2.5的标准。而大量的研究表明对人体健康和大气环境影响最大的恰恰是粒径＜2.5µm的粒子。近几年，在大气气溶胶的研究中，人们逐渐重视细粒子，并对PM2.5、PM1和凝结核（＜0.1µm）进行系统的研究。 我国已开始重视细粒子的污染和控制问题，1982年首次颁布的大气环境质量标准中只将飘尘（相当于PM10）作为参考标准，而1996年颁布的新修订的《环境空气质量标准（GB 3095-1996）》已将飘尘改称为可吸入颗粒物（IP），并列为正式标准，同时增加了大气气溶胶中苯并[a]芘的浓度标准。这也表明中国正在由单一的TSP控制转向TSP和细粒子共同控制。但对细粒子的产生、作用机理的研究及控制技术的开发都还不够[11]。 在传统除尘技术方面，中国已经研究并开发了多种实用有效的技术，我国有90％的火电站装了除尘器，平均除尘效率达90％，其中静电除尘（除尘效率达96％）仅占总数的12％。新建大型电站靠高烟囱（210米以上）扩散，扩散效果虽不差，可减轻附近城市的空气污染，但不能解决地区的污染问题。由于受资金不足的制约，我国大型燃煤锅炉仅配备3―4个电场的电除尘器，加之国产除尘设备运行不稳定，控制性能差，实际排放浓度往往高于现有标准[7]。 相比之下， 欧洲、美国、日本的大型电站燃煤锅炉都配备5个甚至更多电场的高效静电除尘器或多室的布袋除尘器，除尘效率高于99.9%，实际排放浓度都低于标准要求，一般为50mg／Nm3。 我国目前的总体平均除尘效率在95％左右，只相当于发达国家20世纪70年代的水平。 目前国外烟气净化技术比较成熟先进，我国必须与国外合作，学习借鉴国外先进技术经验。另一方面，当务之急是发展我国自己的烟气净化技术及产业，逐步实现烟气净化技术和设备的国产化。 1.4机动车污染控制技术和光化学污染研究[8] 机动车排放的大量NOx和VOCs（挥发性有机有毒物）是生成03和形成光化学污染的最主要前体物，而NOx经过一系列的光化学反应还能生成硝酸盐气溶胶。北美、欧洲和日本等发达国家的经验表明，NOx污染的控制比较困难，在这些国家中NOx的达标率往往低于其它大气污染物。中国以往以SO2和大气气溶胶污染作为大气污染防治研究工作的重点，对N0x和VOCs的研究很少。目前在中国一些大城市和沿海经济比较发达的城市中NOx的污染水平则有相当大的提高，如北京市1998年城市区域观测点年平均N0x的浓度达到0.15mg/立方米，超过二级标准2倍。同时，机动车还可能排放出一氧化碳和细粒子，进而影响大气环境质量和人体健康。 通过多年的研究和开发，国外提出了以控制汽油车气态污染物为主的三元催化技术和以控制柴油车细粒子排放为主的净化技术，其中前者已经比较成熟，而后者则存在着一些技术问题，开发遇到了一定困难。尽管如此，发达国家在机动车尾气排放控制方面已经做出了很大的成绩，其机动车排放系数往往只有中国的10％或更低。目前，国外正在进行极低排放，甚至零排放的机动车尾气净化技术的开发，机动车尾气净化技术的发展迅猛。 世界各国为控制城市光化学烟雾污染作出了艰苦的努力，对光化学烟雾的特征、形成机制、前体物的排放源清单、光化学污染控制策略开展了深入细致的研究，取得了很大进展。然而，尽管许多发达国家空气质量有明显的改善，但大气中03浓度仍居高不下，成为世界各国共同面临的大气环境问题。美国于1980年代中后期开展了为期10年的南方氧化剂研究计划，旨在进一步弄清大气光化学氧化剂的形成机制及光化学自由基的反应，研究区域性光化学氧化剂污染的控制技术和对策。目前，该项目的研究仍在延续和进行。 我国在20世纪70年代末首次在兰州西固石油化工区发现光化学烟雾污染。近十年来，随着经济的发展和机动车保有量的快速增长，北京、上海、广州和深圳等城市频繁观测到NOx污染相当严重的光化学烟雾现象。虽然我国于20世纪80年代在与NOx具有关联性的光化学污染方面进行了一些研究，但之后基本上没有再进行大规模的调查和研究，特别是近来在机动车及其排放不断增长和汽油品质发生重要变化的污染形势下，尚未对其造成的光化学污染及其特征进行深入研究。 为解决汽车尾气污染问题，我国已攻克了催化净化器产业化关键技术和柴油机颗粒物排放净化技术。最近，我国研制成功一种新的自动补气尾气净化装置[12]，它几乎能净化尾气中的全部一氧化碳和碳氢化合物，对NOx也有降低作用。(end)

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