摘要： 通過對(duì)有色煙羽相關(guān)概念的探討,揭示白煙與藍(lán)煙主要組分間的差異，并重點(diǎn)分析藍(lán)煙的主要組分可凝結(jié)顆粒物的特性?；谀Y(jié)核活化、增長和碰并沉降的自然機(jī)理,提出一種新的可凝結(jié)顆粒物去除技術(shù)，即云除技術(shù).熱力鍋爐和電廠的實(shí)驗(yàn)測試表明，該云除技術(shù)能夠有效地去除鍋爐排放中的可凝結(jié)顆粒物，平均去除率接近70％。該技術(shù)對(duì)于重金屬具有協(xié)同去除效應(yīng)，其中對(duì)于重金屬汞的去除率可達(dá)50％左右。對(duì)有色煙羽概念的探討有助于更為清晰明確地認(rèn)識(shí)和理解可凝結(jié)顆粒物，云除技術(shù)為電廠、鋼廠和熱力鍋爐等多個(gè)行業(yè)可凝結(jié)顆粒物的管控提供了新的治理手段。

2014 年，國家發(fā)改委、原環(huán)保部、國家能源局等印發(fā)了《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020 年）》 ，拉開了燃煤電廠實(shí)施超低排放的序幕。2015 年8 月29 日修訂的《中華人民共和國大氣污染防治法》 明確了防治大氣污染的目標(biāo)從原有的“大氣污染物的排放總量進(jìn)行控制”轉(zhuǎn)為“改善大氣環(huán)境質(zhì)量”。截至2017 年底，全國已投運(yùn)的超低排放煤電機(jī)組容量達(dá)6.4 億kW，占煤電機(jī)組總?cè)萘康?1％。與2010 年相比，2016 年電力行業(yè)煙塵、二氧化硫、氮氧化物的排放量分別下降了88.6％、81.6％ 和85.2％。京津冀、長三角、珠三角2017 年的PM2.5 平均濃度與2013 年相比分別下降了39.6％、34.3％、27.7％ ， 北京市PM2.5 平均濃度下降了34.8％，達(dá)到58 μg／m3 ，治理成效顯著。但環(huán)境空氣中PM2.5地面濃度的削減幅度要遠(yuǎn)小于煙塵、二氧化硫、氮氧化物，尤其是在重污染區(qū)域。因此，僅靠電力行業(yè)的超低排放遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能消除霧霾。

就此問題，在國家層面上，《政府工作報(bào)告》《中共中央國務(wù)院關(guān)于全面加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)堅(jiān)決打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的意見》《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃的通知》等文件均明確要求“推動(dòng)鋼鐵等行業(yè)超低排放改造”；在地方層面上，上海、浙江、天津、河北、江蘇等省市先后發(fā)文，要求轄區(qū)內(nèi)電力等行業(yè)開展有色煙羽治理行動(dòng)，深度凈化排放煙氣內(nèi)作為霧霾前體物之一的可凝結(jié)顆粒物。但該行動(dòng)在實(shí)施過程被部分群體簡單地認(rèn)為僅是消除“白煙／濕煙氣”的“脫白”行動(dòng) ，引發(fā)了環(huán)保行業(yè)內(nèi)的諸多爭議。針對(duì)此問題，本文系統(tǒng)性闡述有色煙羽的概念，并就現(xiàn)有可凝結(jié)顆粒物管控技術(shù)情況進(jìn)行論述，以期更好地推進(jìn)可凝結(jié)顆粒物治理與管控。

1 有色煙羽及可凝結(jié)顆粒物相關(guān)概念

有色煙羽泛指視覺上看到的工業(yè)鍋爐排放出來的有色干濕煙氣。其構(gòu)成較為復(fù)雜，包含多種非常規(guī)污染物。由于組分不同，有色煙羽有別于較為干凈的白霧。需要注意的是，很多工業(yè)鍋爐排放出來的煙氣在煙囪口處多呈現(xiàn)白色，經(jīng)常被稱為白煙。白煙當(dāng)中既可能含有大量的顆粒物，也可能較為干凈，多為含有一定的顆粒物的水滴組成的霧滴。這兩種情景使得我們不能簡單地把“白煙”歸為有色煙羽，或把有煙羽等同為“白煙”。

煙羽：又稱煙云（Smoke Cloud）、煙流（SmokePlume），是從工廠煙囪中連續(xù)排放出來的煙體，有較明顯的拖尾現(xiàn)象，外形呈羽毛狀，因而得名。

霧： 是指在接近地球表面的大氣中懸浮的由小水滴或冰晶組成的水汽凝結(jié)物，是一種常見的現(xiàn)象。

有色煙羽：依照《上海市燃煤電廠石膏雨和有色煙羽測試技術(shù)要求（試行）》中的定義，燃煤電廠排放煙氣在從煙囪口排入大氣過程中因溫度降低，煙氣中部分氣態(tài)水和污染物會(huì)發(fā)生凝結(jié)，在煙囪口形成霧狀水汽，霧狀水汽會(huì)因天空背景色和天空光照、觀察角度等原因發(fā)生顏色的細(xì)微變化，形成有色煙羽，通常為白色、灰白色或藍(lán)色等顏色，如圖1 所示。


白煙：煙氣剛出煙囪口，冷卻凝結(jié)形成的液滴凝結(jié)體，呈白色云狀，濃淡變化較大，這部分被稱為白色煙羽或白煙。如白煙含顆粒物較少，環(huán)境溫濕度適宜時(shí)會(huì)很快蒸發(fā)消散，不形成明顯的拖尾現(xiàn)象。
藍(lán)煙：當(dāng)煙氣內(nèi)污染物較多時(shí)，白煙消散之后還會(huì)殘留一層淡淡如紗般的煙羽，拖尾明顯，在夏日陽光充足時(shí)煙羽內(nèi)的細(xì)顆粒物會(huì)散射陽光，形成藍(lán)煙。

因?yàn)樗{(lán)煙含有較高的細(xì)顆粒物，可以認(rèn)為其是真正的煙羽，包含常規(guī)粉塵及危害較大的可凝結(jié)顆粒物。白煙與藍(lán)煙特征對(duì)比如表1 所示。


可凝結(jié)顆粒物（Condensable Particulate Matter，CPM）：美國環(huán)境保護(hù)署（EPA）自1983 年開始關(guān)注可凝結(jié)顆粒物的排放，將其定義為在煙道內(nèi)條件下為氣相物，但從煙道排出后因環(huán)境空氣中的冷卻和稀釋，通過冷凝形成固體或液體顆粒物的一類物質(zhì) 。國內(nèi)外學(xué)術(shù)界皆將可凝結(jié)顆粒物歸為一次顆粒物。

可凝結(jié)顆粒物具有如下特征：

（1）粒徑小?？赡Y(jié)顆粒物通常以冷凝核的形式存在，直徑多在20 nm 到1 μm，屬亞微米顆粒物（PM1 ）。在相同質(zhì)量濃度下，相比常規(guī)粉塵，其粒子數(shù)濃度、比表面積更大 。

（2）濃度較常規(guī)粉塵更大。從質(zhì)量濃度來看，2014 年上海市環(huán)境監(jiān)測中心測得上海燃煤電廠煙氣中可凝結(jié)顆粒物排放濃度為21.2 ±3.5 mg／m3 ；

2015年北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測中心測得超低改造后的燃煤電廠常規(guī)粉塵排放濃度低于1 mg／Nm3 ，可凝結(jié)顆粒物排放濃度在10 mg／Nm3 以上 ?？紤]到可凝結(jié)顆粒物粒徑較小，多在1 μm 以下，因此如將質(zhì)量濃度換算成粒子數(shù)濃度，其總量相當(dāng)可觀。

（3）停留時(shí)間長且擴(kuò)散距離遠(yuǎn)?？赡Y(jié)顆粒物因其粒徑小，難以沉降或直接被雨水沖刷去除，在大氣中的停留時(shí)間長，且污染擴(kuò)散距離遠(yuǎn) 。

（4）毒性較強(qiáng)。利用檢測設(shè)備獲取可凝結(jié)顆粒物樣本，分析發(fā)現(xiàn)其主要分為無機(jī)、有機(jī)兩大類，其中無機(jī)組分通常占到總質(zhì)量的一半以上，主要是硫酸鹽，并含有部分硝酸鹽、亞硝酸鹽、重金屬。有機(jī)組分通常在30％左右，最高可達(dá)60％以上，也是不容忽視的重要組成。這些組分在大氣中比表面積大，活性強(qiáng)，易附帶重金屬、病毒等有毒、有害物質(zhì)，容易造成較大的健康危害。

（5）可吸濕長大。不同于常規(guī)粉塵，可凝結(jié)顆粒物的吸濕性更強(qiáng)。當(dāng)大氣相對(duì)濕度升高時(shí)，亞微米硫酸鹽可吸濕長大，從幾十納米增長到幾百納米，粒徑增長可達(dá)2 ～7 倍。

（6）危害較大?？赡Y(jié)顆粒物的大量排放既對(duì)霧霾的形成產(chǎn)生重要作用，還會(huì)改變?cè)频陌l(fā)生、發(fā)展、消散過程，從而改變降水格局和地表能量平衡；同樣會(huì)改變大氣熱力狀態(tài)，引發(fā)大氣靜穩(wěn)狀態(tài) ，促進(jìn)污染加劇，是當(dāng)前重污染天氣頻發(fā)的成因之一。

值得注意的是，可凝結(jié)顆粒物不同于可溶性鹽?？扇苄喳}（Soluble Salts）泛指所有溶于水的鹽類，包括易溶鹽、中溶鹽和難溶鹽3 種。在煙氣治理領(lǐng)域，可溶性鹽多數(shù)情況下是指脫硫漿液特別是脫硫塔逃逸的脫硫液滴中的總?cè)芙鈶B(tài)固體（Total DissolvedSolids，TDS）。當(dāng)前燃煤電廠超低排放改造后，要求將液滴逃逸率控制在25 mg／Nm3 （鎂離子示蹤法）以下，總?cè)芙鈶B(tài)固體折算控制在1 mg／Nm3 左右，并不是有色煙羽治理的主要目標(biāo)。

2 國內(nèi)外可凝結(jié)顆粒物管控技術(shù)現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外針對(duì)可凝結(jié)顆粒物的管控與治理等已經(jīng)開展了一定研究。對(duì)可凝結(jié)顆粒物管控主要包含檢測和去除兩個(gè)方面。

2.1 檢測技術(shù)

準(zhǔn)確的檢測技術(shù)是可凝結(jié)顆粒物管控工作的基礎(chǔ)。早在1991 年，EPA 就提出了用于可凝結(jié)顆粒物檢測的方法———Method 202。EPA Method 202 被提出之后，不斷有新的可凝結(jié)顆粒物檢測技術(shù)出現(xiàn)，如EPA CTM-039 方法和OTM28 方法、日本質(zhì)量保證機(jī)構(gòu)的JQA 方法和西班牙塞維利亞大學(xué)工程學(xué)院的DIQA 方法 。這些方法都是在EPA Method 202 原理基礎(chǔ)上改進(jìn)形成的。

自2014 年起，上海市環(huán)境監(jiān)測中心、北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測中心、中國環(huán)境科學(xué)研究院也依據(jù)我國燃煤煙氣特點(diǎn)，各自提出了更適宜我國國情的可凝結(jié)顆粒物檢測優(yōu)化方法，并開展了實(shí)測應(yīng)用。

相比成熟豐富的離線檢測方法，針對(duì)可凝結(jié)顆粒物在線監(jiān)測設(shè)備的研發(fā)成果相對(duì)較少，目前尚未形成應(yīng)用案例。

2.2 去除技術(shù)

依據(jù)可凝結(jié)顆粒物的特性，其去除技術(shù)可以分成如下4 種路線：

（1）冷凝后經(jīng)一次除塵器去除?？赡Y(jié)顆粒物的典型去除技術(shù)為低低溫除塵器，其先將從空預(yù)器出來的煙氣溫度從120 ℃降到80 ℃以下，讓可凝結(jié)顆粒物主要前體物SO3 凝結(jié)析并被堿性粉煤灰吸附，再在后面的除塵器內(nèi)協(xié)同去除，可實(shí)現(xiàn)低低溫除塵器出口SO3 濃度低于1 ppm。

（2）脫硫后經(jīng)二次除塵器去除。因可凝結(jié)顆粒物粒徑很小，常規(guī)除霧器對(duì)其去除效果較差，又因脫硫后煙氣濕度很大，袋式除塵器難以直接應(yīng)用，國內(nèi)外多選用濕電除塵器去除脫硫后的可凝結(jié)顆粒物。從原理來看，濕電除塵器對(duì)可凝結(jié)顆粒物應(yīng)該具有較好的去除效果。事實(shí)上，在我國引進(jìn)該技術(shù)時(shí)，國外技術(shù)方也宣稱其對(duì)于可凝結(jié)顆粒物有70％的去除率。然而，當(dāng)濕電除塵器投運(yùn)后，測試結(jié)果顯示可凝結(jié)顆粒物去除率普遍不高。例如，上海長興島項(xiàng)目公開數(shù)據(jù)顯示，其濕電除塵器對(duì)可凝結(jié)顆粒物的去除率僅為3.5％。

（3）脫硫后冷卻煙氣，促進(jìn)顆粒物長大，再經(jīng)二次除塵器去除。為彌補(bǔ)現(xiàn)有濕電除塵器對(duì)于亞微米顆粒物去除率低的問題，很多研究提出了在脫硫后對(duì)煙氣進(jìn)行冷卻，從而利用凝結(jié)增長促進(jìn)顆粒物長大，最后進(jìn)行二次除塵器的去除。依據(jù)此技術(shù)路線開發(fā)了凝變除濕復(fù)合深度凈化技術(shù)。2014 年，國電常州電廠1＃機(jī)組應(yīng)用該技術(shù)，濕法脫硫后凈煙氣經(jīng)氟塑料換熱器冷卻2℃，促進(jìn)可凝結(jié)顆粒物的長大，再經(jīng)濕電除塵器。

（4）脫硫后依據(jù)大氣物理云內(nèi)去除機(jī)理直接去除。依據(jù)亞微米粒子在大氣中的云內(nèi)去除機(jī)理，充分利用可凝結(jié)顆粒物的冷凝凝結(jié)增長、碰并增長、粘性拖曳、熱泳團(tuán)聚等手段，開發(fā)了專用于可凝結(jié)顆粒物去除的“云除技術(shù)”。該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于可凝結(jié)顆粒物的高效去除，去除率接近70％。

3 云除技術(shù)機(jī)理及應(yīng)用概況

3.1 技術(shù)機(jī)理

大氣中顆粒物主要有兩種自凈機(jī)制：干沉降和濕沉降。干沉降是指顆粒物通過重力沉降、湍流擴(kuò)散和碰撞等物理傳輸而被植物、建筑物和地面土壤捕獲（表面吸附或吸收）的過程，而濕沉降是指作為云或霧凝結(jié)核伴隨云滴或霧滴沉降的過程。

濕沉降包括云內(nèi)清除和云下清除兩個(gè)階段。云下清除指的是雨滴在降落過程中，通過慣性碰并過程和布朗擴(kuò)散作用俘獲氣溶膠質(zhì)粒，使之從大氣中清除，主要對(duì)粗模態(tài)顆粒有效。云內(nèi)清除是指顆粒物充當(dāng)云凝結(jié)核，凝結(jié)增長，通過布朗運(yùn)動(dòng)、泳移或慣性碰并過程，在云內(nèi)清除大量顆粒物，主要是半徑大于0.1 μm的較大質(zhì)粒和愛根核，且隨著過飽和度的加大，清除率會(huì)獲得更大提升。

濕法脫硫后的凈煙氣通常為近飽和濕煙氣，可凝結(jié)顆粒物多滿足凝結(jié)核的條件，可依據(jù)大氣物理中的云內(nèi)清除機(jī)理，結(jié)合燃煤煙氣脫硫除塵設(shè)備的特點(diǎn)，開發(fā)出專用于凈煙氣去除細(xì)顆粒物的云除系統(tǒng)，減排可凝結(jié)顆粒物、可溶性鹽、水分，有效消除藍(lán)煙、白煙。

云除系統(tǒng)主要包括熱泳碰并器和水平除霧器，二者在凈煙道內(nèi)串聯(lián)布置。利用熱泳碰并器處理高濕度凈煙氣，其高密度翅片管結(jié)構(gòu)有利于形成邊界層，而且金屬翅片導(dǎo)熱性能強(qiáng)，作為冷卻器，可在翅片表面與凈煙氣間形成較大的溫度梯度，利用熱泳力推動(dòng)可凝結(jié)顆粒物向翅片表面沉降。此外，對(duì)高濕度凈煙氣進(jìn)行降溫，會(huì)導(dǎo)致水蒸汽凝結(jié)，既可以在翅片表面與凈煙氣間形成蒸汽壓梯度，產(chǎn)生蒸汽壓梯度力，與熱泳力結(jié)合，共同推動(dòng)可凝結(jié)顆粒物向翅片表面沉降，同時(shí)又可在翅片管外表面形成冷凝水膜，沉降的可凝結(jié)顆粒物溶于水膜從而減少二次攜帶。

凈煙氣通過熱泳碰并器仍會(huì)形成一定量的液滴攜帶，逃逸液滴粒徑較大（通常大于20 μm），可在后面的水平除霧器中被攔截，保證高濕度凈煙氣中的可凝結(jié)顆粒物的高效去除。

3.2 應(yīng)用概況

2016 年12 月，對(duì)廊坊某65 t／h 供暖鍋爐使用云除系統(tǒng)前后的可過濾顆粒物排放濃度、重金屬排放濃度進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如圖2 所示?！霸瞥啊贝碓瞥夹g(shù)使用前的顆粒物濃度，“云除后”代表經(jīng)過云除技術(shù)后的顆粒物濃度，兩者之差為云除系統(tǒng)去除的顆粒物濃度。檢測結(jié)果顯示，云除系統(tǒng)對(duì)顆粒物的去除率在46％ ～79％，平均去除效率約為61.7％，出口顆粒物濃度在1 mg／Nm3 以下。


云除系統(tǒng)對(duì)于重金屬同樣具有較好的去除效果。如圖3 所示，云除技術(shù)對(duì)于汞的整體去除率可以達(dá)到50％以上，主要是氣態(tài)汞（納米級(jí)細(xì)顆粒態(tài)汞）。此外，對(duì)鉻、砷、硒、鎘、鉛的去除率分別為14.2％、24.3％、48.5％、4.9％、14.5％。研究發(fā)現(xiàn)，云除系統(tǒng)對(duì)于重金屬的去除率與重金屬沸點(diǎn)有關(guān)，沸點(diǎn)越低，去除率相對(duì)越高。


2017 年11 月，云除技術(shù)在陜西某發(fā)電廠300MW 發(fā)電機(jī)組進(jìn)行中試。依照EPA Method 202，檢測顯示該機(jī)組濕法脫硫后的可凝結(jié)顆粒物濃度可達(dá)20 mg／Nm3 左右，云除系統(tǒng)可以有效地去除可凝結(jié)顆粒物，去除率接近70％，其中對(duì)于可凝結(jié)顆粒物有機(jī)組分的去除率（約80％）高于可凝結(jié)顆粒物無機(jī)組分（約50％），如圖4 所示。


綜上分析，云除技術(shù)對(duì)粉塵的去除率可以達(dá)到60％以上，對(duì)可凝結(jié)顆粒物的去除率接近70％，脫汞率可達(dá)50％以上。

4 結(jié)論與建議

本文詳細(xì)闡述了煙羽、霧、白煙、藍(lán)煙、有色煙羽、可凝結(jié)顆粒物、可溶性鹽等概念和相關(guān)形成機(jī)理，揭示了其差異之處。同時(shí)，總結(jié)了國內(nèi)外可凝結(jié)顆粒物管控技術(shù)現(xiàn)狀。此外，以云除技術(shù)為例，介紹了當(dāng)前我國可凝結(jié)顆粒物治理技術(shù)的發(fā)展概況及趨勢。

一般來說，可凝結(jié)顆粒物濃度高、粒徑小、吸附能力強(qiáng)、危害大，是重要的實(shí)際大氣污染貢獻(xiàn)成分?？紤]到其濃度值較高，可凝結(jié)顆粒物的治理應(yīng)該成為后超低排放時(shí)代重污染區(qū)域霧霾治理的工作重點(diǎn)。

為更好地推進(jìn)可凝結(jié)顆粒物治理與管控，建議采取如下具體措施：

（1）在國家層面，盡早出臺(tái)適合我國國情的可凝結(jié)顆粒物的檢測標(biāo)準(zhǔn)。

（2）在東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，率先開展電力、鋼鐵、焦化等行業(yè)有色煙羽治理行動(dòng)，并以可凝結(jié)顆粒物或SO3 等特征指標(biāo)的減排效果作為有色煙羽治理成效的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

（3）在相關(guān)行業(yè)協(xié)會(huì)或技術(shù)管理部門收集有色煙羽治理項(xiàng)目信息，及時(shí)進(jìn)行效果檢測及技術(shù)評(píng)估。

（4）以檢測、評(píng)估結(jié)果為基礎(chǔ)，適時(shí)將可凝結(jié)顆粒物或SO3 等特征指標(biāo)納入未來超低排放標(biāo)準(zhǔn)體系。