关于雾霾,最大的误解是“导致雾霾的污染物和能耗成正比,要消灭雾霾只能减少能耗”。导致雾霾的污染物,除了SO2是主要物种(major species)外,大多是燃烧过程的次要物种(minor species, 比如一次PM2.5, NOx, CO,挥发性有机化合物VOC)和工业过程的逃逸物(挥发性有机化合物VOC)。次要物种排放和工业过程的逃逸物排放是可以避免或者降到极低的。所有化石燃料, 主要成分都是C 和H,还有少量的其他元素(S, N,O等)。煤炭含有较多的S和N,所以烧煤污染比较严重. 天然气基本上就是C和H,其他元素只有很少量,所以烧天然气污染比较轻,但也产生NOx, 除非采用低氮燃烧器或超低氮燃烧器。限于篇幅,我对火焰化学极度简化。
主要物种(Major Species)
主要物种(CO2, H2O, O2, N2, SO2)是完全燃烧不可避免的产物,可以按照物料平衡的原则计算出产量,通常产量也比较大,常用体积百分比(%)来表达。
1.1 碳和氢的氧化
化石燃料的燃烧,C和H的氧化可以概括为以下几个反应:
C + O2 = CO2
H2 + ½ O2 = H2O
CH4 + 2O2 = CO2 + 2 H2O (天然气)
。。。
但是空气里有21%氧气,78%氮气,1%左右别的气体(Ar,He,CO2等)。为了简化,就说21%氧气,79%氮气吧. 就是说,每一体积的氧气,要带着3.762个体积的氮气。
C + O2 +3.762 N2 =CO2 + 3.762 N2
H2 + ½ (O2+3.762 N2) = H2O+ 1.881 N2
CH4 + 2(O2+3.762 N2) = CO2+ 2 H2O + 7.524N2(甲烷完全燃烧)。
二氧化碳(CO2)和雾霾的产生没有直接关系。
1.2 硫的氧化
S+ O2 +3.762 N2 = SO2 +3.762 N2
要避免二氧化硫,只能对燃料脱硫,或者对燃烧产生的尾气脱硫。
2. 次要物种(Minor Species)
次要物种是燃烧过程中不一定要产生的物种,包括黑炭(soot)PM2.5,NOx, SO3,VOC. 次要物种不能按照物料平衡的原则计算出产量,通常产生量也比较小,常用百万分之一(ppm)来表达。
燃烧机理极其复杂,简单的甲烷燃烧,可以涉及53个物种和325个反应,请看附录。
2.1黑炭soot颗粒
黑炭soot颗粒通常在局部缺氧的情况下由乙炔交联成苯环,苯环再交联成稠环芳香烃,稠环芳香烃再交联脱氢形成。在火焰中容易被氧化烧掉。可以说,黑炭soot颗粒要从火焰中逃出,变成一次PM2.5进入大气,不是必然的,而是九死一生的机会。控制得当,可以把一次PM2.5降到很低。
2.2 三氧化硫
SO2 + ½ O2 = SO3
要避免三氧化硫的排放,可以通过燃料脱硫,或者对燃烧产生的尾气脱硫。
2.3 一氧化碳
C + ½ O2 = CO (碳不完全燃烧,燃烧中间产物)。
燃烧控制得当,可以把CO降到<0.1ppm。
2.4 挥发性有机化合物VOC
VOC (volatile organic compounds)也可以是燃烧中间产物,由不完全燃烧产生。但是,VOC还有别的来源,如加油站,产品上漆过程,工厂烟囱尾气,高架火炬不完全燃烧等。VOC排放是可以避免或通过技术减到很低的(<1 ppm)。
2.5 氮氧化物NOx
N2+ O2 = 2 NO
NO + ½ O2 = NO2
空气中氮气很稳定,要氧化成氮氧化物一定要高温。通过低氮和超低氮燃烧技术,可以把NOx降到很低。
燃料(煤,油)中固有的氮比较麻烦,在燃烧过程中通常都转化为NOx. 但采用分级燃烧或者SCR/SNCR也可以变为无害的氮气。氮氧化物控制技术,是当今燃烧技术的皇冠上的明珠。西方燃烧技术的研发投入,绝大部分用在氮氧化物控制上。
一般而言,导致雾霾的次要物种,在控制不当的情况下可以高于10,000 ppm(上不封顶),控制得当也可以< 5 ppm,甚至有些污染物可以<0.01ppm (可以说等于零). 关键在于燃烧技术和燃烧过程控制。采用先进技术,对一些次要物种污染物可以减排超过90%,甚至超过99%。相比之下,在相同的燃烧技术条件下减少能耗50%,只能减烧污染物排放50%。
所以说,关于雾霾,最大的误解是“导致雾霾的污染物和能耗成正比,消灭雾霾只能减少能耗”。
以中国现在的经济发展阶段,总能耗恐怕还要增长15年。到2030年总能耗能下降就算乐观的了。所以,治理雾霾,要从控制导致雾霾的次要物种污染物开始。导致雾霾的次要物种 本来就没有出生证,乃是不必要出生的怪物,为何不扼杀于污染源呢?
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