摘要： 通過對有色煙羽相關概念的探討,揭示白煙與藍煙主要組分間的差異，并重點分析藍煙的主要組分可凝結顆粒物的特性。基于凝結核活化、增長和碰并沉降的自然機理,提出一種新的可凝結顆粒物去除技術，即云除技術.熱力鍋爐和電廠的實驗測試表明，該云除技術能夠有效地去除鍋爐排放中的可凝結顆粒物，平均去除率接近70％。該技術對于重金屬具有協同去除效應，其中對于重金屬汞的去除率可達50％左右。對有色煙羽概念的探討有助于更為清晰明確地認識和理解可凝結顆粒物，云除技術為電廠、鋼廠和熱力鍋爐等多個行業可凝結顆粒物的管控提供了新的治理手段。

2014 年，國家發改委、原環保部、國家能源局等印發了《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014—2020 年）》 ，拉開了燃煤電廠實施超低排放的序幕。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從原有的“大氣污染物的排放總量進行控制”轉為“改善大氣環境質量”。截至2017 年底，全國已投運的超低排放煤電機組容量達6.4 億kW，占煤電機組總容量的71％。與2010 年相比，2016 年電力行業煙塵、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％，達到58 μg／m3 ，治理成效顯著。但環境空氣中PM2.5地面濃度的削減幅度要遠小于煙塵、二氧化硫、氮氧化物，尤其是在重污染區域。因此，僅靠電力行業的超低排放遠遠不能消除霧霾。

就此問題，在國家層面上，《政府工作報告》《中共中央國務院關于全面加強生態環境保護堅決打好污染防治攻堅戰的意見》《國務院關于印發打贏藍天保衛戰三年行動計劃的通知》等文件均明確要求“推動鋼鐵等行業超低排放改造”；在地方層面上，上海、浙江、天津、河北、江蘇等省市先后發文，要求轄區內電力等行業開展有色煙羽治理行動，深度凈化排放煙氣內作為霧霾前體物之一的可凝結顆粒物。但該行動在實施過程被部分群體簡單地認為僅是消除“白煙／濕煙氣”的“脫白”行動 ，引發了環保行業內的諸多爭議。針對此問題，本文系統性闡述有色煙羽的概念，并就現有可凝結顆粒物管控技術情況進行論述，以期更好地推進可凝結顆粒物治理與管控。

1 有色煙羽及可凝結顆粒物相關概念

有色煙羽泛指視覺上看到的工業鍋爐排放出來的有色干濕煙氣。其構成較為復雜，包含多種非常規污染物。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，很多工業鍋爐排放出來的煙氣在煙囪口處多呈現白色，經常被稱為白煙。白煙當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排放出來的煙體，有較明顯的拖尾現象，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物，是一種常見的現象。

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，煙氣中部分氣態水和污染物會發生凝結，在煙囪口形成霧狀水汽，霧狀水汽會因天空背景色和天空光照、觀察角度等原因發生顏色的細微變化，形成有色煙羽，通常為白色、灰白色或藍色等顏色，如圖1 所示。


白煙：煙氣剛出煙囪口，冷卻凝結形成的液滴凝結體，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，環境溫濕度適宜時會很快蒸發消散，不形成明顯的拖尾現象。
藍煙：當煙氣內污染物較多時，白煙消散之后還會殘留一層淡淡如紗般的煙羽，拖尾明顯，在夏日陽光充足時煙羽內的細顆粒物會散射陽光，形成藍煙。

因為藍煙含有較高的細顆粒物，可以認為其是真正的煙羽，包含常規粉塵及危害較大的可凝結顆粒物。白煙與藍煙特征對比如表1 所示。


可凝結顆粒物（Condensable Particulate Matter，CPM）：美國環境保護署（EPA）自1983 年開始關注可凝結顆粒物的排放，將其定義為在煙道內條件下為氣相物，但從煙道排出后因環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 。國內外學術界皆將可凝結顆粒物歸為一次顆粒物。

可凝結顆粒物具有如下特征：

（1）粒徑小。可凝結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 ）。在相同質量濃度下，相比常規粉塵，其粒子數濃度、比表面積更大 。

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

2015年北京市環境保護監測中心測得超低改造后的燃煤電廠常規粉塵排放濃度低于1 mg／Nm3 ，可凝結顆粒物排放濃度在10 mg／Nm3 以上 。考慮到可凝結顆粒物粒徑較小，多在1 μm 以下，因此如將質量濃度換算成粒子數濃度，其總量相當可觀。

（3）停留時間長且擴散距離遠。可凝結顆粒物因其粒徑小，難以沉降或直接被雨水沖刷去除，在大氣中的停留時間長，且污染擴散距離遠 。

（4）毒性較強。利用檢測設備獲取可凝結顆粒物樣本，分析發現其主要分為無機、有機兩大類，其中無機組分通常占到總質量的一半以上，主要是硫酸鹽，并含有部分硝酸鹽、亞硝酸鹽、重金屬。有機組分通常在30％左右，最高可達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，易附帶重金屬、病毒等有毒、有害物質，容易造成較大的健康危害。

（5）可吸濕長大。不同于常規粉塵，可凝結顆粒物的吸濕性更強。當大氣相對濕度升高時，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2 ～7 倍。

（6）危害較大。可凝結顆粒物的大量排放既對霧霾的形成產生重要作用，還會改變云的發生、發展、消散過程，從而改變降水格局和地表能量平衡；同樣會改變大氣熱力狀態，引發大氣靜穩狀態 ，促進污染加劇，是當前重污染天氣頻發的成因之一。

值得注意的是，可凝結顆粒物不同于可溶性鹽。可溶性鹽（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。在煙氣治理領域，可溶性鹽多數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溶解態固體（Total DissolvedSolids，TDS）。當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，總溶解態固體折算控制在1 mg／Nm3 左右，并不是有色煙羽治理的主要目標。

2 國內外可凝結顆粒物管控技術現狀

目前，國內外針對可凝結顆粒物的管控與治理等已經開展了一定研究。對可凝結顆粒物管控主要包含檢測和去除兩個方面。

2.1 檢測技術

準確的檢測技術是可凝結顆粒物管控工作的基礎。早在1991 年，EPA 就提出了用于可凝結顆粒物檢測的方法———Method 202。EPA Method 202 被提出之后，不斷有新的可凝結顆粒物檢測技術出現，如EPA CTM-039 方法和OTM28 方法、日本質量保證機構的JQA 方法和西班牙塞維利亞大學工程學院的DIQA 方法 。這些方法都是在EPA Method 202 原理基礎上改進形成的。

自2014 年起，上海市環境監測中心、北京市環境保護監測中心、中國環境科學研究院也依據我國燃煤煙氣特點，各自提出了更適宜我國國情的可凝結顆粒物檢測優化方法，并開展了實測應用。

相比成熟豐富的離線檢測方法，針對可凝結顆粒物在線監測設備的研發成果相對較少，目前尚未形成應用案例。

2.2 去除技術

依據可凝結顆粒物的特性，其去除技術可以分成如下4 種路線：

（1）冷凝后經一次除塵器去除。可凝結顆粒物的典型去除技術為低低溫除塵器，其先將從空預器出來的煙氣溫度從120 ℃降到80 ℃以下，讓可凝結顆粒物主要前體物SO3 凝結析并被堿性粉煤灰吸附，再在后面的除塵器內協同去除，可實現低低溫除塵器出口SO3 濃度低于1 ppm。

（2）脫硫后經二次除塵器去除。因可凝結顆粒物粒徑很小，常規除霧器對其去除效果較差，又因脫硫后煙氣濕度很大，袋式除塵器難以直接應用，國內外多選用濕電除塵器去除脫硫后的可凝結顆粒物。從原理來看，濕電除塵器對可凝結顆粒物應該具有較好的去除效果。事實上，在我國引進該技術時，國外技術方也宣稱其對于可凝結顆粒物有70％的去除率。然而，當濕電除塵器投運后，測試結果顯示可凝結顆粒物去除率普遍不高。例如，上海長興島項目公開數據顯示，其濕電除塵器對可凝結顆粒物的去除率僅為3.5％。

（3）脫硫后冷卻煙氣，促進顆粒物長大，再經二次除塵器去除。為彌補現有濕電除塵器對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煙氣進行冷卻，從而利用凝結增長促進顆粒物長大，最后進行二次除塵器的去除。依據此技術路線開發了凝變除濕復合深度凈化技術。2014 年，國電常州電廠1＃機組應用該技術，濕法脫硫后凈煙氣經氟塑料換熱器冷卻2℃，促進可凝結顆粒物的長大，再經濕電除塵器。

（4）脫硫后依據大氣物理云內去除機理直接去除。依據亞微米粒子在大氣中的云內去除機理，充分利用可凝結顆粒物的冷凝凝結增長、碰并增長、粘性拖曳、熱泳團聚等手段，開發了專用于可凝結顆粒物去除的“云除技術”。該技術能夠實現對于可凝結顆粒物的高效去除，去除率接近70％。

3 云除技術機理及應用概況

3.1 技術機理

大氣中顆粒物主要有兩種自凈機制：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核伴隨云滴或霧滴沉降的過程。

濕沉降包括云內清除和云下清除兩個階段。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散作用俘獲氣溶膠質粒，使之從大氣中清除，主要對粗模態顆粒有效。云內清除是指顆粒物充當云凝結核，凝結增長，通過布朗運動、泳移或慣性碰并過程，在云內清除大量顆粒物，主要是半徑大于0.1 μm的較大質粒和愛根核，且隨著過飽和度的加大，清除率會獲得更大提升。

濕法脫硫后的凈煙氣通常為近飽和濕煙氣，可凝結顆粒物多滿足凝結核的條件，可依據大氣物理中的云內清除機理，結合燃煤煙氣脫硫除塵設備的特點，開發出專用于凈煙氣去除細顆粒物的云除系統，減排可凝結顆粒物、可溶性鹽、水分，有效消除藍煙、白煙。

云除系統主要包括熱泳碰并器和水平除霧器，二者在凈煙道內串聯布置。利用熱泳碰并器處理高濕度凈煙氣，其高密度翅片管結構有利于形成邊界層，而且金屬翅片導熱性能強，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，利用熱泳力推動可凝結顆粒物向翅片表面沉降。此外，對高濕度凈煙氣進行降溫，會導致水蒸汽凝結，既可以在翅片表面與凈煙氣間形成蒸汽壓梯度，產生蒸汽壓梯度力，與熱泳力結合，共同推動可凝結顆粒物向翅片表面沉降，同時又可在翅片管外表面形成冷凝水膜，沉降的可凝結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顆粒物的高效去除。

3.2 應用概況

2016 年12 月，對廊坊某65 t／h 供暖鍋爐使用云除系統前后的可過濾顆粒物排放濃度、重金屬排放濃度進行檢測，檢測結果如圖2 所示。“云除前”代表云除技術使用前的顆粒物濃度，“云除后”代表經過云除技術后的顆粒物濃度，兩者之差為云除系統去除的顆粒物濃度。檢測結果顯示，云除系統對顆粒物的去除率在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。


云除系統對于重金屬同樣具有較好的去除效果。如圖3 所示，云除技術對于汞的整體去除率可以達到50％以上，主要是氣態汞（納米級細顆粒態汞）。此外，對鉻、砷、硒、鎘、鉛的去除率分別為14.2％、24.3％、48.5％、4.9％、14.5％。研究發現，云除系統對于重金屬的去除率與重金屬沸點有關，沸點越低，去除率相對越高。


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


綜上分析，云除技術對粉塵的去除率可以達到60％以上，對可凝結顆粒物的去除率接近70％，脫汞率可達50％以上。

4 結論與建議

本文詳細闡述了煙羽、霧、白煙、藍煙、有色煙羽、可凝結顆粒物、可溶性鹽等概念和相關形成機理，揭示了其差異之處。同時，總結了國內外可凝結顆粒物管控技術現狀。此外，以云除技術為例，介紹了當前我國可凝結顆粒物治理技術的發展概況及趨勢。

一般來說，可凝結顆粒物濃度高、粒徑小、吸附能力強、危害大，是重要的實際大氣污染貢獻成分。考慮到其濃度值較高，可凝結顆粒物的治理應該成為后超低排放時代重污染區域霧霾治理的工作重點。

為更好地推進可凝結顆粒物治理與管控，建議采取如下具體措施：

（1）在國家層面，盡早出臺適合我國國情的可凝結顆粒物的檢測標準。

（2）在東部經濟發達地區，率先開展電力、鋼鐵、焦化等行業有色煙羽治理行動，并以可凝結顆粒物或SO3 等特征指標的減排效果作為有色煙羽治理成效的評價指標。

（3）在相關行業協會或技術管理部門收集有色煙羽治理項目信息，及時進行效果檢測及技術評估。

（4）以檢測、評估結果為基礎，適時將可凝結顆粒物或SO3 等特征指標納入未來超低排放標準體系。