1998年上半年,我国南极长城站八次测得南极酸性降水,其中一次pH值为5.46。有趣的是,当刮偏南风或偏东风时,南极大陆因为没有人为排放,大气是新鲜的,所以测得降水的都接近于中性;当刮西北风时,来自南美洲和亚太地区的大气污染物将吹到我国南极站所处的南极半岛,遇到降水,形成酸雨。这说明:南极也不是“净土”。
酸雨给人类敲响了警钟。20世纪90年代科学家又在冰雪世界的南极和北极收集到了含有有毒农药成分的“毒雪”。“毒雪”形成与酸雨或酸雪形成过程极为相似。也是人类活动,使用人造的农药到田间,杀虫增产,但农药却进入了环境;也是通过大气远程传输;也是在高空中,污染物被雨雪冲刷;也是最终降落于地面,危害人类。由“酸雨”发展到“毒雪”,如此严重的环境恶化趋势,能不令人类反省吗?!
治理酸雨污染
我们知道矿物燃料燃烧排放出来的二氧化硫、氮氧化物以及它们的盐类,都是形成酸雨的主要原因。因此,减少硫氧化物和氮氧化物的排放量,是防止酸雨污染的主要途径。
治理酸雨污染的主要思路和措施是:尽量使用无污染的清洁能源,需要使用化石燃料的情况下,尽量选择含硫量较低的品种;在化石燃料使用前、使用过程中、使用后都进行酸性物质的去除和控制技术;对酸雨造成的污染进行修复,进行国际合作,缔结国际公约,全世界共同应对酸雨污染。
一、减少污染源
调整能源结构,增加无污染或少污染的能源比例,发展太阳能、核能、水能、风能、地热能等,是从源头上减少酸雨污染的措施。
风能是一种清洁能源,我国风能资源总量为16亿千瓦,约有10%可供开发利用,特别是内蒙古、新疆、青海、甘肃等省风能丰富,可用风能发电,目前风能的利用率处于非常低的水平,有很大的发展空间。
太阳能也是一种清洁能源,太阳能有两种利用途径:一种通过光电池把太阳辐射转化为电能,常见的利用途径是太阳能电池;另外一种通过太阳能集热器把太阳辐射转化为热能,最简单的就是居家使用的屋顶热水器。与传统电厂相比,太阳能热电厂具有两大优势:整个发电过程清洁,没有任何碳排放;利用的是太阳能,无须任何燃料成本。太阳能热发电还有一大特色,那就是其热能储存成本要比电池储存电能的成本低得多。但价格是影响太阳能热发电推广的一大障碍。
潮汐能是指月球、太阳对地球的引力变化引起潮汐现象,即周期性的海水平面升降,因海水涨落及潮水流动而产生的能量。海洋的潮汐中蕴藏着巨大的能量。在涨潮的过程中,汹涌而来的海水具有很大的动能,而随着海水水位的升高,就把海水的巨大动能转化为势能;在落潮的过程中,海水奔腾而去,水位逐渐降低,势能又转化为动能。潮汐能的利用方式主要是发电。潮汐发电是利用海湾、河口等有利地形,建筑水堤,形成水库,以便于大量蓄积海水,并在坝中或坝旁建造水力发电厂房,通过水轮发电机组进行发电。只有出现大潮,能量集中时,并且在地理条件适于建造潮汐电站的地方,从潮汐中提取能量才有可能。虽然这样的场所并不是到处都有,但世界各国都已选定了相当数量的适宜开发潮汐电站的站址。
地热能是由地壳抽取的天然热能,这种能量来自地球内部的熔岩,并以热力形式存在。地球内部的温度高达7000℃,而在130~160千米的深度处,温度会降至650℃~1200℃。透过地下水的流动和熔岩涌至离地面1~5千米的地壳,热力得以被转送至较接近地面的地方。地热可应用于发电。地热发电和火力发电的原理是一样的,都是利用蒸汽的热能在汽轮机中转变为机械能,然后带动发电机发电。不同的是,地热发电不像火力发电那样要装备庞大的锅炉,也不需要消耗燃料,它所用的能源就是地热能。将地热能直接用于采暖、供热和供热水是仅次于地热发电的地热利用方式。
考虑使用其他替代性的清洁能源,是解决包括治理酸雨污染在内的空气污染的最有效途径。但新能源的开发、利用需要技术和时间。当前情况下,化石燃料仍然是人类使用最多和最主要的能源,并且短时期内这种情况不会发生根本性的改变。因此,考虑化石燃料的使用中,更加注意选择产生较少二氧化硫和氮氧化物的原料,是比较有现实意义的。比如在火力发电和工业锅炉中使用低硫优质煤,或使用天然气和燃料油代替煤,可在一定程度上减少酸性物质的排放。
二、燃烧前和燃烧中减小污染
煤炭是世界上的一种重要化石燃料能源,在我国更是占到了一次能源总消费量的70%左右,并且这种局面在今后相当长的时间内不会改变。而针对煤炭的脱硫措施就相当重要,目前世界范围内已有近千套脱硫装置在运行,所用的脱硫方法也不尽相同。一般说来,燃煤设备的脱硫技术可以分为三大类,即燃烧前对燃料进行脱硫、燃烧中脱硫和燃烧后的烟气脱硫。
燃烧前脱硫包括煤的洗选、各种脱硫方法脱硫、煤的转化。
在煤使用前,先用水将煤洗一下,这当然不是为了干净,而是洗煤能达到脱硫的效果。由于煤和硫铁矿的密度不同,通过常规的洗煤就可除去煤中30%~50%的硫铁矿,如果采用更为先进的泡沫浮选工艺洗煤,则可以除去煤中40%~90%的硫铁矿。另外,洗煤的过程中,还可以把可溶性的硫酸盐一起除去。
生物技术脱硫是一种燃烧前脱硫的方法,它是利用微生物将铁矿石中的2价铁变成3价铁,把单体硫变成硫酸,从而在源头上实现了清洁生产的目的,是一种有发展前途的治理方法,取得了很好的效果,受到世界各国的重视。
例如,日本中央电力研究所从土壤中分离出一种硫杆菌,它是一种铁氧化细菌,能有效地去除煤中的无机硫。美国煤气研究所筛选出一种新的微生物菌株,它能从煤中分离有机硫而不降低煤的质量。捷克筛选出的一种酸热硫化杆菌,可脱除黄铁矿中75%的硫。目前,科学家已发现能脱去黄铁矿中硫的微生物还有氧化亚铁硫杆菌和氧化硫杆菌等。
除了生物技术脱硫法,还有其他一些脱硫方法,如化学浸出法、微波法、磁力脱硫法、溶剂精炼脱硫法等,这些方法也都试验成功,已经或正在应用到燃烧前的脱硫实践中去。
煤的转化是指将煤气化或者液化,在气化过程中,硫转化成硫化氢,可脱除,在液化过程中,用加氢的溶剂萃取法,硫铁矿不溶于溶剂可脱除,有机硫在加氢时转化为硫化氢,可脱除。这样一来,在气化与液化的过程中就可以脱除硫分,从而将煤转化成清洁的二次燃料。
煤在燃烧中的脱硫,主要是使用石灰(石灰石)作为脱硫剂,在燃烧中将它们喷入炉中,使氧化钙、氧气和二氧化硫发生反应,生成硫酸钙,避免二氧化硫气体的排出。发生这个反应的最佳温度是800℃~850℃,因此要使用这种脱硫方法时的最佳燃烧方式是流化床燃烧,因为其他的燃烧方式炉内温度不够理想,所以喷钙的脱硫效果不理想。
三、燃烧后的烟气处理
目前烟气脱硫被认为是控制二氧化硫最行之有效的途径。烟气脱硫主要分为干法、半干法和湿法。
所谓干法烟气脱硫,是指脱硫的最终产物是干态的。主要有旋转喷雾干燥法、炉内喷钙尾部增湿活化、循环流化床法、荷电干式喷射脱硫法、电子束照射法、脉冲电晕法以及活性炭吸附法等。
旋转喷雾烟气脱硫是利用喷雾干燥的原理,将吸收剂浆液雾化喷入吸收塔。在吸收塔内,吸收剂在烟气中的二氧化硫发生化学反应的同时,吸收烟气中的热量使吸收剂中水分蒸发干燥。完成脱硫反应后的废渣以干态排出。为了把它与炉内喷钙脱硫相区别,又把这种脱硫工艺称作半干法脱硫。
炉内喷钙尾部增湿活化法,是在炉内喷钙的基础上发展起来,即在空气预热器和除尘器间加装一个活化反应器,并喷水增湿,促进脱硫反应,使最终的脱硫效率达到70%~75%。此法比较适合中、低硫煤的脱硫,且由于活化器的安装对机组的运行影响不大,比较适合中小容量机组和老电厂的改造。后来,此法又进行了一些改进,增加了多级燃烧器来控制氮氧化物的排放量,由于采用分级送风燃烧,使局部温度降低,不但减少了氮氧化物的生成,而且使钙基脱硫剂避免了炉内高温烟气的影响,减少了脱硫剂表面的“死烧”,增加了反应表面积,提高了脱硫效率。
循环流化床脱硫技术,是在循环流化床中加入脱硫剂石灰石以达到脱硫的目的,由于流化床具有传质和传热的特性,所以在有效地吸收二氧化硫的同时还能除掉氯化氢和氟化氢等有害气体。利用循环床的一大优点是,可通过喷水将床稳控制在最佳反应温度下,通过物料的循环使脱硫剂的停留时间延长,大大提高钙利用率和反应器的脱硫效率。用此法可处理高硫煤,可以达到90%~97%的脱硫效率。
荷电干式喷射脱硫法的原理是,吸收剂以高速通过高压静电电晕充电区,得到强大的静电荷(负电荷)后,被喷射到烟气流中,扩散形成均匀的悬浊状态。吸收剂粒子表面充分暴露,增加了与二氧化硫反应的机会。同时由于粒子表现的电晕,增强了其活性,缩短了反应所需的滞留时间,有效提高了脱硫效率。
电子束照射法,是在烟气加入反应器之前先加入氨气,然后在反应器中用电子加速器产生的电子束照射烟气,使水蒸气与氧等分子激发产生氧化能力强的自由基,这些自由基使烟气中的二氧化硫和氮氧化物很快氧化,产生硫酸与硝酸,再和氨气反应形成硫酸铵和硝酸铵化肥。由于烟气温度高于露点,无须再热。