中国大气污染防治技术综述
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延拓，从早期偏重单纯研究污染引起的环境问题，扩展到现在全面研究生态系统、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少废、无废的清洁生产工艺、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。特别是“九五”以来，为控制和整治大气污染，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、汽车尾气处理技术、污染排放控制技术等方面开展了大量的研究和开发工作，取得了许多新成果。与此同时，如表1所列，大气污染治理也取得了很大进展。
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，全国二氧化硫、烟尘、工业粉尘等项主要大气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个环境保护重点考核城市中，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。“两控区”和电力、煤炭等行业编制了二氧化硫污染防治规划。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。
但是，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的排放量必须从每年近700万吨下降至170万吨，NOx的排放量从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、燃烧中和燃烧后三种脱硫工艺。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，经济适用的煤的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既节煤又干净，较多用于中小锅炉；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。
燃烧后烟气脱硫是当前世界唯一大规模商业化应用的脱硫方式，是控制S02污染和酸雨的主要技术手段。而烟气脱硫被认为是控制S02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。其中，湿式石灰石-石膏法、喷雾干燥法、炉内喷钙尾部增湿活化（LIFAC与LIMB)法、荷电干式喷射脱硫（CDSI)法是工艺成熟、应用较广的烟气脱硫方法。
目前，世界上运行着500座以上的烟气脱硫装置，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、炉内喷吸收剂一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)X对烟道气进行脱硫、脱氮的试验研究，取得了很好效果。其脱硫、脱氮反应在常温下进行，副产物硫酸、硫酸盐及硝酸、硝酸盐等可以连续回收。这种技术不仅脱硫、脱氮的性能较高，而且用水量少，所需设备简单，目前正在进行实用化研究。
电站锅炉是我国二氧化硫的主要排放源，排放的S02浓度低，综合利用难度大。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。“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开发方面取得了一定进展。为提高脱硫剂的脱硫效率，在Ca(OH)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。
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;“利用海水脱除电厂烟气中二氧化硫”的试验研究取得突破。
在自主开发研制的同时，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。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，脱硫率及脱硝率均分别超过80%及10%的设计值，各项运行消耗指标均低于设计值。
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上处于失控状态。至今，我国99%以上的电厂没有脱硫装置。从国外引进的先进除硫设备，无论何种脱硫工艺，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。总的来说，运行中在经济上是亏损的。
2脱氮技术
20世纪80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，制定并实施一些国际性合作方案。
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NOx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的全部燃烧设备的NOx排放总量到1993年要在1980年的基础上削减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，上述国家均已应用商业化的低NOx燃烧技术其中奥地利、日本和德国等已应用商业化的烟气脱氮技术而美国、丹麦、荷兰、瑞典等国处于烟气脱氮的示范工程阶段。
NOx排放控制技术大致可分为二类，即改进燃烧技术减少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的组合，其中一种工艺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,示范脱氮率达90%,脱硫率大于80%。另一种技术的工艺原理是以SCF去除NO”SO2催化氧化为SO3，在降膜冷凝中与凝结水合为硫酸，示范脱氮率达94%,脱硫率为95%。另一类SOVNOx联合脱除技术是利用吸附剂同时脱除SOx和NOx,小试已达到脱氮、脱硫率90%左右。第三类技术是类似的干法可再生工艺，其吸附剂为钠浸渍型AI2O3，SO2和NOx在1201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°C下加热释放NO”又用甲烷和蒸汽处理使释放出SO2和H2S而得以再生，脱氮率可达70%~90%，脱硫率达90%。第四类是炉内和烟道喷吸着剂技术，它也可同时脱除SOx和NO”脱硫率可达90%脱氮率为25%。
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上装设烟气脱氮装置。
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2000年1月通过鉴定。在设备方面，目前在新建300MW及以上锅炉上已装有低氮燃烧器。但大量300MW以下锅炉的氮氧化物(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[10。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0.82Mt1998年甚至比1995年降低了0.12Mt。
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<100^m)改变为对人体健康危害更大的PMio(又称为可吸入颗粒物或IP<10um)，并对PMio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PM1，甚至PM2.5(颗粒粒彳径<2.5^m)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PM24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彳径<2.5Mm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《0.1^m)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PMU))作为参考标准，而1996年颁布的新修订的《环境空气质量标准(GB3095-1996)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。我国对细粒子的分布与污染特征、来源识别等方面已展开了研究,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很不够。
在传统除尘方面，中国已经研究并开发了多种实用有效的技术，我国90%的火电站装了除尘器，平均除尘效率达90%,但其中静电除尘（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。
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，除尘效率高达99.9%以上，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，而且先进。我国应该与国外合作，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，逐步实现烟气净化设备的国产化。
4机动车污染控制技术和光化学污染研究
机动车排放大量的一氧化碳、氮氧化物、挥发性有机有毒物(VOCs)及含铅颗粒物。其中，NOx和VOCs是生成O3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，尾气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NOx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尾气污染程度明显加重，明显出现了光化学污染现象，严重影响大气环境质量，超标的苯并(a)芘等强致癌物质严重损害人民的身体健康，许多城市儿童血液中的含铅量达到20~30微克/100ml,超过卫生组织10微克/100ml的最高限值，在儿童铅中毒的主要因素中，汽车尾气位居首位。
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很大成绩，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了艰苦努力，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，取得很大进展。然而，尽管许多发达国家空气质量有明显改善，但大气中O3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20世纪80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，该项目的研究仍在继续进行。
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，但之后大规模的调查和研究基本上处于停滞状态，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,它几乎能净化尾气中的全部一氧化碳和碳氢化合物，对NOx也有降排作用。
5结束语
虽然我国近年来在大气污染防治技术的研究开发方面取得众多成果，大气污染的治理也取得了很大进展，但当前我国大气污染仍然相当严重，污染废气排放总量仍处于较高水平。全国二氧化硫排放量在2001年仍达1947.8万吨，百分之六十以上的南方城市出现酸雨，酸雨面积约占国土面积的1/3，是世界三大酸雨区之一。酸雨控制区107个城市中有98个城市出现酸雨，占酸雨控制区城市数的91.6%。酸雨造成的经济损失巨大。机动车尾气污染等问题日渐突出，尾气造成大城市的NOx、CO、臭氧浓度超标，发生光化学烟雾的趋势明显;大多数城市普遍存在总悬浮微粒（TSP)超标现象，颗粒物污染极为突出。2001年，开展监测的341个城市中，三级和劣于三级国家空气环境质量的分别占33.4%和33.2%。表明城市空气质量处于较严重的污染水平。在我国部分城市，由于挥发性有毒有机物(VOCs)污染导致的癌症与呼吸系统疾病明显增加，对人体健康构成严重威胁。
包括大气污染在内的环境污染和生态恶化给我国各方面造成的损失巨大。仅中国环境污染造成的经济损失，国内外学者虽对它占中国GDP的比例估计不一，有的说是4.04%至6.75%，有的说高达10%以上[1718],总之，中国环境污染造成的经济损失是惊人的。因此，必须把环境损失纳入国民生产总值中去，环境保护必须和经济发展紧紧结合，为适应国民经济的快速发展和改善环境质量，必须加大对包括污染防治在内的环境保护投入。世界银行建议，中国对于污染控制的投资需要大大增加，至少要占GDP的1%以上，最好在2%以上[W。我国已经开始认识到加大对环境保护投入的急迫性。随着我国综合国力的显著增强，我国的环境保护投入在逐年迅速增加。“九五”期间，全国完成环境保护投资3600亿元，比“八五”期间增长1.5倍，占GDP的比重增加了0.2个百分点，达到0.93%。1999年环境保护投入达到占GDP的1.01%首次超过1%。标志着我国的环保事业上了一个新台阶。
我国的环境保护起步较晚，还处于初级阶段，面临经济发展和人口增长的双重压力，而环境保护的长期性和艰巨性还没有被人们充分认识。环境保护工作任重而道远。针对这种不容乐观的现实，一方面应着重发展急需的、实用的、适合国情的污染防治技术。对此，我国已制定了“十五”期间环保科技的具体发展目标。对于大气污染防治，研究和开发适合中国国情的脱硫和除尘技术并形成产业化，开发实用有效的脱氮技术和机动车污染防治技术;在研究重点城市复合大气污染的特征、形成机制和源分析的基础上，提出解决中国重点城市复合型大气污染和减少区域性大气污染对生态环境影响的策略。
另一方面，应集中人力、物力和资金，推动“产学研”结合，充分发挥企业在科技创新中的主体作用，鼓励产学研跨学科、跨部门联合攻关和开发，鼓励有条件的高等院校和科研院所与企业联办技术中心、中试基地，或通过联营、投资、参股等多种形式实现与企业的联合，形成多方参与、利益共享、风险共担的产学研合作机制，加速污染防治优秀科技成果的转化及其产业化。
黄振中
(中国科学技术信息研究所，北京100038)