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  • 今年春节期间的霾是从哪里来的?
  • 2020-02-11 14:09:45  发布:  来源:治霾者微信公众平台 陶光远
  • 摘要:今年春节期间的霾是从哪里来的?

     今年春节期间北京的微信群里盛传下面的段子,很多朋友发给我让我回答:

    “我们对很多事物认识可能还在必然王国里。武汉新冠病毒也把环保专家们多年来所谓雾霾形成原因与机制重大研究成果击得粉碎:
    初二起北京持续雾霾,请环保专家解答,到初五,已连续四天大气重度污染了,是什么原因造成的?
    1. 大家都宅在家里躲避疫情,大街上机动车稀少,证明污染与汽车无关。
    2. 春节放假了,大多数工厂停工了,证明与工业污染无关。
    3. 同理,建筑工地静悄悄,证明与工地扬尘无关。
    4. 煤改气了,煤炉砸了,周围农村不许烧柴了,证明与生活污染无关。
    5. 一切娱乐活动停止了,证明与人多造成污染无关。
    6. 农村不许养猪了!猪屁也消失了!证明养猪与大气污染也没多大关系。
    7. 城市禁放鞭炮了,证明雾霾与放鞭炮无关。
    8. 人都呆在家了,酒店关门饭馆基本没生意了,与餐饮污染无关。那么,请环保专家回答:北京大气污染源到底是什么?”
    作为一个江湖上的治霾者,我试着回答。
     
    毫无疑问,形成比较重度的雾霾天,气候条件必不可少,但是重度的雾霾天气是气候原因与大量的大气污染物共同造成的,缺一不可。现在我们人类基本上左右不了气候条件,建个风神庙只能当笑话讲。要真想治霾,只有减少大气污染物排放这一条路。
     
    今年春节期间,发生重雾霾天气的不只是北京,华北、华中、华东、华南和西南地区,都相继出现了不同程度的重雾霾天气。
     
    我顺着那个段子做具体分析如下:
     
    1. 今年春节期间,因为新冠肺炎加上过节,道路上的小汽车和大卡车都很少,我目测只有平时的20%左右。但还是出现了重污染天气。显然北京乃至全国小汽车和大卡车不是这次重度污染天气的主要污染源,甚至可能本来就不是主要污染源。北京乃至全国除了汽车以外一定有一个或几个主要污染源。
     
    2. 北京的工业和集中供暖大部分都搞了煤改气,因此燃煤设备很少,除了高碑店热电厂。这个热电厂是北京市唯一保留的使用后备燃煤机组的热电厂。估计机组总功率在100万千瓦左右。一天烧的煤也不过就是1万吨左右。但是在这个春节期间其燃煤机组是否运行不得而知。
     
    3. 且不说春节期间,几乎所有的建设工地都停止了施工,其实工地扬尘从来都不是中国各个地区雾霾的主要来源。这从PM2.5颗粒物的化学成分分析就能得知。扬尘中有大量的铝元素和硅元素,但是全国各地PM2.5中铝和硅的比例从来都很低。强调工地扬尘是PM2.5的可观因素不过是某些人推卸治霾策略失误的借口。
     
    4. 这次雾霾的面积很大,北京周边地区也是重度污染地区。周边城市的空气跨界污染北京,一直是某些人强调的重要因素。雾霾随风飘荡确实经常跨界。不过正月初三(1月27日)下午我查了一下网上公布的北京及其两个邻居城市廊坊和保定的大气中各种污染物的浓度:
     

     
    由于北京大规模实施煤改气,因此北京大气中的二氧化硫浓度特别低,全年平均保持在个位数,冬季的集中采暖燃煤锅绝大部分已经改为燃气锅炉,农村的散煤采暖也有相当大一部分改为天然气或电力采暖。而河北的燃煤量还很大,因此北京的大气污染物与河北的大气污染物的硝(NO2)硫(SO2)比的差别很大。
     
    什么时候北京大气中的硝硫比高,就是自己污染自己,什么时候北京大气中的硝硫比低,就是河北污染北京。显然,正月初三下午,是北京污染自己。河北的空气中不大可能有北斗或GPS定位功能的二氧化硫催化剂,进了北京就让二氧化硫反应成硫酸盐。
     
    张家口和承德的空气质量就不用分析了,真要是这两个城市的空气飘进北京,北京的PM2.5立马下降。除非飘过来的是沙尘暴。
     
    5. 农村散煤采暖污染的影响分析。散煤采暖有两个排放特征:一是排放大量的SO2,二是排放大量的有机碳和无机碳。
     
    从这两天公布的北京空气污染物的指标看,SO2并不高,保持在个位数。至于在PM2.5中有多大比例的有机碳和无机碳,我就无从得知了。北京煤改气和煤改电的比例虽然高,但是还有相当数量的散煤燃烧采暖炉。
     
    不过,无论如何,北京散煤燃烧排放的大气污染物比起尚未对散煤污染采取治理措施的4年前已大幅减少。
     
    2015年12月1日,北京发生了也许是迄今为止最严重的世纪大霾,大气中的PM2.5浓度在市区的很多地方达到1200微克/立方米左右。我那时写文章分析,其主要污染物很大可能来自于散煤采暖。这次春节期间的大气污染,虽然严重,但PM2.5浓度较高的地区也不过就是300微克/立方米左右,比起当年世纪大霾发生时北京市区的PM2.5浓度,也就是1/4左右。
     
    当然,这也说明,北京这七年来,治霾还是很有成效的。只不过还没有达到民众期望的目标。
     
    6. 春节期间燃放烟花爆竹的影响。从过去的空气质量记录看,燃放烟花爆竹产生的空气污染,也就是几个小时最多十几个小时的影响。这一点大家的鼻子也能闻出来。
     
    很简单,烟花爆竹产生的颗粒物,大部分是PM10,很快会沉降到地面。北京市区已经禁止燃放烟花爆竹了。虽然北京市郊区以及与北京接壤的河北省还可以燃放烟花爆竹,但也主要是在除夕夜。我给出的是初三下午的大气污染物数据,这时离除夕夜燃放烟花爆竹的高峰时间已经过去了60个小时左右。所以燃放烟花爆竹显然不是这轮空气重度污染的主因之一。
     
    7. 人类娱乐活动产生的主要是飞沫,携带有传染呼吸道传染病病毒的飞沫,不过这些飞沫大部分是PM10甚至比PM10的粒径还大,很快就沉降到地面固体物的表面,只有极少数变为气溶胶在空气中飘荡。不过飞沫演变的气溶胶,在大气颗粒物中所占的比例微乎其微,不值一提。
     
    8. 养猪会产生大量的粪便,粪便发酵会产生大量的氨气,在大气中碱性的氨气与酸性的二氧化硫和二氧化氮会在相对湿度较高的环境下反应生成(亚)硫酸铵和(亚)硝酸铵。但冬季粪便中产生的氨气比夏季要低一个数量级,因此冬季在大气中生成的铵盐数量要比夏季少得多。
     
    9. 餐饮业排放的污染物在大气里的PM2.5中所占的比例是一个不可忽视的量。虽然今年春节期间全国的餐饮业几乎全部关张,但家家在自己做饭。不过做饭时产生的PM2.5的量确实不大,40年前北京人也要做饭吃,在我的记忆中,空气质量比现在好得多了。
     
    10. 那么春节期间这么重的霾(PM2.5)究竟是从哪里来的?
     
    当然是从化石能源的燃烧中来的。
     
    虽然北京的燃煤已经比七年前减少了大约一个数量级,但改成了燃气,还要烧。北京在冬季严寒的天气条件下,每天烧掉的天然气超过1亿立方米,其热值相当于燃烧超过1.2亿升汽油产生的热值。而北京有大约600万辆小汽车(包括外地),每天平均每辆车烧掉的汽油是大约4升左右,每天总计烧掉约2400万升汽油,其热值不到北京严寒天气燃烧的天然气的热值的1/5。
     
    天然气的燃烧并不是完全清洁的,只是燃烧直接产生的颗粒物很少;由于天然气是气体,因此其中的硫很容易被洗掉,烟气中的二氧化硫极少;天然气燃烧产生的主要污染物是氮氧化物。
     
    氮氧化物是化石能源在燃烧时,由于温度很高,由空气中的氧气和氮气结合产生的。燃烧温度越高,产生的氮氧化物量越大。而且二氧化氮的产生量是随温度的升高呈指数关系增长。燃烧温度在900℃时,燃烧烟气中的氮氧化物为200毫克/左右,到了1500℃,燃烧烟气中的氮氧化物就达到了2000毫克/左右。
     
    烟气中的氮氧化物主要以一氧化氮为主,到了空气中经氧化就变成了二氧化氮。在大气中的二氧化氮很讨厌,与碱性物质结合生成粒径很小的(亚)硝酸盐;在阳光的照射下,与碳氢化合物结合,生成臭氧。因此,环境部门要求天然气在燃烧时,需要尽量减少氮氧化物的排放。
     
    那么北京的天然气是怎么烧掉的?为什么这些在燃烧时仅产生极少量颗粒物的天然气燃烧器,反而成了最大的颗粒物排放污染源。且听详述。
     
    北京市冬季的天然气主要是有由三大燃烧器烧掉的:
     
    1) 燃气工业锅炉和集中供暖的燃气锅炉:
     
    据报道,北京市9亿平方米左右的建筑使用燃气供暖。从燃气热电联供机组的功率看,也就供个1亿多平方米,户用燃气锅炉估计也供个1亿多平方米。因此,北京市的冬季供暖主要靠集中供暖的几MW至几十MW的大型燃气锅炉。以前这些锅炉排放的燃烧烟气中氮氧化物的含量很高,达到800毫克/立方米左右。
     
    前几年北京市对这些燃气锅炉进行了低氮燃烧改造。所谓低氮燃烧就是在天然气燃烧时的氮氧化物产生量非常少。其基本原理是两段燃烧,第一段缺氧燃烧,于是天然气与空气中的氮气争夺氧气,减少在第一阶段燃烧时氮氧化物的产生量,同时生成大量的一氧化碳和氢气;在第二阶段氧化的化学活性比天然气要强的一氧化碳和氢气争夺氧气的能力比天然气强,自然产生氮氧化物比以前天然气直接燃烧时更少;其间的燃烧温度也尽量控制不要太高。于是燃烧烟气中的氮氧化物的排放量大幅降低到200毫克/立方米甚至100毫克/立方米以下。
     
    具体的技术就不详述了,讲起来比这篇文章的长度还长。
     
    2) 户用燃气采暖锅炉:
     
    北京市的户用燃气采暖锅炉有100多万台。根据新闻报道,其中有近百万台是城镇家庭的户用燃气采暖锅炉,还有几十万台是农村煤改气后的燃气采暖锅炉。在供暖高峰每天燃烧的天然气有大约2000万立方米左右。但这些锅炉大部分不是低氮燃烧锅炉,排放的燃烧烟气中氮氧化物的排放量大部分在400毫克/立方米甚至600毫克/立方米以上。
     
    也就是说,在采暖高峰,这些户用燃气采暖锅炉排放的氮氧化物总量不仅超过了大型燃气采暖锅炉氮氧化物的排放总量,而且很可能超过甚至远远超过北京市小汽车的氮氧化物排放总量,成为北京冬季二氧化氮的最大排放源。虽然小汽车发动机燃烧汽油时的温度高,氮氧化物的排放浓度更高,但毕竟有三元催化器降解尾气中的氮氧化物。更换这部分户用燃气小锅炉的代价很高,一台户用低氮燃烧锅炉的价格要2万元左右。
     
    二氧化氮排放到大气中,与大气中的碱性物质化合,就生成了(亚)硝酸盐,极细的颗粒物。现在的颗粒物成分的化学分析表明,北京大气中的颗粒物主要成分是(亚)硝酸盐。不过北京冬季空气中的氨气浓度只有夏季的十几分之一(氨气主要是由种植业的氮肥施用和养殖业的禽畜粪便产生的——确实跟猪有关系),按理应该夏季的PM2.5更高,但事实正好相反。所以说氮氧化物与氨气在大气中结合是这次春节期间的主要原因有点儿牵强附会。
     
    3) 燃气热电联供电站,这是造成北京春节期间重霾的最大嫌疑犯。
     
    根据新闻报道,北京市有大约700万千瓦左右的燃气热电联供电站,在发电供暖的高峰,每小时要燃烧大约200万立方米的天然气。天然气在燃气轮机里的燃烧温度很高,达到1500℃左右,因此燃烧烟气中氮氧化物的浓度很高,需要采用SCR即选择性催化还原(脱硝)(Selective Catalytic Reduction)法,对燃烧烟气进行后处理,减少烟气中的氮氧化物。还原剂为氨水或尿素水。烟气在催化器中进行反应后,会有少量的氨气没有参加反应逃逸到燃烧烟气中排放,这就是所谓的氨逃逸。
     
    氨在含有大量水雾的烟气中以水为媒,与二氧化氮(一氧化氮在空气中被氧化成为二氧化氮)结合就生成了(亚)硝酸氨,其粒径极细,大多数在1微米以下,表面积与体积之比很大,在空气中运动时阻力很大,漂浮的时间很长很长。因此,这种颗粒物产生的量不是很大,但对大气中PM2.5(大气中的PM2.5指的是粒径在2.5微米以下的颗粒物)总量的贡献很大。
     
    请注意,现在北京重霾天PM2.5的主要成分就是(亚)硝酸铵。
     
    在SCR脱销过程中,氮氧化物的排放量和氨逃逸量是一对矛盾,用的氨越多,氮氧化物的排放量就越少,但氨逃逸量就越大。需要进行最优的选择。现在国际上发达国家一般都将燃烧化石能源、生物质和垃圾时产生的烟气中的氮氧化物的排放上限定为100~400毫克/立方米烟气。但中国却在没有任何突破性技术进步的情况下,将这个上限定为50毫克/立方米烟气。于是造成大量的氨逃逸。
     
    采用脱销工艺时,将氮氧化物排放标准上限定的过低造成氨逃逸生成大量铵盐的问题不仅存在于燃气轮机电厂,而且也存在于燃煤电厂,只不过燃煤电厂的烟气中还有浓度较高的二氧化硫,因此生成的铵盐中,(亚)硫酸盐占很大的比例。
     
    人们普遍注意到了:
     
    1) 这次春节期间,很多除了燃煤电厂之外、很少有其它燃煤设备运行的地区也发生了重雾霾天气,而且路上的机动车很稀少,那么这么重的霾是从哪里来的?
     
    2) 今年国庆前夕,北京方圆千里的钢铁厂的烧结机(当时除燃煤电厂之外的最大空气污染源,因为没到冬季还没有散煤燃烧采暖污染)都停工了,国庆当天北京还是大气中度污染。那时候有官员和专家非要说是机动车污染。这个春节新冠病毒算是把扣在机动车背上的大黑锅给卸下来了。
     
    另外,户用燃气热水器和燃气灶在燃烧时也有氮氧化物,其排放浓度与家用燃气采暖炉相当。只不过在冬季与户用燃气采暖炉的燃气用量相比要低大约一个数量。
     
    最后,还是谈一下应对措施,毕竟吐槽只能发泄情绪,分析也仅仅用来发现问题所在,解决问题还是要靠科学的应对措施。
     
    作为能立马见效的短期措施,我的建议是:
     
    1) 迅速在全国提高化石能源燃烧烟气排放的氮氧化物排放上限。具体的上限要根据不同的情况具体确定。譬如燃气(轮机)蒸汽联合循环电厂或燃气热电厂和燃煤电厂的氮氧化物上限提高到100毫克/立方米。钢铁厂烧结机的烟气不必脱硝。
     
    2) 北京的燃气热电联供电站加装电热锅炉和储热罐,在冬季的后半夜、以及在其它时段风光电过剩时,停止燃气轮机的运行,用电网中充裕的电力通过电热锅炉加热采暖水供暖。这时燃气热电联供站的输电系统从输出电力变为输入电力。这样,既减少了弃风弃光,也节省了需要大量进口的天然气,还减少燃烧天然气时产生的大量污染物,何乐而不为呢?
     
    3) 通过优惠电价和智能电表鼓励所有户用燃气采暖锅炉的用户尽量使用廉价的低谷电力和过剩的风光电力采暖,减少天然气的用量。当然前提是当地电网有足够的送电能力。
     
    至于长期的方法,当然要靠告别化石能源,这是一个大约需要20~30年的历史进程。我正在写一本书《未来的能源世界》,我会在书中详述。这本书估计在今年下半年出版。
     
    如果要靠能源结构调整和经济结构调整在全国的范围治霾,那就得等到2040年以后了。这等于把我们这一代治霾的责任推给了下一代。作为一个治霾者,我视为失职和耻辱。
     

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