搜索
四论湿法烟气脱硫可能为引起全国性雾霾的主要原因缪正清上海交通大学2014.12.90.摘要1.前言2.雾霾研究需要注意成分与浓度并重的研究3.大区域雾霾出没的基本规律4.阴天形成的条件5.阴天与雾霾的关系6.湿法烟气脱硫工程对阴云天气的影响7.雾霾中硫酸根及硝酸根离子的来源分析8.工业与生活向大气排放的水蒸汽量9.空气的大规模人为增湿的影响分析10.如果不是湿法烟气脱硫11.防治雾霾建议12.总结13.参考文献目录0.摘要2013年以来的中国雾霾，具有4个特点，即，突发性、全国性、严重性和反复性。雾霾是一种气溶胶，既有细颗粒又有气、液介质才能形成。我国大规模的雾霾天气形成条件不仅与大气颗粒污染物排放有关，而且也与气象条件有着密切的关系。一般来说，人类活动对于气象的影响比较有限，但是，近年来大规模湿法烟气脱硫环境治理工程，由于其涉及到全国每年三十多亿吨燃煤燃烧之后二氧化硫排放的治理，其具有对颗粒排放量、颗粒在大气中的输运，大量水蒸汽进入大气等完全不同以往的规律、并且可能成为影响气象的突出人为因素而应该引起极大的关注。本文的观点为：全国性的湿法烟气脱硫工程向大气排放大量的水蒸汽，尤其是在北方的秋冬春三季，在持续性地提高空气湿度的同时，增加了云层厚度和阴天数；其直接与间接地将颗粒污染物乳化成气溶胶——雾霾；通过气象作用，呈现的云层浮沉和大气运动，实现高浓度细颗粒的高空贮存、远距离输送，最终影响到雾霾四性。关键词：雾霾，云霾，湿法脱硫，水蒸汽排放，气象。1.前言(1)2013年年底的那场雾霾，由于它呈现的突发性与全国性，因此，引起了国内外媒体和广大群众的高度关注。此前，区域性的雾霾也存在，只是这次爆发的规模空前，遍及一半的国土区域。雾霾横行时，人们无法理解，哪里来如此高浓度的细颗粒包围了城市、包围了乡村，远看不到边，上看不到天。环境科学家也未能给出令人信服的解释。中央政府向各地方政府要求限期对各地的污染源进行解析。这也成为中国环境科学家们面临的一个直接挑战。雾霾已经成为当今中国最紧迫的环境治理问题。雾霾的形成机理并不复杂，就是细颗粒与液体构成的气溶胶。其实，真正需要学术界回答的是2013年冬季雾霾为何突然爆发，即雾霾的突发性，以及雾霾呈现的大区域性，或者称之为全国性，雾霾的高浓度，即严重性，以及自此以来的呈现不定期的反复性，即雾霾4性。显然，这样的特点不是孤立的雾霾机理与源头解析可以简单回答的。因此，各种大胆的假设纷纷呈现。但是，这些理论因为不能解释一些基本的事实，而暴露出其自身的缺陷。科学研究首先要确认基本的事实或者现象，然后从中寻找其背后的规律，形成正确的解释性的理论。1.前言(2)目前大多从污染源的解析的角度讨论雾霾的成因。本文提出雾霾必须综合污染源与大气扩散条件(气象条件)两方面的因素分析。并认为两者都与全国性的电力行业湿法烟气脱硫工程紧密相关。湿法烟气脱硫虽然降低了二氧化硫气体污染物的排放，但是其向环境造成两方面的直接影响：一方面向大气排放大量水蒸汽，另一方面增加了脱硫产物颗粒向大气的排放。后者已经远超过原来煤燃烧后燃尽的飞灰颗粒经除尘器向大气的排放(排放源量的直接增加)，同时，颗粒排放的形态发生了根本性的转变，即之前在空气中较短时间内可以沉降的干颗粒变成了被水蒸汽乳化的雾霾颗粒后，长久地滞留于大气中，在空气中形成的累积浓度会达到湿法脱硫前的１０－２０倍甚至更高的浓度(排放形态改变导致的空气中颗粒浓度的增加【１、２、３】，这是导致空气中污染物颗粒急剧增加的主要原因。同时，对于空气湿度的增加，也使得其它方式，如汽车、钢铁、化工、农业等排向大气的细颗粒物也增加了形成雾霾的机会。1.前言(3)谈到气象影响，除了风雨现象，通常会用逆温层现象来解释向上扩散的减弱现象。通常讲的大气垂直方向上的逆温层现象，是指大气层就像一个锅盖覆盖在城市上空，形成高空的气温比低空气温更高的逆温现象，使得大气层低空的空气垂直运动受到限制，空气中悬浮微粒难以向高空飘散而被阻滞在低空和近地面的现象。但是这并未说明在晴天还是阴天。而笔者根据观察，从传热学辐射传热与自然对流理论出发，强调是在多云阴天的条件下，阳光辐射被云层遮挡，致使云层以下的空气自然对流被削弱后导致的空气上升扩散条件的破坏。此其一，另一方面，提出与阴天有关的人为因素的影响——全国性的湿法烟气脱硫工程的影响。这是笔者与现有观点的不同之处。并在本文中重点研究人为因素对于阴天天气的影响，进而提出并论证严重雾霾天气的成因，并提出防治雾霾的建议。2.雾霾研究需要注意成分与浓度并重的研究雾霾的源解析只是对于样本进行成分分析；雾霾对于环境的影响更加重要的还是雾霾在空气中的总体浓度；两个不同的样本可以有不同的成分，也可以有相同的成分而浓度可以不同；成分与排放源有关，但是浓度不仅仅取决于排放源，与在大环境的扩散及输运过程关系极大；目前对于雾霾的源解析十分重视，然后，对于雾霾高浓度的形成，即雾霾在大气中的扩散、输运的研究还没有引起足够的重视。雾霾的宏观4性实际都是关系到雾霾的浓度而不是源解析的问题。3.大区域雾霾出没的基本规律(1)目前的雾霾研究大多集中在雾霾源头的探究，包括大气样本采样、成分分析等，这样的认识路线存在较大的片面性，难以掌握问题的要害。把雾霾仅仅看作是局部城市或者区域的环境污染是一种不全面的认识，应该把它看作是一种广大地域大气层内的气象与污染排放相互作用的结果。抓住有重要意义的客观事实或者现象是科学研究的基础。现象一：雾霾一怕风、二怕雨雪，三怕阳光。也就是说，遇刮风、下雨雪、晴天就不太遇到雾霾。原因很简单，不是因为污染源少了，而是扩散条件好了。那么，什么情况下雾霾会很严重？现象二：我们通过长期观察，发现雾霾跟一种天气条件——阴天密切相关。现象三：过去也常有阴天，但并没有现在这样频繁与严重的雾霾。这是因为以前污染源的排放比较少。现象四：现在，污染严重，一方面污染源的排放数量确实增加了，另一方面，阴天数也增加了。从阴天数增加的事实，也可以怀疑阴天对于雾霾可能有着严重的影响。3.大区域雾霾出没的基本规律(2)雾霾的形成（浓度）有两个方面，一个是污染源的排放，一个是源的对流扩散情况。排放源的排放及其在大气中的扩散是雾霾研究中不可或缺的、同样重要的两个方面。在一定时段内污染源的排放量基本稳定，天气的变化决定了雾霾的存亡，及其严重的程度。这就是雾霾不仅决定于污染物的排放，更决定于大气层的扩散条件。亦即，尽管雾霾的形成离不开污染源的污染排放，但是如果不是天气形成的不利扩散条件，雾霾也不至于很严重。因此，我们研究雾霾的突发性、全国性、严重性和反复性，可能在雾霾源解析的同时，更要关注天气条件的影响。事实证明，雾霾就发生在阴天。我们可以注意到，一旦连续阴天2-3天，全国各地无论农村，还是城市，空气质量指数就很快超过100。严重的到200-300。据此，就可以认识到天气——扩散条件对于雾霾形成的重要性，甚至已经超过了污染排放本身。4.阴天形成的条件一般常识是，阴天天气是一种自然现象。阴天就是厚云层遮盖了阳光的照射。那么厚云层又是怎么造成的呢？厚云层一方面通过输运而来，另一方面通过对流层空气冷却降低了高空空气的温度，使得高空水蒸汽凝结所致。云层通常都是水蒸汽，或者水蒸汽为主，还有一些污染物。当远方输运来的蒸汽云量大时，又遇本地上空温度下降幅度大时，就对应下雨，或下大雨。所以下雨就有对应上述两种情况。但是，任何事情都有中间状态，在晴天与雨天之间的阴天就是虽然有云，但是，还没有进入到要下雨的状态。我从飞机下降时有时看到，上空是浓密的云，然后下面云逐渐凝结为雨，到地面就在下雨了。5.阴天与雾霾的关系(1)问题一：那么，为何雾霾与阴天有关？阴天增加是否与人为因素有关？（阴天数的增加，如果完全是自然现象，那对于雾霾也只能听天由命了。反之，减少雾霾就可能存在很大的可能）。回答一：大家在晴天抬头看看天空，那是无云的蓝天，阳光直射地面。空气在阳光下发生从地表向高空的自然对流，学过传热学的学生和工程技术人员都会接受这样一个判断，即其自然对流的运动强度，要把稀薄的雾霾带上高空(扩散到高空)是毫不费劲的事情。这就可以很好地解释为何晴天，即使无风也很少出现雾霾的原因了。相反，当天空被厚厚的云层遮蔽，形成阴天天气，这时，阳光因为无法穿透云层，因此，无法形成空气从地表到高空的自然对流，从而，不仅近地的污染无法向上空扩散，相反，来自远方输运到本地上空云层中的污染物，因为浮力减小，而向低空沉降，而进一步加重了本地雾霾的严重程度。从飞机上看，雾霾天气下，高空云层与低空污染形态几乎没有差别。所以，笔者根据低空污染雾霾的称呼而把高空云层的污染称之为云霾。当飞机起飞或降落时，可以看到高空与近地都是雾状物，形态上几乎没有差别。5.阴天与雾霾的关系(2)问题二：近年来，发生雾霾的天气往往是阴云天气。这是一个值得关注的现象。那么，这里还有一系列的问题：1）阴天作为一种气象现象，根据统计，现在阴天数明显较以往增多了，这一统一结果，可能就反映了人为因素的影响。2）是雾霾决定了阴天还是阴天决定了雾霾，还是两者相互作用？3）人为因素中，决定雾霾的人为因素与决定阴天的人为因素是同一个还是各有不同呢？阴天是高空云层密集现象。雾霾则是低空污染(云)密布的现象。两者既存在联系又存在区别。两者确实是有因果和先后的。从短时期来看，低空雾霾较难直接影响到高空的云层分布，而阴云天气则直接加剧低空雾霾的集结。但是，从较长的时间段来看，则雾霾确实又会增加大区域高空的云层及其高空云霾，从而增加阴天的天数与严重程度。我们不能从单个现象推导所有的结论，还需要综合考察相关的现象，比如，湿法脱硫工程，分析其对雾霾、对阴天的影响。5.阴天与雾霾的关系(3)如果说雾霾导致阴天，那么，晴天，污染源照样排放，为何没有立即因此影响而变为阴天呢？所以污染排放(雾霾)不直接决定阴天；相反，一旦高空云层密布，出现了阴天，此时，雾霾也就在数天之内加重。所以说，先有阴天才有雾霾。雾霾天经过阳光一晒，雾霾就升腾到高空云层中，或者经过刮风，被刮到远方或者刮到远方高空云层中隐藏了起来。待大风一过，趁着高空云层又逐渐卷土重来。如此，雾霾的污染被长久地储存在高空云层中，时而吹走，时而回来，并且浓度越来越高。一旦回头，就通过阴天与低空本地雾霾结合，在短短的两三天内就能迅速地拉高本地雾霾的污染程度。否则，仅仅是本地污染物排放，就难以解释会在连续数个晴天天气后的几天内，突然出现严重的局地雾霾，甚至几乎全国大部分区域同时达到严重雾霾污染程度的现象。5.阴天与雾霾的关系(4)笔者起初没有能够区分高空云霾与低空雾霾，笼统地将其不加区分，后来，看到雨水成分(反映的其实是高空空气样本)【４、５】不同于先前看到的低空空气采样样本的成分【６、７】，从两者含钙离子成分的重大差异悟出两者还是不同，需要区分。又，从多次出差在飞机上密切关注不同空间高度上云汽情况，提出高空云霾的概念，以将低空污染物形态与高空污染物形态做概念上的关联。另外，起初用笼统的统计污染概念[1]也不能很好解释随着天气变化，局地空气质量迅速恶化的现象。在上述思考基础上提出：高空云霾与低空雾霾之间的相互作用；高空作为雾霾的隐藏之所（本地雾霾的另一个源头）；阴天、晴天与刮风作为雾霾浮沉(下降与上升的)的途径或者动力；这些可能改变以往的雾霾认识思路。因此，研究阴天形成的原因及其影响因素，对于雾霾形成的研究就具有特别重要的意义。6.湿法烟气脱硫工程对阴云天气的影响(1)雾霾就在这阴天的情况下加重着。当然，雾霾的加重一方面可以归于污染物排放的增加，另一方面，阴天是否也增加了呢？从事实上来看因为阴天的增加确实增加了雾霾。那么研究阴天跟雾霾的关系，可能也有重要的学术意义。（事实上，阴天对于雾霾的累积就像晴天对于雾霾的扩散、雨天对于雾霾的过滤一样重要。）阴天如果是不受人为影响的纯自然现象，那么，研究它只有认识意义，但是也只能任其自然。而如果阴天一定程度上，或者近年来的阴天与人为影响有关，这样的认识价值就完全不同了。阴天可以分成两种情况：一方面纯属自然，另一方面人为影响。自然因素是