周勇: 鐵板釘釘, 霧霾的禍?zhǔn)拙褪菨穹摿颍?/h1>
關(guān)于霧霾成因一直是眾說(shuō)紛紜,爭(zhēng)論經(jīng)久不息,究竟2013年起開(kāi)始大范圍爆發(fā)的霧霾背后成因是什么?如何找到霧霾治理的最佳路徑?
今年9月24日,《科學(xué)與管理》發(fā)表山東科學(xué)院戰(zhàn)略研究所副所長(zhǎng)周勇研究員長(zhǎng)期跟蹤研究的成果,從基于PM2.5大數(shù)據(jù)、霾和霧天數(shù)的歷史氣象數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),以無(wú)可爭(zhēng)辯的數(shù)據(jù)和事實(shí)確認(rèn)了濕法脫硫水汽(低溫濕煙汽)排放污染是2013年霧霾大爆發(fā)的唯一原因和到現(xiàn)在為止中國(guó)大面積霧霾久治不愈的主要原因。
摘要:本文基于PM2.5大數(shù)據(jù)、霾和霧天數(shù)的歷史氣象數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),從四個(gè)方面論證了, 實(shí)行在線監(jiān)測(cè)、鉛封煙氣旁路系統(tǒng)以及拆除煙氣再加熱系統(tǒng)(GGH)后,突然大量增加的濕法脫硫水汽排放污染是2013年霧霾大暴發(fā)的主因,并且能夠合理解釋最近幾年治霾取得巨大成績(jī)狀況下,霧霾暴發(fā)或年際抬頭的各種現(xiàn)象。
關(guān)鍵詞:PM2.5;霧霾原因;大數(shù)據(jù);氣象;實(shí)驗(yàn)
根據(jù)NASA燈光數(shù)據(jù)提取的PM2.5數(shù)據(jù)、二十世紀(jì)六十年代初至2013年山東省霾和霧的天氣數(shù)據(jù)、不同部門(mén)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),能夠確切地?cái)喽?013年霧霾大暴發(fā)是一個(gè)突發(fā)事件。
根據(jù)環(huán)保部大氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(2014年5月13日開(kāi)始公開(kāi))計(jì)算的不同時(shí)間、不同區(qū)域采暖季啟動(dòng)日前后三周內(nèi)PM2.5的變化,采用新的檢測(cè)工具對(duì)行業(yè)性濕法脫硫排出水汽的檢測(cè)數(shù)據(jù);李壯等在2015年《節(jié)能技術(shù)》上公開(kāi)發(fā)表的實(shí)驗(yàn)結(jié)果;某著名大學(xué)霧霾成因研究團(tuán)隊(duì)的部分研究結(jié)論,以及采用室內(nèi)加濕器分別加入純凈水、礦泉水和自來(lái)水所導(dǎo)致的室內(nèi)PM2.5濃度巨大差異的簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)等。若干條獨(dú)立證據(jù)鏈證明濕法脫硫是2013年霧霾暴發(fā)的主因,并且在之后一直起著主導(dǎo)作用。
1. 還原2013年霧霾大暴發(fā)形成過(guò)程
政府一系列針對(duì)濕法脫硫設(shè)備規(guī)范運(yùn)行的政策和技術(shù)措施,以及企業(yè)的應(yīng)對(duì)措施,在規(guī)定的2012年底前完成。新的濕法脫硫設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)模式與原來(lái)的模式相比,發(fā)生了質(zhì)的變化。進(jìn)入2013年1月后,連續(xù)出現(xiàn)靜穩(wěn)或逆溫天氣。大量新增的濕法脫硫排放的含有溶解鹽類和非溶解物的水汽,脫水后產(chǎn)生大量超細(xì)顆粒物,無(wú)法擴(kuò)散,逐漸累積,為霧和霾的形成提供了充足的凝結(jié)核和濕度條件,進(jìn)而引起霧霾的突然大暴發(fā)。
1.1 政府在2012底之前實(shí)行在線監(jiān)測(cè)等一系列政策措施及企業(yè)的應(yīng)對(duì)措施相互疊加,使得原來(lái)煙氣排放模式發(fā)生質(zhì)變
環(huán)境保護(hù)部原部長(zhǎng)周生賢在2011年全國(guó)節(jié)能減排工作電視電話會(huì)議上的發(fā)言指出:“2012年底前,火電、鋼鐵、造紙、印染等行業(yè)的重點(diǎn)企業(yè)以及城鎮(zhèn)污水處理廠,必須完成運(yùn)行監(jiān)控平臺(tái)和自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè),嚴(yán)肅查處生產(chǎn)運(yùn)行記錄、在線監(jiān)測(cè)、減排臺(tái)賬中的弄虛作假行為”。由此,重點(diǎn)企業(yè)脫硫設(shè)備在2012年底前全部投入在線監(jiān)測(cè)。為了防止企業(yè)繼續(xù)利用煙氣旁路系統(tǒng)偷排,環(huán)保部要求鉛封脫硫設(shè)施的煙氣旁路系統(tǒng)。企業(yè)為了避免煙氣再加溫系統(tǒng)(GGH)結(jié)垢而停產(chǎn)檢修影響生產(chǎn),即拆除GGH。企業(yè)的這一應(yīng)對(duì)措施,也符合國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)(HJ462-2009)允許脫硫排放低溫濕煙汽的規(guī)定。按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),拆除GGH后常規(guī)污染物排放量允許提高一倍以上[1]。而脫硫脫硝大量噴水降溫,將鍋爐煙氣標(biāo)準(zhǔn)130℃變成40℃-60℃,相對(duì)干煙氣變成低溫濕煙汽(類似加濕器排出的水霧)。由于實(shí)施在線檢測(cè),各種偷排行為和不按規(guī)定啟動(dòng)脫硫設(shè)備的行為被徹底整治。脫硫電價(jià)、脫硫供熱加價(jià)獎(jiǎng)勵(lì)措施等,也使得電廠和供熱企業(yè)有了2012年底前突擊安裝脫硫設(shè)備的動(dòng)力。需要在線監(jiān)測(cè)的新國(guó)控重點(diǎn)排污企業(yè)名單也得到擴(kuò)展和更新。這樣,就在2012年底,從根本上改變了煙氣排放的原有模式,并突然增加大量開(kāi)始正常運(yùn)行的脫硫設(shè)施。
始于本世紀(jì)初的濕法脫硫在電廠的普及率,2005年達(dá)到35%左右,2012年基本普及。到2012年底,以濕法脫硫?yàn)橹鳎罅亢戏ɑ∠麩煔庠贌岢凉窈驮试S排放低溫濕煙汽的部門(mén),包括:火力發(fā)電、燃煤熱電、天然氣鍋爐、鋼鐵、焦化、電解鋁、水泥、平板玻璃、汽車(chē)尾氣、餐飲等。雖然本文主因是指濕法脫硫,但其他類似的排放低溫濕煙汽的設(shè)備所起的作用,與濕法脫硫類似。
1.2 濕法脫硫?qū)е蚂F霾大暴發(fā)的作用機(jī)理
濕法脫硫?qū)е蚂F霾大暴發(fā)的作用機(jī)理是,已經(jīng)對(duì)酸雨治理發(fā)揮重要作用的濕法脫硫,導(dǎo)致次生PM2.5,使得2013年霧霾大暴發(fā),以及后來(lái)的霧霾高發(fā)、頻發(fā)并出現(xiàn)反復(fù)。具體而言,2013年1月,突然全部正常運(yùn)行的或新上的濕法脫硫設(shè)備排出大量水汽;企業(yè)拆除GGH,拆除GGH后常規(guī)污染物排放量標(biāo)準(zhǔn)可以提高一倍以上[1],在濕法脫硫排出的水汽中有大量硫酸鹽、脫水后形成大量超細(xì)顆粒物、占總的PM2.5比重很高的情況下,如果排出的超細(xì)顆粒物翻倍,在2012年底前許多企業(yè)一致行動(dòng),僅此一項(xiàng),足以引起霧霾暴發(fā);鍋爐煙氣標(biāo)準(zhǔn)由130 ℃變成40-60 ℃,干煙氣變成低溫濕煙(水)汽,在靜穩(wěn)或逆溫天氣下類似房間中安裝了大量加濕器,從根本上改變?cè)袩煔馓匦裕材軌蛞痨F霾暴發(fā)。濕法脫硫排出的大量水汽中,有多種溶解鹽和其他非溶解物,在大氣中脫水后產(chǎn)生大量超細(xì)顆粒物,成為看不見(jiàn)的粒子。這些超細(xì)顆粒物隱藏在空氣中,在空中停留時(shí)間長(zhǎng),不沉降,具有極強(qiáng)的遷移能力,控制和治理難度很大。遇到靜穩(wěn)天氣或逆溫天氣,又吸水、膨脹、粘附、變大,成為霧霾;氣象條件轉(zhuǎn)好后,又可能脫水消失,也可能隨著雨水落下。
加上遍布京津冀及周邊的各種電廠和其他有脫硫設(shè)備的燃煤設(shè)施,24小時(shí)不停運(yùn)轉(zhuǎn),不斷迅速補(bǔ)足大氣中的超細(xì)顆粒物,靜等靜穩(wěn)或逆溫天氣。其自身也不斷向大氣中輸送脫水后變成大量超細(xì)顆粒物的水汽,進(jìn)一步增加了空氣的濕度。
而2012年底采暖季開(kāi)始后的一個(gè)半月,沒(méi)有遇到連續(xù)多天的靜穩(wěn)或逆溫天氣,從而大霧霾沒(méi)有在2012年暴發(fā)。
可見(jiàn),是企業(yè)整齊劃一的濕法脫硫行為的改變,導(dǎo)致大氣中濕法脫硫產(chǎn)生的超細(xì)顆粒物(形成霾的凝結(jié)核)突然增加,排出的水汽也導(dǎo)致空氣濕度增加,從而導(dǎo)致2013年初靜穩(wěn)天氣下霧霾的突然暴發(fā)和后來(lái)的頻發(fā)。
1.3 2013年后鐵腕治霾情況下,霧霾在不同年份、不同城市仍有抬頭,也是濕法脫硫沒(méi)有作為主因進(jìn)行治理的必然結(jié)果
最近幾年,在中央鐵腕治霾下,各種一次PM2.5來(lái)源得到治理,PM2.5平均濃度整體下降。但對(duì)許多城市占一半以上的二次PM2.5沒(méi)有搞清楚來(lái)源,遇到靜穩(wěn)或逆溫天氣較多的年份,PM2.5濃度仍有抬頭。
山東省許多城市是2015年采暖季PM2.5濃度抬頭,京津冀的一些城市是2016年采暖季抬頭。雖然有的權(quán)威機(jī)構(gòu)把PM2.5 濃度抬頭解釋為天氣原因,實(shí)際上還是沒(méi)有發(fā)現(xiàn)主因并作為問(wèn)題去解決的必然結(jié)果。兩個(gè)緊鄰的區(qū)域,不同年份霧霾抬頭,很難只用氣象因素去解釋。
2013年之后PM2.5濃度的下降,一方面是煤炭消費(fèi)總量下降(10.8%)導(dǎo)致濕法脫硫水汽排放減少;另一方面是其它治霾措施的重要作用,其難度大大超過(guò)對(duì)濕法脫硫的技術(shù)改進(jìn)。
2. 確認(rèn)2013年霧霾大暴發(fā)是突發(fā)事件
雖然中國(guó)北方的每一個(gè)人都體驗(yàn)過(guò)2013年霧霾的肆虐,但從科學(xué)角度,仍不能說(shuō)2013年是突發(fā)事件,因?yàn)橛锌赡苁窃瓉?lái)大家都不知道這個(gè)概念;也有可能是漸進(jìn)發(fā)生,沒(méi)有意識(shí)到。這里所說(shuō)的突發(fā)事件,主要是指不是循序漸進(jìn)達(dá)到這種大暴發(fā)程度的。實(shí)際情況是,2012年P(guān)M.5濃度和霾的天數(shù)還比2011年有所降低,2013年是突然大幅度躥升到霧霾大暴發(fā)的程度。關(guān)鍵是如何在沒(méi)有可靠的官方監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)情況下找到可靠的數(shù)據(jù),證明2013年霧霾是突發(fā)事件。這里給出三種相互獨(dú)立的定量化證據(jù),證明2013年確實(shí)是突發(fā)事件。
2.1 根據(jù)NASA燈光數(shù)據(jù)提取的PM2.5數(shù)據(jù)等合成的PM2.5濃度變化曲線顯示,2013年霧霾是突變,必有突變的原因
國(guó)內(nèi)有大量學(xué)術(shù)期刊文章利用NASA燈光數(shù)據(jù)作各種研究,我們也偶然得到NASA燈光數(shù)據(jù)提取的PM2.5濃度[2],三年滾動(dòng)平均。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,把2001-2003年滾動(dòng)平均數(shù)代表2002年的數(shù)據(jù),以此類推可得到1999-2011年的數(shù)據(jù)。2010-2012年數(shù)據(jù)比2009-2011年數(shù)據(jù)還小,顯然2012年數(shù)據(jù)不比2011年高,這里采用與2011年相等的數(shù)據(jù)。
圖1中2013年數(shù)據(jù)是政府公布的數(shù)據(jù)。2013年之后數(shù)據(jù)的采集,以2014年5月13日-2015年5月13日作為2014年值,這樣包含一個(gè)完整的采暖季,依次類推。這樣的數(shù)據(jù)處理是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)缺乏情況下不得已的處理辦法,少2014年上半年的數(shù)據(jù)。實(shí)際上,如果有準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),2014年的PM2.5數(shù)據(jù)和2013年應(yīng)該差不多,都比較高。為了凸顯2013年的突變,把山東省各城市每年的數(shù)據(jù)累加,得到圖1。顯然,2013年P(guān)M2.5數(shù)值是突然升高,只要能夠找出使得PM2.5突然升高的因素,就能夠確認(rèn)2013年霧霾的主因。
圖1 山東省各城市PM2.5濃度每年累加值
圖1顯示,1999年至2006年間,山東省各城市PM2.5濃度快速上升,2006和2007年出現(xiàn)一個(gè)PM2.5濃度小峰值。這是由于2006年前經(jīng)濟(jì)粗放式增長(zhǎng)導(dǎo)致PM2.5逐年快速上升,直到進(jìn)入“十一五”時(shí)期,國(guó)家開(kāi)始實(shí)行大力度的節(jié)能減排。
2008年金融危機(jī)后,經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度放緩,能源消費(fèi)增長(zhǎng)速度也放緩。加上國(guó)家加大節(jié)能減排的力度,污染物排放減少,形成2006和2007年的小峰值。那時(shí)的治污設(shè)施技術(shù)水平與現(xiàn)在相比差得很遠(yuǎn)。
2008年開(kāi)始,PM2.5處于一個(gè)平臺(tái)期,直到2012年底,這主要得益于國(guó)家對(duì)煙粉塵的治理。但這個(gè)平臺(tái)期并沒(méi)有反映出大面積采用技術(shù)水平不斷提高的除塵設(shè)施的效果。隨著除塵技術(shù)的提升和除塵設(shè)備普及程度的提高,煙粉塵排放量包括PM2.5濃度應(yīng)該是一條較快的下降曲線,而不是一個(gè)平臺(tái)期。可能的原因是,這個(gè)階段煙粉塵排放水平的下降與濕法脫硫排出的超細(xì)顆粒物的增多相互抵消;另一個(gè)原因是對(duì)顆粒度較小的PM2.5,這些除塵設(shè)施作用不大。
而在同期,國(guó)家為了治理酸雨,逐漸加大脫硫力度。雖然一些上了脫硫設(shè)備的企業(yè)并不按照要求一直開(kāi)動(dòng)設(shè)備,也有的通過(guò)煙氣旁路系統(tǒng)偷排以減少成本,而煙氣旁路系統(tǒng)是為了避免脫硫設(shè)施維護(hù)期間停產(chǎn)檢修留的備用系統(tǒng)。在煙氣排放到大氣中之前,也有個(gè)對(duì)煙氣的再加熱系統(tǒng)(GGH)。恰恰在2012年底前,濕法脫硫排放模式發(fā)生重大變化。顯然,2013年P(guān)M2.5數(shù)值是突然升高,與濕法脫硫變化緊密相關(guān)。
2.2 霧霾天數(shù)變化的歷史氣象數(shù)據(jù)說(shuō)明2013年霧霾大暴發(fā)是突發(fā)事件,必有其原因
根據(jù)山東氣象學(xué)會(huì)所承擔(dān)的山東省科協(xié)課題報(bào)告,其對(duì)二十世紀(jì)六十年代至2013年的霧霾、霧、霾每年發(fā)生天數(shù)的重新梳理統(tǒng)計(jì)如圖2。2004年之前,霾的天數(shù)基本上是線性增長(zhǎng),2004-2012年進(jìn)入指數(shù)增長(zhǎng)通道,2012年霾的天數(shù)是2005年的2-3倍。雖然增速快,還不是突變,尤其是2012年霾的天數(shù)比2011年還略低。2013年1月連續(xù)多天的靜穩(wěn)或逆溫天氣,終于發(fā)生霧霾大暴發(fā),霾的天數(shù)比上一年增加接近1.5倍,顯然是突變。
與此相對(duì)應(yīng),本世紀(jì)初國(guó)家為了降低SO2排放量,避免酸雨危害,開(kāi)始推廣普及濕法脫硫技術(shù)。2012年只有濕法脫硫是突變因素,僅拆除GGH系統(tǒng)一項(xiàng)措施,常規(guī)污染物(SO2、粉塵和NOx)對(duì)地面濃度的貢獻(xiàn)可以提高一倍以上[1];干煙氣變成濕水汽后,排出的超細(xì)顆粒物非常多(是除塵口的458倍),足以引起霧霾暴發(fā)。其他所有按部就班循序漸進(jìn)的因素,都不可能引起這種突變。
圖2 山東省1961-2013年霧、霾、霧霾日數(shù)年際演變
2004年前后,開(kāi)始大規(guī)模推廣普及的濕法脫硫(35%左右)和快速增長(zhǎng)的煤炭消費(fèi)相互疊加,到2012年時(shí)電廠基本實(shí)現(xiàn)脫硫,供熱鍋爐也實(shí)行脫硫電價(jià),由此呈現(xiàn)濕法脫硫能力的指數(shù)型增加(與霾天數(shù)的指數(shù)型增長(zhǎng)對(duì)應(yīng))。尤其是2012年底之前的三項(xiàng)措施(在線監(jiān)測(cè)、鉛封煙氣旁路、拆除GGH系統(tǒng)),在2013年初連續(xù)靜穩(wěn)天氣下,霧霾大暴發(fā)。而2012年底前的一個(gè)半月采暖季,霧霾沒(méi)有暴發(fā),是因?yàn)檫@期間天氣較好,沒(méi)有靜穩(wěn)或逆溫天氣。
沒(méi)有濕法脫硫,酸雨將會(huì)很?chē)?yán)重;但大量增加的濕法脫硫能力,產(chǎn)生了大量不容易檢測(cè)的更細(xì)小、傳播更快、更廣的類似氣體的超細(xì)顆粒物。在遇到靜穩(wěn)或逆溫天氣時(shí),濕法脫硫隨時(shí)排出的帶有各種鹽的水汽,以及原來(lái)脫水隱藏在空中看不見(jiàn)的小于0.38微米甚至是0.07微米的超細(xì)顆粒物吸水膨脹,粘附其它細(xì)小顆粒物,能夠迅速在各種脫硫設(shè)施密布的京津冀及周邊地區(qū)形成大面積連片霧霾。
濕法脫硫能力大量增加的原因,是煤炭消費(fèi)數(shù)量的大量增加。雖然說(shuō)煤炭快速增長(zhǎng)也是脫硫設(shè)備增長(zhǎng)的原因,但濟(jì)南煤炭峰值是2007年說(shuō)明,煤炭消費(fèi)高峰并非一定是霧霾的高峰,如果排出的是干煙氣而不是濕水汽的話。而2013年全國(guó)煤耗達(dá)到峰值,京津冀也達(dá)到峰值,之后到2016年下降10.9%左右。這也是2013年之后霧霾嚴(yán)重程度下降的一個(gè)重要原因。
2013年霧霾大暴發(fā),主要是相對(duì)于前面幾年的霧霾天數(shù)或PM2.5濃度的平臺(tái)期而言。霾的天數(shù)統(tǒng)計(jì),也呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng),但霧和霾的天數(shù)加起來(lái)并沒(méi)有呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)。而NASA的燈光數(shù)據(jù)無(wú)法區(qū)分是霧還是霾,所以提取出來(lái)的PM2.5數(shù)據(jù)與霧和霾之和的天數(shù)趨勢(shì)相似,呈現(xiàn)一個(gè)平臺(tái)期。
2.3 山東大學(xué)PM2.5相關(guān)科研監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)說(shuō)明2013年霧霾大暴發(fā)是突發(fā)事件
根據(jù)山東大學(xué)張慶竹教授在2015年濟(jì)南市科協(xié)霧霾為主題論壇上的報(bào)告,濟(jì)南市在2013年前幾個(gè)年份測(cè)量的PM2.5如圖。盡管同一個(gè)城市不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)差異較大,但山大在固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)顯示,2013年1月的霧霾比前面幾個(gè)年份的冬季要高得多,也顯示是一種突變。尤其是2006和2007年濟(jì)南煤炭消費(fèi)達(dá)到峰值時(shí),并沒(méi)有出現(xiàn)霧霾暴發(fā),PM2.5濃度數(shù)值遠(yuǎn)比2013年低。其關(guān)鍵差異是那時(shí)煙囪排的多是干煙氣,而不是后來(lái)的濕法脫硫后的濕煙氣(水汽)。這也說(shuō)明,2013年霧霾大暴發(fā)的唯一可能就是濕法脫硫造成的。
圖3 濟(jì)南市部分年份PM2.5監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)
3 進(jìn)一步確認(rèn)濕法脫硫是霧霾暴發(fā)的主因
3.1 采用環(huán)保部監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證濕法脫硫是導(dǎo)致集中供暖季開(kāi)始時(shí)霧霾顯著上升的主因
采用環(huán)保部1800多個(gè)站點(diǎn)300多個(gè)城市多種污染物按照小時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),選取京津冀及周邊部分通道城市2014、2015、2016年三個(gè)集中供暖季(11月15日開(kāi)始)啟動(dòng)前后和黑龍江省主要城市2016年集中供暖季(10月20日開(kāi)始)后前后三周的變化,來(lái)驗(yàn)證濕法脫硫?qū)F霾的程度變化是否顯著。
由于采暖鍋爐大都達(dá)到較高的排放標(biāo)準(zhǔn),像電廠燃煤機(jī)組PM2.5去除率已經(jīng)達(dá)到98.98%,國(guó)家規(guī)定采暖鍋爐或其它行業(yè)也要達(dá)標(biāo)排放或超低排放。所以,燃煤鍋爐啟動(dòng)后多燃燒的煤炭,在經(jīng)過(guò)達(dá)到國(guó)際水平的除塵設(shè)施后,相對(duì)其它所有排放源的排放的貢獻(xiàn),可以忽略不計(jì)。
計(jì)算的結(jié)果是,采暖期開(kāi)始后的三周內(nèi),遇到靜穩(wěn)天氣,霧霾的程度比前面三周,尤其是前面2-3周高不少,有的是成倍增加。另外,在采暖前一周的第一天,一般會(huì)啟動(dòng)50%左右的鍋爐,到采暖開(kāi)始日采暖鍋爐逐漸全部啟動(dòng)。
在前后各三周內(nèi),其他因素不會(huì)發(fā)生步調(diào)一致的大變化,包括居民散煤采暖,況且城市中居民散煤取暖已經(jīng)較少。但遇到靜穩(wěn)或逆溫天氣狀況下,采暖日開(kāi)始后PM2.5濃度迅速提高,說(shuō)明少數(shù)幾個(gè)超低排放的燃煤鍋爐的啟動(dòng),激發(fā)了某種霧霾產(chǎn)生機(jī)制——濕法脫硫排出的大量水汽中含有大量超細(xì)顆粒物。而其他常規(guī)因素,如散煤采暖等,不可能在短期內(nèi),在不同地區(qū)、不同時(shí)間引起同樣類型的劇烈變化。
圖4 黑龍江省主要城市2016年10月20號(hào)啟動(dòng)冬季采暖前后三周的PM2.5濃度變化
京津冀及周邊地區(qū)部分城市2014、2015和2016年三個(gè)年份的對(duì)比也是相同結(jié)果。采暖期(11月15日)后,PM2.5濃度在靜穩(wěn)或逆溫天氣下,躍升到一個(gè)新的較高平臺(tái)。
3.2 硫酸行業(yè)尾氣濕法脫硫排出的水汽檢測(cè)數(shù)據(jù)與電站鍋爐濕法脫硫排放水汽實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相互印證,顯示排出的水汽中有大量溶解鹽等,進(jìn)入大氣后脫水形成大量超細(xì)顆粒物粒子
中國(guó)硫酸工業(yè)協(xié)會(huì)在“硫酸霧問(wèn)題工作簡(jiǎn)報(bào)(2017年第1期)[2]”中指出“2016年3月份后新的硫酸霧檢測(cè)方法(離子色譜法)實(shí)施以來(lái),協(xié)會(huì)陸續(xù)收到企業(yè)反映,在應(yīng)用新的硫酸霧檢測(cè)方法之后,硫酸裝置尾氣中硫酸霧數(shù)值普遍超標(biāo)。對(duì)于眾多采用氨法和鈉法(濕法脫硫工藝)處理尾氣的硫酸裝置來(lái)說(shuō),尾氣中僅可溶性硫酸鹽一項(xiàng),含量就遠(yuǎn)超排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的30mg/m3”。據(jù)對(duì)相關(guān)專家的進(jìn)一步了解,有的企業(yè)這一指標(biāo)達(dá)到200mg/m3。而按照現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn),其它行業(yè)濕法脫硫后并不對(duì)排出的水汽里面的溶解鹽或其他非溶解物進(jìn)行監(jiān)測(cè)。而恰恰是這些沒(méi)有被檢測(cè)的水汽被排往大氣中后,產(chǎn)生大量超細(xì)顆粒物,成為霧霾暴發(fā)時(shí)的凝結(jié)核,為霧霾暴發(fā)常備了一個(gè)必要條件。
國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是,電廠超低排放煙塵為10mg/m3,工業(yè)窯爐重點(diǎn)區(qū)域煙塵特別排放限為30mg/m3;北京規(guī)定2018年1月1日以后工業(yè)窯爐為10mg/m。而檢測(cè)儀器的先進(jìn)程度對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果影響很大。
2015年,李壯等研究人員提供了2012年用其它較先進(jìn)檢測(cè)儀器做的濕法脫硫?qū)?60MW煤粉爐PM2.5排放影響的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果[4]。其檢測(cè)到的PM2.5濃度質(zhì)量?jī)H為13.2 mg/m3,遠(yuǎn)低于上述硫酸行業(yè)尾氣處理的濕法脫硫檢測(cè)數(shù)據(jù)。而隨水汽排往大氣中的PM2.5粒子數(shù)(不是質(zhì)量或重量),居然是鍋爐出口未經(jīng)除塵設(shè)備時(shí)的2.094倍,是除塵設(shè)備出口的458.28倍。這些粒子中小于0.38微米(PM0.38)的占到99.969%。經(jīng)過(guò)脫硫工藝后,PM2.5的粒子數(shù)在0.07微米出現(xiàn)峰值。這是由于脫硫漿液形成細(xì)微顆粒物所致,主要是脫硫工藝中帶來(lái)的硫酸根、氯離子等形成的礦物質(zhì)鹽。此外,還可能有通過(guò)除霧器逃逸的石膏晶粒經(jīng)過(guò)脫水干燥后形成的微粒。目前的相關(guān)除塵設(shè)施對(duì)0.38微米(PM0.38)以下的超細(xì)顆粒物沒(méi)有作用。
這些隨著水汽排放到大氣中的超細(xì)顆粒物形成霾的兩個(gè)關(guān)鍵因素:濕度條件和凝結(jié)核,之后靜等靜穩(wěn)或逆溫天氣的到來(lái),就形成霧霾。而過(guò)去,即使是靜穩(wěn)或逆溫天氣,如果缺少另外這兩個(gè)因素,也形不成霾。這兩個(gè)技術(shù)層面的證據(jù),進(jìn)一步使?jié)穹摿驅(qū)е?013年霧霾大暴發(fā)等結(jié)論無(wú)可辯駁。
3.3 某著名大學(xué)霧霾成因研究團(tuán)隊(duì)的研究認(rèn)同霧霾暴發(fā)增長(zhǎng)下異常高的硫酸根、氯離子和鈣離子來(lái)自濕法脫硫
承擔(dān)霧霾成因研究的某著名大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)研究表明,把濕法脫硫產(chǎn)生的白煙冷凝下來(lái)后,可以看到里面的硫酸鈣晶體。這些物質(zhì)飄到天上去就可以轉(zhuǎn)化,脫了水以后就變成超細(xì)顆粒物。這些物質(zhì)里面氯離子高、硫酸根高、鈣離子高,一升里面相當(dāng)于有2.8克的硫酸根。
該團(tuán)隊(duì)初步測(cè)算,燃煤電廠每噸燃煤排放4 公斤左右硫酸根,同一個(gè)燃煤電廠濕法脫硫直接排放硫酸根大約是其直接排放SO2二次轉(zhuǎn)化硫酸鹽的1.75倍以上。盡管這一數(shù)據(jù)可能比前述其他方法檢測(cè)的硫酸鹽的數(shù)量有差異,在安裝濕法脫硫設(shè)施企業(yè)密布的京津冀及周邊地區(qū),燃煤排放的硫酸根數(shù)量也已經(jīng)相當(dāng)可觀。
國(guó)家濕法脫硫工藝排放標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)要求監(jiān)測(cè)“水汽”,其中確實(shí)含有大量可溶性離子和高濃度SO3,現(xiàn)有的在線監(jiān)測(cè)設(shè)備沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。據(jù)了解,上海市已經(jīng)開(kāi)展對(duì)濕法脫硫排出水汽的檢測(cè),他們也已經(jīng)認(rèn)識(shí)到這是一個(gè)霧霾的重要策源地。
3.4 簡(jiǎn)單試驗(yàn)說(shuō)明濕法脫硫排出的水汽中含有大量的PM2.5
濕法脫硫排出的濕煙氣(水汽)與家用加濕器排出的水霧很相似。許多專家做過(guò)一些實(shí)驗(yàn),來(lái)驗(yàn)證濕法脫硫排出含有溶解和非溶解物的濕煙氣(水汽),進(jìn)而使得靜穩(wěn)或逆溫天氣下PM2.5濃度增加,暴發(fā)大霧霾。
試驗(yàn)方法是,向房間加濕器中分別加入純凈水、礦泉水和自來(lái)水,監(jiān)測(cè)室內(nèi)空氣污染情況。試驗(yàn)結(jié)果如下:
加純凈水,室內(nèi)PM2.5濃度為20微克/立方米;加礦泉水,室內(nèi)PM2.5濃度為30微克/立方米;加自來(lái)水,室內(nèi)PM2.5濃度為340微克/立方米。三者主要差別是水中溶解性顆粒物(TDS),純凈水為0-5 毫克/升,礦泉水為5-50毫克/升,合格自來(lái)水為50-120毫克/升,不合格的自來(lái)水可達(dá)300毫克/升。
各種工業(yè)凈水(直流冷卻水、循環(huán)冷卻水補(bǔ)充水、洗滌用水、鍋爐補(bǔ)充水、工藝和產(chǎn)品用水)的TDS控制標(biāo)準(zhǔn)為小于1000毫克/升。而濕法脫硫循環(huán)液TDS超過(guò)3萬(wàn)毫克/升,還含有20%的不溶性固體顆粒。如此之高的TDS,排放到大氣中的水汽,就像加濕器在房間中用自來(lái)水加濕,自然就會(huì)產(chǎn)生很高PM2.5。
全國(guó)每年濕法脫硫排出30億-40億噸水汽,京津冀及周邊更是密集。如果只是純凈的水,沒(méi)有任何問(wèn)題。但水溶性鹽和不溶性固體顆粒在其中含量很高(專家計(jì)算或測(cè)算為1.4%至3%,甚至更高)。在被排往大氣后,形成的超細(xì)顆粒物數(shù)量巨大,重量之和也超過(guò)所有SO2、NOx和煙粉塵的總和。這與海水曬鹽完全不同,就像加濕器與幾盆水放在房間蒸發(fā)的作用完全不同一樣。在靜穩(wěn)或逆溫天氣時(shí),城市上方和周?chē)拖褚粋€(gè)空間有限的大房間,濕法脫硫設(shè)備就像遍布各城市的巨大加濕器,每天24小時(shí)向大氣中排放超細(xì)顆粒物(PM0.38),加上原來(lái)在空中已經(jīng)脫水的超細(xì)顆粒物吸水、凝結(jié)、粘附、變大,就迅速產(chǎn)生較重的霧霾。
據(jù)有關(guān)資料,一個(gè)拆除GGH的脫硫設(shè)備的燃煤電廠,煙囪高210米時(shí),排放污染物的最大落地濃度點(diǎn)到煙囪的距離大概在6.7公里左右[1],這可能是對(duì)常規(guī)污染物和較大顆粒物(如PM10)而言的。根據(jù)環(huán)保部監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)測(cè)算,分布在濟(jì)南市東、西、南、北、中和長(zhǎng)清的6個(gè)國(guó)控監(jiān)測(cè)點(diǎn)的PM2.5濃度數(shù)據(jù),在不同年份、不同采暖季節(jié)的PM2.5濃度最低點(diǎn),居然幾乎全是靠近濟(jì)南各自唯一的電廠、鋼鐵廠和煉油廠(7公里左右)的高新區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。這說(shuō)明電廠濕法脫硫排出的水汽析出后的超細(xì)顆粒物,不再具有原來(lái)那種因?yàn)橹亓υ诟浇两档奶攸c(diǎn),而是隱藏在空氣中,有風(fēng)自由飄蕩,無(wú)風(fēng)就近聚集、吸水、黏附、變大。
在冬季,有的城市幾公里、十幾公里內(nèi)就有非常多的燃煤設(shè)施采用濕法脫硫設(shè)備。再加上散煤燃燒、汽車(chē)排放以及京津冀及周邊地區(qū)每年12月份和次年1月份本來(lái)就是多霧季節(jié),濕度較大,在有了濕法脫硫不斷排出水汽增加濕度,并且提供充沛而常備的超細(xì)顆粒物作為凝結(jié)核后,頻繁形成重霧霾可想而知。即使采用燃?xì)馓娲某鞘?,如北京,燃?xì)庠O(shè)施排放的水汽有同樣問(wèn)題,加上其他排放物較多以及在靜穩(wěn)天氣前,借助風(fēng)力從周邊飄移來(lái)的隱藏在流動(dòng)空氣中的超細(xì)顆粒物等,在12月和1月份同樣難逃霧霾的影響。
4. 對(duì)策措施
多種濕法脫硫政策和技術(shù)措施作用的疊加,是2013年初霧霾暴發(fā)的主因,并不是說(shuō)PM2.5源解析中的其他因素不重要?,F(xiàn)在已經(jīng)對(duì)其他來(lái)源的PM2.5采取了鐵腕治霾行動(dòng)。這些工作難度非常大,遠(yuǎn)比針對(duì)濕法脫硫的技術(shù)措施復(fù)雜,還需要繼續(xù)加強(qiáng)。
針對(duì)現(xiàn)有濕法脫硫裝置的大中型燃煤設(shè)施,或具有低溫濕煙汽排放的燃?xì)庠O(shè)施等,可采取以下措施:
1.采用冷凝裝置等減少水汽(低溫濕煙汽)排放污染。
2.降低水汽中的各類溶解鹽和非溶解物。
3.制定標(biāo)準(zhǔn)限制煙氣排放濕度和次生顆粒物。
4.加快相關(guān)技術(shù)研發(fā),盡快進(jìn)行國(guó)內(nèi)濕法脫硫技術(shù)局部改造,或研發(fā)并國(guó)產(chǎn)化干法脫硫技術(shù),實(shí)現(xiàn)合理替代。
參考文獻(xiàn):
[1]百度百科:煙氣-煙氣再熱器(GGH)
https://baike.baidu.com/item/GGH/11018942?fr=aladdin
[2]馬麗梅,張曉,等.中國(guó)霧霾污染的空間效應(yīng)及經(jīng)濟(jì)、能源結(jié)構(gòu)影響[J].中國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì),2014(4):19-31.
[3]中國(guó)硫酸工業(yè)協(xié)會(huì).硫酸霧問(wèn)題工作簡(jiǎn)報(bào)(第一期).http://www.liusuan.org/plus/view.php?aid=3972
[4]李壯,王海濤,董鶴鳴,等.濕法脫硫?qū)?60MW煤粉爐PM2.5排放影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].節(jié)能技術(shù),2015(5):398-402.
[5]劉晨.我國(guó)大氣霧霾的元兇及對(duì)策與機(jī)遇探討[J].冶金動(dòng)力,2017(4):1-4.
補(bǔ)充圖:
編輯:俞垚伊
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