【郁昂：从物质流能量流分析初探北方秋冬季节雾霾成因 | #大气污染精准治理对策第二次座谈会# 】
（图片：郁昂 厦门大学环境与生态学院专家 近海海洋环境科学国家重点实验室主任助理）
摘要：#雾霾# 在北方秋冬季节集中爆发。从物质流的角度分析钢铁企业、燃煤电厂，量化各环节污染；从能量流的角度分析钢铁企业、燃煤电厂及烟气“脱白”。提出盐凝霾理论及湿度（水汽）对雾霾的影响，分析产业结构并估算硫酸盐、铵盐的排放。
关键词：物质流 能量流 盐凝霾 产业结构 氨排放
研究表明二氧化硫跟雾霾天数有部分的反相关性，最主要是重污染天气中硫酸盐、硝酸盐、氨氮的大量增加；欧盟的标准与美国标准及中国标准中关于氮氧化物的标准存在差别，欧盟2021年才执行150、175mg/Nm3的标准，除此之外CPM的标准在国内是欠缺的，我们认为这是在雾霾的形成原因中被漏掉一些因素，可以用物质流的方法进行分析，并探讨其成霾机理。
关于国内对氨的来源探讨很多，并花了很多钱，今年两会期间得出结论，大气环境容量减少50%，但我们认为不是比去年或者比前几年减少50%，而是污染天气下减少50%。可以看到消除了气象因素排放以后，目前特别是氨的排放量整体是增加，东部地区增加比较多，有现成的文献可以看到氨的排放变化。
第一，物质流。
氮氧化物有热力型、燃料型和快速型的，重点关注热力型，在一定的温度下，氮气和氧气结合占比是最大的。
炼钢各个工序的氮氧化物存在一定的差距，最后计算出在超低排放下的吨钢产量，产生接近两公斤的氮元素大气排放量，相当于吨钢排放44.59毫克每立方米的氮化合物，特别是氨逃逸或者铵盐逃逸占比较大；同样燃煤电厂的氮物质流，可以看到热力型氮氧化物的氮物质流，相当于吨煤排放47.78毫克每立方米的氮化合物。
近年来二氧化硫直线下降，但选择性脱硝增加了三氧化硫的催化，转化率按2%来算，吨钢排放约为32毫克每标准立方米，可以计算生成的硫酸盐和铵盐的数量。由图表可以看出2013年快速的减排，特别是脱硝设施的快速增长，和雾霾的天数是相对一致的，在2013年达到4倍的增长，而脱硫设施的数量增长是比较均匀的，至少在2000年前后是比较均匀的，这与烟尘的监测点安排在电除尘之后有关。根据脱硫浆液雾化干燥的试验，发现雾化以后PM2.5的比值占的比例非常大，可以占到46.22%。
其它途径的盐排放也很大，冷却塔的盐排放以及海水冷却的盐排放的数量大大超于硫酸盐、铵盐的量，但暂时不在我们的考虑之列，通过离子测定也间接证明了硫酸盐和铵盐的排放。
最后得出结论，硫酸铵、铵盐的排放量，以折算成排到大气中硫酸氢铵的量来计算，吨钢排放3.953千克，吨煤排放0.40千克，有了这个基础，从而外推到行业和区域的变化。
第二，关于能量流。
炼钢和燃煤过程能耗损失很大、转换过程复杂，燃煤电厂的发电效率只有40%，损失显热空气和原料中的热量占比不大，而水蒸气潜热的占比很大，水蒸气实际上能代表能量流，后续的白色烟气排放及脱尾现象，跟可凝结颗粒物有密切关系，而可凝结新颗粒物粒数量很大，但是随着不同的气象条件下，在排出烟囱后质量变化非常大。目前烟气脱白环保标准非常混乱，各地判定标准无论在方法和数值均有很大不同。
基于盐凝霾的理论，硫酸盐、铵盐的生成对现有的重污染天气影响最大，盐在低湿度情况下大气中累积，在足够高的湿度下长大和沉降，这就是为什么北方冬季才有重霾，夏季没有，而南方几乎全年没有重霾。人为水汽在冬季对北方干燥地区大气相对湿度影响十分明显，在冬季低温季节，如0摄氏度条件下，人为水汽排放可以29-35小时内让相对湿度从10%上升到50%，而在20摄氏度条件下接近100个小时才可以达到50%。由图表可以看出相对湿度与PM2.5、PM10的相关程度北方城市大于南方城市，但北京是一个特例，北京煤改气以后天然气造成人为水汽的大量排放，增加了盐凝霾这种现象。
从遥感照片上反演水汽的含量也可以看到上述一致性。举个难以用传统理论解释的例子：2016年12月31日有重霾，仅仅几个小时AQI就从600快速降到60甚至降到20，如果不用盐凝霾的东西解释，在没有风的情况下用传统颗粒物质理论是解释不清楚的。我们还注意到每年都有北京污染高于周边的现象，图中每年只选其中一次，北京已经治理这么多年，为什么高于周边，用传统理论也是很难解释清楚。
基于以上结论，从京津冀、广东省等各省统计煤和钢产量，从碳排放强度计算大气硫酸盐铵盐每平方公里的排放强度，可以得出京津冀地区并不是最高的，而上海和天津是其它省市的2到9倍，河北和东部沿海省的排放都比较高，也可以统计出大气盐排放在26+2城市的聚集情况。每年重污染天气天数有随着年际变化，从京津冀向西扩散到汾渭平原，再向北扩散到内蒙、新疆和东北等地方的趋势，实际上跟湿法脱硫、脱硝环保措施的加强是密切相关，可以看出随着脱硝后氮氧化物减排量重霾呈扩散趋势。
综上所述，三氧化硫和氨氮的大气逃逸造成铵盐和硫酸盐的大气排放量是非常值得评估的，并折算到每平方公里，在南方或北方的夏天可能几天全部沉降，但是在北方秋冬季节就会有一个累积的过程，工业水蒸气排放推高相对湿度，大气中的干态水溶性离子颗粒物吸湿长大是造成雾霾的原因。
建议可以通过烟气脱白、消除水汽的同时消除盐凝霾；通过监测可凝结颗粒物，也可间接检测方法（如测冷凝水中的电导率）进行验证；统计脱硝用氨的量，包括柴油车尾气治理用尿素的量。是时候开始反思指定的三个烟气排放指标是否存在技术路线错误的问题，谢谢！
整理/王语宽 校/sky 编/Angel
#绿色发展# #生态文明# #生态文明建设# #生物多样性# #生物多样性保护# #生态文明[超话]# #生物多样性保护[超话]# #绿色发展[超话]# #文明驿站# #RCEP# #健康与生物安全# #2021联合国粮食峰会中国行动枢纽# #联合国粮食峰会# #雾霾# #雾霾治理# #大气污染治理#
（图片：郁昂 厦门大学环境与生态学院专家 近海海洋环境科学国家重点实验室主任助理）
摘要：#雾霾# 在北方秋冬季节集中爆发。从物质流的角度分析钢铁企业、燃煤电厂，量化各环节污染；从能量流的角度分析钢铁企业、燃煤电厂及烟气“脱白”。提出盐凝霾理论及湿度（水汽）对雾霾的影响，分析产业结构并估算硫酸盐、铵盐的排放。
关键词：物质流 能量流 盐凝霾 产业结构 氨排放
研究表明二氧化硫跟雾霾天数有部分的反相关性，最主要是重污染天气中硫酸盐、硝酸盐、氨氮的大量增加；欧盟的标准与美国标准及中国标准中关于氮氧化物的标准存在差别，欧盟2021年才执行150、175mg/Nm3的标准，除此之外CPM的标准在国内是欠缺的，我们认为这是在雾霾的形成原因中被漏掉一些因素，可以用物质流的方法进行分析，并探讨其成霾机理。
关于国内对氨的来源探讨很多，并花了很多钱，今年两会期间得出结论，大气环境容量减少50%，但我们认为不是比去年或者比前几年减少50%，而是污染天气下减少50%。可以看到消除了气象因素排放以后，目前特别是氨的排放量整体是增加，东部地区增加比较多，有现成的文献可以看到氨的排放变化。
第一，物质流。
氮氧化物有热力型、燃料型和快速型的，重点关注热力型，在一定的温度下，氮气和氧气结合占比是最大的。
炼钢各个工序的氮氧化物存在一定的差距，最后计算出在超低排放下的吨钢产量，产生接近两公斤的氮元素大气排放量，相当于吨钢排放44.59毫克每立方米的氮化合物，特别是氨逃逸或者铵盐逃逸占比较大；同样燃煤电厂的氮物质流，可以看到热力型氮氧化物的氮物质流，相当于吨煤排放47.78毫克每立方米的氮化合物。
近年来二氧化硫直线下降，但选择性脱硝增加了三氧化硫的催化，转化率按2%来算，吨钢排放约为32毫克每标准立方米，可以计算生成的硫酸盐和铵盐的数量。由图表可以看出2013年快速的减排，特别是脱硝设施的快速增长，和雾霾的天数是相对一致的，在2013年达到4倍的增长，而脱硫设施的数量增长是比较均匀的，至少在2000年前后是比较均匀的，这与烟尘的监测点安排在电除尘之后有关。根据脱硫浆液雾化干燥的试验，发现雾化以后PM2.5的比值占的比例非常大，可以占到46.22%。
其它途径的盐排放也很大，冷却塔的盐排放以及海水冷却的盐排放的数量大大超于硫酸盐、铵盐的量，但暂时不在我们的考虑之列，通过离子测定也间接证明了硫酸盐和铵盐的排放。
最后得出结论，硫酸铵、铵盐的排放量，以折算成排到大气中硫酸氢铵的量来计算，吨钢排放3.953千克，吨煤排放0.40千克，有了这个基础，从而外推到行业和区域的变化。
第二，关于能量流。
炼钢和燃煤过程能耗损失很大、转换过程复杂，燃煤电厂的发电效率只有40%，损失显热空气和原料中的热量占比不大，而水蒸气潜热的占比很大，水蒸气实际上能代表能量流，后续的白色烟气排放及脱尾现象，跟可凝结颗粒物有密切关系，而可凝结新颗粒物粒数量很大，但是随着不同的气象条件下，在排出烟囱后质量变化非常大。目前烟气脱白环保标准非常混乱，各地判定标准无论在方法和数值均有很大不同。
基于盐凝霾的理论，硫酸盐、铵盐的生成对现有的重污染天气影响最大，盐在低湿度情况下大气中累积，在足够高的湿度下长大和沉降，这就是为什么北方冬季才有重霾，夏季没有，而南方几乎全年没有重霾。人为水汽在冬季对北方干燥地区大气相对湿度影响十分明显，在冬季低温季节，如0摄氏度条件下，人为水汽排放可以29-35小时内让相对湿度从10%上升到50%，而在20摄氏度条件下接近100个小时才可以达到50%。由图表可以看出相对湿度与PM2.5、PM10的相关程度北方城市大于南方城市，但北京是一个特例，北京煤改气以后天然气造成人为水汽的大量排放，增加了盐凝霾这种现象。
从遥感照片上反演水汽的含量也可以看到上述一致性。举个难以用传统理论解释的例子：2016年12月31日有重霾，仅仅几个小时AQI就从600快速降到60甚至降到20，如果不用盐凝霾的东西解释，在没有风的情况下用传统颗粒物质理论是解释不清楚的。我们还注意到每年都有北京污染高于周边的现象，图中每年只选其中一次，北京已经治理这么多年，为什么高于周边，用传统理论也是很难解释清楚。
基于以上结论，从京津冀、广东省等各省统计煤和钢产量，从碳排放强度计算大气硫酸盐铵盐每平方公里的排放强度，可以得出京津冀地区并不是最高的，而上海和天津是其它省市的2到9倍，河北和东部沿海省的排放都比较高，也可以统计出大气盐排放在26+2城市的聚集情况。每年重污染天气天数有随着年际变化，从京津冀向西扩散到汾渭平原，再向北扩散到内蒙、新疆和东北等地方的趋势，实际上跟湿法脱硫、脱硝环保措施的加强是密切相关，可以看出随着脱硝后氮氧化物减排量重霾呈扩散趋势。
综上所述，三氧化硫和氨氮的大气逃逸造成铵盐和硫酸盐的大气排放量是非常值得评估的，并折算到每平方公里，在南方或北方的夏天可能几天全部沉降，但是在北方秋冬季节就会有一个累积的过程，工业水蒸气排放推高相对湿度，大气中的干态水溶性离子颗粒物吸湿长大是造成雾霾的原因。
建议可以通过烟气脱白、消除水汽的同时消除盐凝霾；通过监测可凝结颗粒物，也可间接检测方法（如测冷凝水中的电导率）进行验证；统计脱硝用氨的量，包括柴油车尾气治理用尿素的量。是时候开始反思指定的三个烟气排放指标是否存在技术路线错误的问题，谢谢！
整理/王语宽 校/sky 编/Angel
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