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霧霾形成原因統計圖

圖文 更新时间:2025-01-26 05:12:44

本文分四次刊載,第一次刊載為執行摘要和“一、對題目的進一步解讀”、“二、2013年中國北方暴發大霧霾并持續至今,是可以确認的事實”兩大點,本次刊載為文章的三、四、五大點。

三、2013年前後與大氣污染物排放相關的唯一突變因素,是在新的大氣污染物排放标準和脫硝電價加價政策刺激下的燃煤煙氣治理大規模改造1、常規污染物治理取得輝煌成績,監測和控制指标國際領先,但導緻霧霾大爆發的可凝結顆粒物等是缺項

即使到今天,燃煤煙氣治理的主要目标還是延續過去治理酸雨的二氧化硫、氮氧化物、煙塵(可過濾顆粒物)等常規污染物。從2007年開始至今,電力行業的氮氧化物和二氧化硫排放已經下降90%,全社會而言也有大幅度持續下降,排放指标達到國際先進水平。但對标國際标準,可凝結顆粒物等是缺項,也是導緻霧霾的主要污染物。

2、2011年之前,燃煤煙氣治理設施中部分有GGH或者運行率相對較低,類似幹煙氣排放模式;該階段霧霾發生的頻次屬于常規變化,沒有突變。在2011年之前,部分濕法脫硫設施有GGH,許多已經存在的煙氣治理設施運行率很低。因此,二氧化硫排放量下降較慢,而氮氧化物還沒有開始減排。這期間華北平原的霾和霧天數之和仍然比較穩定,沒有發生突變。

2011年出台大氣污染物排放新标準,并借鑒2007年開始脫硫電價加價取得的二氧化硫和煙塵大幅度下降的成功經驗,推出針對氮氧化物的脫硝電價加價政策,并實行嚴格的實時在線監控和偷排重罰政策,關鍵時間節點是2013年1月1号開始。原本是要重現2007年的輝煌,但燃煤煙氣治理缺陷導緻事與願違,常規污染物排放急速下降,但其治理過程中産生的次生污染物導緻霧霾大爆發,危害更嚴重。

3、2012年是燃煤煙氣治理設施集中改造年,許多企業因為GGH存在結垢和煙氣洩漏不達标問題而被拆除,新增加或開始正常運轉的大量濕煙氣排放設施,新上大量氨法脫硝設施,燃煤煙氣治理設施發生突變

這一年發生的突變主要有:

  • 原來部分有GGH的濕法脫硫設施被取消GGH,幹煙囪變成濕煙囪,幹煙氣排放變為濕煙氣排放
  • 原來沒有GGH及後來新建濕法脫硫設施多數都沒有GGH,為濕煙氣排放
  • 2012年開始大規模脫硝改造,濕法脫硫設施與脫硝串聯運行
  • 企業為了實現比國際水平嚴格得多的氮氧化物排放标準,過量噴氨,增加催化劑層數,加大了二氧化硫轉化成三氧化硫的比率;過量的氨與三氧化硫優先進行酸堿中和反應生成硫酸氫铵。這也可以從目前脫硫粉煤灰中含有大量氨鹽得到證實
  • 2012年底後,實時在線監控、有力的刺激政策及偷排懲罰措施疊加,徹底扭轉2011年之前連續幾年煙氣治理設施運行率較低的問題,濕煙氣排放量暴增
4、從取消GGH帶來的變化,可以簡要說明燃煤煙氣治理缺陷是導緻霧霾發生的重要原因之一

取消GGH後發生的突變主要有:

  • 取消GGH後,監測數據顯示,造成超細顆粒物數濃度幾十倍增加
  • 取消GGH後,濕煙囪可能造成超細顆粒物數濃度成百上千倍的暴升。GGH在加熱烘幹脫硫後濕煙氣時,是在相對密閉的空間裡進行的,換熱過程會造成煙氣劇烈紊流,煙氣中的氣溶膠會相互撞擊長大,壓力也比較高,顆粒形狀會更近球形,而且密度會比較大,比表面積會相對小;而取消GGH後的煙氣排入大氣後顯著減少了相互撞擊長大的機會,而且顆粒物生成過程是自由無壓力狀态,生成的顆粒物形狀疏松,密度小,顆粒小,比表面積大,更容易在大氣中長期懸浮富集(孫中強團隊診斷沈陽暴發霧霾的原因)
  • 取消GGH後,脫硫塔内工藝條件變化,脫硫塔入口煙氣溫度上升,有些脫硫設施造成超細顆粒物數濃度增加10-100倍,在實施超低排放改造前都直接排入大氣中
  • 取消GGH後,排煙高度降低一半,污染物最大落地點濃度增加一倍(有的話)
  • 取消GGH的濕煙囪在當時都普遍出現石膏雨。而在天氣好的時候,不一定有石膏雨,因為脫硫液落不下來,都在天上了。氣象條件适合時,重霧霾就會産生。除霧器堵塞,煙氣流速或煙囪設計不合理,都屬于煙氣治理設施的缺陷。

僅僅上述變化造成的PM2.5數濃度變動,就達到下限為上百倍的突變,霧霾不大爆發都困難。取消GGH,暴露出了很多霧霾大爆發的原因。如果所有煙氣治理設施都有GGH,處于幹煙氣排放模式,霧霾不一定會爆發。至于GGH煙氣洩漏或結垢問題,屬于産品質量問題,一些進口設備就不存在這類問題。如果标準過低導緻拆除GGH,則是排放标準存在缺陷,就像氮氧化物标準太低導緻過度噴氨類似。

5、2013年前後濕煙氣排放、取消GGH、脫硝等煙氣治理帶來的突變

2013年前後濕煙氣排放、取消GGH、脫硝等煙氣治理帶來的突變還有:

  • 濕法脫硫脫硝後的濕煙氣中,有粒徑極小、數量極大的可凝結顆粒物(CPM)
  • 脫硝氨(或铵根)全生命周期排放,為以鹽為主的霾的生成,提供了原來缺乏的堿性物質
  • 濕煙氣中有極小的霧滴被機械攜帶,霧滴中有水溶性鹽
  • 濕法脫硫後的濕煙氣,增加了低溫時段大氣相對濕度,促進緻霾氣象條件更多更快形成和持續時間增加
  • 濕煙氣形成的煙羽有很好的形成硫酸鹽的條件,并在其中形成新的超細顆粒物
  • 非常規超細顆粒物在幹燥和寒冷的北方秋冬季節長時間累積和傳輸,表現出數濃度極高,但質量濃度很低
  • 在濕度大的靜穩天氣,大氣中長時間不衰減累積的數濃度很高的超細顆粒物開始凝并,數濃度快速降低,粒徑變大,質量濃度迅速升高,并表現出明顯的霧霾狀态;同時也作為溫床和加速器,促成二次細顆粒物的形成;通常是暴發霧霾,有時也可能随着氣象條件轉好,使得質量濃度高的顆粒物又隐形,看上去天氣好轉
  • 燃煤煙氣治理設施密布的霧霾重點區域,平時每個城市都是超細顆粒物的策源地和輸出地,也是相鄰城市随風而來的細顆粒物的輸入地,在同一個大氣場内的城市,細顆粒物能很快進行混合,難以分出是自身産生的或是傳輸來的,除了禁煤區很大的北京。
  • 霧霾發生時多為靜穩天氣,空氣流動緩慢,當地的燃煤煙氣治理缺陷導緻的非常規污染物,能夠迅速加劇當地的霧霾程度;而北京等禁煤區則不會受此拖累

上述因素最終體現在PM2.5數濃度相對霧霾大爆發前的飙升。

霧霾形成原因統計圖(霧霾大暴發根本原因解析)1

霧霾形成原因統計圖(霧霾大暴發根本原因解析)2

圖4 霧霾暴發前後PM2.5數濃度和質量濃度的變化趨勢

(圖4為北京2013年9月一場霧霾的形成情況,在以PM2.5質量濃度為代表的霧霾發生之前,PM2.5的數濃度非常高,而在霧霾發生時,由于超細顆粒物凝并、二次複合等,PM2.5數濃度大幅度下降,質量濃度大幅度上升。在霧霾大暴發之前極高的PM2.5數濃度,其來源是霧霾大暴發主因的重要線索。圖中顯示出了PM1的組分分析結果。資料來源:An et al. (2019).PNAS.)

6、常規污染物治理的技術和管理缺陷,引發非常規緻霾污染物排放暴增,表現為大氣中PM2.5數濃度暴升,導緻2013年開始霧霾大暴發,并持續至今

采用有缺陷的燃煤煙氣治理設施和管理措施治理常規污染物,引發大氣中未被監測和控制的非常規緻霾污染物排放暴增,表現為大氣中PM2.5數濃度暴升,導緻2013年霧霾大暴發,并持續至今。顯然,霧霾是治理常規污染物過程中,因為技術和管理缺陷造成的次生人為災害,是人為失誤造成的人為災害,不可能是氣象災害。

霧霾形成原因統計圖(霧霾大暴發根本原因解析)3

圖5 霧霾天數與濕法脫硫的煤炭消費量高度相關

這些非常規污染物包括可凝結顆粒物(CPM),脫硝過量噴氨導緻的多種形式氨/铵排放,溶解固形物被機械攜帶、取消或沒有GGH後濕煙羽中形成的超細顆粒物等。

7、并非PM2.5質量濃度變化或突變,導緻霧霾大暴發

PM2.5質量濃度從2007年開始,呈持續下降趨勢,霧霾大暴發前的2010年到開始大暴發的2013年,基本處于平台期。其年度平均濃度沒有出現多大變化,這也是一些人否認2013年真的有霧霾大暴發的依據。實際上,進一步統計北京每年的每小時PM2.5大于300的小時數,2013年是2012年的2倍,也表現出突變。可見2013年開始霧霾大暴發,不是人們觀念的改變或錯覺。

霧霾形成原因統計圖(霧霾大暴發根本原因解析)4

圖6霧霾天數和PM2.5質量濃度的變化在2012年之前相似,2013年後因圍繞PM2.5質量濃度的大氣污染治理徹底脫鈎

四、2015年以後開展的超低排放改造是常規污染物的深度減排,仍有足夠多的緻霾非常規污染物排入大氣,并造成霧霾,隻是程度有所減輕1、超低排放是過去有酸雨時治理酸雨主要措施的加強版,并非針對霧霾治理

超低排放改造仍然是針對導緻酸雨的常規污染物更低排放标準的深度減排,對非常規污染物減排作用不大。因此,超低排放改造之後,仍有足夠多的可凝結顆粒物不被控制的排放到大氣中,成為大氣中一次超細顆粒物的主體,也是特定氣象條件下二次顆粒物形成的溫床和加速器。超低排放改造的綜合效果,表現為霾、霧、輕霧天數仍在突變後的高位徘徊。

有人以還有好多燃煤設施沒有進行超低排放改造,可能繼續導緻霧霾,為超低排放改造開脫責任,是站不住腳的。超低排放改造減少了大量污染物的排放,這也能夠反證2013-2014年為什麼霧霾大爆發。但是超低排放改造與改造之前的濕法脫硫脫硝相比,在非常規污染物排放方面,沒有多少實質性的改善,也不是治理的目标,屬于五十步笑百步。

2、考慮可凝結顆粒物後,嚴格的北京超低排放标準下,顆粒物濃度也超過5毫克的北京标準

在超低排放完全實現,标準也非常嚴格的北京,燃煤設施可過濾顆粒物(FPM)排放極低。但加上可凝結顆粒物後,也超過北京的顆粒物排放質量标準。而中國環科院任院士提供的北京之外若幹設施的檢測數據顯示,僅僅可凝結顆粒物平均濃度就達每立方米13.9毫克,遠遠高于北京市。即使達到超低排放的一些燃煤發電機組,PM2.5或PM1.0質量濃度很低,但其數濃度并不比PM2.5質量濃度很高的鍋爐低多少。

3、權威專家評價:超低排放評價顯著低估了顆粒物的實際排放水平

即使檢測出上述北京超低排放水平很高的權威專家,在公開發表的文章中也評價到:我國現行污染物排放标準,顆粒物指标專指FPM,沒有考慮粒徑極小、數量極大及特定氣象條件下霧霾暴發成因的CPM。可見,超低排放評價顯著低估了顆粒物的實際排放水平。

這一判斷與我們這幾年的研究一緻。

4、目前重點區域基本完成超低排放改造,能見度低的霾、霧和輕霧天數按照PM2.5質量濃度相對霧霾大爆發之前下降50%推算天數的十幾倍,而不是一半;顯然,相對霧霾治理,超低排放并非對症下藥

按照PM2.5質量濃度已經下降到霧霾大暴發前的50%,霾、霧和輕霧天數應該是霧霾大暴發前的一半,山東省平均應該在15天左右,但實際天數至今仍是這個數值的十幾倍,令人難以置信。導緻能見度低的超細顆粒物,粒徑極小,但對健康的影響一點也不小,甚至更要命,需要根治。

五、煤炭消費總量、散煤燃燒量、機動車排放等常規變量,在2013年前後都沒有突變,不可能導緻霧霾大暴發1、煤炭消費量在霧霾大暴發前後沒有大的變化

2001-2006年PM2.5質量濃度随着煤炭消費量上升而同步上升,2007年開始二者已經脫鈎。

一般而言,對煤炭消費量的控制,有利于降低PM2.5的質量濃度。但2007年開始的脫硫除塵,使得二者基本不再相關,煤炭消費量已經不是導緻PM2.5濃度升高或發生霧霾的關鍵變量。如沈陽等一些城市煤炭消費量早就從2000年開始大幅度下降,但在2013年仍然暴發極度嚴重的霧霾,也能夠略見一斑。

如果沒有外部因素發生突變,霧霾天數會沿着圖7中紅色箭頭方向變化,略微增長。如果進一步考慮2012年後單設的輕霧天數,霧霾天數的突變比圖7中藍線還會高一倍多。這是找到霧霾大暴發的鑰匙,但由于當時數據難以拿到,錯失搞清楚主因的機會。

霧霾形成原因統計圖(霧霾大暴發根本原因解析)5

圖7 霧霾天數與煤炭消費量變化趨勢

(圖7為山東省煤炭消費(黑線)和霧霾天數(藍線)變化,2013年前後煤炭消費量沒有多大變化,但霧霾天數則發生突變。因此,霧霾大暴發不可能是由于煤炭消費量突變引起的。)

2、其他常規變量都沒有發生大的變化,即使其對當地PM2.5質量濃度貢獻一直很大

散煤燃燒,可能霧霾大暴發之前燒的更多。減少農村散煤采暖、減少産業散煤燃燒等措施,有利于PM2.5質量濃度的下降,但也不是霧霾大暴發的原因。

機動車,就華北平原而言,一直在按照常規增長,其排放不可能引起突變。

建築工地可能是PM10的主要來源,而不是PM2.5的主要來源。

燃煤發電機組或鍋爐數量及其燃燒技術,在2013年前後也沒有多大變化,不可能引起突變。

其他變量,如鋼鐵産量、電解鋁産量、建材産量等以及經濟産出變量都沒有發生大的變化,都是正常範圍内的變化。

霧霾形成原因統計圖(霧霾大暴發根本原因解析)6

圖8 不同大氣污染相關變量的變化率比較

(圖8中隻有霾和霧霾天數之和發生突變(不包括輕霧天數)。其他經濟變量或重點耗能産品産出變量在2013年前後都是常規變化,沒有任何突變。如果包括輕霧天數,更是難以置信)

3、華北平原較大城市市區或作為禁煤區的北京,機動車的排放有時可能是主要細顆粒物來源,但燃煤煙氣治理産生的一次和二次顆粒物在每次的霧霾暴發前就已經随風遷入,燃煤煙氣治理缺陷對其影響也不小

在北京這種周圍有很大禁煤區的特殊城市或華北平原較大城市市區,機動車有可能在一定時段成為超細顆粒物的主要來源。

但是,由于北京幾個方向的非禁煤區,都有大量的燃煤煙氣治理設施,其排放的超細顆粒物能夠在大氣中長時間累積并随風漂移,足夠引起霧霾發生。

霧霾發生前的風向或衛星反演,都能夠顯示這種超細顆粒物輸送。可見,燃煤煙氣治理缺陷也照樣影響北京,隻是程度小一些。北京沒有煤炭燃燒,也就沒有燃煤煙氣治理設施,不會因為煙氣治理的缺陷直接加快、加重當地的霧霾。

北京周圍有很大的禁煤區,北面也屬于山區,其霧霾治理與華北平原其他區域有很大的差别。主要是因為霧霾由燃煤煙氣治理缺陷引發,北京作為禁煤區肯定大大好于非禁煤區。過去的奧運藍、APEC藍等也說明這個問題。禁煤區離北京越遠,效果越好,因為每次霧霾即将暴發前和暴發中的時候,當地産生的緻霾污染物對當地霧霾暴發影響很大。

搞清楚哪些因素可能是霧霾大暴發的原因,哪些不是,對于實現精準高效的霧霾治理很關鍵。

4、煤炭消費總量與PM2.5質量濃度2007年開始脫鈎,以此為抓手治霾,并非精準

煤炭作為第一次工業革命蒸汽機和第二次工業革命電力的基礎能源,逐漸成為在開發和利用過程中破壞生态環境和危害公衆身體健康的代名詞。但是,中國煤電作為煤炭消費最大部分,二氧化硫和氮氧化物排放量比其峰值下降90%,煙塵下降幅度也很大,達到國際領先水平。目前,供熱、鋼鐵、焦化等在華北平原等重點區域已經基本實現超低排放。理論上這些區域的主要耗煤領域應該擺脫了污染環境、危害健康的詛咒,但事實并非如此。

2013年中國北方大面積嚴重霧霾突發,山東省霧霾天數連續兩年翻番式上升,北京和濟南的PM2.5質量濃度和前三年比沒有明顯變化。一般認為,PM2.5是霧霾産生的主要原因,但其内涵包括兩個部分,一是質量濃度,而是數濃度。

2012年至今,PM2.5質量濃度下降50%。但是,以能見度為特征的霾、霧和輕霧的天數沒有下降多少,仍在霧霾大爆發後的高位運行。結合濕法脫硫脫硝後的燃煤煙氣治理導緻PM2.5質量濃度降低,但PM2.5數濃度幾十或上百倍暴升的證據,可以判斷是PM2.5的數濃度導緻2013年開始的霧霾大爆發,而不是質量濃度。

從煤炭消費量與PM2.5質量濃度的關系看,2001-2006年間二者同步增長,相關性很高。PM2.5質量濃度則是2006年達到峰值,之後逐漸下降。主要是這一段時間煤炭消費量快速增長,但相應的煙氣治理技術沒有跟上,除塵水平都較低。2007年到2013年,煤炭消費量在增加,并達到峰值,但PM2.5質量濃度不再增長,而是持續下降。

2010-2013年,PM2.5質量濃度處于下降中的平台期。2013年之後PM2.5質量濃度則比霧霾大爆發前後的平台期下降50%。華北平原煤炭消費總量2013年之後處于稍微下降趨勢;山東省的煤炭消費量還在增長,直到2019年。

2013年霧霾大爆發的原因是CPM排放、過度噴氨、含有水溶性鹽的氣溶膠和霧滴、濕煙囪排放的過量水汽等非常規污染物導緻的PM2.5數濃度的暴升幾十甚至到上百倍所導緻的。

專家認為,PM2.5數濃度對人體健康和生态的影響更為關鍵和重要。在特殊的燃煤煙氣治理技術和管理措施突變下,PM2.5質量濃度沒有多大變化,但數濃度暴升上百倍,從而造成2013年開始的霧霾大爆發。這個暴升是因為濕法脫硫脫硝等技術缺陷、标準缺失和監管缺位等共同造成的煙氣治理環節的次生污染或次生災害,并非是煤炭消費量或PM2.5質量濃度變化所緻,這是必須認清的霧霾大爆發的根本原因。否則,治霾很難對症下藥。

嚴格控煤措施形成的煤炭消費總量小幅度下降,能夠對PM2.5質量濃度起一點作用,但因為2007年二者就脫鈎,所以作用很小;而相對霧霾天數幾倍,或PM2.5數濃度幾十倍甚至上百倍的變化,煤炭消費總量微小的變化作用不大。類似沈陽2013年霧霾大爆發,煤炭消費量當時已經比2000年前後下降很多。可見,通過控煤來治霾,并非對症下藥。針對燃煤煙氣治理缺陷造成的次生污染,才是快速、低成本、高效治霾的關鍵。

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