候丙林

（北京周樂(lè)鑫盛節(jié)能工程有限公司，北京101300）

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霧霾的產(chǎn)生與治理

候丙林

（北京周樂(lè)鑫盛節(jié)能工程有限公司，北京101300）

霧霾不僅嚴(yán)重影響著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，而且還嚴(yán)重影響著城市居民的正常生活和身體健康。治理霧霾，首先必須弄清霧霾發(fā)生的規(guī)律、形成的機(jī)理以及產(chǎn)生和消除霧霾的客觀條件。

霧霾；原因；治理

本文提出一個(gè)全新的觀點(diǎn)，霧霾的治理不能僅僅只從減少微塵排放入手，必須同時(shí)治理白色污染（放散水蒸氣）。在此之前，全國(guó)各大城市取消了燃煤鍋爐，重工業(yè)企業(yè)也基本上遷出了大城市，為什么霧霾越治越嚴(yán)重呢？關(guān)鍵是沒(méi)有弄清楚霧霾產(chǎn)生的原因，只知道治塵不知道治白。為提請(qǐng)政府部門和各科研單位注意，在此提出：“治霾不治白，效果出不來(lái)。”

下面從霧霾發(fā)生的規(guī)律來(lái)分析霧霾產(chǎn)生的原因，進(jìn)而從根本上杜絕霧霾的根源，盡快改善京津冀的環(huán)境狀況。

1　霧霾發(fā)生的規(guī)律

（1）近年來(lái)霧霾的天數(shù)越來(lái)越多

上世紀(jì)六十年代，全國(guó)年均霧霾日數(shù)只有2.4天，七八十年代上升至5.3天，九十年代6.1天，2001～2007年達(dá)到9.7天。有資料說(shuō)2014年北京的霧霾日數(shù)達(dá)到90天。

（2）霧霾大多產(chǎn)生在秋冬兩季（特別是冬季）

夏天多雨，時(shí)而可以看到大霧天氣但很少有霾。

春天干燥且氣溫逐漸由低到高，很少見(jiàn)到大霧或者是霧霾。

秋天霧霾不多，北京10月份一般只有5～6天。一名深圳的藝術(shù)家拉著一個(gè)吸塵器在北京大街上每天采集街道各處空氣中的微塵 （包括PM2.5），從2015年7月到11月29日100天的時(shí)間里僅發(fā)生20天霧霾天氣。

冬天霧霾頻繁發(fā)生。2015年12月份，7日到11日霧霾連續(xù)4天，從17日到23日連續(xù)霧霾7天，北京把這11天的霧霾等級(jí)提到了紅色最高級(jí)，見(jiàn)圖1。24日在陽(yáng)光下霧霾開(kāi)始消散。25日、28日、29日又發(fā)生輕度霧霾，12月份霧霾天數(shù)達(dá)到14天。

圖1　北京霧霾紅色級(jí)別實(shí)景圖

（3）霧霾多在無(wú)風(fēng)而且是在夜里發(fā)生。

（4）霧霾多發(fā)生在四周群山環(huán)抱的大城市。

北京地區(qū)就是西、北、東三面環(huán)山的都市。從石家莊驅(qū)車到山西太原，不時(shí)可以看到群山叢中一個(gè)山溝一個(gè)山溝煙霧繚繞，不是霧霾就是煙塵，那里必定有一個(gè)大型水泥廠。

2　霧霾產(chǎn)生的原因

2.1霧霾產(chǎn)生的外因

（1）沒(méi)有風(fēng)的天氣里才發(fā)生霧霾

大風(fēng)一來(lái)無(wú)論是霧還是霾都一掃而光，這個(gè)無(wú)需過(guò)多解釋，因?yàn)闊o(wú)論是白色水蒸氣還是PM2.5不等它富集就被大風(fēng)給吹走了，達(dá)不到一定的濃度哪來(lái)的霧或者是霾？

（2）陰天或在夜里發(fā)生霧霾

由于高空云層變化，沒(méi)有太陽(yáng)的日子經(jīng)常有。連續(xù)幾天沒(méi)有陽(yáng)光對(duì)地表面的照射，地表空氣層溫度就會(huì)相應(yīng)下降，空氣的相對(duì)濕度就會(huì)隨著溫度的降低而相應(yīng)升高，當(dāng)空氣的相對(duì)濕度達(dá)到100%的飽和程度就形成雨或雪；當(dāng)大于90%小于100%時(shí)就產(chǎn)生霧；當(dāng)小于90%且微塵濃度大時(shí)就形成霾（后面專門討論由于氣溫降低，相對(duì)濕度增大的具體數(shù)據(jù)）。

空氣里的水蒸氣和微塵相撞就形成水塵結(jié)合的氣溶膠，顆粒加大到可見(jiàn)就形成霾；純凈的水汽顆粒加大就形成霧。這就是為什么大霧出現(xiàn)在雨后，因?yàn)榭諝饫锏奈m被雨水洗刷干凈了。霧霾出現(xiàn)在連續(xù)陰天無(wú)雨的情況之下。

（3）人為的建筑阻擋了空氣層的流動(dòng)

就拿北京來(lái)說(shuō)，上世紀(jì)六十年代奧運(yùn)中心還是一片農(nóng)田，北京的風(fēng)沙是出了名的，特別是秋冬兩季，經(jīng)常吹得人睜不開(kāi)眼睛，邁不開(kāi)步子?？墒乾F(xiàn)在，哪還有風(fēng)？

本人為了找風(fēng)，曾經(jīng)只身到十三陵水庫(kù)一游。當(dāng)走到十三陵水庫(kù)大壩的山口時(shí)，被凌厲的大風(fēng)吹得站不穩(wěn)老年的身體，風(fēng)力大得和50年前剛來(lái)到北京一個(gè)樣，只得趕快逃離。等下得山口，風(fēng)就小了很多，等到五環(huán)以內(nèi)，什么風(fēng)也沒(méi)有了。更可況大樓林立、道路縱橫的北京市中心。

（4）城市人口的急劇增加，造成霧霾逐年增加

城市人口的增加隨之造成小汽車數(shù)量和居民冬季采暖面積日益增加，兩者產(chǎn)生大量的霧霾因子。特別是天然氣供暖，固然是CO2減少了（每燃燒1 m3天然氣只產(chǎn)生0.986 m3CO2，占總排煙量的8.6%），可是卻產(chǎn)生1.96 m3H2O，水蒸氣排量占總煙氣量的17.1%，大家可以看到所有天然氣鍋爐排的都是白煙。大量的白色污染增加了城市空氣的相對(duì)濕度，秋冬氣溫較低，空氣中少量的絕對(duì)水分，就能使空氣的相對(duì)濕度迅速提高并達(dá)到產(chǎn)生霧霾的條件。

2.2霧霾產(chǎn)生的內(nèi)因

（1）微塵（包括PM2.5）的增多是今日大城市霧霾增加的主要原因。

首鋼遷出北京市了，消除了一個(gè)最大的工業(yè)污染源，為什么北京市的霧霾沒(méi)有減少反而增加了呢？小汽車的劇增是今日城市PM2.5增加的主力軍，機(jī)動(dòng)車的排放物是不可見(jiàn)的，但是和空氣中的水蒸氣遇在一起就會(huì)形成一種氣溶膠，顆粒逐漸碰撞增大就成了可以看到的霾。

什么叫霧？懸浮著的可見(jiàn)的水分顆粒就叫霧。顆粒繼續(xù)增大到懸浮不住時(shí)就變作雨滴落了下來(lái)。

什么叫霾？可見(jiàn)的水分和微塵的膠狀懸浮物就叫霾。霾的成分是微塵顆粒加水分顆粒，單獨(dú)存在都看不見(jiàn)，共同存在（1+1=2）顆粒變大就能看見(jiàn)，所以就叫霾。霧和霾相輔相成，所以叫霧霾。去掉其中一個(gè)不是叫霧就是叫塵。

（2）水蒸氣的增多是形成霧霾的另一個(gè)主要原因。

2015年12月份，北京市采取了機(jī)動(dòng)車單雙號(hào)制度，機(jī)動(dòng)車產(chǎn)生的微塵減少了50%以上，霧霾天數(shù)仍然達(dá)到14天，這是為什么呢？

上世紀(jì)八十年代環(huán)境污染治理主要是消除冒黑煙、黃煙；九十年代主要是脫硫脫硝；現(xiàn)在主要是治霧霾和溫室效應(yīng)。

可是現(xiàn)在一提起霧霾和溫室效應(yīng)就狠抓CO2排放，不可否認(rèn)，CO2排放是造成環(huán)境污染的第一禍?zhǔn)?，但是卻忽略了另一個(gè)隱性殺手——水蒸氣（俗稱白色污染）。H2O和CO2一樣也是三原子氣體，是六大溫室氣體之一，更可惡的還是霧霾的幫兇。

單純的微塵，特別是PM2.5是很容易向高空擴(kuò)散的，在沒(méi)有霧汽的情況下PM2.5是不可見(jiàn)的，一旦微塵和水蒸氣膠結(jié)在一起，顆粒成倍增大，這種氣溶膠狀的顆粒物懸浮在空中，阻礙陽(yáng)光對(duì)地表的照射（多原子大顆粒吸收了太陽(yáng)的輻射熱），造成地表溫度低于高空溫度，就逐漸形成大家常提到的“逆溫現(xiàn)象”，逆溫現(xiàn)象更加不利于低空顆粒物向高空擴(kuò)散，隨著低空汽塵膠狀物在地面越聚越多，濃度達(dá)到一定程度就成為大家看到的霧霾。

從上面的分析，如果認(rèn)可了水蒸氣和微塵是產(chǎn)生霧霾的兩大基因，下面來(lái)分析為什么霧霾多發(fā)生在秋冬季且是陰天之后，近年為什么燃煤鍋爐沒(méi)有了還頻頻出現(xiàn)霧霾天氣？

（3）冬季霧霾多的原因是：冬季氣溫低，飽和蒸氣壓力小，溫度變化對(duì)空氣的相對(duì)濕度影響比較大。

首先來(lái)看相對(duì)濕度和溫度、飽和蒸汽壓力的關(guān)系，見(jiàn)表1。

表1　相對(duì)濕度和溫度、飽和蒸汽壓力的關(guān)系

從上表可以看出，溫度越低，空氣的飽和水蒸氣壓力越小，空氣中的水蒸氣越容易達(dá)到飽和（冷凝成水或水珠），也就是說(shuō)空氣中所能承受的水蒸氣絕對(duì)含量越少，特別是當(dāng)溫度小于5℃時(shí)，每降低2℃，同樣含量的絕對(duì)水分就可以使空氣的相對(duì)濕度提高10%以上，使本來(lái)達(dá)不到霧霾條件的空氣達(dá)到產(chǎn)生霧霾的條件（相對(duì)濕度越大，微塵和水分碰撞的機(jī)會(huì)越多，空氣中可見(jiàn)的大顆粒物就越多，聚集起來(lái)就是霧霾）。這就是秋冬季節(jié)氣溫較低時(shí)容易形成霧霾的原因。

例如：4℃時(shí)相對(duì)濕度70%時(shí)空氣的絕對(duì)含水量為4.517 g/m3，當(dāng)氣溫降到2℃時(shí)，同樣的水分含量，相對(duì)濕度達(dá)到80%以上，本來(lái)水分自己就要形成可見(jiàn)的霧，這時(shí)遇到微塵提前變?yōu)榭梢?jiàn)的大顆粒成為了霾。

也許有人要問(wèn)：為什么夏天高溫時(shí)空氣的絕對(duì)含水量是冬季的6～10倍反而不產(chǎn)生霧霾呢？難道夏天城市里的汽車就不開(kāi)了嗎？

上文說(shuō)到，當(dāng)空氣相對(duì)濕度達(dá)到100%時(shí)就是飽和狀態(tài)，水蒸氣就凝結(jié)成飽和水形成雨雪；當(dāng)相對(duì)濕度達(dá)到100%以下時(shí)水滴顆粒較小懸浮在空氣中就形成霧；當(dāng)相對(duì)濕度小于90%時(shí)，水分顆粒更小，本來(lái)不可見(jiàn)，但是微塵濃度較大，微塵和水分顆粒相撞形成大顆粒的膠體顆粒，就形成可見(jiàn)度不同的霧霾。

（4）霧霾和相對(duì)濕度的關(guān)系：相對(duì)濕度越大，水蒸氣越不容易向高處擴(kuò)散，越容易產(chǎn)生凝結(jié)水霧，微塵顆粒和水蒸氣接觸的機(jī)會(huì)越多，越容易形成霧霾。

夏天氣溫高，空氣的飽和蒸汽壓力大，沒(méi)有足夠多的水蒸氣質(zhì)量就達(dá)不到比較高的相對(duì)濕度，空氣相對(duì)濕度低時(shí)水汽和微塵就容易垂直向高空擴(kuò)散，相對(duì)于比冬天大得多微塵濃度也不容易形成霧霾。另一個(gè)原因是夏季多雨，雨后為什么空氣新鮮，因?yàn)榇笥臧芽諝庵械膲m埃沖刷到江河湖海中去了。

（5）近幾年冬季霧霾天氣多的原因

天然氣鍋爐采暖產(chǎn)生大量的水蒸氣，使空氣中的水蒸氣絕對(duì)含量增加，同樣的冬季溫度，空氣的相對(duì)濕度比過(guò)去年份大，即使在微塵危害級(jí)別較低的情況下也容易形成霧霾。

下面計(jì)算分析天然氣燃燒對(duì)空氣濕度和霧霾的影響。

天然氣成分：CH497.10%，C2H60.48%，C3H80.06%，H20.09%，CO 0.01%，CO20.31%

每m3天然氣燃燒后產(chǎn)生0.986 m3CO2，占煙氣量的8.6%；產(chǎn)生1.96 m3H2O，占煙氣量的17.2%，水蒸氣的質(zhì)量1.577 kg/m3。

北京市每年消耗天然氣 69億m3，有436萬(wàn)戶居民使用天然氣做飯，每戶每天消耗天然氣 0.35 m3，全年總耗量127.75 m3，全北京居民每年做飯消耗天然氣5.557億m3，其余63.43億m3天然氣暫按30%用于餐飲業(yè)、企業(yè)生產(chǎn)用汽外，70%都被熱力公司和居民散戶用作冬季采暖，北京地區(qū)采暖期120天，每天平均消耗天然氣0.37億m3，燃燒后每天產(chǎn)生水蒸氣583 355.5 t。

據(jù)有關(guān)資料介紹，北京地區(qū)除山地以外的平原面積6 390.3 km2。

霧霾在8～32 m高度內(nèi)濃度最大，同時(shí)，0～54 m高度內(nèi)隨著高度的增加霧霾濃度逐漸減小，將霧霾平均厚度暫且按50 m計(jì)算，天然氣燃燒每天產(chǎn)生的水蒸氣量平均到北京地區(qū)空氣中為0.18 g/m3。

從上面溫度和濕度表中可以計(jì)算出，冬季只要是沒(méi)有氣流流動(dòng)的無(wú)風(fēng)日子里，一晝夜的天然氣燃燒就能使空氣中絕對(duì)水分含量增加0.18 g/m3，能使空氣的相對(duì)濕度增加3%～6%。僅冬季采暖這一項(xiàng)，只要幾天時(shí)間空氣的相對(duì)濕度就會(huì)迅速提高，很容易就達(dá)到產(chǎn)生霧霾的條件。

另一個(gè)白色污染為熱電廠涼水塔的排汽（見(jiàn)圖2）。一個(gè)300 MW的發(fā)電機(jī)組涼水塔的蒸發(fā)水量是486t/h，每天11 664 t，北京地區(qū)電廠總計(jì)排水量也是很可觀的數(shù)字。

圖2　白色污染實(shí)景圖

3　霧霾的治理

霧是高濕度情況下可見(jiàn)的水蒸氣顆粒物，霾是水蒸氣和微塵粘結(jié)成的氣溶膠顆粒物，霧和霾不能分離。離開(kāi)霧，微塵顆粒物容易垂直向高空擴(kuò)散，PM2.5就不容易形成很高的濃度，環(huán)境污染也隨之減小。也可以說(shuō)，沒(méi)有霧也就形不成霾。因此，本文提出：治霾不治白，效果出不來(lái)。必須根治白色污染才能從根本上防止霧霾的發(fā)生。

鑒于以上理論，提出以下治理霧霾的有效措施。

3.1繼續(xù)減少?gòu)U氣排放

經(jīng)過(guò)近幾年的努力，城市燃煤鍋爐已經(jīng)基本取消，排放污染比較大的冶金化工企業(yè)已經(jīng)搬離城市，大城市的主要污染源變成城市的機(jī)動(dòng)車輛。政府應(yīng)當(dāng)學(xué)習(xí)西方國(guó)家和日本采取措施限制機(jī)動(dòng)車進(jìn)城行駛，發(fā)展城市軌道交通替代私人車輛，同時(shí)開(kāi)辟自行車專用通道，鼓勵(lì)綠色出行。

3.2規(guī)劃城市建設(shè)，拆除違章建筑，根據(jù)城市風(fēng)向

留出空氣流動(dòng)通道

明朝北京城的建筑是非?？茖W(xué)的，筆直的街道是暢通的風(fēng)流通道。如今隨著城市高樓的無(wú)序建設(shè)，縱橫交錯(cuò)的高樓阻擋了城市空氣的對(duì)流通道，因此才出現(xiàn)北面山口風(fēng)大如初，城市中心紋絲不動(dòng)。

3.3加強(qiáng)城市白色污染的防治

城市的白色污染主要來(lái)自天然氣燃燒和電廠涼水塔的排放（見(jiàn)圖2）。天然氣燃燒產(chǎn)生大量水蒸氣（上面已經(jīng)論證），電廠涼水塔向大氣中排放大量水分。

（1）回收天然氣鍋爐排煙中水蒸氣的冷凝熱已經(jīng)是成功的經(jīng)驗(yàn)，只要在煙道中加裝冷凝冷卻器就可以回收煙氣中的水分，減少水蒸氣造成的白色污染，冷凝水可以重復(fù)利用，同時(shí)回收的冷凝熱還可以節(jié)約天然氣8%左右。

（2）家用天然氣壁掛爐可以研發(fā)、加裝小型的煙氣冷凝冷卻器，防止水蒸氣排放。

（3）取消傳統(tǒng)的熱電廠的涼水塔，采用吸收式熱泵回收汽輪機(jī)乏汽冷凝熱。

（4）回收冶金、化工、熱電廠的工業(yè)低溫余熱供給城市冬季供暖和夏天供應(yīng)生活熱水，變廢為寶，減少天然氣鍋爐的煙塵和水蒸氣排放。

過(guò)去由于缺少低溫余熱回收技術(shù)，例如：熱泵技術(shù)和低溫蓄熱技術(shù)，使得許多低溫工業(yè)余熱，例如：熱電廠的汽輪機(jī)乏汽冷凝熱和煙氣余熱及鍋爐定連排余熱、冶金廠的高爐沖渣水和散蒸汽余熱、鋼渣余熱、燒結(jié)礦冷卻風(fēng)余熱和排煙余熱、煉焦?fàn)t排煙余熱和濕息焦散蒸汽余熱、軋鋼加熱爐煙氣余熱和型材軋后顯熱、連鑄機(jī)冷卻水和散蒸汽余熱、各種窯爐煙氣濕法脫硫產(chǎn)生的散蒸汽余熱……等等，由于溫度低或者是斷續(xù)排放回收后不能連續(xù)應(yīng)用。近幾年，吸收式熱泵技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)許多電廠成功應(yīng)用，低溫蓄熱技術(shù)及裝置已經(jīng)成功在冶金企業(yè)使用，移動(dòng)蓄熱車也已經(jīng)在許多城市運(yùn)營(yíng)，這都為治理白色污染、回收低溫余熱打下了良好的基礎(chǔ)。

筆者經(jīng)過(guò)考察論證曾經(jīng)做過(guò)兩個(gè)工業(yè)余熱回收方案。

一是北京郊區(qū)某熱電廠，總裝機(jī)容量 1 300 MW。冬季向通州和燕郊區(qū)各供暖1000萬(wàn)m2。如果使用原供暖蒸汽作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)吸收式熱泵，可以回收涼水塔的循環(huán)水熱量增加供暖面積800萬(wàn)m2以上。

另一個(gè)是接近內(nèi)蒙的某鋼鐵廠，年產(chǎn)鋼量520 萬(wàn)t。如果全部回收低溫余熱，可以完全滿足相距2 km的某縣級(jí)市800萬(wàn)m2的冬季供暖面積，關(guān)閉掉目前的三大供熱公司，實(shí)現(xiàn)城市供熱零排放。

唐山市是河北省鋼鐵產(chǎn)能的集中地，有規(guī)模的鋼鐵廠有十來(lái)個(gè)（筆者也曾為遷西某廠做過(guò)低溫余熱回收方案），如果都把低溫余熱回收用于冬季供暖和夏季供冷，可以大大解決京津冀的環(huán)境污染。據(jù)了解，全國(guó)有39個(gè)鋼鐵廠具備給附近城市供熱的條件。

過(guò)去把鋼鐵廠作為最嚴(yán)重的環(huán)境污染源，其不知，經(jīng)過(guò)扶持改造不僅可以減少自己本身對(duì)環(huán)境的白色和煙塵污染，同時(shí)可以關(guān)掉附近城市大量采暖鍋爐，實(shí)現(xiàn)1-1=2的效果，變?yōu)槌鞘械臒嵩吹?，取消天然氣鍋爐供暖，實(shí)現(xiàn)冬季供暖零排放或少排放。

4　建議

（1）國(guó)家有關(guān)部門（特別是中科院）應(yīng)成立專門的霧霾研究所，組織環(huán)境、熱工、氣象方面的專家，建立人工模擬環(huán)境實(shí)驗(yàn)室，調(diào)節(jié)微塵、水分含量并模擬大氣壓力、風(fēng)力等外部條件，找出霧霾各個(gè)變量的相互關(guān)系和臨界值，建立霧霾數(shù)學(xué)模型，從而找出防治霧霾的辦法。

（2）國(guó)家從政策上鼓勵(lì)低溫余熱回收對(duì)城市的供暖項(xiàng)目，對(duì)支持該項(xiàng)目的企業(yè)優(yōu)先扶持，對(duì)抵觸該項(xiàng)目的企業(yè)減產(chǎn)或關(guān)停并轉(zhuǎn)。

（3）加強(qiáng)治理霧霾的宣傳力度，特別是白色污染必須引起各級(jí)政府和廣大人民群眾的高度重視，提高節(jié)能減排人員的操作水平。

筆者曾經(jīng)調(diào)查北京某2萬(wàn)多學(xué)生的工科大學(xué)時(shí)發(fā)現(xiàn)，該校最大鍋爐房中三臺(tái)30 t天然氣供暖鍋爐都安有煙氣冷凝冷卻器卻不會(huì)使用，其實(shí)只要改變供暖循環(huán)水流量和供回水溫度就行了?？梢?jiàn)，有了節(jié)能減排裝置，不加大力度宣傳普及等于是白花錢。

（4）增加城市軌道交通，開(kāi)辟自行車專用通道，減少城市機(jī)動(dòng)車流量。

（5）鼓勵(lì)城市使用太陽(yáng)能、風(fēng)能、電能，逐步取代石化能源。鼓勵(lì)發(fā)展低谷電蓄熱技術(shù)。

Cause and Governance of Fog and Haze

HOU Binglin
（Beijing Tongle Xinsheng Energy Saving Engineering Co.，Ltd，Beijing 101300，China）

The fog and haze not only seriously affect the development of national economy，but also seriously affects the normal life and physical health of urban residents.To govern fog and haze，we must first make clear the regulation，the formation mechanismand objective conditions to eliminate it.

fog and haze；cause；governance

X51

B

1001-6988（2016）02-0001-04

2016-01-07

候丙林（1944—），男，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事工業(yè)余熱回收，環(huán)保治理及節(jié)能技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)工作.