进一步深化大气污染治理的途径和方法
Release date：2020-02-09
这段时间除了武汉疫情外，网上讨论大气污染（雾霾）治理话题热度不减， 因为春节期间在经济社会活动处于暂停的背景下，大范围的重度雾霾仍然席卷而来，给人留下太深的印象。
主管部门和专家代表仍然贴出漂亮的数据和图表，particulates，二氧化硫和氮氧化物下降多少多少，PM2.5的平均值也是一直在下降等，而其它专家和一线工程师争议这几个数据和雾霾关联不大，可凝结颗粒物没有管是主要问题，要治理 “有色烟羽”或者PM1才能控制住雾霾，还有脱硝后的氨逃逸，也加剧了雾霾的发生等，电力系统专家则说 “电厂氨逃逸很少”，“中国燃煤电厂可凝结颗粒物排放世界领先”，电厂烟气“消白”治霾是“劳民伤财”等。
这几年大气污染治理的努力，大气质量逐渐好转是肯定的，特别是北京，经过去煤化和重污染工业搬迁，大气质量改善还是很明显。但北京和华北地区是连在一起的，北京不能独善其身，华北其它地区虽有改善，由于没有北京的条件，秋冬季的空气质量，仍然得靠关停企业来维持，有时候即使关停了，象今年春节期间和去年国庆，重霾还是说来就来，所以实际的大气质量并不是我们排放指标数据上显示的，得到了大幅改善。
本文将分析目前大气污染治理存在的问题，提出进一步深度治理的途径和方法， 供政府部门和社会各界参考。
1. 问题分析
为什么减排的努力和指标的提升和实际的大气污染情况对不上号？主要原因是雾霾虽然与目前燃煤烟气排放控制的三个指标：颗粒物（尘），二氧化硫和氮氧化物有关，但这不是全部，雾霾还与大气湿度，悬浮在空中的气溶胶，以及大气中的氨含量有关。后面的三个因子更为关键，因为目前大气里的 PM2.5大部分是二次生成的，一次排放的总量 （从质量上比较）只占小部分。所以尽管这几年实行超低排放，particulates，二氧化硫和氮氧化物大幅下降，秋冬季的雾霾，特别是华北地区，汾渭平原等地，还是十分严重。
这次春节期间是一个难得的极限实验，表明雾霾主要还是来源于工业排放，Then，在很大部分工业排放实现超低后，particulates，二氧化硫和氮氧化物的进一步减排空间很小，综合网上的讨论和深入的分析，作者认为要更有效的治理雾霾，我们需要转变思路，得从控制与雾霾关联更直接的水汽排放，气溶胶的产生，以及减少氨排放入手。
1.1 水汽排放
大气中水份的来源一是自然降雨，二是人为排放，自然降雨难以控制，但总量比较稳定，人为排放主要是农业灌溉和工业水汽，如电厂/化工厂的冷却塔，锅炉湿法脱硫后的烟气，以及高炉冲渣水，焦化厂的湿熄焦工艺，天然气的燃烧等。这些年工业的扩展，人为排放的水汽量也增加很多，专家估算，一个60万千瓦煤电机组满发时，冷却塔排放水量约900吨／小时，烟囱排放水量约230吨／小时。这个量对整个大气层的湿度贡献有限，但在工业集中的地区，对局部的大气环境是有影响的，特别在静稳大气条件下，这些水蒸汽很难扩散出去，形成水蒸汽气溶胶，Thicken local clouds，Forming a lid over the city，So that pollutants cannot diffuse freely。一些地区推动的“消白”，一方面是为了降低白烟里面的污染物，另一个很重要的目的是脱水，把排放到大气中的水气收回来，改善局部的大气扩散条件，减轻雾霾，并不是为了“美容”。所以我们不要把地方政府的人想得那么傻。
1.2 大气中的气溶胶与雾霾
大气中的气溶胶是固态、The liquid small particles are uniformly dispersed in the gas。雾实际上就是液体气溶胶，是分散在大气中的小液滴；霾则是固体气溶胶，是分散在大气中的固态小颗粒。由于固体小颗粒表面通常也附着有小液滴，而小液滴的形成通常也需要其中有一个固态凝结核，所以两者被合称为雾霾。固体小颗粒，也即气溶胶的溶质，主要来自如沙尘、海盐、有机颗粒物、燃煤烟尘，扬尘、黑炭等等，其中燃煤烟尘占主要部分，也是我们治理大气污染的重点。
燃煤烟气经过超低排放的处理，大颗粒物（可过滤的）基本得到清除，细颗粒物，特别是可凝结颗粒物（CPM），由于没有包括在目前的标准之中，仍然有相当高的含量。下图是中国工程院任阵海院士整理出的这张图表，共 17个机组的测试结果，CPM的平均值是 13.93 毫克每立方米。（任阵海，超低排放后应进一步对可凝结颗粒物等PM1粒子进行管控，北极星大气网，source:Chinese Research Academy of Environmental Science，2019－11－23）
前不久，国电环境保护研究院院长朱法华在文章 “电厂烟气‘消白’治霾是劳民伤财”（中国电力报发电报道， 2020/2/21），引用了三组CPM数据，一是清华大学、国电科学技术研究院有限公司等单位对京津冀地区的14座燃煤电厂烟气中的CPM检测结果，对外排放的平均值为5.62毫克每立方米、二是整理上海市环境监测中心和中国环境科学研究院等单位对上海、陕西、Shanxi、Xinjiang、浙江等13台超低排放燃煤机组CPM的监测结果，平均值为10.20毫克每立方米，最大值为19.86毫克每立方米， 第三是清华大学环境学院邓建国等人对国内5座超低排放电厂可凝结颗粒物的测试，结果均小于2毫克每立方米。
但这三组数据这都没有列出文献来源，根据网上的线索，我们发现第一组数据测试的时候，是把 CPM 和三氧化硫分开测的，这 14座电厂烟气中三氧化硫平均排放浓度7.42mg/m3，因为三氧化硫是CPM 的一部分，所以总的CPM 实际上是 13.04 毫克每立方米（姚强，燃煤电厂烟气中可凝结颗粒物、三氧化硫排放浓度与氨逃逸总体较低，2019－１0－25 ），第二组数据的原始数据应该是和任院士整理出来的图表是一回事，而朱院长的平均值 10.20毫克是去掉了四个最高值得出来的，为什么去掉最高的四个数据，没有说明原因，第三组数据是邓建国教授比较CPM不同测试方法的结果，小于2毫克每立方米是用“稀释间接法”测得出来的，而用冷凝法，即“美国固定源CPM测量标准方法202法”测得的结果是 6.5±3.5 毫克每立方米（蒋靖坤,邓建国等，固定污染源可凝结颗粒物测量方法，《环境科学》 2019年12期 ）
前面两组数据都是用“美国CPM 测量标准方法202法”测试的结果， 由于 CPM 非常敏感，不同方法测试的结果是不好比较的。很明显，朱院长这一有着几十年环评经验的专家，对这三组数据进行了选择性“编辑”，“整理”，而且把不同测试方法得出来的数据拿来比较，非常不严谨，尤其根据这有限的，“编辑”出来数据，得出“中国燃煤电厂可凝结颗粒物排放世界领先“ 这个结论，十分可笑。政府尚待列入治理目标，一下就 “世界领先”了，这样不负责任的数据抛出来，不但糊弄了公众，还会误导政府部门的决策！
其实，CPM 对雾霾的影响，质量浓度是次要的，粒数浓度才是决定性因素。根据 哈尔滨工业大学李壮等人的研究，湿法脱硫后的烟气里，1立方厘米的烟气，含有 2千5百万粒PM２.５，其颗粒物粒径的峰值在 0.38 微米（李壮等,湿法脱硫对660 MW煤粉炉PM2.5排放影响的实验研究,《节能技术》， 2015年9月），这些天量的超细颗粒物，和脱硫水汽混在一起，出来就是非常理想的雾霾气溶胶，漂浮在空气中，持续吸附空气中SO2、NOx、VOCs等气态污染物，不断累积长大，一遇到静稳高湿天气，进一步吸湿增长，引爆雾霾。湿法脱硫后排出白色烟羽的烟囱，其实就是一个雾霾因子发生器。
再看一下任院士整理出的 CPM数据表，发现有三个机组 CPM 低于 5 毫克每立方米， 再仔细分析，这三个上海的机组是用了升温器 （GGH），这就是GGH 的另一个作用， 不但提升排放空间，还能降低 CPM， 减少雾霾因子。遗憾的是我们引进了好的技术，却把一个非常重要的设备给省掉了，造成我们现在的困境！其实当时环保部门对不安装GGH 的允许，也是有条件的，即在 “环境容量容许的前提下”, 但在华北工业聚集的地区，我们的环评关没有把好。Shanghai，浙江这两年恢复了对烟气排放温度的要求，这两个地区雾霾是明显减轻了。
1.3 氨排放
氨气是大气中唯一的高浓度碱性气体,可与硝酸或硫酸等酸性气体发生反应,它是大气雾霾污染过程二次颗粒物形成的重要原因。科学界对城市大气环境中的氨气是否来自于农牧业或是工业及机动车一直存在争议，中科院大气物理所潘月鹏与中科院沈阳应用生态所方运霆等国内外科学家合作，在城市氨溯源研究中，发现北京冬季重霾污染期间氨气90%来自化石燃料燃烧相关的排放，直接证实了化石燃料燃烧对城市区域重霾期间氨气具有重要贡献，相关成果发表于《环境科学与技术》（《中国科学报》2016-07-14 第4版）。
化石燃料燃烧相关的氨排放主要来自燃煤，燃气烟气氨法脱硝和柴油车烟气脱硝治理工艺等领域。特别是实施超低排放以来，氨的使用量快速增长，为了达到超低的氮氧化物排放要求，过量喷氨现象十分普遍，未参与还原反应氨气量占喷氨量的 1/4-1/3，按 2017年电厂的氨使用量估算，这部分氨气量约为137-218万吨 （苏跃进，周念昕,氨法脱硝中未参与还原反应氨气产生的氨排放问题研究，《科学与管理》2019年05期）。未参与还原反应的氨气在烟道中形成铵盐等氨氮物,氨氮物通过粉煤灰、脱硫废水、雾滴等被携带排出烟道,外排的氨氮物大部分最终形成氨气排至大气。然而这个问题目前仍然没有得到重视，学术上仍然有分歧。 国家大气污染防治攻关联合中心 2019年10月24 日发表清华大学姚强教授的研究成果，“虽然部分电厂存在脱硝过量喷氨的情况，脱硝出口氨逃逸值超过设计值3ppm（约2.3mg/m³），但经过下游除尘和湿法脱硫装置协同脱除后，烟囱排口烟气中氨（NH3）的最终平均排放浓度仅为0.75mg/m³。”根据这个浓度计算，电厂2017年经净烟气的氨排放量仅 1.2万吨，认为“氨逃逸总体处于较低水平”。 苏跃进和姚强的两个研究对氨排放量的估算相差百倍！
however，近年来大气中氨的含量增加是明显的，去年五月，法国MathieuLachatre等科学家在国际学术刊物《大气化学与物理》发表论文指出，2011年到2015年中国东部地区二氧化硫和氮氧化物分别下降了37.5%和21%，而大气中氨盐含量增加49%。（MathieuLachatre，ｅｔｃ．The unintended consequence of SO2 and NO2regulations overChina: increase of ammonia levels andimpacton PM2.5 concentrations， Atmos.Chem. Phys., 19, 6701–6716, 2019）。中国科学院大气物理研究所研究员王跃思团队也通过观测发现，“我国北方氨气浓度显著高于长江以南地区；在不同区域内，城市站点观测到的氨气浓度与农田站点相当，且显著高于森林、草地和高山等站点。研究证实，华北是我国氨气最大的“热点区”，Abnormally high concentration，空间覆盖范围广；华北氨气沉降量不足氨排放的一半，区域大气氨已经过饱和，且可能对周边地区生态环境产生影响。该研究提示氨气减排不仅需要考虑农（牧）业氨，非农业氨（尤其是工业）排放也需要关注。”（Shili Tian, etc, Identifying AmmoniaHotspots in China Using a National Observation Network, Environ. Sci. Technol.2018, 52, 3926−3934) 。
根据对这几年京津冀地区PM2.5 的含量分析，Sulfate，硝酸盐和氨盐占比都居高不下，这些都与大气中氨含量有关，therefore，要控制住PM 2.5 在大气中的二次生成，控制住氨含量是必须的，尤其在冬季，农业活动处于停顿，工业的氨排放（逃逸）应该是主要部分。
2，深度治理的途径
根据上面的分析，导致雾霾的主要因子为颗粒物（尘），Sulfur dioxide，Nitrogen oxides，Atmospheric humidity，Aerosol，和氨。超低排放的目标是前三个因子，已经做到很高的水准，要进一步深度治理，重点应放在后面三个因子。
2.1 回收工业水汽
城市整体的大气／气象条件对雾霾的影响十分明显，我们能控制的部分主要是工业水汽（包括热量）的排放，这些工业大都分布在城市附近，这些水汽会增加城市上空的云量，导致阴天增多，阻碍污染物的扩散，在逆温天气下，还会导致局部的大气湿度加大，加重雾霾。这部分人工增湿，主要对局部的环境有影响，不要去和整个大气的湿度去比。
应该分析各工业行业的水汽排放，Take active measures to recover this part of water vapor，一方面消除水汽对城市大气／气象环境，特别是雾霾的不利影响，On the other hand, it can reduce salt particles and pollutants discharged with water vapor，除了湿法脱硫后的烟气含有未清除的污染物外，冷却塔的水汽也含有大量盐分，特别是使用城市中水作循环水，其含盐量比脱硫后的烟气盐量还高。Another benefit of water vapor recovery is reusable water，Reduce total industrial water use，Reduce business costs。
2.2 治理有色烟羽
固体气溶胶是雾霾的核心，有机颗粒物、燃煤烟尘，扬尘、黑炭是主要来源，这几年国内在降低 VOC 排放， 地面扬尘的控制，和提高燃煤/燃气/燃油的效率方面做了许多工作，但由于工业和城市的扩展，这些方面还有很大的潜力。
燃煤烟尘的可过滤部分（尘）已经得到很好的治理，可凝结部分还没有纳入标准，但可凝结部分对雾霾的影响远大于可过滤部分。虽然国际上很少有国家设立可凝结颗粒物排放标准，但大部分国家对烟气排放温度有要求，高温排放对 CPM 是有明显的抑制作用的。我们现在取消了 GGH，为了减少 CPM 的影响，需要采取其它弥补措施， 如冷凝降温，让 CPM 随水滴排出来。美国监测CPM 二十多年，但各地是根据自身的环境容量和扩散条件，来决定是否强制管理。中国也可如法炮制，让各地根据情况，自行决定是否设立CPM 标准和如何监管。前两年华北各地要求治理“有色烟羽”，并设立烟气湿度和温度标准，就是一个很好的尝试，只可惜让环保部叫停了，环保部这种做法是否合理合法值得反思。美国EPA 是不可能限制各州高于 EPA 环保要求的措施的，因为各地的环境容量和扩散条件都不一样，各州有权设立自己的法规和条例，原则是不能比EPA 的更宽松，只能更严。
取消烟气升温器后，湿法脱硫后排放的白色烟羽或有色烟羽，在华北地区和其它扩散条件不好的地区，必须治理。这个问题在这次武汉疫情的背景下，显得更加清晰。不管是电厂，钢厂，和供热锅炉，这些烟囱排出的烟气是导致雾霾的主要原因是不容置疑的。这些行业的烟气脱硫治理绝大部分都是使用湿法，前面分析过，这些烟气就是雾霾发生器，治理有色烟羽就是抓住了治理雾霾问题的牛鼻子，电力系统的专家也是清楚的，他们反对只是不愿意投入，前些年他们也反对实施超低排放，政府一补贴，两年就完工了！这次中电联的秘书长王志轩也发文表示“建议对先行试点湿烟羽治理的发电企业给予适当政策补偿。”（王志轩，消除烟囱“白烟”是舍本求末得不偿失，北极星电力网，2020-02-18），争了半天，实际问题还在于有没有政策补偿。从国家层面上讲这个也不是问题，超低排放都补贴了几千亿，这个几百亿的补丁，比每年停工停产，和给上亿老百姓健康带来的损失少很多！
2.3 Control ammonia emissions
工业氨排放（逃逸）目前基本没有得到有效的控制，但大气中的氨含量明显上升，华北地区都达到饱和程度了。为了降低颗粒物的二次生成，Limiting ammonia emissions is imperative。需要对工业氨排放进行全面的排查，包括氨制硝酸、化肥、Nitrate、制冷剂和脱硝还原剂等。脱硝中的氨逃逸特别值得重视，因为现在脱硝不但在燃煤，燃气上应用，最近在柴油车上也开始实施，这个量不可低估。北京前几年对燃气锅炉排放实施大规模脱硝，虽然降低了氮氧化物，过程中的氨逃逸可能抵消了部分大气治理的效果。
目前大部分锅炉脱硝的氨逃逸都超过 3 PPM，但环保部门没有追究，因为从烟气里测得不高，但如前面分析，逃逸后的氨气不单从烟气排出，还从粉煤灰、脱硫废水、雾滴等被携带排出，最终排入大气。需要更全面评估氨逃逸的水平，To develop targeted policies，Use the right technology，Control ammonia emissions。
3. 方法和技术的选择
工业行业的水汽回收技术比较成熟，这里不作更多的描述，主要是管理部门需要提出明确的要求，并铺以政策落实。
有色烟羽的治理各地已经有些经验，问题还在于认识不足，Imperfect standards and immature technology。不少人还不清楚治理有色烟羽是消除水汽，还是脱除污染物，还是两者兼而有之，或者象电力专家说的，简单是为了“美容”，实际上，从脱硫塔里出来的不可能有纯净的水汽，而是脱硫废水的气态形式，水汽和可凝结颗粒物是粘合在一起的，出来就是雾霾的核心因子。华北各省市有色烟羽治理的指标是湿度和温度，目标是降水兼除污，但对脱除多少污染物没有明确要求，在进一步的治理过程中，可考虑加上污染物指标，使目标更加清晰，可以考虑用可凝结颗粒物总量或溶解性颗粒物总量（TDS）作为指标。
技术上目前有直接升温，冷凝，冷凝后再升温，冷凝加余热回收等。直接升温对CPM 的形成有抑制作用并能提升扩散空间，但成本很高，冷凝的成本适中，效果分直接冷凝和间接冷凝，直接冷凝 （喷淋）比间接冷凝 （管壁式换热）要好，冷凝后再升温效果最好，但投入也最大，投入和产出比最好的是冷凝加余热回收，Both have good environmental benefits，Also has a good economic return，目前在华北和北方已有不少成功案例。其实电力专家不必担心治理有色烟羽投入过高，即使没有补贴，把烟气余热回收下来再利用，不但治霾，而且产生可观的经济效益！这应该是有色烟羽治理的技术方向。
氨排放的治理首先要让目前的氨逃逸标准成为强制性指标，促使企业通过改善工艺，如保持催化剂的活性，通过检测各个区域的NOx浓度，自动调节各喷氨支管的流量分配，充分雾化氨水等措施减少氨逃逸，另外在目前还没有实施超低排放的非电行业，在一些总的氮氧化物排放水平不高的地区，Appropriate reduction of nitrogen oxide emission requirements，To reduce the amount of ammonia，还有就是采用无氨脱硝技术。
4. Summary
The occurrence and eruption of smog depends on multiple factors，远不是目前超低排放的三个指标能控制得住的，春节期间意外的实验证明了这一点。therefore，进一步深度治理雾霾，要在三个指标以外的污染因子上发力，要采取综合的措施。首先要限制城市及周边工业水汽的排放，改善局部的大气环境，同时利用节能减排的手段，治理有色烟羽，Colored plume contains both water vapor，It also contains a huge amount of solid aerosol，They are mixed together，Is the source of smog，Not just power plants，Chimneys that emit wet fumes in all industries，Must govern，This is an insurmountable hurdle。氨在气溶胶的形成过程中的作用已经讨论多时，但没有采取任何行动对工业氨逃逸加以控制，是一个很大的漏洞，如果补上这一块，治霾的效果应该好很多。
（作者介绍，He Ping，国际中国环境基金会会长，美国威斯康星大学土木环境工程博士，全国政协海外特邀代表）
参考文献
苏跃进，周念昕,氨法脱硝中未参与还原反应氨气产生的氨排放问题研究，《科学与管理》2019年05期
任阵海，超低排放后应进一步对可凝结颗粒物等PM1粒子进行管控，北极星大气网 （来源:中国环境科学研究院）2019－11－23
王志轩，消除烟囱“白烟”是舍本求末得不偿失，《北极星电力网》，2020-02-18
朱法华，电厂烟气‘消白’治霾是劳民伤财，《中国电力报发电报道》，2020－2－21
Shili Tian, etc, Identifying Ammonia Hotspots in China Using a National Observation Network, Environ. Sci. Technol. 2018, 52, 3926−3934) 。
Mathieu Lachatre, etc．The unintended consequence of SO2 and NO2 regulations over China: increase of ammonia levels and impacton PM2.5concentrations， Atmos. Chem. Phys., 19, 6701–6716, 2019
姚强，燃煤电厂烟气中可凝结颗粒物、三氧化硫排放浓度与氨逃逸总体较低
source:国家大气污染防治攻关联合中心，2019/10/2４
蒋靖坤, 邓建国等，固定污染源可凝结颗粒物测量方法，《环境科学》2019年12期
