雾霾的产生与治理

候丙林

（北京周乐鑫盛节能工程有限公司，北京101300）



雾霾的产生与治理

候丙林

（北京周乐鑫盛节能工程有限公司，北京101300）

雾霾不仅严重影响着国民经济的发展，而且还严重影响着城市居民的正常生活和身体健康。治理雾霾，首先必须弄清雾霾发生的规律、形成的机理以及产生和消除雾霾的客观条件。

雾霾；原因；治理

本文提出一个全新的观点，雾霾的治理不能仅仅只从减少微尘排放入手，必须同时治理白色污染（放散水蒸气）。在此之前，全国各大城市取消了燃煤锅炉，重工业企业也基本上迁出了大城市，为什么雾霾越治越严重呢？关键是没有弄清楚雾霾产生的原因，只知道治尘不知道治白。为提请政府部门和各科研单位注意，在此提出：“治霾不治白，效果出不来。”

下面从雾霾发生的规律来分析雾霾产生的原因，进而从根本上杜绝雾霾的根源，尽快改善京津冀的环境状况。

1　雾霾发生的规律

（1）近年来雾霾的天数越来越多

上世纪六十年代，全国年均雾霾日数只有2.4天，七八十年代上升至5.3天，九十年代6.1天，2001～2007年达到9.7天。有资料说2014年北京的雾霾日数达到90天。

（2）雾霾大多产生在秋冬两季（特别是冬季）

夏天多雨，时而可以看到大雾天气但很少有霾。

春天干燥且气温逐渐由低到高，很少见到大雾或者是雾霾。

秋天雾霾不多，北京10月份一般只有5～6天。一名深圳的艺术家拉着一个吸尘器在北京大街上每天采集街道各处空气中的微尘 （包括PM2.5），从2015年7月到11月29日100天的时间里仅发生20天雾霾天气。

冬天雾霾频繁发生。2015年12月份，7日到11日雾霾连续4天，从17日到23日连续雾霾7天，北京把这11天的雾霾等级提到了红色最高级，见图1。24日在阳光下雾霾开始消散。25日、28日、29日又发生轻度雾霾，12月份雾霾天数达到14天。

图1　北京雾霾红色级别实景图

（3）雾霾多在无风而且是在夜里发生。

（4）雾霾多发生在四周群山环抱的大城市。

北京地区就是西、北、东三面环山的都市。从石家庄驱车到山西太原，不时可以看到群山丛中一个山沟一个山沟烟雾缭绕，不是雾霾就是烟尘，那里必定有一个大型水泥厂。

2　雾霾产生的原因

2.1雾霾产生的外因

（1）没有风的天气里才发生雾霾

大风一来无论是雾还是霾都一扫而光，这个无需过多解释，因为无论是白色水蒸气还是PM2.5不等它富集就被大风给吹走了，达不到一定的浓度哪来的雾或者是霾？

（2）阴天或在夜里发生雾霾

由于高空云层变化，没有太阳的日子经常有。连续几天没有阳光对地表面的照射，地表空气层温度就会相应下降，空气的相对湿度就会随着温度的降低而相应升高，当空气的相对湿度达到100%的饱和程度就形成雨或雪；当大于90%小于100%时就产生雾；当小于90%且微尘浓度大时就形成霾（后面专门讨论由于气温降低，相对湿度增大的具体数据）。

空气里的水蒸气和微尘相撞就形成水尘结合的气溶胶，颗粒加大到可见就形成霾；纯净的水汽颗粒加大就形成雾。这就是为什么大雾出现在雨后，因为空气里的微尘被雨水洗刷干净了。雾霾出现在连续阴天无雨的情况之下。

（3）人为的建筑阻挡了空气层的流动

就拿北京来说，上世纪六十年代奥运中心还是一片农田，北京的风沙是出了名的，特别是秋冬两季，经常吹得人睁不开眼睛，迈不开步子。可是现在，哪还有风？

本人为了找风，曾经只身到十三陵水库一游。当走到十三陵水库大坝的山口时，被凌厉的大风吹得站不稳老年的身体，风力大得和50年前刚来到北京一个样，只得赶快逃离。等下得山口，风就小了很多，等到五环以内，什么风也没有了。更可况大楼林立、道路纵横的北京市中心。

（4）城市人口的急剧增加，造成雾霾逐年增加

城市人口的增加随之造成小汽车数量和居民冬季采暖面积日益增加，两者产生大量的雾霾因子。特别是天然气供暖，固然是CO2减少了（每燃烧1 m3天然气只产生0.986 m3CO2，占总排烟量的8.6%），可是却产生1.96 m3H2O，水蒸气排量占总烟气量的17.1%，大家可以看到所有天然气锅炉排的都是白烟。大量的白色污染增加了城市空气的相对湿度，秋冬气温较低，空气中少量的绝对水分，就能使空气的相对湿度迅速提高并达到产生雾霾的条件。

2.2雾霾产生的内因

（1）微尘（包括PM2.5）的增多是今日大城市雾霾增加的主要原因。

首钢迁出北京市了，消除了一个最大的工业污染源，为什么北京市的雾霾没有减少反而增加了呢？小汽车的剧增是今日城市PM2.5增加的主力军，机动车的排放物是不可见的，但是和空气中的水蒸气遇在一起就会形成一种气溶胶，颗粒逐渐碰撞增大就成了可以看到的霾。

什么叫雾？悬浮着的可见的水分颗粒就叫雾。颗粒继续增大到悬浮不住时就变作雨滴落了下来。

什么叫霾？可见的水分和微尘的胶状悬浮物就叫霾。霾的成分是微尘颗粒加水分颗粒，单独存在都看不见，共同存在（1+1=2）颗粒变大就能看见，所以就叫霾。雾和霾相辅相成，所以叫雾霾。去掉其中一个不是叫雾就是叫尘。

（2）水蒸气的增多是形成雾霾的另一个主要原因。

2015年12月份，北京市采取了机动车单双号制度，机动车产生的微尘减少了50%以上，雾霾天数仍然达到14天，这是为什么呢？

上世纪八十年代环境污染治理主要是消除冒黑烟、黄烟；九十年代主要是脱硫脱硝；现在主要是治雾霾和温室效应。

可是现在一提起雾霾和温室效应就狠抓CO2排放，不可否认，CO2排放是造成环境污染的第一祸首，但是却忽略了另一个隐性杀手——水蒸气（俗称白色污染）。H2O和CO2一样也是三原子气体，是六大温室气体之一，更可恶的还是雾霾的帮凶。

单纯的微尘，特别是PM2.5是很容易向高空扩散的，在没有雾汽的情况下PM2.5是不可见的，一旦微尘和水蒸气胶结在一起，颗粒成倍增大，这种气溶胶状的颗粒物悬浮在空中，阻碍阳光对地表的照射（多原子大颗粒吸收了太阳的辐射热），造成地表温度低于高空温度，就逐渐形成大家常提到的“逆温现象”，逆温现象更加不利于低空颗粒物向高空扩散，随着低空汽尘胶状物在地面越聚越多，浓度达到一定程度就成为大家看到的雾霾。

从上面的分析，如果认可了水蒸气和微尘是产生雾霾的两大基因，下面来分析为什么雾霾多发生在秋冬季且是阴天之后，近年为什么燃煤锅炉没有了还频频出现雾霾天气？

（3）冬季雾霾多的原因是：冬季气温低，饱和蒸气压力小，温度变化对空气的相对湿度影响比较大。

首先来看相对湿度和温度、饱和蒸汽压力的关系，见表1。

表1　相对湿度和温度、饱和蒸汽压力的关系

从上表可以看出，温度越低，空气的饱和水蒸气压力越小，空气中的水蒸气越容易达到饱和（冷凝成水或水珠），也就是说空气中所能承受的水蒸气绝对含量越少，特别是当温度小于5℃时，每降低2℃，同样含量的绝对水分就可以使空气的相对湿度提高10%以上，使本来达不到雾霾条件的空气达到产生雾霾的条件（相对湿度越大，微尘和水分碰撞的机会越多，空气中可见的大颗粒物就越多，聚集起来就是雾霾）。这就是秋冬季节气温较低时容易形成雾霾的原因。

例如：4℃时相对湿度70%时空气的绝对含水量为4.517 g/m3，当气温降到2℃时，同样的水分含量，相对湿度达到80%以上，本来水分自己就要形成可见的雾，这时遇到微尘提前变为可见的大颗粒成为了霾。

也许有人要问：为什么夏天高温时空气的绝对含水量是冬季的6～10倍反而不产生雾霾呢？难道夏天城市里的汽车就不开了吗？

上文说到，当空气相对湿度达到100%时就是饱和状态，水蒸气就凝结成饱和水形成雨雪；当相对湿度达到100%以下时水滴颗粒较小悬浮在空气中就形成雾；当相对湿度小于90%时，水分颗粒更小，本来不可见，但是微尘浓度较大，微尘和水分颗粒相撞形成大颗粒的胶体颗粒，就形成可见度不同的雾霾。

（4）雾霾和相对湿度的关系：相对湿度越大，水蒸气越不容易向高处扩散，越容易产生凝结水雾，微尘颗粒和水蒸气接触的机会越多，越容易形成雾霾。

夏天气温高，空气的饱和蒸汽压力大，没有足够多的水蒸气质量就达不到比较高的相对湿度，空气相对湿度低时水汽和微尘就容易垂直向高空扩散，相对于比冬天大得多微尘浓度也不容易形成雾霾。另一个原因是夏季多雨，雨后为什么空气新鲜，因为大雨把空气中的尘埃冲刷到江河湖海中去了。

（5）近几年冬季雾霾天气多的原因

天然气锅炉采暖产生大量的水蒸气，使空气中的水蒸气绝对含量增加，同样的冬季温度，空气的相对湿度比过去年份大，即使在微尘危害级别较低的情况下也容易形成雾霾。

下面计算分析天然气燃烧对空气湿度和雾霾的影响。

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

每m3天然气燃烧后产生0.986 m3CO2，占烟气量的8.6%；产生1.96 m3H2O，占烟气量的17.2%，水蒸气的质量1.577 kg/m3。

北京市每年消耗天然气 69亿m3，有436万户居民使用天然气做饭，每户每天消耗天然气 0.35 m3，全年总耗量127.75 m3，全北京居民每年做饭消耗天然气5.557亿m3，其余63.43亿m3天然气暂按30%用于餐饮业、企业生产用汽外，70%都被热力公司和居民散户用作冬季采暖，北京地区采暖期120天，每天平均消耗天然气0.37亿m3，燃烧后每天产生水蒸气583 355.5 t。

据有关资料介绍，北京地区除山地以外的平原面积6 390.3 km2。

雾霾在8～32 m高度内浓度最大，同时，0～54 m高度内随着高度的增加雾霾浓度逐渐减小，将雾霾平均厚度暂且按50 m计算，天然气燃烧每天产生的水蒸气量平均到北京地区空气中为0.18 g/m3。

从上面温度和湿度表中可以计算出，冬季只要是没有气流流动的无风日子里，一昼夜的天然气燃烧就能使空气中绝对水分含量增加0.18 g/m3，能使空气的相对湿度增加3%～6%。仅冬季采暖这一项，只要几天时间空气的相对湿度就会迅速提高，很容易就达到产生雾霾的条件。

另一个白色污染为热电厂凉水塔的排汽（见图2）。一个300 MW的发电机组凉水塔的蒸发水量是486t/h，每天11 664 t，北京地区电厂总计排水量也是很可观的数字。

图2　白色污染实景图

3　雾霾的治理

雾是高湿度情况下可见的水蒸气颗粒物，霾是水蒸气和微尘粘结成的气溶胶颗粒物，雾和霾不能分离。离开雾，微尘颗粒物容易垂直向高空扩散，PM2.5就不容易形成很高的浓度，环境污染也随之减小。也可以说，没有雾也就形不成霾。因此，本文提出：治霾不治白，效果出不来。必须根治白色污染才能从根本上防止雾霾的发生。

鉴于以上理论，提出以下治理雾霾的有效措施。

3.1继续减少废气排放

经过近几年的努力，城市燃煤锅炉已经基本取消，排放污染比较大的冶金化工企业已经搬离城市，大城市的主要污染源变成城市的机动车辆。政府应当学习西方国家和日本采取措施限制机动车进城行驶，发展城市轨道交通替代私人车辆，同时开辟自行车专用通道，鼓励绿色出行。

3.2规划城市建设，拆除违章建筑，根据城市风向

留出空气流动通道

明朝北京城的建筑是非常科学的，笔直的街道是畅通的风流通道。如今随着城市高楼的无序建设，纵横交错的高楼阻挡了城市空气的对流通道，因此才出现北面山口风大如初，城市中心纹丝不动。

3.3加强城市白色污染的防治

城市的白色污染主要来自天然气燃烧和电厂凉水塔的排放（见图2）。天然气燃烧产生大量水蒸气（上面已经论证），电厂凉水塔向大气中排放大量水分。

（1）回收天然气锅炉排烟中水蒸气的冷凝热已经是成功的经验，只要在烟道中加装冷凝冷却器就可以回收烟气中的水分，减少水蒸气造成的白色污染，冷凝水可以重复利用，同时回收的冷凝热还可以节约天然气8%左右。

（2）家用天然气壁挂炉可以研发、加装小型的烟气冷凝冷却器，防止水蒸气排放。

（3）取消传统的热电厂的凉水塔，采用吸收式热泵回收汽轮机乏汽冷凝热。

（4）回收冶金、化工、热电厂的工业低温余热供给城市冬季供暖和夏天供应生活热水，变废为宝，减少天然气锅炉的烟尘和水蒸气排放。

过去由于缺少低温余热回收技术，例如：热泵技术和低温蓄热技术，使得许多低温工业余热，例如：热电厂的汽轮机乏汽冷凝热和烟气余热及锅炉定连排余热、冶金厂的高炉冲渣水和散蒸汽余热、钢渣余热、烧结矿冷却风余热和排烟余热、炼焦炉排烟余热和湿息焦散蒸汽余热、轧钢加热炉烟气余热和型材轧后显热、连铸机冷却水和散蒸汽余热、各种窑炉烟气湿法脱硫产生的散蒸汽余热……等等，由于温度低或者是断续排放回收后不能连续应用。近几年，吸收式热泵技术已经在国内许多电厂成功应用，低温蓄热技术及装置已经成功在冶金企业使用，移动蓄热车也已经在许多城市运营，这都为治理白色污染、回收低温余热打下了良好的基础。

笔者经过考察论证曾经做过两个工业余热回收方案。

一是北京郊区某热电厂，总装机容量 1 300 MW。冬季向通州和燕郊区各供暖1000万m2。如果使用原供暖蒸汽作为动力驱动吸收式热泵，可以回收凉水塔的循环水热量增加供暖面积800万m2以上。

另一个是接近内蒙的某钢铁厂，年产钢量520 万t。如果全部回收低温余热，可以完全满足相距2 km的某县级市800万m2的冬季供暖面积，关闭掉目前的三大供热公司，实现城市供热零排放。

唐山市是河北省钢铁产能的集中地，有规模的钢铁厂有十来个（笔者也曾为迁西某厂做过低温余热回收方案），如果都把低温余热回收用于冬季供暖和夏季供冷，可以大大解决京津冀的环境污染。据了解，全国有39个钢铁厂具备给附近城市供热的条件。

过去把钢铁厂作为最严重的环境污染源，其不知，经过扶持改造不仅可以减少自己本身对环境的白色和烟尘污染，同时可以关掉附近城市大量采暖锅炉，实现1-1=2的效果，变为城市的热源地，取消天然气锅炉供暖，实现冬季供暖零排放或少排放。

4　建议

（1）国家有关部门（特别是中科院）应成立专门的雾霾研究所，组织环境、热工、气象方面的专家，建立人工模拟环境实验室，调节微尘、水分含量并模拟大气压力、风力等外部条件，找出雾霾各个变量的相互关系和临界值，建立雾霾数学模型，从而找出防治雾霾的办法。

（2）国家从政策上鼓励低温余热回收对城市的供暖项目，对支持该项目的企业优先扶持，对抵触该项目的企业减产或关停并转。

（3）加强治理雾霾的宣传力度，特别是白色污染必须引起各级政府和广大人民群众的高度重视，提高节能减排人员的操作水平。

笔者曾经调查北京某2万多学生的工科大学时发现，该校最大锅炉房中三台30 t天然气供暖锅炉都安有烟气冷凝冷却器却不会使用，其实只要改变供暖循环水流量和供回水温度就行了。可见，有了节能减排装置，不加大力度宣传普及等于是白花钱。

（4）增加城市轨道交通，开辟自行车专用通道，减少城市机动车流量。

（5）鼓励城市使用太阳能、风能、电能，逐步取代石化能源。鼓励发展低谷电蓄热技术。

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，高级工程师，长期从事工业余热回收，环保治理及节能技术和产品研发工作.