浅析机动车尾气与煤炭燃烧对我国雾霾的影响

李佳璇

(西藏大学，西藏 拉萨 850000)

1 什么是雾霾

雾霾是雾与霾的混合体系，主要为相对湿度(RH)小于90%，能见度小于10 km的天气现象[1]。

雾霾的主要污染物为PM2.5，指空气动力学当量直径小于等于2.5 μm的细颗粒物，其具体包含一次源、二次源，其中一次源包含扬尘所带来的地壳元素氧化物，金属冶炼时所释放的重金属化合物，众多工业活动所排放的一次颗粒等。二次源指由污染源排放的气态前体物SO2，NOx与挥发性有机物等形成的[1]。霾包含的颗粒物一般在0.01～10 μm左右，粒径比较小，散射波长较长的波较多，所以霾一般呈黄色、橙灰色，还可能成为病菌的载体进入人体，危害健康。

2 我国雾霾的来源

雾霾的主要来源包括自然源和人工源。自然源包括火山爆发、土壤风化、沙尘暴、花粉、细菌等，以及各种有机物质的自燃过程等，它们都能引起空气中颗粒物增多，而导致天气阴沉能见度降低；一般由自然源产生的颗粒物数量大，对雾霾的形成贡献率也较大，但由于其污染程度在大气的承载范围内，所以很快就能恢复[2]。

但近年来随着人类活动的加据，污染程度越来越深，雾霾污染也越来越严重了。因为人类活动复杂，产生颗粒物的方式也有各种方式，可以将其分为三种大的类型：交通工具化石燃料的燃烧生成的、烧煤的电厂、水泥厂等工业和建筑业的扬尘产生的、各类服务业和人类生活中无序排放的。在这些过程中，会产生性质和种类各不相同的颗粒物，这些物质带来的损害和影响也各不相同。如工业园中的钢铁产业排放的颗粒物富含Fe、Ca、Si、Mn等元素，有色冶金行业的颗粒物排放的与其相应的有色金属元素等，这些重金属颗粒物对人体健康与植物生长危害极大；我国的农业产生的大量农作物残体、城市产生的大量垃圾等生物质在燃烧过程中产生大量的有机颗粒物，加重了雾霾的形成。

3 雾霾的危害

由于雾霾的颗粒物主要来源于机动车尾气、燃料燃烧、餐饮油烟、工业生产及建筑扬尘等，颗粒物中可能会聚集大量的重金属元素或者有机致癌物质，尤其是越小的颗粒物对环境和人体伤害越大[3]。

3.1 损害人类身体健康

雾霾中的固体颗粒PM2.5对人类危害最为严重，因为其直径小于2.5 μm，而且成分复杂，进入肺部后，难以分解，导致人体代谢紊乱。近年来由于雾霾污染，使人患支气管疾病、癌症的几率加大。据有关研究表明，PM2.5可携带重金属污染物，其污染物分成致癌物和非致癌物。其中As、Cd、Cr、Ni等属于致癌重金属，可使人体组织细胞发生癌变；而Cu、Pb、Zn、Mn等属于非致癌重金属，可造成人体紊乱[4]。索丹凤等[5]研究表明PM2.5对黑素细胞增殖、迁移、酪氨酸酶活性、黑素合成均有抑制作用，可造成毒性损伤。

3.2 对农作物的影响

据美国的外场观测资料证实，高浓度的气溶胶可以增加散射，使植物叶片受光更加均匀，一定程度上有利于植物的光反应。但当雾霾中含有的酸性颗粒物沉降到植物叶片表面时，会损伤叶片，堵塞叶孔，干扰代谢进行[6]。另一方面气溶胶造成的昼夜温差改变了农作物的水热条件导致植物减产。污染物扩散到土壤中也会造成农作物减产，比如，土壤镉累积4～5 mg/kg时，大豆和菠菜产量会下降25%。物质循环后，重金属会富集到人体内[6]。所以霾污染也使未来农业生产面临严峻挑战。

4 有关雾霾产生的两个重要因素的分析

4.1 机动车的尾气排放

随着经济和生活水平的提高，城市化进程的加快，大气污染越来越严重，其中机动车尾气排放的污染就不容忽视。近年来，我国机动车总量日益增多，尾气排放已经成为雾霾形成重要原因之一[7]。据北京大学环境科学与工程学院的调查分析，2018年北京市的机动车、燃煤、工业生产和扬尘对颗粒物排放的贡献分别占了31.1%、22.4%、18.1%和14.3%，很明显机动车占比较大[8]。另外，有研究表明，在我国重点城市群，机动车尾气对PM2.5的一次排放和二次生成总贡献达到30%，对机动车尾气排放的改善迫在眉睫[9]。下图是从2000年到2018年，中国私家车总量从625万辆猛增到20574万辆，汽车数量的猛增加剧了对大气环境的污染。据有关分析表明，机动车尾气能产生更多的碳黑颗粒物，在机动车的气缸中汽油燃烧不完全，有机碳、一氧化碳、碳黑颗粒等污染物被排放到大气当中，而大气中的氮气在汽缸中被氧化而形成的NOx。

图1 2000-2018 年中国私人汽车拥有量

4.1.1 尾气排放物对雾霾的影响机制

据研究，总PM2.5中机动车排放的颗粒物占5%～20%，如此可见必须要对机动车的排放进行控制。此外，由机动车排放出的NOx和VOCs与大气颗粒物中的二次气溶胶的形成密切相关。因为NOx、SO2和HC等是形成二次粒子的前驱体。在紫外光照射下NOx和HC会发生光化学反应，而生成大量O3，O3有强的氧化性。大气中原本的SO2、NO2被O3氧化并形成硫酸盐、硝酸盐等微粒，这些微粒形成气溶胶颗粒，从而使PM2.5浓度增加，加剧了雾霾污染出现的频率。

以NO2为例，其光化学反应如下[10]

4.1.2 针对机动车尾气的处理方法

目前国家对减少机动车排放采取的措施有很多，如2017年两会期间李克强总理提出的“蓝天保卫战”中就提到了要“强化机动车尾气治理；淘汰黄标车，加快淘汰老旧机动车；专项整治高排放机动车；鼓励使用清洁能源汽车。”

从使用清洁能源来说，车用油的品质对我国机动车减排是否成功有重要意义。有研究表明，如果将汽油的硫质量比从450 mg/kg降到50 mg/kg，汽车尾气中的SO2平均减少90%，NOx平均减少9%，CO平均减少19%，HC平均减少18%；将汽油中的烯烃的体积分数从20%降到5%，可使轻负荷车辆的臭氧峰值减少13%～25%，发动机排放的HC减少6%，NOx平均减少6%[11]。由以上数据可知，车用油的改善能根本的减少一次颗粒物排放和二次气溶胶生产。目前我国多家企业和高校联合开发了能深度脱硫和烯烃定向转化相耦合的GARDES工艺技术和催化剂，为我国清洁汽油的生产提供了一条可行的途径[10]。

另外，汽车安装尾气处理装置，对改善尾气污染十分有效。目前治理汽车尾气采取的处理技术措施中就包括强制安装三元催化器，使汽车尾气排放得到一定程度的控制。三元催化装置能将汽车尾气排出的CO、HC和NOx等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的二氧化碳、水和氮气的催化。但据调查发现，三元催化器对减少颗粒物的排放帮助不大，只有5%的颗粒物被吸附，而95%还是会排放到大气中。所以目前研发的一种能减少汽车尾气中颗粒物排放的消声器，对减少雾霾污染是很好的选择[12]。

4.2 煤炭消费对雾霾的影响

4.2.1 形成背景

近代工业发展以来，煤成为了我国发展重工业、生产电力的主要能源。从资源上来看，我国的煤炭资源总量大，但优质煤含量很少，导致在煤炭燃烧当中产生的大量灰分，利用率低下，增加大气中的颗粒物等问题；另外大多数煤在燃烧前必须要进行脱硫处理，否则其产生的二氧化硫、氮氧化物排放到大气中，会形成酸雨，在光化学作用下产生二次气溶胶，成为雾霾形成的因素之一。

4.2.2 处理办法与成效

由于我国多年来对煤炭的过度使用，由重化工业、火电厂、冬季取暖等高度依赖煤炭资源的各种企业、工厂排放的污染物已经远远超过大气的环境承载力了[13]，而这些无法消散的污染物就以雾霾的现象呈现了出来，因此调整我国的能源结构是必经之路。

首先，为根本改善煤的排放就要减少煤炭的使用，从而将能源重点转变到清洁能源和燃料中去。

实际上，我国对清洁能源的使用已经有了巨大的成果，据国家统计局近日发布的《第四次全国经济普查系列报告之七》显示，能源生产稳中有升，清洁能源发电比重上升。其中在电力发展中，清洁能源发电建设规模持续增大，发电量持续增加，2018年。例如，水力发电12318亿kW·h，比2013年增 加3115亿kW·h，5年间年均增长6.0%；核电连续5年保持15%以上增长。2018年，全国核能发电量2944 亿kW·h，比2013年增长163.7%，年均增长21.4%；2018年，风力发电量3553 亿kW·h，比2013年增长151.6%，年均增长20.3%，占全部发电比重为5.0%[14]。

其次，我国对煤炭的使用需求必定是难以彻底转变的，所以提高燃煤的处理技术对提高煤炭的利用率和减少颗粒物的排放有根本性的作用。

对于高燃煤的工业而言，减少对煤炭的使用可能会降低企业的利润，所以清洁燃煤、锅炉改造和增加脱硫除尘设备的措施就必不可少了。“十三五”以来，国家对环保事业十分重视，针对锅炉生产排放量大、污染严重的工业采取了锅炉改造行动，来减少由过度排放产生的雾霾污染[15]，如王洪军[16]，研究的低氮燃烧器+SOFA风+烟气外循环的多重低氮措施，在正常工况下，可以使NOx排放值始终小于30 mg/m3。

许多排放较小颗粒物的工业要使用到除尘设备，使得这些污染物从排放气体中分离出来。对于气体污染物，可以采用催化、冷凝、吸收、转化等方法。比如说对于含有二氧化硫的烟气来说，可以采用化学脱硫方法对其进行氧化还原和液体吸收，使得其含量在排放的气体中大大降低；对于含有二氧化碳的烟气来说，就要减少燃煤量；一氧化碳较多的，就要使得煤炭尽量完全燃烧，使得一氧化碳转化成二氧化碳，减少危害[17]。

另外针对北方供暖而产生的消耗大量煤炭资源的问题，华电企业提出了燃煤热电联产的供暖方式，这一方案有利于控制颗粒物排放和提高企业利润。主要利用燃煤热电联产机组、燃煤锅炉房改造成超低排放后，通过热网系统集中向用户供暖，从而使煤炭燃烧产生的污染物排放浓度基本达到燃气机组的标准[18]。

5 结 语

目前由机动车尾气和煤炭燃烧产生的颗粒物总量已经远远超过了大气的环境承载能力，再包括其他因素的影响，雾霾污染是存在卷土重来的趋势的，所以治理雾霾需要长久的坚持。从机动车尾气和燃煤来说减少雾霾重现的可能措施主要包括，利用技术发展减少煤炭的使用、改善车用油，提高对雾霾组成成分的分析能力，才能源头上减少排放，从本质上合理的规避风险。