陶光遠：今年春節期間的霾是從哪裏來的？
【文/陶光遠】
今年春節期間北京的微信羣裏盛傳下面的段子，很多朋友發給我讓我回答：
“我們對很多事物認識可能還在必然王國裏。武漢新冠病毒也把環保專家們多年來所謂霧霾形成原因與機制重大研究成果擊得粉碎：
初二起北京持續霧霾，請環保專家解答，到初五，已連續四天大氣重度污染了，是什麼原因造成的？
1. 大家都宅在家裏躲避疫情，大街上機動車稀少，證明污染與汽車無關。
2. 春節放假了，大多數工廠停工了，證明與工業污染無關。
3. 同理，建築工地靜悄悄，證明與工地揚塵無關。
4. 煤改氣了，煤爐砸了，周圍農村不許燒柴了，證明與生活污染無關。
5. 一切娛樂活動停止了，證明與人多造成污染無關。
6. 農村不許養豬了！豬屁也消失了！證明養豬與大氣污染也沒多大關係。
7. 城市禁放鞭炮了，證明霧霾與放鞭炮無關。
8. 人都呆在家了，酒店關門飯館基本沒生意了，與餐飲污染無關。
那麼，請環保專家回答：北京大氣污染源到底是什麼？”
作為一個江湖上的治霾者，我試着回答。
2月12日早上，西四環附近，旭日透過霧霾略顯朦朧。（圖/新華社）
·來源分析
毫無疑問，形成比較重度的霧霾天，氣候條件必不可少；但是重度的霧霾天氣是氣候原因與大量的大氣污染物共同造成的，缺一不可。現在我們人類基本上左右不了氣候條件，建個風神廟只能當笑話講。要真想治霾，只有減少大氣污染物排放這一條路。
今年春節期間，發生重霧霾天氣的不只是北京，華北、華中、華東、華南和西南地區，都相繼出現了不同程度的重霧霾天氣。
我順着那個段子做具體分析如下：
1. 今年春節期間，因為新冠肺炎加上過節，道路上的小汽車和大卡車都很少，我目測只有平時的20%左右。但還是出現了重污染天氣。顯然北京乃至全國小汽車和大卡車不是這次重度污染天氣的主要污染源，甚至可能本來就不是主要污染源。北京乃至全國除了汽車以外一定有一個或幾個主要污染源。
2. 北京的工業和集中供暖大部分都搞了煤改氣，因此燃煤設備很少，除了高碑店熱電廠。這個熱電廠是北京市唯一保留的使用後備燃煤機組的熱電廠。估計機組總功率在100萬千瓦左右。一天燒的煤也不過就是1萬噸左右。但是在這個春節期間其燃煤機組是否運行不得而知。
3. 且不説春節期間，幾乎所有的建設工地都停止了施工，其實工地揚塵從來都不是中國各個地區霧霾的主要來源。這從PM2.5顆粒物的化學成分分析就能得知。揚塵中有大量的鋁元素和硅元素，但是全國各地PM2.5中鋁和硅的比例從來都很低。強調工地揚塵是PM2.5的可觀因素不過是某些人推卸治霾策略失誤的藉口。
4. 這次霧霾的面積很大，北京周邊地區也是重度污染地區。周邊城市的空氣跨界污染北京，一直是某些人強調的重要因素。霧霾隨風飄蕩確實經常跨界。不過正月初三（1月27日）下午我查了一下網上公佈的北京及其兩個鄰居城市廊坊和保定的大氣中各種污染物的濃度：
由於北京大規模實施煤改氣，因此北京大氣中的二氧化硫濃度特別低，全年平均保持在個位數，冬季的集中採暖燃煤鍋絕大部分已經改為燃氣鍋爐，農村的散煤採暖也有相當大一部分改為天然氣或電力採暖。而河北的燃煤量還很大，因此北京的大氣污染物與河北的大氣污染物的硝（NO2）硫（SO2）比的差別很大。
什麼時候北京大氣中的硝硫比高，就是自己污染自己，什麼時候北京大氣中的硝硫比低，就是河北污染北京。顯然，正月初三下午，是北京污染自己。河北的空氣中不大可能有北斗或GPS定位功能的二氧化硫催化劑，進了北京就讓二氧化硫反應成硫酸鹽。
張家口和承德的空氣質量就不用分析了，真要是這兩個城市的空氣飄進北京，北京的PM2.5立馬下降。除非飄過來的是沙塵暴。
5. 農村散煤採暖污染的影響分析。散煤採暖有兩個排放特徵：一是排放大量的SO2，二是排放大量的有機碳和無機碳。
從這兩天公佈的北京空氣污染物的指標看，SO2並不高，保持在個位數。至於在PM2.5中有多大比例的有機碳和無機碳，我就無從得知了。北京煤改氣和煤改電的比例雖然高，但是還有相當數量的散煤燃燒採暖爐。
不過，無論如何，北京散煤燃燒排放的大氣污染物比起尚未對散煤污染採取治理措施的4年前已大幅減少。
2015年12月1日，北京發生了也許是迄今為止最嚴重的世紀大霾，大氣中的PM2.5濃度在市區的很多地方達到1200微克/立方米左右。我那時寫文章分析，其主要污染物很大可能來自於散煤採暖。這次春節期間的大氣污染，雖然嚴重，但PM2.5濃度較高的地區也不過就是300微克/立方米左右，比起當年世紀大霾發生時北京市區的PM2.5濃度，也就是1/4左右。
12月1日，遊客在霧霾中的天安門遊覽。當日，北京市區陷入重度霧霾，能見度極差。（圖/中新網）
當然，這也説明，北京這七年來，治霾還是很有成效的。只不過還沒有達到民眾期望的目標。
6. 春節期間燃放煙花爆竹的影響。從過去的空氣質量記錄看，燃放煙花爆竹產生的空氣污染，也就是幾個小時最多十幾個小時的影響。這一點大家的鼻子也能聞出來。
很簡單，煙花爆竹產生的顆粒物，大部分是PM10，很快會沉降到地面。北京市區已經禁止燃放煙花爆竹了。雖然北京市郊區以及與北京接壤的河北省還可以燃放煙花爆竹，但也主要是在除夕夜。我給出的是初三下午的大氣污染物數據，這時離除夕夜燃放煙花爆竹的高峯時間已經過去了60個小時左右。所以燃放煙花爆竹顯然不是這輪空氣重度污染的主因之一。
7. 人類娛樂活動產生的主要是飛沫，攜帶有傳染呼吸道傳染病病毒的飛沫，不過這些飛沫大部分是PM10甚至比PM10的粒徑還大，很快就沉降到地面固體物的表面，只有極少數變為氣溶膠在空氣中飄蕩。不過飛沫演變的氣溶膠，在大氣顆粒物中所佔的比例微乎其微，不值一提。
8. 養豬會產生大量的糞便，糞便發酵會產生大量的氨氣，在大氣中鹼性的氨氣與酸性的二氧化硫和二氧化氮會在相對濕度較高的環境下反應生成（亞）硫酸銨和（亞）硝酸銨。但冬季糞便中產生的氨氣比夏季要低一個數量級，因此冬季在大氣中生成的銨鹽數量要比夏季少得多。
9. 餐飲業排放的污染物在大氣裏的PM2.5中所佔的比例是一個不可忽視的量。雖然今年春節期間全國的餐飲業幾乎全部關張，但家家在自己做飯。不過做飯時產生的PM2.5的量確實不大，40年前北京人也要做飯吃，在我的記憶中，空氣質量比現在好得多了。
10. 那麼春節期間這麼重的霾（PM2.5）究竟是從哪裏來的？
當然是從化石能源的燃燒中來的。
·形成原因
雖然北京的燃煤已經比七年前減少了大約一個數量級，但改成了燃氣，還要燒。北京在冬季嚴寒的天氣條件下，每天燒掉的天然氣超過1億立方米，其熱值相當於燃燒超過1.2億升汽油產生的熱值。而北京有大約600萬輛小汽車（包括外地），每天平均每輛車燒掉的汽油是大約4升左右，每天總計燒掉約2400萬升汽油，其熱值不到北京嚴寒天氣燃燒的天然氣的熱值的1/5。
天然氣的燃燒並不是完全清潔的，只是燃燒直接產生的顆粒物很少；由於天然氣是氣體，因此其中的硫很容易被洗掉，煙氣中的二氧化硫極少；天然氣燃燒產生的主要污染物是氮氧化物。
氮氧化物是化石能源在燃燒時，由於温度很高，由空氣中的氧氣和氮氣結合產生的。燃燒温度越高，產生的氮氧化物量越大。而且二氧化氮的產生量是隨温度的升高呈指數關係增長。燃燒温度在900℃時，燃燒煙氣中的氮氧化物為200毫克/左右，到了1500℃，燃燒煙氣中的氮氧化物就達到了2000毫克/左右。
煙氣中的氮氧化物主要以一氧化氮為主，到了空氣中經氧化就變成了二氧化氮。在大氣中的二氧化氮很討厭，與鹼性物質結合生成粒徑很小的（亞）硝酸鹽；在陽光的照射下，與碳氫化合物結合，生成臭氧。因此，環境部門要求天然氣在燃燒時，需要儘量減少氮氧化物的排放。
那麼北京的天然氣是怎麼燒掉的？為什麼這些在燃燒時僅產生極少量顆粒物的天然氣燃燒器，反而成了最大的顆粒物排放污染源。且聽詳述。
北京市冬季的天然氣主要是有由三大燃燒器燒掉的：
1） 燃氣工業鍋爐和集中供暖的燃氣鍋爐：
據報道，北京市9億平方米左右的建築使用燃氣供暖。從燃氣熱電聯供機組的功率看，也就供個1億多平方米，户用燃氣鍋爐估計也供個1億多平方米。因此，北京市的冬季供暖主要靠集中供暖的幾MW至幾十MW的大型燃氣鍋爐。以前這些鍋爐排放的燃燒煙氣中氮氧化物的含量很高，達到800毫克/立方米左右。
前幾年北京市對這些燃氣鍋爐進行了低氮燃燒改造。所謂低氮燃燒就是在天然氣燃燒時的氮氧化物產生量非常少。其基本原理是兩段燃燒：
第一段缺氧燃燒，於是天然氣與空氣中的氮氣爭奪氧氣，減少在第一階段燃燒時氮氧化物的產生量，同時生成大量的一氧化碳和氫氣；
在第二階段氧化的化學活性比天然氣要強的一氧化碳和氫氣爭奪氧氣的能力比天然氣強，自然產生氮氧化物比以前天然氣直接燃燒時更少；其間的燃燒温度也儘量控制不要太高。
於是燃燒煙氣中的氮氧化物的排放量大幅降低到200毫克/立方米甚至100毫克/立方米以下。
具體的技術就不詳述了，講起來比這篇文章的長度還長。
工人在北京通州城西燃煤鍋爐房清潔能源改造工程現場施工（資料圖/新華網）
2） 户用燃氣採暖鍋爐：
北京市的户用燃氣採暖鍋爐有100多萬台。根據新聞報道，其中有近百萬台是城鎮家庭的户用燃氣採暖鍋爐，還有幾十萬台是農村煤改氣後的燃氣採暖鍋爐。在供暖高峯每天燃燒的天然氣有大約2000萬立方米左右。但這些鍋爐大部分不是低氮燃燒鍋爐，排放的燃燒煙氣中氮氧化物的排放量大部分在400毫克/立方米甚至600毫克/立方米以上。
也就是説，在採暖高峯，這些户用燃氣採暖鍋爐排放的氮氧化物總量不僅超過了大型燃氣採暖鍋爐氮氧化物的排放總量，而且很可能超過甚至遠遠超過北京市小汽車的氮氧化物排放總量，成為北京冬季二氧化氮的最大排放源。
雖然小汽車發動機燃燒汽油時的温度高，氮氧化物的排放濃度更高，但畢竟有三元催化器降解尾氣中的氮氧化物。更換這部分户用燃氣小鍋爐的代價很高，一台户用低氮燃燒鍋爐的價格要2萬元左右。
二氧化氮排放到大氣中，與大氣中的鹼性物質化合，就生成了（亞）硝酸鹽，極細的顆粒物。現在的顆粒物成分的化學分析表明，北京大氣中的顆粒物主要成分是（亞）硝酸鹽。不過北京冬季空氣中的氨氣濃度只有夏季的十幾分之一（氨氣主要是由種植業的氮肥施用和養殖業的禽畜糞便產生的——確實跟豬有關係），按理應該夏季的PM2.5更高，但事實正好相反。所以説氮氧化物與氨氣在大氣中結合是這次春節期間的主要原因有點兒牽強附會。
3） 燃氣熱電聯供電站，這是造成北京春節期間重霾的最大嫌疑犯。
根據新聞報道，北京市有大約700萬千瓦左右的燃氣熱電聯供電站，在發電供暖的高峯，每小時要燃燒大約200萬立方米的天然氣。天然氣在燃氣輪機裏的燃燒温度很高，達到1500℃左右，因此燃燒煙氣中氮氧化物的濃度很高，需要採用SCR即選擇性催化還原（脱硝）（Selective Catalytic Reduction）法，對燃燒煙氣進行後處理，減少煙氣中的氮氧化物。還原劑為氨水或尿素水。煙氣在催化器中進行反應後，會有少量的氨氣沒有參加反應逃逸到燃燒煙氣中排放，這就是所謂的氨逃逸。
氨在含有大量水霧的煙氣中以水為媒，與二氧化氮（一氧化氮在空氣中被氧化成為二氧化氮）結合就生成了（亞）硝酸氨，其粒徑極細，大多數在1微米以下，表面積與體積之比很大，在空氣中運動時阻力很大，漂浮的時間很長很長。因此，這種顆粒物產生的量不是很大，但對大氣中PM2.5（大氣中的PM2.5指的是粒徑在2.5微米以下的顆粒物）總量的貢獻很大。
請注意，現在北京重霾天PM2.5的主要成分就是（亞）硝酸銨。
在SCR脱銷過程中，氮氧化物的排放量和氨逃逸量是一對矛盾，用的氨越多，氮氧化物的排放量就越少，但氨逃逸量就越大。需要進行最優的選擇。現在國際上發達國家一般都將燃燒化石能源、生物質和垃圾時產生的煙氣中的氮氧化物的排放上限定為100~400毫克/立方米煙氣。但中國卻在沒有任何突破性技術進步的情況下，將這個上限定為50毫克/立方米煙氣。於是造成大量的氨逃逸。
採用脱銷工藝時，將氮氧化物排放標準上限定的過低造成氨逃逸生成大量銨鹽的問題不僅存在於燃氣輪機電廠，而且也存在於燃煤電廠，只不過燃煤電廠的煙氣中還有濃度較高的二氧化硫，因此生成的銨鹽中，（亞）硫酸鹽佔很大的比例。
人們普遍注意到了：
1） 這次春節期間，很多除了燃煤電廠之外、很少有其它燃煤設備運行的地區也發生了重霧霾天氣，而且路上的機動車很稀少，那麼這麼重的霾是從哪裏來的？
2） 今年國慶前夕，北京方圓千里的鋼鐵廠的燒結機（當時除燃煤電廠之外的最大空氣污染源，因為沒到冬季還沒有散煤燃燒採暖污染）都停工了，國慶當天北京還是大氣中度污染。那時候有官員和專家非要説是機動車污染。這個春節新冠病毒算是把扣在機動車背上的大黑鍋給卸下來了。
另外，户用燃氣熱水器和燃氣灶在燃燒時也有氮氧化物，其排放濃度與家用燃氣採暖爐相當。只不過在冬季與户用燃氣採暖爐的燃氣用量相比要低大約一個數量。
·應對措施
最後，還是談一下應對措施，畢竟吐槽只能發泄情緒，分析也僅僅用來發現問題所在，解決問題還是要靠科學的應對措施。
作為能立馬見效的短期措施，我的建議是：
1） 迅速在全國提高化石能源燃燒煙氣排放的氮氧化物排放上限。具體的上限要根據不同的情況具體確定。譬如燃氣（輪機）蒸汽聯合循環電廠或燃氣熱電廠和燃煤電廠的氮氧化物上限提高到100毫克/立方米。鋼鐵廠燒結機的煙氣不必脱硝。
2） 北京的燃氣熱電聯供電站加裝電熱鍋爐和儲熱罐，在冬季的後半夜、以及在其它時段風光電過剩時，停止燃氣輪機的運行，用電網中充裕的電力通過電熱鍋爐加熱採暖水供暖。這時燃氣熱電聯供站的輸電系統從輸出電力變為輸入電力。這樣，既減少了棄風棄光，也節省了需要大量進口的天然氣，還減少燃燒天然氣時產生的大量污染物，何樂而不為呢？
3） 通過優惠電價和智能電錶鼓勵所有户用燃氣採暖鍋爐的用户儘量使用廉價的低谷電力和過剩的風光電力採暖，減少天然氣的用量。當然前提是當地電網有足夠的送電能力。
至於長期的方法，當然要靠告別化石能源，這是一個大約需要20~30年的歷史進程。
如果要靠能源結構調整和經濟結構調整在全國的範圍治霾，那就得等到2040年以後了。這等於把我們這一代治霾的責任推給了下一代。作為一個治霾者，我視為失職和恥辱。
（本文原載於微信公眾號“治霾者”，觀察者網已獲作者授權轉載。）