霧霾大暴發(fā)的根本原因：濕法脫硫取消GGH引發(fā)PM2.5粒數(shù)暴增

摘要：本文基于突變分析和系統(tǒng)分析方法，采用氣象數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、不同階段相關(guān)文獻(xiàn)中的檢測(cè)數(shù)據(jù)等，構(gòu)建相關(guān)分析模型，確認(rèn)PM2.5粒數(shù)濃度暴增而非質(zhì)量濃度變化是2013—2014年京津冀及周邊省份霧霾大暴發(fā)的主因。確認(rèn)硫酸根、硝酸根、銨根等水溶性離子為主的可凝結(jié)顆粒物，均受濕法脫硫取消煙氣換熱系統(tǒng)（Gas-Gas-Heater，GGH）后的濕煙囪污染物排放這一因素的直接或間接影響。濕法脫硫取消GGH是最主要的引發(fā)PM2.5粒數(shù)濃度暴增的因素，同期大規(guī)模的脫硝加劇了這一趨勢(shì)。其他任何因素沒(méi)有在2013—2014年間發(fā)生突變的可能，也不可能引起霧霾天數(shù)倒鉤型的變化。最后根據(jù)萃智創(chuàng)新方法提出超低排放改造的優(yōu)化方向。

關(guān)鍵詞：PM2.5；粒數(shù)濃度；質(zhì)量濃度；霧霾；濕法脫硫；GGH

中圖分類(lèi)號(hào)：X51;X773 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI:10.3969/j.issn.1003-8256.2019.02.005

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）:

0 引言

以霧霾天數(shù)為標(biāo)志，2013—2014年霧霾在京津冀及周邊省份大暴發(fā)（下文簡(jiǎn)稱(chēng)霧霾大暴發(fā)）。2013年開(kāi)始探索霧霾治理，2015年后燃煤電廠率先開(kāi)始較大規(guī)模的超低排放改造，再加上對(duì)非電行業(yè)排放大戶(hù)采取“停限產(chǎn)”等鐵腕協(xié)同治理措施，霧霾天數(shù)于2014年達(dá)到峰值，2015年以后有較大程度下降，但相對(duì)暴發(fā)前仍在高位運(yùn)行。霧霾危害很大，已眾所周知；霧霾成因不能確認(rèn)，治霾對(duì)策就不能精準(zhǔn)，造成資源浪費(fèi)，影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活。2017年兩會(huì)期間，李克強(qiáng)總理參加陜西代表團(tuán)審議時(shí)說(shuō)“如果有科研團(tuán)隊(duì)能夠把霧霾的形成機(jī)理和危害性真正研究透，提出有效的應(yīng)對(duì)良策，我們?cè)敢饽贸隹偫眍A(yù)備費(fèi)給予重獎(jiǎng)！這是民生當(dāng)務(wù)之急啊。我們會(huì)不惜財(cái)力，一定要把這件事研究透”[1]！“山東科技智庫(kù)論壇”在2017—2018年組織過(guò)三次全國(guó)性的霧霾成因研討會(huì)，在國(guó)內(nèi)引起較大反響[2]；中美綠色合作伙伴結(jié)對(duì)-山東省科學(xué)院與美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室組成的霧霾成因研究小組進(jìn)行了一年多的綜合性研究。

本文以2013—2014年霧霾大暴發(fā)這一突變事實(shí)為線索，運(yùn)用突變論和系統(tǒng)論方法，以學(xué)術(shù)文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，排除不可能造成突變的常規(guī)因素，找出引起霧霾大暴發(fā)的突變因素，綜合分析霧霾暴發(fā)后至今尚未消退的根本原因。以2012年底為界，之前為PM2.5粒數(shù)較少的燃煤干煙氣排放為主的大氣環(huán)境系統(tǒng)，之后轉(zhuǎn)化為PM2.5粒數(shù)暴升的燃煤濕煙氣排放為主的發(fā)生質(zhì)變的大氣環(huán)境系統(tǒng)。

1 霧霾大暴發(fā)的表現(xiàn)及初步原因判斷

1.1 霧霾天數(shù)突增

氣象數(shù)據(jù)顯示2013—2014年霧霾天數(shù)突增，這也與人們的切身感受一致。圖1為山東省1961—2016年霧霾天數(shù)的變化趨勢(shì)：2013年開(kāi)始，山東省霧霾天數(shù)連續(xù)兩年翻番式增長(zhǎng)，2014年達(dá)到峰值；2015—2016年相對(duì)2014年下降25%，但遠(yuǎn)高于2012年之前的霧霾天數(shù)[3]。濟(jì)南市1981—2014年龜山、章丘、長(zhǎng)清、濟(jì)陽(yáng)、商河和平陰六個(gè)氣象站年平均霾日數(shù)在2013—2014年也呈現(xiàn)飛躍式突變。從圖2可以看出，濟(jì)南及周邊縣市的霧霾天數(shù)有較大差異，只有市區(qū)及煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)集中的章丘率先從2010年開(kāi)始霾天數(shù)的爬升，其他地區(qū)僅略有增長(zhǎng)。2013年之后所有觀測(cè)點(diǎn)都開(kāi)始爬升，2014年暴增。雖然有關(guān)濟(jì)南市的文獻(xiàn)對(duì)霾級(jí)別定義和測(cè)算與山東省不同，但二者可以相互印證2013—2014年霧霾天數(shù)的突變性事實(shí)[4]。同時(shí)，京津冀及周邊省份連續(xù)發(fā)生大面積霧霾。霧霾已經(jīng)不限于局部地區(qū)、特定時(shí)間，而是經(jīng)常性的連片暴發(fā)。

這種由零星區(qū)域霧霾天數(shù)上升，到京津冀及周邊省份的大規(guī)模暴發(fā)，是大氣系統(tǒng)對(duì)霧霾承載力迅速被超越的突出表現(xiàn)。大氣系統(tǒng)是相對(duì)穩(wěn)定的，在一年內(nèi)出現(xiàn)暴發(fā)式的突變，致霾污染源聯(lián)手成片，說(shuō)明大氣中的致霾因素突然大大超過(guò)環(huán)境容量。這種突變及倒鉤型的變動(dòng)趨勢(shì)可以排除掉部分因素。如，山東省煤炭消費(fèi)量持續(xù)增長(zhǎng)至2016年達(dá)到峰值，散煤燃燒、汽車(chē)存量和工業(yè)至今均穩(wěn)步增長(zhǎng)。上述因素帶來(lái)的污染物排放均不可能帶來(lái)2013—2014年的倒鉤型突變；同理，自然因素如地形、地貌、風(fēng)速、紫外線強(qiáng)度等，在兩年內(nèi)更不可能有根本性變化。這些均無(wú)法解釋霧霾大暴發(fā)的突變性。

圖1 山東省1961—2016年霧霾天數(shù)變化趨勢(shì)[3]

圖2 濟(jì)南市1981—2014年六個(gè)氣象站觀測(cè)年平均霾日數(shù)[4]

1.2 PM2.5質(zhì)量濃度變化很小、粒數(shù)濃度暴增

霧霾大暴發(fā)后，PM10或PM2.5引起霧霾已經(jīng)是基本常識(shí)，二者基本決定空氣質(zhì)量。粒數(shù)濃度與質(zhì)量濃度是PM2.5的兩個(gè)指標(biāo)，本文發(fā)現(xiàn)PM2.5粒數(shù)濃度變化與2013—2014年霧霾天數(shù)變化一致、質(zhì)量濃度變化很小。

濟(jì)南市2010—2017年P(guān)M10、PM2.5年均質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)顯示（圖3），2013年是PM10的明顯峰值。PM2.5在2013年相對(duì)2012年是一個(gè)小峰值，但與2011年類(lèi)似。即使PM10質(zhì)量濃度有明顯峰值，與山東省霧霾天數(shù)連續(xù)兩年翻番式增長(zhǎng)也有巨大差異。2017年P(guān)M10和PM2.5質(zhì)量濃度都大大低于2013峰值年，霧霾天數(shù)卻大大高于霧霾暴發(fā)前。

圖3 濟(jì)南市2010—2017年P(guān)M10、PM2.5質(zhì)量濃度年均變化[5]

北京市某監(jiān)測(cè)點(diǎn)按照小時(shí)計(jì)算的2009—2016年P(guān)M2.5質(zhì)量濃度與濟(jì)南市變動(dòng)趨勢(shì)類(lèi)似，PM2.5質(zhì)量濃度2013年高于2012年，略低于2010年，與2009年相同（圖4）。對(duì)該觀測(cè)點(diǎn)每日每時(shí)PM2.5數(shù)值分類(lèi)，嚴(yán)重級(jí)別的霧霾小時(shí)數(shù)呈現(xiàn)出2013—2014年為2009—2016年間的峰值（圖5）。

圖4 北京市2009—2016年P(guān)M2.5質(zhì)量濃度（每立方米.微克）年均變化[6]

圖5 PM2.5大于300嚴(yán)重霧霾（二級(jí)）級(jí)別以上的小時(shí)數(shù)[6]

氣象數(shù)據(jù)中相對(duì)濕度小于80%或大于90%時(shí)的能見(jiàn)度水平是判斷灰霾污染或霧的重要指標(biāo)，可以反映PM2.5污染程度。Liu等（2017）基于多年氣象條件和質(zhì)量濃度的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，推算出京津冀地區(qū)多年月度PM2.5質(zhì)量濃度平均值，并與1963—2014年平均值比較得到距平值，在2013—2014年出現(xiàn)異常值[7]。實(shí)際監(jiān)測(cè)值卻顯示2013—2014年前后PM2.5質(zhì)量濃度沒(méi)有太大變化。異常值的出現(xiàn)，并非模型本身有問(wèn)題，而是2013—2014年發(fā)生了脫離過(guò)去模式的突變，造成這兩年的數(shù)據(jù)與過(guò)去常規(guī)變化有較大偏離。

圖6 根據(jù)氣象數(shù)據(jù)推算的京津冀地區(qū)月度PM2.5距平值[7]

1.3 PM2.5增加導(dǎo)致霧霾的基本科學(xué)前提下，大氣中PM2.5粒數(shù)濃度暴增是唯一選項(xiàng)

相關(guān)研究指出，只關(guān)注固定污染源排放的總顆粒物質(zhì)量濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，針對(duì)細(xì)顆粒物和超細(xì)顆粒物，粒數(shù)濃度更能反映其對(duì)生態(tài)環(huán)境及人體健康的危害程度[8]。在PM2.5質(zhì)量濃度變化無(wú)法反映霧霾大暴發(fā)的情況下，PM2.5粒數(shù)濃度變化就成了唯一選項(xiàng)。這意味著，2013—2014年間雖然大氣中PM2.5質(zhì)量濃度沒(méi)有發(fā)生大的變化，PM2.5粒數(shù)濃度卻成倍增長(zhǎng)。

后續(xù)研究顯示，濕法脫硫取消GGH以及2012—2015年間脫硝設(shè)施快速建成，脫硝和濕法脫硫燃煤設(shè)施排放的煙氣中可凝結(jié)顆粒物、氨和三氧化硫等水溶性物質(zhì)增加，導(dǎo)致其排放的PM2.5粒數(shù)暴升，但質(zhì)量濃度并沒(méi)有大的變化；進(jìn)而引起大氣中PM2.5粒數(shù)濃度和粒數(shù)若干倍的暴升，導(dǎo)致霧霾大暴發(fā)。換言之，導(dǎo)致霧霾大暴發(fā)的根本原因是，在脫硫設(shè)施林立的京津冀及周邊省份等重點(diǎn)地區(qū)，濕法脫硫去除GGH這一小的判斷失誤導(dǎo)致一系列連鎖反應(yīng)所致，大力度的脫硝加劇這一趨勢(shì)。在霧霾大暴發(fā)前重點(diǎn)地區(qū)已經(jīng)接近大氣污染物容量上限，局部地區(qū)已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)零星霧霾情況下，暴增的PM2.5粒數(shù)成為引發(fā)二次顆粒物暴增的溫床，導(dǎo)致大氣中顆粒物在1~2年內(nèi)大大超過(guò)大氣污染物容量上限若干倍，霧霾大暴發(fā)是必然發(fā)生的。在此之前，我國(guó)已經(jīng)進(jìn)行多年的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、大氣環(huán)境治理、污染物大力度減排，二氧化硫、氮氧化物、煙塵已經(jīng)大幅度減少，城市中的許多高耗能、重化工企業(yè)早已“騰籠換鳥(niǎo)”。氣候、地形地貌因素是客觀存在，并非能夠改變的因素。導(dǎo)致突然暴發(fā)大霧霾的原因應(yīng)該容易找到，因?yàn)檫@本身也是濕法脫硫取消GGH，煙氣排放的“干煙囪”模式轉(zhuǎn)換為“濕煙囪”模式導(dǎo)致的突變?cè)斐傻?。進(jìn)入2012年底之后的濕煙囪模式后，在新的PM2.5粒數(shù)發(fā)生質(zhì)變的大氣系統(tǒng)內(nèi)部，通過(guò)比較不同區(qū)域的差異，來(lái)尋找霧霾暴發(fā)的主因是非常困難的。不識(shí)廬山真面目，只緣身在此山中。

2 取消GGH導(dǎo)致煙氣中PM2.5粒數(shù)濃度暴增的突變

根據(jù)第一部分，引起2013—2014年P(guān)M2.5粒數(shù)濃度暴增的因素可能為霧霾大暴發(fā)的源頭。霧霾天數(shù)的倒鉤型變動(dòng)已經(jīng)排除掉大部分可能致霾主因。2012年大部分電廠的濕法脫硫取消煙氣換熱系統(tǒng)（GGH）、新建電廠不再安裝GGH、同期新增大量脫硝設(shè)備，以及從2013年1月1日起施行嚴(yán)格的在線監(jiān)測(cè)和懲罰措施等影響，從污染物來(lái)源、發(fā)生時(shí)間上均可對(duì)霧霾大暴發(fā)做出解釋。本部分對(duì)濕法脫硫取消GGH和脫硝如何影響PM2.5粒數(shù)濃度進(jìn)行論證。

2.1取消GGH導(dǎo)致脫硫塔入口煙氣溫度上升，PM2.5粒數(shù)濃度出口相對(duì)入口暴增10~100倍

濕法脫硫產(chǎn)生的細(xì)顆粒物是PM2.5的潛在來(lái)源。在典型條件下，120℃~160℃的入口溫度范圍內(nèi)，脫硫塔PM2.5產(chǎn)生率最高可達(dá)每立方厘米兩億個(gè)粒子。取消GGH導(dǎo)致高溫原煙氣不能與脫硫吸收塔出口的低溫凈煙氣進(jìn)行熱量交換，進(jìn)入脫硫塔的煙溫高于取消GGH前[9-11]，而脫硫塔煙氣入口溫度是影響PM2.5粒數(shù)濃度的重要因素。在超低排放改造之前的2013年前后工況下，濕法脫硫取消GGH，脫硫塔煙氣進(jìn)口溫度大幅度提高，使得脫硫塔PM2.5粒數(shù)濃度增加10~100倍[12]。除塵器入口溫度提高也使得除塵器中PM2.5的粒數(shù)濃度大增。除塵器對(duì)PM1.0以下的顆粒作用很小。取消GGH后，進(jìn)入大氣的PM0.1~PM1.0顆粒物突然增多。

這也解釋了關(guān)于GGH相矛盾的結(jié)論：部分研究表明GGH自身并沒(méi)有阻攔或減少顆粒物的排放，但多方檢測(cè)顯示有和沒(méi)有GGH的質(zhì)量濃度相差3~4倍[13]，以及有GGH比沒(méi)有GGH的機(jī)組PM1.0粒數(shù)濃度下降95%以上[14]。因?yàn)槿∠鸊GH后，脫硫塔入口溫度增加等因素導(dǎo)致脫硫塔中PM1.0粒數(shù)濃度增加幾十到幾百倍，質(zhì)量濃度僅增加一倍甚至下降[14-15]，以PM1.0為主的顆粒物全部排入大氣，造成PM2.5粒數(shù)濃度暴增。

表1 有無(wú)GGH相關(guān)污染物的平均濃度[13]

由于PM2.5源解析中燃煤占質(zhì)量比重較大、粒數(shù)比重更大，進(jìn)而導(dǎo)致大氣中PM2.5粒數(shù)濃度成倍增長(zhǎng)。PM2.5粒數(shù)濃度的增長(zhǎng)主要體現(xiàn)在PM0.1或PM1.0等小粒徑粒子的增長(zhǎng)，質(zhì)量濃度變化很?。辉诒幻摮亩酁檩^大粒徑粒子的情況下，有些機(jī)組脫硫塔檢測(cè)結(jié)果顯示PM2.5粒數(shù)濃度增加幾十倍，但質(zhì)量濃度減少。

2.2 取消GGH后增加了煙氣攜帶或隨水汽排放的水溶性離子，可凝結(jié)顆粒物粒徑隨著煙氣在大氣中的擴(kuò)散由大變小，粒數(shù)出現(xiàn)上萬(wàn)倍的暴升

目前所有檢測(cè)顆粒物排放的質(zhì)量濃度、粒數(shù)濃度，基本上都是在煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)位置處的值，未能真實(shí)反映煙氣擴(kuò)散過(guò)程中所含顆粒物的存在形態(tài)，實(shí)際排放至環(huán)境中的細(xì)顆粒物粒數(shù)高很多。被監(jiān)測(cè)煙氣經(jīng)稀釋、冷卻后，出現(xiàn)質(zhì)量不變但顆粒物粒數(shù)暴增的現(xiàn)象；而濕法脫硫后的濕煙氣在排放擴(kuò)散至大氣過(guò)程中必然被稀釋、冷卻[16]。有GGH時(shí)，可凝結(jié)顆粒物可以凝結(jié)成固體顆粒物而不會(huì)在大氣中產(chǎn)生粒數(shù)的暴增，或者在煙道中以氣溶膠相互碰撞形式凝結(jié)成大的氣溶膠進(jìn)入大氣后容易沉降等。沒(méi)有GGH后煙氣排放由“干煙囪”模式變?yōu)?ldquo;濕煙囪”模式，秋冬季節(jié)在煙囪、煙羽中，會(huì)形成比表面積和粒數(shù)為巨量的微小粒徑冷凝液滴，有些污染物和冷凝液滴間會(huì)發(fā)生反應(yīng)，污染物可以大比例轉(zhuǎn)化為水溶性離子，還有些污染物被機(jī)械攜帶或在逃逸的極細(xì)液滴中溶解著。液滴中的水蒸發(fā)后形成水溶性離子顆粒物并擴(kuò)散，顆粒物粒數(shù)暴增[17]。

煙氣進(jìn)入大氣后是一個(gè)逐漸稀釋的過(guò)程。對(duì)電廠煙囪60米橫斷面處原煙氣稀釋?zhuān)♂尡稊?shù)從7倍增至10倍，0.006~0.0136微米粒徑段顆粒物粒數(shù)濃度分別約為原煙氣該粒徑段的2.5和104倍。即隨著稀釋比的增大，煙溫和濕度逐漸降低，半揮發(fā)性物質(zhì)飽和度增加以及水蒸氣在顆粒物表面的冷凝，導(dǎo)致煙氣中納米級(jí)顆粒物數(shù)濃度驟然增加。該過(guò)程很好地模擬了高溫高濕煙氣排放到大氣中真實(shí)的混合過(guò)程[16]。對(duì)白煙消失后的拖尾黑煙進(jìn)行檢測(cè)，距離煙囪越近，大顆粒的PM10越高，PM2.5、PM1.0和PM0.38越少；隨著增加檢測(cè)儀與煙囪的距離，PM2.5、PM1.0和PM0.38逐漸增加，說(shuō)明小粒徑顆粒物在逐漸相對(duì)變多[18]。

即使?jié)駸煔獾馁|(zhì)量濃度于在線儀器監(jiān)測(cè)處的差異僅有幾倍，它們進(jìn)入大氣后粒數(shù)會(huì)產(chǎn)生上萬(wàn)倍的變化。這一方面說(shuō)明檢測(cè)儀器需要模擬大氣擴(kuò)散過(guò)程，檢測(cè)數(shù)據(jù)才相對(duì)真實(shí)；另一方面也說(shuō)明，儀器監(jiān)測(cè)位置檢測(cè)到的相對(duì)較小的變化，也會(huì)在大氣中放大上萬(wàn)倍。

2.3 取消GGH導(dǎo)致煙柱高度大大降低，煙氣污染物最大落地點(diǎn)濃度增加1倍

取消GGH的脫硫系統(tǒng)，雖有效避免了GGH的堵塞問(wèn)題，但由于“濕煙囪”無(wú)煙氣再熱措施，排煙溫度較低，排煙高度降低一半，煙囪排放污染物最大落地點(diǎn)質(zhì)量濃度增加一倍[20]。僅此變化就帶來(lái)PM2.5質(zhì)量濃度100%左右的增長(zhǎng)，粒數(shù)濃度增長(zhǎng)更大。

2.4 取消GGH導(dǎo)致煙氣中霧滴里溶解的二氧化硫和可溶物逃避監(jiān)測(cè)

目前的在線檢測(cè)儀器只適合干煙氣檢測(cè)，霧滴里溶解的二氧化硫和可溶物在通過(guò)檢測(cè)設(shè)備時(shí)是以溶解態(tài)存在的，所以造成二氧化硫和煙塵的檢測(cè)數(shù)據(jù)都偏低。飽和煙氣向后傳輸?shù)倪^(guò)程一直在降溫，會(huì)有大量過(guò)飽和水析出，析出的霧滴比表面積極大，會(huì)迅速與煙氣中剩余的二氧化硫結(jié)合，生成亞硫酸。如果霧滴中含有脫硫產(chǎn)物亞硫酸鈣，就會(huì)生成亞硫酸氫鈣，這些物質(zhì)都是非穩(wěn)定態(tài)物質(zhì)，排入大氣失水后會(huì)分解，重新釋放出二氧化硫，這部分二氧化硫無(wú)法被在線監(jiān)測(cè)設(shè)備檢測(cè)到。而逃逸檢測(cè)的含溶解物霧滴進(jìn)入大氣后，首先隨煙氣擴(kuò)散，大氣的溫度一般都比煙氣低，煙氣先降溫過(guò)飽和，形成白色煙氣；同時(shí)大氣的濕度會(huì)遠(yuǎn)小于煙氣濕度，煙氣中的水分迅速蒸發(fā)，蒸發(fā)速度取決于大氣相對(duì)濕度、溫度和擴(kuò)散條件。煙氣拖尾的長(zhǎng)短還和煙氣的絕對(duì)濕度有關(guān)，煙氣溫度高、帶水量大、帶水霧滴粒徑越大都會(huì)讓煙氣拖尾變長(zhǎng)[18]。

2.5 取消GGH導(dǎo)致顆粒物無(wú)法在煙道中增大，進(jìn)入大氣后難以沉降

GGH加熱時(shí)煙氣還沒(méi)有擴(kuò)散，霧滴氣化升溫時(shí)會(huì)相互碰撞，在氣溶膠狀態(tài)下很容易相互吸附長(zhǎng)大，生成的結(jié)晶體粒徑較大，排出煙囪后有利于沉降。取消GGH后的煙氣是排入大氣后生成的二次顆粒物，這些顆粒物是在擴(kuò)散后生成的，這時(shí)粒子之間的距離很大，沒(méi)有機(jī)會(huì)碰撞長(zhǎng)大，生成的顆粒非常細(xì)小，比表面積非常大，靠自重很難沉降，會(huì)在大氣中長(zhǎng)期漂浮形成富集。在濕度和大氣傳輸條件不好時(shí)就形成霧霾[18]。

2.6 脫硝設(shè)備對(duì)PM2.5粒數(shù)濃度暴增的疊加影響

2007—2017年脫硫脫硝行業(yè)發(fā)展報(bào)告或綜述提出了主要行業(yè)尤其是火電行業(yè)脫硫脫硝進(jìn)程中產(chǎn)生的若干棘手問(wèn)題，這些問(wèn)題大多與造成霧霾大暴發(fā)的硫酸鹽、銨鹽、硫酸霧等相關(guān)[19,21-32]。

火電廠大氣污染物排放新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定新建燃煤發(fā)電鍋爐2012年1月1日起、現(xiàn)有火力發(fā)電鍋爐2014年7月1日起執(zhí)行新的標(biāo)準(zhǔn)。在執(zhí)行新標(biāo)準(zhǔn)前，原國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或地方標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)寬松。2012年京津冀及周邊部分省市開(kāi)始實(shí)行脫硝電價(jià)，大型集中供熱鍋爐也執(zhí)行電廠的排放標(biāo)準(zhǔn)。再加上供熱脫硫脫硝加價(jià)等政策，激勵(lì)了電力和熱力企業(yè)脫硝設(shè)施大量上馬，脫硫設(shè)施運(yùn)行率也一反常態(tài)而大大提高，火電廠二氧化硫和氮氧化物排放量快速下降。2015年開(kāi)始的較大規(guī)模超低排放改造，燃煤電廠脫硝環(huán)節(jié)、脫硫環(huán)節(jié)的PM1.0分別增加52.11%、59.41%[31]，而PM1.0的粒數(shù)濃度與PM2.5基本相同。在2012—2014年，電廠尚未安裝超低排放改造后的精細(xì)SCR、低低溫省煤器和布袋除塵等工況下，主要有靜電除塵、脫硫設(shè)施兩大部分，PM1.0去除率較低，脫硝后增加的PM1.0也使脫硫后排入大氣的PM2.5增加。其中，可凝結(jié)顆粒物，以及水溶性離子等大量增加，相對(duì)原來(lái)主要是可過(guò)濾顆粒物或可凝結(jié)顆粒物轉(zhuǎn)化為可過(guò)濾顆粒物的情況，取消GGH后大氣中PM2.5粒數(shù)濃度大大增加。

脫硝工藝新產(chǎn)生的超細(xì)顆粒物與取消GGH造成PM2.5粒數(shù)濃度暴增相互疊加，進(jìn)一步加大取消GGH后PM1.0粒數(shù)濃度的增幅。另外，脫硝之后還有氨氣的逃逸問(wèn)題[33,47]，造成大氣中銨鹽增加。鋼廠也開(kāi)始進(jìn)行脫硫，部分采用濕法脫硫[21-24]。這些改變都與2013—2014年霧霾大暴發(fā)時(shí)間點(diǎn)和增加的排放污染物類(lèi)型吻合。

3 眾多濕法脫硫企業(yè)2013年1月1日前取消GGH，之后嚴(yán)格在線監(jiān)測(cè)及獎(jiǎng)罰措施下開(kāi)始不間斷運(yùn)行、同期脫硝設(shè)施的大幅度上馬等造成單個(gè)企業(yè)取消GGH粒數(shù)濃度發(fā)生突變基礎(chǔ)上的眾多企業(yè)脫硫脫硝設(shè)施運(yùn)行狀況集體突變

2012年底之前已經(jīng)有部分新建脫硫設(shè)施不再安裝GGH，且有較大比例在2010年前安裝的GGH被拆除。據(jù)調(diào)查，2012年許多脫硫設(shè)施處于檢修或改造狀態(tài)而沒(méi)有正常運(yùn)行。因?yàn)镚GH經(jīng)常堵塞，煙氣旁路系統(tǒng)被鉛封；2011年新排放標(biāo)準(zhǔn)于2012年在新上的機(jī)組實(shí)施，而2014年7月1日開(kāi)始老的機(jī)組也要實(shí)施新標(biāo)準(zhǔn)。GGH的原煙氣泄露會(huì)造成二氧化硫等排放不達(dá)標(biāo)；拆除GGH后，氮氧化物超標(biāo)問(wèn)題在脫硝電價(jià)刺激下快速的脫硝設(shè)施上馬后也能夠迎刃而解。因此，2012年有足夠多的動(dòng)因，突擊拆除GGH。2013年1月1日開(kāi)始的嚴(yán)格在線監(jiān)測(cè)和重罰措施，使已經(jīng)去除GGH的脫硫脫硝設(shè)施都突然開(kāi)始正常運(yùn)行，也不再因?yàn)镚GH堵塞等原因而停產(chǎn)檢修等，由此造成的突變導(dǎo)致2013年初霧霾大暴發(fā)，2014年達(dá)到峰值。相關(guān)佐證如下。

3.1對(duì)相關(guān)企業(yè)調(diào)查顯示，2010年之后不再安裝GGH，2012年集中拆除已有GGH

據(jù)調(diào)查，某省一個(gè)大發(fā)電企業(yè)2010年前投產(chǎn)的8臺(tái)機(jī)組都有回轉(zhuǎn)式GGH，2012年全部拆除。其中4臺(tái)200MW，2臺(tái)300MW，2臺(tái)600MW。位于市區(qū)的2臺(tái)200MW機(jī)組，拆除老GGH后安裝了MGGH。2010年之后投產(chǎn)的4臺(tái)1000MW機(jī)組，都沒(méi)有安裝GGH。

3.2相關(guān)文獻(xiàn)顯示，2010年對(duì)是否加裝GGH沒(méi)有定論，但新機(jī)組不再安裝，2012年上半年就有70%的發(fā)電機(jī)組不再有GGH

2010年針對(duì)煙氣脫硫濕法工藝是否需要加裝GGH的問(wèn)題，進(jìn)行了相當(dāng)一段時(shí)間的討論，且沒(méi)有定論。但是新建濕法煙氣脫硫機(jī)組越來(lái)越多地采用了不裝設(shè)GGH的方案。石膏雨的產(chǎn)生與濕法脫硫取消GGH不無(wú)關(guān)系。取消GGH后，煙氣排煙溫度降低，煙氣擴(kuò)散能力減弱，直接導(dǎo)致煙氣攜帶的石膏漿液滴在煙囪附近落地，形成石膏雨現(xiàn)象。另外，石膏雨的產(chǎn)生與脫硫塔流速、除霧器的設(shè)計(jì)和沖洗效果也有直接聯(lián)系[9]，在當(dāng)時(shí)這方面的問(wèn)題也比較多。因?yàn)槎氯麌?yán)重、原煙氣泄漏等問(wèn)題使二氧化硫排放難以達(dá)到新標(biāo)準(zhǔn)，到2012年上半年就有70%以上的脫硫設(shè)施不再有GGH[34],相應(yīng)帶來(lái)的是石膏雨。

3.3取消GGH導(dǎo)致石膏雨的嚴(yán)重程度變化也顯示2013-2014年眾多企業(yè)脫硫脫硝設(shè)施運(yùn)行情況發(fā)生突變

石膏雨問(wèn)題成為大規(guī)模取消GGH的直接反映。無(wú)GGH裝置的脫硫系統(tǒng)投產(chǎn)后，雖有效避免了GGH的堵塞問(wèn)題，但由于“濕煙囪”無(wú)煙氣再熱措施，排煙溫度較低，脫硫塔出口帶有飽和水的凈煙氣在排出過(guò)程中部分冷凝形成液滴，煙氣自煙囪口排出后不能有效地抬升、擴(kuò)散到大氣中，導(dǎo)致取消GGH裝置后煙氣不能迅速消散，特別是在地區(qū)溫度、氣壓較低或陰霾天氣的時(shí)間段，煙氣中攜帶的粉塵及液滴聚集在煙囪附近，落到地面形成“石膏雨”或酸雨，對(duì)電廠及周邊環(huán)境產(chǎn)生污染，甚至腐蝕設(shè)備[19]。

我國(guó)火電廠脫硫脫硝行業(yè)2011年發(fā)展綜述指出，石膏雨是個(gè)實(shí)際問(wèn)題，2012年上升到突出問(wèn)題，2013-2014年為普遍問(wèn)題，2015年因?yàn)椴扇〕团欧鸥脑熘卫硎嘤?，不再有石膏雨?wèn)題的描述[21-24,29]?？梢?jiàn)，石膏雨的加劇也說(shuō)明2013年開(kāi)始是個(gè)突變。

3.4二氧化硫排放量和火電廠脫硫設(shè)施占比也說(shuō)明2013年初開(kāi)始脫硫設(shè)施運(yùn)行率大大提高

已經(jīng)投運(yùn)煙氣脫硫機(jī)組2012年底比2011年底有很大提高，這也是為了應(yīng)對(duì)2013年1月1日開(kāi)始的嚴(yán)格在線監(jiān)測(cè)和違規(guī)懲罰措施，與2013—2014年霧霾大暴發(fā)基本吻合。而2013年和2014年脫硝機(jī)組大幅增長(zhǎng)，與2013—2014年霧霾大暴發(fā)的時(shí)間點(diǎn)相吻合，2014年霧霾天數(shù)達(dá)到峰值。電廠石膏雨問(wèn)題太明顯，2015年較大規(guī)模的超低排放措施抑制住了石膏雨問(wèn)題，也使得霧霾天數(shù)比2014年的峰值年下降20%，2016年比2014年峰值下降25%。

從二氧化硫、氮氧化物和煙塵排放量來(lái)看，也顯示2012—2015年有非?？焖俚南陆?。二氧化硫排放量的下降主要是因?yàn)槊摿蛟O(shè)施運(yùn)行率大大提高，而脫硝快速下降緣于脫硝設(shè)施快速上馬。兩者都加速PM2.5粒數(shù)濃度或質(zhì)量濃度的增加。

圖7 2005—2015年全國(guó)火電廠脫硫脫硝滲透率[31]

圖8 全國(guó)火電煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放與山東省霧霾天數(shù)的變化趨勢(shì)[35]

圖8顯示，二氧化硫的排放，2012年沒(méi)有比2011年增加多少，說(shuō)明2012年增長(zhǎng)較多的脫硫機(jī)組主要是在年底之后運(yùn)行，為了應(yīng)對(duì)2013年1月1日開(kāi)始的嚴(yán)格在線監(jiān)測(cè)。2013—2014年脫硫脫硝設(shè)施開(kāi)足馬力后，氮氧化物和二氧化硫快速下降。

由于脫硝設(shè)施快速上馬的突變，加上眾多脫硫設(shè)施在2012年比較集中的取消GGH的突變，再加上過(guò)去取消或不安裝GGH的脫硫設(shè)施由斷斷續(xù)續(xù)運(yùn)行變?yōu)?013年1月1日之后嚴(yán)格的在線監(jiān)控下不間斷運(yùn)行的突變，三重突變疊加造成2013—2014年霧霾天數(shù)連續(xù)兩年的每年翻番式增長(zhǎng)。2015年為應(yīng)對(duì)石膏雨普遍實(shí)行超低排放改造措施，使石膏雨問(wèn)題大大減輕的同時(shí)，霧霾天數(shù)也有了較大程度的下降，但相比霧霾暴發(fā)前仍處于高位運(yùn)行。

4 排除無(wú)法引起2013—2014年霧霾天數(shù)突變的因素

4.1煤炭消費(fèi)量

煤炭消費(fèi)量不是霧霾暴發(fā)的原因。京津冀及周邊省份煤炭消費(fèi)量在2013年達(dá)到峰值，山東省2016年達(dá)到峰值（圖9）。達(dá)到峰值時(shí)有連續(xù)幾年的平臺(tái)期，在煤炭消費(fèi)量變化不大的情況下不可能引發(fā)霧霾天數(shù)連續(xù)兩年翻番，2015年又有25%的下降。因此，京津冀及周邊省份燃煤強(qiáng)度大污染物排放多無(wú)法解釋2013—2014年霧霾大暴發(fā)。

圖9 山東省煤炭消費(fèi)和霧霾天數(shù)的變化趨勢(shì)

4.2 二氧化硫和氮氧化物排放量

二氧化硫和氮氧化物據(jù)說(shuō)是大氣中二次PM2.5的前體物。2013—2014年霧霾大暴發(fā)發(fā)生在火電廠脫硫和脫硝快速推進(jìn)、二氧化硫和氮氧化物排放量急速下降的2012—2015年，而2006年是二氧化硫排放峰值、2011年是氮氧化物排放峰值。在二氧化硫和氮氧化物的排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2013—2014年的2011年沒(méi)有暴發(fā)大霧霾，而在二氧化硫和氮氧化物下降較大的2013年暴發(fā)大霧霾。這說(shuō)明如果沒(méi)有大氣中PM2.5粒數(shù)濃度的突變，不可能在2013—2014年有更大量的二氧化硫、氮氧化物加速被氧化并新產(chǎn)生PM2.5，加劇霧霾天污染程度。

4.3 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)變化及其它大氣污染物或能產(chǎn)生大氣污染物的變量

常見(jiàn)的產(chǎn)生大氣污染物的變量，像小型汽車(chē)存量、柴油車(chē)存量等都是十幾年的當(dāng)年購(gòu)買(mǎi)量減去淘汰量后逐漸積累起來(lái)的，不可能在1~2年中發(fā)生突變。能夠產(chǎn)生較大污染的產(chǎn)業(yè)早已是“十一五”和“十二五”污染治理的重點(diǎn)，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)也在持續(xù)優(yōu)化調(diào)整中。GDP增長(zhǎng)速度逐漸在下降，GDP是各產(chǎn)業(yè)增加值之和，各產(chǎn)業(yè)通過(guò)投入產(chǎn)出而相互關(guān)聯(lián)、相互制約，與此相關(guān)的各類(lèi)產(chǎn)出帶來(lái)的大氣污染物也不會(huì)有突變的可能。

以老工業(yè)城市沈陽(yáng)為例，其也是全國(guó)工業(yè)轉(zhuǎn)型做得最早的城市。2000年前后，很多能源消耗大戶(hù)和污染排放大戶(hù)從沈陽(yáng)消失，如沈陽(yáng)冶煉廠、沈陽(yáng)鋼廠等，沈陽(yáng)的年燃煤消耗從2000年的3800多萬(wàn)噸，降低到2013年的2800多萬(wàn)噸。與此同時(shí)，沈陽(yáng)還對(duì)供暖鍋爐做了“扒小建大”的大面積改造，并全部新上初級(jí)除塵。2000年到2012年沈陽(yáng)空氣良好指數(shù)在全國(guó)省會(huì)級(jí)城市中名列前茅。然而，經(jīng)過(guò)了大規(guī)模的工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)之后，2013年10月31日，沈陽(yáng)也發(fā)生了史上最嚴(yán)重的重度霧霾。濕法脫硫取消GGH后確實(shí)是PM2.5的一個(gè)重要來(lái)源，對(duì)沈陽(yáng)市而言是最大的來(lái)源[18]。沈陽(yáng)市的霧霾大暴發(fā)并非發(fā)生在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)偏重、污染物排放多的時(shí)期，而是在大量重化工業(yè)消失，工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，煤炭消費(fèi)大幅度下降的2013年。顯然，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)偏重、污染物排放多并非2013—2014年霧霾大暴發(fā)的主因。

4.4 京津冀及周邊省份大氣環(huán)境容量上限是在2013—2014年被連續(xù)翻番式突破，而非日積月累的結(jié)果

第一部分已經(jīng)指出京津冀及周邊大氣環(huán)境容量是在短短一到兩年被大大突破，尋找造成這種突變的原因，比尋找溫水煮青蛙式變化的原因容易。若僅研究2013年之后的變化，只能找到產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)偏重、污染物排放超過(guò)環(huán)境容量、區(qū)域間傳輸、氣象、地形、地貌等方面的原因。這些原因不是短期內(nèi)形成的，也不是短期內(nèi)能夠解決的，對(duì)打贏當(dāng)下的藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)作用有限。另外，從2013年之前局部地區(qū)霧霾天數(shù)開(kāi)始持續(xù)上升來(lái)看，京津冀及周邊省份大氣環(huán)境容量在霧霾大暴發(fā)前已經(jīng)接近上限。

5濕法脫硫取消GGH后的濕煙囪排放的污染物與導(dǎo)致霧霾暴發(fā)的PM2.5主要成分一致或受其造成的大氣環(huán)境突變后的直接影響

5.1 脫硫設(shè)施周?chē)氖嘤旰托纬伸F霾的超細(xì)顆粒物同根同源，外部條件不同而形成較大差異

對(duì)石膏雨的一般性描述主要是煙氣中夾帶的石膏漿液或脫硫漿液霧化夾帶、煙氣中攜帶的粉塵和液滴等隨煙氣排放落到地面。在除霧器性能不好的情況下，脫硫漿液被煙氣夾帶進(jìn)入大氣中，而脫硫漿液或脫硫廢水中含有煙氣中吸收過(guò)來(lái)并逐步濃縮的大量溶解鹽、固體懸浮物及少量氟離子、重金屬離子等有害物質(zhì)，這些也都是大氣中PM2.5源解析的重要組成元素。如，熱電廠反復(fù)使用的脫硫漿液、煙囪凝水或脫硫廢水中就含有比重很高的氯離子、硫酸根、鈣和鎂離子[11]。極細(xì)顆粒物不可能被除霧器攔截，通過(guò)煙氣被攜帶到大氣中也是自然的，何況除霧器還大面積存在問(wèn)題?！段覈?guó)火電廠脫硫脫硝行業(yè)2010年發(fā)展綜述》中通過(guò)對(duì)22家企業(yè)2008年底前建設(shè)的火電廠煙氣脫硫工程后評(píng)估結(jié)果分析，60%電廠脫硫機(jī)組實(shí)際燃煤含硫量超出設(shè)計(jì)值，67%的GGH、44%的除霧器等設(shè)備存在嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題[28]。

天氣好的情況下，有時(shí)“石膏雨”并不沉降，而是與煙氣中其他顆粒物一樣，直接成為大氣中的顆粒物。也有些大氣中的顆粒物是濕法脫硫后的濕煙囪排放間接產(chǎn)生，或由此形成的新環(huán)境，促進(jìn)了大氣中二氧化硫和氮氧化物轉(zhuǎn)化成硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽等。雖然移動(dòng)源也排放氮氧化物，但在氮氧化物峰值年時(shí)霧霾也沒(méi)有暴發(fā)，那時(shí)大氣中氮氧化物遠(yuǎn)多于現(xiàn)在。造成霧霾的大量二次顆粒物的產(chǎn)生，主要原因還是脫硫后取消GGH的濕煙囪暴升的看不見(jiàn)的一次PM2.5顆粒物在容易成霾天氣下，吸水后迅速變大，相互粘附，成為可見(jiàn)顆粒物，影響能見(jiàn)度并為加速二氧化硫、氮氧化物氧化創(chuàng)造了條件。

5.2 濕法脫硫取消GGH后的濕煙囪污染物排放與硫酸根、硝酸根和銨根有直接或間接關(guān)系

已有研究證明硫酸根離子大量存在于燃煤鍋爐濕法脫硫的排放煙氣中[36-38]。一般來(lái)講，脫硫和脫硝均會(huì)增加燃煤電廠的一次PM2.5的排放，這可能引起燃煤電廠排放特征的明顯轉(zhuǎn)變，一定程度上還會(huì)抵消二氧化硫和氮氧化物減排帶來(lái)的二次PM2.5削減效果[39]。馬召輝等（2015）對(duì)比了燃煤電廠、供熱/工業(yè)燃煤鍋爐、水泥窯爐、垃圾焚燒、生物質(zhì)燃燒源和餐飲源，發(fā)現(xiàn)前兩者排放的PM2.5中硫酸根含量較高[40]。大型燃煤電廠煙氣排放中也有相對(duì)較大比例的硝酸根。燃煤電廠、供熱/工業(yè)燃煤鍋爐90%以上采用濕法脫硫，且較容易人為控制，重要活動(dòng)期間的關(guān)停或發(fā)電量減少均可成為硫酸根減少的主要來(lái)源[41]。

濕法脫硫由于存在脫硫產(chǎn)物結(jié)晶析出、脫硫漿液霧化夾帶等物化過(guò)程（描述與石膏雨相同），本身又可能形成PM2.5，使得經(jīng)濕法脫硫后煙氣中PM2.5排放特征產(chǎn)生顯著變化[42]。脫硫脫硝系統(tǒng)中產(chǎn)生的各類(lèi)硫酸鹽、硝酸鹽、氨或銨鹽、三氧化硫等排放到大氣中，這已經(jīng)主要不是鍋爐直接產(chǎn)生的顆粒物和氣體。這些極細(xì)顆粒物作為凝結(jié)核，在濕度較大的天氣吸水、相互黏附，成為加速二氧化硫、氮氧化物氧化并與大氣中的氨等堿性物質(zhì)結(jié)合后轉(zhuǎn)換為二次顆粒物的溫床。

5.3 濕法脫硫取消GGH后濕煙囪排放的污染物在靜穩(wěn)天氣下具有不衰減的累積效應(yīng)，很快就會(huì)造成大氣中超細(xì)顆粒物不斷升高，遇到濕度較大的天氣迅速轉(zhuǎn)化成霧霾

燃煤污染源對(duì)大氣顆粒物濃度貢獻(xiàn)量的大小不僅受其顆粒物排放的影響，還與氣象條件有關(guān)，比如靜穩(wěn)天氣持續(xù)時(shí)間、大氣溫度和濕度等。在靜穩(wěn)天氣情況下，第2天是第1天的2倍，第3天是第1天的3倍，依此類(lèi)推。300米高空的顆粒物濃度是500米高空的1.67倍。在靜穩(wěn)天氣的第三天，300米高空的可溶性鹽和不溶性顆粒物的濃度之和達(dá)到18.45μg/m3，第四天達(dá)到24.6μg/m3[36]。按照燃煤占大氣中PM2.5組分比例，第四天大氣中PM2.5質(zhì)量濃度可達(dá)到100μg/m3左右。即使PM2.5的其它組分增長(zhǎng)慢，再過(guò)幾天也會(huì)達(dá)到較高水平，采暖季空氣濕度大的情況下更是如此。

這種累積使得取消GGH后暴增的粒徑更細(xì)小且不沉降的PM2.5，在靜穩(wěn)和濕度較大的天氣不斷集聚；以此作為凝結(jié)核，吸收空氣中的水分，凝聚粘附大氣中的其他PM2.5；溶解并加快二氧化硫、氮氧化物的氧化，進(jìn)一步和大氣中的堿性物質(zhì)化合成為硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽；凝結(jié)核由小到大，從PM0.01到PM0.1，再到PM1.0、PM2.5和PM10。這一系列連鎖反應(yīng)在二氧化硫、氮氧化物濃度更高的2011年并沒(méi)有發(fā)生，那時(shí)大氣中沒(méi)有因?yàn)榧腥∠鸊GH后粒數(shù)暴增且不沉降、不斷累積的極細(xì)顆粒物。

在大氣中不斷累積的顆粒物的消除，主要靠較大的風(fēng)或雨，或者是霧霾暴發(fā)后類(lèi)似水汽凝結(jié)成水后落下的沉降。較大的風(fēng)能夠吹走當(dāng)?shù)氐撵F霾，也能把其他地方的霧霾帶來(lái)。在霧霾天衛(wèi)星云圖常顯示的是霧霾隨氣流在京津冀及周邊省份等重點(diǎn)區(qū)域上方移動(dòng)，連片成區(qū)域性霧霾。在屬于靜穩(wěn)天氣的3級(jí)微風(fēng)情況下，霧霾氣團(tuán)沒(méi)有因?yàn)轱L(fēng)吹而脫水、析出和散開(kāi)，而是不斷累積強(qiáng)化，24小時(shí)內(nèi)移動(dòng)400公里，從邢臺(tái)跑到北京[43]。

5.4 霧霾天氣氯離子奇高是濕法脫硫取消GGH后濕煙囪的污染物排放與霧霾直接相關(guān)的證據(jù)

相關(guān)檢測(cè)都證明，反復(fù)使用的濕法脫硫漿液中氯離子濃度很高。“山東科技智庫(kù)論壇”在2017年首次討論霧霾成因時(shí)，有霧霾成因研究團(tuán)隊(duì)的專(zhuān)家表示，根據(jù)在重霧霾天氣檢測(cè)到的大氣污染物成分，氯離子濃度比自然狀態(tài)下高很多，而濕法脫硫后的煙氣排放是氯離子的主要來(lái)源（加上可能來(lái)源于發(fā)電機(jī)組循環(huán)水的氯離子等，是連續(xù)輸送氯離子到大氣中的唯一來(lái)源），所以濕法脫硫濕煙囪是霧霾大暴發(fā)的主要根源。霧霾天影響能見(jiàn)度的硫酸根、硝酸根和銨根等要么直接來(lái)自濕法脫硫取消GGH后的濕煙囪，要么是因?yàn)槿∠鸊GH后形成的濕煙囪的直接排放，導(dǎo)致大氣中形成有利于二氧化硫、氮氧化物和氨等轉(zhuǎn)換為硫酸根、硝酸根和銨根等二次顆粒物的環(huán)境，從而間接造成二次顆粒物的增多。

采用環(huán)保部門(mén)2013—2018年空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以驗(yàn)證冬季集中供熱鍋爐啟動(dòng)后沒(méi)有GGH的濕法脫硫濕的影響，隨機(jī)選擇若干城市多個(gè)年份冬季采暖啟動(dòng)日前后三周大氣PM2.5質(zhì)量濃度進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果顯示采暖季啟動(dòng)日開(kāi)始后的三周內(nèi)，遇到靜穩(wěn)天氣時(shí)，PM2.5質(zhì)量濃度普遍比前面三周，尤其是前面2~3周高不少，有的是成倍增加。這說(shuō)明每個(gè)城市區(qū)區(qū)幾臺(tái)沒(méi)有GGH的濕法脫硫供熱鍋爐，就足以引起大氣PM2.5質(zhì)量濃度的劇烈變動(dòng)，是沒(méi)有GGH的濕法脫硫?qū)е虑锒眷F霾天氣顯著上升的主因[48]。這也是沒(méi)有可能關(guān)停發(fā)電廠來(lái)檢驗(yàn)是否濕法脫硫取消GGH導(dǎo)致霧霾的情況下，一種可信的替代性檢驗(yàn)方法。

5.5 霧霾天氣下硫酸根、硝酸根和銨根比重高，三者常出現(xiàn)相同的起伏變化，除了地域特點(diǎn)的差異

硫酸根、硝酸根和銨根是霧霾天氣下比重較高的水溶性離子。濟(jì)南市2010—2013年環(huán)境空氣細(xì)顆粒物PM2.5主要成分質(zhì)量百分比（圖10）中，除了地殼元素、有機(jī)物和碳元素，主要就是硫酸根、硝酸根和銨根。對(duì)濟(jì)南市2014年1月20日至3月15日PM10和PM2.5中主要影響能見(jiàn)度的水溶性離子濃度進(jìn)行最大值、最小值和平均值排序，有五組是硫酸根、硝酸根和銨根濃度的順序，只有PM10的最小值排序是銨根、硫酸根、硝酸根的順序，前三位都相同，而明顯具有不同來(lái)源的其它水溶性離子濃度值的各種排序變化較大[4]。

圖10濟(jì)南市2010—2013年環(huán)境空氣細(xì)顆粒物PM2.5主要成分

質(zhì)量百分比[4]

2014年APEC會(huì)議期間，京津冀及周邊城市實(shí)行嚴(yán)格的控排措施，會(huì)議前后污染物排放水平差異大，可控制的重點(diǎn)也不同，但硫酸根、硝酸根和銨根受天氣影響的累積曲線形狀和峰值基本一致，而其他元素曲線差異大。這說(shuō)明三者除了受天氣影響外，還受一個(gè)共同因素直接支配或間接影響[44]。在燃煤較多的區(qū)域，霧霾天時(shí)這三種離子也表現(xiàn)出很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。京津冀及附近省份“停止除保障群眾基本生活必須之外的一切向大氣排放污染物的生產(chǎn)活動(dòng)”后，主要是燃煤電廠濕法脫硫后的濕煙囪還在排放，硫酸根、硝酸根和銨根的變化曲線表現(xiàn)出峰和谷變動(dòng)時(shí)間的一致性，雖然因?yàn)橛秒娏肯陆刀l(fā)電量和污染物排放量也下降。

進(jìn)一步對(duì)比2014年11月初北京APEC會(huì)議期間及其前后濟(jì)南市和北京市大氣中硫酸根、硝酸根和銨根的變化幅度，濟(jì)南市進(jìn)入采暖季后硫酸根、硝酸根、銨根的濃度約為APEC期間的5倍、3.5倍、2.5倍[4]；北京APEC會(huì)議期間的二氧化硫、二氧化氮、PM10和PM2.5濃度分別降低74.1%、48.0%、66.6%和64.7%；2014年APEC期間和秋季非APEC期間PM2.5化學(xué)組份中，硫酸根、硝酸根、銨根和有機(jī)碳分別下降60%、47.9%、52.3%和36.3%，是比例最大的四種成份[45]。以上均說(shuō)明硫酸根、硝酸根和銨根濃度有可能受單一因素直接或間接影響。

2017—2018年采暖季期間，“2+26”城市PM2.5的平均濃度為85微克/立方米，其中有機(jī)物、硝酸鹽、硫酸鹽、銨鹽等主要組分的占比分別為28%、19%、12%和11%[46]。這是由于淘汰燃煤小鍋爐、散煤治理和煤控方面以及燃煤鍋爐二氧化硫脫除方面取得決定性勝利；在氮氧化物的脫除方面由于氮氧化物來(lái)源較廣、噴氨存在氨泄露和生成硫酸鹽、銨鹽等，以及氮氧化物脫除與臭氧污染加劇之間的反向相關(guān)的“蹺蹺板效應(yīng)”，導(dǎo)致硝酸鹽的比重超過(guò)硫酸鹽，以及銨鹽比重下降慢的變化。京津冀及周邊地區(qū)大氣PM2.5化學(xué)特征發(fā)生的這種顯著變化，是現(xiàn)行脫硫脫硝措施的體現(xiàn)，是量變導(dǎo)致的大氣PM2.5成分的變化，并非是像2013—2014年由于濕法脫硫取消GGH導(dǎo)致PM2.5粒數(shù)濃度暴增而引發(fā)霧霾天數(shù)暴增的質(zhì)變。

6主要研究結(jié)論

造成2013—2014年霧霾大暴發(fā)的根本原因是濕法脫硫取消GGH引發(fā)一系列連鎖反應(yīng)，使得PM2.5粒數(shù)濃度暴增，但質(zhì)量濃度變化不大。這種連鎖反應(yīng)主要有8條路徑。

（1）取消GGH后，脫硫塔入口溫度提高，導(dǎo)致脫硫塔出口PM1.0粒數(shù)濃度暴增10~100倍。2012年開(kāi)始執(zhí)行火電廠大氣污染物新排放標(biāo)準(zhǔn)和脫硝電價(jià)、供熱脫硫脫硝加價(jià)，而長(zhǎng)期存在堵塞問(wèn)題的GGH也影響煙氣中二氧化硫達(dá)標(biāo)排放，在業(yè)內(nèi)取得“GGH用處不大、不得不拆除”的共識(shí)后，當(dāng)年較大部分電廠拆除GGH且以后新建電廠不再安裝GGH。這導(dǎo)致其它行業(yè)上濕法脫硫時(shí)不再考慮GGH這一環(huán)節(jié)。由此導(dǎo)致看得見(jiàn)的突變是石膏雨，看不見(jiàn)的突變是PM2.5粒數(shù)濃度暴增。此后冶金、化工等大中型企業(yè)部分采用濕法脫硫技術(shù)，對(duì)PM2.5粒數(shù)濃度暴增也有貢獻(xiàn)。

（2）煙氣排放由“干煙囪”模式轉(zhuǎn)換為“濕煙囪”模式，本來(lái)就存在問(wèn)題的除霧器對(duì)暴增的PM1.0不起作用，超細(xì)顆粒物、細(xì)微液滴甚至脫硫漿液被煙氣攜帶至大氣中，隨著煙氣飄散稀釋?zhuān)琍M2.5粒數(shù)比監(jiān)測(cè)取樣處暴增上萬(wàn)倍。而進(jìn)入大氣監(jiān)測(cè)指標(biāo)的只有煙塵，屬于可過(guò)濾顆粒物，不存在進(jìn)入大氣后顆粒數(shù)暴增的問(wèn)題。

（3）煙囪干濕轉(zhuǎn)換后，在煙道、煙囪及煙羽中的二氧化硫更容易轉(zhuǎn)換為三氧化硫，加上脫硝系統(tǒng)產(chǎn)生的三氧化硫，進(jìn)入大氣后形成硫酸霧，再與大氣中富含的氨和脫硝逃逸的氨結(jié)合，形成硫酸鹽、銨鹽。為了達(dá)到較為嚴(yán)苛的氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)量噴氨造成的氨逃逸和硫酸鹽、銨鹽也是不容忽視的問(wèn)題。

（4）大量超細(xì)顆粒物屬于水溶性鹽類(lèi)物質(zhì)，進(jìn)入大氣后不自然沉降，在燃煤區(qū)的靜穩(wěn)天氣逐日累積，幾天后就能進(jìn)入輕霧霾狀態(tài)，遇到濕度大的天氣吸水并黏附變大，霧霾逐漸形成，直到遇到大一些的風(fēng)、雨或形成大霧霾后沉降；非燃煤區(qū)也有天然氣燃燒增加的氮氧化物和水汽，加上漂移來(lái)的外部顆粒物和當(dāng)?shù)氐钠渌廴疚铮矔?huì)形成霧霾，只是少一些。

（5）暴增的超細(xì)顆粒物吸水黏附變大后成為二次顆粒物的溫床，導(dǎo)致霧霾頻發(fā)，而霧霾天氣潮濕的細(xì)顆粒物又加速二氧化硫、氮氧化物向酸性物質(zhì)及硫酸鹽、硝酸鹽和銨鹽的轉(zhuǎn)換。

（6）取消GGH后排煙溫度降低，煙柱高度下降，排放空間減少一半，污染物最大落地點(diǎn)濃度增加1倍左右，僅此變化就帶來(lái)PM2.5質(zhì)量濃度100%左右的增長(zhǎng)，粒數(shù)濃度增長(zhǎng)更高。

（7）2012—2015年間大規(guī)模脫硝，增加大量硫酸鹽、銨鹽類(lèi)PM1.0并產(chǎn)生三氧化硫，進(jìn)入后續(xù)的除塵和脫硫環(huán)節(jié)后，部分進(jìn)入大氣，與上述取消GGH的連鎖反應(yīng)疊加，加劇了大氣中PM2.5粒數(shù)濃度的暴增。

（8）取消GGH后排放的過(guò)多水汽，增加了容易成霾天氣時(shí)大氣的濕度，加速霧霾形成。

綜上，濕法脫硫取消GGH后，主要由可凝結(jié)顆粒物引起的PM1.0超細(xì)顆粒物濃度暴升，進(jìn)而大氣中PM2.5粒數(shù)濃度成倍增加，1~2年內(nèi)迅速超過(guò)已經(jīng)接近上限的大氣污染物容量的若干倍，導(dǎo)致霧霾大暴發(fā)。

濕法脫硫取消GGH后導(dǎo)致PM2.5粒數(shù)濃度暴增，主要是除塵脫硫脫硝系統(tǒng)出現(xiàn)技術(shù)失誤造成的，而電廠、鋼鐵廠等采用濕法脫硫的企業(yè)都是購(gòu)買(mǎi)產(chǎn)品和服務(wù)的用戶(hù)，并非是脫硫脫硝設(shè)備的生產(chǎn)者和監(jiān)管者。不出現(xiàn)這一技術(shù)失誤或采用其他技術(shù)路徑可能不會(huì)出現(xiàn)霧霾大暴發(fā)。

當(dāng)然也不是單純因?yàn)槊禾肯M(fèi)量、二氧化硫和氮氧化物的排放量等變化引起的。超低排放改造的目的是減排煙塵、二氧化硫、氮氧化物等常規(guī)污染物，而導(dǎo)致霧霾大暴發(fā)的主要污染物是PM2.5，產(chǎn)生這些PM2.5的主要貢獻(xiàn)者是煙氣攜帶含溶解物霧滴進(jìn)入大氣后生成的二次顆粒物。因此，超低排放對(duì)治霾而言不是對(duì)癥下藥，并沒(méi)有十分明顯改善京津冀及周邊的霧霾問(wèn)題。

超低排放確實(shí)可以彌補(bǔ)取消GGH帶來(lái)的一些功能缺失，比如濕式電除塵可以去除45%的PM1.0質(zhì)量濃度[41]，但治霾效果并不很明顯。大發(fā)電機(jī)組排放的煙氣中PM2.5粒數(shù)濃度因?yàn)槠淙紵匦匀匀惠^高[15]，相關(guān)減排指標(biāo)也并非針對(duì)霧霾治理，煙氣拖尾現(xiàn)象還很普遍，因此需要針對(duì)降低PM2.5粒數(shù)濃度繼續(xù)努力。

治霾的關(guān)鍵是降低煙氣排放全過(guò)程所有PM2.5的粒數(shù)濃度，而非單純降低煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)儀安裝位置處二氧化硫、氮氧化物和煙塵的質(zhì)量濃度。煙氣排出煙囪口后也有PM2.5顆粒產(chǎn)生、液滴擴(kuò)散過(guò)程中逐漸超細(xì)化并導(dǎo)致PM2.5粒數(shù)暴增，目前在線監(jiān)測(cè)對(duì)于目前安裝位置后的PM2.5監(jiān)測(cè)是缺失的。

根據(jù)萃智創(chuàng)新方法，在不得不取消GGH，但GGH自身有許多功能不可缺少情況下，需要通過(guò)增加相關(guān)組件，恢復(fù)其有用功能，裁剪其有害功能。目前的超低排放改造，雖然主要是為了治理石膏雨、二氧化硫、氮氧化物和煙塵，并非專(zhuān)門(mén)針對(duì)引起霧霾的所有形式的PM2.5（如可凝結(jié)顆粒物和三氧化硫等），但增加的低低溫省煤器起到了GGH取消后降低脫硫塔進(jìn)口溫度的作用，脫硫塔后面的濕式電除塵起到了阻攔部分PM1.0的作用，脫硝、除霧器和煙囪都比2013—2014年優(yōu)化?，F(xiàn)在的超低排放改造主要是缺少去除可凝結(jié)顆粒物、抬升脫硫塔后的煙氣溫度及煙氣排放變回干煙囪狀態(tài)的措施。如可通過(guò)類(lèi)似MGGH等技術(shù)，達(dá)到取消GGH之前的排煙溫度，可以避免監(jiān)測(cè)儀檢測(cè)數(shù)據(jù)失真；使可凝結(jié)顆粒物氣溶膠能夠在煙道中相互碰撞增大，或把可凝粒顆粒在煙道中轉(zhuǎn)化為固體顆粒物，避免在大氣中產(chǎn)生粒數(shù)暴增；也可以抬升煙柱高度，擴(kuò)大排放空間；降低污染物最大落地點(diǎn)濃度。煙氣冷凝除濕也是需要補(bǔ)充的功能。

當(dāng)然，如果煙氣能夠很干凈，沒(méi)有污染物，不用抬升溫度也可以，但這幾乎不可能，也不經(jīng)濟(jì)。相關(guān)研究證明，即使大發(fā)電機(jī)組超低排放水平很高，污染物排放質(zhì)量濃度很低，但其粒數(shù)濃度大大高于循環(huán)流化床機(jī)組，與工業(yè)層燃爐的差距遠(yuǎn)小于質(zhì)量濃度的差距。而對(duì)于是否在其他領(lǐng)域推廣并非針對(duì)霧霾治理的超低排放改造，需要謹(jǐn)慎研究。

產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、減少污染物排放對(duì)霧霾治理，過(guò)去、現(xiàn)在和將來(lái)都是永恒的話題和正確的舉措，但并非低成本快速高效精準(zhǔn)治霾的關(guān)鍵。放松煙塵、二氧化硫和氮氧化物的超低排放標(biāo)準(zhǔn)，納入和加嚴(yán)可凝結(jié)顆粒物、三氧化硫和氨排放標(biāo)準(zhǔn)，重新定義超低排放的內(nèi)涵和外延，是經(jīng)濟(jì)性快速精準(zhǔn)治霾的必然選擇。否則，可能會(huì)對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人民健康帶來(lái)很大危害，比如不必要的關(guān)閉大量企業(yè)、失業(yè)、經(jīng)濟(jì)減速、每年上百萬(wàn)人因?yàn)殪F霾早死亡等。

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作者簡(jiǎn)介：周勇（1964-），齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）二級(jí)研究員，美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室客座資深科學(xué)家，山東省智庫(kù)高端人才，研究方向：科技創(chuàng)新戰(zhàn)略與政策，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與能源環(huán)境碳排放協(xié)同的定量分析研究。

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