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觀點|水蒸汽是產生霧霾的決定因素

發布日期:2020.02.13

自古以來 ,人類對霧霾都沒有一個準確的定義,主要是沒有搞清楚霧霾的真正組成。


中國字典和古書籍把一切模糊的東西統稱為“霾”,因此,有灰霾、煙霾、沙霾、雲霾、雨霾、塵霾、霧霾、陰霾……之稱。


明升体育上世紀50年代西方工業革命時期,英國霧都倫敦首先出現霧霾,洛杉磯也首先在美國出現霧霾,分別造成數千人死亡和上萬人不同程度的傷害。從此,霧霾被人們視為洪水猛獸,千方百計的防止霧霾發生。


2005年中國廣東首先發生霧霾,隨之在我國的南方逐漸發生。我國北方(主要是華北地區)2010年之后才有越來越多的霧霾發生,2013年最為嚴重。


1.霧霾理論的發展史


1.1  傳統霧霾理論


明升体育西方工業革命之前,很少發生大面積的霧霾,可以說還沒有完整的霧霾理論,因此,古時候把一切模糊的東西統稱為 “霾”。


自古以來,大霧、霧團經常發生,卻很少發生霧霾。因為,那時候生產力還很不發達,工業排放污染很少 ,只能在黃土馬路上看到車馬過后的狼煙和大風過后的漫天黃塵以及小作坊和家庭爐灶煙囪冒出的黑煙,即使發生森林大火也只能看到滿天黑煙而不是霧霾。這些相對少量的空氣污染物不是被海洋性氣候的降雨沖刷干凈,就是被大陸性氣候空地強對流擴散到太空,因此,很少有霧霾發生,也沒有形成科學的霧霾理論。


蒸汽機問世之后,西方國家首先發生了工業革命,煤炭、石油等化石燃料成為了工業的血液。化石燃料的燃燒排放大量污染物顆粒和不完全燃燒的有機氣體,當時還沒有空氣污染和環境保護概念,因此,在靜穩或者逆溫天氣里,工業發達地區污染物的聚集遮天蓋地,有機物氣體和陽光發生光化學效應生成光化學煙霧,煙氣中硫化物刺鼻的氣味嚴重傷害著人們的呼吸器官。


英國倫敦的霧霾最早被人熟知。倫敦是工業革命興起最早的地方。根據歷史記載,1950年以前,大約100年間,倫敦至少出現過10次大規模的霧霾事件。1952年是霧霾的高峰期。


明升体育美國洛杉磯于1943年7月8日,出現第一場有記錄的光化學煙霧,之后也經常發生霧霾。


日本1960年到1972年間,三重縣四日市因大氣污染,引發了幾乎包括所有市民在內的哮喘疾病,并由此成為日本四大公害病之一,直接或者間接因為哮喘病而死去的人也在10000人左右。


韓國的經濟起步比日本更晚,80年代初期工業經濟開始大面積起飛,90年代初首爾因為大氣污染嚴重被評為世界十大污染城市之一。


明升体育中國的霧霾2005年首先發生在中國南部的廣東省,全年霧霾天氣達到100天。


 

 圖1 20世紀五六十年代的工業排放  

 

明升体育 圖2 五十年代的洛杉磯


突如其來的災害使得大批科學家開始重視和研究霧霾,一致認為工業污染物排放是發生霧霾的唯一原因。隨后,各個國家相繼出臺了污染防治法。


英國于1956年頒布了專門針對大氣污染的《清潔空氣法》,美國于1955年頒布了《空氣污染控制法》。


 

明升体育圖3 1952年的倫敦霧霾 


圖4 倫敦霧霾中指揮交通的警察


明升体育日本于20世紀50年代頒布了《煙塵限制法》、《公害對策基本法》、《大氣污染防治法》、《減少汽車氮氧化物總排放量的特殊措施法》、《環境基本法》等大氣污染治理的綜合性法律。


明升体育之后,各國又多次修訂并一次次提高排放標準,直到后來將污染排放企業遷移到遠離城市。


中國工業發展更晚,在20世紀80年代參照西方國家的環保政策開始制定了煙氣排放標準,主要是煙塵排放標準,逐漸消除了煙囪黑煙以及后來的黃煙,因此,直到21世紀初開始嚴格控制硫化物和氮化物排放后才陸續有霧霾發生。


傳統霧霾理論只看到了工業污染物排放帶來了霧霾,強調霧霾是由污染物顆粒組成的,著重查找污染物的成分和來源以及如何去治理。


明升体育時至今日,從網上查找霧霾的定義仍然為:


空氣中的灰塵、硫酸、硝酸等顆粒物組成的氣溶膠系統造成視覺障礙的叫霾,霾就是灰霾(煙霞)。


霾,也稱陰霾、灰霾,是指原因不明的大量煙、塵等微粒懸浮而形成的渾濁現象。


霾的組成為:


霾是由空氣中的灰塵、硫酸、硝酸、有機碳氫化合物等粒子組成的。


霧霾主要由二氧化硫、氮氧化物和可吸入顆粒物這三項組成。


明升体育傳統理論對霧霾的定義以及霧霾的組成講的都是顆粒物,因此,我把傳統霧霾理論稱之為“顆粒說”霧霾理論。


1.2 “水汽說”霧霾新理論


作者2016年3月在中國《工業爐》雜志2016第2期頭版發表“霧霾的產生與治理”一文,首次提出霧霾的發生有兩個內因:水蒸汽和污染物顆粒。同時指出,水蒸汽是產生霧霾的決定因素。霧霾產生的外因是大自然環境因素,例如:地形、風向風力、逆溫、陰雨、陽光以及空氣溫度等。


作者是一名窯爐專家和熱能熱工高級工程師,根據自己40多年在冶金行業節能減排的經驗以及多年對北京市霧霾的觀察,用熱工理論解釋霧和霾的機理。


明升体育什么叫“霧”?懸浮的可見細小水分顆粒就叫霧。


什么是“霾”?水蒸汽分子和微塵結合的可見膠狀懸浮物叫霾。


作者用空氣濕度和空氣溫度的相對關系解釋了為什么冬季霧霾多的原因。冬季氣溫低,空氣飽和時的絕對含水量小(-5℃時為3.185g/m3,而35℃時為44.63g/m3)。冬天低溫時空氣中增加很少一點水蒸汽都會使空氣相對濕度提高很多,而且,冬天白天和夜間溫度相差12℃以上,凌晨氣溫最低,空氣濕度最大,因此,大霧和霧霾大都發生在凌晨。


明升体育在之后的三年多的時間里,作者測試、記錄、下載了1400多天北京地區每日的氣象數據,并將霧霾天氣拍攝照片作為證明,進一步豐富并提出“水汽說”霧霾新理論。


根據“水汽說”霧霾新理論,“霧霾”的定義應為:水蒸汽分子包圍、俘獲、浸潤空氣中的微塵顆粒使其脹大、水化成霧霾顆粒,更多的霧霾顆粒懸浮于水蒸汽氣溶膠中形成霧霾。用一句簡單通俗的話說,霧霾就是被微塵顆粒污染了的水蒸汽氣溶膠。水蒸汽是霧霾的基質和土壤,是形成霧霾的決定因素,就好比水是溶液的溶劑一樣。


明升体育從三年多的記錄觀察分析總結出:空氣相對濕度50%是霧霾產生的臨界線。

明升体育當空氣相對濕度低于50%,空氣中污染物即使爆表也不會發生霧霾,只是會形成黑煙和揚塵;

  

圖5. 2018年5月27日到28日早上北京地區空氣濕度


圖6. 2018年5月27日到28日早上北京地區空氣污染指數


明升体育從圖6可以看出,28日凌晨3點鐘開始,北京地區空氣污染指數達到爆表,這是由于內蒙古沙塵暴經過兩天的行程于28日凌晨3:00到達北京,3:00以后飄塵使北京的空氣質量急劇上升到AQI=712以上的嚴重污染。從圖5看出當時空氣濕度在30%以下,因此,北京地區沒有發生霧霾。圖7照片中看到北京市漫天黃塵(當時北京市所有汽車頂上都落下一層黃色塵土)而沒有發生霧霾。見圖7。


當空氣相對濕度超過50%,空氣中有多少污染物顆粒就會產生多少霧霾顆粒,霧霾是否發生和霧霾的嚴重程度決定于空氣中污染物顆粒的多少。當空氣污染指數(AQI)小于70時,看不到霧霾。


明升体育 圖7. 2018年5月28日早上北京市街道照片

       

圖8. 2018年5月26日到27日早上北京地區空氣濕度


圖9. 2018年5月26日到27日早上北京地區空氣污染指數


從圖8看出16:00以前空氣濕度在50%以上,從圖9 可以看出該時段空氣污染指數在160以上,產生霧霾的兩個內因同時存在,因此,北京地區發生了輕到中度霧霾,見圖10照片。


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明升体育圖10. 2018年5月26日9:11北京市街道照片 

 

圖11. 2018年5月27日9:44北京市街道照片


明升体育從圖8還可以看出2018年5月27日凌晨7:00以后北京地區空氣濕度低于50%(參看圖5中9:00空氣濕度為23%),從圖9和圖6看出盡管該時段空氣污染指數AQI仍在80以上,北京地區27日早上9:00卻沒有出現霧霾,見圖11照片,北京街道能見度非常好。


2.水蒸汽是產生霧霾的決定因素


根據1.2 “水汽說”霧霾新理論,產生霧霾的兩個內因必須同時存在才能形成霧霾,缺少其中任意一個都無法形成霧霾。在這兩個內因中,水蒸汽是形成霧霾的決定因素。


有人也許要問,為什么上世紀50年代科學家和環保工作者忽視了水蒸汽是形成霧霾的決定因素呢?為什么時至今日所有的環保工作者仍然相信傳統的“顆粒說”霧霾理論?


明升体育值得注意的是,霧霾首先發生在英國倫敦、美國洛杉磯、日本的三重縣四日市、韓國的首爾、中國的廣東。為什么首先發生在這些城市呢?難道其他城市就沒有工業和汽車嗎?


讓我們查看一下世界地圖,以上這些發生霧霾最早的城市都是沿海城市。這些城市受海洋性氣候影響,一年四季空氣相對濕度都很大,空氣中水蒸汽含量始終很高,人類習慣于和水蒸汽親密相處,因此,當工業和汽車排放大量污染物發生霧霾時,只看到了新增加的顆粒物和有機物因素,忽略了長久以來的水蒸汽這個隱性因素。試想,英國和美國當時工業發展最快的城市不只是倫敦和洛杉磯,為什么其他城市沒有發生如此嚴重的霧霾呢?主要是這些頻海城市受海洋性氣候影響,終年濕度很大,空氣中水蒸汽含量高,污染物顆粒被水蒸汽包圍而且被水分子俘獲、浸潤脹大成霧霾顆粒懸浮于水蒸汽氣溶膠中形成我們今天所說的霧霾。


明升体育純凈的水蒸汽在空氣中是看不到的,除非當空氣相對濕度達到飽和(100%)時凝結成小水滴之后才能以霧或云的形式看到。


水分子之間有引力,因此,水才能形成張力以液體的形式流動。


明升体育霧是一種氣體,是水蒸汽氣溶膠,密度遠遠小于液態水。空氣濕度達到飽和,當氣溫降低時,多余的水蒸汽就會相互結合凝結為小水滴懸浮于水蒸汽氣溶膠中。水蒸汽氣溶膠中水分子之間的引力以內聚力的形式將水分子聚集在一起。因此,霧和云是有邊界的,即使被撕裂也是成團漂浮在空氣中。


明升体育霧霾的形成類同于霧和云,霧霾也是水蒸汽氣溶膠,只是可見的顆粒不是小水滴,而是水分子和微塵顆粒結合的霧霾顆粒。


當空氣中相對濕度大于50%,空氣中的水分含量增加,水分子之間吸引力將水分子吸引在一起形成氣溶膠,水蒸汽氣溶膠就像一張大網籠罩著一個地區,污染物顆粒在水蒸汽氣溶膠中自由度大大降低,無法自由擴散,只能被水分子俘獲水化成為霧霾顆粒,霧霾顆粒近似于云霧中的小水滴,霧霾顆粒增加到一定量就遮擋人們的視線形成霧霾。微塵顆粒破壞了水蒸汽氣溶膠之間微弱的內聚力,因此,霧霾沒有明顯的邊界,以彌漫狀態存在于空氣中,只有邊沿過度層。


當空氣中相對濕度小于50%,空氣中的水分含量相對較少,水分子之間的吸引力無法形成內聚力,無法聚集成水蒸汽氣溶膠。因此,微塵顆粒物有充分的自由度,風力可以使其水平擴散,空氣的垂直對流可以使其向高空擴散。所以干燥天氣里空氣質量相對較好,不會有霧霾發生。


純粹的微塵顆粒是無法形成氣溶膠的,因此純污染物微塵顆粒再多也無法形成霧霾(就如上面的例子,2018年5月27日和28日早上一樣)。所以,水蒸汽氣溶膠是霧霾的基質和土壤,是形成霧霾的決定因素。


中國興建于50年代的鞍鋼、包鋼、武鋼、馬鋼并稱為中國四大鋼鐵基地,哪一個的污染排放都比廣州嚴重,2000年以前并沒有發現霧霾。因為內地大陸性氣候終年干燥少雨,空氣中自然水分含量很少,人為排放的水蒸汽也沒有2010年以后嚴重,不足以使該地區的空氣濕度達到形成氣溶膠的程使,缺少產生霧霾的決定因素,因而,這些鋼鐵基地雖然黑煙滾滾卻沒有形成霧霾。


中國北方的霧霾發生于2010年之后,80年代和90年代中國的環境治理還僅僅停留在灰塵顆粒物排放上。2000年之后學習國外經驗加強了對二氧化硫和氧化氮的排放治理,濕法脫硫脫硝一哄而上,僅濕法脫硫脫硝一項中國每年排放30億噸水蒸汽。圖12、圖13 為2010年之后的水蒸汽排放。


   

圖12鋼鐵廠的水蒸汽排放 

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明升体育           圖13 白色污染代替了黑煙污染


過去的黑煙、黃煙沒有了,所有煙囪白浪滾滾,排放成千上萬噸水蒸汽。


煤改氣之后,每燃燒1立方米天然氣產生1.577kg水蒸汽,2014年冬季,北京市采暖季120天用氣量約90億m3,平均每天用氣量0.75億m3,每天產生水蒸汽量11.82萬噸。


明升体育這些人為增加的水蒸汽排放改變了中國北方大陸性氣候干燥的原生態,使原本小于50%的空氣濕度受人為排放的水蒸汽的補充使空氣濕度上升到50%以上,達到形成水蒸汽氣溶膠的程度,特別是寒冷的冬季。作者經過1400多天的測試、記錄、觀察分析,發生霧霾的的日子都是空氣濕度在50%以上時段內,沒有發生霧霾的日子都是空氣濕度小于50%的日子,沒有一天例外。


明升体育解釋一下人們長期以來的誤解:


(1)風可以吹走霧霾


霧霾的消散并不是被風吹走的,而是被干燥的來風稀釋了霧霾地區的水蒸汽含量,只要空氣濕度小于50%,水蒸汽氣溶膠消失,霧霾立刻消散。因此,不僅干燥的來風可以吹散霧霾,而且太陽的照射,地面溫度升高迫使空氣濕度降低到50%以下同樣可以使霧霾消散。這就是霧霾存在的外部條件。


明升体育(2)城市灑水或者噴霧可以減少霧霾


明升体育中國幾乎所有城市都提倡灑水噴霧,西安市甚至花費1700多萬元建設吸霾塔。其實,這些措施不但不能減少微塵污染和防止霧霾的發生,而且,反而增大了局部地段的空氣濕度,使該地段發生霧霾。例如,灑水的馬路上大量汽車過后可以看到遠處霧霾籠罩著路面,而在沒有灑水的街道就看不到霧霾。


(3)大量的水蒸汽排放相對于浩瀚的宇宙微不足道,影響不了地面的空氣相對濕度。


明升体育其實高空的空氣相對濕度不一定比地面低,地面蒸發和排放的水蒸汽不是毫無止境的向高空擴散,高空的溫度低于地面,水蒸汽上升到一定高度就會隨著溫度的降低使空氣濕度變大,和地面達到一個相對的平衡。


從圖14照片看出,大霧是有邊界的,圖15照片中的霧霾是沒有邊界的。圖15是從528米的中國尊拍攝330米的北京市世貿大廈,從照片中可以大致計算出嚴重霧霾的高度在300米以下。兩張照片充分說明了地面水蒸汽并不是毫無限制的向高空擴散的。


 

明升体育            圖 14 高空拍攝的大霧照片   

                                                                     


 圖15  霧霾中的北京世貿大廈


3.霧霾的治理


將近一個世紀以來,科技工作者一直為消滅霧霾并防止霧霾的發生不懈的努力,作出了突出的貢獻。西方發達國家已經做到很少發生霧霾,并使空氣質量大大改善。中國的科技工作者學習西方國家治理霧霾的經驗,使中國南方以及沿海地區的霧霾大大減少,為中國的環保事業作出了突出的貢獻。


2017年3月9日中國總理李克強在和人大代表一起審議政府工作報告時指出:“確實,我們對霧霾的形成機理還需要更加深入研究。只有把機理研究透了,才能讓治理霧霾的措施更加有效。”


搞清楚了霧霾的形成機理,知道了霧霾是由微塵顆粒和水蒸汽共同組成的之后,就要因地制宜的治理霧霾,才能使治理霧霾的措施更加有效。


按照“水汽說”霧霾新理論,在海洋性氣候的沿海城市或者像中國的南方地區,終年空氣濕度大,要想降低原有的空氣濕度必須戰勝大自然,把空氣中固有的水分含量降下來,這幾乎是不可能的。要想減少和消滅霧霾,只有減少污染物顆粒排放一條路可走,像倫敦和洛杉磯這些城市一樣治理霧霾。治理霧霾的措施和傳統霧霾理論“顆粒說”是一致的。


明升体育根據“水汽說”霧霾新理論,在大陸性氣候的干燥少雨地區,治理霧霾可以選擇容易、經濟、方便易行的辦法治理霧霾,只要減少水蒸汽和污染物顆粒兩者中的任意一種就能防止霧霾的發生。兩相比較,減少污染物排放只能減輕霧霾的程度或者減少霧霾而不能根治霧霾;減少水蒸汽排放,恢復原本干燥氣候的原生態,保持空氣相對濕度回復到50%以下,就可以很容易的根治霧霾的發生。同時,冷凝回收低溫放散蒸汽用于城市供熱、供暖,達到1―1=2 的效果。


回收利用高爐淬渣過程中產生的低溫放散蒸汽和中低溫熱水(防止蒸發放散)用于城市供暖,中國的包頭鋼鐵廠和遷西鋼鐵廠已經成功應用多年。


根據“水汽說”霧霾新理論,發展中國家可以在發展本國工業的同時合理布局自己的工業企業,盡量在沿海和海洋性氣候地區布局污染小的高科技行業和輕工業企業;污染大的鋼鐵、水泥、化工行業盡量布置在大陸性氣候的干燥地區。


明升体育總之,工業的發展不能破壞環境的原生態,已經破壞的要千方百計的恢復,世界經濟才能可持續發展。