燃煤電廠產生的全部人為水蒸氣排放對區(qū)域霧霾發(fā)生的貢獻驚人——以關中平原為例

摘 要：中科院地球環(huán)境研究所安芷生院士領銜的一項研究表明，關中平原燃燒產生水平均占到大氣濕度的6.2%，最高貢獻達到16.2%。在PM2.5上升期間，其份額與PM2.5和相對濕度呈現出正相關。安院士的研究并不包括濕法脫硫蒸發(fā)和冷卻塔蒸發(fā)等人為活動產生的水蒸氣排放量。而這部分水蒸氣排放量遠大于化石燃燒源的產生量。以燃煤電廠為例進行分析，粗略分析濕法脫硫蒸發(fā)和冷卻塔水蒸氣排放量的影響后，人為水蒸氣的排放量應該明顯大于24.8%。相應推算，人為的水蒸氣排放對關中地區(qū)大氣總PM2.5的平均貢獻應該達到11.2%;而對人為貢獻的PM2.5的占比平均應該達到20.4%。這一數字十分驚人，但過去沒有考慮。傳統(tǒng)的說法是這類水蒸汽相對很少，完全忽略不計。如果排放的水汽中沒有機械攜帶的水溶性鹽，或者大氣中沒有2013年初開始暴升的PM2.5粒子，再多的水汽排放都沒有多大問題。但是，有了這些凝結核，排放到大氣中的水汽在成霾條件下，成為這些一次顆粒物凝結膨脹的關鍵，成為二次顆粒物生成的加速器和溫床。

關鍵詞：煤炭 水蒸氣 濕度 PM2.5 污染物

粒數龐大的超細顆粒物因為燃煤煙氣治理設施缺陷，從2013年開始在大氣中暴增，成為霧霾大暴發(fā)的溫床。如果沒有這些數濃度很高，且暴升的一次排放、二次生成的超細顆粒物，再多的水氣排到大氣中也沒有太大問題。在天氣晴好的時候，不斷累積的脫水后的超細顆粒物雖然數量龐大，但分布在更高的大氣邊界層內，相當于質量濃度、粒數濃度都被顯著稀釋了，不易被覺察。等到低溫、靜穩(wěn)氣象條件出現的時候，人為排放的水蒸氣能夠顯著提高區(qū)域的相對濕度。這些隱身，且僅僅是表現在數濃度大、但質量濃度極小的超細顆粒物，吸濕后產生黏連并粒徑變大，數濃度大幅度下降，質量濃度迅速上升，同時也成為產生二次顆粒物的溫床，促進二次顆粒物的大量產生，很快體現出霧霾特征，并促進宜霾氣象條件的進一步正反饋生成。

人為排放水蒸氣目前不受限制。不受限制的這些水蒸氣排放，對中國北方區(qū)域的霧霾形成影響顯著。

1、霧霾顆粒物不會自動消失

已經排放入大氣中的一次超細顆粒物、已經形成的二次超細顆粒物不會自動消失。即使隨風發(fā)生流動擴散，只是表現為存在地表的空間位置的變化，除非發(fā)生濕沉降。在氣象條件良好的情況下，這些顆粒物能夠在更高的大氣邊界層內存在，得到大氣的稀釋;細顆粒物中的水分蒸發(fā)后，顆粒物粒徑變小，表現出的PM2.5質量濃度低。

當低溫、高濕、靜穩(wěn)這樣的宜霾氣象條件出現的時候，這些業(yè)已存在的顆粒物，加上新排放的各類污染物二次復合，會重新表現為霧霾顆粒物。

2、水蒸氣排放對低溫季節(jié)大氣相對濕度影響顯著

北方低溫季節(jié)原本非常干燥。人為排放水蒸氣量少的情況下，北方地區(qū)冬季溫度低，降水量很少，地表土含墑量很低，水蒸發(fā)量顯著低于其它季節(jié)，絕對濕度、相對濕度都比較低。

在較高溫度季節(jié)，人為水蒸氣排放對大氣濕度的影響幾乎可以忽略。北方地區(qū)在低溫季節(jié)，清潔能源發(fā)電量下降顯著，因為取暖等原因，對化石能源的消耗處于年度高峰期內。低溫季節(jié)水蒸氣不受限制排放，能夠提高大氣相對濕度，對霧霾生成的作用應當引起足夠重視。蘇躍進等人較早地分析了人為水蒸氣排放對霧霾的影響。

資料來源：2019.02科學與管理，水蒸氣和水溶性離子排放對霧霾暴發(fā)的影響分析

使用煤炭、天然氣等化石能源過程中，經煙氣、冷卻塔排放大量的水蒸氣。2000年以來，火電裝機容量、發(fā)電量快速增長，濕法脫硫普及，相應的水蒸氣排放量顯著增長。天然氣發(fā)電、氣代煤，也同樣產生大量水蒸氣排放。有必要認真研究2013年前后低溫季節(jié)大氣相對濕度的變化情況;大氣相對變化的成因，以及對期間霧霾形成的影響。

3、試驗研究表明，燃燒產生水蒸氣排放對大氣相對濕度、霧霾影響顯著

中科院地球環(huán)境研究所安芷生院士領銜的一項研究表明，燃燒產生水汽與霧霾交互作用明顯。實驗測定了煤、天然氣、汽油等化石燃料的氫同位素氘、氧同位素δ18O，通過處于封閉盆地的西安當地的能源清單計算出了燃燒產生水的加權端元同位素組成。統(tǒng)計發(fā)現，燃燒產生水平均占到大氣濕度的6.2%，最高貢獻達到16.2%。在PM2.5上升期間，其份額與PM2.5和相對濕度呈現出正相關。模型表明，在當地空氣重污染期間，燃燒產生的水蒸氣平均增加了每立方米4.6 微克的PM2.5，相當于當地人工源PM2.5的5.1%，最高則可能貢獻18.2%。

4、濕法脫硫和冷卻塔蒸發(fā)產生的水蒸氣排放量更大

安院士的研究并不包括濕法脫硫蒸發(fā)和冷卻塔蒸發(fā)等人為活動產生的水蒸氣排放量。而這部分水蒸氣排放量遠大于化石燃燒源產生量。以燃煤電廠為例進行分析，粗略分析濕法脫硫蒸發(fā)和冷卻塔水蒸氣排放量的影響。

燃煤電廠的省煤器后干煙氣中，通過燃料帶來的水分量約9%;濕法脫硫后，煙氣含濕量約12%，濕法脫硫帶入的煙氣含濕量約3%。冷卻塔排放水蒸氣量約為飽和濕煙氣量的4~5倍，低溫季節(jié)冷卻塔蒸發(fā)量少，按照4倍考慮，相當于折合煙氣含濕量48%。冷卻塔+濕法脫硫增加的折合煙氣含濕量為51%，是省煤器干煙氣含濕量9%的約5.7倍。

2017年，陜西關中地區(qū)煤炭消耗總量為4000-5000萬噸標準煤，發(fā)電量800億千瓦左右時，按照標準煤耗300克/千瓦時計算，消耗標準煤約2400萬噸左右，電廠的耗煤量占區(qū)域耗煤量的約51.7%。關中地區(qū)嚴重缺水，冷卻方式基本為自然通風循環(huán)冷卻塔，脫硫方式基本為石灰石-石膏法。濕法脫硫+冷卻塔排放的水蒸氣量按照燃燒產生水蒸氣量的3倍考慮，對應占到影響大氣濕度6.2%*3=18.6%，加上燃燒產生的6.2%，總計約24.8%。

考慮其它煤炭燃燒煙氣處理采用濕法脫硫產生的水蒸氣排放量，大量其它工業(yè)產生的冷卻塔排放水量，人為水蒸氣的排放量應該明顯大于24.8%。

相應推算，人為的水蒸氣排放對關中地區(qū)大氣總PM2.5的平均貢獻應該達到11.2%;而對人為貢獻的PM2.5的占比平均應該達到20.4%。

5、冷卻塔同時排放了包括氯鹽在內的大量溶解固形物

冷卻塔補充水采用含鹽量高的中水、提高循環(huán)濃縮倍率，會導致循環(huán)水中含包括氯離子在內的溶解固形物濃度顯著提高。冷卻塔必然產生的風吹損失導致霧滴攜帶溶解固形物排放至大氣，這部分鹽排放量巨大，也是目前未監(jiān)測的污染物排放的重要源頭。如果采用工業(yè)廢水、海水、高鹽水作為循環(huán)水補充水，問題會更為突出。

循環(huán)冷卻水中無機鹽的主要成分是氯根，由此可以解釋非沿海區(qū)域大氣中的氯根主要來源。冷卻塔霧滴產生的氯根排放量和化石燃料的使用量正相關。大氣中的氯根對臭氧的形成作用明顯。

6、結論

人為排放水蒸氣可以顯著提高大氣相對濕度，改變北方低溫季節(jié)的氣象條件，加上不受控制氨排放等其它排放物，對北方霧霾的形成有顯著影響，應當引起足夠的重視。