大家都呆在家里，北京的雾霾从何而来？

【文/陶光远】

今年春节期间，北京的微信群里流传着这么一则笑话，很多朋友都发给我，让我解答：

“我们对很多事情的认识可能还停留在必然范畴。武汉冠状病毒的出现，也粉碎了多年来环保专家对雾霾形成原因和机理的重大研究成果：北京从大年初二开始就持续出现雾霾天气，请环保专家解释，到大年初五，大气已经连续四天严重污染，原因何在？1、大家都宅在家里避疫，街上机动车很少，证明污染与汽车无关。2、正值春节假期，工厂大多停工，证明与工业污染无关。3、同样，工地一片寂静，证明与工地扬尘无关。4、煤炭换成了气，煤炉被砸，周边农村也不允许烧柴火，证明与日常生活中的污染无关。 5、一切娱乐活动都停止了，证明和人太多造成的污染没关系。6、农村不让养猪了！猪放屁也消失了！证明养猪和空气污染关系不大。7、城市禁止燃放鞭炮，证明雾霾和燃放鞭炮没关系。8、人们都待在家里，酒店关门，餐馆基本不营业，和餐饮污染没关系。所以，请环保专家解答一下：北京的空气污染源头到底是什么？”

作为一名专业的抗霾战士，我来回答一下这个问题。

2月12日上午，西四环附近，初升的朝阳透过雾霾略带朦胧。（新华社供图）

源码分析

毫无疑问，重度雾霾天的形成需要气候条件，但重度雾霾天气的形成既有气候因素，也有大量的大气污染物，缺一不可。现在我们人类基本无法控制气候条件，建个风神庙也只是个笑话。如果真要治理雾霾，唯一的办法就是减少大气污染物的排放。

今年春节期间，除北京出现重度雾霾天气外，华北、华中、华东、华南、西南等地区也不同程度出现重度雾霾天气。

我就根据这段话的具体内容，做如下分析：

1、今年春节期间，因为疫情和假期的原因，路上的汽车和货车很少，我估计大概只有平时的20%左右。但污染还是很重。很显然，这次北京乃至全国的汽车和货车并不是主要的污染源，甚至可能不是主要的污染源。除了汽车以外，北京乃至全国肯定还有一个或者多个主要的污染源。

2、北京大部分工业和集中供暖都已由煤改气，燃煤设备很少，只有高碑店热电厂除外。该热电厂是北京唯一使用备用燃煤机组的火电厂，机组总功率估计在100万千瓦左右，每天耗煤只有1万吨左右。但春节期间其燃煤机组是否开工，不得而知。

3、且不说春节期间几乎所有工地都停止施工，实际上，工地扬尘从来都不是我国各地区雾霾的主要来源。这一点从PM2.5颗粒物的化学成分分析就可以看出来。扬尘中含有大量的铝和硅元素，但全国PM2.5中铝和硅的比例一直很低。强调工地扬尘是PM2.5中的重要因素，只是一些人为推卸治霾策略失误责任找的借口。

4、这次雾霾面积很大，北京周边地区污染也很严重。周边城市的空气越界污染北京，这一直是一些人强调的重要因素。雾霾随风飘荡，确实经常越界。不过，正月初三（1月27日）下午，我查了一下网上公布的北京及其周边两座城市廊坊、保定大气中各种污染物浓度：

由于北京大规模实施煤改气，北京大气中二氧化硫浓度特别低，年均浓度保持在个位数。冬季集中供暖的燃煤锅炉大部分已换成燃气锅炉，农村散煤供暖也有相当一部分换成天然气或电力。但河北省燃煤量还是很大，因此北京大气污染物中硝酸盐（NO2）与硫（SO2）的比值与河北省大气污染物有很大差别。

当北京大气中硝酸盐与硫的比值高的时候，是北京在自我污染，当北京大气中硝酸盐与硫的比值低的时候，是河北在污染北京。显然，正月初三下午，是北京在自我污染。河北的空气中不太可能存在具有北斗或GPS定位功能的二氧化硫催化剂，一旦进入北京，二氧化硫就会反应成硫酸盐。

张家口、承德的空气质量就不用分析了，如果这两个城市的空气飘进北京，北京的PM2.5立刻就下降，除非遇到沙尘暴。

5、农村散煤采暖污染影响分析。散煤采暖有两个排放特点:一是大量SO2的排放,二是大量有机碳和无机碳的排放。

从这两天北京公布的空气污染物指标来看，SO2不高，保持在个位数。至于PM2.5中有机碳和无机碳的比例，我无从得知。虽然北京煤改气、煤改电的比例较高，但散煤采暖炉数量还是相当多的。

但不管怎样，北京散煤燃烧排放的大气污染物较四年前没有采取任何治理措施时已经大大减少。

2015年12月1日，北京遭遇了可能是本世纪迄今最严重的一次雾霾，市区多地PM2.5浓度高达1200微克/立方米。我曾撰文分析，此次雾霾的主要污染物很可能来自燃煤取暖。虽然今年春节期间空气污染严重，但高浓度地区的PM2.5浓度也只有300微克/立方米左右，约为世纪雾霾发生时北京城区PM2.5浓度的1/4。

12月1日，游客在雾霾中游览天安门广场。当天，北京被大雾笼罩，能见度极低。（中新社记者 摄）

当然，这也说明北京过去7年的治理雾霾努力取得了一定成效，但尚未达到公众所期待的目标。

6、春节期间燃放烟花爆竹的影响。从以往的空气质量记录来看，烟花爆竹造成的空气污染最多只能持续几个小时，你都能闻到。

很简单，烟花爆竹产生的颗粒物大部分是PM10，很快就会沉降到地面。北京是禁止燃放烟花爆竹的，虽然在北京郊区和与北京接壤的河北省，还可以燃放烟花爆竹，但主要还是在除夕夜燃放。我给出的数据是大年初三下午的空气污染物数据，也就是除夕夜烟花爆竹燃放高峰期之后的60个小时左右。所以燃放烟花爆竹显然不是造成这一轮严重空气污染的主要原因之一。

7、人类的娱乐活动主要产生飞沫，飞沫中携带着传播呼吸道传染病的飞沫。但这些飞沫大部分是PM10甚至大于PM10，它们很快沉降在地面固体物体表面。只有极少数变成气溶胶，飘浮在空气中。而由飞沫演化而来的气溶胶在大气颗粒物中所占的比例微不足道，不值一提。

8、养猪产生大量粪便，粪便发酵产生大量氨气。大气中碱性氨气在相对湿度较高的环境下与酸性二氧化硫、二氧化氮发生反应，生成亚硫酸铵和亚硝酸铵。但冬季粪便中产生的氨气比夏季低一个数量级，因此冬季大气中产生的铵盐量比夏季少得多。

9、餐饮业排放的污染物在大气中的PM2.5占比不容小觑。虽然今年春节期间，全国餐饮业几乎都关门了，家家户户都自己做饭吃。但做饭产生的PM2.5量确实不大。40年前，北京人也做饭，记忆里空气质量比现在好多了。

10、那么春节期间的严重雾霾（PM2.5）从何而来？

当然它来自于化石燃料的燃烧。

原因

虽然北京的煤炭消耗量与七年前相比已经减少了大约一个数量级，但已经被天然气所取代，天然气仍在燃烧。在冬季严寒天气条件下，北京每天要燃烧1亿多立方米天然气，其热值相当于燃烧1.2亿多升汽油的热值。北京有汽车约600万辆（包括外地汽车），平均每辆车每天燃烧的汽油约4升，每天共燃烧约2400万升汽油，其热值还不到北京严寒天气下燃烧天然气热值的1/5。

天然气燃烧并不是完全清洁，但燃烧直接产生的颗粒物很少；由于天然气是气体，其中的硫很容易被洗掉，烟气中的二氧化硫很少；天然气燃烧产生的主要污染物是氮氧化物。

氮氧化物是化石燃料在高温下燃烧时，空气中的氧和氮结合产生的。燃烧温度越高，产生的氮氧化物越多。而二氧化氮的产生量则随温度的升高而呈指数增加。当燃烧温度为900℃时，燃烧烟气中的氮氧化物约为200mg/m3，1500℃时，燃烧烟气中的氮氧化物达到/m3左右。

烟气中的氮氧化物主要是一氧化氮，在空气中氧化成二氧化氮。大气中的二氧化氮非常令人讨厌，它与碱性物质结合生成粒径极小的（亚）亚硝酸盐；在阳光照射下与碳氢化合物结合生成臭氧。因此环保部门要求天然气燃烧时应尽量减少氮氧化物的排放。

那么，北京的天然气到底是怎么燃烧的？为什么这些燃烧时只产生极少量颗粒物的天然气燃烧器，会成为最大的颗粒物排放源？我们来听听详细情况。

北京冬季天然气主要燃烧三大燃烧器：

1）燃气工业锅炉、集中供热用燃气锅炉：

据悉，北京约有9亿平方米的建筑采用燃气供暖，从燃气热电联产机组的功率来看，仅供1亿多平方米，家用燃气锅炉供热估算也在1亿多平方米。因此，北京冬季供暖主要依靠几兆瓦至几十兆瓦的大型燃气锅炉集中供暖。过去这些锅炉排放的燃烧烟气中氮氧化物含量很高，达到800毫克/立方米左右。

前几年，北京对这些燃气锅炉进行了低氮燃烧改造，所谓低氮燃烧，就是指天然气燃烧时产生的氮氧化物量很少，其基本原理是两级燃烧：

第一阶段为缺氧燃烧，天然气与空气中的氮气竞争氧气，减少了第一阶段燃烧产生的氮氧化物，同时生成大量的一氧化碳和氢气；

在第二阶段氧化过程中，化学活性比天然气强的一氧化碳和氢气对氧气的竞争比天然气更激烈，所以自然产生的氮氧化物比以前天然气直接燃烧时要少；这一时期的燃烧温度也尽量控制不要过高。

从而使燃烧烟气中氮氧化物排放量大幅降低到200毫克/立方米甚至100毫克/立方米以下。

我不会详细讨论具体的技术，因为那会超出本文的篇幅。

工人在北京通州西区燃煤锅炉房清洁能源改造项目中作业（新华网资料图）

2）户用燃气采暖锅炉：

北京有100多万台家用燃气采暖锅炉，据新闻报道，其中近100万台为城镇家庭家用燃气采暖锅炉，数十万台为农村煤改气后的燃气采暖锅炉，供暖高峰期，每天燃烧天然气约2000万立方米。但这些锅炉大多不是低氮燃烧锅炉，燃烧烟气中的氮氧化物排放量大多在400毫克/立方米以上，甚至达到600毫克/立方米。

也就是说，在高峰供暖期，这些家用燃气供暖锅炉排放的氮氧化物总量不仅超过大型燃气供暖锅炉排放的氮氧化物总量，而且很有可能超过甚至远远超过北京汽车排放的氮氧化物总量，成为北京冬季最大的二氧化氮排放源。

虽然汽车发动机汽油燃烧温度高，氮氧化物排放浓度较高，但有三元催化器可以降解尾气中的氮氧化物，更换这些家用小型燃气锅炉的成本很高，一台家用低氮燃烧锅炉的价格在2万元左右。

二氧化氮排放到大气中，与大气中的碱性物质结合形成（亚）硝酸盐，即极细的颗粒物。目前对颗粒物成分的化学分析表明，北京大气中颗粒物的主要成分是（亚）硝酸盐。但北京冬季空气中氨气的浓度只有夏季的十分之一（氨气主要来自种植业施用氮肥和养殖业畜禽粪便——确实和养猪有关）。按理说，夏季PM2.5应该更高，但事实却恰恰相反。因此，说大气中的氮氧化物和氨气结合是今年春节期间主要原因，未免有些牵强。

3）燃气热电厂，这是造成春节期间北京严重雾霾的最大嫌疑人。

据新闻报道，北京有大约700万千瓦的燃气热电厂，在发电、供热的高峰期，每小时大约燃烧200万立方米的天然气。天然气在燃气轮机内的燃烧温度很高，达到1500℃左右，所以燃烧烟气中的氮氧化物浓度很高。需要采用SCR，即选择性催化还原（脱氮）()方法对燃烧烟气进行后期处理，还原烟气中的氮氧化物。还原剂为氨水或者尿素水。烟气在催化剂中发生反应后，会有少量的氨未参加反应而逸出到燃烧烟气中，这就是所谓的氨逸出。

在含有大量水雾的烟气中，氨以水为介质，与二氧化氮（空气中的一氧化氮被氧化成二氧化氮）结合生成（亚硝酸）氨，这种氨的粒径极细，大部分在1微米以下，且表面积与体积比很大，在空气中移动时阻力很大，漂浮时间非常长。因此，这种颗粒物的产生量并不是很多，但对大气中PM2.5的总量贡献却很大（大气中的PM2.5是指粒径小于2.5微米的颗粒物）。

请注意，北京重度雾霾天的PM2.5主要成分是硝酸铵。

在SCR去库存过程中，氮氧化物的排放量和氨气的逃逸量是一对矛盾，氨气使用量越多，氮氧化物的排放量越少，但氨气的逃逸量却越大，需要做出最佳选择。目前，世界发达国家一般将燃烧化石能源、生物质、垃圾等产生的烟气中氮氧化物的排放量上限设定为100~400毫克/立方米烟气，而我国却将此上限设定为50毫克/立方米烟气，而技术上却没有任何突破性进展，结果就出现了大量的氨气逃逸。

采用脱硝工艺时，氮氧化物排放标准设定过低，造成氨逃逸，生成大量铵盐的问题，不仅在燃气轮机电厂存在，在燃煤电厂也同样存在，只不过燃煤电厂烟气中还含有较高浓度的二氧化硫，因此生成的铵盐中（亚硫酸盐）占有很大比例。

人们普遍注意到：

1）今年春节期间，很多地区都出现了重度雾霾天气，这些地区除了燃煤电厂外，很少有燃煤设备在运行，路上机动车也很少。那么，这么重的雾霾从何而来？

2）今年国庆前夕，北京方圆千里钢厂的烧结机（当时是除燃煤电厂外最大的空气污染源，因为当时还未入冬，没有散煤取暖污染）全部停工，国庆当天北京空气仍为中度污染。当时有官员和专家坚称是机动车污染。今年春节，新冠病毒把罪魁祸首从机动车身上卸了下来。

此外，家用燃气热水器、燃气灶在燃烧过程中也会产生氮氧化物，其排放浓度与家用燃气采暖炉相当，只不过冬季用气量比家用燃气采暖炉低一个量左右。

·回应

最后说说应对措施，抱怨毕竟只能发泄情绪，分析也只是找出问题所在，解决问题还是需要科学的应对措施。

作为一项能够产生立竿见影效果的短期措施，我建议采取以下措施：

1）迅速提高全国化石燃料燃烧烟气氮氧化物排放限值。具体限值应根据不同情况确定。如燃气（汽轮）蒸汽联合循环电厂或燃气热电厂、燃煤电厂氮氧化物限值提高到100毫克/立方米。钢厂烧结机烟气不需要脱硝。

2）北京的燃气热电厂均配备电锅炉和储热罐，在冬季后半夜等风电、太阳能过剩时段，燃气轮机停止发电，利用电网中充裕的电量通过电锅炉加热供暖用水。此时燃气热电厂的输电系统由输出电变为输入电。这样一来，既减少了弃风弃光，又节省了大量需要进口的天然气，减少了燃烧天然气时产生的大量污染物，何乐而不为呢？

3）通过优惠电价和智能电表，鼓励所有家用燃气采暖锅炉用户尽可能使用廉价的低谷电能和富余的风能、太阳能发电进行采暖，减少天然气的使用。当然，前提是当地电网有足够的输电能力。

至于长远的解决办法，当然要靠告别化石能源，这是一个历史过程，大概需要二三十年。

如果要通过调整能源结构、经济结构，在全国范围内治理雾霾，那还要等到2040年以后，这就相当于把治理雾霾的责任从我们这一代推到下一代，作为一名治霾工作者，我认为这是失职，是一种耻辱。

（本文原发布于微信公众号“霾控们”，观察者网已获作者授权转载）