观点|水蒸汽是产生雾霾的决定因素

发布日期:2020.02.13

自古以来 ,人类对雾霾都没有一个准确的定义,主要是没有搞清楚雾霾的真正组成。


中国字典和古书籍把一切模糊的东西统称为“霾”,因此,有灰霾、烟霾、沙霾、雲霾、雨霾、尘霾、雾霾、阴霾……之称。


上世纪50年代西方工业革命时期,英国雾都伦敦首先出现雾霾,洛杉矶也首先在美国出现雾霾,分别造成数千人死亡和上万人不同程度的伤害。从此,雾霾被人们视为洪水猛兽,千方百计的防止雾霾发生。


2005年中国广东首先发生雾霾,随之在我国的南方逐渐发生。我国北方(主要是华北地区)2010年之后才有越来越多的雾霾发生,2013年最为严重。


1.雾霾理论的发展史


1.1  传统雾霾理论


西方工业革命之前,很少发生大面积的雾霾,可以说还没有完整的雾霾理论,因此,古时候把一切模糊的东西统称为 “霾”。


自古以来,大雾、雾团经常发生,却很少发生雾霾。因为,那时候生产力还很不发达,工业排放污染很少 ,只能在黄土马路上看到车马过后的狼烟和大风过后的漫天黄尘以及小作坊和家庭炉灶烟囱冒出的黑烟,即使发生森林大火也只能看到满天黑烟而不是雾霾。这些相对少量的空气污染物不是被海洋性气候的降雨冲刷干净,就是被大陆性气候空地强对流扩散到太空,因此,很少有雾霾发生,也没有形成科学的雾霾理论。


蒸汽机问世之后,西方国家首先发生了工业革命,煤炭、石油等化石燃料成为了工业的血液。化石燃料的燃烧排放大量污染物颗粒和不完全燃烧的有机气体,当时还没有空气污染和环境保护概念,因此,在静稳或者逆温天气里,工业发达地区污染物的聚集遮天盖地,有机物气体和阳光发生光化学效应生成光化学烟雾,烟气中硫化物刺鼻的气味严重伤害着人们的呼吸器官。


英国伦敦的雾霾最早被人熟知。伦敦是工业革命兴起最早的地方。根据历史记载,1950年以前,大约100年间,伦敦至少出现过10次大规模的雾霾事件。1952年是雾霾的高峰期。


美国洛杉矶于1943年7月8日,出现第一场有记录的光化学烟雾,之后也经常发生雾霾。


日本1960年到1972年间,三重县四日市因大气污染,引发了几乎包括所有市民在内的哮喘疾病,并由此成为日本四大公害病之一,直接或者间接因为哮喘病而死去的人也在10000人左右。


韩国的经济起步比日本更晚,80年代初期工业经济开始大面积起飞,90年代初首尔因为大气污染严重被评为世界十大污染城市之一。


中国的雾霾2005年首先发生在中国南部的广东省,全年雾霾天气达到100天。


 

 图1 20世纪五六十年代的工业排放  

 

 图2 五十年代的洛杉矶


突如其来的灾害使得大批科学家开始重视和研究雾霾,一致认为工业污染物排放是发生雾霾的唯一原因。随后,各个国家相继出台了污染防治法。


英国于1956年颁布了专门针对大气污染的《清洁空气法》,美国于1955年颁布了《空气污染控制法》。


 

图3 1952年的伦敦雾霾 


图4 伦敦雾霾中指挥交通的警察


日本于20世纪50年代颁布了《烟尘限制法》、《公害对策基本法》、《大气污染防治法》、《减少汽车氮氧化物总排放量的特殊措施法》、《环境基本法》等大气污染治理的综合性法律。


之后,各国又多次修订并一次次提高排放标准,直到后来将污染排放企业迁移到远离城市。


中国工业发展更晚,在20世纪80年代参照西方国家的环保政策开始制定了烟气排放标准,主要是烟尘排放标准,逐渐消除了烟囱黑烟以及后来的黄烟,因此,直到21世纪初开始严格控制硫化物和氮化物排放后才陆续有雾霾发生。


传统雾霾理论只看到了工业污染物排放带来了雾霾,强调雾霾是由污染物颗粒组成的,着重查找污染物的成分和来源以及如何去治理。


时至今日,从网上查找雾霾的定义仍然为:


空气中的灰尘、硫酸、硝酸等颗粒物组成的气溶胶系统造成视觉障碍的叫霾,霾就是灰霾(烟霞)。


霾,也称阴霾、灰霾,是指原因不明的大量烟、尘等微粒悬浮而形成的浑浊现象。


霾的组成为:


霾是由空气中的灰尘、硫酸、硝酸、有机碳氢化合物等粒子组成的。


雾霾主要由二氧化硫、氮氧化物和可吸入颗粒物这三项组成。


传统理论对雾霾的定义以及雾霾的组成讲的都是颗粒物,因此,我把传统雾霾理论称之为“颗粒说”雾霾理论。


1.2 “水汽说”雾霾新理论


作者2016年3月在中国《工业炉》杂志2016第2期头版发表“雾霾的产生与治理”一文,首次提出雾霾的发生有两个内因:水蒸汽和污染物颗粒。同时指出,水蒸汽是产生雾霾的决定因素。雾霾产生的外因是大自然环境因素,例如:地形、风向风力、逆温、阴雨、阳光以及空气温度等。


作者是一名窑炉专家和热能热工高级工程师,根据自己40多年在冶金行业节能减排的经验以及多年对北京市雾霾的观察,用热工理论解释雾和霾的机理。


什么叫“雾”?悬浮的可见细小水分颗粒就叫雾。


什么是“霾”?水蒸汽分子和微尘结合的可见胶状悬浮物叫霾。


作者用空气湿度和空气温度的相对关系解释了为什么冬季雾霾多的原因。冬季气温低,空气饱和时的绝对含水量小(-5℃时为3.185g/m3,而35℃时为44.63g/m3)。冬天低温时空气中增加很少一点水蒸汽都会使空气相对湿度提高很多,而且,冬天白天和夜间温度相差12℃以上,凌晨气温最低,空气湿度最大,因此,大雾和雾霾大都发生在凌晨。


在之后的三年多的时间里,作者测试、记录、下载了1400多天北京地区每日的气象数据,并将雾霾天气拍摄照片作为证明,进一步丰富并提出“水汽说”雾霾新理论。


根据“水汽说”雾霾新理论,“雾霾”的定义应为:水蒸汽分子包围、俘获、浸润空气中的微尘颗粒使其胀大、水化成雾霾颗粒,更多的雾霾颗粒悬浮于水蒸汽气溶胶中形成雾霾。用一句简单通俗的话说,雾霾就是被微尘颗粒污染了的水蒸汽气溶胶。水蒸汽是雾霾的基质和土壤,是形成雾霾的决定因素,就好比水是溶液的溶剂一样。


从三年多的记录观察分析总结出:空气相对湿度50%是雾霾产生的临界线。

当空气相对湿度低于50%,空气中污染物即使爆表也不会发生雾霾,只是会形成黑烟和扬尘;

  

图5. 2018年5月27日到28日早上北京地区空气湿度


图6. 2018年5月27日到28日早上北京地区空气污染指数


从图6可以看出,28日凌晨3点钟开始,北京地区空气污染指数达到爆表,这是由于内蒙古沙尘暴经过两天的行程于28日凌晨3:00到达北京,3:00以后飘尘使北京的空气质量急剧上升到AQI=712以上的严重污染。从图5看出当时空气湿度在30%以下,因此,北京地区没有发生雾霾。图7照片中看到北京市漫天黄尘(当时北京市所有汽车顶上都落下一层黄色尘土)而没有发生雾霾。见图7。


当空气相对湿度超过50%,空气中有多少污染物颗粒就会产生多少雾霾颗粒,雾霾是否发生和雾霾的严重程度决定于空气中污染物颗粒的多少。当空气污染指数(AQI)小于70时,看不到雾霾。


 图7. 2018年5月28日早上北京市街道照片

       

图8. 2018年5月26日到27日早上北京地区空气湿度


图9. 2018年5月26日到27日早上北京地区空气污染指数


从图8看出16:00以前空气湿度在50%以上,从图9 可以看出该时段空气污染指数在160以上,产生雾霾的两个内因同时存在,因此,北京地区发生了轻到中度雾霾,见图10照片。


    

图10. 2018年5月26日9:11北京市街道照片 

 

图11. 2018年5月27日9:44北京市街道照片


从图8还可以看出2018年5月27日凌晨7:00以后北京地区空气湿度低于50%(参看图5中9:00空气湿度为23%),从图9和图6看出尽管该时段空气污染指数AQI仍在80以上,北京地区27日早上9:00却没有出现雾霾,见图11照片,北京街道能见度非常好。


2.水蒸汽是产生雾霾的决定因素


根据1.2 “水汽说”雾霾新理论,产生雾霾的两个内因必须同时存在才能形成雾霾,缺少其中任意一个都无法形成雾霾。在这两个内因中,水蒸汽是形成雾霾的决定因素。


有人也许要问,为什么上世纪50年代科学家和环保工作者忽视了水蒸汽是形成雾霾的决定因素呢?为什么时至今日所有的环保工作者仍然相信传统的“颗粒说”雾霾理论?


值得注意的是,雾霾首先发生在英国伦敦、美国洛杉矶、日本的三重县四日市、韩国的首尔、中国的广东。为什么首先发生在这些城市呢?难道其他城市就没有工业和汽车吗?


让我们查看一下世界地图,以上这些发生雾霾最早的城市都是沿海城市。这些城市受海洋性气候影响,一年四季空气相对湿度都很大,空气中水蒸汽含量始终很高,人类习惯于和水蒸汽亲密相处,因此,当工业和汽车排放大量污染物发生雾霾时,只看到了新增加的颗粒物和有机物因素,忽略了长久以来的水蒸汽这个隐性因素。试想,英国和美国当时工业发展最快的城市不只是伦敦和洛杉矶,为什么其他城市没有发生如此严重的雾霾呢?主要是这些频海城市受海洋性气候影响,终年湿度很大,空气中水蒸汽含量高,污染物颗粒被水蒸汽包围而且被水分子俘获、浸润胀大成雾霾颗粒悬浮于水蒸汽气溶胶中形成我们今天所说的雾霾。


纯净的水蒸汽在空气中是看不到的,除非当空气相对湿度达到饱和(100%)时凝结成小水滴之后才能以雾或云的形式看到。


水分子之间有引力,因此,水才能形成张力以液体的形式流动。


雾是一种气体,是水蒸汽气溶胶,密度远远小于液态水。空气湿度达到饱和,当气温降低时,多余的水蒸汽就会相互结合凝结为小水滴悬浮于水蒸汽气溶胶中。水蒸汽气溶胶中水分子之间的引力以内聚力的形式将水分子聚集在一起。因此,雾和云是有边界的,即使被撕裂也是成团漂浮在空气中。


雾霾的形成类同于雾和云,雾霾也是水蒸汽气溶胶,只是可见的颗粒不是小水滴,而是水分子和微尘颗粒结合的雾霾颗粒。


当空气中相对湿度大于50%,空气中的水分含量增加,水分子之间吸引力将水分子吸引在一起形成气溶胶,水蒸汽气溶胶就像一张大网笼罩着一个地区,污染物颗粒在水蒸汽气溶胶中自由度大大降低,无法自由扩散,只能被水分子俘获水化成为雾霾颗粒,雾霾颗粒近似于云雾中的小水滴,雾霾颗粒增加到一定量就遮挡人们的视线形成雾霾。微尘颗粒破坏了水蒸汽气溶胶之间微弱的内聚力,因此,雾霾没有明显的边界,以弥漫状态存在于空气中,只有边沿过度层。


当空气中相对湿度小于50%,空气中的水分含量相对较少,水分子之间的吸引力无法形成内聚力,无法聚集成水蒸汽气溶胶。因此,微尘颗粒物有充分的自由度,风力可以使其水平扩散,空气的垂直对流可以使其向高空扩散。所以干燥天气里空气质量相对较好,不会有雾霾发生。


纯粹的微尘颗粒是无法形成气溶胶的,因此纯污染物微尘颗粒再多也无法形成雾霾(就如上面的例子,2018年5月27日和28日早上一样)。所以,水蒸汽气溶胶是雾霾的基质和土壤,是形成雾霾的决定因素。


中国兴建于50年代的鞍钢、包钢、武钢、马钢并称为中国四大钢铁基地,哪一个的污染排放都比广州严重,2000年以前并没有发现雾霾。因为内地大陆性气候终年干燥少雨,空气中自然水分含量很少,人为排放的水蒸汽也没有2010年以后严重,不足以使该地区的空气湿度达到形成气溶胶的程使,缺少产生雾霾的决定因素,因而,这些钢铁基地虽然黑烟滚滚却没有形成雾霾。


中国北方的雾霾发生于2010年之后,80年代和90年代中国的环境治理还仅仅停留在灰尘颗粒物排放上。2000年之后学习国外经验加强了对二氧化硫和氧化氮的排放治理,湿法脱硫脱硝一哄而上,仅湿法脱硫脱硝一项中国每年排放30亿吨水蒸汽。图12、图13 为2010年之后的水蒸汽排放。


   

图12钢铁厂的水蒸汽排放 

         

           图13 白色污染代替了黑烟污染


过去的黑烟、黄烟没有了,所有烟囱白浪滚滚,排放成千上万吨水蒸汽。


煤改气之后,每燃烧1立方米天然气产生1.577kg水蒸汽,2014年冬季,北京市采暖季120天用气量约90亿m3,平均每天用气量0.75亿m3,每天产生水蒸汽量11.82万吨。


这些人为增加的水蒸汽排放改变了中国北方大陆性气候干燥的原生态,使原本小于50%的空气湿度受人为排放的水蒸汽的补充使空气湿度上升到50%以上,达到形成水蒸汽气溶胶的程度,特别是寒冷的冬季。作者经过1400多天的测试、记录、观察分析,发生雾霾的的日子都是空气湿度在50%以上时段内,没有发生雾霾的日子都是空气湿度小于50%的日子,没有一天例外。


解释一下人们长期以来的误解:


(1)风可以吹走雾霾


雾霾的消散并不是被风吹走的,而是被干燥的来风稀释了雾霾地区的水蒸汽含量,只要空气湿度小于50%,水蒸汽气溶胶消失,雾霾立刻消散。因此,不仅干燥的来风可以吹散雾霾,而且太阳的照射,地面温度升高迫使空气湿度降低到50%以下同样可以使雾霾消散。这就是雾霾存在的外部条件。


(2)城市洒水或者喷雾可以减少雾霾


中国几乎所有城市都提倡洒水喷雾,西安市甚至花费1700多万元建设吸霾塔。其实,这些措施不但不能减少微尘污染和防止雾霾的发生,而且,反而增大了局部地段的空气湿度,使该地段发生雾霾。例如,洒水的马路上大量汽车过后可以看到远处雾霾笼罩着路面,而在没有洒水的街道就看不到雾霾。


(3)大量的水蒸汽排放相对于浩瀚的宇宙微不足道,影响不了地面的空气相对湿度。


其实高空的空气相对湿度不一定比地面低,地面蒸发和排放的水蒸汽不是毫无止境的向高空扩散,高空的温度低于地面,水蒸汽上升到一定高度就会随着温度的降低使空气湿度变大,和地面达到一个相对的平衡。


从图14照片看出,大雾是有边界的,图15照片中的雾霾是没有边界的。图15是从528米的中国尊拍摄330米的北京市世贸大厦,从照片中可以大致计算出严重雾霾的高度在300米以下。两张照片充分说明了地面水蒸汽并不是毫无限制的向高空扩散的。


 

            图 14 高空拍摄的大雾照片   

                                                                     


 图15  雾霾中的北京世贸大厦


3.雾霾的治理


将近一个世纪以来,科技工作者一直为消灭雾霾并防止雾霾的发生不懈的努力,作出了突出的贡献。西方发达国家已经做到很少发生雾霾,并使空气质量大大改善。中国的科技工作者学习西方国家治理雾霾的经验,使中国南方以及沿海地区的雾霾大大减少,为中国的环保事业作出了突出的贡献。


2017年3月9日中国总理李克强在和人大代表一起审议政府工作报告时指出:“确实,我们对雾霾的形成机理还需要更加深入研究。只有把机理研究透了,才能让治理雾霾的措施更加有效。”


搞清楚了雾霾的形成机理,知道了雾霾是由微尘颗粒和水蒸汽共同组成的之后,就要因地制宜的治理雾霾,才能使治理雾霾的措施更加有效。


按照“水汽说”雾霾新理论,在海洋性气候的沿海城市或者像中国的南方地区,终年空气湿度大,要想降低原有的空气湿度必须战胜大自然,把空气中固有的水分含量降下来,这几乎是不可能的。要想减少和消灭雾霾,只有减少污染物颗粒排放一条路可走,像伦敦和洛杉矶这些城市一样治理雾霾。治理雾霾的措施和传统雾霾理论“颗粒说”是一致的。


根据“水汽说”雾霾新理论,在大陆性气候的干燥少雨地区,治理雾霾可以选择容易、经济、方便易行的办法治理雾霾,只要减少水蒸汽和污染物颗粒两者中的任意一种就能防止雾霾的发生。两相比较,减少污染物排放只能减轻雾霾的程度或者减少雾霾而不能根治雾霾;减少水蒸汽排放,恢复原本干燥气候的原生态,保持空气相对湿度回复到50%以下,就可以很容易的根治雾霾的发生。同时,冷凝回收低温放散蒸汽用于城市供热、供暖,达到1―1=2 的效果。


回收利用高炉淬渣过程中产生的低温放散蒸汽和中低温热水(防止蒸发放散)用于城市供暖,中国的包头钢铁厂和迁西钢铁厂已经成功应用多年。


根据“水汽说”雾霾新理论,发展中国家可以在发展本国工业的同时合理布局自己的工业企业,尽量在沿海和海洋性气候地区布局污染小的高科技行业和轻工业企业;污染大的钢铁、水泥、化工行业尽量布置在大陆性气候的干燥地区。


总之,工业的发展不能破坏环境的原生态,已经破坏的要千方百计的恢复,世界经济才能可持续发展。


赚钱新项目 542| 639| 66| 559| 217| 874| 343| 614| 938| 828| 311| 820| 323| 825| 362| 871| 770| 702| 844| 389| 111| 287| 995| 540| 322| 676| 610| 617| 985| 565| 539| 513| 705| 286| 985| 558| 71| 495| 428| 690| 525| 103|