侯丙林:霧霾由水蒸氣和顆粒物共同組成 | 大氣汙染精準治理對策第...

（侯丙林 中國綠髮會國際環境專項基金熱能高級工程師）

摘要：新霧霾理論認為霧霾是由水蒸氣和顆粒物共同組成的。霧霾形成的機理是：當空氣溼度超過50%，水蒸汽在空氣中形成水蒸汽氣溶膠，水分子包圍、俘獲、浸潤、脹大汙染物顆粒變為霧霾顆粒，霧霾顆粒的增多就形成輕重程度不同的霧霾。

治理霧霾的方法應該因地制宜，溼度大的南方地區只有減少汙染物排放一條路；乾燥的北方地區治理水蒸汽排放比單純治理顆粒物更加有效。

關鍵詞：顆粒物 氣溶膠 水蒸氣 霧霾 形成機理

我講的題目是

「霧霾是怎樣形成的？」

首先弄清四個基本概念：什麼是霾？什麼是霧？什麼是霧霾？什麼是氣溶膠？

重點講一講氣溶膠。搞清楚氣溶膠就搞清楚了霧霾是怎麼形成的。

這裡講的不是書本上和實驗室裡的氣溶膠，是充滿一個大面積區域的氣溶膠。氣溶膠必須具備三個條件：第一、必須是氣體；第二、氣體分子之間必須有吸引力，能夠形成膠狀氣團（像雲朵和霧團）；第三、必須有一定的量。

誰才能夠形成氣溶膠呢？固體、粉塵不是氣體，不能算氣溶膠；空氣裡的氧氣和氮氣量夠，但不是氣溶膠；水蒸氣是最有資格形成氣溶膠的氣體。因為水分子之間有引力，液態水形成張力可以流動，氣態水形成內聚力可以在空氣中成團漂浮（例如，雲和霧）。但是，量不夠同樣不能形成氣溶膠。如果空氣溼度低於50%，水蒸汽數量不夠，水分子之間距離較大，水分子之間的吸引力不足以形成內聚力，仍然不是氣溶膠。只有空氣溼度達到50%以上時，水蒸汽濃度增大，水分子之間距離變小，水分子之間的吸引力才能形成內聚力，才能在空氣中形成水蒸汽氣溶膠。霧霾是混入顆粒物雜質的氣溶膠，所以說，只有弄清楚了什麼是「氣溶膠」，才能弄清霧霾的組成。

下面談談霧和霧霾的區別。

它們的共同點是，霧和霧霾都是水蒸汽氣溶膠。霧是水蒸汽氣溶膠，大家沒有異議。但是，到目前為止霧霾是水蒸汽氣溶膠的說法並不被傳統霧霾理論承認。

我打一個比喻，當你來到一個海港，看到海面上停滿大大小小的輪船，你能說大海是由輪船組成的嗎？不能。誰都知道海水才是大海的主體。同樣，當你看到漂浮在霧霾氣溶膠中的霧霾顆粒，你能說水蒸汽不是霧霾的基質和主體嗎？

霧和霧霾的第一個區別是水蒸汽的量不同。霧是飽和水蒸汽氣溶膠；霧霾是不飽和水蒸汽氣溶膠。

第二個區別是漂浮在水蒸汽氣溶膠中的顆粒物不同。霧中漂浮的是純淨的小水滴；霧霾中漂浮的是被水蒸氣泡脹了的汙染物顆粒。

第三個區別是看是否有邊界。霧有邊界（見左邊照片）；霧霾沒有邊界（見右邊照片）。因為雜質破壞了水分子之間的吸引力，內聚力減弱，霧霾在空氣中只能以瀰漫狀態存在，沒有明顯的邊界，只有過度層（上下）或水平過度段。

 

下邊講一講兩種霧霾理論。

傳統理論認為霧霾純粹由各種汙染物顆粒組成。（簡稱「顆粒說」霧霾理論）

新理論認為霧霾是由水蒸氣和顆粒物共同組成的，水蒸氣是霧霾氣溶膠的基質和溶劑，是霧霾發生的決定因素，汙染物顆粒是決定霧霾輕重程度的必要因素。(簡稱「水汽說」霧霾理論)

傳統「顆粒說」霧霾理論，只治理汙染物排放，不治理水蒸汽排放。例如，2010年之後在工業比較集中的華北地區大力推廣溼法脫硫和煤改氣。忽視水蒸汽是發生霧霾的決定因素。

為什麼「顆粒說」傳統理論忽視水蒸汽是霧霾形成的決定因素呢？這要從上世紀五十年代說起。嚴重汙染造成嚴重霧霾的英國倫敦和美國洛杉磯的光化學煙霧，分別在幾天之內死了數千人，引起社會震驚和科學家的極大關注。科學家看到的是滾滾黑煙中的汙染物顆粒和光化學煙霧中刺鼻的有機氣體，忽視了常年親密接觸的看不見摸不著的水蒸汽這個隱性因素。由於最早發生霧霾的都是溼度大的海濱或沿海城市，我國2005年最早發生霧霾的廣州市也是臨海城市。

為什麼2010年之前我國的北方地區很少發生霧霾？

這是因為北方地區是大陸性氣候，終年少雨乾燥，空氣溼度很低，不能形成水蒸汽氣溶膠，汙染物顆粒只能形成黑煙（煙霾）和塵霾，可以水平和垂直自由擴散。

為什麼2010年後，我國北方地區汙染減少反而霧霾頻發呢？

這就是我說的「顆粒說」傳統理論的治理措施「水土不服」。溼法脫硫，煤改氣……等西方治理措施拿到中國南方特別有效，照搬到乾燥的北方來就不管用。為什麼？因為這些治理措施次生了大量水蒸汽，改變了我國北方地區乾燥的原生態。僅溼法脫硫一項全國每年排放30億噸水蒸汽。北京市2018年全年耗天然氣180億m³，採暖季平均每天使用1.1億m³天然氣，高峰期每天1.3億m³。每燃燒1m³天然氣產生的1.577公斤水蒸氣。1.1億m³天然氣，每晝夜排放17.347萬噸水蒸汽。北京市六環以內面積是2267平方公裡，高度分別按100米、200米、300米計算容積空間，我製作了下表來找出水蒸汽排放對北京地區氣候的影響。（按0℃時空氣飽和溼度的絕對含水量4.8g/m³計算）

如果我們將北京周圍熱電廠涼水塔和脫硫塔等其它人為排放的水蒸汽全部回收，就能使環境溼度降到35%以下，即使氣溫從0℃降到-5℃也不會發生霧霾。

為什麼疫情期間仍發生連續性霧霾？就是因為疫情期間正趕上冬季，雖然汙染減少了，可水蒸汽排放一點也沒有減少，遇到不利擴散的天氣條件，汙染就會積累發生輕到重度霧霾。

傳統霧霾理論指導下北方地區霧霾久治不愈。

請看從我五年記錄的北京地區數據中摘出2016年、2017年、2020年三年，每年8、9、10、11月4個月的空氣品質和霧霾發生天數做成表格進行對比。（見下表）

從對比表中可以看出，汙染減輕了，霧霾天數減少了。2017年比2016年同期環比霧霾減少了22.2%，但是2017年到2020年三年霧霾只減少了31.3%。充分說明，雖然汙染排放措施幾乎做到了極限（低指標、錯峰、限產、停產、搬遷……），霧霾並沒有消除。

不但中國十年治理汙染沒有消除北方地區的霧霾，西方治理了70年汙染也仍然沒有消除霧霾。請看2017-01-23 Liverange 英國大家談發表一篇「罕見重度霧霾突襲全歐！英法淪陷！汙染將持續至周四」

 

左圖是報導法國首都巴黎的照片。右圖是英國首都倫敦的照片，其中行人打開手電筒走路，照片說明中寫著「倫敦以下12個區空氣品質亮了紅燈」。

以上事實不得不引起我們反思，傳統霧霾理論是否完全正確？傳統治理汙染排放的措施是否精準、有效？霧霾的源頭究竟在哪裡？

「水汽說」霧霾新理論怎樣解釋「霧霾形成的機理」？

2017年在政府工作報告討論會上，李克強總理跟西安周衛健院士談話時指出：「要堅持打好藍天保衛戰，加強對霧霾形成機理的研究，提高應對的科學性、精準性」。

信奉傳統「顆粒說」霧霾理論的科學家論動員2000多名科技工作者，花巨資毫時三年沒有回答出總理的世紀之問，只是總結出霧霾依然發生的原因是「汙染超出容量50%」。

「水汽說」霧霾新理論首先提出，霧霾由水蒸汽和汙染物顆粒共同組成，水蒸汽氣溶膠是霧霾的基質和溶劑，是霧霾發生的前提條件和決定因素，空氣溼度50%是發生霧霾的臨界線。（在我5年1800天的大數據中沒有一天例外）

霧霾的形成機理：當空氣相對溼度超過50%，水蒸汽在空氣中形成水蒸汽氣溶膠，水分子包圍、俘獲、浸潤、脹大汙染物顆粒變為霧霾顆粒，霧霾顆粒的增多就形成輕重程度不同的霧霾。

霧霾的消散過程是，當空氣相對溼度下降到50%以下，空氣中的水蒸汽氣溶膠消退，霧霾顆粒中的水分蒸發後瘦身並重新變回不可見的汙染物顆粒，空氣中不存在影響視線的大顆粒物，霧霾消失。

新霧霾理論應該怎樣治理霧霾？

科學、精準治理霧霾的措施是「因地制宜」，我國溼度大的南方地區只有治理汙染物排放一條路；乾燥的北方地區治理水蒸汽排放比治理汙染排放更加有效。

人為排放的水蒸氣有哪些？

第一、煙囪排放的水蒸汽，特別是燒天然氣的煙囪。第二、溼法脫硫。第三、鋼鐵廠的鋼渣淬化、鐵渣淬化。第四、鋼鐵廠、化工廠、熱電廠、水泥廠的晾水池和空冷塔、涼水塔。第五、街道灑水車、噴水車、噴霧車。

熱電廠的水蒸汽排放

人為排放的水蒸汽可以回收嗎？有哪些成功的經驗？

人為排放的水蒸汽完全可以回收。參加本次會議的劉晨專家就使用吸收式熱泵回收多家熱電廠冷卻水餘熱，使用噴淋技術回收煙氣中水蒸汽的冷凝熱。李崇興專家就成功的使用空氣源熱泵技術實現了鍋爐煙囪水蒸汽的全回收。我本人參加的包鋼6號高爐淬渣蒸汽和高溫衝渣水餘熱回收以及鋼渣燜渣坑散蒸汽的回收工程都已經成功運行多年。

水蒸汽回收有哪些綜合效益？

第一、消除霧霾。形成霧霾的決定因素抽掉了，霧霾自然就沒有了。

第二、減少溫室效應。

第三、餘熱利用。（我曾經測算過500萬噸的鋼鐵廠，它回收的水蒸汽餘熱和循環冷卻水餘熱完全夠一個縣級市供暖、供熱。效益顯著，回收期不超過5年。）

第四、冷凝水利用，節約大量的水資源。

第五、回收水蒸汽冷凝熱是100%的減碳措施，餘熱利用是零碳零排放。

附註：為使未來五年的大氣汙染治理更加有效，中國綠髮會國際環境專項基金分析了近年來大氣汙染治理的得失，試圖找出大氣汙染治理的短板，並直面當前霧霾治理領域的爭議和分歧，希望在「十四五」大氣汙染治理時進行更系統的規劃和更有效的治理。基於這一目的，於11月24日在京組織召開了「大氣汙染精準治理（第二次）座談會」。上述內容為與會專家發言整理系列分享，歡迎社會各界共同關注、討論。

整理/王語寬 校/武小平 編/Angel