燃煤电厂产生的全部人为水蒸气排放对区域雾霾发生的贡献惊人——以关中平原为例

摘 要：中科院地球环境研究所安芷生院士领衔的一项研究表明，关中平原燃烧产生水平均占到大气湿度的6.2%，最高贡献达到16.2%。在PM2.5上升期间，其份额与PM2.5和相对湿度呈现出正相关。安院士的研究并不包括湿法脱硫蒸发和冷却塔蒸发等人为活动产生的水蒸气排放量。而这部分水蒸气排放量远大于化石燃烧源的产生量。以燃煤电厂为例进行分析，粗略分析湿法脱硫蒸发和冷却塔水蒸气排放量的影响后，人为水蒸气的排放量应该明显大于24.8%。相应推算，人为的水蒸气排放对关中地区大气总PM2.5的平均贡献应该达到11.2%;而对人为贡献的PM2.5的占比平均应该达到20.4%。这一数字十分惊人，但过去没有考虑。传统的说法是这类水蒸汽相对很少，完全忽略不计。如果排放的水汽中没有机械携带的水溶性盐，或者大气中没有2013年初开始暴升的PM2.5粒子，再多的水汽排放都没有多大问题。但是，有了这些凝结核，排放到大气中的水汽在成霾条件下，成为这些一次颗粒物凝结膨胀的关键，成为二次颗粒物生成的加速器和温床。

关键词：煤炭 水蒸气 湿度 PM2.5 污染物

粒数庞大的超细颗粒物因为燃煤烟气治理设施缺陷，从2013年开始在大气中暴增，成为雾霾大暴发的温床。如果没有这些数浓度很高，且暴升的一次排放、二次生成的超细颗粒物，再多的水气排到大气中也没有太大问题。在天气晴好的时候，不断累积的脱水后的超细颗粒物虽然数量庞大，但分布在更高的大气边界层内，相当于质量浓度、粒数浓度都被显著稀释了，不易被觉察。等到低温、静稳气象条件出现的时候，人为排放的水蒸气能够显著提高区域的相对湿度。这些隐身，且仅仅是表现在数浓度大、但质量浓度极小的超细颗粒物，吸湿后产生黏连并粒径变大，数浓度大幅度下降，质量浓度迅速上升，同时也成为产生二次颗粒物的温床，促进二次颗粒物的大量产生，很快体现出雾霾特征，并促进宜霾气象条件的进一步正反馈生成。

人为排放水蒸气目前不受限制。不受限制的这些水蒸气排放，对中国北方区域的雾霾形成影响显著。

1、雾霾颗粒物不会自动消失

已经排放入大气中的一次超细颗粒物、已经形成的二次超细颗粒物不会自动消失。即使随风发生流动扩散，只是表现为存在地表的空间位置的变化，除非发生湿沉降。在气象条件良好的情况下，这些颗粒物能够在更高的大气边界层内存在，得到大气的稀释;细颗粒物中的水分蒸发后，颗粒物粒径变小，表现出的PM2.5质量浓度低。

当低温、高湿、静稳这样的宜霾气象条件出现的时候，这些业已存在的颗粒物，加上新排放的各类污染物二次复合，会重新表现为雾霾颗粒物。

2、水蒸气排放对低温季节大气相对湿度影响显著

北方低温季节原本非常干燥。人为排放水蒸气量少的情况下，北方地区冬季温度低，降水量很少，地表土含墒量很低，水蒸发量显著低于其它季节，绝对湿度、相对湿度都比较低。

在较高温度季节，人为水蒸气排放对大气湿度的影响几乎可以忽略。北方地区在低温季节，清洁能源发电量下降显著，因为取暖等原因，对化石能源的消耗处于年度高峰期内。低温季节水蒸气不受限制排放，能够提高大气相对湿度，对雾霾生成的作用应当引起足够重视。苏跃进等人较早地分析了人为水蒸气排放对雾霾的影响。

资料来源：2019.02科学与管理，水蒸气和水溶性离子排放对雾霾暴发的影响分析

使用煤炭、天然气等化石能源过程中，经烟气、冷却塔排放大量的水蒸气。2000年以来，火电装机容量、发电量快速增长，湿法脱硫普及，相应的水蒸气排放量显著增长。天然气发电、气代煤，也同样产生大量水蒸气排放。有必要认真研究2013年前后低温季节大气相对湿度的变化情况;大气相对变化的成因，以及对期间雾霾形成的影响。

3、试验研究表明，燃烧产生水蒸气排放对大气相对湿度、雾霾影响显著

中科院地球环境研究所安芷生院士领衔的一项研究表明，燃烧产生水汽与雾霾交互作用明显。实验测定了煤、天然气、汽油等化石燃料的氢同位素氘、氧同位素δ18O，通过处于封闭盆地的西安当地的能源清单计算出了燃烧产生水的加权端元同位素组成。统计发现，燃烧产生水平均占到大气湿度的6.2%，最高贡献达到16.2%。在PM2.5上升期间，其份额与PM2.5和相对湿度呈现出正相关。模型表明，在当地空气重污染期间，燃烧产生的水蒸气平均增加了每立方米4.6 微克的PM2.5，相当于当地人工源PM2.5的5.1%，最高则可能贡献18.2%。

4、湿法脱硫和冷却塔蒸发产生的水蒸气排放量更大

安院士的研究并不包括湿法脱硫蒸发和冷却塔蒸发等人为活动产生的水蒸气排放量。而这部分水蒸气排放量远大于化石燃烧源产生量。以燃煤电厂为例进行分析，粗略分析湿法脱硫蒸发和冷却塔水蒸气排放量的影响。

燃煤电厂的省煤器后干烟气中，通过燃料带来的水分量约9%;湿法脱硫后，烟气含湿量约12%，湿法脱硫带入的烟气含湿量约3%。冷却塔排放水蒸气量约为饱和湿烟气量的4~5倍，低温季节冷却塔蒸发量少，按照4倍考虑，相当于折合烟气含湿量48%。冷却塔+湿法脱硫增加的折合烟气含湿量为51%，是省煤器干烟气含湿量9%的约5.7倍。

2017年，陕西关中地区煤炭消耗总量为4000-5000万吨标准煤，发电量800亿千瓦左右时，按照标准煤耗300克/千瓦时计算，消耗标准煤约2400万吨左右，电厂的耗煤量占区域耗煤量的约51.7%。关中地区严重缺水，冷却方式基本为自然通风循环冷却塔，脱硫方式基本为石灰石-石膏法。湿法脱硫+冷却塔排放的水蒸气量按照燃烧产生水蒸气量的3倍考虑，对应占到影响大气湿度6.2%*3=18.6%，加上燃烧产生的6.2%，总计约24.8%。

考虑其它煤炭燃烧烟气处理采用湿法脱硫产生的水蒸气排放量，大量其它工业产生的冷却塔排放水量，人为水蒸气的排放量应该明显大于24.8%。

相应推算，人为的水蒸气排放对关中地区大气总PM2.5的平均贡献应该达到11.2%;而对人为贡献的PM2.5的占比平均应该达到20.4%。

5、冷却塔同时排放了包括氯盐在内的大量溶解固形物

冷却塔补充水采用含盐量高的中水、提高循环浓缩倍率，会导致循环水中含包括氯离子在内的溶解固形物浓度显著提高。冷却塔必然产生的风吹损失导致雾滴携带溶解固形物排放至大气，这部分盐排放量巨大，也是目前未监测的污染物排放的重要源头。如果采用工业废水、海水、高盐水作为循环水补充水，问题会更为突出。

循环冷却水中无机盐的主要成分是氯根，由此可以解释非沿海区域大气中的氯根主要来源。冷却塔雾滴产生的氯根排放量和化石燃料的使用量正相关。大气中的氯根对臭氧的形成作用明显。

6、结论

人为排放水蒸气可以显著提高大气相对湿度，改变北方低温季节的气象条件，加上不受控制氨排放等其它排放物，对北方雾霾的形成有显著影响，应当引起足够的重视。