雾霾形成真正原因？“铁板钉钉！雾霾的祸首就是湿法脱硫！”

　　编者按：自年初 IFCE 总裁何平博士指出湿法脱硫是导致大面积雾霾的主要原因后， 不少学者和研究人员进行了的调查和论证，从不同角度确认了我们的观点。

　　今年 9月 24日， 《科学与管理》发表山东科学院战略研究所副所长周勇研究员长期跟踪研究的成果，从基于PM2.5大数据、霾和雾天数的历史气象数据和实验数据，以无可争辩的数据和事实确认了湿法脱硫水汽(低温湿烟汽)排放污染是2013年雾霾大爆发的唯一原因和到现在为止中国大面积雾霾久治不愈的主要原因。

　　以下是周勇研究员的研究成果

　　雾霾爆发主因：湿法脱硫

　　——基于大数据、气象数据和实验数据的确认

　　发布时间：2017年9月24日

　　摘要：本文基于PM2.5大数据、霾和雾天数的历史气象数据和实验数据，从四个方面论证了, 实行在线监测、铅封烟气旁路系统以及拆除烟气再加热系统(GGH)后，突然大量增加的湿法脱硫水汽排放污染是2013年雾霾大暴发的主因，并且能够合理解释最近几年治霾取得巨大成绩状况下，雾霾暴发或年际抬头的各种现象。

　　关键词：PM2.5;雾霾原因;大数据;气象;实验

　　根据NASA灯光数据提取的PM2.5数据、二十世纪六十年代初至2013年山东省霾和雾的天气数据、不同部门实验数据，能够确切地断定2013年雾霾大暴发是一个突发事件。

　　根据环保部大气质量实时监测数据(2014年5月13日开始公开)计算的不同时间、不同区域采暖季启动日前后三周内PM2.5的变化，采用新的检测工具对行业性湿法脱硫排出水汽的检测数据;李壮等在2015年《节能技术》上公开发表的实验结果;某著名大学雾霾成因研究团队的部分研究结论，以及采用室内加湿器分别加入纯净水、矿泉水和自来水所导致的室内PM2.5浓度巨大差异的简单实验等。若干条独立证据链证明湿法脱硫是2013年雾霾暴发的主因，并且在之后一直起着主导作用。

　　一、还原2013年雾霾大暴发形成过程

　　政府一系列针对湿法脱硫设备规范运行的政策和技术措施，以及企业的应对措施，在规定的2012年底前完成。新的湿法脱硫设备运转模式与原来的模式相比，发生了质的变化。进入2013年1月后，连续出现静稳或逆温天气。大量新增的湿法脱硫排放的含有溶解盐类和非溶解物的水汽，脱水后产生大量超细颗粒物，无法扩散，逐渐累积，为雾和霾的形成提供了充足的凝结核和湿度条件，进而引起雾霾的突然大暴发。

　　1、政府在2012底之前实行在线监测等一系列政策措施及企业的应对措施相互叠加，使得原来烟气排放模式发生质变

　　环境保护部原部长周生贤在2011年全国节能减排工作电视电话会议上的发言指出：“2012年底前，火电、钢铁、造纸、印染等行业的重点企业以及城镇污水处理厂，必须完成运行监控平台和自动监测系统的建设，严肃查处生产运行记录、在线监测、减排台账中的弄虚作假行为”。由此，重点企业脱硫设备在2012年底前全部投入在线监测。为了防止企业继续利用烟气旁路系统偷排，环保部要求铅封脱硫设施的烟气旁路系统。企业为了避免烟气再加温系统(GGH)结垢而停产检修影响生产，即拆除GGH。企业的这一应对措施，也符合国家环境保护标准(HJ462-2009)允许脱硫排放低温湿烟汽的规定。

　　按照相关标准，拆除GGH后常规污染物排放量允许提高一倍以上[1]。而脱硫脱硝大量喷水降温，将锅炉烟气标准130℃变成40℃-60℃，相对干烟气变成低温湿烟汽(类似加湿器排出的水雾)。由于实施在线检测，各种偷排行为和不按规定启动脱硫设备的行为被彻底整治。脱硫电价、脱硫供热加价奖励措施等，也使得电厂和供热企业有了2012年底前突击安装脱硫设备的动力。需要在线监测的新国控重点排污企业名单也得到扩展和更新。这样，就在2012年底，从根本上改变了烟气排放的原有模式，并突然增加大量开始正常运行的脱硫设施。

　　始于本世纪初的湿法脱硫在电厂的普及率，2005年达到35%左右，2012年基本普及。到2012年底，以湿法脱硫为主，大量合法化取消烟气再热除湿和允许排放低温湿烟汽的部门，包括：火力发电、燃煤热电、天然气锅炉、钢铁、焦化、电解铝、水泥、平板玻璃、汽车尾气、餐饮等。虽然本文主因是指湿法脱硫，但其他类似的排放低温湿烟汽的设备所起的作用，与湿法脱硫类似。

　　2、湿法脱硫导致雾霾大暴发的作用机理

　　湿法脱硫导致雾霾大暴发的作用机理是，已经对酸雨治理发挥重要作用的湿法脱硫，导致次生PM2.5，使得2013年雾霾大暴发，以及后来的雾霾高发、频发并出现反复。

　　具体而言，2013年1月，突然全部正常运行的或新上的湿法脱硫设备排出大量水汽;企业拆除GGH，拆除GGH后常规污染物排放量标准可以提高一倍以上[1]，在湿法脱硫排出的水汽中有大量硫酸盐、脱水后形成大量超细颗粒物、占总的PM2.5比重很高的情况下，如果排出的超细颗粒物翻倍，在2012年底前许多企业一致行动，仅此一项，足以引起雾霾暴发;锅炉烟气标准由130 ℃变成40-60 ℃，干烟气变成低温湿烟(水)汽，在静稳或逆温天气下类似房间中安装了大量加湿器，从根本上改变原有烟气特性，也能够引起雾霾暴发。

　　湿法脱硫排出的大量水汽中，有多种溶解盐和其他非溶解物，在大气中脱水后产生大量超细颗粒物，成为看不见的粒子。这些超细颗粒物隐藏在空气中，在空中停留时间长，不沉降，具有极强的迁移能力，控制和治理难度很大。遇到静稳天气或逆温天气，又吸水、膨胀、粘附、变大，成为雾霾;气象条件转好后，又可能脱水消失，也可能随着雨水落下。

　　加上遍布京津冀及周边的各种电厂和其他有脱硫设备的燃煤设施，24小时不停运转，不断迅速补足大气中的超细颗粒物，静等静稳或逆温天气。其自身也不断向大气中输送脱水后变成大量超细颗粒物的水汽，进一步增加了空气的湿度。

　　而2012年底采暖季开始后的一个半月，没有遇到连续多天的静稳或逆温天气，从而大雾霾没有在2012年暴发。

　　可见，是企业整齐划一的湿法脱硫行为的改变，导致大气中湿法脱硫产生的超细颗粒物(形成霾的凝结核)突然增加，排出的水汽也导致空气湿度增加，从而导致2013年初静稳天气下雾霾的突然暴发和后来的频发。

　　3、2013年后铁腕治霾情况下，雾霾在不同年份、不同城市仍有抬头，也是湿法脱硫没有作为主因进行治理的必然结果

　　最近几年，在中央铁腕治霾下，各种一次PM2.5来源得到治理，PM2.5平均浓度整体下降。但对许多城市占一半以上的二次PM2.5没有搞清楚来源，遇到静稳或逆温天气较多的年份，PM2.5浓度仍有抬头。

　　山东省许多城市是2015年采暖季PM2.5浓度抬头，京津冀的一些城市是2016年采暖季抬头。虽然有的权威机构把PM2.5 浓度抬头解释为天气原因，实际上还是没有发现主因并作为问题去解决的必然结果。两个紧邻的区域，不同年份雾霾抬头，很难只用气象因素去解释。

　　2013年之后PM2.5浓度的下降，一方面是煤炭消费总量下降(10.8%)导致湿法脱硫水汽排放减少;另一方面是其它治霾措施的重要作用，其难度大大超过对湿法脱硫的技术改进。

　　二、确认2013年雾霾大暴发是突发事件

　　虽然中国北方的每一个人都体验过2013年雾霾的肆虐，但从科学角度，仍不能说2013年是突发事件，因为有可能是原来大家都不知道这个概念;也有可能是渐进发生，没有意识到。这里所说的突发事件，主要是指不是循序渐进达到这种大暴发程度的。实际情况是，2012年PM.5浓度和霾的天数还比2011年有所降低，2013年是突然大幅度蹿升到雾霾大暴发的程度。关键是如何在没有可靠的官方监测数据情况下找到可靠的数据，证明2013年雾霾是突发事件。这里给出三种相互独立的定量化证据，证明2013年确实是突发事件。

　　1、根据NASA灯光数据提取的PM2.5数据等合成的PM2.5浓度变化曲线显示，2013年雾霾是突变，必有突变的原因

　　国内有大量学术期刊文章利用NASA灯光数据作各种研究，我们也偶然得到NASA灯光数据提取的PM2.5浓度[2]，三年滚动平均。对数据进行处理，把2001-2003年滚动平均数代表2002年的数据，以此类推可得到1999-2011年的数据。2010-2012年数据比2009-2011年数据还小，显然2012年数据不比2011年高，这里采用与2011年相等的数据。

　　图1中2013年数据是政府公布的数据。2013年之后数据的采集，以2014年5月13日-2015年5月13日作为2014年值，这样包含一个完整的采暖季，依次类推。这样的数据处理是监测数据缺乏情况下不得已的处理办法，少2014年上半年的数据。

　　实际上，如果有准确的数据，2014年的PM2.5数据和2013年应该差不多，都比较高。为了凸显2013年的突变，把山东省各城市每年的数据累加，得到图1。显然，2013年PM2.5数值是突然升高，只要能够找出使得PM2.5突然升高的因素，就能够确认2013年雾霾的主因。

　　图1 山东省各城市PM2.5浓度每年累加值

　　图1显示，1999年至2006年间，山东省各城市PM2.5浓度快速上升，2006和2007年出现一个PM2.5浓度小峰值。这是由于2006年前经济粗放式增长导致PM2.5逐年快速上升，直到进入“十一五”时期，国家开始实行大力度的节能减排。

　　2008年金融危机后，经济增长速度放缓，能源消费增长速度也放缓。加上国家加大节能减排的力度，污染物排放减少，形成2006和2007年的小峰值。那时的治污设施技术水平与现在相比差得很远。

　　2008年开始，PM2.5处于一个平台期，直到2012年底，这主要得益于国家对烟粉尘的治理。但这个平台期并没有反映出大面积采用技术水平不断提高的除尘设施的效果。随着除尘技术的提升和除尘设备普及程度的提高，烟粉尘排放量包括PM2.5浓度应该是一条较快的下降曲线，而不是一个平台期。可能的原因是，这个阶段烟粉尘排放水平的下降与湿法脱硫排出的超细颗粒物的增多相互抵消;另一个原因是对颗粒度较小的PM2.5，这些除尘设施作用不大。

　　而在同期，国家为了治理酸雨，逐渐加大脱硫力度。虽然一些上了脱硫设备的企业并不按照要求一直开动设备，也有的通过烟气旁路系统偷排以减少成本，而烟气旁路系统是为了避免脱硫设施维护期间停产检修留的备用系统。在烟气排放到大气中之前，也有个对烟气的再加热系统(GGH)。恰恰在2012年底前，湿法脱硫排放模式发生重大变化。显然，2013年PM2.5数值是突然升高，与湿法脱硫变化紧密相关。

　　2、雾霾天数变化的历史气象数据说明2013年雾霾大暴发是突发事件，必有其原因

　　根据山东气象学会所承担的山东省科协课题报告，其对二十世纪六十年代至2013年的雾霾、雾、霾每年发生天数的重新梳理统计如图2。2004年之前，霾的天数基本上是线性增长，2004-2012年进入指数增长通道，2012年霾的天数是2005年的2-3倍。虽然增速快，还不是突变，尤其是2012年霾的天数比2011年还略低。2013年1月连续多天的静稳或逆温天气，终于发生雾霾大暴发，霾的天数比上一年增加接近1.5倍，显然是突变。

　　与此相对应，本世纪初国家为了降低SO2排放量，避免酸雨危害，开始推广普及湿法脱硫技术。2012年只有湿法脱硫是突变因素，仅拆除GGH系统一项措施，常规污染物(SO2、粉尘和NOx)对地面浓度的贡献可以提高一倍以上[1];干烟气变成湿水汽后，排出的超细颗粒物非常多(是除尘口的458倍)，足以引起雾霾暴发。其他所有按部就班循序渐进的因素，都不可能引起这种突变。

　　2004年前后，开始大规模推广普及的湿法脱硫(35%左右)和快速增长的煤炭消费相互叠加，到2012年时电厂基本实现脱硫，供热锅炉也实行脱硫电价，由此呈现湿法脱硫能力的指数型增加(与霾天数的指数型增长对应)。尤其是2012年底之前的三项措施(在线监测、铅封烟气旁路、拆除GGH系统)，在2013年初连续静稳天气下，雾霾大暴发。而2012年底前的一个半月采暖季，雾霾没有暴发，是因为这期间天气较好，没有静稳或逆温天气。

　　没有湿法脱硫，酸雨将会很严重;但大量增加的湿法脱硫能力，产生了大量不容易检测的更细小、传播更快、更广的类似气体的超细颗粒物。在遇到静稳或逆温天气时，湿法脱硫随时排出的带有各种盐的水汽，以及原来脱水隐藏在空中看不见的小于0.38微米甚至是0.07微米的超细颗粒物吸水膨胀，粘附其它细小颗粒物，能够迅速在各种脱硫设施密布的京津冀及周边地区形成大面积连片雾霾。

　　湿法脱硫能力大量增加的原因，是煤炭消费数量的大量增加。虽然说煤炭快速增长也是脱硫设备增长的原因，但济南煤炭峰值是2007年说明，煤炭消费高峰并非一定是雾霾的高峰，如果排出的是干烟气而不是湿水汽的话。而2013年全国煤耗达到峰值，京津冀也达到峰值，之后到2016年下降10.9%左右。这也是2013年之后雾霾严重程度下降的一个重要原因。

　　2013年雾霾大暴发，主要是相对于前面几年的雾霾天数或PM2.5浓度的平台期而言。霾的天数统计，也呈现指数增长，但雾和霾的天数加起来并没有呈现指数增长。而NASA的灯光数据无法区分是雾还是霾，所以提取出来的PM2.5数据与雾和霾之和的天数趋势相似，呈现一个平台期。

　　3、山东大学PM2.5相关科研监测数据说明2013年雾霾大暴发是突发事件

　　根据山东大学张庆竹教授在2015年济南市科协雾霾为主题论坛上的报告，济南市在2013年前几个年份测量的PM2.5如图。尽管同一个城市不同监测点的监测数据差异较大，但山大在固定监测点的数据显示，2013年1月的雾霾比前面几个年份的冬季要高得多，也显示是一种突变。

　　尤其是2006和2007年济南煤炭消费达到峰值时，并没有出现雾霾暴发，PM2.5浓度数值远比2013年低。其关键差异是那时烟囱排的多是干烟气，而不是后来的湿法脱硫后的湿烟气(水汽)。这也说明，2013年雾霾大暴发的唯一可能就是湿法脱硫造成的。

　　三、进一步确认湿法脱硫是雾霾暴发的主因

　　1、采用环保部监测数据验证湿法脱硫是导致集中供暖季开始时雾霾显著上升的主因

　　采用环保部1800多个站点300多个城市多种污染物按照小时监测数据，选取京津冀及周边部分通道城市2014、2015、2016年三个集中供暖季(11月15日开始)启动前后和黑龙江省主要城市2016年集中供暖季(10月20日开始)后前后三周的变化，来验证湿法脱硫对雾霾的程度变化是否显著。

　　由于采暖锅炉大都达到较高的排放标准，像电厂燃煤机组PM2.5去除率已经达到98.98%，国家规定采暖锅炉或其它行业也要达标排放或超低排放。所以，燃煤锅炉启动后多燃烧的煤炭，在经过达到国际水平的除尘设施后，相对其它所有排放源的排放的贡献，可以忽略不计。

　　计算的结果是，采暖期开始后的三周内，遇到静稳天气，雾霾的程度比前面三周，尤其是前面2-3周高不少，有的是成倍增加。另外，在采暖前一周的第一天，一般会启动50%左右的锅炉，到采暖开始日采暖锅炉逐渐全部启动。