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    大气碱性化对雾霾影响的研究

    发布日期:2022-09-27  作者:石书军 李殿明  浏览次数:803
     
    核心提示:石书军 李殿明
     

       大气碱性化雾霾影响的研究

    石书军 李殿明

    前言:大气治理后,酸少了 ;脱硝过量喷氨后,氨排放多了,导致碱多了,大气酸碱平衡被人为打破。能够形成超细颗粒物(PM0.1,即当量直径在100纳米以下的颗粒物)的铵盐,潜伏在了大气之中。
        低温季节,易霾气象条件一旦俱备,那些铵盐超细颗粒物就立刻吸湿、凝并、二次复合,颗粒物长大,以细颗粒物PM2.5形态显现。

    一、大气朝碱性化方向快速变化【1】

    由于大气中二氧化碳影响,自然状态下降雨略显酸性,酸雨以pH值5.6为界限。回顾酸雨治理过程,2007年,全国出现酸雨城市占比56.2%,京津冀周边地区有零星酸雨范围;2019年,酸雨仅分布在云贵高原以东区域,占国土面积的5%,酸雨治理成效显著。从结果看,包括京津冀周边区域在内的大气环境整体向偏碱性方向变化。资料来源:生态环境部官网,历年环境状况公报。城市降水pH平均值2006年最低,为4.85,之后逐年稳步提高,2018年至5.56。

    以北京市为例,2007~2010年期间,年均pH值达到低点,均低于4.5,其中2008年最低,为4.35。2012年~2015年,pH值快速升高,由4.9升高值5.9,快速朝偏碱性方向变化【2】。北方沙尘天气带来的碱性化影响,只会很短时起作用,不会对酸雨变化产生显著影响。沙尘天气下,主要影响的是PM10短时快速升高,且能够干沉降,对PM2.5影响很小。反而是在沙尘过后,由于补入含气态污染物很少的新鲜空气,天气很快会变得晴好。
    二、烟气治理,是大气朝偏碱性方向快速变化的根源
        回顾大气治理过程,二氧化硫排放在2006年达峰值,氮氧化合物在2011年达峰值,酸性气体排放量削减速度很快。酸性气体排放量快速下降。

    东北大学孙中强教授曾指出:脱硫、脱硝、除尘减排项目,不是雾霾治理。现在的硫、硝都已经脱的很低,再片面强调脱硫、脱硝已经没有太大意义,边际收益太低。同时,产生的副作用可能会超过减排的收益。比如,脱硝过量喷氨产生的氨排放,可能会导致更严重的雾霾。我们不妨做个试验:假如在某一个相对封闭的区域,将脱硝的装置关闭一段时间,雾霾反而会减轻一些。

    以氨法脱硝为主的氮氧化合物治理,2012年全国2.12亿火电装机实现脱硝;2019年,8.9亿千瓦火电装机实现超低排放,占总装机容量的86%。脱硝过量喷氨导致的氨排放增长主要是伴随脱硝实施进程,尤其是超低排放实施进程。由于脱硝后除尘、脱硫环节对氨气铵盐的吸收,通过净烟气排放的量不大,脱硝产生的氨排放主要是通过粉煤灰等途径间接排放,排放量估算超过百万吨【3】。
        氨气是大气中唯一的主要碱性气体。一方面是二氧化硫等酸性气体排放量显著下降,一方面是氨气排放量明显上升。低温季节,自然生成、畜牧业农业的氨排放都处于低谷期间(传统的氨排放较早已达峰值),而脱硝产生的氨排放处于年度的峰值期间,是主要的增量氨排放。
        钟洪玲等研究了燃煤电厂的氨排放特征,主要是检测脱硝后各环节的铵盐、氨气浓度,似乎并不严重。但考虑氨气、铵盐检测的困难,如果从脱硝过程的氨氮比进行分析,结果应会严重得多【4】。
        刘学军等基于同位素示踪技术反向溯源发现,工业和交通源氨排放对在城市大气氨和铵盐的贡献超过了50%,而农业源的贡献与其排放量占比不匹配【5】。

    三、酸雨中主要离子成分变化规律,印证是烟气治理的影响
        从城市降水中硫酸根的沉降通量看,由2004年的14.72吨/平方公里,稳步下降至2018年的3.57吨/平方公里;同期二氧化硫浓度从42微克/立方米下降至14微克/立方米,两者趋势一致。
        从硝酸根沉降通量看,2004年最高,2005-2016年保持平稳,2016年开始有所下降;二氧化氮总体变化平稳,2013-2018呈逐年下降趋势,峰值为2013年的32微克/立方米,2018年下降至28微克/立方米。
        从降雨中主要离子的当量浓度占比看,铵根2003年处于高值,2004-2013年保持平稳,2013年至2018年保持稳定上升趋势。

    从酸雨沉降中硫酸根、硝酸根、铵根浓度的变化情况可以印证,烟气治理,是大气朝偏碱性方向快速变化的根源。
    四、大气朝碱性方向变化,大气中过量氨气形成铵盐超细颗粒物
        二氧化硫、氮氧化合物减排目标,本是为解决酸雨问题。在酸雨问题得到良好解决的同时,却意外带来了铵盐超细颗粒物生成。铵盐超细颗粒物是PM2.5中最主要的无机盐组分,包括硫酸铵(包括硫酸氢铵)、硝酸铵组分。
        现有的大气环境治理措施,明显打破大气原有的酸碱平衡,大气朝偏碱性方向变化。由于大气中有过量的氨气存在,在天气晴好的条件下,氨气二次复合形成硫酸铵、硝酸铵等超细颗粒物的机会显著增强。形成的超细颗粒物潜伏于大气中,天气晴好时,对光线的折射反射作用不强,表现为数浓度高、质量浓度低。
         在高湿、静稳气象条件下,已经形成的铵盐超细颗粒物通过吸湿长大、凝并,加剧铵盐二次复合过程,铵盐组分在PM2.5中显著提高。铵盐冬季表现比较明显,雾霾易出现,是因为其它季节降雨量相对大,通过湿沉降方式消除铵盐超细颗粒物的能力强。
    五、脱硝不可矫枉过正,需要高度关注脱硝产生的氨排放问题
        二氧化硫、氮氧化合物排放量显著下降后,大气环境本应趋好。实际情况是,预期中的大气质量好转没有出现,反而出现了2012年底的雾霾大暴发,并久治不愈,至今仍然时常出现中度、重度雾霾天气。如果没有大气中过量的氨成分,二氧化硫、氮氧化合物大量减排后,大气中的酸性物质下降,大气趋向于中性。
    当酸性气体多、碱性气体少(按照酸碱反应配比计算)的时候,决定超细颗粒物生成效率的是氨气浓度;当二者反应浓度比较匹配后,超细颗粒物的生成效率显著提高。
        氮氧化合物的减排远难于二氧化硫。如果过分注重氮氧化合物减排,不能解决脱硝产生的过量氨排放,解决大气中的铵盐问题会非常困难。
    大气中的氮氧化合物和氨气形成硝酸铵仍然会具备良好的反应条件,大气中无机盐组分,无非是从硫酸盐为主变为硝酸盐为主。
    六、结论

    1、由于工业脱硝过程的过量氨排放,酸雨得到治理的同时,大气快速趋向碱性化。

    2、大气中过量的氨气存在,容易形成铵盐超细颗粒物。在低温季节雾霾易发气象条件下,以PM2.5细颗粒物形态显现。

    3、治霾当务之急,是避免脱硝过量喷氨产生的氨排放,遏制大气朝碱性方向变化,保持大气中性。

     

    【1】资料来源:解淑艳、王胜杰、于洋等,2003-2018年全国酸雨状况变化趋势研究,中国环境监测,2020,36(4).

    【2】资料来源:https://www.doc88.com/p-2778707078672.html
    【3】资料来源:苏跃进、周念昕:氨法脱硝中未参与还原反应氨气产生的氨排放问题研究,科学与管理,2019.39(06)。

    【4】资料来源:钟洪玲,陈鸥,王洪亮等.超低排放下燃煤电厂氨排放特征.环境研究.2021,34(1)http://www.hjkxyj.org.cn.lomo-mainz.com/hjkxyj/ch/mobile/pdf.aspx?file_no=20210113&from=singlemessage&isappinstalled=0

    【5】资料来源:刘学军,沙志鹏,宋宇,.我国大气氨的排放特征、减排技术与政策建议.环境科学研究.2021,34(1)
    http://www.hjkxyj.org.cn.lomo-mainz.com/hjkxyj/ch/mobile/pdf.aspx?file_no=20210116&from=singlemessage&isappinstalled=0

     
     
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