水蒸气和水溶性离子排放对雾霾暴发的影响分析

水蒸气和水溶性离子排放对雾霾暴发的影响分析苏跃进（国家电投集团 河南电力有限公司，河南 郑州 450016）摘要：近年来，工业生产活动产生的水蒸气排放基本未受限制，排放量快速增长。

在特定时间段、地理区域内，在雾霾易发的气象条件下，当水蒸气排放量快速提高或局部区域大气相对湿度较高，大气中的干态水溶性离子颗粒物吸湿长大，大气中的常规大气污染物发生二次复合，排放过程中的大气污染物生成湿态水溶性离子颗粒物。

湿态水溶性离子颗粒物在大气边界层内富集，细颗粒物质量浓度快速增长致雾霾暴发。

减少水溶性离子颗粒物的生成和排放，控制水蒸气的排放量，是抑制雾霾暴发的有效手段。

关键词：水蒸气；水溶性离子；排放；气象条件；GGH作用；雾霾中图分类号：X513 文献标识码：A DOI :10.3969/j.issn.1003-8256.2019.02.0060 引言水蒸气排放不是污染物排放，但会造成局部气象条件改变[1]。

多数情况下，水蒸气的排放量对气象条件的改变很小[2]。

关于水蒸气排放对环境影响的研究不多[3-4]，容易被忽视。

烟气经湿法脱硫装置后，在排放可过滤颗粒物的同时也排放了水溶性离子颗粒物[5]；在湿烟气排放的情况下，在烟羽、烟囱范围内，二氧化硫、可过滤颗粒物可以生成为水溶性离子颗粒物；高湿环境下，大气中污染物二次复合成新的水溶性离子颗粒物；冷却塔风吹损失中的水溶性离子颗粒物排放量往往被忽视。

本文就水蒸气和水溶性离子排放对雾霾暴发的影响进行分析，并提出应对措施。

1 水蒸气排放基本情况1.1 部分行业排放的水蒸气量巨大水蒸气排放最多的领域是能源、冶金、化工等行业，且多为强制排放。

火力发电行业水蒸气排放量巨大。

对湿法脱硫并排放饱和湿烟气的煤电机组，每生产1千瓦时电能按排放3.5立方米标态烟气计算，饱和湿烟气温度按50℃计算，该温度下饱和湿烟气的含湿量为111.8克/立方米[6-7]，每生产1千瓦时电能对应排放水蒸气量为0.39公斤。

对闭式水冷循环的火电机组，通过冷却塔排放的水蒸气量按照4.5倍烟气排放水蒸气量估算[2]，每生产1千瓦时电能对应排放水蒸气量约1.76公斤，与烟气排放部分合计2.15公斤。

2017年全国火电发电量为4.66万作者简介：苏跃进（1972-），男，河南焦作人，高级工程师，上海交通大学双学士，研究方向：电力系统自动化。

第39卷 第2期 科学与管理 2019年04月Vol.39 No.2 SCIENCE AND MANAGEMENT Apr. 2019562019年科学与管理亿千瓦时[8-9]，估算水蒸气排放量为100.0亿吨，考虑部分机组采用空冷、直流冷却方式，估算水蒸气排放量约80亿吨[10]。

钢铁行业的水蒸气排放量也非常大。

每吨粗钢生产对应约1.5吨的水蒸气排放量[4]，2017年，全国粗钢产量8.3亿吨，对应水蒸气排放量约12.5亿吨。

1.2 近年来，和水蒸气、大气污染物排放量密切相关的工业活动快速增长从2000年至2016年，全国能源消费总量、煤炭消费总量、火电发电量、钢铁产量增长迅速。

火电发电量增长至4.0倍（图1）。

2000年至2017年钢材产量增长至8.0倍，粗钢产量增长至6.5倍（图2）。

环保治理力度加大，大气污染物减排量明显，排放浓度下降更明显（图3）。

图1 2000—2016年，中国能源消耗趋势图图2 2000—2017年，中国钢铁产量变化趋势57第2期图3 2000—2017年，中国烟气主要污染物排放量变化趋势煤电行业污染物减排成效尤其显著[11]。

因超低排放技术大量推广应用、高效机组投产等，2017年，全国火电行业二氧化硫排放量120万吨，氮氧化合物排放114万吨，粉尘26万吨，合计260万吨，三项污染物历史上的峰值合计为2950万吨。

煤电机组100%脱硫，其中烟气脱硫9.4亿千瓦，占95.8%，基本上是石灰石-石膏法为主的湿法脱硫工艺。

脱硝机组10.2亿千瓦，超低排放机组7亿千瓦。

部分省区，如河北省，和水蒸气、大气污染物排放量密切相关的工业活动增长更快。

2000年至2016年，焦炭消费量增长至6.6倍，见图4。

生铁产量增长至11倍，粗钢产量增长至16倍，钢材产量增长至20倍，见图5。

2016年的粗钢和钢铁产量分别占全国的25%和24%。

图4 2000—2016年，河北省能源消耗量变化趋势苏跃进：水蒸气和水溶性离子排放对雾霾暴发的影响分析582019年科学与管理图5 2000—2016年，河北省钢铁产量增长情况2000—2016年，河北省大气污染物排放量总体在下降，但下降不够明显，见图6。

2016年，二氧化硫、氮氧化合物、烟（粉）尘分别占全国排放量的7.2%、8.1%、12.4%。

河北省国土面积18.8万平方公里，仅占全国国土面积的1.8%。

从河北周边区域看，京津冀及周边地区的二氧化硫排放强度是全国平均的3.6倍，氮氧化合物和烟粉尘排放分别是全国的4倍和6倍，进入采暖季后，污染物排放增加很快[12]。

图6 2000—2016年，河北省空气主要污染物的增长情况2 特定时段和区域，水蒸气排放量对环境相对湿度的影响显著2.1 水蒸气排放可致大气相对湿度明显改变在低温、高湿、静稳[1]气象条件下，自然蒸发量少，水蒸气排放量对大气含湿量的改变可能较小，对相对湿度改变非常明显。

水蒸气排放量对相对湿度的影响，受到温度等气象环境条件的影响[13]。

59第2期图7 各种温度下每立方米干空气的饱和含湿量（克/立方米）图7给出了各种温度下每立方米干空气的饱和含湿量[6-7]。

温度越高，饱和含湿量越大。

每增加1克含湿量对不同温度下相对湿度的改变量差别巨大，在0℃的情况下，相对湿度增加20.4%。

水蒸气排放量和人类的生产活动密切相关，相对稳定。

水蒸气排放量主要是工业生产活动所产生。

水蒸气排放量大的行业，通常也是化石燃料使用量、大气污染物排放量大的行业。

化石燃料、水的使用和污染物排放的地理区域相对比较集中。

水蒸气排放量相对稳定。

2.2 水蒸气排放源对周边相对湿度的影响分析水蒸气排放和工业布局直接相关，通常呈现点状、带状分布。

以2台1000兆瓦煤电机组为例，设定冬季的日平均负荷率为75%，日发电量为36000兆瓦时，对应水蒸气排放量77400吨。

环境温度为0℃、高湿、静稳气象条件下，设大气边界层高度为500米，水蒸气平均扩散，可导致310平方公里面积内的空气相对湿度1日内提高10%。

2.3 在北京市局部区域内的冬季，水蒸气排放量对相对湿度有明显影响北京市2016年天然气消费量162.3亿立方米，2015年火力发电量411亿千瓦时。

北京市煤电机组基本作为应急备用机组使用。

北京市冬季每日天然气消耗约1亿立方米，燃烧产生1.5亿公斤水蒸气随烟气排放[14]。

燃气发电冷却塔的循环水流量小，每千瓦时发电量按照0.75公斤冷却塔水蒸气排放量、冬季按照每日1.33亿千瓦时发电量估算，冷却塔排放约1亿公斤水蒸气。

北京市冬季使用天然气每日排放的水蒸气量约在2.5亿公斤。

燃气锅炉的烟囱高度远低于燃煤电厂。

设定该部分水蒸气排放只影响北京市的1401平方公里建成区[15]部分、平均分布在高度为500米的大气边界层内，每日可提高每立方米空气含湿量0.36克，在-10℃的时候，可提高大气相对湿度17.1%。

北京市冬季大量使用天然气对于本地区相对湿度有明显影响。

3 大气中水溶性离子颗粒物的来源分析大气污染物排放标准中没有对水溶性离子颗粒物排放作出规定，水溶性离子颗粒物排放未能得到有效控制。

水溶性离子颗粒物对大气环境的影响已经引起关注 [5,16-19]。

3.1 大气中水溶性离子的存在形式通常，水溶性离子以溶解于凝结液滴、雾化液滴、微小冰晶，或者以干态气溶胶方式自排放源排入大气中成为大气颗粒物，是PM2.5的重要组成部分[20]。

本文中将可凝结颗粒物并入水溶性离子考虑[16]。

对含水溶性离子的微小液滴或冰态颗粒物，称之为湿态水溶性离子颗粒物。

对液态结合水量少，水溶性离子主要以结晶盐形式存在的固体颗粒物，称之为干态水溶性离子颗粒物。

干态和湿态水溶性离子颗粒物在结合水量变化的情况下可相互转化。

干态水溶性离子颗粒物的质量非常小，不容易沉苏跃进：水蒸气和水溶性离子排放对雾霾暴发的影响分析602019年科学与管理降，消光作用不明显[21-23]。

干态水溶性离子颗粒物具有较强的吸湿特性。

在指定湿度下，大气颗粒物从环境中吸收水蒸气发生潮解和吸湿增长的能力主要取决于颗粒物的化学成分。

一般来说，可溶性无机盐对大气颗粒物吸湿增长贡献最大。

相当一部分霾粒在70%相对湿度已经吸湿潮解并以液滴存在。

在95%相对湿度的情况下，硫酸铵、硝酸钠的吸湿增长因子分别为1.97和2.5，这意味着两种颗粒的体积分别增大了6.6和16.6倍[23]。

吸收长大后的湿态细颗粒物下坠，导致大气边界层高度变小[24]。

当水溶性离子存在于冷凝液滴、雾化液滴中排放至大气中时，或干态水溶性离子颗粒物吸湿长大后，或结合水结冰[25]情况下，以湿态水溶性离子颗粒物形式存在。

3.2 中国能源消费仍以化石能源为主，排放烟气中含一定量水溶性离子颗粒物2016年，中国能源消费总量是43.6亿吨标准煤，其中，煤炭、石油、天然气消费总量分别是27.0亿吨、8.0亿吨、2.8亿吨标准煤，合计占能源消费总量的86.7%。

我国以化石能源为主的状况短时间内不可能根本转变。

燃煤使用时排放烟气中，含有一定量的水溶性离子。

燃煤烟气多以湿法工艺脱除二氧化硫，2012年以后，燃煤电厂通常不再设置GGH（Gas-Gas-Heater），烟气多以饱和湿烟气形式排放[26-28]。

烟气中包含有可凝结颗粒物，可凝结颗粒物主要为水溶性离子颗粒物[16-19]。

燃煤电厂烟气排放中，三氧化硫是主要的可凝结颗粒物，国内仅上海等少数地方出台地方标准进行控制[29]。

采用MGGH（Media Gas-Gas-Heater）加热烟气，仍存在可凝结颗粒物排放问题[30]。

湿法脱硫后烟气中微小粒径的雾滴经除雾器（包括湿式电除尘器）时存在逃逸现象。

雾滴浓度指的是逃逸的脱硫浆液量，脱硫浆液中含有较高浓度的水溶性离子。

运行中，雾滴浓度尚未实施监测[2]。

湿法脱硫工艺不同，脱硫浆液中的水溶性离子浓度差别很大。

燃煤电厂湿法脱硫主要是石灰石-石膏法，副产石膏的溶解度较低，脱硫浆液中水溶性离子浓度较低。

钠法、氨法、镁法脱硫工艺的副产物溶解度均远高于硫酸钙，雾滴中携带水溶性离子量大。

氨法脱硫存在氨逃逸问题[31]。

3.3 饱和湿烟气排放时，常规污染物在脱硫后的烟囱烟道内生成水溶性离子常温常压环境中，二氧化硫难以氧化为三氧化硫后再生成硫酸雾。

有液态水存在的情况下，二氧化硫容易和水反应后再氧化生成硫酸 [26,32-33]。