2017年2月
题记：
鸡年看懂雾霾与雾霾治理第一文。上篇讲述霾从哪里来？国外如何治霾？
前言：
鸡年春节，大家都在返乡途中，然而雾霾却不会因人的离开而就此消散。霾下共呼吸的命运，让我们对雾霾同仇敌忾，却又叫我们倍感无奈。除了抱怨与逃离，除了口罩与净化器，就没有一个迅速、高效的办法来治理雾霾吗？治病治本、治霾溯源，是什么造就了一城又一城的重重雾霾？出法令、关工厂、停机器，治霾的措施一拨又一拨，为何我们却感觉雾霾更严重呢？饱受雾霾困扰的不独中国，那些治霾成功的国外经验能不能照搬？
2017年1月，“能源智汇.百人交流群”的专家们针对上述问题，就“雾霾与雾霾治理”这个话题展开了一场讨论。由于篇幅较长，我们将分两天刊发全文。
一、霾是什么？
本段要点：雾霾的形成需要一次污染物和适当气象条件。
雾霾成分较复杂，当大气中各种污染源排放的一次污染物在特定的大气条件下，经过一系列物理化学过程，形成了细粒子，与水汽相互作用导致的大气消光现象。简单讲，雾霾的形成需要两个条件：一次排放污染物和气象条件。
形成雾霾的内因是一次排放污染物，指直接从污染源排放的污染物质，如：二氧化硫SO2、一氧化氮NOx、一氧化碳CO、碳氢化合物HC、颗粒物PM等。
形成雾霾的外因是适合污染物大量二次转化的气象条件，主要有四个：一是风，是污染物横向扩散的条件；二是逆湿，即高空气温高，地表附近气温低（正常情况下温度是会随着高度增加而下降的），这影响扩污染物纵向扩散的条件；三是湿度，影响凝结核化学变化的过程；四是光照，加剧化学反应。
在内因和外因的共同作用下，一次污染在大气中互相作用经化学反应或光化反应形成的与一次污染物的物理、化学性质完全不同的新的大气污染物，转化为二次污染物，如臭氧、醛、酮、酸、过氧乙酰硝酸酯（PAN）等。
资料来源：网络公开信息
图1：逆温层对雾霾的影响
冬季，由于气团稳定、天气较干燥，逆温层气候频繁。晴朗、干燥的静稳天气中，地面散热迅速，使近地面气层降温多，在低空形成辐射逆温层。这种条件也适合雾的产生,近地面层大量滴聚积水汽，在逆温层下而形成辐射雾。逆温层像一层棉被一样将城市的一次污染物挡在低空（图1）, 加上雾导致的湿度增加，创造了极好的雾霾生成条件，促使一次污染物如同发酵一般二次转化出大量污染物。一次污染物的聚集加上二次转化，这种天气中大气污染物浓度会比对流频繁（有风）的日子提高5-10倍。
同样是多雾的气象条件，南方地区几乎不存在小锅炉取暖，一次污染物排放量相对少，即便发酵（二次转化），霾的指数也会相对低；北方地区由于供热，燃煤尤其是小锅炉燃煤量上升，一次污染物的排放量大大增加，再经过逆温层的二次发酵，大气中的污染物急剧上升，当环境承载力的某个临界点被突破，就会形成雾霾。这是为什么供暖日一开始，如气候条件合适，北方地区的雾霾指数就爆表。
资料来源：网络公开信息
图2：西红门拍摄的南风带来的雾霾
此外，地形也会对雾霾的形成有助力。
如北京东、北、西三面环山，西面、北面的弱冷空气不易进入平原地区，且冷空气途经山脉后强度减弱，而来自北京南面的外来污染物却能长驱直入（图2），且被西北的山挡住，客观上长时间维持雾霾，所以一出北京到张家口，雾霾就散了。等刮起北方，将冷空气吹到北京来，逆温层不在，雾霾也就散了。所谓“治霾靠风”，其实就是缺失了雾霾形成的气象条件，雾霾就不见了。
二、霾从哪里来？
本段要点：超过99%的一次污染物来自化石能源尤其是煤炭。
资料来源：IEA世界能源展望报告2016之空气污染特别报告
图3：2015年全球一次大气污染物及其来源
那么雾霾的源头——一次污染物有哪些？IEA的研究成果表明，超过99%的二氧化硫与氮氧化物、85%的PM2.5、92%的一氧化碳以及66%挥发性有机化合物排放来自能源（图3），包括在电力、工业、居民生活、交通源、农业源等领域的排放。
一次能源中产生一次污染物的主要为化石能源，包括煤炭、石油与天然气，而水电、风电与太阳能等可再生能源以及核电基本不产生一次污染物。不同化石能源产生的污染物排放种类不同，排放方式也不同，对环境的影响有较大差别。燃煤排放的主要污染物有二氧化硫、氮氧化物和烟尘。原油的污染物则包括碳氢化合物、氮氧化物、颗粒物以及二氧化硫排放等，而天然气相对清洁，主要污染物仅为氮氧化物（表1）。2015年，煤炭在我国一次能源消费中的比重高达64.0%，石油消费占18.1%，天然气消费仅为5.9%，一次电力及其他能源占14.5%。
资料来源：据《锅炉大气污染物排放标准》（GB13271—2014）、《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223-2011）整理； 注：在运工业锅炉指2014年7月1日前建设的锅炉，其后建设的锅炉为新建锅炉。
图4：工业锅炉与煤电厂污染物排放限值
科学地考虑排放污染对环境的影响不仅要区分能源品种，更要区分各种燃烧设施对雾霾的影响。比如讨论煤炭产生的污染，就必须要区分电煤与散煤的污染。电煤是指用于电厂发电用的煤，我国的煤炭消费中约有50%为电煤，散煤主要包括家庭取暖、餐饮等用煤，以及一些水泥厂、玻璃厂、钢厂、工业用的小型锅炉（平均容量在8吨/小时），约占煤炭消费总量的15-20%。电厂对脱硫、脱硝、除尘要求较高，其他种类的煤炭消费排放则相对高，比如工业锅炉（65吨/小时以下）中烟尘、二氧化硫、氮氧化物等污染物的排放则比普通煤电厂高出2-4倍（图4）。散煤燃烧单体容量小，脱硫、脱硝处理环保成本极高，目前尚未制定散煤排放标准，业内普遍认为散煤燃烧排放一般为电厂排放的10倍，污染物排放量大，造成的环境影响大，是造成雾霾的最主要因素之一。
三、霾要怎么治？
本段要点：治理雾霾需要在逐渐优化能源结构的同时严抓生产过程中的污染治理。
既然一次污染物主要来自化石能源，尤其是煤炭，那么少用煤炭、多用清洁能源，就能降低形成雾霾的一次污染物，减少雾霾，也就是我们常常听到的优化一次能源结构。
优化一次能源结构是从“源头控制”，有效但耗时较长，至少需要15-20年甚至更长的时间。举例讲，北京依靠天然气清洁本地能源结构，2008年前就规划建设气电厂，历时十年，到2017年四大气电厂才全部投产；全国范围看，2010年，煤炭占我国一次能源的比重为68%，历时五年，下降到2015年的64%。
降低煤炭在一次能源消费中的比重难的最主要原因是我国“富煤少油缺气”的先天缺陷，资源禀赋决定煤炭在我国是最便宜的能源；在环境税、碳排放市场等机制尚不完善的情况下，煤炭造成的环境污染成本无法内部化，其他能源即便有环境成本优势，也无法量化。拿发电来说，煤电就是最便宜的(图5)。要使得天然气发一度电的成本跟煤电相当，气价就要从目前的大约2.3元/立方米左右降到在1.2元/立方米，让天然气降价近50%销售根本不可能，何况我国也没那么多气可供消费，当前我国天然气进口供应比重已超过30%。
就非化石能源而言，水电、核电、风电本来就比煤炭贵，将来成本还会因为开发条件更差、安全要求更高、技术难度更大等原因不断上涨，且经济开发的水电、风电资源已不多，能建核电站的选址也有限，这几种能源大量增加的可能性不大；光伏成本下降最快，但光伏能量密度低，又靠天吃饭，如果储能价格不能有巨大的下降，光伏的希望也渺茫，何况你也不愿意你家墙上、屋顶到处装上明晃晃的玻璃发电吧？所以，如果我们希望用上安全、便宜又干净的能源，2030年前估计得依靠天然气、核电与水电，2030年以后，如果科技大爆发，风电、光伏和储能技术突飞猛进，我们或许能用上更多清洁的可再生能源。这么一番努力，到2030年，煤炭占比或许就能降到50%以下了。
资料来源：思亚能源
图5：2016年江苏省不同发电方式平均成本比较
有人说我实在等不了十五、二十年那么久啊？你能来点速战速决的吗？在此，我们拉出环境管理的另一位大拿——“末端治理”先生，他治理雾霾的手段就是优化生产过程，比如清洁生产、工业布局等等。
清洁生产顾名思义就是生产的时候把污染物处理得干净些，好比生产中加一台空气净化器，把污染物聚集在一起，不让它跑到空气中去。比如我国国Ⅲ汽油标准中硫含量是欧洲和日本的１５倍，美国的５倍，柴油则是欧日标准的３０余倍，那就提高汽油油品标准，给汽车安装催化器；原煤的硫分高，那就把它洗干净，对煤炭进行脱硫脱灰预处理；燃烧产生大量灰分等颗粒物，那就优化燃烧过程，对电厂、工厂排放制定标准，让电厂、工厂给锅炉装脱硫、脱硝、除尘的环保设备，升级环保技术,比如普通电厂脱硫效率可以达到95%，用上超低排放技术，电厂脱硫效率超过97%、除尘效率高达99.5%，排放的一次污染物自然少了。
工业布局是指对重点地区进行整治。雾霾严重时，学校被停课，一些人直接选择离开雾霾严重的城市，工业布局治理就是让污染源停课或搬迁。比如环保部出台《京津冀及周边地区重点行业大气污染限期治理方案》，《长三角地区重点行业大气污染限期治理方案》和《珠三角及周边地区重点行业大气污染限期治理方案》，限期治理这些地区的电力、钢铁、水泥、平板玻璃行业的大气污染行动；“西部大开发”政策将工业转移到人口密度低的西部地区，降低东部地区的排放量；奥运期间、2016年冬季，北京周边的部分工厂等被关停措施；甚至部分城市的车辆限号都属于工业布局措施。
不过，留神了，“末端治理”只是污染物的转移, 是治标不治本的。如烟气脱疏、除尘形成大量废渣，废水集中处理产生大量污泥等，不能从根本上解决污染问题。就好像空气净化器可以让家里的空气变好，但不能消除雾霾。
所以，雾霾治理最终还是要实际减少能源的消费量与消费结构，必须“源头控制”与“末端治理”两手抓。
四、国外有哪些治霾经验？
本段要点：国外雾霾治理也是政府与公众同心协力的结果，立法、科研、执行一个不能缺，并且都经过漫长历程。
雾霾是工业化进程的产物。上世纪四五十年代，处于工业迅猛发展期的英国、美国与日本等国家也相继出现致命雾霾。1952年的伦敦毒雾事件在4天内夺去4000多人的性命；1955年，美国洛杉矶发生了史上最严重的光化学烟雾污染事件，短短两天之内，因呼吸系统衰竭死亡的65岁以上老人达400多人；五十年代的东京由于冬季取暖排放大量黑烟，造成了“白昼难见太阳”的现象；日本四日市由于石油冶炼和工业燃油产生的废气，大量居民感染呼吸系统疾病，尤其是哮喘的发病率大量提高，形成了著名的“四日市公害”。
这些国家在治理雾霾上的经验可以归纳如下：
一是立法。英国1956年颁布了世界上第一部空气污染防治法案《清洁空气法案》；1974年颁布《控制公害法》，涵盖了空气、土地、水域和噪声的保护与控制条款；1995年出台《国家空气质量战略》强制各城市在规定期限内达标。美国1955年设立了空气质量研究中心；1970年成立环保署，开始依法控制大气污染；1990年建立“臭氧传输协会”，制定相关减排标准并督促实施。日本在上世纪颁布了《公害对策基本法》、《排烟规制法》、《噪声规制法》、《大气污染防治法》等。
二是严格执行。落实相关政策与法规离不开坚定不移的执行。英国政府实时向公众通报空气质量信息，做到信息透明化；美国的环保机构拥有较大权限，其不仅有权进行立法、执法、处罚，而且还能把强制执行和技术改善、监控相结合来开展工作；日本环境省设有大气污染物质广域监视系统，对大气污染物质进行监测、汇总分析、并通过网站24小时发布，日本的“直罚制度”规定强化了污染制约措施，即只要违反废烟排放标准就可以直接适用罚则。
三是依靠社会力量。社会组织、专业协会、科学家、专业技术人员等在各国治霾中起到了积极的作用。比如对美国雾霾源头的成因就是加州理工学院的化学家斯米特发现的;专业技术人员如燃料工程师将工作重点转移到如何将排放废气降为最低，不仅在技术上提出了改良策略，更帮助了起草法案。英国有无数环保组织，有的是慈善机构，有的是NGO，专门负责抗议活动的踩点、策划和宣传；组织者有来自各个党派环境方面的负责人，有来自科研部门，是环境问题专家，也有的是纯粹的环保主义者。此外，社会舆论也起到了良好的作用，一方面宣传各种新技能新发现，给公众信心，另一方面则起到了很好的监督作用。
四是抓“末端治理”。由于洛杉矶雾霾的源头是汽车尾气，洛杉矶治理空气污染的主要措施就是控制机动车排放，政府最初的对策是改良汽车，提高发动机的燃烧效率、加装催化转化器。其中，后者效果更为显著。催化转化器通常安装于汽车的尾气排放系统，其主要作用是将尾气中的NOx等有害气体转化为无害物质，从而达到减排的效果。英国法律规定在伦敦城内的电厂都必须关闭，只能在大伦敦区重建；要求工业企业建造高大的烟囱，加强疏散大气污染物；并且大规模改造城市居民的传统炉灶，减少煤炭用量，逐步实现居民生活天然气化；冬季采取集中供暖。
五是“源头控制”。1970年代，美国政府开始鼓励使用天然气和乙醇,并且提高了汽油的油品标准。而英国和日本相应进行了能源结构的优化，英国天然气占一次能源消费比重由1965年的不到0.4%增加到1985年的 23.1%；连基本100%依赖进口的日本，天然气占比也从1965年的1%提高到1990年的10%。
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