柴静没有回答的问题，我来试试(二)

我在博客发表了一篇文章：  柴静没有回答的问题，我来试试(二)
http://blog.sciencenet.cn/blog-2470641-873291.html 
此文来自科学网洪建辉博客

This was written in English first as a Powerpoint Presentation for a TED style talk.  The slides only list the bullet points in some cases.  It was then translated into Chinese for the Chinese public to better understand smog, what it is, its health effects, how it is formed and how do we fight it as a society.


首先，我原先写了一个PPT, 现在改为微博，所以你看了怪怪的，好像话说半句就没有了。我打字慢，请大家原谅。但是，我帮你浓缩成简单的问答，不是为你节省时间了？
 

第二，我把《 柴静没有回答的问题，我来试试（一） 》里面的内容包括进来,  内容有了重复，是为了对雾霾和PM2.5做一个完整的表述。

**雾霾和PM2.5
柴静的《穹顶之下》没有说清楚的问题

Jianhui Hong, Ph.D.
洪建辉
清华大学化工系1991级
燃烧,节能,环保,专利
2015
http://blog.sciencenet.cn/u/jianhuihong

 http://www.weibo.com/BlueSkyCHN

 

**内容提要
1.雾霾是什么？
   早期历史
   对健康的影响
2.雾霾是什么造成的?
   已知污染物清单
   颗粒和PM2.5
3.如何减少和消除雾霾?

**雾霾早期历史
英国伦敦(雾都)
工业革命
大量烧煤
粉尘，烟，二氧化硫(SO2)

**雾霾这名字如何来的?
Smog = Smoke + fog  (英语单词词源, 并非指成分)
Dr. Henry Antoine des Voeux
1905年七月。
英国伦敦。
雾霾, Smog 的音译加意译，翻译家古文造诣高。

 

**1952伦敦大雾霾
死亡人数: 四千
政府行动,立法执法

**雾霾是什么？
雾霾是导致低能见度的，有毒有害的空气悬浮物。

臭氧是气态，由于和雾霾相伴相生所以常被包括在雾霾内。

雾是水滴, 霾是其他细颗粒(含烟, 尘, 液滴等等) 。

清洁的雾及水蒸气可以由人类活动引起或加剧，但是对人的健康和环境无害。
无火不生烟 。  雾霾和燃烧关系密切。
燃烧产生的污染物是雾霾的主要原因(有个别例外) 。
燃烧产生的污染物是可以控制减少的。

 

**雾霾对健康的影响
雾霾对健康有严重的影响, 尤其对儿童，老年人，心肺疾病患者。
1. 臭氧(O3): 强氧化剂, 刺激呼吸道,心血管, 咳嗽，哮喘，气短
2. 硫氧化物 , SOx (SO2 和 SO3):  和水反应生成亚硫酸(H2SO3), 硫酸(H2SO4)
3. 氮氧化物,  NOx (NO 和 NO2): 和水反应生成亚硝酸(HNO2),硝酸(HNO3)
4. 一氧化碳  (CO): 有毒气体，窒息
5. 汞, 也叫水银 (Hg): 对神经,消化,免疫系统,肺肾器官有害(世界卫生组织)
6. 铅:  神经毒剂, 弱智
7. 黑碳(soot):  吸附其他毒素, 包括多环芳香烃(PAH),已知致癌物
8. 挥发性有机化合物（VOC)：刺激眼鼻喉,头晕,呕吐, 损害肝肾及中枢神经系统,已知对动物致癌, 对人体可能致癌

 

**臭氧对健康的影响
 

刺激呼吸道,心血管, 咳嗽，哮喘，气短

 

哮喘

 

心血管发炎

 

 

**现在发达国家的雾霾是什么造成的?
氮氧化物NOx +挥发性有机化合物VOC + 阳光,  产生臭氧O3
臭氧变成发达国家雾霾危害性的重要部分
氮氧化物NOx(NO和NO2): 产生亚硝酸(HNO2),硝酸(HNO3)

如果有氨气排放, 生成亚硝酸铵(NH4NO2 ), 硝酸铵(NH4NO3)

硫氧化物SOx (SO2 和 SO3):  和水反应生成亚硫酸(H2SO3), 硫酸(H2SO4)
如果有氨气排放, 生成亚硫酸铵(   (NH4)2SO3  ), 硫酸铵( (NH4)2SO4   )

发达国家SOx排放已经较低.
中国的SOx排放仍然较高.  

**雾霾是什么造成的?
已知能导致雾霾的空气污染物 (排名顺序不代表重要性):
1.硫氧化物SOx
2.氮氧化物NOx
3. 颗粒 PM,
4.挥发性有机化合物(VOC) 或碳氢化合物(HC)
5.一氧化碳CO
6. 金属 (汞，铅等)
7. 其他

**雾霾是二氧化碳排放造成的吗?
不是。二氧化碳是温室气体。 与雾霾没有直接关系。

**雾霾和PM2.5 有什么关系?
雾霾 = PM, 空气悬浮物颗粒.
PM 包含PM10.
PM10包含PM2.5.
PM2.5 分一次PM2.5和二次PM2.5 两种.
一次PM2.5 由污染源直接排放(烟,煤灰,尘), 是雾霾的部份成因.
二次PM2.5 在由污染物在空气中生成，是雾霾的重要成份.
气体污染物SO2/SO3不是PM2.5, 但在空气中可以生成亚硫酸(H2SO3), 硫酸(H2SO4) 液滴, 变成PM2.5.

**PM是什么?
Particulate Matter, 空气悬浮物颗粒, 任何固体或液体颗粒
尘，土,
煤灰,
燃烧产生的烟(黑碳，碳黑),
液滴,
盐,
酸,
冰,
金属,
金属氧化物

 

**PM10是什么?
10微米以下的空气悬浮物颗粒.
PM10包含2.5微米以下的空气悬浮物颗粒.
2.5微米以上 10微米以下的颗粒称为粗颗粒.
(2.5微米以下的颗粒称为细颗粒).
粗颗粒来源： 粉碎，打磨，路面扬尘, 工地扬尘.
PM10可以吸入呼吸道并积累.

 

**PM2.5是什么?
2.5微米以下的空气悬浮物颗粒, 也称为细颗粒
细颗粒分一次细颗粒和二次细颗粒两种
一次细颗粒由污染源直接排放(烟,煤灰,尘), 是雾霾的部份成因.
二次细颗粒在由污染物在空气中生成，是雾霾的重要成份.
一次细颗粒可以促进二次细颗粒的形成
细颗粒对健康危害大，因为可以深入肺并进入血液

**雾霾解决方案
1. 建立污染物清单;
2. 找污染物源头;
3. 立法执法;
4. 采用污染物控制技术;
5. 监控空气质量和公众健康;
6. 研究雾霾机理;
7. 回到第一步，不断循环，直到蓝天再现
本解决方案原则上不因时间和地点而变化.  排放标准应该因地点而变化.
四面环山，风吹不进，污染物容易积聚，排放标准就要更严。

 

**1. 建立污染物清单
已知能导致雾霾的空气污染物 (排名顺序不代表重要性):
1.硫氧化物SOx
2.氮氧化物NOx
3.颗粒 PM,
4.挥发性有机化合物(VOC) 或碳氢化合物(HC)
5.一氧化碳CO
6. 金属 (汞，铅等)
7. 其他
不断研究, 加深对雾霾机理认识，修改增加污染物清单

 

**2. 找污染物源头
顺藤摸瓜，由污染物清单去找污染源
各地,各工业门类排放总量统计
固定源
   发电厂锅炉
   水泥厂
   钢铁厂
   热水及蒸汽锅炉(民用,商用,工业用)
   餐饮家庭
   农业烧梗
   烟花爆竹

移动源
   汽车卡车
   飞机
   船只

 

**3. 立法执法
环保通常会增加企业成本.
环保标准
   社会能承受不作为的健康,环境和社会成本吗?
   社会能承受环保成本吗?
在市场竞争条件下，通常不能靠企业家和企业自觉自愿 。

 

**4. 采用污染物控制技术
4.1 脱硫(SOx)
4.2 脱硝(NOx)
4.3 除尘(PM)
4.4 一氧化碳(CO)排放控制
4.5 挥发性有机化合物(VOC)排放控制
4.6 脱汞(Hg)
4.7 其他

 

**4.1 脱硫(SOx)
任何燃烧过程都有可能产生硫氧化物
燃料燃烧前预处理
   燃煤标准
   燃油标准
   燃气标准
燃烧后尾气脱硫
   湿法脱硫(Wet Scrubbing)
   喷雾干法脱硫(Spray Dry Scrubbing)
   湿法制硫酸(Wet Sulfuric Acid Process)
   其他

 

**4.2 脱硝(NOx)
任何涉及燃料和空气的燃烧过程都有可能产生氮氧化物
燃料含氮
   煤
   柴油
高温过程
低氮技术
   低氮燃烧器(low NOx burners)
   尾气脱硝
       选择性非催化脱硝法(SNCR)
       选择性催化脱硝法 (SCR)
       其它

 

**4.3 除尘(PM)
任何燃烧过程都有可能产生PM
煤改气
煤气化
燃烧过程控制可以把烟和黑碳(smoke/soot)排放控制到极少。
除尘
   静电沉降法(electrostatic precipitation)
   过滤(filter)
   其它

 

**4.4 一氧化碳(CO)排放控制
任何碳氢化合物燃烧过程都有可能产生一氧化碳
燃烧过程控制
   控制空气/燃料配比
   改善空气/燃料混合程度
   提高温度或时间
催化

 

**4.5 挥发性有机化合物(VOC)排放控制
常见排放源
   加油站
   产品上漆
   工厂烟囱尾气
   高架火炬
控制技术
   回收
   焚烧
   催化燃烧
   其它

 

**4.6 脱汞(Hg)
烧煤要面临的问题
控制
   活性碳吸附法
   其他化学物

**2015中欧美燃煤电厂标准, mg/m3

		中国(国标)	欧洲	美国
硫氧化物SO2	新建	100	200	160
	现存	200/400	400	160/640
氮氧化物NOx	新建	100	500/200	117
	现存	100/200	500/200	117/160/640
颗粒PM	新建,现存	30	50	22.5
汞Hg	新建	0.03	-	0.001
	现存	0.03	-	0.002

 

http://www.airclim.org/acidnews/china-new-emission-standards-power-plants

 

 

**烧煤炭可以做到清洁吗?
可以。
采用污染物控制技术, 烧煤可以做到清洁。
2015年中国燃煤电厂标准(九地区地方标准)
脱硫: SOx  <  50 mg/m3
脱硝: NOx  < 100 mg/m3
除尘: PM   <  20 mg/m3
脱汞: Hg   <  30 µg/m3

 

**烧天然气就一定清洁吗？
清洁是相对的。 比起烧煤烧油，燃烧天然气产生的硫氧化物和 PM通常要低得多。 但是，燃烧天然气产生的NOx仍然可以比较高，除非采用低氮燃烧技术。

 

NOx排放浓度
烧煤    : 600 - 100 mg/m3
烧油    : 400 - 80 mg/m3
烧天然气: 200 – 12 mg/m3

2008奥运前:燃煤燃烧器(>400 mg/m3) 换燃气燃烧器(~200 mg/m3)
2015/2016: 换低氮燃气燃烧器 80-60 mg/m3
2017/2018: 换超低氮燃气燃烧器 18-12 mg/m3 (预测)

**我们应该用天然气取代煤和油吗？
应该有条件的部分取代。 如果有足够的供应量，价格可以承担，有足够多的良好的输送管道的条件下，可以增加天然气用量, 特别是在污染严重的大城市 。
美国天然气供应量充足， 但东北地区(特别是纽约市)由于输送管道老旧不堪,采暖锅炉仍然无法全部采用天然气,锅炉仍然大量采用燃油。

**机动车污染物排放
机动车污染物
   1. SOx
   2. NOx
   3. THC (Total Hydrocarbon)
   4. CO
   5. PM
控制方法
   燃油标准(脱硫)
   燃料添加剂
   催化转化器: 三元催化器, 四元催化器, 柴油颗粒捕集器,柴油氧化型催化器

**汽油标准
2000年1月1日起，汽油质量升级为国标GB17930-1999，汽油中硫含量由不大于1500ppm降低至1000ppm以下（其中北京、上海和广州于2000年7月1日起执行硫含量不大于800ppm，到2003年1月全国汽油中的硫含量全部都执行不大于800ppm）；
 

2005年7月1日起，全国执行汽油中硫含量不大于500ppm（即国二）；
 

2010年5月1日，全国升级为国标GB17930-2006，即国Ⅲ汽油标准，汽油中硫含量降低至150ppm以下；
 

2014年1月1日起，全国升级为国标GB17930-2011，即国Ⅳ汽油标准，汽油中硫含量降低至50ppm以下。

将是2018年1月1日起，汽油硫含量将降低到10ppm，即国Ⅴ标准。我国2013年1月发布国五油品标准，要求自2018年1月1日起在全国范围内全面执行。

**柴油标准
2000年，相当于欧I柴油标准的GB 252-2000国家轻柴油标准开始实施，硫含量2000ppm以下；

2003年10月1日，相当于欧Ⅱ标准的GB/T 19147-2003国家车用柴油标准开始实施；

2011年7月1日起，执行相当于欧Ⅲ标准的GB 19147-2009国家车用柴油标准，硫含量不大于350ppm;

2015年1月1日起，执行相当于欧Ⅳ标准的GB 19147-2013国家车用柴油标准，硫含量不大于50ppm；

硫含量小于10ppm、相当于欧V的GB 19147-2013国家车用柴油标准，将于2018年1月1日实施。

 

**美国有雾霾吗？
美国权威机构American Lung Association 报告: 美国41%的人生活在雾霾里. 不过， 该机构用的标准很苛刻(2012年美国EPA标准：年标准值为12 μg/m3，24小时标准值为35 μg/m3, 一个地方只要年均或任何日均值任何一个超标就算不达标. 如果按照这标准，中国许多大城市超标数倍，甚至十几倍，该城市受影响人数100%。)***。美国的雾霾比起中国要轻得多。

 

***http://www.epa.gov/airquality/particlepollution/2012/decfsstandards.pdf

***http://www.epa.gov/airnow/aqi_brochure_02_14.pdf


**空气污染指数

简单的讲，就象高考标准分（倒过来）：

最低0分，空气完美；
100分，空气一般（正好达标，但标准是人定的，因时间而异，因国家而异,  美国趋势是往下修订）；
最高500分，空气糟透了。

AQI是对每种污染物而异。

AQI PM10;  

AQI PM2.5;

AQI NOx;

AQI SOx;

AQI CO;

AQI O3.  

 
空气污染指数, 英文缩写：AQI, Air Quality Index，可分六档 (中国版)
0-50： 空气质量I级，优，无污染
51-100： 空气质量Ⅱ级，良，对健康无危害
101-200：空气质量Ⅲ⑴级和Ⅲ⑵级，轻微污染和轻度污染，对敏感人群有危害
201-300：空气质量Ⅳ⑴级和Ⅳ⑵级，中度和中度重污染。对健康有比较严重的影响
超过300：空气质量V级，重度污染。所有人的健康都会受到严重影响

 

美国版:

http://www.epa.gov/airnow/aqi_brochure_02_14.pdf

 

Each category corresponds to a different level of health concern:

• Good. The AQI value for your community is between

0 and 50. Air quality is satisfactory and poses little or no

health risk.

• Moderate. The AQI is between 51 and 100. Air quality

is acceptable; however, pollution in this range may pose a

moderate health concern for a very small number of individuals.

People who are unusually sensitive to ozone or

particle pollution may experience respiratory symptoms.

• Unhealthy for Sensitive Groups. When AQI values

are between 101 and 150, members of sensitive groups

may experience health effects, but the general public is

unlikely to be affected.

• Ozone: People with lung disease, children, older adults,

and people who are active outdoors are considered

sensitive and therefore at greater risk.

• Particle pollution: People with heart or lung disease,

older adults,1 and children are considered sensitive and

therefore at greater risk.

• Unhealthy. Everyone may begin to experience health effects

when AQI values are between 151 and 200. Members of

sensitive groups may experience more serious health effects.

• Very Unhealthy. AQI values between 201 and 300

trigger a health alert, meaning everyone may experience

more serious health effects.

• Hazardous. AQI values over 300 trigger health warnings

of emergency conditions. The entire population is even

more likely to be affected by serious health effects.

美国十个雾霾最严重的城市, 加州(CA)占了大多数.

 

2014年雾霾最严重的十个美国城市(按臭氧排名)
#1: Los Angeles-Long Beach, CA
#2: Visalia-Porterville-Hanford, CA
#3: Bakersfield, CA#4: Fresno-Madera, CA
#5: Sacramento-Roseville, CA
#6: Houston-The Woodlands, TX
#7: Modesto-Merced, CA
#8: Washington-Baltimore-Arlington, DC-MD-VA-WV-PA
#8: Dallas-Fort Worth, TX-OK
#10: Las Vegas-Henderson, NV-AZ

 

2014年雾霾最严重的十个美国城市(按年均PM浓度排名)

#1: Fresno-Madera, CA
#2: Visalia-Porterville-Hanford, CA
#3: Los Angeles-Long Beach, CA
#3: Bakersfield, CA
#5: Modesto-Merced, CA
#6: Pittsburgh-New Castle-Weirton, PA-OH-WV
#7: El Centro, CA
#8: Phoenix-Mesa-Scottsdale, AZ
#8: St. Louis-St. Charles-Farmington, MO-IL
#8: El Paso-Las Cruces, TX-NM

 

2014年雾霾最严重的十个美国城市(按短期峰值PM浓度排名)

#1: Fresno-Madera, CA
#2: Visalia-Porterville-Hanford, CA
#3: Bakersfield, CA
#4: Los Angeles-Long Beach, CA
#5: Modesto-Merced, CA
#6: Pittsburgh-New Castle-Weirton, PA-OH-WV
#7: Fairbanks, AK
#8: Salt Lake City-Provo-Orem, UT
#9: El Paso-Las Cruces, TX-NM
#10: San Jose-San Francisco-Oakland, CA

**环保标准高的地方空气质量就高吗？
不。加州环保标准在美国是最高的，但空气质量却不尽如人意。

原因：正因为空气差，所以要提高污染物排放（环保）标准。 标准已经很高了，空气质量随着标准提高有所改善, 但却仍然不尽如人意。 人口密度，机动车数量，地理，气候，森林火灾，雾霾的原因是复杂的。 所以排放标准要因地制宜。

**鸣谢
清华大学化工系各年级校友
清华大学化工系1991级校友
王晓明(机动车催化转化器)
赖桢(汽油柴油添加剂)
林崐崚(污染物来源分类)
马德成，陈晓霞, 沙云飞，李锦才