淺析機動車尾氣與煤炭燃燒對我國霧霾的影響

李佳璇

(西藏大學，西藏 拉薩 850000)

1 什么是霧霾

霧霾是霧與霾的混合體系，主要為相對濕度(RH)小于90%，能見度小于10 km的天氣現象[1]。

霧霾的主要污染物為PM2.5，指空氣動力學當量直徑小于等于2.5 μm的細顆粒物，其具體包含一次源、二次源，其中一次源包含揚塵所帶來的地殼元素氧化物，金屬冶煉時所釋放的重金屬化合物，眾多工業活動所排放的一次顆粒等。二次源指由污染源排放的氣態前體物SO2，NOx與揮發性有機物等形成的[1]。霾包含的顆粒物一般在0.01～10 μm左右，粒徑比較小，散射波長較長的波較多，所以霾一般呈黃色、橙灰色，還可能成為病菌的載體進入人體，危害健康。

2 我國霧霾的來源

霧霾的主要來源包括自然源和人工源。自然源包括火山爆發、土壤風化、沙塵暴、花粉、細菌等，以及各種有機物質的自燃過程等，它們都能引起空氣中顆粒物增多，而導致天氣陰沉能見度降低；一般由自然源產生的顆粒物數量大，對霧霾的形成貢獻率也較大，但由于其污染程度在大氣的承載范圍內，所以很快就能恢復[2]。

但近年來隨著人類活動的加據，污染程度越來越深，霧霾污染也越來越嚴重了。因為人類活動復雜，產生顆粒物的方式也有各種方式，可以將其分為三種大的類型：交通工具化石燃料的燃燒生成的、燒煤的電廠、水泥廠等工業和建筑業的揚塵產生的、各類服務業和人類生活中無序排放的。在這些過程中，會產生性質和種類各不相同的顆粒物，這些物質帶來的損害和影響也各不相同。如工業園中的鋼鐵產業排放的顆粒物富含Fe、Ca、Si、Mn等元素，有色冶金行業的顆粒物排放的與其相應的有色金屬元素等，這些重金屬顆粒物對人體健康與植物生長危害極大；我國的農業產生的大量農作物殘體、城市產生的大量垃圾等生物質在燃燒過程中產生大量的有機顆粒物，加重了霧霾的形成。

3 霧霾的危害

由于霧霾的顆粒物主要來源于機動車尾氣、燃料燃燒、餐飲油煙、工業生產及建筑揚塵等，顆粒物中可能會聚集大量的重金屬元素或者有機致癌物質，尤其是越小的顆粒物對環境和人體傷害越大[3]。

3.1 損害人類身體健康

霧霾中的固體顆粒PM2.5對人類危害最為嚴重，因為其直徑小于2.5 μm，而且成分復雜，進入肺部后，難以分解，導致人體代謝紊亂。近年來由于霧霾污染，使人患支氣管疾病、癌癥的幾率加大。據有關研究表明，PM2.5可攜帶重金屬污染物，其污染物分成致癌物和非致癌物。其中As、Cd、Cr、Ni等屬于致癌重金屬，可使人體組織細胞發生癌變；而Cu、Pb、Zn、Mn等屬于非致癌重金屬，可造成人體紊亂[4]。索丹鳳等[5]研究表明PM2.5對黑素細胞增殖、遷移、酪氨酸酶活性、黑素合成均有抑制作用，可造成毒性損傷。

3.2 對農作物的影響

據美國的外場觀測資料證實，高濃度的氣溶膠可以增加散射，使植物葉片受光更加均勻，一定程度上有利于植物的光反應。但當霧霾中含有的酸性顆粒物沉降到植物葉片表面時，會損傷葉片，堵塞葉孔，干擾代謝進行[6]。另一方面氣溶膠造成的晝夜溫差改變了農作物的水熱條件導致植物減產。污染物擴散到土壤中也會造成農作物減產，比如，土壤鎘累積4～5 mg/kg時，大豆和菠菜產量會下降25%。物質循環后，重金屬會富集到人體內[6]。所以霾污染也使未來農業生產面臨嚴峻挑戰。

4 有關霧霾產生的兩個重要因素的分析

4.1 機動車的尾氣排放

隨著經濟和生活水平的提高，城市化進程的加快，大氣污染越來越嚴重，其中機動車尾氣排放的污染就不容忽視。近年來，我國機動車總量日益增多，尾氣排放已經成為霧霾形成重要原因之一[7]。據北京大學環境科學與工程學院的調查分析，2018年北京市的機動車、燃煤、工業生產和揚塵對顆粒物排放的貢獻分別占了31.1%、22.4%、18.1%和14.3%，很明顯機動車占比較大[8]。另外，有研究表明，在我國重點城市群，機動車尾氣對PM2.5的一次排放和二次生成總貢獻達到30%，對機動車尾氣排放的改善迫在眉睫[9]。下圖是從2000年到2018年，中國私家車總量從625萬輛猛增到20574萬輛，汽車數量的猛增加劇了對大氣環境的污染。據有關分析表明，機動車尾氣能產生更多的碳黑顆粒物，在機動車的氣缸中汽油燃燒不完全，有機碳、一氧化碳、碳黑顆粒等污染物被排放到大氣當中，而大氣中的氮氣在汽缸中被氧化而形成的NOx。

圖1 2000-2018 年中國私人汽車擁有量

4.1.1 尾氣排放物對霧霾的影響機制

據研究，總PM2.5中機動車排放的顆粒物占5%～20%，如此可見必須要對機動車的排放進行控制。此外，由機動車排放出的NOx和VOCs與大氣顆粒物中的二次氣溶膠的形成密切相關。因為NOx、SO2和HC等是形成二次粒子的前驅體。在紫外光照射下NOx和HC會發生光化學反應，而生成大量O3，O3有強的氧化性。大氣中原本的SO2、NO2被O3氧化并形成硫酸鹽、硝酸鹽等微粒，這些微粒形成氣溶膠顆粒，從而使PM2.5濃度增加，加劇了霧霾污染出現的頻率。

以NO2為例，其光化學反應如下[10]

4.1.2 針對機動車尾氣的處理方法

目前國家對減少機動車排放采取的措施有很多，如2017年兩會期間李克強總理提出的“藍天保衛戰”中就提到了要“強化機動車尾氣治理；淘汰黃標車，加快淘汰老舊機動車；專項整治高排放機動車；鼓勵使用清潔能源汽車。”

從使用清潔能源來說，車用油的品質對我國機動車減排是否成功有重要意義。有研究表明，如果將汽油的硫質量比從450 mg/kg降到50 mg/kg，汽車尾氣中的SO2平均減少90%，NOx平均減少9%，CO平均減少19%，HC平均減少18%；將汽油中的烯烴的體積分數從20%降到5%，可使輕負荷車輛的臭氧峰值減少13%～25%，發動機排放的HC減少6%，NOx平均減少6%[11]。由以上數據可知，車用油的改善能根本的減少一次顆粒物排放和二次氣溶膠生產。目前我國多家企業和高校聯合開發了能深度脫硫和烯烴定向轉化相耦合的GARDES工藝技術和催化劑，為我國清潔汽油的生產提供了一條可行的途徑[10]。

另外，汽車安裝尾氣處理裝置，對改善尾氣污染十分有效。目前治理汽車尾氣采取的處理技術措施中就包括強制安裝三元催化器，使汽車尾氣排放得到一定程度的控制。三元催化裝置能將汽車尾氣排出的CO、HC和NOx等有害氣體通過氧化和還原作用轉變為無害的二氧化碳、水和氮氣的催化。但據調查發現，三元催化器對減少顆粒物的排放幫助不大，只有5%的顆粒物被吸附，而95%還是會排放到大氣中。所以目前研發的一種能減少汽車尾氣中顆粒物排放的消聲器，對減少霧霾污染是很好的選擇[12]。

4.2 煤炭消費對霧霾的影響

4.2.1 形成背景

近代工業發展以來，煤成為了我國發展重工業、生產電力的主要能源。從資源上來看，我國的煤炭資源總量大，但優質煤含量很少，導致在煤炭燃燒當中產生的大量灰分，利用率低下，增加大氣中的顆粒物等問題；另外大多數煤在燃燒前必須要進行脫硫處理，否則其產生的二氧化硫、氮氧化物排放到大氣中，會形成酸雨，在光化學作用下產生二次氣溶膠，成為霧霾形成的因素之一。

4.2.2 處理辦法與成效

由于我國多年來對煤炭的過度使用，由重化工業、火電廠、冬季取暖等高度依賴煤炭資源的各種企業、工廠排放的污染物已經遠遠超過大氣的環境承載力了[13]，而這些無法消散的污染物就以霧霾的現象呈現了出來，因此調整我國的能源結構是必經之路。

首先，為根本改善煤的排放就要減少煤炭的使用，從而將能源重點轉變到清潔能源和燃料中去。

實際上，我國對清潔能源的使用已經有了巨大的成果，據國家統計局近日發布的《第四次全國經濟普查系列報告之七》顯示，能源生產穩中有升，清潔能源發電比重上升。其中在電力發展中，清潔能源發電建設規模持續增大，發電量持續增加，2018年。例如，水力發電12318億kW·h，比2013年增 加3115億kW·h，5年間年均增長6.0%；核電連續5年保持15%以上增長。2018年，全國核能發電量2944 億kW·h，比2013年增長163.7%，年均增長21.4%；2018年，風力發電量3553 億kW·h，比2013年增長151.6%，年均增長20.3%，占全部發電比重為5.0%[14]。

其次，我國對煤炭的使用需求必定是難以徹底轉變的，所以提高燃煤的處理技術對提高煤炭的利用率和減少顆粒物的排放有根本性的作用。

對于高燃煤的工業而言，減少對煤炭的使用可能會降低企業的利潤，所以清潔燃煤、鍋爐改造和增加脫硫除塵設備的措施就必不可少了。“十三五”以來，國家對環保事業十分重視，針對鍋爐生產排放量大、污染嚴重的工業采取了鍋爐改造行動，來減少由過度排放產生的霧霾污染[15]，如王洪軍[16]，研究的低氮燃燒器+SOFA風+煙氣外循環的多重低氮措施，在正常工況下，可以使NOx排放值始終小于30 mg/m3。

許多排放較小顆粒物的工業要使用到除塵設備，使得這些污染物從排放氣體中分離出來。對于氣體污染物，可以采用催化、冷凝、吸收、轉化等方法。比如說對于含有二氧化硫的煙氣來說，可以采用化學脫硫方法對其進行氧化還原和液體吸收，使得其含量在排放的氣體中大大降低；對于含有二氧化碳的煙氣來說，就要減少燃煤量；一氧化碳較多的，就要使得煤炭盡量完全燃燒，使得一氧化碳轉化成二氧化碳，減少危害[17]。

另外針對北方供暖而產生的消耗大量煤炭資源的問題，華電企業提出了燃煤熱電聯產的供暖方式，這一方案有利于控制顆粒物排放和提高企業利潤。主要利用燃煤熱電聯產機組、燃煤鍋爐房改造成超低排放后，通過熱網系統集中向用戶供暖，從而使煤炭燃燒產生的污染物排放濃度基本達到燃氣機組的標準[18]。

5 結 語

目前由機動車尾氣和煤炭燃燒產生的顆粒物總量已經遠遠超過了大氣的環境承載能力，再包括其他因素的影響，霧霾污染是存在卷土重來的趨勢的，所以治理霧霾需要長久的堅持。從機動車尾氣和燃煤來說減少霧霾重現的可能措施主要包括，利用技術發展減少煤炭的使用、改善車用油，提高對霧霾組成成分的分析能力，才能源頭上減少排放，從本質上合理的規避風險。