柴靜沒有回答的問題，我來試試(二)

我在博客發表了一篇文章：  柴靜沒有回答的問題，我來試試(二)
http://blog.sciencenet.cn/blog-2470641-873291.html 
此文來自科學網洪建輝博客

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，我原先寫了一個PPT, 現在改為微博，所以你看了怪怪的，好像話說半句就沒有了。我打字慢，請大家原諒。但是，我幫你濃縮成簡單的問答，不是為你節省時間了？
 

第二，我把《 柴靜沒有回答的問題，我來試試（一） 》裏麵的內容包括進來,  內容有了重複，是為了對霧霾和PM2.5做一個完整的表述。

**霧霾和PM2.5
柴靜的《穹頂之下》沒有說清楚的問題

Jianhui Hong, Ph.D.
洪建輝
清華大學化工係1991級
燃燒,節能,環保,專利
2015
http://blog.sciencenet.cn/u/jianhuihong

 http://www.weibo.com/BlueSkyCHN

 

**內容提要
1.霧霾是什麽？
   早期曆史
   對健康的影響
2.霧霾是什麽造成的?
   已知汙染物清單
   顆粒和PM2.5
3.如何減少和消除霧霾?

**霧霾早期曆史
英國倫敦(霧都)
工業革命
大量燒煤
粉塵，煙，二氧化硫(SO2)

**霧霾這名字如何來的?
Smog = Smoke + fog  (英語單詞詞源, 並非指成分)
Dr. Henry Antoine des Voeux
1905年七月。
英國倫敦。
霧霾, Smog 的音譯加意譯，翻譯家古文造詣高。

 

**1952倫敦大霧霾
死亡人數: 四千
政府行動,立法執法

**霧霾是什麽？
霧霾是導致低能見度的，有毒有害的空氣懸浮物。

臭氧是氣態，由於和霧霾相伴相生所以常被包括在霧霾內。

霧是水滴, 霾是其他細顆粒(含煙, 塵, 液滴等等) 。

清潔的霧及水蒸氣可以由人類活動引起或加劇，但是對人的健康和環境無害。
無火不生煙 。  霧霾和燃燒關係密切。
燃燒產生的汙染物是霧霾的主要原因(有個別例外) 。
燃燒產生的汙染物是可以控製減少的。

 

**霧霾對健康的影響
霧霾對健康有嚴重的影響, 尤其對兒童，老年人，心肺疾病患者。
1. 臭氧(O3): 強氧化劑, 刺激呼吸道,心血管, 咳嗽，哮喘，氣短
2. 硫氧化物 , SOx (SO2 和 SO3):  和水反應生成亞硫酸(H2SO3), 硫酸(H2SO4)
3. 氮氧化物,  NOx (NO 和 NO2): 和水反應生成亞硝酸(HNO2),硝酸(HNO3)
4. 一氧化碳  (CO): 有毒氣體，窒息
5. 汞, 也叫水銀 (Hg): 對神經,消化,免疫係統,肺腎器官有害(世界衛生組織)
6. 鉛:  神經毒劑, 弱智
7. 黑碳(soot):  吸附其他毒素, 包括多環芳香烴(PAH),已知致癌物
8. 揮發性有機化合物（VOC)：刺激眼鼻喉,頭暈,嘔吐, 損害肝腎及中樞神經係統,已知對動物致癌, 對人體可能致癌

 

**臭氧對健康的影響
 

刺激呼吸道,心血管, 咳嗽，哮喘，氣短

 

哮喘

 

心血管發炎

 

 

**現在發達國家的霧霾是什麽造成的?
氮氧化物NOx +揮發性有機化合物VOC + 陽光,  產生臭氧O3
臭氧變成發達國家霧霾危害性的重要部分
氮氧化物NOx(NO和NO2): 產生亞硝酸(HNO2),硝酸(HNO3)

如果有氨氣排放, 生成亞硝酸銨(NH4NO2 ), 硝酸銨(NH4NO3)

硫氧化物SOx (SO2 和 SO3):  和水反應生成亞硫酸(H2SO3), 硫酸(H2SO4)
如果有氨氣排放, 生成亞硫酸銨(   (NH4)2SO3  ), 硫酸銨( (NH4)2SO4   )

發達國家SOx排放已經較低.
中國的SOx排放仍然較高.  

**霧霾是什麽造成的?
已知能導致霧霾的空氣汙染物 (排名順序不代表重要性):
1.硫氧化物SOx
2.氮氧化物NOx
3. 顆粒 PM,
4.揮發性有機化合物(VOC) 或碳氫化合物(HC)
5.一氧化碳CO
6. 金屬 (汞，鉛等)
7. 其他

**霧霾是二氧化碳排放造成的嗎?
不是。二氧化碳是溫室氣體。 與霧霾沒有直接關係。

**霧霾和PM2.5 有什麽關係?
霧霾 = PM, 空氣懸浮物顆粒.
PM 包含PM10.
PM10包含PM2.5.
PM2.5 分一次PM2.5和二次PM2.5 兩種.
一次PM2.5 由汙染源直接排放(煙,煤灰,塵), 是霧霾的部份成因.
二次PM2.5 在由汙染物在空氣中生成，是霧霾的重要成份.
氣體汙染物SO2/SO3不是PM2.5, 但在空氣中可以生成亞硫酸(H2SO3), 硫酸(H2SO4) 液滴, 變成PM2.5.

**PM是什麽?
Particulate Matter, 空氣懸浮物顆粒, 任何固體或液體顆粒
塵，土,
煤灰,
燃燒產生的煙(黑碳，碳黑),
液滴,
鹽,
酸,
冰,
金屬,
金屬氧化物

 

**PM10是什麽?
10微米以下的空氣懸浮物顆粒.
PM10包含2.5微米以下的空氣懸浮物顆粒.
2.5微米以上 10微米以下的顆粒稱為粗顆粒.
(2.5微米以下的顆粒稱為細顆粒).
粗顆粒來源： 粉碎，打磨，路麵揚塵, 工地揚塵.
PM10可以吸入呼吸道並積累.

 

**PM2.5是什麽?
2.5微米以下的空氣懸浮物顆粒, 也稱為細顆粒
細顆粒分一次細顆粒和二次細顆粒兩種
一次細顆粒由汙染源直接排放(煙,煤灰,塵), 是霧霾的部份成因.
二次細顆粒在由汙染物在空氣中生成，是霧霾的重要成份.
一次細顆粒可以促進二次細顆粒的形成
細顆粒對健康危害大，因為可以深入肺並進入血液

**霧霾解決方案
1. 建立汙染物清單;
2. 找汙染物源頭;
3. 立法執法;
4. 采用汙染物控製技術;
5. 監控空氣質量和公眾健康;
6. 研究霧霾機理;
7. 回到第一步，不斷循環，直到藍天再現
本解決方案原則上不因時間和地點而變化.  排放標準應該因地點而變化.
四麵環山，風吹不進，汙染物容易積聚，排放標準就要更嚴。

 

**1. 建立汙染物清單
已知能導致霧霾的空氣汙染物 (排名順序不代表重要性):
1.硫氧化物SOx
2.氮氧化物NOx
3.顆粒 PM,
4.揮發性有機化合物(VOC) 或碳氫化合物(HC)
5.一氧化碳CO
6. 金屬 (汞，鉛等)
7. 其他
不斷研究, 加深對霧霾機理認識，修改增加汙染物清單

 

**2. 找汙染物源頭
順藤摸瓜，由汙染物清單去找汙染源
各地,各工業門類排放總量統計
固定源
   發電廠鍋爐
   水泥廠
   鋼鐵廠
   熱水及蒸汽鍋爐(民用,商用,工業用)
   餐飲家庭
   農業燒梗
   煙花爆竹

移動源
   汽車卡車
   飛機
   船隻

 

**3. 立法執法
環保通常會增加企業成本.
環保標準
   社會能承受不作為的健康,環境和社會成本嗎?
   社會能承受環保成本嗎?
在市場競爭條件下，通常不能靠企業家和企業自覺自願 。

 

**4. 采用汙染物控製技術
4.1 脫硫(SOx)
4.2 脫硝(NOx)
4.3 除塵(PM)
4.4 一氧化碳(CO)排放控製
4.5 揮發性有機化合物(VOC)排放控製
4.6 脫汞(Hg)
4.7 其他

 

**4.1 脫硫(SOx)
任何燃燒過程都有可能產生硫氧化物
燃料燃燒前預處理
   燃煤標準
   燃油標準
   燃氣標準
燃燒後尾氣脫硫
   濕法脫硫(Wet Scrubbing)
   噴霧幹法脫硫(Spray Dry Scrubbing)
   濕法製硫酸(Wet Sulfuric Acid Process)
   其他

 

**4.2 脫硝(NOx)
任何涉及燃料和空氣的燃燒過程都有可能產生氮氧化物
燃料含氮
   煤
   柴油
高溫過程
低氮技術
   低氮燃燒器(low NOx burners)
   尾氣脫硝
       選擇性非催化脫硝法(SNCR)
       選擇性催化脫硝法 (SCR)
       其它

 

**4.3 除塵(PM)
任何燃燒過程都有可能產生PM
煤改氣
煤氣化
燃燒過程控製可以把煙和黑碳(smoke/soot)排放控製到極少。
除塵
   靜電沉降法(electrostatic precipitation)
   過濾(filter)
   其它

 

**4.4 一氧化碳(CO)排放控製
任何碳氫化合物燃燒過程都有可能產生一氧化碳
燃燒過程控製
   控製空氣/燃料配比
   改善空氣/燃料混合程度
   提高溫度或時間
催化

 

**4.5 揮發性有機化合物(VOC)排放控製
常見排放源
   加油站
   產品上漆
   工廠煙囪尾氣
   高架火炬
控製技術
   回收
   焚燒
   催化燃燒
   其它

 

**4.6 脫汞(Hg)
燒煤要麵臨的問題
控製
   活性碳吸附法
   其他化學物

**2015中歐美燃煤電廠標準, mg/m3

		中國(國標)	歐洲	美國
硫氧化物SO2	新建	100	200	160
	現存	200/400	400	160/640
氮氧化物NOx	新建	100	500/200	117
	現存	100/200	500/200	117/160/640
顆粒PM	新建,現存	30	50	22.5
汞Hg	新建	0.03	-	0.001
	現存	0.03	-	0.002

 

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

 

 

**燒煤炭可以做到清潔嗎?
可以。
采用汙染物控製技術, 燒煤可以做到清潔。
2015年中國燃煤電廠標準(九地區地方標準)
脫硫: SOx  <  50 mg/m3
脫硝: NOx  < 100 mg/m3
除塵: PM   <  20 mg/m3
脫汞: Hg   <  30 µg/m3

 

**燒天然氣就一定清潔嗎？
清潔是相對的。 比起燒煤燒油，燃燒天然氣產生的硫氧化物和 PM通常要低得多。 但是，燃燒天然氣產生的NOx仍然可以比較高，除非采用低氮燃燒技術。

 

NOx排放濃度
燒煤    : 600 - 100 mg/m3
燒油    : 400 - 80 mg/m3
燒天然氣: 200 – 12 mg/m3

2008奧運前:燃煤燃燒器(>400 mg/m3) 換燃氣燃燒器(~200 mg/m3)
2015/2016: 換低氮燃氣燃燒器 80-60 mg/m3
2017/2018: 換超低氮燃氣燃燒器 18-12 mg/m3 (預測)

**我們應該用天然氣取代煤和油嗎？
應該有條件的部分取代。 如果有足夠的供應量，價格可以承擔，有足夠多的良好的輸送管道的條件下，可以增加天然氣用量, 特別是在汙染嚴重的大城市 。
美國天然氣供應量充足， 但東北地區(特別是紐約市)由於輸送管道老舊不堪,采暖鍋爐仍然無法全部采用天然氣,鍋爐仍然大量采用燃油。

**機動車汙染物排放
機動車汙染物
   1. SOx
   2. NOx
   3. THC (Total Hydrocarbon)
   4. CO
   5. PM
控製方法
   燃油標準(脫硫)
   燃料添加劑
   催化轉化器: 三元催化器, 四元催化器, 柴油顆粒捕集器,柴油氧化型催化器

**汽油標準
2000年1月1日起，汽油質量升級為國標GB17930-1999，汽油中硫含量由不大於1500ppm降低至1000ppm以下（其中北京、上海和廣州於2000年7月1日起執行硫含量不大於800ppm，到2003年1月全國汽油中的硫含量全部都執行不大於800ppm）；
 

2005年7月1日起，全國執行汽油中硫含量不大於500ppm（即國二）；
 

2010年5月1日，全國升級為國標GB17930-2006，即國Ⅲ汽油標準，汽油中硫含量降低至150ppm以下；
 

2014年1月1日起，全國升級為國標GB17930-2011，即國Ⅳ汽油標準，汽油中硫含量降低至50ppm以下。

將是2018年1月1日起，汽油硫含量將降低到10ppm，即國Ⅴ標準。我國2013年1月發布國五油品標準，要求自2018年1月1日起在全國範圍內全麵執行。

**柴油標準
2000年，相當於歐I柴油標準的GB 252-2000國家輕柴油標準開始實施，硫含量2000ppm以下；

2003年10月1日，相當於歐Ⅱ標準的GB/T 19147-2003國家車用柴油標準開始實施；

2011年7月1日起，執行相當於歐Ⅲ標準的GB 19147-2009國家車用柴油標準，硫含量不大於350ppm;

2015年1月1日起，執行相當於歐Ⅳ標準的GB 19147-2013國家車用柴油標準，硫含量不大於50ppm；

硫含量小於10ppm、相當於歐V的GB 19147-2013國家車用柴油標準，將於2018年1月1日實施。

 

**美國有霧霾嗎？
美國權威機構American Lung Association 報告: 美國41%的人生活在霧霾裏. 不過， 該機構用的標準很苛刻(2012年美國EPA標準：年標準值為12 μg/m3，24小時標準值為35 μg/m3, 一個地方隻要年均或任何日均值任何一個超標就算不達標. 如果按照這標準，中國許多大城市超標數倍，甚至十幾倍，該城市受影響人數100%。)***。美國的霧霾比起中國要輕得多。

 

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

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


**空氣汙染指數

簡單的講，就象高考標準分（倒過來）：

最低0分，空氣完美；
100分，空氣一般（正好達標，但標準是人定的，因時間而異，因國家而異,  美國趨勢是往下修訂）；
最高500分，空氣糟透了。

AQI是對每種汙染物而異。

AQI PM10;  

AQI PM2.5;

AQI NOx;

AQI SOx;

AQI CO;

AQI O3.  

 
空氣汙染指數, 英文縮寫：AQI, Air Quality Index，可分六檔 (中國版)
0-50： 空氣質量I級，優，無汙染
51-100： 空氣質量Ⅱ級，良，對健康無危害
101-200：空氣質量Ⅲ⑴級和Ⅲ⑵級，輕微汙染和輕度汙染，對敏感人群有危害
201-300：空氣質量Ⅳ⑴級和Ⅳ⑵級，中度和中度重汙染。對健康有比較嚴重的影響
超過300：空氣質量V級，重度汙染。所有人的健康都會受到嚴重影響

 

美國版:

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.

美國十個霧霾最嚴重的城市, 加州(CA)占了大多數.

 

2014年霧霾最嚴重的十個美國城市(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年霧霾最嚴重的十個美國城市(按年均PM濃度排名)

#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年霧霾最嚴重的十個美國城市(按短期峰值PM濃度排名)

#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

**環保標準高的地方空氣質量就高嗎？
不。加州環保標準在美國是最高的，但空氣質量卻不盡如人意。

原因：正因為空氣差，所以要提高汙染物排放（環保）標準。 標準已經很高了，空氣質量隨著標準提高有所改善, 但卻仍然不盡如人意。 人口密度，機動車數量，地理，氣候，森林火災，霧霾的原因是複雜的。 所以排放標準要因地製宜。

**鳴謝
清華大學化工係各年級校友
清華大學化工係1991級校友
王曉明(機動車催化轉化器)
賴楨(汽油柴油添加劑)
林崐崚(汙染物來源分類)
馬德成，陳曉霞, 沙雲飛，李錦才