雾霾是什么原因造成的危害（科学家解释造成雾霾的真相）
三、2013年前后与大气污染物排放相关的唯一突变因素，是在新的大气污染物排放标准和脱硝电价加价政策刺激下的燃煤烟气治理大规模改造
1、常规污染物治理取得辉煌成绩，监测和控制指标国际领先，但导致雾霾大爆发的可凝结颗粒物等是缺项
即使到今天，燃煤烟气治理的主要目标还是延续过去治理酸雨的二氧化硫、氮氧化物、烟尘（可过滤颗粒物）等常规污染物。从2007年开始至今，电力行业的氮氧化物和二氧化硫排放已经下降90%，全社会而言也有大幅度持续下降，排放指标达到国际先进水平。但对标国际标准，可凝结颗粒物等是缺项，也是导致雾霾的主要污染物。
2、2011年之前，燃煤烟气治理设施中部分有GGH或者运行率相对较低，类似干烟气排放模式；该阶段雾霾发生的频次属于常规变化，没有突变。
在2011年之前，部分湿法脱硫设施有GGH，许多已经存在的烟气治理设施运行率很低。因此，二氧化硫排放量下降较慢，而氮氧化物还没有开始减排。这期间华北平原的霾和雾天数之和仍然比较稳定，没有发生突变。
2011年出台大气污染物排放新标准，并借鉴2007年开始脱硫电价加价取得的二氧化硫和烟尘大幅度下降的成功经验，推出针对氮氧化物的脱硝电价加价政策，并实行严格的实时在线监控和偷排重罚政策，关键时间节点是2013年1月1号开始。原本是要重现2007年的辉煌，但燃煤烟气治理缺陷导致事与愿违，常规污染物排放急速下降，但其治理过程中产生的次生污染物导致雾霾大爆发，危害更严重。
3、2012年是燃煤烟气治理设施集中改造年，许多企业因为GGH存在结垢和烟气泄漏不达标问题而被拆除，新增加或开始正常运转的大量湿烟气排放设施，新上大量氨法脱硝设施，燃煤烟气治理设施发生突变
这一年发生的突变主要有：
- 原来部分有GGH的湿法脱硫设施被取消GGH，干烟囱变成湿烟囱，干烟气排放变为湿烟气排放
- 原来没有GGH及后来新建湿法脱硫设施多数都没有GGH，为湿烟气排放
- 2012年开始大规模脱硝改造，湿法脱硫设施与脱硝串联运行
- 企业为了实现比国际水平严格得多的氮氧化物排放标准，过量喷氨，增加催化剂层数，加大了二氧化硫转化成三氧化硫的比率；过量的氨与三氧化硫优先进行酸碱中和反应生成硫酸氢铵。这也可以从目前脱硫粉煤灰中含有大量氨盐得到证实
- 2012年底后，实时在线监控、有力的刺激政策及偷排惩罚措施叠加，彻底扭转2011年之前连续几年烟气治理设施运行率较低的问题，湿烟气排放量暴增
4、从取消GGH带来的变化，可以简要说明燃煤烟气治理缺陷是导致雾霾发生的重要原因之一
取消GGH后发生的突变主要有：
- 取消GGH后，监测数据显示，造成超细颗粒物数浓度几十倍增加
- 取消GGH后，湿烟囱可能造成超细颗粒物数浓度成百上千倍的暴升。GGH在加热烘干脱硫后湿烟气时，是在相对密闭的空间里进行的，换热过程会造成烟气剧烈紊流，烟气中的气溶胶会相互撞击长大，压力也比较高，颗粒形状会更近球形，而且密度会比较大，比表面积会相对小；而取消GGH后的烟气排入大气后显著减少了相互撞击长大的机会，而且颗粒物生成过程是自由无压力状态，生成的颗粒物形状疏松，密度小，颗粒小，比表面积大，更容易在大气中长期悬浮富集（孙中强团队诊断沈阳暴发雾霾的原因）
- 取消GGH后，脱硫塔内工艺条件变化，脱硫塔入口烟气温度上升，有些脱硫设施造成超细颗粒物数浓度增加10-100倍，在实施超低排放改造前都直接排入大气中
- 取消GGH后，排烟高度降低一半，污染物最大落地点浓度增加一倍（有的话）
- 取消GGH的湿烟囱在当时都普遍出现石膏雨。而在天气好的时候，不一定有石膏雨，因为脱硫液落不下来，都在天上了。气象条件适合时，重雾霾就会产生。除雾器堵塞，烟气流速或烟囱设计不合理，都属于烟气治理设施的缺陷。
仅仅上述变化造成的PM2.5数浓度变动，就达到下限为上百倍的突变，雾霾不大爆发都困难。取消GGH，暴露出了很多雾霾大爆发的原因。如果所有烟气治理设施都有GGH，处于干烟气排放模式，雾霾不一定会爆发。至于GGH烟气泄漏或结垢问题，属于产品质量问题，一些进口设备就不存在这类问题。如果标准过低导致拆除GGH，则是排放标准存在缺陷，就像氮氧化物标准太低导致过度喷氨类似。
5、2013年前后湿烟气排放、取消GGH、脱硝等烟气治理带来的突变
2013年前后湿烟气排放、取消GGH、脱硝等烟气治理带来的突变还有：
- 湿法脱硫脱硝后的湿烟气中，有粒径极小、数量极大的可凝结颗粒物（CPM）
- 脱硝氨（或铵根）全生命周期排放，为以盐为主的霾的生成，提供了原来缺乏的碱性物质
- 湿烟气中有极小的雾滴被机械携带，雾滴中有水溶性盐
- 湿法脱硫后的湿烟气，增加了低温时段大气相对湿度，促进致霾气象条件更多更快形成和持续时间增加
- 湿烟气形成的烟羽有很好的形成硫酸盐的条件，并在其中形成新的超细颗粒物
- 非常规超细颗粒物在干燥和寒冷的北方秋冬季节长时间累积和传输，表现出数浓度极高，但质量浓度很低
- 在湿度大的静稳天气，大气中长时间不衰减累积的数浓度很高的超细颗粒物开始凝并，数浓度快速降低，粒径变大，质量浓度迅速升高，并表现出明显的雾霾状态；同时也作为温床和加速器，促成二次细颗粒物的形成；通常是暴发雾霾，有时也可能随着气象条件转好，使得质量浓度高的颗粒物又隐形，看上去天气好转
- 燃煤烟气治理设施密布的雾霾重点区域，平时每个城市都是超细颗粒物的策源地和输出地，也是相邻城市随风而来的细颗粒物的输入地，在同一个大气场内的城市，细颗粒物能很快进行混合，难以分出是自身产生的或是传输来的，除了禁煤区很大的北京。
- 雾霾发生时多为静稳天气，空气流动缓慢，当地的燃煤烟气治理缺陷导致的非常规污染物，能够迅速加剧当地的雾霾程度；而北京等禁煤区则不会受此拖累
上述因素最终体现在PM2.5数浓度相对雾霾大爆发前的飙升。
图4 雾霾暴发前后PM2.5数浓度和质量浓度的变化趋势
（图4为北京2013年9月一场雾霾的形成情况，在以PM2.5质量浓度为代表的雾霾发生之前，PM2.5的数浓度非常高，而在雾霾发生时，由于超细颗粒物凝并、二次复合等，PM2.5数浓度大幅度下降，质量浓度大幅度上升。在雾霾大暴发之前极高的PM2.5数浓度，其来源是雾霾大暴发主因的重要线索。图中显示出了PM1的组分分析结果。资料来源：An et al. (2019).PNAS.）
6、常规污染物治理的技术和管理缺陷，引发非常规致霾污染物排放暴增，表现为大气中PM2.5数浓度暴升，导致2013年开始雾霾大暴发，并持续至今
采用有缺陷的燃煤烟气治理设施和管理措施治理常规污染物，引发大气中未被监测和控制的非常规致霾污染物排放暴增，表现为大气中PM2.5数浓度暴升，导致2013年雾霾大暴发，并持续至今。显然，雾霾是治理常规污染物过程中，因为技术和管理缺陷造成的次生人为灾害，是人为失误造成的人为灾害，不可能是气象灾害。
图5 雾霾天数与湿法脱硫的煤炭消费量高度相关
这些非常规污染物包括可凝结颗粒物（CPM），脱硝过量喷氨导致的多种形式氨/铵排放，溶解固形物被机械携带、取消或没有GGH后湿烟羽中形成的超细颗粒物等。
7、并非PM2.5质量浓度变化或突变，导致雾霾大暴发
PM2.5质量浓度从2007年开始，呈持续下降趋势，雾霾大暴发前的2010年到开始大暴发的2013年，基本处于平台期。其年度平均浓度没有出现多大变化，这也是一些人否认2013年真的有雾霾大暴发的依据。实际上，进一步统计北京每年的每小时PM2.5大于300的小时数，2013年是2012年的2倍，也表现出突变。可见2013年开始雾霾大暴发，不是人们观念的改变或错觉。
图6雾霾天数和PM2.5质量浓度的变化在2012年之前相似，2013年后因围绕PM2.5质量浓度的大气污染治理彻底脱钩
四、2015年以后开展的超低排放改造是常规污染物的深度减排，仍有足够多的致霾非常规污染物排入大气，并造成雾霾，只是程度有所减轻
1、超低排放是过去有酸雨时治理酸雨主要措施的加强版，并非针对雾霾治理
超低排放改造仍然是针对导致酸雨的常规污染物更低排放标准的深度减排，对非常规污染物减排作用不大。因此，超低排放改造之后，仍有足够多的可凝结颗粒物不被控制的排放到大气中，成为大气中一次超细颗粒物的主体，也是特定气象条件下二次颗粒物形成的温床和加速器。超低排放改造的综合效果，表现为霾、雾、轻雾天数仍在突变后的高位徘徊。
有人以还有好多燃煤设施没有进行超低排放改造，可能继续导致雾霾，为超低排放改造开脱责任，是站不住脚的。超低排放改造减少了大量污染物的排放，这也能够反证2013-2014年为什么雾霾大爆发。但是超低排放改造与改造之前的湿法脱硫脱硝相比，在非常规污染物排放方面，没有多少实质性的改善，也不是治理的目标，属于五十步笑百步。
2、考虑可凝结颗粒物后，严格的北京超低排放标准下，颗粒物浓度也超过5毫克的北京标准
在超低排放完全实现，标准也非常严格的北京，燃煤设施可过滤颗粒物（FPM）排放极低。但加上可凝结颗粒物后，也超过北京的颗粒物排放质量标准。而中国环科院任院士提供的北京之外若干设施的检测数据显示，仅仅可凝结颗粒物平均浓度就达每立方米13.9毫克，远远高于北京市。即使达到超低排放的一些燃煤发电机组，PM2.5或PM1.0质量浓度很低，但其数浓度并不比PM2.5质量浓度很高的锅炉低多少。
3、权威专家评价：超低排放评价显著低估了颗粒物的实际排放水平
即使检测出上述北京超低排放水平很高的权威专家，在公开发表的文章中也评价到：我国现行污染物排放标准，颗粒物指标专指FPM，没有考虑粒径极小、数量极大及特定气象条件下雾霾暴发成因的CPM。可见，超低排放评价显著低估了颗粒物的实际排放水平。
这一判断与我们这几年的研究一致。
4、目前重点区域基本完成超低排放改造，能见度低的霾、雾和轻雾天数按照PM2.5质量浓度相对雾霾大爆发之前下降50%推算天数的十几倍，而不是一半；显然，相对雾霾治理，超低排放并非对症下药
按照PM2.5质量浓度已经下降到雾霾大暴发前的50%，霾、雾和轻雾天数应该是雾霾大暴发前的一半，山东省平均应该在15天左右，但实际天数至今仍是这个数值的十几倍，令人难以置信。导致能见度低的超细颗粒物，粒径极小，但对健康的影响一点也不小，甚至更要命，需要根治。
五、煤炭消费总量、散煤燃烧量、机动车排放等常规变量，在2013年前后都没有突变，不可能导致雾霾大暴发
1、煤炭消费量在雾霾大暴发前后没有大的变化
2001-2006年PM2.5质量浓度随着煤炭消费量上升而同步上升，2007年开始二者已经脱钩。
一般而言，对煤炭消费量的控制，有利于降低PM2.5的质量浓度。但2007年开始的脱硫除尘，使得二者基本不再相关，煤炭消费量已经不是导致PM2.5浓度升高或发生雾霾的关键变量。如沈阳等一些城市煤炭消费量早就从2000年开始大幅度下降，但在2013年仍然暴发极度严重的雾霾，也能够略见一斑。
如果没有外部因素发生突变，雾霾天数会沿着图7中红色箭头方向变化，略微增长。如果进一步考虑2012年后单设的轻雾天数，雾霾天数的突变比图7中蓝线还会高一倍多。这是找到雾霾大暴发的钥匙，但由于当时数据难以拿到，错失搞清楚主因的机会。
图7 雾霾天数与煤炭消费量变化趋势
（图7为山东省煤炭消费（黑线）和雾霾天数（蓝线）变化，2013年前后煤炭消费量没有多大变化，但雾霾天数则发生突变。因此，雾霾大暴发不可能是由于煤炭消费量突变引起的。）
2、其他常规变量都没有发生大的变化，即使其对当地PM2.5质量浓度贡献一直很大
散煤燃烧，可能雾霾大暴发之前烧的更多。减少农村散煤采暖、减少产业散煤燃烧等措施，有利于PM2.5质量浓度的下降，但也不是雾霾大暴发的原因。
机动车，就华北平原而言，一直在按照常规增长，其排放不可能引起突变。
建筑工地可能是PM10的主要来源，而不是PM2.5的主要来源。
燃煤发电机组或锅炉数量及其燃烧技术，在2013年前后也没有多大变化，不可能引起突变。
其他变量，如钢铁产量、电解铝产量、建材产量等以及经济产出变量都没有发生大的变化，都是正常范围内的变化。
图8 不同大气污染相关变量的变化率比较
（图8中只有霾和雾霾天数之和发生突变（不包括轻雾天数）。其他经济变量或重点耗能产品产出变量在2013年前后都是常规变化，没有任何突变。如果包括轻雾天数，更是难以置信）
3、华北平原较大城市市区或作为禁煤区的北京，机动车的排放有时可能是主要细颗粒物来源，但燃煤烟气治理产生的一次和二次颗粒物在每次的雾霾暴发前就已经随风迁入，燃煤烟气治理缺陷对其影响也不小
在北京这种周围有很大禁煤区的特殊城市或华北平原较大城市市区，机动车有可能在一定时段成为超细颗粒物的主要来源。
但是，由于北京几个方向的非禁煤区，都有大量的燃煤烟气治理设施，其排放的超细颗粒物能够在大气中长时间累积并随风漂移，足够引起雾霾发生。
雾霾发生前的风向或卫星反演，都能够显示这种超细颗粒物输送。可见，燃煤烟气治理缺陷也照样影响北京，只是程度小一些。北京没有煤炭燃烧，也就没有燃煤烟气治理设施，不会因为烟气治理的缺陷直接加快、加重当地的雾霾。
北京周围有很大的禁煤区，北面也属于山区，其雾霾治理与华北平原其他区域有很大的差别。主要是因为雾霾由燃煤烟气治理缺陷引发，北京作为禁煤区肯定大大好于非禁煤区。过去的奥运蓝、APEC蓝等也说明这个问题。禁煤区离北京越远，效果越好，因为每次雾霾即将暴发前和暴发中的时候，当地产生的致霾污染物对当地雾霾暴发影响很大。
搞清楚哪些因素可能是雾霾大暴发的原因，哪些不是，对于实现精准高效的雾霾治理很关键。
4、煤炭消费总量与PM2.5质量浓度2007年开始脱钩，以此为抓手治霾，并非精准
煤炭作为第一次工业革命蒸汽机和第二次工业革命电力的基础能源，逐渐成为在开发和利用过程中破坏生态环境和危害公众身体健康的代名词。但是，中国煤电作为煤炭消费最大部分，二氧化硫和氮氧化物排放量比其峰值下降90%，烟尘下降幅度也很大，达到国际领先水平。目前，供热、钢铁、焦化等在华北平原等重点区域已经基本实现超低排放。理论上这些区域的主要耗煤领域应该摆脱了污染环境、危害健康的诅咒，但事实并非如此。
2013年中国北方大面积严重雾霾突发，山东省雾霾天数连续两年翻番式上升，北京和济南的PM2.5质量浓度和前三年比没有明显变化。一般认为，PM2.5是雾霾产生的主要原因，但其内涵包括两个部分，一是质量浓度，而是数浓度。
2012年至今，PM2.5质量浓度下降50%。但是，以能见度为特征的霾、雾和轻雾的天数没有下降多少，仍在雾霾大爆发后的高位运行。结合湿法脱硫脱硝后的燃煤烟气治理导致PM2.5质量浓度降低，但PM2.5数浓度几十或上百倍暴升的证据，可以判断是PM2.5的数浓度导致2013年开始的雾霾大爆发，而不是质量浓度。
从煤炭消费量与PM2.5质量浓度的关系看，2001-2006年间二者同步增长，相关性很高。PM2.5质量浓度则是2006年达到峰值，之后逐渐下降。主要是这一段时间煤炭消费量快速增长，但相应的烟气治理技术没有跟上，除尘水平都较低。2007年到2013年，煤炭消费量在增加，并达到峰值，但PM2.5质量浓度不再增长，而是持续下降。
2010-2013年，PM2.5质量浓度处于下降中的平台期。2013年之后PM2.5质量浓度则比雾霾大爆发前后的平台期下降50%。华北平原煤炭消费总量2013年之后处于稍微下降趋势；山东省的煤炭消费量还在增长，直到2019年。
2013年雾霾大爆发的原因是CPM排放、过度喷氨、含有水溶性盐的气溶胶和雾滴、湿烟囱排放的过量水汽等非常规污染物导致的PM2.5数浓度的暴升几十甚至到上百倍所导致的。
专家认为，PM2.5数浓度对人体健康和生态的影响更为关键和重要。在特殊的燃煤烟气治理技术和管理措施突变下，PM2.5质量浓度没有多大变化，但数浓度暴升上百倍，从而造成2013年开始的雾霾大爆发。这个暴升是因为湿法脱硫脱硝等技术缺陷、标准缺失和监管缺位等共同造成的烟气治理环节的次生污染或次生灾害，并非是煤炭消费量或PM2.5质量浓度变化所致，这是必须认清的雾霾大爆发的根本原因。否则，治霾很难对症下药。
严格控煤措施形成的煤炭消费总量小幅度下降，能够对PM2.5质量浓度起一点作用，但因为2007年二者就脱钩，所以作用很小；而相对雾霾天数几倍，或PM2.5数浓度几十倍甚至上百倍的变化，煤炭消费总量微小的变化作用不大。类似沈阳2013年雾霾大爆发，煤炭消费量当时已经比2000年前后下降很多。可见，通过控煤来治霾，并非对症下药。针对燃煤烟气治理缺陷造成的次生污染，才是快速、低成本、高效治霾的关键。