（一）那些行业排放大量的烟气及污染物
1、那些产业生产过程会产生大量的烟气
根据对我国主要产业生产过程分析，煤炭生产与炼焦、钢铁生产、水泥建材生产、火力发电等。这些行业都具有生产量巨大、以煤炭作为主要能源并通过燃烧产生大量烟尘，烟尘中的固体颗粒等污染物一般采用电除尘或布袋除尘、烟气一般采用湿法脱硫方式等共同特性。
按能源消耗量和烟气排放量排序，火力发电、钢铁生产、煤炭生产与炼焦等产业基本相当；从污染物排放量分析，煤炭生产与炼焦、钢铁生产、水泥建材生产、火力发电等产业基本相当；从污染物对环境的影响方面分析，钢铁生产、水泥建材等产业比火力发电产业更加严重，因为火电厂的烟气排放点相对集中、排放的高度也更高。
3、进行产业烟气排放量分析的目的
因此对火电发电烟气及烟尘的分析同样适用于其他产业。
（二）火力发电烟气分类及作用
本文将火力发电厂的烟气分为锅炉烟气和烟筒烟气两类。其中：
1、锅炉烟气没有进行污染物处理，用于污染物治理过程分析；
2、烟筒烟气直接排放至大气，是环保部门直接监测的污染物。
（三）电厂锅炉烟气主要成分及污染物分析
对于固态排渣燃煤电厂而言，烟气主要构成是二氧化碳和氮气，其中二氧化碳是燃烧产物、氮气是助燃空气主要成分。烟气中主要污染物包括固体颗粒、硫化物、氮氧化物、汞及化合物、水蒸气等。
根据联合国控制温室计划，二氧化碳的排放量是主要的控制指标；根据国家酸雨控制规划和标准，二氧化硫是主要控制指标；根据国家大气污染防治法规，固体颗粒是主要控制指标。
火电厂主要污染物排放的控制执行国家强制标准，即《火电厂大气污染物排放标》（GB-13223-2011）。
火力发电大气污染物排放主要控制指标见下表。
硫化物包括二氧化硫和三氧化硫，目前二氧化硫经过脱硫处理，去除量已经超过90%，对酸雨的影响可以基本不予考虑。但剩余二氧化硫和三氧化硫对雾霾严重程度有一定的影响，主要是原因由于硫化物是易电离气体，雾霾发生时候可以与水结合成为带电离子，增加大气的密度，只是影响程度不如固体颗粒严重。
水蒸气不是污染物，但对雾霾雾霾程度有重要的影响。固体颗粒数量是影响大气污染的主要指标，应对固体颗粒进行详细的分析。
（四）电厂锅炉烟气固体颗粒特征分析
1、火力发电烟尘总量分析
我国火电厂主要机组均采用煤粉炉，固态排渣方式。因此火力发电厂所有的燃煤都要磨制成很细的煤粉，采用悬浮燃烧方式，这种燃烧方式产生的烟尘（固体颗粒）量很大，占燃煤总灰分的90%以上。
根据中电联发布的2016年电力行业数据。2016年全国火电机组发电量3.9亿千瓦时，火电机组平均供电煤耗312克标煤/千瓦时。
如果按常用的热值为5000大卡，灰分为20%大同原煤折算，发电厂厂用电率6%考虑，那火电厂每生产1千瓦时电力消耗412克大同煤，产生74克固体颗粒。如果全年火力发电3.9万亿千瓦时，平均每小时火力发电4.45亿千瓦时，则每年火力发电产生的烟尘（固体颗粒）3.3万吨。
2、火力发电固体颗粒特性分析
火力发电采用煤粉悬浮燃烧方式，为了确保燃烧效率，锅炉系统设计了功能强大的煤粉制备系统，燃煤要经过研磨制成细度合格的煤粉再送入炉膛燃烧，这样虽然燃煤得到了充分利用，但烟尘的颗粒很小，给烟气除尘工作带来非常大的困难。
火力发电产生的固体颗粒一般在100微米以下，按空气动力特性可将其分为100微米以上、100-10微米、10-2.5微米、2.5-1微米和不可检测微粒5个组别，各组别的重量占比没有固定飞占比。
由于生产现场检测手段的限制，对10微米以下的固体颗粒不能有效的进行检测。但是考虑到火电厂特殊的燃烧方式，10微米以下的固体颗粒的数量会相当庞大。
根据火电厂烟尘固体颗粒特性曲线及火力发电生产实际，特别要考虑10微米以下微粒的影响。因为这些不可检测微粒通过脱硫装置时，受脱硫系统湿烟气影响就可能与水结合形成较大微粒，由不可检测的细小微粒变成PM2.5或PM10微粒，成为助推雾霾的主要污染源。
火力发电烟气中固体颗粒分级估算见下表：
3、大气固体颗粒的沉降方式
大气学把固体颗粒沉降分为干沉降和湿沉降两种，但主要还是通过湿沉降方式回归地面。其中，大气中固体颗粒通过干沉降回归地面的占10-20%，通过湿沉降回归地面的占80-90%。
4、大气固体颗粒干沉降特性
大气中固体颗粒干沉降特性可以清楚的说明固体颗粒的浮力特征，环保部门把10微米以上的固体颗粒称为“降尘”，把10微米以下的固体颗粒称为“飘尘”。固体颗粒重力沉降特性见下表。
通过上表数据分析可见，当固体颗粒的直接小于10微米的时候，他是悬浮在空气中的、或者说他已经是大气中的一部分了。
如果用这个基本概念去分析锅炉烟道中流动的烟气，则小于10微米的固体颗粒是不能通过重力沉降与烟气分离，这一点对雾霾研究非常重要。
（一）火力发电烟气尘埃排放标准
对烟气中的污染物进行治理是确保大气质量的前提条件，我国电力行业很早对烟气的排放进行控制。早期的电力工业部和后来的环保部先后出台多个版本的《火电厂大气污染物排放标》，对烟尘中的尘埃含量进行限制。火力发电烟气尘埃控制原则，是以烟尘影响范围降尘数量和大气PM10浓度能否满足当地大气质量要求进行评价。
根据社会对大气环保要求和电除尘器设备生产技术的发展，火力发电烟尘控制指标越来越严格，从下表可以看出变化规律。
（二）电除尘器工作原理
我国火力发电机组烟气处理普遍采用静电除尘器，其工作原理是在两个曲率半径相差较大的金属阳极和阴极上，通过高压直流电，维持一个足以使气体电离的静电场，气体电离后所产生阴离子和阳离子，吸附在通过电场的固体颗粒上，使固体颗粒获得电荷。荷电极性不同的固体颗粒在电场力的作用下，分别向不同极性的电极运动，沉积在电极上，而达到固体颗粒和气体分离的目的。电除尘器捕获固体颗粒包括五个主要过程：
第一：烟气被电离产生大量带电离子；
第二：固体颗粒被荷电过程；
第三：被荷电的固体颗粒被受引力作用向极板移动过程；
第四：固体颗粒被极板捕获并中和形成不带电颗粒过程；
第五：固体颗粒在重力的作用下沉降至灰斗过程。
（三）电除尘器工作效率
电除尘器的效率理论上设计很高，许多资料介绍和电除尘器生产厂家都宣称其效率高于99%。能够铺集0.01微米以上的细粒粉尘。但是电除尘器的实际运行的效率能不能达到厂家宣称的99%？答案是肯定不能，这可以从下几个方面进行说明。
1、从电除尘器工作原理分析其效率
根据电除尘器的基本原理，电除尘器极板捕获的固体颗粒都要在重力的作用之下沉降至灰斗，因此对于直径10微米以上的固体颗粒的去除效率可以达到99%以上；但对于直径10-2.5微米的固体颗粒而言，其下降过程会被烟气流扰动会有相当一部分烟气里；对直径2.5微米以下的固体颗粒基本不会有太大的作用。
如果考虑PM2.5的影响，电除尘器的理论效率远远低于厂家宣称的99%，根据火力发电固体颗粒特性分析，其针对全部固体颗粒的效率超不过95%。
2、电除尘器效率的现场检测方法
电除尘器现场效率试验按照《固定污染源排气中颗粒物和气态污染物采样方法》（GB-T-16157-1996）、《电除尘器性能测试方法》（GB/13931-2002）和《锅炉烟尘测试方法》（GB5468-91）执行。
电除尘器现场效率的检测是一个十分复杂的检测过程，其准确性受到诸多方面的影响。其中：
①会受到锅炉运行参数变化、灰斗除灰操作等运行方面的干扰；
②受到烟气取样代表性的影响；
③受到试验人员取样同时性等诸多人为因素的影响；
④受到不可检测微粒含量的影响。
根据电除尘器效率现场检测实践可以确认，即使不考虑不可检测微粒含量的影响，现场检测结果也是电除尘器的最高效率而不是运行效率。
3、锅炉运行方式对电除尘器效率的影响
电除尘器效率受锅炉参数、煤种变化和除灰操作和电除尘器灰斗严密性的影响很大。电除尘器运行一旦受到干扰其运行效率会降低很多，排放到大气中的固体颗粒数量比正常状态会增加数倍。
4、重点案例
电除尘器效率达不到大家期望的那么高，根据公开发表的专业期刊介绍，曾有一家发电企业治理脱硫系统GGH堵塞工作中，用布袋除尘器取代电除尘器进行过对比试验。结果证明使用布袋除尘器后GGH堵塞问题得到了很好解决。
2013年出现严重雾霾污染以后，电除尘器厂家也对自己生产的电除尘器运行效率产生了怀疑，陆续推出电袋复合式除尘器，在电除尘器后增加一级布袋除尘器。但目前大量实际运用的还是电除尘器。
（四）烟筒烟气固体颗粒特征及监测
烟筒烟气是经过治理的烟气，目前主要包括电除尘器去除固体颗粒、脱硫和脱硝等，烟筒烟气直接排放至大气。
1、排放标准
火力发电烟气排放标准执行国标《火电厂大气污染物排放标准》，主要指标见下表。
2、火力发电烟筒烟气检测点和方法
根据火力发电厂现场实践，2010年前烟筒烟气监测点包括现场试验监测点和实时在线两种方法。其中，现场试验监测点位于电除尘器出口，检测方法现场试验，按国标《固定污染源排气中颗粒物和气态污染物采样方法》执行，是污染物排放量计算的依据；实时在线监测点为烟筒下部，检测方法一般采用激光照射非接触检测方式，作为实时管理措施。
3、火力发电烟筒烟气固体颗粒特性
火力发电烟筒烟气固体颗粒（不考虑脱硫系统的影响）按空气动力特性分包括10微米以上颗粒、10微米以下颗粒和不可检测微粒。
由于电除尘器对10微米以上固体颗粒去除效果很好，因此，烟筒烟气的检测的固体颗粒以10微米以下为主，即使不考虑不可检测微粒影响，10微米以下固体颗粒占比应超过70%，否则说明烟气固体颗粒检测方法和手段出了问题。如果考虑不可检测微粒的影响，10微米以下固体颗粒占比会更高。
火力发电烟筒烟气固体颗粒以10微米固体颗粒为绝对主导的特性，对烟气扩散有至关重要的影响。
（四）小结
1、电除尘器运行效率并没有那么高，检测烟气固体颗粒含量的检测手段也没有那么准确。因此，烟气尘埃实际排放量要远远高于专家的预期结果。
2、火力发电烟筒烟气10微米以下固体颗粒占绝对主导比例，高斯扩散模型不适用10微米以下飘尘的扩散特性分析。
（一）烟气排放温度的影响
1、火力发电烟气排烟温度对污染物稀释效果的影响
无论是从事环保技术人员还是从事火力发电的技术人员，他们都知道火力发电烟气排放温度越高，污染物对大气影响程度越小这个道理。因为火电厂烟囱排出的污染物造成地面浓度大小，与烟筒有效高度的平方成反比，而烟筒的有效高度是烟筒几何高度加上烟气抬升高度，而烟气抬升高度又取决于烟囱的出口处烟气温度。
因此，在其他条件不变的情况下，烟气的排烟温度是影响烟气污染物稀释效果的直接因素。
2、我国火力发电烟气排烟温度变化过程
我国大力建设火力发电厂是从1950年代开始，1980年代以后开始加速，至2000年以后更是急速发展，截止2016年底燃煤电厂装机94259万千瓦，燃煤机组发电量高达3.9万亿千瓦时。无论装机容量还是发电量都是当之无愧的世界第一。经过几十年的发展，我国燃煤机组设计、制造和运行技术取得了很大发展，目前燃煤机组制造水平已经处于世界领先水平。
发电厂的烟气温度分为锅炉烟道出口温度和烟筒排烟温度。其中，锅炉烟道出口温度一直保持150℃左右，这主要为防止烟气酸雾结露腐蚀锅炉设备；烟筒排烟温度是指经过烟气污染物治理后的排放温度，受烟气治理技术的影响，烟筒排烟温度变化很大。
电厂烟筒排烟温度受烟气治理技术的影响，先后发生几次比较重大的变化，特别是将湿法脱硫系统GGH去除导致排烟温度下降至40-50℃的做法，曾经受到许多专业人士的质疑。电厂烟筒排烟温度变化过程和原因为：
①1980年以前我国烟气治理主要采取水膜式除尘器，电厂烟筒排烟温度一般80-90℃；
②1980年以后随着电除尘器生产技术的逐渐完善，燃煤电厂基本采用了电除尘器，电厂烟气排烟温度普遍升至150℃左右；
③1995年开始国家控制二氧化硫指标，燃煤机组普遍采用带有GGH的湿法脱硫系统，电厂烟筒排烟温度降至80-90℃；
④2011年脱硫工作实施特许经营，专业脱硫公司普遍将湿法脱硫系统GGH去掉，电厂烟筒排烟温度降至40-50℃。
电厂烟筒排烟温度变化情况见下图。
（二）烟气的抬升与降尘的扩散
世界上早期对火电厂烟尘扩散的研究，评价的出发点火电厂排放的污染物对周围环境的影响，主要评价内容是火电厂影响区域内的降尘是否符合标准。
高斯扩散模型是世界通用的烟尘扩散理论，但其诞生的时代烟气治理手段还很落后，当时最先进的水膜除尘器理论除尘效率96%，但实际运行远远达不到。因此控制火电厂烟气降尘对周围居民生活的影响是首要问题，高斯扩散模型对分析降尘影响是十分有效的手段。
依据扩散模型计算，烟囱有效高度（烟筒实际高度+抬升高度）对扩散稀释污染物以及降低污染物的落地浓度起着重要作用。由高斯扩散模计算污染物落地最大浓度与烟囱有效高度的平方成反比。
用高斯扩散模型计算污染物落地浓度，是评价火电厂污染物对周边环境影响的重要手段，电力行业和环保部门对此运用非常娴熟，本文不多理论。但是由于10微米以下固体颗粒属于飘尘，其扩散特性不能简单用高斯扩散模型进行分析，需要用新的理论进行分析。
（三）烟气的抬升与飘尘的扩散
3.3.1烟筒有效高度计算方案
1、烟筒有效高度
烟筒有效高度是决定烟气扩散的决定因素，烟气温度越高烟气的抬升高度越高，烟筒有效高度越高、烟气受地面地面影响程度越小、烟气稀释条件越好，对大气的影响越小。
烟筒有效高度=烟筒高度+烟气抬升高度
2、烟气抬升高度的测算方法
烟气抬升高度测算可以采取计算、实测和估算等多种方法，本文只进行定性评估，对抬升高度的准确要求并不大，因此采用估算方法。
3、用高斯扩散模型计算烟气抬升高度
烟气抬升高度计算十分复杂，是高斯扩散模型的核心，与烟气排放温度、排放强度、出口速度、大气环境等诸多因素影响。
高斯扩散模型的基本计算公式如下。
4、红外成像技术实测抬升高度
烟气抬升高度计算涉及污染物扩散效果的评估，特别是目前雾霾污染严重的今天，使用红外成像技术对烟气抬升高度进行实际观测具有重要意义，也是十分方便的，还可以根据实际观测结果编制新的烟气抬升高度计算公式，用于新建项目的评估计算。
5、烟气有效高度的经验估算
本报告计算烟气抬升的目的只是评估烟气三种状态扩散效果，对扩散高度计算的准确度要求不高，因此采用估算方式。
3.3.2不同参数下烟筒的有效高度
1、烟筒实际高度
我国大多数的火力发电企业烟筒基本采用240米烟筒。
2、烟气温度
我国主要火力发电厂烟筒烟气温度近期经历了三种状态，既没有实施烟气湿法脱硫前的150℃，带有GGH装置的湿法脱硫系统的90℃，不带GGH装置的湿法脱硫系统的50℃。
3、烟气抬升高度
根据公开发布的火电厂环境评估报告的计算结果，结合对火力发电厂实际运行状态分析。不同参数下烟气抬升高度为：排烟温度50℃时，烟气抬升高度为160米；排烟温度90℃时，烟气抬升高度360米；排烟温度150℃时，烟气抬升高度760米。
4、烟筒有效高度
不同参数烟气有效高度见下表。
3.3.3烟气扩散全过程
1、烟气释放到大气后的向上抬升阶段
烟气属于人为连续污染源，由于烟气具有相当大的热能量，释放到大气后会产生热动力向上抬升运动。
烟气向上抬升过程包括垂直向上时段、水平运动与垂直抬升叠加时段、向上抬升终结时段。由于烟气热能量不同各时段的占比不同，但排烟温度越高烟气垂直向上抬升时段越长。烟气向上抬升高度可以通过多种手段获得。
2、水平扩散阶段
烟气经历向上抬升阶段后成为大气的一部分，稀释到大气中的烟气与大气一同向东做水平运动，根据大气运动规律，不同高度大气水平运动特性有所不同。其中：
距离地面500米以内属于摩擦层，大气水平运动受有形阻力或无形阻力的影响，水平运动速度变化剧烈、风向飘忽不定，易受湍流发生乱层造成烟气落地。由于烟气中污染物的比重大于空气，一旦烟气落地进入贴地层，就不能再抬升到高空。因此不能进入500米以上空间的烟气基本都会产生烟气落地，将其携带的固体颗粒等污染物成为飘尘影响大气质量；
距离地面500米-800米属于混合层，大气水平运动速度比摩擦层要大很多，风向向正西接近且变化不大，在陆地上如果没有寒流（或台风）的扰动其运动特性就不会改变；
距离地面地面800米以上属于自由大气层，其运动特性已经完全不受地面阻力影响。
3、烟气污染物净化阶段
大气中固体颗粒只有回归地面（或海面）才能消除对大气的污染，实现大气净化。
大气中固体颗粒的沉降有干沉降和湿沉降两种方式。其中，干沉降只适合10微米以上的颗粒；小于10微米的颗粒基本不会自然沉降，如果风速高就更不可能自然沉降了；湿沉降使之通过降雨、降雪等使颗粒物从大气中去除的过程，北方属于雨水偏少地区，只有大气运动到海洋上空上，海洋上空湿润的大气和对流运动会迅速将大气中的固体颗粒通过降雨等方式净化。
无论是因为烟气落地进入摩擦层的固体颗粒，还是通过抬升进入高层空间的固体颗粒，大气中固体颗粒的净化绝大多数要到海洋上空才能完成。所不同的是摩擦层内的固体颗粒对人的安全造成了危害。
3.3.4不同排烟温度下飘尘的稀释空间对比
1、脱硫湿烟气直排方式飘尘的稀释空间
脱硫湿烟气直排时排烟温度为50℃，烟筒有效果高度计算为400米，由于烟气水平运动处于大气摩擦层内，烟气的水平运动受地面阻力影响很大，一般不会超过20千米很快就会落地，由于固体颗粒比重大于空气，烟气中的污染物颗粒会悬浮在贴地层大气逐级向东运动。飘尘的稀释空间可以理解为200×400×20000米的狭窄空间，为便于与其他状态对比，我们把这个狭窄空间的体积设设定为1。
2、脱硫湿烟气再加热后排放方式飘尘的释放空间
脱硫湿烟气再加热后排放时排烟温度为90℃，烟筒有效果高度计算为600米，由于烟气水平运动脱离大气摩擦层，烟气的水平运动受地面阻力影响较小，烟气的水平运动距离都会超过200千米。飘尘的稀释空间可以理解为600×1200×200000米的广大空间，其稀释空间为脱硫湿烟气直排的90倍。
3、高温烟气排放方式飘尘的稀释空间
高温烟气不脱硫（或采用干法脱硫）方式时排烟温度为150℃，烟筒有效果高度计算为1000米，烟气已经到达夹带层或自由大气层，烟气的水平运动完全脱离地面阻力影响，水平运动的距离500千米以上、以遭受海洋云团影响为止，飘尘的稀释空间可以理解为1000×2000×50000米的空间，其稀释空间为脱硫湿烟气直排的1000倍。
4、不同排烟温度下飘尘的稀释特性
综上所述，不同排烟温度下飘尘的稀释效果相差很大，可以按一个简单的曲线进行估算，即不同排烟温度下飘尘的稀释效果与排烟温度的6次方成正比。
不同排烟温度下飘尘的稀释效果对比见下图。
5、脱硫湿烟气直排大气对易电离气体的影响
烟气中的二氧化硫、三氧化硫、氮氧化物、盐酸气体等都属于易电离气体，这些气体和水结合就会以离子状态存在。虽然脱硫和脱硝装置去除了烟气中绝大多数二氧化硫和氮氧化物，但三氧化硫是无法去除的，并且三氧化硫更容易电离。这些易电离气体如果落地游离在大气中，对加剧雾霾严重程度会起到推波助澜的作用。
1、从烟气固体颗粒特性和电除尘器工作原理分析，电除尘器实际运行效率没有预想的那么高，如果考虑烟气中存在大量不可监测微粒的影响，电除尘器对烟气全部尘埃去除率不会高过95%。
2、用高斯扩散模型只能对10微米以上的降尘进行环保评价，但火力发电厂烟筒烟气中10微米以上的固体颗粒的占比很低，因此仅用高斯扩散模型进行环保评估是不完整的。
3、火力发电厂烟筒烟气中小于10微米的飘尘占绝对多数，飘尘的扩散与稀释效果与排烟温度的6次方成正比，湿法脱硫湿烟气直排导致烟气落地，严重影响这些微粒的稀释和扩散。
4、根据雾霾形成理论，造成雾霾污染的主要污染物是PM2.5。应重新评估脱硫湿烟气直排大气与大气PM2.5的关系。
5、火力发电排放的固体颗粒污染物只占全社会总排放量的很小部分，钢铁行业、采煤炼焦行业和水泥建材等行业都有类似问题。由于这些行业的排放量更大、排放点分散、烟筒高度更低，对大气环境的影响比火力发电行业更加严重。