京津冀地區(qū)天然氣和熱泵替代燃煤供暖研究

王春蘭,許 誠,徐 鋼,白 璞

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京津冀地區(qū)天然氣和熱泵替代燃煤供暖研究

王春蘭,許 誠*,徐 鋼,白 璞

(華北電力大學(xué)熱電生產(chǎn)過程污染物控制北京市重點實驗室,北京 102206)

針對京津冀地區(qū)實施天然氣和電能驅(qū)動空氣源熱泵(簡稱:熱泵)替代燃煤(散燒煤和鍋爐煤)供暖系統(tǒng)的一次能源效率、污染物減排量及經(jīng)濟性進行了對比計算.結(jié)果表明:對于京津冀地區(qū),采用天然氣和熱泵替代燃煤供暖可使一次能源效率分別上升31%和44%;天然氣和熱泵供暖都可大幅降低污染物排放,天然氣供暖可使煙塵、SO2和NO分別減排7.46,33.26,8.06萬t;熱泵供暖則分別減排7.48,33.21,9.36萬t;熱泵供暖的初投資高于天然氣供暖,但其年燃料費用遠低于天然氣供暖;此外,基于煙塵、SO2、NO3種污染物減排總量,計算得出天然氣供暖改造的單位污染物減排成本較熱泵供暖改造高14.2元/kg,綜合對比發(fā)現(xiàn),熱泵供暖更具優(yōu)勢.

散燒煤；鍋爐煤；天然氣供暖；熱泵供暖；污染物

近年來,我國城市化和工業(yè)化進程加快,空氣質(zhì)量出現(xiàn)惡化趨勢,尤其是供暖期間霧霾頻發(fā),引起社會廣泛關(guān)注.統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,我國京津冀地區(qū)2015年P(guān)M2.5年均濃度達77μg/m3,超過我國國家二級標準1.2倍[1],而供暖季1、2和12月份的月均濃度更是高達115,96,143μg/m3,遠高于平均濃度[2].因此,京津冀地區(qū)供暖季污染物減排和清潔能源供暖的協(xié)同治理和發(fā)展刻不容緩.

研究表明,空氣質(zhì)量的惡化與供暖季燃煤量的增加具有一定關(guān)系[3-5].目前我國燃煤供暖方式主要有熱電聯(lián)產(chǎn),燃煤鍋爐房及散燒煤供暖.燃煤電廠目前執(zhí)行嚴格的污染物排放標準,污染物排放較低[6-7].對于燃煤供暖鍋爐,目前已提高了其污染物排放標準,但受限于規(guī)模及運行技術(shù),該標準仍低于燃煤電廠,因而其污染物排放較高.散燒煤因其便利性,是北方農(nóng)村供暖的主要形式,而絕大多數(shù)散燒煤沒有采取除塵、脫硫、脫硝等環(huán)保措施,污染物排放極高,對大氣污染具有一定貢獻[4,8].針對此,我國目前出臺了“煤改氣”及“電能替代”等政策,用于減少燃煤的使用量,控制污染物的排放.

鑒于此,越來越多的學(xué)者開始關(guān)注燃煤的污染物排放情況及評估清潔能源供暖形式的節(jié)能減排效果.通過對北京地區(qū)2000~2012年的散燒煤污染物建立排放清單,顯示散燒煤排放的PM10, SO2, NO和CO分別占北京排放的總污染物的11.6%、27.5%、2.8%和7.3%[9].天然氣替代燃煤集中供暖對CO2、顆粒物、SO2和NO都有較明顯的減排效果,通過對2010年15個重點城市進行計算,采用天然氣集中供暖可減少CO2、顆粒物、SO2和NO排放量2190.7,734.2,40.2,22.6萬t[10].相關(guān)研究顯示采用熱泵替代集中供暖可實現(xiàn)我國43%的CO2減排[11].

目前的研究給出了散燒煤、電煤、天然氣等的污染物排放情況,然而其多側(cè)重于電煤、散燒煤及天然氣的各種主要污染物排放的單獨研究,所獲得的污染物數(shù)據(jù)大多采用不同基準,難以定量的比較其污染物排放情況;同時在同一基準下,對天然氣和電能替代燃煤供暖系統(tǒng)的污染物減排效果、熱力性能及經(jīng)濟性也缺乏定量的對比研究.

基于此,以京津冀地區(qū)為研究對象,對單位供熱量下的散燒煤、鍋爐煤、空氣源熱泵、天然氣自采暖(壁掛爐)、燃氣鍋爐等多種供暖方式的污染物排放情況進行了定量對比分析;對京津冀地區(qū)原鍋爐煤和散燒煤供暖系統(tǒng)、壁掛爐和天然氣供暖鍋爐系統(tǒng)(方案一)、電能驅(qū)動空氣源熱泵(簡稱:熱泵)供暖系統(tǒng)(方案二)這3種的一次能源利用效率、污染物排放情況及經(jīng)濟性進行對比分析.

1 京津冀地區(qū)供暖方式

1.1 供暖現(xiàn)狀

對于京津冀地區(qū),目前供暖能源主要以煤炭和天然氣為主,其主要通過熱電聯(lián)產(chǎn)、鍋爐房集中供暖,或壁掛爐和散燒煤分散供暖,圖1給出了供暖能源及其利用示意.其輸出側(cè)的電力來自熱電聯(lián)產(chǎn).

圖1 供暖能源及其利用示意

在現(xiàn)有的能源輸入中,天然氣燃燒較為清潔,污染物排放低,而散燒煤和鍋爐煤的能源利用效率低,且污染物排放高,對環(huán)境污染造成極大貢獻.京津冀地區(qū)2015年散燒煤和鍋爐煤使用情況如表1所示[12].

表1 京津冀2015年散燒煤和鍋爐煤消耗量(104t)

由表1可以看出,京津冀地區(qū)仍有大量的散燒煤和鍋爐煤,尤其是河北地區(qū).若能從能源中心消除或減少散燒煤及供暖鍋爐房供暖,可有效改善居民的供暖環(huán)境,同時緩解大氣污染狀況.

1.2 方案一:天然氣替代燃煤供暖系統(tǒng)

基于上述現(xiàn)狀及現(xiàn)有“煤改氣”政策, 選取供暖改造方案一:天然氣替代燃煤供暖系統(tǒng),即在原能源中心的基礎(chǔ)上保持輸出側(cè)的熱量和電量不變,利用天然氣壁掛爐替代散燒煤供暖部分,燃氣鍋爐替代燃煤鍋爐供暖部分.改造后方案一的供暖能源及其利用示意如圖2所示.

方案一具有以下顯著特點:

(1)能源利用效率高:天然氣燃燒效率高,其中壁掛爐供暖效率達85%[13]左右,燃氣供暖鍋爐約達90%[10],遠高于散燒煤(約40%[14-15])和燃煤供暖鍋爐供暖效率(約70%[16]).

(2)污染物排放低:天然氣主要成分為CH4,其S、N等元素含量遠低于燃煤,相應(yīng)的污染物排放低于燃煤.同時天然氣燃燒較為充分,幾乎不產(chǎn)生CO,可提高居民采暖安全.

(3)燃氣費用較高:基于我國能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和天然氣運輸存儲成本高等特點,天然氣的價格遠高于煤炭,采用天然氣供暖會增加居民的供暖費用.

圖2 方案一的供暖能源及其利用示意

1.3 方案二:熱泵替代燃煤供暖系統(tǒng)

在不增加天然氣的情況下,通過改變?nèi)济豪眯问?提出方案二熱泵替代燃煤(散燒煤和鍋爐煤)供暖系統(tǒng), 根據(jù)采暖用戶的分布特點,采用熱泵站替代原燃煤鍋爐供暖部分,熱泵替代散燒煤供暖部分.此外,為科學(xué)的展示供暖方案二的污染物減排效果及公平合理的與方案一作對比,熱泵新增的電能取自京津冀本地的燃煤電廠,同時為保證輸出側(cè)熱量和電量不變,額外的電煤來自原用于散燒和鍋爐房供暖的燃煤.圖3給出了改造后方案二的供暖能源及其利用示意.

方案二具有以下特點:

(1)能源利用效率高:熱泵能夠回收環(huán)境中的熱量用于供暖,因此具有較高的一次能源利用效率.對于京津冀地區(qū),空氣源熱泵性能系數(shù)(COP)約為2~3[17-18],大型燃煤電站供電效率約為0.38~ 0.4[11,19],輸配電效率為0.93~0.94[19],其供暖一次能源效率可達0.72~1.13,高于散燒煤和鍋爐房供暖效率.

(2)污染物排放極低:燃煤電站采取了高效的污染物脫除設(shè)備,其污染物排放遠低于散燒煤和鍋爐房燃煤.同時,CO氣體的減少能夠提高居民采暖安全.

(3)初投資較高:熱泵設(shè)備較為昂貴,因此該供暖系統(tǒng)需要較高的初投資.

圖3 方案二的供暖能源及其利用示意

2 熱力學(xué)分析

2.1 熱力學(xué)評價標準

基于等熱值法對天然氣、熱泵替代燃煤供暖的能耗量進行計算,表達式為:

式中:output為供暖供熱總量,億MJ;LHV為低位發(fā)熱量,MJ/kg或MJ/m3;為供暖效率,%;為燃煤量,億kg;代表天然氣消耗量,億m3;COP 為熱泵性能系數(shù);e為燃煤電站供電效率;d為輸電效率;代表散燒煤和燃煤鍋爐供暖方式;代表壁掛爐和燃氣鍋爐供暖方式;為電煤.

同時采用一次能源利用效率total對上述3種供暖系統(tǒng)的能源利用情況進行評價,定義為:

式中:input和output分別代表供暖系統(tǒng)總的能源輸入和輸出,億MJ.

2.2 計算結(jié)果

根據(jù)煤炭和天然氣現(xiàn)有的供暖技術(shù)和大型燃煤電站平均發(fā)電技術(shù)水平及京津冀地區(qū)氣候條件,可獲得等熱值法所需基本數(shù)值,如表2所示.

基于上述數(shù)據(jù)及等熱值法,可計算得到采用方案一和方案二的能源消耗如表3所示.

由表3可見,為消除散燒煤和鍋爐煤(4865.9萬t),采用方案一,京津冀地區(qū)每年需分別增加天然氣29.1,54.8,150.1億m3,共增加天然氣量234.0億m3;采用方案二,京津冀地區(qū)每年分別增加電煤346.8,663.4,1788.0萬t,總共增加2798.2萬t.進一步依據(jù)公式(2)計算可知,原燃煤供暖系統(tǒng)總一次能源率為58%,采用方案一和方案二的一次能源率分別增至89%和102%,相較于原燃煤系統(tǒng),方案一和二分別提高了31%和44%.

表2 等熱值法基本假設(shè)數(shù)值

表3 供暖替代煤炭和天然氣使用情況

3 污染物

3.1 污染物評估方法

為計算上述3種供暖系統(tǒng)的污染物排放總量,以單位供熱量下的污染物排放量為同一基準進行估算:

式中:為對應(yīng)供暖系統(tǒng)的各供暖方式;為供暖系統(tǒng)某污染物排放總量,億g,本文主要考慮的污染物有SO2, NO和煙塵;為供熱量,億MJ;為單位供熱量下的污染物排放量,g/MJ,由式(4)確定:

式中:M為單位供熱量下燃料的消耗量,kg/MJ 和m3/MJ,對于散燒煤,燃煤鍋爐,燃氣鍋爐,壁掛爐M表達式為:

式中:η為對應(yīng)供暖方式供暖效率.

對于熱泵消耗電煤M的計算方式為:

式(4)中:是污染物排放因子,g/kg,其主要選取準則如下:對于散燒煤和壁掛爐,其污染物排放因子主要根據(jù)其成分計算或相關(guān)文獻選取;對于燃煤供暖鍋爐,燃氣供暖鍋爐和燃煤電廠,則根據(jù)環(huán)境保護部規(guī)定的大氣污染物排放濃度限值[6,28]進行折算.具體的計算方法如下:

(1)散燒煤

散燒煤SO2的排放因子可由下式確定[20]:

式中:為硫的燃燒效率,80%[20];為硫含量, 0.88%[15];SO2和S為SO2和S的相對分子質(zhì)量,分別為64和32.

CO的排放因子為[20]:

式中:為碳的不完全燃燒率4%[20];ar散燒煤的含碳量,57.2%;CO和C是CO和C的相對分子質(zhì)量,分別為28和12.

NO生成機理復(fù)雜[21],其主要和含氮量、燃燒溫度及燃燒氧含量等相關(guān).根據(jù)相關(guān)文獻,NO的排放因子選取為3.65g/kg[20,22-24].

煙塵的生成與燃燒環(huán)境和設(shè)備等相關(guān),依據(jù)相關(guān)文獻煙塵的排放因子選取為2.17g/ kg[20,22,25-27].

(2)天然氣壁掛爐

據(jù)文獻天然氣壁掛爐的SO2、NO、煙塵的排放因子分別選取為0.63,1.84,0.30g/m3[10].此外,由于天然氣燃燒充分,CO的排放量忽略不計.

(3)鍋爐燃氣、鍋爐煤及電煤

通常,燃氣供暖鍋爐、燃煤供暖鍋爐和燃煤火電廠的污染物排放量以標準狀態(tài)下單位煙氣量所含污染物為基準(mg/Nm3)[6,28],因此,可將燃氣供暖鍋爐、燃煤供暖鍋爐和燃煤火電廠的污染物排放標準限值通過式(9)轉(zhuǎn)換為單位燃料下的排放因子:

表4 污染物排放限值[6,28]

3.2 污染物排放量

3.2.1 排放因子計算 根據(jù)上文所述計算方法,可得散燒煤、鍋爐煤、電煤、燃氣鍋爐及壁掛爐的污染物排放因子,如表5所示.

表5 污染物排放因子

根據(jù)表5及各種供暖方式的燃料熱值及效率,計算得到單位供熱量下各供暖方式的污染物排放量,見表6所示.對于電煤,此處計算了單位供熱量下熱泵供暖的污染物排放情況.

表6 單位供熱量下的污染物排放量

由表6可知,單位供熱量下,散燒煤和鍋爐煤的污染物排放遠高于其他形式,而鍋爐燃氣則與熱泵污染物排放相當(dāng);具體而言,在單位供暖量下,散燒煤的煙塵、SO2和NO的排放因子為0.33、1.27、0.20g/MJ,是熱泵供暖的44.9、67.2和5.3倍;此外,單位供熱量下散燒煤還排放4.81g/MJ的CO,而其他供暖方式幾乎不產(chǎn)生.熱泵供暖排放的煙塵、SO2和NO的排放因子僅為7.35′10-3, 1.89′10-2, 3.75′10-2, g/MJ,煙塵和SO2稍高于燃氣鍋爐,但其NO的排放量低于燃氣鍋爐.

3.2.2 污染物減排量 利用單位供熱量下的污染物排放因子和年供暖熱量計算可得上述3種供暖方式一個采暖季的污染物排放情況(如圖4所示).其中供暖替代方案二的污染物排放量即為新增電煤的污染物排放量.

由圖4可見,采用方案一和方案二均能大幅降低主要污染物的排放量.其中最為明顯的是SO2的減排量,方案一每年可減少33.26萬t,較原系統(tǒng)減排95.8%,方案二可減排33.21萬t,較原系統(tǒng)減排95.7%;方案二對NO減排更具優(yōu)勢,較方案一多減排1.3萬t.綜合對比兩種方案,方案二的污染物減排更具優(yōu)勢.

圖4 3種供暖方式的污染物排放情況

4 技術(shù)經(jīng)濟性評估

4.1 技術(shù)經(jīng)濟性分析

針對采用天然氣和熱泵供暖的經(jīng)濟性,主要考慮了供暖系統(tǒng)的初投資,年運行費用及燃料價格/電價,供暖系統(tǒng)的年綜合投資采用下式計算:

式中:和分別代表集中供暖和分散采暖;a,d和a,h分別為集中和分散供暖年綜合投資;initial是供暖系統(tǒng)初投資;I為供暖年燃料/電費;O&M為運行維護費用,取系統(tǒng)初投資的4%[31];CRF為成本回收系數(shù),與折現(xiàn)率()和供暖設(shè)備壽命()相關(guān)[31]:

對于天然氣和熱泵兩個供暖方案的初投資,采用指數(shù)估算法計算[31]:

式中:0是參考系統(tǒng)規(guī)模為S時的固定成本初投資;和分別是現(xiàn)有系統(tǒng)的規(guī)模大小和規(guī)模因子.

表7為現(xiàn)有技術(shù)水平下經(jīng)濟性計算所需基本參數(shù).

表7 經(jīng)濟技術(shù)性基本假設(shè)參數(shù)

對于原散燒煤和燃煤供暖鍋爐房,主要考慮其年燃料費用及鍋爐房的運行費用,煤炭價格取600元/t.則3種方案的總經(jīng)濟技術(shù)性見表8所示.

由表8可見,采用2個方案后,其年度化綜合費用都遠高于原系統(tǒng),方案一年綜合費用高于方案二70.9億元.采用方案二,初投資達1584.1億元,高于方案一959億元,但方案一的年料價格達570.8億元,高于熱泵供暖系統(tǒng)194.6億元.此外,根據(jù)圖4和表8中的內(nèi)容計算可得到兩個供暖方案的單位污染物的減排成本, 基于煙塵、SO2、NO3種污染物減排總量,方案一的污染物單位減排成本為67.6元/kg,方案二為53.4元/kg,低于方案一14.2元/kg.此外隨著熱泵技術(shù)的發(fā)展,其初投資將降低,從而使熱泵展現(xiàn)出更大的優(yōu)勢.

4.2 敏感性分析

根據(jù)4.1節(jié)的技術(shù)經(jīng)濟性分析方法和結(jié)論(表8)可知,供暖方案一的技術(shù)經(jīng)濟性受天然氣價格波動影響而有較大變化,圖5為天然氣價格波動對供暖方案一年綜合供暖費用的影響分析結(jié)果.

表8 總技術(shù)經(jīng)濟性

注:a燃煤供暖鍋爐的運行維護費用取初投資的4%,燃煤供暖鍋爐的初投資據(jù)文獻[33]及指數(shù)估算法計算.

圖5 天然氣價格波動對方案一年綜合供暖費用的影響

由圖5分析可知,隨著天然氣價格的波動(±15%.),其年綜合費用將由559.9億元升至731.2億元,僅在天然氣價格降低12.4%時,供暖方案一的技術(shù)經(jīng)濟性和方案二相當(dāng);此外,我國是“富煤、貧油、少氣”的能源國家,采用天然氣供暖,不僅燃料價格昂貴,還會影響我國的能源安全,因此,當(dāng)天然氣價格在一定的大范圍內(nèi)波動時,方案二依舊具有優(yōu)勢.

5 結(jié)論

5.1 對原燃煤供暖系統(tǒng)采用方案一和方案二進行供熱改造均可提高系統(tǒng)的一次能源利用率,其中方案一和二分別可提高31%和44%.

5.2 單位供熱量下,散燒煤和鍋爐煤的污染物排放遠高于其他形式,燃氣鍋爐與熱泵污染物排放相當(dāng);具體而言,在單位供暖量下,散燒煤的煙塵、SO2和NO的排放因子為0.33,1.27,0.20g/MJ;相應(yīng)熱泵供暖污染物排放因子僅為7.35′10-3, 1.89′10-2, 3.75′10-2g/MJ; 煙塵和SO2稍高于燃氣鍋爐,但NO的排放量低于燃氣鍋爐1.53′10-2g/MJ;對于兩個替代供暖方案,都具有較高的減排效果,方案一可使煙塵,SO2和NO分別減排7.46,33.26,8.06萬t;方案二則分別減排7.48,33.21,9.36萬t.

5.3 采用兩個供暖方案,其年綜合費用都遠高于原系統(tǒng),且方案二低于方案一,此外,基于煙塵、SO2、NO3種污染物減排總量,方案一的單位污染物減排成本高于方案二14.2元/kg.綜合我國能源國情,熱泵供暖對我國節(jié)能減排,能源優(yōu)化更具優(yōu)勢.

[1] 中華人民共和國環(huán)境保護部.2015年中國環(huán)境狀況公報[R]. 北京:中華人民共和國環(huán)境保護部, 2015.

[2] 中國環(huán)境監(jiān)測總站.74城市空氣質(zhì)量狀況公報[EB/OL]. http://www.cnemc.cn/publish/106/0536/newList_1.html.

[3] 王 超,張霖琳,刀 谞,等.京津冀地區(qū)城市空氣顆粒物中多環(huán)芳烴的污染特征及來源 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2015,35(1):1-6.

[4] Cheng Xu, Chunlan Wang, Gang Xu, et al. Thermodynamic and environmental evaluation of an improved heating system using electric-driven heat pumps: A case study for Jing-Jin-Ji region in China [J]. Journal of Cleaner Production, 2017,165:36-47.

[5] 張霖琳,王 超,刀 谞,等.京津冀地區(qū)城市環(huán)境空氣顆粒物及其元素特征分析 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2014,34(12):2993-3000.

[6] GB 13223-2011 火電廠大氣污染物排放標準 [S].

[7] 伯 鑫,王 剛,溫 柔,等.京津冀地區(qū)火電企業(yè)的大氣污染影響 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2015,35(2):364-373.

[8] 支國瑞,楊俊超,張 濤,等.我國北方農(nóng)村生活燃煤情況調(diào)查、排放估算及政策啟示[J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2015,28(8):1179-1185.

[9] Xue Y, Zhou Z, Nie T, et al. Trends of multiple air pollutants emissions from residential coal combustion in Beijing and its implication on improving air quality for control measures [J]. Atmospheric Environment, 2016,142:303-312.

[10] 龐 軍,吳 健,馬 中,等.我國城市天然氣替代燃煤集中供暖的大氣污染減排效果[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2015,35(1):55-61.

[11] Chen X, Wang L, Tong L, et al. Energy saving and emission reduction of China's urban district heating [J]. Energy Policy, 2013,55:677-682.

[12] 國家統(tǒng)計局能源統(tǒng)計司.中國能源統(tǒng)計年鑒2016 [M]. 北京:中國統(tǒng)計出版社, 2017:128-145.

[13] 董康飛,李 振,王 立.點蓄熱壁掛箱與燃氣壁掛爐供暖的對比討論[J]. 供熱制冷, 2014,(7):64-66.

[14] 吳愛貞,李元哲,蔡啟林.家庭兩用煤爐熱效率實驗方法 [J]. 北京節(jié)能, 1988,(1):13-16.

[15] Cheng M, Zhi G, Tang W, et al. Air pollutant emission from the underestimated households' coal consumption source in China. [J].Science of the Total Environment, 2016,580:641-650.

[16] Xu X, You S, Zheng X, et al. A survey of district heating systems in the heating regions of northern China [J]. Energy, 2014,77: 909-925.

[17] Kelly N J, Cockroft J. Analysis of retrofit air source heat pump performance Results from detailed simulations and comparison to field trial data [J]. Energy and Buildings, 2011,43(1):239-245.

[18] Zhang D, Li J, Nan J, et al. Thermal performance prediction and analysis on the economized vapor injection air-source heat pump in cold climate region of China [J]. Sustainable Energy Technologies & Assessments, 2016,18:127-133.

[19] 中國電力企業(yè)聯(lián)合會.2015年電力統(tǒng)計基本數(shù)據(jù)一覽表[EB/OL]. http://www.cec.org.cn/guihuayutongji/tongjxinxi/ niandushuju/2016-09-22/158761.html.

[20] 國家環(huán)境保護總局.排污申報登記實用手冊[M]. 北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社, 2004:640.

[21] De-La-Torre U, Pereda-Ayo B, Moliner M, et al. Cu-zeolite catalysts for NOremoval by selective catalytic reduction with NH3 and coupled to NO storage/reduction monolith in diesel engine exhaust aftertreatment systems [J]. Applied Catalysis B: Environmental, 2016,187:419-427.

[22] 國務(wù)院第一次全國污染源普查領(lǐng)導(dǎo)小組.第一次全國污染源普查城鎮(zhèn)生活源產(chǎn)排污系數(shù)手冊 [EB/OL] http://www.docin. com/p-393983353.html.

[23] Shi Y, Xia Y F, Lu B H, et al. Emission inventory and trends of NOfor China, 2000~2020 [J]. Journal of Zhejiang University- SCIENCE A, 2014,15(6):454-464.

[24] 虞江萍,崔 萍,王五一.我國農(nóng)村生活能源中SO2、NO及TSP的排放量估算[J]. 地理研究, 2008,27(3):547-555.

[25] Chen Y, Tian C, Feng Y, et al. Measurements of emission factors of PM2.5, OC, EC, and BC for household stoves of coal combustion in China [J]. Atmospheric Environment, 2015,109: 190-196.

[26] Shen G, Xue M, Chen Y, et al. Comparison of carbonaceous particulate matter emission factors among different solid fuels burned in residential stoves [J]. Atmospheric Environment, 2014, 89:337-345.

[27] Zhi G, Chen Y, Feng Y, et al. Emission characteristics of carbonaceous particles from various residential coal-stoves in China [J]. Environmental Science & Technology, 2008,42(9): 3310-3315.

[28] GB 13271-2014 鍋爐大氣污染物排放標準[S].

[29] 方品賢,江 欣,奚元福.環(huán)境統(tǒng)計手冊[M]. 四川:四川科學(xué)技術(shù)出版社, 1985:53-59.

[30] 樊泉桂,閆維平,閆順林.鍋爐原理[M]. 北京:中國電力出版社, 2008:47.

[31] Xu C, Xu G, Zhu M, et al. Thermodynamic analysis and economic evaluation of a 1000MW bituminous coal fired power plant incorporating low-temperature pre-drying (LTPD) [J]. Applied Thermal Engineering, 2015,96:613-622.

[32] 傅秦生.能量系統(tǒng)的熱力學(xué)分析方法 [M]. 西安:西安交通大學(xué)出版社, 2005:210-211.

[33] Wei B, Wang S, Li L. Fuzzy comprehensive evaluation of district heating systems [J]. Energy Policy, 2010,38(10):5947-5955.

[34] 徐 鋼,王春蘭,許 誠,等.京津冀地區(qū)散燒煤與電采暖大氣污染物排放評估[J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2016,(12):1735-1742.

Studies on replacing coal with natural gas and heat pump for heating in Jing-Jin-Ji region.

WANG Chun-lan, XU Cheng*, XU Gang, BAI Pu

(Beijing Key Laboratory of Emission Surveillance and Control for Thermal Power Generation, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)., 2017,37(11)：4363~4370

Using nature gas and air source heat pumps (ASHP) to replace the household coals and coal-fired boilers for heating was proposed in this study. The primary energy efficiencies, pollutant emission reductions and economic viability of different heating systems were calculated and analyzed based on Jing-Jin-Ji Region’s scenario. The results showed that the primary energy efficiencies of the nature gas-based and ASHP-based heating systems could be improved by 31and 44percentage points, respectively, comparing to the original coal-based heating system. The emissions of the main pollutants could be significantly reduced. Specifically, the nature gas-based heating system and ASHP-based heating system could decrease the PM, SO2and NOemissions by 74.6, 332.6, 80.6 thousand tons, and 74.8, 332.1, 93.6thousand tons, respectively. The economic performance revealed that though the initial investment costs of ASHP-based heating system were greater than that of nature gas-based heating system, the annualized fuel costs were much lower. Besides, the specific costs of the pollutant emission mitigations of the nature gas-based heating system were 14.2 Chinese Yuan/kg higher than ASHP-based heating system, meaning that the ASHP-based heating system features better comprehensive performance as compared with the nature gas-based heating system.

household coal；boiler coal；nature gas-based heating system；ASHP-based heating system；pollutants

X513

A

1000-6923(2017)11-4363-08

王春蘭(1993-),女,寧夏吳忠人,華北電力大學(xué)碩士研究生,主要研究燃煤機組節(jié)能優(yōu)化,區(qū)域污染物控制.發(fā)表論文2篇.

2017-04-21

國家自然科學(xué)基金資助項目(51706065,51476053);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項基金資助項目(2017MS013)

* 責(zé)任作者, 講師, xucheng@ncepu.edu.cn