中國分散式民用供熱技術現狀分析

劉新華 韓 健 張 楠 王晶晶

1 中國科學院過程工程研究所 北京 100190

2 中國科學院大學 化學工程學院 北京 100049

為了降低民用散煤燃燒污染，各地政府積極推進散煤替代。尤其是在京津冀地區大力推廣所謂“清潔能源”，進行煤改電/氣相關工作，在周邊地區則推行使用優質無煙煤或蘭炭，然而效果并沒有預想中的好。事實上，并不存在絕對意義上的清潔能源。電和天然氣被稱為清潔能源是相對煤炭而言的，況且煤炭燃燒造成大氣污染也并不完全是煤炭本身的問題，而是與煤炭能源利用系統密切相關。因此，本文將對我國分別以電和天然氣為代表的清潔能源以及以無煙煤/蘭炭和潔凈型煤為代表的煤炭燃料作為熱源的分散式民用供熱技術進行對比分析，從而為我國散煤污染治理政策的執行和完善提供參考。

1 民用供熱背景

近年來，隨著居民生活水平持續提高和城鎮化的不斷發展，我國冬季供暖面積以年均約10%的速度飛速增長，采暖區域甚至由傳統的黃河以北擴展到了長江以南。截至 2016 年底，我國北方地區城鄉建筑取暖總面積約 206 億平方米。其中，城鎮建筑取暖面積 141 億平方米，農村建筑取暖面積 65 億平方米[1]。

由于中國能源“富煤、貧油、少氣”的結構特征，北方地區取暖主要以燃煤為主，且在廣大農村和一些城鄉接合部大多使用燃煤爐具分散供熱。據不完全統計，在我國 1.6 億戶農村居民家庭中，采取分散采暖模式的約有 9 300 萬戶，其中燃煤采暖約 6 600 萬戶，年散煤使用量約 2 億—3 億噸，占到煤炭終端消費量的 10% 左右[2]。傳統民用燃煤爐具熱效率一般不足 40%，在燃燒劣質煤過程中產生大量以氮氧化物（NOx）、二氧化硫（SO2）、一氧化碳（CO）以及顆粒物（PM）等為主的空氣污染物。但由于是剛性需求且缺乏有效控制，傳統民用燃煤爐排放的污染物卻占到燃煤污染物排放總量的 30%—50% 以上，是造成嚴重灰霾天氣的重要原因之一[3-5]。

2016 年 12 月21日，習近平總書記主持召開中央財經領導小組第十四次會議時指出，推進北方地區冬季清潔取暖問題是大事，關系廣大人民群眾生活，是重大的民生工程、民心工程。為確保北方地區群眾安全取暖過冬，2018 年 7 月 3日國務院印發《關于印發打贏藍天保衛戰三年行動計劃的通知》（國發〔2018〕22 號），指出“堅持從實際出發，宜電則電、宜氣則氣、宜煤則煤、宜熱則熱，確保北方地區群眾安全取暖過冬”。

目前，清潔取暖主要是指利用天然氣、電、潔凈煤炭等清潔化能源，通過高效用能系統實現低排放、低能耗的取暖方式。清潔取暖包含以降低污染物排放和能源消耗為目標的取暖全過程。從實際出發就是要因地制宜，對于具有集中供熱管網、建筑密度高的大中型城市可采用集中供熱方式；而在受經濟、地理條件和生活習慣限制的城鄉接合部和鄉村，就需要采用分散式供熱方式[1]。

2 分散式電/天然氣供熱可行性分析

電作為一種非常清潔的能源，在采取直接加熱取暖過程中的熱轉化效率幾乎可以達到 100%，且沒有任何污染物排放。我國 2018 年的總發電量高達 7.08 萬億千瓦時，其中燃煤發電量 4.92 萬億千瓦時，占比達到了 69.5% 左右[6]。相對于化石燃料來說，電是一種高品質的能量形式。這種從低品質能量到高品質能量的轉化過程中，必然伴隨著不可逆的能量損失。即使是目前我國最先進的燃煤發電廠，其發電效率一般也不超過 40%。因此從能量利用角度來說，用電來取暖非常不經濟。而天然氣雖然在燃燒過程中 SO2和 PM 的排放量極低；但由于其較高的燃燒溫度，會在燃燒中將空氣中的氮氣氧化成 NOx。因而，天然氣也并不是絕對清潔的能源。

2.1 煤改電/氣的前提條件分析

采取煤改電/氣的措施來進行散煤污染治理必須首先考慮至少兩個前提條件：是否具有充足的電/氣資源，以及是否具備將其輸送到分散熱用戶的條件。這也是從實際出發、因地制宜原則的體現。

（1）不具備充足的電/氣資源。以京津冀及周邊地區為例，國家電網公司在該區域重點實施城市棚戶區和農村煤改電累計達 126 萬戶時，這種大規模煤改電已經對當地電網運行造成了巨大壓力，甚至使當年區域電網冬季最大負荷首次超過夏季尖峰負荷，給電網的安全運行帶來隱患[8]。而對于使用天然氣來說，從全國范圍來講，2005—2010 年國內天然氣商品量年均增長 17%，而同期天然氣需求量卻增長 26%。預計到 2020 年，天然氣需求量將達到 2 000 億立方米，而同期產量卻只能達到 1 100 億立方米，缺口 900 億立方米[7]。因此，我國的天然氣資源總量不足以支撐全國范圍內的大規模煤改氣工作。

（2）不具備將資源輸送到分散熱用戶的條件。根據北京市農村工作委員會 2013 年 6 月提供的數據，北京市遠郊區縣現有行政村莊 3 590 個，2020 年將整合成 1 906 個。其中，約有 l 409 個村處于平原地區，497 個村處于山區。從人口居住集中性、氣源條件、規劃道路等多種因素初步判斷，即使在北京市平原地區農村也有約 40%—50% 的村莊不具備市政天然氣管道鋪設條件，更不用談那些具有天然地理屏障的山區村莊[9]。顯然，即使是在集中推行煤改電/氣的京津冀及周邊地區，部分偏遠鄉村采取包括燃煤取暖在內的其他清潔供熱措施也是必要的。

2.2 大規模煤改電/氣的經濟成本分析

在電/氣資源充裕并且具備上述前提條件的地區，能否實行大規模煤改電/氣的關鍵還取決于在經濟上是否可承受這一必要條件。這里的經濟主要包括前期電網改造或管道鋪設投資，以及后期取暖設備購買和燃料使用成本兩方面。仍然以煤改電為例，國家電網公司 2017 年為此安排了 310.8 億元專項資金用于煤改電配套電網增容和擴容建設，截至當年 9 月底累計完成京津冀及周邊地區居民煤改電用戶 175 萬戶，戶均投資達到了 17 760 元[10]。對于煤改氣，北京市昌平區辛店村和平谷區蔡坨村分別約有 450 戶和 250 戶居民，而煤改氣涉及的中低壓管道鋪設、低壓調壓箱建設、燃氣灶具或供暖熱水爐購買等費用均攤到每戶的平均造價分別高達 32 900 元和 34 250 元[9]。這些資金投入都給當地政府和相關企業帶來了巨大的壓力。

從能量利用系統方面分析，以電為能源的分散式供熱技術包括利用發熱電纜、電熱膜、蓄熱電暖器以及各類電驅動熱泵來供熱，其中應用最廣的是空氣源熱泵技術。該技術利用逆卡諾循環原理，通過輸入電力從低品位的空氣中提取熱能，輸送給供熱裝置使用。與將電能直接轉化為熱相比，利用空氣源熱泵有助于提高能效比（COP）。但空氣源熱泵的性能在室外溫度極低的嚴寒和高濕地區會顯著下降，當溫度為 -20℃—0℃時的平均能效比一般不高于 2[11]，因而限制了該技術可以大規模使用的范圍。分散式燃氣供熱主要通過燃氣壁掛爐來實現，該技術較為成熟，產業支撐和市場化能力較強，用戶接受程度高，在城市煤改氣工程中應用最為廣泛。但典型天然氣壁掛爐的 NOx排放濃度折算成基準氧含量為 9% 時一般不低于 170 mg/m3，這使得該技術的減排優勢在越來越嚴格的低氮排放要求下并不明顯[12]。

煤改電/氣后的燃料成本雖然與用戶的使用環境、使用要求和使用習慣密切相關，但我們仍然可以從單位熱值價格的角度來將它們與清潔燃煤取暖進行直觀對比。如表 1 所示，天然氣取暖的燃料成本將是清潔燃煤取暖的 2.27 倍，而采用直熱或蓄熱式電采暖的燃料成本則是清潔燃煤取暖的 3 倍。即使考慮空氣源熱泵技術的使用，其燃料成本也達到了清潔燃煤取暖的 1.5 倍。因此，為了使煤改電/氣的農民用戶在經濟上可承受，許多地方政府在電/氣價格和取暖器成本方面進行補貼。例如，京津冀各地政府對于蓄熱電暖器最高補貼 1 200 元/臺，空氣源熱泵最高補貼 25 000 元/臺，并采取居民電采暖低谷價 0.3 元/度的電價，以及運行補貼政策[8]。這不僅給地方財政帶來了巨大的壓力，而且隨著清潔供暖面積的進一步加大，氣量和價格雙吃緊的狀態可能還會越來越明顯。

表1 不同燃料使用成本比較

2.3 小結

綜上所述，煤改電/氣首先需要在電網改造或燃氣市政管道鋪設方面投入大量資金，然后再對煤改電/氣用戶進行供熱設備和燃料使用成本補貼，至少達到或接近傳統燃煤取暖成本的水平才有可能被廣大分散熱用戶所接受。由于每個冬季都需要供暖，那些單靠政府投資和高額財政補貼的實施方案顯然是不可持續的。例如，山東城鄉居民采暖以燃煤為主，盡管各級政府依靠行政手段出臺了煤改氣/電等清潔供熱補貼政策，但卻難以長期為繼；并且因清潔采暖運行費用高，低收入城鄉居民對煤改氣/電等清潔采暖方式的接受度也較低[13]。因此，煤改電/氣取代散煤的清潔供熱方案只有在資源較豐富、政府有條件、用戶可承受的條件下才可能取得長期效果，“一刀切”的去煤化政策不能完全解決我國的散煤污染問題。

3 分散式清潔燃煤供熱分析

2017 年底以來，北方地區清潔取暖改造從最初的“宜電則電、宜氣則氣”調整為“宜電則電、宜氣則氣、宜煤則煤、宜熱則熱”，從而扭轉了清潔取暖就是去煤化的思維[14]。

實際上，為降低農村散煤燃燒污染，我國各地在推進減煤換煤增效方面做了大量工作，但效果卻并不理想。例如，通過燃燒無煙煤、蘭炭等所謂的“潔凈煤”以減少黑煙排放。特別是蘭炭，由于它是高揮發分煙煤在中低溫條件下干餾熱解得到的較低揮發分固體炭質產品，相比無煙煤燃燒的 NOx和 SO2排放相對要低一些，因此在我國的山東和陜西等地進行了較大規模示范應用。但由于無煙煤和蘭炭一般均采用正燒式爐具燃燒，因而燃燒過程中氧不足導致產生大量的 CO[15]。而且，蘭炭和無煙煤均存在資源少和價格高的問題，尤其是還存在難點火、上火慢、火力弱等缺點，因而爐具炊事功能先天不足。這不符合農民用戶的使用習慣，因此老百姓也不喜歡使用。本質上，將潔凈煤定義為無煙煤或蘭炭一類的低揮發分燃料并不科學，而且也不存在完全潔凈的煤炭燃料。雖然我國煤種多樣，但主要是以高揮發分煙煤為主。如果采用合理的爐具設計和科學的燃燒方式，燃燒煙煤也可以達到大幅節能減排的效果。這其中的核心關鍵問題不在于燒什么煤，而在于利用什么燃燒技術和何種環保爐具來燒煤并達到什么樣的排放效果[16]。

傳統的民用燃煤爐一般采用正燒、反燒或正反燒相結合的燃燒方式。傳統正燒爐中空氣和煙氣同時向上流動，這會導致揮發分和 CO 燃燒不充分，易冒煙，不適用于燃燒煙煤；傳統反燒爐中空氣向下而煙氣向上流動，這雖然有利于揮發分的燃盡，但 CO 的燃燒仍不充分，且不適用于低揮發分燃料的燃燒。而采用做飯正燒、取暖反燒、多級供風的燃燒形式設計的民用炊暖燃煤爐相比于市售鍋爐，卻具有燃燒效率高、污染物排放低等優點[17]。

煤炭的燃燒過程是包含煤炭熱解氣化和揮發分以及半焦燃燒的復雜化學反應網絡，在煤炭熱解過程中生成的還原性氣體以及高溫半焦都對 NOx具有明顯的還原作用[18]。基于此原理，中國科學院過程工程研究所早在 1995 年就發明了解耦燃燒技術，致力于解決民用燃煤爐 NOx排放和冒黑煙的難題[19]。盡管當時我國對 NOx的減排問題并沒有提出明確的要求，但經過 20 多年持續不斷地發展和完善，解耦燃燒已經成為一種可以同時有效降低中小型燃煤鍋爐 NOx、CO 和黑煙排放的實用技術，從而為解決我國農村的煤炭散燒污染問題提供了可能的途徑[20,21]。

與空氣和煙氣同/逆向流動的傳統正/反燒爐不同，解耦燃煤爐具有底部連通的兩個分別被稱為熱解室和燃燒室的并列爐膛，煤炭從熱解室上部加入，而空氣則通過熱解室底部的傾斜爐排引入（圖1a）。這樣，部分空氣、半焦燃燒煙氣以及熱解氣就會先在熱解室混合，然后才在煙囪的拔力作用下依次穿過半焦層和燃燒室后從煙囪排出[22]。在此過程中，煤炭先后經歷了在熱解區低溫還原條件下的煤炭熱解過程和在燃燒區高溫氧化條件下的熱解氣以及半焦的燃燒過程，從而充分利用煤炭熱解自身產生的還原性熱解氣和高溫半焦來抑制和還原 NOx（圖 1b）。若采用資源豐富、價格低廉的煙煤為原料，通過混合高效固硫劑制成潔凈煙煤型煤，并采用“潔凈型煤+解耦爐具”匹配燃燒的模式，則不僅可以繼承煙煤易燃燒、上火快、火力強、燃盡率高的特點，還可實現對 SO2、NOx和 CO 的同時控制，并進行高效固灰和降塵，從而降低綜合污染物排放，提高爐具熱效率。

實驗和模擬研究表明[22,23]，利用解耦爐具燃燒煙煤型煤也可達到“無煙排放”的標準，爐內固硫率可達 60% 以上，PM 排放與燃燒無煙煤或半焦相當，炊事功率高于 1.5 kW，滿足了廣大農民用戶“既要取暖，也要做飯”的習慣性需求。與傳統燃煤爐燃燒散煤相比，利用解耦爐具燃燒煙煤型煤時的 NOx排放可降低 30%—45%，節煤量可達 20%—30%。中國科學院過程工程研究所與兗礦集團有限公司合作，已在山東鄒城的多個鄉鎮和村莊推廣解耦爐具 2 萬余臺，潔凈型煤 4.6 萬多噸，受到廣大農民用戶的好評。今年還在河北承德的隆化和圍場兩縣進行了“潔凈型煤+解耦爐具”示范應用，并致力于建成承德民用清潔供暖示范區。

因此，相比于散煤直燃直排，目前的高效環保民用燃煤爐設計技術已經可以實現利用資源豐富的煙煤資源進行清潔高效分散式供熱。采取解耦燃燒或者正燒、反燒相結合的方式來燃燒潔凈煙煤型煤以優化配風，并設置與燃料性質相適應的爐膛尺寸和結構以及換熱面等，是提高爐具熱效率、減少污染物排放的有效手段，也是未來分散式民用燃煤清潔高效供熱技術的發展趨勢。在我國能源現狀和經濟發展水平條件下，采取“煤爐匹配”技術是目前解決民用散煤燃燒污染的最經濟、有效和可行的措施之一。我們不僅沒有必要“談煤色變”和進行“一刀切”去煤化，而且在那些煤改電/氣無法企及的城鄉接合部或邊遠農村和山區推廣清潔燃煤，特別是“煙煤型煤+環保爐具”進行分散式供熱，還應該成為一項長期政策。

4 結語

為了治理我國散煤污染、實現清潔供暖，需要從實際出發，因地制宜，多措并舉，多能互補。環保政策的推行需要首先考慮資源和地理條件的限制，其次是基礎設施投資，然后還要考慮老百姓的生活習慣等，但決定性的因素之一是供熱設備和燃料使用成本。居民在經濟上可承受是任何一項清潔供熱措施可長期執行的必要條件。因此，本文提出以下建議。

圖1 解耦燃燒技術原理

（1）從全國范圍內來看，散煤污染治理應嚴格遵循因地制宜的原則。根據我國能源賦存特點和經濟發展水平，對大中型城鎮建成區和集中居住片區應主張進行集中供熱，且在具備相關條件和經濟發展較好的部分區域鼓勵采用天然氣或電供熱，但在經濟相對落后的城鄉接合部或邊遠農村和山區，應堅持推廣分散式清潔燃煤或其他經濟供熱技術。

（2）在適用分散式燃煤清潔供熱區域，要健全準入制度和規范，完善激勵和扶持政策。在制度和政策層面明確鼓勵和支持節能環保爐具和潔凈型煤生產技術的開發應用，通過出臺有針對性的節能減排政策，提高行業標準和準入門檻，以逐步淘汰落后的傳統散煤燃燒供熱技術。

（3）在分散式燃煤清潔供熱示范應用已取得初步成效的區域，應進一步推進分散式供熱專業化管理。

對農村分散熱用戶進行專業化管理，推進潔凈型煤和環保爐具的生產標準化、配送規范化和服務市場化，形成可持續發展和可復制推廣的長效運營機制。

總之，為統籌解決農村煤炭散燒污染問題和帶動農村城鎮化發展，讓農民分享科學的現代化生活方式，在廣大農村和城郊地區堅持大規模推廣使用節能環保解耦爐具，并配套質優價廉的改性煙煤型煤，可望從根本上解決我國農村的煤炭散燒污染問題，從而改善農民生活，減少霧霾天的發生。

致謝感謝解耦燃燒技術的發明人李靜海院士對該技術研究、應用和推廣工作的長期大力支持和幫助。