民用清潔型煤配套環(huán)保爐具推廣策略及環(huán)境效益評估

張道明 薛春瑜

(北京化工大學化學工程學院，北京市朝陽區(qū)，100029)

目前我國能源消費還是以煤炭為主，能源總消費中仍有65%來自于煤炭。雖然民用燃煤在其中的占比不大，但是很多居民仍將其用于冬季取暖及日常炊事，且以散煤為主。民用散煤產生的一次PM2.5(空氣動力學當量直徑小于等于2.5 μm的顆粒物)的排放因子約為燃煤電廠的5～10倍。同時，PM2.5、多環(huán)芳烴和汞等有毒有害物質會對人體健康構成嚴重威脅。據統(tǒng)計，全球每年有400萬人因其產生的嚴重室內空氣污染和大氣環(huán)境惡化而導致過早死亡，而目前我國仍有50%左右的農村人口，依然依靠劣質煤炭進行炊事和采暖。

有部分研究人員通過實驗室的測試結果表明，采用潔凈煤代替散煤具有非常明顯的減排效果。然而在實際推廣中，由于燃料與爐具不配套以及用戶的采暖習慣等因素，導致現場測試和實驗室測試的結果相差較大，因此現場測試對評估具有重要的參考價值。但是到目前為止，對潔凈煤配套環(huán)保爐具的現場效果評估的工作較少。

習近平總書記在中央財經領導小組第14次會議上提出了“農村清潔采暖”的政策，國家十部委隨之聯合發(fā)布了《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃(2017-2021)》(發(fā)改能源〔2017〕2100號)，并明確提出加強散煤綜合治理。在暫不具備推廣清潔能源采暖的地區(qū)，著重推廣優(yōu)質無煙煤、型煤和蘭炭等潔凈煤，并逐步完善配套清潔爐具的推廣。

山東省德州市在采用民用煤配套環(huán)保爐具進行農村地區(qū)散煤治理方面取得了很好的示范效果，在2016-2018年間，清潔型煤的推廣量累計約69萬t，推廣配套爐具約9.86萬臺。2018年德州的空氣質量優(yōu)化幅度為12.2%，位列全國169個重點城市的12位。本文以山東省德州市樂陵市下屬的崔家樓村為例，對該地區(qū)的清潔型煤推廣策略及環(huán)境效益開展了現場效果評估。

1 實地測試方法

1.1 調研及測試方法

本文選擇實地測試的方法，在測試地區(qū)選擇型煤和兩種不同爐具的組合，并測量了這兩種組合的污染排放情況，共獲得10個不同家庭的10個污染排放樣本，兩種爐具的樣本量分別為5和5。同時隨機對37戶人家進行入戶調研，對26戶人家進行KPT調研，內容包括采暖習慣、燃煤使用量和采暖天數等。

本文的數據來源均由實地測試所得，測試方法和樣本量的可靠性和準確性在《民用煤大氣污染物排放清單編制技術指南》(試行)中的排放系數等級劃分中均為A級。

測試方法以《民用水暖煤爐通用技術條件》(GB-16154-2005)的規(guī)定標準執(zhí)行，選擇煙氣分析儀(Testo350)分別測量O2、CO、CO2、NOx和SO2的濃度以及煙氣溫度。使用流量為1.50 L/min旋風分離器將切割的PM2.5收集到石英纖維濾膜上，采用干式氣體流量校準器(Defender 510-H，SKC.Inc)在采樣前后校準泵流量，所有濾膜在450℃下烘烤4 h后進行取樣。在取樣之前和之后，將過濾器在干燥器中平衡24 h，并使用微量天平(0.01 mg，XS105，Mettler-Toledo)稱重，采樣點選擇在爐具出煙口1.0 m以上。

1.2 調研對象的選擇

本次測試選擇在德州市樂陵市內的崔家樓村型煤推廣示范點，該地區(qū)居民的采暖期一般從11月中旬至次年3月初，當地居民的采暖習慣一般分為采暖、加煤和封火這3個階段。調研區(qū)域有兩種主要類型的采暖爐，兩種爐具的具體尺寸和基本結構見表1。

表1 兩種爐具的具體尺寸和基本結構

爐具A是傳統(tǒng)的循環(huán)水采暖爐，最初設計用于燃燒原煤，且該設計結構在中國北方廣泛使用，傳統(tǒng)水暖爐的設計以省煤、上火快為主，爐膛小且結構簡單，二次進風控制設計粗糙，一般在居民家中已使用較長時間；爐具B相對于爐具A而言，優(yōu)化了二次空氣供應結構，氣化程度和燃燒效率更高且增加了循環(huán)水泵，使熱能利用率更高，主要跟隨型煤的代替工作而推廣。兩種爐具外部均為鋼材質，襯里和爐膛由防火土填補，一二次風的進量可以通過清灰門和爐體之間的進氣區(qū)域來控制。

1.3 燃料性質及消耗量

采用KPT(廚房性能測試)方法調研統(tǒng)計居民在采暖期間的日均燃料消耗情況，KPT是在一定的測試期間內，根據居民燃料使用總量估算采暖季節(jié)總排放量的方式。本次測試中，為居民稱量足夠使用3 d的煤炭，并于3 d后確認燃料的消耗情況。測試地區(qū)推廣的戶用潔凈型煤如圖1所示。

圖1 崔家樓村推廣的戶用潔凈型煤

燃料的低位熱值、工業(yè)分析和元素分析分別按照《固體生物質燃料檢驗通則》(GB/T 21923-2008)、《固體生物質燃料工業(yè)分析方法》(GB/T 28731-2012)與《固體生物質燃料中碳氫測定方法》(GB/T 28734-2012)等規(guī)定在北京化工大學測試中心進行測定，測定結果如下：型煤的低位熱值為23.236 MJ/kg，水分為1.32%、灰分為20.87%、揮發(fā)分為10.18%、固定碳含量為67.63%，碳元素含量為71.2%、氫元素含量為3.51%、氮元素含量為1.2%、硫元素含量為0.29%。德州市對民用型煤的質量要求為：全硫(St.d)≤0.4%、灰分(Ad)≤25%、揮發(fā)分(Vdaf)8%～12%、熱值(Qnet,ar)≥23.83 MJ/kg，測試地區(qū)的煤樣符合政府的質量要求。

1.4 排放因子及排放總量計算

為了保證測試階段符合居民的日常采暖行為，測試包括用戶日常采暖的3個階段，包括采暖階段、加煤階段和封火階段，各階段持續(xù)采樣約30～60 min，每個階段的操作方式都完全按照用戶的日常操作習慣進行。

假設測試期間和實際排放的污染物濃度相對一致，全天排放濃度則能根據各燃燒階段的測量結果，與全天中各燃燒階段的持續(xù)時間進行加權平均得到，計算公式見式(1)：

式中：Cx全天——根據測試期間一種氣體污染物的各階段排放濃度，進行加權得出的日平均濃度，mg/m3；

i——一天中3個不同的燃燒階段(采暖、加煤、封火)；

Ci——基于每個燃燒階段測得的階段濃度，mg/m3；

Ti——各個燃燒階段在一天中的持續(xù)時間，根據每戶的日均采暖習慣調研，采暖階段、加煤階段、封火階段分別為10 h、2 h和12 h；

Tall——一天中總的采暖時間，一般為24 h，如果有居民采用夜間熄火的取暖習慣，應當保證∑(Ti)=Tall。

基于由公式(1)核算出的日平均濃度，用碳平衡法衡量每個階段的排放因子，計算公式見式(2)：

式中：EFx——污染物x的基于燃料質量的排放因子，g/kg；

△Cx——污染物x的質量濃度，mg/m3；

Cf和Ca——分別是燃料和干基灰分中的碳含量，可由采集的燃料和灰分進行元素分析得到；

CC-CO2、CC-CO、CC-THC、CC-PM——分別是在CO2、CO、總烴(THC)和顆粒物(PM)中釋放的碳，mg/m3，例如CC-CO2= 12/44。

排放總量由排放因子、日均耗煤量和戶均冬季采暖天數共同核算得出，計算公式見式(3)：

EFx總量=EFx×M日耗量×D采暖天數(3)

式中：EFx總量——一戶家庭全年因采暖而產生的某一項污染排放，kg/a；

M日耗量——由KPT調研得出的每戶日均燃料消耗量，kg/d，具體數值見表2；

D采暖天數——為當地居民的冬季采暖總天數，d。

2 民用型煤配套環(huán)保爐具環(huán)境效益評估

2.1 燃料消耗量

在本次調研中共對26戶家庭進行KPT測試，調研區(qū)域型煤的日均用量見表2，為了更好地比較不同燃料的消耗，利用相應的轉換因子換算成標準煤(29.27 MJ/kg)的日均用量。

表2調研地區(qū)潔凈型煤日均用量kg/d

項目A+型煤B+型煤KPT調研結果16.8±3.720.8±5.5標準煤換算結果15.1±3.318.6±4.9

由表2可以看出，新爐具B的型煤日均用量比舊爐具高出4 kg，這主要是因為配套的環(huán)保爐具優(yōu)化了二次風的供應，使燃料的燃燒速度更快，火力更強，且B爐具的爐膛偏大，燃料的分布更加均勻，燃煤受熱的比表面積更大，有利于污染物的減排。但是優(yōu)化爐具B的燃料消耗更快，當燃料相同時會有污染排放總量增加的風險。

2.2 污染物排放因子

本次調研中的兩種型煤爐具基于單位燃料能量的污染物排放因子見表3，研究結果顯示，當燃料為潔凈型煤時，爐具A和B之間的排放差異并不明顯。

基于單位燃料質量的大氣污染物和顆粒物排放因子見表4，并將本文的測試結果和《民用煤大氣污染物排放清單編制技術指南》(試行)中的民用煤排放系數推薦值進行對比，型煤和煙煤推薦值的排放因子對比結果如圖2所示。

表3基于單位燃料能量的大氣污染物和顆粒物排放因子g/MJ

爐具+燃料PM2.5NOxSO2COCO2A+型煤0.022 ± 0.0190.14 ± 0.040.18±0.055.08 ± 2.3789± 5B+型煤0.015 ± 0.0020.11 ± 0.020.16±0.385.46 ± 1.7291± 9

表4基于單位燃料質量的大氣污染物和顆粒物排放因子g/kg

爐具+燃料PM2.5COCO2NOxSO2A+型煤0.57 ± 0.51133.4 ± 62.12333 ± 1413.8 ± 0.94.7±1.3B+型煤0.40 ± 0.06143.3 ± 45.12394 ± 2322.8 ± 0.64.2±1.0推薦值10.8140.1-1.67.4

注：推薦值來自于《民用煤大氣污染物排放清單編制技術指南》(試行)的煙煤排放系數

圖2 型煤和煙煤推薦值的排放因子對比結果

由圖2和表4可以看出，型煤在爐具A和B中的EF-PM2.5僅為煙煤的5.28%和3.7%，EF-SO2分別減小了57.4%和76.2%；煤炭中的揮發(fā)分含量直接影響到顆粒物的排放水平，型煤的揮發(fā)分含量為10.18%，煙煤揮發(fā)分含量一般在25%～40%之間；硫化物的排放主要取決于煤炭含硫量和固硫效果，型煤中的硫含量相比于煙煤含量較低，且配煤中加入的固硫劑也進一步起到減排作用。

由于居民不同的操作習慣和取暖需求，當地居民大部分以小火取暖，型煤無法充分燃燒，導致其CO排放較高，所以型煤對CO的減排效果并不明顯。民用爐具一般爐膛空間較小、內部結構簡單且氮氧化物的排放主要來自于燃料型氮。相對于煙煤，型煤不能對NOx產生減排效果，可能是由于本次測試地區(qū)推廣的型煤含氮量較高(1.2%-干燥基)，且高熱值(26.236 MJ/kg)在燃燒期間會產生更高的溫度，有利于氮氧化物的生成。不同燃燒階段的氣態(tài)污染物和顆粒物排放濃度如圖3所示。

由圖3可以看出，不同燃燒階段的污染物排放濃度受人為操作的影響明顯，在居民的全天采暖中，封火階段能累計持續(xù)達12 h，封火期間燃燒強度減弱，CO濃度升高且逐漸趨于平穩(wěn)，且在采暖期間的加煤操作會對爐具的污染排放產生強烈的擾動，尤其是加煤初期的脫揮發(fā)階段。

圖3 不同燃燒階段的氣態(tài)污染物和顆粒物排放濃度

綜上所述，加煤和封火操作都會對爐具的污染排放產生重大影響，所以使用3階段的測試結果計算排放因子，可以更加準確地評估真實的戶均污染排放量。

2.3 戶均全年排放總量

以公式(3)計算得到型煤推廣村的戶均污染物年排放總量，調研數據的針對性更強，且區(qū)域范圍更加精確，為之后替代工作的評估提供了有意義的基礎數據。除了計算排放因子之外，日均耗煤量也需要納入考察范圍之中。而推廣耗煤少、燃燒效率高且能簡化用戶操作的爐具，對于污染物減排具有重要的意義。通過26戶KPT調研和37家用戶的訪問數據，整個供暖季節(jié)內一個家庭的總排放量見表5。

表5整個供暖季節(jié)內一個家庭的總排放量kg/a

爐具+燃料PM2.5COCO2NOxSO2A+型煤1.16 ± 1.03269.0 ±125.14703 ± 2867.61 ± 1.889.4±2.7B+型煤0.99 ± 0.14357.8 ±112.65976 ± 5797.11 ±1.4110.6±2.5

3 推廣清潔煤采暖的政策建議

散煤清潔化治理對冬季居民采暖的污染減排具有非常重要的作用，而清潔型煤及配套爐具的入戶推廣則成為散煤治理行動的重要組成部分。根據《中華人民共和國大氣污染防治法》和《德州市大氣污染防治管理規(guī)定》，德州市縣(市、區(qū))政府積極聯合，并于2016年開始逐年制定《德州市年度散煤清潔化治理實施方案》，嚴格控制散煤的監(jiān)督和管理，完善清潔煤生產、儲存、供應、配送體系，大力推廣“潔凈型煤+環(huán)保爐具”模式，總結了山東省德州市樂陵市崔家樓村的型煤推廣經驗，并為今后“清潔煤配套環(huán)保爐具”的推廣政策提出以下3點建議。

3.1 嚴格控制散煤流通

各縣(市、區(qū))應根據轄區(qū)內的經濟條件和清潔能源替代工作進展情況，精確劃定“禁煤區(qū)”范圍，“禁煤區(qū)”內要實現煤炭及煤炭制品徹底“清零”。在可燃煤區(qū)域內推廣“潔凈型煤+環(huán)保爐具”的替代政策。

為了加強散煤市場管理，首先應在主要公路設置散煤運輸檢查站，防止不符合質量標準的煤炭流入市場；其次，依法清理無照及不符合規(guī)劃、環(huán)保、質量要求和煤質標準的經營業(yè)戶、場所和企業(yè)；第三，群眾監(jiān)督燃用劣質煤舉報機制，支持群眾監(jiān)督舉報并予以獎勵。

3.2 建設型煤供應體系

目前全國各地的型煤生產基礎比較薄弱，為了保證型煤的供應量足夠當地居民的冬季采暖需求，各縣(市、區(qū))應通過招標確定潔凈型煤供貨商，并協(xié)調供煤企業(yè)儲備潔凈型煤、發(fā)放配送到戶等工作，并建立煤質及爐具企業(yè)信用及使用的黑名單機制。

煤炭質量檢測應嚴格依據國家《商品煤質量-民用型煤》(GB34170-2017)標準，由縣(市、區(qū))工商和市場監(jiān)管部門依照職責對其管轄范圍內的煤炭質量進行嚴格監(jiān)控，并按照企業(yè)自檢、縣級普檢、市級抽檢的三級煤質監(jiān)控機制嚴格執(zhí)行，杜絕劣質散煤混入型煤銷售渠道。同時，制定環(huán)保爐具標準參照《民用水暖煤爐通用技術條件》(GB16154)、《民用水暖煤爐性能試驗方法》(GB/T 16155)。

3.3 建立財政補貼機制

德州地區(qū)的潔凈型煤和環(huán)保爐具的財政補貼標準于2017年修訂，中心城區(qū)(三區(qū))居民燃用潔凈型煤由市、區(qū)財政分攤補貼共600元/t，爐具補貼40%，市財政負擔一半。對中心城區(qū)低保戶由區(qū)、鎮(zhèn)街財政按1 t/a潔凈型煤全額給予補貼。非中心城區(qū)的縣市區(qū)城鄉(xiāng)居民購買潔凈型煤補貼300元/t，爐具補貼40%，且均由市財政負擔一半金額。

傳統(tǒng)的散煤采暖在居民的年支出中的占比較小，一般為1000元左右，清潔煤采暖則會增加農村居民的采暖支出，而成本問題也是清潔煤采暖在我國推廣的主要阻力所在。所以在居民購置清潔燃料時，政府應完善對居民的財政補貼；此外，清潔煤推廣不應只靠政府單方面出資為企業(yè)和居民進行補貼，要在煤炭運轉過程中建立新的產業(yè)鏈條，以保證長期發(fā)展下去；在合理的經濟條件下加強政府對居民和企業(yè)的補貼力度，引導民眾自覺進行散煤治理，提高使用清潔能源的積極性。

4 結論

(1)相比于散煤，潔凈型煤在PM2.5和SO2減排方面取得了較好的效果。PM2.5的排放因子僅為煙煤的5.28%、3.7%，而SO2的排放因子為煙煤的57.4%和76.2%。

(2)實地測試更能準確地評估農戶在采暖過程中的污染排放情況，現場測試應當包含所有居民采暖的典型階段，以保證排放因子核算結果的真實性。此外，進行KPT測試和入戶問卷調研能更加準確地的反應實際問題，對排放總量和潔凈型煤減排效果的計算及評估都具有重要的參考意義。

(3)散煤的治理需要政府在源頭把控劣質煤炭的流通，取締非法銷售市場。推廣“潔凈型煤+環(huán)保爐具”應把控型煤質量，并嚴格執(zhí)行煤質監(jiān)控機制、完善配送流程，在推廣初期要完善補貼政策，讓居民盡快接受新的采暖模式。