基于實測的北方地區不同清潔取暖方式環境效益對比研究*

周衛青 吳華成 李 朋 張子健 汪美順 康 璽

(1.國網冀北電力有限公司電力科學研究院，北京 100045；2.國網冀北電力有限公司，北京 100054；3.國家電網有限公司，北京 100031)

近年來，我國大氣污染治理工作取得了顯著成效，以2017年為例，京津冀及周邊地區70個城市PM2.5、PM10、SO2和NO2的年均質量濃度分別為55、102、28、39 μg/m3，與2013年相比分別下降了37.2%、25.0%、51.1%和4.0%，重污染天數也明顯減少，區域空氣質量整體呈改善趨勢[1]。但是，京津冀及周邊地區目前仍然是我國大氣污染最重的區域[2]，尤其是秋冬季，均有重污染天氣出現，其中燃煤仍然是主要原因之一[3]。自2014年以來，煤電行業已逐步實施超低排放改造，排放的大氣污染物得到高效控制，排放量進一步降低[4]，電煤消耗已非大氣污染的關鍵因素，農村散燒煤大氣污染物排放問題顯得更加突出[5]，推進北方地區清潔取暖已成為近年來大氣污染防治的主要措施之一，國家發展改革委等十部委聯合印發了《北方地區冬季清潔取暖規劃(2017—2021年)》等相關文件，地方政府逐步大力推進“煤改電”“煤改氣”等工作，但由于該規劃本身以指導性為主，在落實過程中部分地方政府不能科學有效地實施，清潔取暖效果欠佳，甚至造成資源浪費和影響居民正常取暖[6]。國內外現有的民用煤取暖相關研究主要集中在燃煤燃燒大氣污染物排放特征方面，因此，本研究以實測為基礎，分析研究了型煤環保爐具、天然氣壁掛爐、蓄熱式電取暖和空氣源熱泵4種清潔取暖方式相較于散煤傳統爐具的大氣污染物減排效果，研究結果對各地根據實際情況制定合理的“宜電則電、宜氣則氣、宜煤則煤”清潔取暖措施，實現環境、經濟效益的最大化，具有重要參考意義。

1 實驗及計算方法

1.1 燃燒實驗及大氣污染物排放因子測試

1.1.1 測試平臺

燃燒實驗及監測平臺按照《民用煤大氣污染物排放清單編制技術指南(試行)》附錄B要求設計，管道按照《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態污染物采樣方法》(GB/T 16157—1996)要求設計，實驗裝置見圖1。

圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental device

燃燒實驗過程中總懸浮顆粒物(TSP)、PM2.5排放分別按照GB/T 16157—1996和《固定污染源排放 煙氣中PM10/PM2.5質量濃度的測定 低濃度下利用撞擊器進行測量》(ISO 23210—2009)的要求采樣、稱重，氣態污染物排放按《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)要求進行連續在線監測。

1.1.2 燃料和爐具

本次實驗所用散煤和型煤為北方地區居民家中實際冬季取暖用煤，煤樣的灰分、揮發分、全硫、發熱量等指標測定結果見表1。選用的傳統爐具、環保爐具均為市場常見品牌。

1.1.3 實驗方法

使用選定的實驗煤樣和爐具開展燃燒實驗及大氣污染物的監測、分析，實驗主要過程如下：

(1) 實驗前準備。完成大氣污染物在線監測儀器標定、采樣膜稱重、燃燒實驗平臺測試等工作。

(2) 點火。在實驗爐中依次加入一定量的實驗煤樣，用丙烷引燃。

(3) 燃燒過程與北方地區居民冬季取暖一致，每日包括加煤、旺火、封火3個階段，燃燒實驗持續48 h，之后讓火自然熄滅。

(4) 開啟煙氣在線監測儀器，在整個燃燒過程中，對排放的SO2、NOx、CO等氣態污染物進行連續監測。

(5) 在加煤、旺火、封火等不同階段，采集TSP、PM2.5樣品，記錄采樣時間和采樣狀態，待后續稱重分析。

(6) 使用精度為0.01 kg的電子秤對添加的實驗煤樣稱重并記錄。

(7) 實驗過程同時監測稀釋空氣的環境背景濃度值。

1.1.4 排放因子計算

對采集的樣品稱重后，由式(1)計算TSP、PM2.5的排放因子。

(1)

式中：EPMi為顆粒物i的排放因子，kg/t；Δmi為濾筒或采樣膜收集的顆粒物質量，g；Q為實驗過程煙氣流量，m3/h；t為實驗時間，h；V為采集顆粒物過程中的采氣量，L；M為實驗燃煤量，kg。

SO2、NOx、CO排放濃度使用在線監測儀器監測，對3個燃燒階段分別監測、計算，具體見式(2)：

表1 實驗爐具及煤樣煤質

(2)

式中：Ep為氣態污染物p的排放因子，kg/t；Qj為j燃燒階段(加煤、旺火、封火)的煙氣流量，m3/h；tj為j燃燒階段的時間，h；cpj為j燃燒階段氣態污染物p的質量濃度，mg/m3。

1.2 清潔取暖方式大氣污染物削減計算

選取北京地區某典型取暖用戶，分別計算散煤傳統爐具、型煤環保爐具、天然氣壁掛爐、蓄熱式電取暖、空氣源熱泵5種取暖方式1個取暖季的煤、氣、電消耗量，以及相應的大氣污染物排放量、清潔取暖方式大氣污染物削減率。該用戶取暖面積為100 m2,1個取暖季取暖時間為120 d，平均取暖熱負荷為43 W/(m2·d)，取暖熱量為4.458×104MJ[7]。

1.2.1 煤、氣、電消耗量

煤、氣、電的消耗量使用等熱值法計算，具體公式見式(3)至式(7)。

Br=D/(η1×Q1ar,net×1 000)

(3)

Bb=D/(η1×Q2ar,net×1 000)

(4)

Bg=D/(η2×Q3ar,net)

(5)

Be1=D/(η3×K)

(6)

Be2=D/(η4×K)

(7)

式中：Br、Bb分別為散煤、型煤的消耗量，t；Bg為天然氣消耗量，m3；D為1個取暖季的取暖熱量，MJ；η1、η2、η3、η4分別為傳統爐具和環保爐具、天然氣壁掛爐、蓄熱式電取暖、空氣源熱泵的熱效率，相應的值分別為0.4[8]、0.85[9]、0.85[10]、3[11]；Q1ar,net、Q2ar,net分別為散煤、型煤的低位發熱量，MJ/kg，取本次實驗煤樣測試結果；Q3ar,net為天然氣的低位發熱量,MJ/m3,取值為38.1 MJ/m3[12]；Be1、Be2分別為蓄熱式電取暖、空氣源熱泵取暖電消耗量，kW·h；K為熱電轉換系數，MJ/(kW·h),取值為3.6 MJ/(kW·h)。

1.2.2 大氣污染物排放量

大氣污染物排放量使用排放因子法(散煤、型煤、天然氣)或排放績效法(電)計算，散煤傳統爐具、型煤環保爐具大氣污染物排放因子采用本次實驗數據，天然氣壁掛爐TSP、PM2.5、SO2、NOx、CO的排放因子分別取0.3、0.3、0.63、1.84、0.006 g/m3[13-14]，蓄熱式電取暖和空氣源熱泵TSP、PM2.5、SO2、NOx、CO排放績效分別取6.5、3.38、40、100、660 mg/(kW·h)[15-16]。

1.2.3 大氣污染物削減率

以散煤傳統爐具大氣污染物排放量為基準，計算其余4種清潔取暖方式的大氣污染物削減率。

2 結果與討論

2.1 大氣污染物排放因子

散煤傳統爐具、型煤環保爐具大氣污染物排放因子實驗結果見表2。散煤傳統爐具的TSP、PM2.5排放因子分別為7.77、6.91 kg/t，型煤環保爐具的TSP、PM2.5排放因子分別為0.38、0.26 kg/t，后者是前者的5%左右。部分學者使用類似測試平臺，得到散煤傳統爐具的PM2.5排放因子為3.58～11 kg/t[17-20]，本次實驗結果大致屬于該范圍的中值；李慶等[21]通過實驗得出散煤環保爐具的PM2.5排放因子為0.6 kg/t左右，無煙煤環保爐具的PM2.5排放因子為(0.16±0.10) kg/t，是散煤傳統爐具的98%左右，相同燃燒條件下，TSP、PM2.5的排放因子與燃煤的揮發分呈正相關關系[22]，型煤揮發分介于散煤和無煙煤之間，本實驗測得的排放因子也在上述兩者區間內。由此可見，本次實驗得到型煤環保爐具的顆粒物排放因子和減排效果與相關研究結果一致。型煤的揮發分低，TSP、PM2.5的排放因子小；環保爐具采用反式燃燒方式，可以延長煙氣在爐膛中的停留時間，使揮發分充分燃燒，有效降低PM2.5排放強度[23]，型煤環保爐具取暖具有顯著的TSP、PM2.5減排效果。

表2 大氣污染物排放因子

散煤傳統爐具的SO2、NOx、CO排放因子分別為1.19、1.37、78.35 kg/t，型煤環保爐具的SO2、NOx、CO排放因子分別為1.10、0.76、116.85 kg/t，氣態污染物排放因子因燃煤品質、燃燒方式的不同變化較大，SO2排放因子與燃煤的硫分及硫存在的形態、燃燒溫度等相關，NOx排放因子主要與燃燒溫度或爐膛溫度、燃燒方式等相關，CO排放因子與燃燒方式、燃燒效率相關[24]。從本次測試結果來看，傳統爐具的NOx、SO2排放因子相對更大，環保爐具燃燒效率比傳統爐具低，CO的排放因子更大。

2.2 不同清潔取暖方式環境效益分析

2.2.1 不同清潔取暖方式環境效益

散煤傳統爐具、型煤環保爐具、天然氣壁掛爐、蓄熱式電取暖和空氣源熱泵取暖所消耗的物料量分別為散煤3.7 t、型煤4.5 t、天然氣1 376.6 m3、電14 568.6 kW·h、電4 127.8 kW·h，1個取暖季大氣污染物的排放量見表3，4種清潔取暖方式的大氣污染物削減率見表4。

表3 不同取暖方式大氣污染物排放量

表4 清潔取暖方式大氣污染物削減率

由表4可知，4種清潔取暖方式都能夠大幅降低TSP、PM2.5的排放量，空氣源熱泵減排效果最好，削減率為99.9%，型煤環保爐具效果相對較差，但削減率也在90%以上；電取暖方式TSP、PM2.5、SO2、NOx等大氣污染物的減排效果最顯著，主要原因為燃煤機組通過超低排放或近零排放改造，大氣污染物排放濃度已達燃氣機組排放要求，空氣源熱泵由于熱轉換效率高，取暖耗電量少，減排效果最明顯；天然氣壁掛爐燃燒最充分，CO減排效果最明顯，削減率接近100%，天然氣硫含量低，SO2減排效果也很明顯，削減率在80%以上，但NOx的減排效果不明顯；型煤環保爐具僅對TSP、PM2.5有明顯減排效果，NOx減排效果不明顯，SO2排放量小幅增加，主要由于京津冀地區對民用散煤、型煤硫分都按照小于0.40%的標準控制，兩種燃煤硫分相差較小，型煤的低位發熱量較低，取暖煤耗量大，相對于傳統爐具，環保爐具總體燃燒效率低，CO排放量增加近1倍。綜上所述，4種清潔取暖方式環境效益從大到小依次為空氣源熱泵、蓄熱式電取暖、天然氣壁掛爐、型煤環保爐具。

2.2.2 清潔取暖方式技術路線選擇

在考察環保效益的同時，對比了4種清潔取暖方式的投資及運行費用、取暖主觀感受等，綜合環境效益，探討不同區域清潔取暖方式的選擇原則。部分研究[25-27]對比研究了幾種清潔取暖方式的初期投資及運行費用，得出型煤環保爐具取暖的改造和運行費用最低，因此從經濟性角度更具推廣性，空氣源熱泵相比蓄熱式電取暖，PM2.5削減率相差約0.1百分點，但初期投資多3倍左右，如以區縣為單位考慮，投資額度巨大，需要地方有足夠的財政支撐；謝倫裕等[28]通過4 000多戶清潔取暖用戶的入戶調查，獲知了居民取暖的主觀感受，發現電取暖的安全性、衛生程度、方便性等方面有一定優勢，型煤環保爐具取暖效果、可靠性最好。具體情況見表5。

表5 減排效果、費用及主觀感受情況對比1)

大氣環境狀況、財政狀況、居民收入水平、居民意愿、能源稟賦等都是清潔取暖方式選擇的影響因素。各地方在選擇清潔取暖方式時，應在重點考慮環境效益的基礎上，綜合考慮以上因素，切實做到“宜電則電、宜氣則氣、宜煤則煤”，如在人均收入高、居民有更高生活品質意愿的區域優先實施“煤改電”，在收入尚不高的農村區域優先使用型煤環保爐具，在具備“煤改電”“煤改氣”條件的區域充分考慮初期投資和氣、電的可靠性因素選擇技術路線，在保障居民取暖的同時，取得環境效益的最大化。

3 結 論

(1) 散煤傳統爐具的TSP、PM2.5排放因子分別為7.77、6.91 kg/t，型煤環保爐具的TSP、PM2.5排放因子分別為0.38、0.26 kg/t，后者是前者的5%左右。散煤傳統爐具的SO2、NOx、CO排放因子分別為1.19、1.37、78.35 kg/t，型煤環保爐具的SO2、NOx、CO排放因子分別為1.10、0.76、116.85 kg/t；冬季采用型煤環保爐具取暖，有顯著的TSP、PM2.5減排效果。

(2) 4種清潔取暖方式的環境效益從大到小依次為空氣源熱泵、蓄熱式電取暖、天然氣壁掛爐、型煤環保爐具；空氣源熱泵對TSP、PM2.5、SO2、NOx等大氣污染物的減排效果最好；天然氣壁掛爐對CO的減排效果最好；型煤環保爐具僅對TSP、PM2.5有明顯的減排效果，SO2、CO的排放量將會增大。

(3) 各地政府選擇冬季清潔取暖技術路線時，需在考慮環境效益的基礎上，結合當地的大氣環境狀況、財政狀況、居民收入水平、居民意愿、能源稟賦等因素進行綜合考慮，切實做到“宜電則電、宜氣則氣、宜煤則煤”，在保障居民取暖的同時，取得環境效益的最大化。