民用清洁型煤配套环保炉具推广策略及环境效益评估

2019-06-05张道明薛春瑜

中国煤炭 2019年5期

张道明薛春瑜

(北京化工大学化学工程学院，北京市朝阳区，100029)

目前我国能源消费还是以煤炭为主，能源总消费中仍有65%来自于煤炭。虽然民用燃煤在其中的占比不大，但是很多居民仍将其用于冬季取暖及日常炊事，且以散煤为主。民用散煤产生的一次PM2.5(空气动力学当量直径小于等于2.5 μm的颗粒物)的排放因子约为燃煤电厂的5～10倍。同时，PM2.5、多环芳烃和汞等有毒有害物质会对人体健康构成严重威胁。据统计，全球每年有400万人因其产生的严重室内空气污染和大气环境恶化而导致过早死亡，而目前我国仍有50%左右的农村人口，依然依靠劣质煤炭进行炊事和采暖。

有部分研究人员通过实验室的测试结果表明，采用洁净煤代替散煤具有非常明显的减排效果。然而在实际推广中，由于燃料与炉具不配套以及用户的采暖习惯等因素，导致现场测试和实验室测试的结果相差较大，因此现场测试对评估具有重要的参考价值。但是到目前为止，对洁净煤配套环保炉具的现场效果评估的工作较少。

习近平总书记在中央财经领导小组第14次会议上提出了“农村清洁采暖”的政策，国家十部委随之联合发布了《北方地区冬季清洁取暖规划(2017-2021)》(发改能源〔2017〕2100号)，并明确提出加强散煤综合治理。在暂不具备推广清洁能源采暖的地区，着重推广优质无烟煤、型煤和兰炭等洁净煤，并逐步完善配套清洁炉具的推广。

山东省德州市在采用民用煤配套环保炉具进行农村地区散煤治理方面取得了很好的示范效果，在2016-2018年间，清洁型煤的推广量累计约69万t，推广配套炉具约9.86万台。2018年德州的空气质量优化幅度为12.2%，位列全国169个重点城市的12位。本文以山东省德州市乐陵市下属的崔家楼村为例，对该地区的清洁型煤推广策略及环境效益开展了现场效果评估。

1 实地测试方法

1.1 调研及测试方法

本文选择实地测试的方法，在测试地区选择型煤和两种不同炉具的组合，并测量了这两种组合的污染排放情况，共获得10个不同家庭的10个污染排放样本，两种炉具的样本量分别为5和5。同时随机对37户人家进行入户调研，对26户人家进行KPT调研，内容包括采暖习惯、燃煤使用量和采暖天数等。

本文的数据来源均由实地测试所得，测试方法和样本量的可靠性和准确性在《民用煤大气污染物排放清单编制技术指南》(试行)中的排放系数等级划分中均为A级。

测试方法以《民用水暖煤炉通用技术条件》(GB-16154-2005)的规定标准执行，选择烟气分析仪(Testo350)分别测量O2、CO、CO2、NOx和SO2的浓度以及烟气温度。使用流量为1.50 L/min旋风分离器将切割的PM2.5收集到石英纤维滤膜上，采用干式气体流量校准器(Defender 510-H，SKC.Inc)在采样前后校准泵流量，所有滤膜在450℃下烘烤4 h后进行取样。在取样之前和之后，将过滤器在干燥器中平衡24 h，并使用微量天平(0.01 mg，XS105，Mettler-Toledo)称重，采样点选择在炉具出烟口1.0 m以上。

1.2 调研对象的选择

本次测试选择在德州市乐陵市内的崔家楼村型煤推广示范点，该地区居民的采暖期一般从11月中旬至次年3月初，当地居民的采暖习惯一般分为采暖、加煤和封火这3个阶段。调研区域有两种主要类型的采暖炉，两种炉具的具体尺寸和基本结构见表1。

表1 两种炉具的具体尺寸和基本结构

炉具A是传统的循环水采暖炉，最初设计用于燃烧原煤，且该设计结构在中国北方广泛使用，传统水暖炉的设计以省煤、上火快为主，炉膛小且结构简单，二次进风控制设计粗糙，一般在居民家中已使用较长时间；炉具B相对于炉具A而言，优化了二次空气供应结构，气化程度和燃烧效率更高且增加了循环水泵，使热能利用率更高，主要跟随型煤的代替工作而推广。两种炉具外部均为钢材质，衬里和炉膛由防火土填补，一二次风的进量可以通过清灰门和炉体之间的进气区域来控制。

1.3 燃料性质及消耗量

采用KPT(厨房性能测试)方法调研统计居民在采暖期间的日均燃料消耗情况，KPT是在一定的测试期间内，根据居民燃料使用总量估算采暖季节总排放量的方式。本次测试中，为居民称量足够使用3 d的煤炭，并于3 d后确认燃料的消耗情况。测试地区推广的户用洁净型煤如图1所示。

图1 崔家楼村推广的户用洁净型煤

燃料的低位热值、工业分析和元素分析分别按照《固体生物质燃料检验通则》(GB/T 21923-2008)、《固体生物质燃料工业分析方法》(GB/T 28731-2012)与《固体生物质燃料中碳氢测定方法》(GB/T 28734-2012)等规定在北京化工大学测试中心进行测定，测定结果如下：型煤的低位热值为23.236 MJ/kg，水分为1.32%、灰分为20.87%、挥发分为10.18%、固定碳含量为67.63%，碳元素含量为71.2%、氢元素含量为3.51%、氮元素含量为1.2%、硫元素含量为0.29%。德州市对民用型煤的质量要求为：全硫(St.d)≤0.4%、灰分(Ad)≤25%、挥发分(Vdaf)8%～12%、热值(Qnet,ar)≥23.83 MJ/kg，测试地区的煤样符合政府的质量要求。

1.4 排放因子及排放总量计算

为了保证测试阶段符合居民的日常采暖行为，测试包括用户日常采暖的3个阶段，包括采暖阶段、加煤阶段和封火阶段，各阶段持续采样约30～60 min，每个阶段的操作方式都完全按照用户的日常操作习惯进行。

假设测试期间和实际排放的污染物浓度相对一致，全天排放浓度则能根据各燃烧阶段的测量结果，与全天中各燃烧阶段的持续时间进行加权平均得到，计算公式见式(1)：

式中：Cx全天——根据测试期间一种气体污染物的各阶段排放浓度，进行加权得出的日平均浓度，mg/m3；

i——一天中3个不同的燃烧阶段(采暖、加煤、封火)；

Ci——基于每个燃烧阶段测得的阶段浓度，mg/m3；

Ti——各个燃烧阶段在一天中的持续时间，根据每户的日均采暖习惯调研，采暖阶段、加煤阶段、封火阶段分别为10 h、2 h和12 h；

Tall——一天中总的采暖时间，一般为24 h，如果有居民采用夜间熄火的取暖习惯，应当保证∑(Ti)=Tall。

基于由公式(1)核算出的日平均浓度，用碳平衡法衡量每个阶段的排放因子，计算公式见式(2)：

式中：EFx——污染物x的基于燃料质量的排放因子，g/kg；

△Cx——污染物x的质量浓度，mg/m3；

Cf和Ca——分别是燃料和干基灰分中的碳含量，可由采集的燃料和灰分进行元素分析得到；

CC-CO2、CC-CO、CC-THC、CC-PM——分别是在CO2、CO、总烃(THC)和颗粒物(PM)中释放的碳，mg/m3，例如CC-CO2= 12/44。

排放总量由排放因子、日均耗煤量和户均冬季采暖天数共同核算得出，计算公式见式(3)：

EFx总量=EFx×M日耗量×D采暖天数(3)

式中：EFx总量——一户家庭全年因采暖而产生的某一项污染排放，kg/a；

M日耗量——由KPT调研得出的每户日均燃料消耗量，kg/d，具体数值见表2；

D采暖天数——为当地居民的冬季采暖总天数，d。

2 民用型煤配套环保炉具环境效益评估

2.1 燃料消耗量

在本次调研中共对26户家庭进行KPT测试，调研区域型煤的日均用量见表2，为了更好地比较不同燃料的消耗，利用相应的转换因子换算成标准煤(29.27 MJ/kg)的日均用量。

表2调研地区洁净型煤日均用量kg/d

项目A+型煤B+型煤KPT调研结果16.8±3.720.8±5.5标准煤换算结果15.1±3.318.6±4.9

由表2可以看出，新炉具B的型煤日均用量比旧炉具高出4 kg，这主要是因为配套的环保炉具优化了二次风的供应，使燃料的燃烧速度更快，火力更强，且B炉具的炉膛偏大，燃料的分布更加均匀，燃煤受热的比表面积更大，有利于污染物的减排。但是优化炉具B的燃料消耗更快，当燃料相同时会有污染排放总量增加的风险。

2.2 污染物排放因子

本次调研中的两种型煤炉具基于单位燃料能量的污染物排放因子见表3，研究结果显示，当燃料为洁净型煤时，炉具A和B之间的排放差异并不明显。

基于单位燃料质量的大气污染物和颗粒物排放因子见表4，并将本文的测试结果和《民用煤大气污染物排放清单编制技术指南》(试行)中的民用煤排放系数推荐值进行对比，型煤和烟煤推荐值的排放因子对比结果如图2所示。

表3基于单位燃料能量的大气污染物和颗粒物排放因子g/MJ

炉具+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基于单位燃料质量的大气污染物和颗粒物排放因子g/kg

炉具+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推荐值10.8140.1-1.67.4

注：推荐值来自于《民用煤大气污染物排放清单编制技术指南》(试行)的烟煤排放系数

图2 型煤和烟煤推荐值的排放因子对比结果

由图2和表4可以看出，型煤在炉具A和B中的EF-PM2.5仅为烟煤的5.28%和3.7%，EF-SO2分别减小了57.4%和76.2%；煤炭中的挥发分含量直接影响到颗粒物的排放水平，型煤的挥发分含量为10.18%，烟煤挥发分含量一般在25%～40%之间；硫化物的排放主要取决于煤炭含硫量和固硫效果，型煤中的硫含量相比于烟煤含量较低，且配煤中加入的固硫剂也进一步起到减排作用。

由于居民不同的操作习惯和取暖需求，当地居民大部分以小火取暖，型煤无法充分燃烧，导致其CO排放较高，所以型煤对CO的减排效果并不明显。民用炉具一般炉膛空间较小、内部结构简单且氮氧化物的排放主要来自于燃料型氮。相对于烟煤，型煤不能对NOx产生减排效果，可能是由于本次测试地区推广的型煤含氮量较高(1.2%-干燥基)，且高热值(26.236 MJ/kg)在燃烧期间会产生更高的温度，有利于氮氧化物的生成。不同燃烧阶段的气态污染物和颗粒物排放浓度如图3所示。

由图3可以看出，不同燃烧阶段的污染物排放浓度受人为操作的影响明显，在居民的全天采暖中，封火阶段能累计持续达12 h，封火期间燃烧强度减弱，CO浓度升高且逐渐趋于平稳，且在采暖期间的加煤操作会对炉具的污染排放产生强烈的扰动，尤其是加煤初期的脱挥发阶段。

图3 不同燃烧阶段的气态污染物和颗粒物排放浓度

综上所述，加煤和封火操作都会对炉具的污染排放产生重大影响，所以使用3阶段的测试结果计算排放因子，可以更加准确地评估真实的户均污染排放量。

2.3 户均全年排放总量

以公式(3)计算得到型煤推广村的户均污染物年排放总量，调研数据的针对性更强，且区域范围更加精确，为之后替代工作的评估提供了有意义的基础数据。除了计算排放因子之外，日均耗煤量也需要纳入考察范围之中。而推广耗煤少、燃烧效率高且能简化用户操作的炉具，对于污染物减排具有重要的意义。通过26户KPT调研和37家用户的访问数据，整个供暖季节内一个家庭的总排放量见表5。

表5整个供暖季节内一个家庭的总排放量kg/a

炉具+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 推广清洁煤采暖的政策建议

散煤清洁化治理对冬季居民采暖的污染减排具有非常重要的作用，而清洁型煤及配套炉具的入户推广则成为散煤治理行动的重要组成部分。根据《中华人民共和国大气污染防治法》和《德州市大气污染防治管理规定》，德州市县(市、区)政府积极联合，并于2016年开始逐年制定《德州市年度散煤清洁化治理实施方案》，严格控制散煤的监督和管理，完善清洁煤生产、储存、供应、配送体系，大力推广“洁净型煤+环保炉具”模式，总结了山东省德州市乐陵市崔家楼村的型煤推广经验，并为今后“清洁煤配套环保炉具”的推广政策提出以下3点建议。

3.1 严格控制散煤流通

各县(市、区)应根据辖区内的经济条件和清洁能源替代工作进展情况，精确划定“禁煤区”范围，“禁煤区”内要实现煤炭及煤炭制品彻底“清零”。在可燃煤区域内推广“洁净型煤+环保炉具”的替代政策。

为了加强散煤市场管理，首先应在主要公路设置散煤运输检查站，防止不符合质量标准的煤炭流入市场；其次，依法清理无照及不符合规划、环保、质量要求和煤质标准的经营业户、场所和企业；第三，群众监督燃用劣质煤举报机制，支持群众监督举报并予以奖励。

3.2 建设型煤供应体系

目前全国各地的型煤生产基础比较薄弱，为了保证型煤的供应量足够当地居民的冬季采暖需求，各县(市、区)应通过招标确定洁净型煤供货商，并协调供煤企业储备洁净型煤、发放配送到户等工作，并建立煤质及炉具企业信用及使用的黑名单机制。

煤炭质量检测应严格依据国家《商品煤质量-民用型煤》(GB34170-2017)标准，由县(市、区)工商和市场监管部门依照职责对其管辖范围内的煤炭质量进行严格监控，并按照企业自检、县级普检、市级抽检的三级煤质监控机制严格执行，杜绝劣质散煤混入型煤销售渠道。同时，制定环保炉具标准参照《民用水暖煤炉通用技术条件》(GB16154)、《民用水暖煤炉性能试验方法》(GB/T 16155)。

3.3 建立财政补贴机制

德州地区的洁净型煤和环保炉具的财政补贴标准于2017年修订，中心城区(三区)居民燃用洁净型煤由市、区财政分摊补贴共600元/t，炉具补贴40%，市财政负担一半。对中心城区低保户由区、镇街财政按1 t/a洁净型煤全额给予补贴。非中心城区的县市区城乡居民购买洁净型煤补贴300元/t，炉具补贴40%，且均由市财政负担一半金额。

传统的散煤采暖在居民的年支出中的占比较小，一般为1000元左右，清洁煤采暖则会增加农村居民的采暖支出，而成本问题也是清洁煤采暖在我国推广的主要阻力所在。所以在居民购置清洁燃料时，政府应完善对居民的财政补贴；此外，清洁煤推广不应只靠政府单方面出资为企业和居民进行补贴，要在煤炭运转过程中建立新的产业链条，以保证长期发展下去；在合理的经济条件下加强政府对居民和企业的补贴力度，引导民众自觉进行散煤治理，提高使用清洁能源的积极性。