生物质成型颗粒配套环保炉具的污染物排放现场测试及环境效益评估

张道明， 张 有， 刘 珣， 刘亚非， 陈晓夫， 薛春瑜， 刘广青

（1.北京化工大学 化学工程学院， 北京 100029； 2.北京北方节能环保有限公司， 北京 100089； 3.北京师范大学 环境学院， 北京 100875； 4.中国农村能源行业协会， 北京 100125）

0 引言

目前，中国农村依然有近60%的家庭使用生物质能和燃煤作为主要的燃料以满足日常的采暖和炊事需求[1]。 受农村生活习惯和经济不发达等条件制约，预计未来很长的一段时间内，农村地区以低效燃烧的采暖和炊事方式使用污染指数较高的劣质燃料的状况不会有很大改善[2]。 而大气污染物来源解析结果得到的数据显示，由劣质生物质燃料和散煤的燃烧而释放的细颗粒物， 对区域灰霾的形成和分散有着非常显著的影响[3]。

使用精加工的生物质成型颗粒代替散煤及生物质散料具有非常明显的污染物减排效果[4]。由于用户的供暖需求、 操作习惯等因素的影响，关于使用清洁燃料带来的环境效益，用户家中的现场测试结果和实验室测试的结果相差很大，因此，现场测试对评估使用清洁燃料带来的的环境效益具有重要的参考价值[5]，[6]。 同时，在现场采集燃烧过程中排放的PM2.5以及CO，CO2和NOx等气态污染物， 有助于建立更为真实的源成分谱，帮助研究污染源的生成和扩散机理，有助于大气污染物的来源解析研究，并且可根据数据分析来制定污染防治的具体措施。通过实地评估能较为准确地反映燃料的清洁性与否[7]。 但是，迄今为止， 有关清洁燃料配套环保炉具的现场效果评估的研究非常少。

2017 年9 月6 日，国家四部委联合出台《关于推进北方采暖地区城镇清洁供暖的指导意见》，鼓励各地以因地制宜的原则，科学选择清洁供暖方式， 优先利用生物质成型颗粒等可再生清洁能源，同年出台的《山东省2017 年煤炭消费减量替代工作行动方案》要求：降低煤炭消费，替代劣质生物质燃料，鼓励发展新能源和可再生能源。2016-2018 年，山东滨州某县率先推广了“生物质成型颗粒+环保专用炉具”的新型供暖模式来替代原有的民用散煤采暖。 本文通过实地测试的方式， 研究了推广炉具之间的性能差异和适用对象， 并对比了生物质代替散煤采暖的环保效果。此外，笔者在测试地同时进行了炉具污染排放、燃料消耗量、居民使用信息等调研，得到的信息更加具有针对性和时效性， 更好地反映了真实情况， 避免了在核算排放总量时因引用文献数据而带来的误差， 为之后的生物质推广工作提供了十分有意义的数据。

1 现场调研及测试的内容和方法

1.1 调研对象的选择

滨州地区从2017 年起开始推广生物质采暖，并且全面限制散煤的销售和使用。 调研结果显示，调研区域的居民冬季采暖一般持续4～5 个月，即从11 月中旬-次年3 月初。 截止到测试期间，当地政府已经推出了比较完善的生物质采暖政策及补贴计划。但是，实施政策之初，很多散煤的流通不能被完全禁止，调研期间依然有部分生物质采暖推广村落的居民使用散煤取暖，或者使用生物质和散煤混合取暖。本实验测试了示范村内主要推广的两种生物质采暖炉具，一种为烤火炉，一种为水暖炉，测试燃料为当地推广的生物质成型颗粒。政府推广的两种生物质炉具均为自动加料，不须要居民进行手动加料操作，减小了人为因素对燃烧排放的影响。

1.2 炉具及燃料基本情况

调研区域推广的两种生物质采暖炉具如图1 所示。 两种炉具的基本参数如表1 所示。

图1 测试村推广的两种生物质成型燃料炉具Fig.1 Two improved biomass pellet stoves promoted by the test village

表1 两种炉具的规格Table 1 Specifications of the two stoves

水暖炉可以根据用户的采暖需求在炉具上设定程序， 程序可自动调节螺旋电机的加料频率以及引风机的进风量。 这种炉具可以有效避免因用户对燃烧的不适当调节， 而造成的多余污染物排放。 烤火炉通过燃料在料仓中的自身重力而实现自动填料，进风方式为自然通风，通风量由人为控制， 燃烧状态容易被人为因素影响。

此外， 测试地区的大部分居民家中未安装循环水采暖管道， 所以该地区多数家庭都使用生物质烤火炉采暖，而烤火炉一般放置在居民卧室中，可能会因炉具的泄露而增对人体健康的威胁。 推广初期，政府为每户居民免费赠送250 kg 的生物质成型颗粒进行试用， 调研区域推广的户用生物质成型颗粒如图2 所示。 该生物质成型颗粒为枣木和松木屑的混合成型燃料，燃料的低位热值、工业分析和元素分析分别按照GB/T 21923-2008，GB/T 28731-012 与GB/T 28734-2012 规定，在北京化工大学测试中心进行测定， 测定结果如表2所示。

图2 调研区域推广的户用生物质成型颗粒Fig.2 Household biomass pellets promoted in the survey area

表2 燃料性质的分析结果Table 2 Industrial analysis and elemental analysis results

1.3 调研及测试方法

测试期间随机调研了67 户人家（占整个村庄的63%）， 访问内容包括用户采暖面积、 采暖习惯、采暖需求等；并对35 户家庭进行了KPT（厨房性能测试） 调研来统计居民在采暖期间的日均燃料消耗情况。数据的来源方式和样本量在《民用煤大气污染物排放清单编制技术指南》 中的数据评级标准中均为A 级别[8]。

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[9]。 本次测试中， 我们为居民称量足够使用3 d 的生物质颗粒， 在用户保持日常采暖习惯的基础上每日回访，并在3 d 后确认燃料剩余情况，以核算出该地区居民的日均燃料消耗量。

为保证测试阶段符合居民的日常采暖行为，测试须涵盖用户日常所有的操作习惯， 由于两种推广炉具均为自动进料， 所以只须对采暖阶段和封火阶段进行测试， 各阶段应持续采样30～60 min。

使用Testo350 型烟气分析仪测量O2，CO，CO2和NOx的浓度以及烟气温度； 使用流量为1.50 L/min 的旋风分离器将切割的PM2.5收集到石英纤维滤膜上，用Defender 510-H 型干式气体流量校准器在采样前后校准泵流量， 所有滤膜在450 ℃下烘烤4 h 后再进行取样。 在取样前后，将过滤器在干燥器中平衡24 h，并使用XS105 型微量天平（精度为0.01 mg）称重，采样点选择在炉具出烟口1.0 m 以上。

1.4 污染排放计算方法

根据调研数据， 将采暖和封火期间的污染物排放浓度， 和一天内采暖和封火各自的总时长进行加权平均， 可得到一户人家全天的平均污染物排放浓度，具体的计算式为

式中：CX全天为测试期间某种污染物X（CO，CO2，NOx和PM2.5） 的日平均浓度，mg/m3；i 为一天中不同的燃烧阶段（包括采暖和封火）；Ci为基于每个燃烧阶段测得的阶段浓度，mg/m3；Ti为各个燃烧阶段在一天中的持续时间，h，根据调研，用户每天的采暖阶段和封火阶段分别累计持续10 h 和14 h；Tall为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。

基于式（1）核算出污染物的日平均排放浓度，再用碳平衡法衡量每个阶段的排放因子[10]，污染物排放因子EFX的计算式为

式中：DCX为污染物X 的质量浓度，mg/m3；Cf和Ca分别为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和CC-PM分别为在CO2，CO，总烃（THC）和颗粒物（PM）中释放的碳。

在全年采暖中， 一户家庭某种污染物的排放总质量EFX总量可由污染物排放因子、 日均燃料消耗量和户均冬季采暖天数共同核算得出， 其计算式为

式中：M日耗量为通过KPT 调研得出的每户日均燃料消耗量，kg/d；D采暖天数为当地居民的冬季采暖总天数，d。

2 测试及调研结果

2.1 燃料消耗量

表3 列出了调研村推广的两种炉具和生物质颗粒组合采暖的燃料日耗量。 基于生物质颗粒燃料的热值（17.24 MJ/kg），利用相应的转换因子将生物质颗粒燃料的日耗量换算成了标准煤（热值为29.27 MJ/kg）的日耗量。 烤火炉用户的采暖面积为18.5 m2，生物质颗粒燃料的日用量仅为11.4 kg，比水暖炉用户的用料量减少了54.2%，但是农村家庭的房屋面积普遍较大且保温性不好， 烤火炉用户往往沿用之前的散煤烤火炉辅助供暖，变相加大了污染物排放。

表3 调研地区生物质颗粒的日均用量Table 3 Daily average consumption of biomass pellets in the survey area

2.2 炉具排放特征

图3 为水暖炉和烤火炉在采暖阶段的典型污染物浓度排放曲线。

图3 两种测试炉具的排放特征曲线Fig.3 Emission characteristics of two test stoves

从图3 可以看出， 水暖炉的CO 排放浓度较为平稳，基本维持在150～300 mg/m3，而烤火炉的CO 排放浓度波动较大，为300～3 500 mg/m3，说明烤火炉的CO 排放浓度受燃烧方式和供风情况影响较大。水暖炉使用电机强制通风，且进料方式为数控自动进料，进料速度更为均匀，并可根据炉膛燃烧情况自行调节通风和进料， 所以水暖炉的CO 排放浓度比较稳定；而烤火炉结构简单，重力进料往往会导致加料不均匀， 容易对燃烧状态产生强烈的干扰[11]。

NOx的生成主要和燃料有关， 且温度越高越容易促进其生成。烤火炉不均匀的加料速度，会造成炉膛温度降低， 从而对NOx的生成产生干扰。从图3 可以看出，烤火炉的NOx排放浓度为150～350 mg/m3，而水暖炉的NOx排放浓度曲线更加有规律性，波峰的间距更均匀，其NOx排放浓度也为150～300 mg/m3，但是，由于水暖炉有保温层，炉膛内温度更高，所以水暖炉的NOx平均排放浓度要高于烤火炉。

2.3 排放因子

表4 列出了两种炉具基于燃料质量的污染物排放因子（单位为g/kg）。 为了更好地比较生物质颗粒与其他燃料的排放情况， 下文统一将基于燃料质量的污染物排放因子转化为基于燃料热值的污染物排放因子（单位为g/MJ）。

表4 基于单位燃料质量的大气污染物和颗粒物排放因子Table 4 The emission factors of air pollutants and particulate matter based on unit fuel quality g/kg

图4 是两款生物质炉具基于燃料热值的污染物排放因子的箱型图。从图4 可以看出：水暖炉和烤火炉的PM2.5排放因子分别为0.038±0.005，0.039±0.015 g/MJ， 两种炉具的PM2.5排放因子几乎相同， 水暖炉仅比烤火炉减少了2.5%的排放量，说明炉具差异不是影响PM2.5排放因子的主要因素； 水暖炉和烤火炉的CO 排放因子分别为0.42±0.09，1.55±0.64 g/MJ， 水暖炉可比烤火炉减少72.7%的CO 排放量， 说明水暖炉的燃烧效率要高于烤火炉， 这和烤火炉的通风设计与加料方式有关；水暖炉和烤火炉的NOx排放因子分别为0.29±0.06，0.25±0.06 g/MJ， 由于NOx的主要来源为燃料中的氮， 且更高的燃烧温度会更利于NOx的生成， 所以水暖炉的NOx排放因子要高于烤火炉[12]，[13]。

图4 两种炉具基于燃料热值的排放因子箱型图Fig.4 Box diagram of emission factors for two boilers based on unit fuel calorific value

表5 列出了两种生物质炉具基于燃料热值的污染物排放因子， 并在图5 中将测得的结果和前期在山东淄博所测试的烟煤排放因子进行了对比[14]。

表5 测试结果与文献中散煤排放因子的对比Table 5 Comparison of test results with emission factors of raw coal literature values g/MJ

图5 测试结果与燃煤测试排放因子的对比柱状图Fig.5 Comparison of emission factors in this study with those from raw coal combustion

对比结果显示，相比于烟煤排放因子，生物质颗粒在水暖炉和烤火炉中的PM2.5排放因子分别有52.5%和51.3%的减排效果， 生物质颗粒在水暖炉中的CO 排放因子可以减排56.7%， 而生物质颗粒在烤火炉中的CO 排放因子则增加了37.4%的排放量。 由于生物质颗粒的含硫量较低，燃烧期间仪器未能检测到SO2的排放浓度。此外，生物质燃料在氮氧化物方面没有减排效果，水暖炉和烤火炉以推广的生物质成型颗粒为燃料时，其NOx排放因子分别比烟煤排放因子增加了80.3%和77.2%。这主要是由于生物质中的燃料氮高于普通散煤中燃料氮，同时散煤的热值比生物质燃料高，尤其是以燃料热值来体现污染物排放因子时，生物质的NOx排放会有明显的增量。

2.4 排放总量

通过KPT 调研，以式（3）计算得到生物质成型颗粒推广村落中一个家庭在整个供暖季节内的污染物总排放量（表6）。 由上文的调研和测试结果可知， 以排放因子反应炉具污染排放情况时，两种炉具的差异不大；当使用燃料消耗量来核算全年排放总量时， 由于烤火炉的日均煤耗（11.4±2.69 kg/d） 仅为水暖炉 （24.9±5.8 kg/d）的45.8%，所以相对于水暖炉，烤火炉具有明显的污染物减排效果， 其中，PM2.5和NOx分别减排52.76%和59.60%，而CO 无减排效果。

表6 整个供暖季节内一个家庭的污染物总排放量Table 6 Total pollutant emissions from one household during a whole heating season kg/a

水暖炉的实际供暖面积更大，一台水暖炉即可以满足整个家庭的基本供暖，而烤火炉的实际供暖面积较小（18.8 m2）、燃料日耗量少，导致某些用户仍需要另外的燃煤炉具辅助供暖，变相增加了污染物排放。 用户会根据采暖需求和家庭环境，来选择适合自身的采暖方式，所以政府应当严格控制散煤的流通， 杜绝劣质散煤流入居民购买渠道， 并大力推广生物质等清洁能源和可再生能源，加快清洁采暖政策的实施。而在推广环保炉具时，政府也应当考虑燃料消耗、采暖面积和操作是否便捷等因素， 让居民尽快地接受新型的采暖方式，从而实现清洁供暖的环保目的。

除污染物测试外， 本研究还对该区域进行了燃料使用和用户信息的调研， 得到的数据针对性更强，且区域范围更加精确，为之后散煤替代工作的评估提供了非常有意义的基础数据。此外，在实地调研过程中， 除了测试与计算排放因子和排放浓度之外，采暖季耗煤量、炉具实际供暖面积和其他采暖方式等信息也需要纳入调研范围之内，以便更加全面地分析和评估一项政府推广项目的环保效益和实际效果。

3 结论

①相比于散煤采暖， 生物质成型颗粒采暖具有明显的PM2.5，SO2和CO 减排效果，而受生物质燃料燃烧特性的影响，其没有明显的NOx减排作用。

②以生物质成型颗粒为燃料时， 水暖炉的PM2.5和NOx排放因子与烤火炉相近，并有明显的CO 减排效果。 水暖炉的日均燃料消耗和实际供暖面积均大于烤火炉， 但烤火炉用户会使用燃煤辅助采暖，变相增加污染物排放。政府推广环保炉具时，除基本的污染排放指标以外，也应当考虑燃料消耗、供暖面积等问题，推广适合当地居民采暖习惯的炉具， 避免燃煤辅助采暖和不合理使用炉具等情况发生，从而导致更多的污染物排放。

③实地测试能更准确地评估农户在采暖过程中的污染物排放情况，而进行KPT 测试和入户问卷调研能更全面的反映实际问题， 有助于从更多的角度来评估炉具替代工作所带来的环境效益。