基于实测的北方地区不同清洁取暖方式环境效益对比研究*

周卫青 吴华成 李 朋 张子健 汪美顺 康 玺

(1.国网冀北电力有限公司电力科学研究院，北京 100045；2.国网冀北电力有限公司，北京 100054；3.国家电网有限公司，北京 100031)

近年来，我国大气污染治理工作取得了显著成效，以2017年为例，京津冀及周边地区70个城市PM2.5、PM10、SO2和NO2的年均质量浓度分别为55、102、28、39 μg/m3，与2013年相比分别下降了37.2%、25.0%、51.1%和4.0%，重污染天数也明显减少，区域空气质量整体呈改善趋势[1]。但是，京津冀及周边地区目前仍然是我国大气污染最重的区域[2]，尤其是秋冬季，均有重污染天气出现，其中燃煤仍然是主要原因之一[3]。自2014年以来，煤电行业已逐步实施超低排放改造，排放的大气污染物得到高效控制，排放量进一步降低[4]，电煤消耗已非大气污染的关键因素，农村散烧煤大气污染物排放问题显得更加突出[5]，推进北方地区清洁取暖已成为近年来大气污染防治的主要措施之一，国家发展改革委等十部委联合印发了《北方地区冬季清洁取暖规划(2017—2021年)》等相关文件，地方政府逐步大力推进“煤改电”“煤改气”等工作，但由于该规划本身以指导性为主，在落实过程中部分地方政府不能科学有效地实施，清洁取暖效果欠佳，甚至造成资源浪费和影响居民正常取暖[6]。国内外现有的民用煤取暖相关研究主要集中在燃煤燃烧大气污染物排放特征方面，因此，本研究以实测为基础，分析研究了型煤环保炉具、天然气壁挂炉、蓄热式电取暖和空气源热泵4种清洁取暖方式相较于散煤传统炉具的大气污染物减排效果，研究结果对各地根据实际情况制定合理的“宜电则电、宜气则气、宜煤则煤”清洁取暖措施，实现环境、经济效益的最大化，具有重要参考意义。

1 实验及计算方法

1.1 燃烧实验及大气污染物排放因子测试

1.1.1 测试平台

燃烧实验及监测平台按照《民用煤大气污染物排放清单编制技术指南(试行)》附录B要求设计，管道按照《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》(GB/T 16157—1996)要求设计，实验装置见图1。

图1 实验装置Fig.1 Experimental device

燃烧实验过程中总悬浮颗粒物(TSP)、PM2.5排放分别按照GB/T 16157—1996和《固定污染源排放 烟气中PM10/PM2.5质量浓度的测定 低浓度下利用撞击器进行测量》(ISO 23210—2009)的要求采样、称重，气态污染物排放按《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)要求进行连续在线监测。

1.1.2 燃料和炉具

本次实验所用散煤和型煤为北方地区居民家中实际冬季取暖用煤，煤样的灰分、挥发分、全硫、发热量等指标测定结果见表1。选用的传统炉具、环保炉具均为市场常见品牌。

1.1.3 实验方法

使用选定的实验煤样和炉具开展燃烧实验及大气污染物的监测、分析，实验主要过程如下：

(1) 实验前准备。完成大气污染物在线监测仪器标定、采样膜称重、燃烧实验平台测试等工作。

(2) 点火。在实验炉中依次加入一定量的实验煤样，用丙烷引燃。

(3) 燃烧过程与北方地区居民冬季取暖一致，每日包括加煤、旺火、封火3个阶段，燃烧实验持续48 h，之后让火自然熄灭。

(4) 开启烟气在线监测仪器，在整个燃烧过程中，对排放的SO2、NOx、CO等气态污染物进行连续监测。

(5) 在加煤、旺火、封火等不同阶段，采集TSP、PM2.5样品，记录采样时间和采样状态，待后续称重分析。

(6) 使用精度为0.01 kg的电子秤对添加的实验煤样称重并记录。

(7) 实验过程同时监测稀释空气的环境背景浓度值。

1.1.4 排放因子计算

对采集的样品称重后，由式(1)计算TSP、PM2.5的排放因子。

(1)

式中：EPMi为颗粒物i的排放因子，kg/t；Δmi为滤筒或采样膜收集的颗粒物质量，g；Q为实验过程烟气流量，m3/h；t为实验时间，h；V为采集颗粒物过程中的采气量，L；M为实验燃煤量，kg。

SO2、NOx、CO排放浓度使用在线监测仪器监测，对3个燃烧阶段分别监测、计算，具体见式(2)：

表1 实验炉具及煤样煤质

(2)

式中：Ep为气态污染物p的排放因子，kg/t；Qj为j燃烧阶段(加煤、旺火、封火)的烟气流量，m3/h；tj为j燃烧阶段的时间，h；cpj为j燃烧阶段气态污染物p的质量浓度，mg/m3。

1.2 清洁取暖方式大气污染物削减计算

选取北京地区某典型取暖用户，分别计算散煤传统炉具、型煤环保炉具、天然气壁挂炉、蓄热式电取暖、空气源热泵5种取暖方式1个取暖季的煤、气、电消耗量，以及相应的大气污染物排放量、清洁取暖方式大气污染物削减率。该用户取暖面积为100 m2,1个取暖季取暖时间为120 d，平均取暖热负荷为43 W/(m2·d)，取暖热量为4.458×104MJ[7]。

1.2.1 煤、气、电消耗量

煤、气、电的消耗量使用等热值法计算，具体公式见式(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分别为散煤、型煤的消耗量，t；Bg为天然气消耗量，m3；D为1个取暖季的取暖热量，MJ；η1、η2、η3、η4分别为传统炉具和环保炉具、天然气壁挂炉、蓄热式电取暖、空气源热泵的热效率，相应的值分别为0.4[8]、0.85[9]、0.85[10]、3[11]；Q1ar,net、Q2ar,net分别为散煤、型煤的低位发热量，MJ/kg，取本次实验煤样测试结果；Q3ar,net为天然气的低位发热量,MJ/m3,取值为38.1 MJ/m3[12]；Be1、Be2分别为蓄热式电取暖、空气源热泵取暖电消耗量，kW·h；K为热电转换系数，MJ/(kW·h),取值为3.6 MJ/(kW·h)。

1.2.2 大气污染物排放量

大气污染物排放量使用排放因子法(散煤、型煤、天然气)或排放绩效法(电)计算，散煤传统炉具、型煤环保炉具大气污染物排放因子采用本次实验数据，天然气壁挂炉TSP、PM2.5、SO2、NOx、CO的排放因子分别取0.3、0.3、0.63、1.84、0.006 g/m3[13-14]，蓄热式电取暖和空气源热泵TSP、PM2.5、SO2、NOx、CO排放绩效分别取6.5、3.38、40、100、660 mg/(kW·h)[15-16]。

1.2.3 大气污染物削减率

以散煤传统炉具大气污染物排放量为基准，计算其余4种清洁取暖方式的大气污染物削减率。

2 结果与讨论

2.1 大气污染物排放因子

散煤传统炉具、型煤环保炉具大气污染物排放因子实验结果见表2。散煤传统炉具的TSP、PM2.5排放因子分别为7.77、6.91 kg/t，型煤环保炉具的TSP、PM2.5排放因子分别为0.38、0.26 kg/t，后者是前者的5%左右。部分学者使用类似测试平台，得到散煤传统炉具的PM2.5排放因子为3.58～11 kg/t[17-20]，本次实验结果大致属于该范围的中值；李庆等[21]通过实验得出散煤环保炉具的PM2.5排放因子为0.6 kg/t左右，无烟煤环保炉具的PM2.5排放因子为(0.16±0.10) kg/t，是散煤传统炉具的98%左右，相同燃烧条件下，TSP、PM2.5的排放因子与燃煤的挥发分呈正相关关系[22]，型煤挥发分介于散煤和无烟煤之间，本实验测得的排放因子也在上述两者区间内。由此可见，本次实验得到型煤环保炉具的颗粒物排放因子和减排效果与相关研究结果一致。型煤的挥发分低，TSP、PM2.5的排放因子小；环保炉具采用反式燃烧方式，可以延长烟气在炉膛中的停留时间，使挥发分充分燃烧，有效降低PM2.5排放强度[23]，型煤环保炉具取暖具有显著的TSP、PM2.5减排效果。

表2 大气污染物排放因子

散煤传统炉具的SO2、NOx、CO排放因子分别为1.19、1.37、78.35 kg/t，型煤环保炉具的SO2、NOx、CO排放因子分别为1.10、0.76、116.85 kg/t，气态污染物排放因子因燃煤品质、燃烧方式的不同变化较大，SO2排放因子与燃煤的硫分及硫存在的形态、燃烧温度等相关，NOx排放因子主要与燃烧温度或炉膛温度、燃烧方式等相关，CO排放因子与燃烧方式、燃烧效率相关[24]。从本次测试结果来看，传统炉具的NOx、SO2排放因子相对更大，环保炉具燃烧效率比传统炉具低，CO的排放因子更大。

2.2 不同清洁取暖方式环境效益分析

2.2.1 不同清洁取暖方式环境效益

散煤传统炉具、型煤环保炉具、天然气壁挂炉、蓄热式电取暖和空气源热泵取暖所消耗的物料量分别为散煤3.7 t、型煤4.5 t、天然气1 376.6 m3、电14 568.6 kW·h、电4 127.8 kW·h，1个取暖季大气污染物的排放量见表3，4种清洁取暖方式的大气污染物削减率见表4。

表3 不同取暖方式大气污染物排放量

表4 清洁取暖方式大气污染物削减率

由表4可知，4种清洁取暖方式都能够大幅降低TSP、PM2.5的排放量，空气源热泵减排效果最好，削减率为99.9%，型煤环保炉具效果相对较差，但削减率也在90%以上；电取暖方式TSP、PM2.5、SO2、NOx等大气污染物的减排效果最显著，主要原因为燃煤机组通过超低排放或近零排放改造，大气污染物排放浓度已达燃气机组排放要求，空气源热泵由于热转换效率高，取暖耗电量少，减排效果最明显；天然气壁挂炉燃烧最充分，CO减排效果最明显，削减率接近100%，天然气硫含量低，SO2减排效果也很明显，削减率在80%以上，但NOx的减排效果不明显；型煤环保炉具仅对TSP、PM2.5有明显减排效果，NOx减排效果不明显，SO2排放量小幅增加，主要由于京津冀地区对民用散煤、型煤硫分都按照小于0.40%的标准控制，两种燃煤硫分相差较小，型煤的低位发热量较低，取暖煤耗量大，相对于传统炉具，环保炉具总体燃烧效率低，CO排放量增加近1倍。综上所述，4种清洁取暖方式环境效益从大到小依次为空气源热泵、蓄热式电取暖、天然气壁挂炉、型煤环保炉具。

2.2.2 清洁取暖方式技术路线选择

在考察环保效益的同时，对比了4种清洁取暖方式的投资及运行费用、取暖主观感受等，综合环境效益，探讨不同区域清洁取暖方式的选择原则。部分研究[25-27]对比研究了几种清洁取暖方式的初期投资及运行费用，得出型煤环保炉具取暖的改造和运行费用最低，因此从经济性角度更具推广性，空气源热泵相比蓄热式电取暖，PM2.5削减率相差约0.1百分点，但初期投资多3倍左右，如以区县为单位考虑，投资额度巨大，需要地方有足够的财政支撑；谢伦裕等[28]通过4 000多户清洁取暖用户的入户调查，获知了居民取暖的主观感受，发现电取暖的安全性、卫生程度、方便性等方面有一定优势，型煤环保炉具取暖效果、可靠性最好。具体情况见表5。

表5 减排效果、费用及主观感受情况对比1)

大气环境状况、财政状况、居民收入水平、居民意愿、能源禀赋等都是清洁取暖方式选择的影响因素。各地方在选择清洁取暖方式时，应在重点考虑环境效益的基础上，综合考虑以上因素，切实做到“宜电则电、宜气则气、宜煤则煤”，如在人均收入高、居民有更高生活品质意愿的区域优先实施“煤改电”，在收入尚不高的农村区域优先使用型煤环保炉具，在具备“煤改电”“煤改气”条件的区域充分考虑初期投资和气、电的可靠性因素选择技术路线，在保障居民取暖的同时，取得环境效益的最大化。

3 结 论

(1) 散煤传统炉具的TSP、PM2.5排放因子分别为7.77、6.91 kg/t，型煤环保炉具的TSP、PM2.5排放因子分别为0.38、0.26 kg/t，后者是前者的5%左右。散煤传统炉具的SO2、NOx、CO排放因子分别为1.19、1.37、78.35 kg/t，型煤环保炉具的SO2、NOx、CO排放因子分别为1.10、0.76、116.85 kg/t；冬季采用型煤环保炉具取暖，有显著的TSP、PM2.5减排效果。

(2) 4种清洁取暖方式的环境效益从大到小依次为空气源热泵、蓄热式电取暖、天然气壁挂炉、型煤环保炉具；空气源热泵对TSP、PM2.5、SO2、NOx等大气污染物的减排效果最好；天然气壁挂炉对CO的减排效果最好；型煤环保炉具仅对TSP、PM2.5有明显的减排效果，SO2、CO的排放量将会增大。

(3) 各地政府选择冬季清洁取暖技术路线时，需在考虑环境效益的基础上，结合当地的大气环境状况、财政状况、居民收入水平、居民意愿、能源禀赋等因素进行综合考虑，切实做到“宜电则电、宜气则气、宜煤则煤”，在保障居民取暖的同时，取得环境效益的最大化。