《清洁采暖炉具现场测试及评价方法》标准的编制思路及要点

2022-11-02李友杰李志敏陈晓夫任彦波薛春瑜刘广青

煤炭加工与综合利用 2022年8期

王珏，李友杰，李志敏，陈晓夫，任彦波，薛春瑜，刘广青

(1.中交第三公路工程局有限公司，北京 100221；2.北京化工大学化学工程学院，北京 100029；3.中国农村能源行业协会，北京 100125)

我国北方农村地区采用固体燃料采暖是导致冬季大气污染严重、重污染天气频发的重要原因之一[1-3]。因暴露于室内固体燃料的污染，而产生缺血性心脏病、慢性阻塞性肺炎、肺癌、急性呼吸道疾病等，造成过早死亡的人群约400万人，其中中国约100 万人[4-5]。因此，加大治理中国北方地区冬季取暖民用散煤问题，具有重要的环保意义和社会价值。

2017年国家十部委联合制定了《北方地区冬季清洁取暖规划(2017-2021年)》[6]，采用清洁能源替代民用散煤的治理工作已取得初步成效。由于民用散煤的使用量大面广，农村地区配套基础设施建设滞后，一些经济不发达的农村地区，采用清洁能源受到资源和经济的限制。在当前经济社会环境下，应该采取因地制宜、综合治理、多措并举的方式逐步推进清洁能源替代民用散煤。而暂不具备清洁能源替代条件的地方可以采取“优质煤或生物质成型燃料替换，并配套使用节能环保炉具”替代散烧煤采暖。

然而，已有研究表明，实验室测试能够反映污染物的排放规律，但是由于民用采暖炉具的性能受到当地采暖习惯、燃料品质、炉具类型和环境条件等现场复杂因素的影响，现场测试提供了测量系统中无法在实验室环境中重现的关键影响因素，而这些影响因素很难在实验室环境中准确的模拟，现场测试获得的性能指标被认为比实验室获得的更具有代表性[7-9]。因此，制定统一、科学和规范的现场测试方法十分必要。

1 关键测试指标

《标准》分别从环境健康、炉具性能、经济成本和使用效果四个方面，提出了关键测试指标及其现场测试方法，如图1所示，分别包括通过访谈调研获得家庭情况、经济收入、取暖现状和政策落实等情况，现场测试获得烟气排放、热性能、室内空气污染、燃料消耗量和使用效果等。

根据现有的中国排放清单计算，民用散煤排放的污染物中，对大气贡献较大的主要是PM2.5和SO2，以及相关的不完全燃烧产物[10-12]。结合我国供暖有关的污染物排放标准，选取PM2.5、SO2、CO这3种污染物作为衡量民用固体燃料对环境影响的关键指标。

细颗粒物PM2.5质量浓度是当前空气质量管理以及颗粒物健康影响评价的主要指标[13]，依据世界卫生组织(WHO)的推荐标准[14]，选择室内的PM2.5和CO浓度作为评价指标，以反映其对健康存在的潜在危害。研究人员也可以进一步考虑多环芳烃、重金属等指标以及人体暴露因素。

燃料消耗量是反映用户采暖运行成本的关键，同时也是核算家庭或区域排放总量的关键参数。使用效果主要包括室内温度、炉具使用率等。室内温度是指测试期间或采暖季的平均温度，能够反映用户家中是否暖和。使用率指标主要是指测试期间或采暖季期间，使用清洁采暖炉具的平均天数，反映项目推广被认可的程度。

图1 关键指标的现场测试方法示意

2 关键指标测试方法及计算

2.1 大气污染物排放测试

民用炉具的排放烟气速率不稳定且极小，污染物排放随工况起伏变化大的特点，在点火、添加燃料、封火、熄灭等过程容易产生大量污染物，需要24 h全过程采样才能客观反映污染物排放水平[15]，采用传统固定源直接采样法无法实现全天24 h的全过程采样。

为准确评估散煤的实际使用效果和污染排放水平，《标准》与现有的实验室标准方法不同，采用ISO 19869：2019的基于稀释采样的碳平衡法[15]，编制组采用自行设计的便携式民用炉具污染排放现场测试系统[16-17]，具有便于携带、体积较小，采样点的位置相对比较灵活，适合在现场进行全过程测试，该装置由采样管、稀释空气单元、采样与测量单元3个部分组成，示意图见图2。测试装置应能实时测定采样气体流量、温度、相对湿度等参数，并可对CO、NOx、SO2和PM2.5等污染物进行连续测试或采样，研究人员也可以进一步分析颗粒物的化学组成，包括EC/OC、PAHs和重金属等。

图2 大气污染物排放测试装置示意

通过测试期间燃料燃烧后，根据碳平衡法计算污染物的排放因子。由于烟气排放中甲烷、非甲烷总烃和颗粒物中碳的质量占比很小，因此，可以忽略不计。

EFm，CO2=EFm，C-CO2×fC-CO2

(1)

式(1)中，fC-CO2为C转换为CO2的转化系数，即为44/12。对于其他目标污染物的排放因子EFm，x可由下式计算：

式(2)中，Cm，x、Cm，CO2分别为目标污染物与CO2的质量浓度。

基于燃料能量的排放因子是通过在消耗的燃料质量和燃料能量之间应用转换系数，从基于燃料质量的排放因子计算得出的。

通过计算排放污染物的质量浓度并不能够完全反映污染物的真实排放量和不同燃烧阶段的排放特征，而《标准》推荐的碳平衡法得到污染物的排放因子不仅可以解决上述问题，还可以通过地区燃料消耗量估算某一地区或某一类型污染源排放强度和排放总量，此外，通过对比排放清单中的排放因子数值能更好的客观判定污染物指标的高低。

2.2 燃料消耗量测试

燃料消耗量依据国际通用的厨房性能测试(Kitchen Performance Test，KPT)方法学，即在正常生活条件下，以最短3 d为周期，测量农户在周期内的燃料消耗量，从而估算日均燃料消耗量与取暖期散煤消耗总量。为了减少环境温度对测试结果的影响，通常需要根据测试期间的当地采暖需求确定的室内日均温度作为参考值进行校正。

按照式(3)计算燃料消耗量。

式(3)中：Bc为采暖季燃料用量，kg；BN为N天的燃料消耗量，kg；N为测试时间，d；T为根据当地采暖需求确定的室内日均温度参考值，取12～18 ℃；TN为测试期间的室内日均温度，℃；Ti为采暖季室内日均温度，℃。

每户称取不少于1 kg的燃料样品，密封保存，带回实验室按照标准方法测试燃料性质，获得燃料样品的元素组分、工业组分和发热量。

2.3 室内空气质量

为了研究该地区采暖的室内污染现状，在选定的家庭中进行24 h的CO和室内PM2.5浓度的测量。室内空气质量的测试方法按GB 9801、GB/T 18883、HJ 194、HJ 618和HJ 818的规定进行。室内空气污染物浓度的测量要在用户居住且受炉灶影响的区域内进行，一般建议在厨房和使用炉灶的区域进行测量，也应在室外(环境)空气中以及用户长时间活动的房屋中测量。

由于污染物排放浓度是排放情况和环境条件的函数，因此需要记录测量区域的特征和可能改变污染物区域浓度的影响因素，包括但不限于房间的体积(混合体积)、通风速率、通风介质和建筑材料等。

2.4 热性能测试

炉具热效率测试与实验室测试最大的不同在于需要进行最少3 d的连续测试，并与燃料使用量测试同步进行。测试期间至少每5 min记录1次采暖循环进水温度tji、出水温度tci和流量mi。对使用电器装置的采暖炉具测量其耗电量Qd。炊事火力强度的测试方法主要参照于GB16155的规定进行。

民用水暖炉具热效率可通过式(4)进行计算。

式(4)中，η为热效率，%；mi为第i次记录的流量，m3/s；tci为第i次出水温度，℃；tji为第i次进水温度，℃；ΔTi为第i次记录的时间间隔，s；B为燃料用量，kg；Qnet.v.ar为燃料的收到基恒容低位发热量，kJ/kg。其中，测量采暖循环进水温度tji、出水温度tci和流量mi，记录时间间隔ΔTi不大于5 min。

2.5 室内和烟气温度测试

为了更好地了解居民的取暖使用行为，可以在房间和取暖炉的烟囱分别安装温度传感器。监测炉具的使用情况以及室内温度情况。图8是编制组采用Geocene炉灶使用监测系统(Geocene Inc.)长期监测加热炉的使用情况。该系统包括1个支持蓝牙4®的温度数据记录器、1个移动应用程序和1个基于云的数据收集和分析系统。Geocene数据记录器DOTs使用连接在炉子烟囱上的K型热电偶，每分钟记录1次不同的高温信号。采用温湿度传感器对室内温度进行长期监测，将采暖季的室内温度进行记录、传输和存储以后，用于进一步的分析和后处理。