民用清潔型煤配套環(huán)保爐具推廣策略及環(huán)境效益評(píng)估

張道明 薛春瑜

(北京化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100029)

目前我國(guó)能源消費(fèi)還是以煤炭為主，能源總消費(fèi)中仍有65%來(lái)自于煤炭。雖然民用燃煤在其中的占比不大，但是很多居民仍將其用于冬季取暖及日常炊事，且以散煤為主。民用散煤產(chǎn)生的一次PM2.5(空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于2.5 μm的顆粒物)的排放因子約為燃煤電廠的5～10倍。同時(shí)，PM2.5、多環(huán)芳烴和汞等有毒有害物質(zhì)會(huì)對(duì)人體健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年有400萬(wàn)人因其產(chǎn)生的嚴(yán)重室內(nèi)空氣污染和大氣環(huán)境惡化而導(dǎo)致過(guò)早死亡，而目前我國(guó)仍有50%左右的農(nóng)村人口，依然依靠劣質(zhì)煤炭進(jìn)行炊事和采暖。

有部分研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試結(jié)果表明，采用潔凈煤代替散煤具有非常明顯的減排效果。然而在實(shí)際推廣中，由于燃料與爐具不配套以及用戶的采暖習(xí)慣等因素，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的結(jié)果相差較大，因此現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)評(píng)估具有重要的參考價(jià)值。但是到目前為止，對(duì)潔凈煤配套環(huán)保爐具的現(xiàn)場(chǎng)效果評(píng)估的工作較少。

習(xí)近平總書(shū)記在中央財(cái)經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組第14次會(huì)議上提出了“農(nóng)村清潔采暖”的政策，國(guó)家十部委隨之聯(lián)合發(fā)布了《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃(2017-2021)》(發(fā)改能源〔2017〕2100號(hào))，并明確提出加強(qiáng)散煤綜合治理。在暫不具備推廣清潔能源采暖的地區(qū)，著重推廣優(yōu)質(zhì)無(wú)煙煤、型煤和蘭炭等潔凈煤，并逐步完善配套清潔爐具的推廣。

山東省德州市在采用民用煤配套環(huán)保爐具進(jìn)行農(nóng)村地區(qū)散煤治理方面取得了很好的示范效果，在2016-2018年間，清潔型煤的推廣量累計(jì)約69萬(wàn)t，推廣配套爐具約9.86萬(wàn)臺(tái)。2018年德州的空氣質(zhì)量?jī)?yōu)化幅度為12.2%，位列全國(guó)169個(gè)重點(diǎn)城市的12位。本文以山東省德州市樂(lè)陵市下屬的崔家樓村為例，對(duì)該地區(qū)的清潔型煤推廣策略及環(huán)境效益開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)效果評(píng)估。

1 實(shí)地測(cè)試方法

1.1 調(diào)研及測(cè)試方法

本文選擇實(shí)地測(cè)試的方法，在測(cè)試地區(qū)選擇型煤和兩種不同爐具的組合，并測(cè)量了這兩種組合的污染排放情況，共獲得10個(gè)不同家庭的10個(gè)污染排放樣本，兩種爐具的樣本量分別為5和5。同時(shí)隨機(jī)對(duì)37戶人家進(jìn)行入戶調(diào)研，對(duì)26戶人家進(jìn)行KPT調(diào)研，內(nèi)容包括采暖習(xí)慣、燃煤使用量和采暖天數(shù)等。

本文的數(shù)據(jù)來(lái)源均由實(shí)地測(cè)試所得，測(cè)試方法和樣本量的可靠性和準(zhǔn)確性在《民用煤大氣污染物排放清單編制技術(shù)指南》(試行)中的排放系數(shù)等級(jí)劃分中均為A級(jí)。

測(cè)試方法以《民用水暖煤爐通用技術(shù)條件》(GB-16154-2005)的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，選擇煙氣分析儀(Testo350)分別測(cè)量O2、CO、CO2、NOx和SO2的濃度以及煙氣溫度。使用流量為1.50 L/min旋風(fēng)分離器將切割的PM2.5收集到石英纖維濾膜上，采用干式氣體流量校準(zhǔn)器(Defender 510-H，SKC.Inc)在采樣前后校準(zhǔn)泵流量，所有濾膜在450℃下烘烤4 h后進(jìn)行取樣。在取樣之前和之后，將過(guò)濾器在干燥器中平衡24 h，并使用微量天平(0.01 mg，XS105，Mettler-Toledo)稱重，采樣點(diǎn)選擇在爐具出煙口1.0 m以上。

1.2 調(diào)研對(duì)象的選擇

本次測(cè)試選擇在德州市樂(lè)陵市內(nèi)的崔家樓村型煤推廣示范點(diǎn)，該地區(qū)居民的采暖期一般從11月中旬至次年3月初，當(dāng)?shù)鼐用竦牟膳?xí)慣一般分為采暖、加煤和封火這3個(gè)階段。調(diào)研區(qū)域有兩種主要類型的采暖爐，兩種爐具的具體尺寸和基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。

表1 兩種爐具的具體尺寸和基本結(jié)構(gòu)

爐具A是傳統(tǒng)的循環(huán)水采暖爐，最初設(shè)計(jì)用于燃燒原煤，且該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在中國(guó)北方廣泛使用，傳統(tǒng)水暖爐的設(shè)計(jì)以省煤、上火快為主，爐膛小且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，二次進(jìn)風(fēng)控制設(shè)計(jì)粗糙，一般在居民家中已使用較長(zhǎng)時(shí)間；爐具B相對(duì)于爐具A而言，優(yōu)化了二次空氣供應(yīng)結(jié)構(gòu)，氣化程度和燃燒效率更高且增加了循環(huán)水泵，使熱能利用率更高，主要跟隨型煤的代替工作而推廣。兩種爐具外部均為鋼材質(zhì)，襯里和爐膛由防火土填補(bǔ)，一二次風(fēng)的進(jìn)量可以通過(guò)清灰門(mén)和爐體之間的進(jìn)氣區(qū)域來(lái)控制。

1.3 燃料性質(zhì)及消耗量

采用KPT(廚房性能測(cè)試)方法調(diào)研統(tǒng)計(jì)居民在采暖期間的日均燃料消耗情況，KPT是在一定的測(cè)試期間內(nèi)，根據(jù)居民燃料使用總量估算采暖季節(jié)總排放量的方式。本次測(cè)試中，為居民稱量足夠使用3 d的煤炭，并于3 d后確認(rèn)燃料的消耗情況。測(cè)試地區(qū)推廣的戶用潔凈型煤如圖1所示。

圖1 崔家樓村推廣的戶用潔凈型煤

燃料的低位熱值、工業(yè)分析和元素分析分別按照《固體生物質(zhì)燃料檢驗(yàn)通則》(GB/T 21923-2008)、《固體生物質(zhì)燃料工業(yè)分析方法》(GB/T 28731-2012)與《固體生物質(zhì)燃料中碳?xì)錅y(cè)定方法》(GB/T 28734-2012)等規(guī)定在北京化工大學(xué)測(cè)試中心進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定結(jié)果如下：型煤的低位熱值為23.236 MJ/kg，水分為1.32%、灰分為20.87%、揮發(fā)分為10.18%、固定碳含量為67.63%，碳元素含量為71.2%、氫元素含量為3.51%、氮元素含量為1.2%、硫元素含量為0.29%。德州市對(duì)民用型煤的質(zhì)量要求為：全硫(St.d)≤0.4%、灰分(Ad)≤25%、揮發(fā)分(Vdaf)8%～12%、熱值(Qnet,ar)≥23.83 MJ/kg，測(cè)試地區(qū)的煤樣符合政府的質(zhì)量要求。

1.4 排放因子及排放總量計(jì)算

為了保證測(cè)試階段符合居民的日常采暖行為，測(cè)試包括用戶日常采暖的3個(gè)階段，包括采暖階段、加煤階段和封火階段，各階段持續(xù)采樣約30～60 min，每個(gè)階段的操作方式都完全按照用戶的日常操作習(xí)慣進(jìn)行。

假設(shè)測(cè)試期間和實(shí)際排放的污染物濃度相對(duì)一致，全天排放濃度則能根據(jù)各燃燒階段的測(cè)量結(jié)果，與全天中各燃燒階段的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行加權(quán)平均得到，計(jì)算公式見(jiàn)式(1)：

式中：Cx全天——根據(jù)測(cè)試期間一種氣體污染物的各階段排放濃度，進(jìn)行加權(quán)得出的日平均濃度，mg/m3；

i——一天中3個(gè)不同的燃燒階段(采暖、加煤、封火)；

Ci——基于每個(gè)燃燒階段測(cè)得的階段濃度，mg/m3；

Ti——各個(gè)燃燒階段在一天中的持續(xù)時(shí)間，根據(jù)每戶的日均采暖習(xí)慣調(diào)研，采暖階段、加煤階段、封火階段分別為10 h、2 h和12 h；

Tall——一天中總的采暖時(shí)間，一般為24 h，如果有居民采用夜間熄火的取暖習(xí)慣，應(yīng)當(dāng)保證∑(Ti)=Tall。

基于由公式(1)核算出的日平均濃度，用碳平衡法衡量每個(gè)階段的排放因子，計(jì)算公式見(jiàn)式(2)：

式中：EFx——污染物x的基于燃料質(zhì)量的排放因子，g/kg；

△Cx——污染物x的質(zhì)量濃度，mg/m3；

Cf和Ca——分別是燃料和干基灰分中的碳含量，可由采集的燃料和灰分進(jìn)行元素分析得到；

CC-CO2、CC-CO、CC-THC、CC-PM——分別是在CO2、CO、總烴(THC)和顆粒物(PM)中釋放的碳，mg/m3，例如CC-CO2= 12/44。

排放總量由排放因子、日均耗煤量和戶均冬季采暖天數(shù)共同核算得出，計(jì)算公式見(jiàn)式(3)：

EFx總量=EFx×M日耗量×D采暖天數(shù)(3)

式中：EFx總量——一戶家庭全年因采暖而產(chǎn)生的某一項(xiàng)污染排放，kg/a；

M日耗量——由KPT調(diào)研得出的每戶日均燃料消耗量，kg/d，具體數(shù)值見(jiàn)表2；

D采暖天數(shù)——為當(dāng)?shù)鼐用竦亩静膳偺鞌?shù)，d。

2 民用型煤配套環(huán)保爐具環(huán)境效益評(píng)估

2.1 燃料消耗量

在本次調(diào)研中共對(duì)26戶家庭進(jìn)行KPT測(cè)試，調(diào)研區(qū)域型煤的日均用量見(jiàn)表2，為了更好地比較不同燃料的消耗，利用相應(yīng)的轉(zhuǎn)換因子換算成標(biāo)準(zhǔn)煤(29.27 MJ/kg)的日均用量。

表2調(diào)研地區(qū)潔凈型煤日均用量kg/d

項(xiàng)目A+型煤B+型煤KPT調(diào)研結(jié)果16.8±3.720.8±5.5標(biāo)準(zhǔn)煤換算結(jié)果15.1±3.318.6±4.9

由表2可以看出，新?tīng)t具B的型煤日均用量比舊爐具高出4 kg，這主要是因?yàn)榕涮椎沫h(huán)保爐具優(yōu)化了二次風(fēng)的供應(yīng)，使燃料的燃燒速度更快，火力更強(qiáng)，且B爐具的爐膛偏大，燃料的分布更加均勻，燃煤受熱的比表面積更大，有利于污染物的減排。但是優(yōu)化爐具B的燃料消耗更快，當(dāng)燃料相同時(shí)會(huì)有污染排放總量增加的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 污染物排放因子

本次調(diào)研中的兩種型煤爐具基于單位燃料能量的污染物排放因子見(jiàn)表3，研究結(jié)果顯示，當(dāng)燃料為潔凈型煤時(shí)，爐具A和B之間的排放差異并不明顯。

基于單位燃料質(zhì)量的大氣污染物和顆粒物排放因子見(jiàn)表4，并將本文的測(cè)試結(jié)果和《民用煤大氣污染物排放清單編制技術(shù)指南》(試行)中的民用煤排放系數(shù)推薦值進(jìn)行對(duì)比，型煤和煙煤推薦值的排放因子對(duì)比結(jié)果如圖2所示。

表3基于單位燃料能量的大氣污染物和顆粒物排放因子g/MJ

爐具+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基于單位燃料質(zhì)量的大氣污染物和顆粒物排放因子g/kg

爐具+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推薦值10.8140.1-1.67.4

注：推薦值來(lái)自于《民用煤大氣污染物排放清單編制技術(shù)指南》(試行)的煙煤排放系數(shù)

圖2 型煤和煙煤推薦值的排放因子對(duì)比結(jié)果

由圖2和表4可以看出，型煤在爐具A和B中的EF-PM2.5僅為煙煤的5.28%和3.7%，EF-SO2分別減小了57.4%和76.2%；煤炭中的揮發(fā)分含量直接影響到顆粒物的排放水平，型煤的揮發(fā)分含量為10.18%，煙煤揮發(fā)分含量一般在25%～40%之間；硫化物的排放主要取決于煤炭含硫量和固硫效果，型煤中的硫含量相比于煙煤含量較低，且配煤中加入的固硫劑也進(jìn)一步起到減排作用。

由于居民不同的操作習(xí)慣和取暖需求，當(dāng)?shù)鼐用翊蟛糠忠孕』鹑∨?，型煤無(wú)法充分燃燒，導(dǎo)致其CO排放較高，所以型煤對(duì)CO的減排效果并不明顯。民用爐具一般爐膛空間較小、內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且氮氧化物的排放主要來(lái)自于燃料型氮。相對(duì)于煙煤，型煤不能對(duì)NOx產(chǎn)生減排效果，可能是由于本次測(cè)試地區(qū)推廣的型煤含氮量較高(1.2%-干燥基)，且高熱值(26.236 MJ/kg)在燃燒期間會(huì)產(chǎn)生更高的溫度，有利于氮氧化物的生成。不同燃燒階段的氣態(tài)污染物和顆粒物排放濃度如圖3所示。

由圖3可以看出，不同燃燒階段的污染物排放濃度受人為操作的影響明顯，在居民的全天采暖中，封火階段能累計(jì)持續(xù)達(dá)12 h，封火期間燃燒強(qiáng)度減弱，CO濃度升高且逐漸趨于平穩(wěn)，且在采暖期間的加煤操作會(huì)對(duì)爐具的污染排放產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng)，尤其是加煤初期的脫揮發(fā)階段。

圖3 不同燃燒階段的氣態(tài)污染物和顆粒物排放濃度

綜上所述，加煤和封火操作都會(huì)對(duì)爐具的污染排放產(chǎn)生重大影響，所以使用3階段的測(cè)試結(jié)果計(jì)算排放因子，可以更加準(zhǔn)確地評(píng)估真實(shí)的戶均污染排放量。

2.3 戶均全年排放總量

以公式(3)計(jì)算得到型煤推廣村的戶均污染物年排放總量，調(diào)研數(shù)據(jù)的針對(duì)性更強(qiáng)，且區(qū)域范圍更加精確，為之后替代工作的評(píng)估提供了有意義的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。除了計(jì)算排放因子之外，日均耗煤量也需要納入考察范圍之中。而推廣耗煤少、燃燒效率高且能簡(jiǎn)化用戶操作的爐具，對(duì)于污染物減排具有重要的意義。通過(guò)26戶KPT調(diào)研和37家用戶的訪問(wèn)數(shù)據(jù)，整個(gè)供暖季節(jié)內(nèi)一個(gè)家庭的總排放量見(jiàn)表5。

表5整個(gè)供暖季節(jié)內(nèi)一個(gè)家庭的總排放量kg/a

爐具+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 推廣清潔煤采暖的政策建議

散煤清潔化治理對(duì)冬季居民采暖的污染減排具有非常重要的作用，而清潔型煤及配套爐具的入戶推廣則成為散煤治理行動(dòng)的重要組成部分。根據(jù)《中華人民共和國(guó)大氣污染防治法》和《德州市大氣污染防治管理規(guī)定》，德州市縣(市、區(qū))政府積極聯(lián)合，并于2016年開(kāi)始逐年制定《德州市年度散煤清潔化治理實(shí)施方案》，嚴(yán)格控制散煤的監(jiān)督和管理，完善清潔煤生產(chǎn)、儲(chǔ)存、供應(yīng)、配送體系，大力推廣“潔凈型煤+環(huán)保爐具”模式，總結(jié)了山東省德州市樂(lè)陵市崔家樓村的型煤推廣經(jīng)驗(yàn)，并為今后“清潔煤配套環(huán)保爐具”的推廣政策提出以下3點(diǎn)建議。

3.1 嚴(yán)格控制散煤流通

各縣(市、區(qū))應(yīng)根據(jù)轄區(qū)內(nèi)的經(jīng)濟(jì)條件和清潔能源替代工作進(jìn)展情況，精確劃定“禁煤區(qū)”范圍，“禁煤區(qū)”內(nèi)要實(shí)現(xiàn)煤炭及煤炭制品徹底“清零”。在可燃煤區(qū)域內(nèi)推廣“潔凈型煤+環(huán)保爐具”的替代政策。

為了加強(qiáng)散煤市場(chǎng)管理，首先應(yīng)在主要公路設(shè)置散煤運(yùn)輸檢查站，防止不符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的煤炭流入市場(chǎng)；其次，依法清理無(wú)照及不符合規(guī)劃、環(huán)保、質(zhì)量要求和煤質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)營(yíng)業(yè)戶、場(chǎng)所和企業(yè)；第三，群眾監(jiān)督燃用劣質(zhì)煤舉報(bào)機(jī)制，支持群眾監(jiān)督舉報(bào)并予以獎(jiǎng)勵(lì)。

3.2 建設(shè)型煤供應(yīng)體系

目前全國(guó)各地的型煤生產(chǎn)基礎(chǔ)比較薄弱，為了保證型煤的供應(yīng)量足夠當(dāng)?shù)鼐用竦亩静膳枨螅骺h(市、區(qū))應(yīng)通過(guò)招標(biāo)確定潔凈型煤供貨商，并協(xié)調(diào)供煤企業(yè)儲(chǔ)備潔凈型煤、發(fā)放配送到戶等工作，并建立煤質(zhì)及爐具企業(yè)信用及使用的黑名單機(jī)制。

煤炭質(zhì)量檢測(cè)應(yīng)嚴(yán)格依據(jù)國(guó)家《商品煤質(zhì)量-民用型煤》(GB34170-2017)標(biāo)準(zhǔn)，由縣(市、區(qū))工商和市場(chǎng)監(jiān)管部門(mén)依照職責(zé)對(duì)其管轄范圍內(nèi)的煤炭質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控，并按照企業(yè)自檢、縣級(jí)普檢、市級(jí)抽檢的三級(jí)煤質(zhì)監(jiān)控機(jī)制嚴(yán)格執(zhí)行，杜絕劣質(zhì)散煤混入型煤銷(xiāo)售渠道。同時(shí)，制定環(huán)保爐具標(biāo)準(zhǔn)參照《民用水暖煤爐通用技術(shù)條件》(GB16154)、《民用水暖煤爐性能試驗(yàn)方法》(GB/T 16155)。

3.3 建立財(cái)政補(bǔ)貼機(jī)制

德州地區(qū)的潔凈型煤和環(huán)保爐具的財(cái)政補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)于2017年修訂，中心城區(qū)(三區(qū))居民燃用潔凈型煤由市、區(qū)財(cái)政分?jǐn)傃a(bǔ)貼共600元/t，爐具補(bǔ)貼40%，市財(cái)政負(fù)擔(dān)一半。對(duì)中心城區(qū)低保戶由區(qū)、鎮(zhèn)街財(cái)政按1 t/a潔凈型煤全額給予補(bǔ)貼。非中心城區(qū)的縣市區(qū)城鄉(xiāng)居民購(gòu)買(mǎi)潔凈型煤補(bǔ)貼300元/t，爐具補(bǔ)貼40%，且均由市財(cái)政負(fù)擔(dān)一半金額。

傳統(tǒng)的散煤采暖在居民的年支出中的占比較小，一般為1000元左右，清潔煤采暖則會(huì)增加農(nóng)村居民的采暖支出，而成本問(wèn)題也是清潔煤采暖在我國(guó)推廣的主要阻力所在。所以在居民購(gòu)置清潔燃料時(shí)，政府應(yīng)完善對(duì)居民的財(cái)政補(bǔ)貼；此外，清潔煤推廣不應(yīng)只靠政府單方面出資為企業(yè)和居民進(jìn)行補(bǔ)貼，要在煤炭運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中建立新的產(chǎn)業(yè)鏈條，以保證長(zhǎng)期發(fā)展下去；在合理的經(jīng)濟(jì)條件下加強(qiáng)政府對(duì)居民和企業(yè)的補(bǔ)貼力度，引導(dǎo)民眾自覺(jué)進(jìn)行散煤治理，提高使用清潔能源的積極性。

4 結(jié)論

(1)相比于散煤，潔凈型煤在PM2.5和SO2減排方面取得了較好的效果。PM2.5的排放因子僅為煙煤的5.28%、3.7%，而SO2的排放因子為煙煤的57.4%和76.2%。

(2)實(shí)地測(cè)試更能準(zhǔn)確地評(píng)估農(nóng)戶在采暖過(guò)程中的污染排放情況，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試應(yīng)當(dāng)包含所有居民采暖的典型階段，以保證排放因子核算結(jié)果的真實(shí)性。此外，進(jìn)行KPT測(cè)試和入戶問(wèn)卷調(diào)研能更加準(zhǔn)確地的反應(yīng)實(shí)際問(wèn)題，對(duì)排放總量和潔凈型煤減排效果的計(jì)算及評(píng)估都具有重要的參考意義。

(3)散煤的治理需要政府在源頭把控劣質(zhì)煤炭的流通，取締非法銷(xiāo)售市場(chǎng)。推廣“潔凈型煤+環(huán)保爐具”應(yīng)把控型煤質(zhì)量，并嚴(yán)格執(zhí)行煤質(zhì)監(jiān)控機(jī)制、完善配送流程，在推廣初期要完善補(bǔ)貼政策，讓居民盡快接受新的采暖模式。