基于實(shí)測(cè)的北方地區(qū)不同清潔取暖方式環(huán)境效益對(duì)比研究*

周衛(wèi)青 吳華成 李 朋 張子健 汪美順 康 璽

(1.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學(xué)研究院，北京 100045；2.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司，北京 100054；3.國(guó)家電網(wǎng)有限公司，北京 100031)

近年來(lái)，我國(guó)大氣污染治理工作取得了顯著成效，以2017年為例，京津冀及周邊地區(qū)70個(gè)城市PM2.5、PM10、SO2和NO2的年均質(zhì)量濃度分別為55、102、28、39 μg/m3，與2013年相比分別下降了37.2%、25.0%、51.1%和4.0%，重污染天數(shù)也明顯減少，區(qū)域空氣質(zhì)量整體呈改善趨勢(shì)[1]。但是，京津冀及周邊地區(qū)目前仍然是我國(guó)大氣污染最重的區(qū)域[2]，尤其是秋冬季，均有重污染天氣出現(xiàn)，其中燃煤仍然是主要原因之一[3]。自2014年以來(lái)，煤電行業(yè)已逐步實(shí)施超低排放改造，排放的大氣污染物得到高效控制，排放量進(jìn)一步降低[4]，電煤消耗已非大氣污染的關(guān)鍵因素，農(nóng)村散燒煤大氣污染物排放問(wèn)題顯得更加突出[5]，推進(jìn)北方地區(qū)清潔取暖已成為近年來(lái)大氣污染防治的主要措施之一，國(guó)家發(fā)展改革委等十部委聯(lián)合印發(fā)了《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃(2017—2021年)》等相關(guān)文件，地方政府逐步大力推進(jìn)“煤改電”“煤改氣”等工作，但由于該規(guī)劃本身以指導(dǎo)性為主，在落實(shí)過(guò)程中部分地方政府不能科學(xué)有效地實(shí)施，清潔取暖效果欠佳，甚至造成資源浪費(fèi)和影響居民正常取暖[6]。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的民用煤取暖相關(guān)研究主要集中在燃煤燃燒大氣污染物排放特征方面，因此，本研究以實(shí)測(cè)為基礎(chǔ)，分析研究了型煤環(huán)保爐具、天然氣壁掛爐、蓄熱式電取暖和空氣源熱泵4種清潔取暖方式相較于散煤傳統(tǒng)爐具的大氣污染物減排效果，研究結(jié)果對(duì)各地根據(jù)實(shí)際情況制定合理的“宜電則電、宜氣則氣、宜煤則煤”清潔取暖措施，實(shí)現(xiàn)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益的最大化，具有重要參考意義。

1 實(shí)驗(yàn)及計(jì)算方法

1.1 燃燒實(shí)驗(yàn)及大氣污染物排放因子測(cè)試

1.1.1 測(cè)試平臺(tái)

燃燒實(shí)驗(yàn)及監(jiān)測(cè)平臺(tái)按照《民用煤大氣污染物排放清單編制技術(shù)指南(試行)》附錄B要求設(shè)計(jì)，管道按照《固定污染源排氣中顆粒物測(cè)定與氣態(tài)污染物采樣方法》(GB/T 16157—1996)要求設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental device

燃燒實(shí)驗(yàn)過(guò)程中總懸浮顆粒物(TSP)、PM2.5排放分別按照GB/T 16157—1996和《固定污染源排放 煙氣中PM10/PM2.5質(zhì)量濃度的測(cè)定 低濃度下利用撞擊器進(jìn)行測(cè)量》(ISO 23210—2009)的要求采樣、稱(chēng)重，氣態(tài)污染物排放按《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)要求進(jìn)行連續(xù)在線監(jiān)測(cè)。

1.1.2 燃料和爐具

本次實(shí)驗(yàn)所用散煤和型煤為北方地區(qū)居民家中實(shí)際冬季取暖用煤，煤樣的灰分、揮發(fā)分、全硫、發(fā)熱量等指標(biāo)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。選用的傳統(tǒng)爐具、環(huán)保爐具均為市場(chǎng)常見(jiàn)品牌。

1.1.3 實(shí)驗(yàn)方法

使用選定的實(shí)驗(yàn)煤樣和爐具開(kāi)展燃燒實(shí)驗(yàn)及大氣污染物的監(jiān)測(cè)、分析，實(shí)驗(yàn)主要過(guò)程如下：

(1) 實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備。完成大氣污染物在線監(jiān)測(cè)儀器標(biāo)定、采樣膜稱(chēng)重、燃燒實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試等工作。

(2) 點(diǎn)火。在實(shí)驗(yàn)爐中依次加入一定量的實(shí)驗(yàn)煤樣，用丙烷引燃。

(3) 燃燒過(guò)程與北方地區(qū)居民冬季取暖一致，每日包括加煤、旺火、封火3個(gè)階段，燃燒實(shí)驗(yàn)持續(xù)48 h，之后讓火自然熄滅。

(4) 開(kāi)啟煙氣在線監(jiān)測(cè)儀器，在整個(gè)燃燒過(guò)程中，對(duì)排放的SO2、NOx、CO等氣態(tài)污染物進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。

(5) 在加煤、旺火、封火等不同階段，采集TSP、PM2.5樣品，記錄采樣時(shí)間和采樣狀態(tài)，待后續(xù)稱(chēng)重分析。

(6) 使用精度為0.01 kg的電子秤對(duì)添加的實(shí)驗(yàn)煤樣稱(chēng)重并記錄。

(7) 實(shí)驗(yàn)過(guò)程同時(shí)監(jiān)測(cè)稀釋空氣的環(huán)境背景濃度值。

1.1.4 排放因子計(jì)算

對(duì)采集的樣品稱(chēng)重后，由式(1)計(jì)算TSP、PM2.5的排放因子。

(1)

式中：EPMi為顆粒物i的排放因子，kg/t；Δmi為濾筒或采樣膜收集的顆粒物質(zhì)量，g；Q為實(shí)驗(yàn)過(guò)程煙氣流量，m3/h；t為實(shí)驗(yàn)時(shí)間，h；V為采集顆粒物過(guò)程中的采氣量，L；M為實(shí)驗(yàn)燃煤量，kg。

SO2、NOx、CO排放濃度使用在線監(jiān)測(cè)儀器監(jiān)測(cè)，對(duì)3個(gè)燃燒階段分別監(jiān)測(cè)、計(jì)算，具體見(jiàn)式(2)：

表1 實(shí)驗(yàn)爐具及煤樣煤質(zhì)

(2)

式中：Ep為氣態(tài)污染物p的排放因子，kg/t；Qj為j燃燒階段(加煤、旺火、封火)的煙氣流量，m3/h；tj為j燃燒階段的時(shí)間，h；cpj為j燃燒階段氣態(tài)污染物p的質(zhì)量濃度，mg/m3。

1.2 清潔取暖方式大氣污染物削減計(jì)算

選取北京地區(qū)某典型取暖用戶(hù)，分別計(jì)算散煤傳統(tǒng)爐具、型煤環(huán)保爐具、天然氣壁掛爐、蓄熱式電取暖、空氣源熱泵5種取暖方式1個(gè)取暖季的煤、氣、電消耗量，以及相應(yīng)的大氣污染物排放量、清潔取暖方式大氣污染物削減率。該用戶(hù)取暖面積為100 m2,1個(gè)取暖季取暖時(shí)間為120 d，平均取暖熱負(fù)荷為43 W/(m2·d)，取暖熱量為4.458×104MJ[7]。

1.2.1 煤、氣、電消耗量

煤、氣、電的消耗量使用等熱值法計(jì)算，具體公式見(jiàn)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分別為散煤、型煤的消耗量，t；Bg為天然氣消耗量，m3；D為1個(gè)取暖季的取暖熱量，MJ；η1、η2、η3、η4分別為傳統(tǒng)爐具和環(huán)保爐具、天然氣壁掛爐、蓄熱式電取暖、空氣源熱泵的熱效率，相應(yīng)的值分別為0.4[8]、0.85[9]、0.85[10]、3[11]；Q1ar,net、Q2ar,net分別為散煤、型煤的低位發(fā)熱量，MJ/kg，取本次實(shí)驗(yàn)煤樣測(cè)試結(jié)果；Q3ar,net為天然氣的低位發(fā)熱量,MJ/m3,取值為38.1 MJ/m3[12]；Be1、Be2分別為蓄熱式電取暖、空氣源熱泵取暖電消耗量，kW·h；K為熱電轉(zhuǎn)換系數(shù)，MJ/(kW·h),取值為3.6 MJ/(kW·h)。

1.2.2 大氣污染物排放量

大氣污染物排放量使用排放因子法(散煤、型煤、天然氣)或排放績(jī)效法(電)計(jì)算，散煤傳統(tǒng)爐具、型煤環(huán)保爐具大氣污染物排放因子采用本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，天然氣壁掛爐TSP、PM2.5、SO2、NOx、CO的排放因子分別取0.3、0.3、0.63、1.84、0.006 g/m3[13-14]，蓄熱式電取暖和空氣源熱泵TSP、PM2.5、SO2、NOx、CO排放績(jī)效分別取6.5、3.38、40、100、660 mg/(kW·h)[15-16]。

1.2.3 大氣污染物削減率

以散煤傳統(tǒng)爐具大氣污染物排放量為基準(zhǔn)，計(jì)算其余4種清潔取暖方式的大氣污染物削減率。

2 結(jié)果與討論

2.1 大氣污染物排放因子

散煤傳統(tǒng)爐具、型煤環(huán)保爐具大氣污染物排放因子實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。散煤傳統(tǒng)爐具的TSP、PM2.5排放因子分別為7.77、6.91 kg/t，型煤環(huán)保爐具的TSP、PM2.5排放因子分別為0.38、0.26 kg/t，后者是前者的5%左右。部分學(xué)者使用類(lèi)似測(cè)試平臺(tái)，得到散煤傳統(tǒng)爐具的PM2.5排放因子為3.58～11 kg/t[17-20]，本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果大致屬于該范圍的中值；李慶等[21]通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出散煤環(huán)保爐具的PM2.5排放因子為0.6 kg/t左右，無(wú)煙煤環(huán)保爐具的PM2.5排放因子為(0.16±0.10) kg/t，是散煤傳統(tǒng)爐具的98%左右，相同燃燒條件下，TSP、PM2.5的排放因子與燃煤的揮發(fā)分呈正相關(guān)關(guān)系[22]，型煤揮發(fā)分介于散煤和無(wú)煙煤之間，本實(shí)驗(yàn)測(cè)得的排放因子也在上述兩者區(qū)間內(nèi)。由此可見(jiàn)，本次實(shí)驗(yàn)得到型煤環(huán)保爐具的顆粒物排放因子和減排效果與相關(guān)研究結(jié)果一致。型煤的揮發(fā)分低，TSP、PM2.5的排放因子??；環(huán)保爐具采用反式燃燒方式，可以延長(zhǎng)煙氣在爐膛中的停留時(shí)間，使揮發(fā)分充分燃燒，有效降低PM2.5排放強(qiáng)度[23]，型煤環(huán)保爐具取暖具有顯著的TSP、PM2.5減排效果。

表2 大氣污染物排放因子

散煤傳統(tǒng)爐具的SO2、NOx、CO排放因子分別為1.19、1.37、78.35 kg/t，型煤環(huán)保爐具的SO2、NOx、CO排放因子分別為1.10、0.76、116.85 kg/t，氣態(tài)污染物排放因子因燃煤品質(zhì)、燃燒方式的不同變化較大，SO2排放因子與燃煤的硫分及硫存在的形態(tài)、燃燒溫度等相關(guān)，NOx排放因子主要與燃燒溫度或爐膛溫度、燃燒方式等相關(guān)，CO排放因子與燃燒方式、燃燒效率相關(guān)[24]。從本次測(cè)試結(jié)果來(lái)看，傳統(tǒng)爐具的NOx、SO2排放因子相對(duì)更大，環(huán)保爐具燃燒效率比傳統(tǒng)爐具低，CO的排放因子更大。

2.2 不同清潔取暖方式環(huán)境效益分析

2.2.1 不同清潔取暖方式環(huán)境效益

散煤傳統(tǒng)爐具、型煤環(huán)保爐具、天然氣壁掛爐、蓄熱式電取暖和空氣源熱泵取暖所消耗的物料量分別為散煤3.7 t、型煤4.5 t、天然氣1 376.6 m3、電14 568.6 kW·h、電4 127.8 kW·h，1個(gè)取暖季大氣污染物的排放量見(jiàn)表3，4種清潔取暖方式的大氣污染物削減率見(jiàn)表4。

表3 不同取暖方式大氣污染物排放量

表4 清潔取暖方式大氣污染物削減率

由表4可知，4種清潔取暖方式都能夠大幅降低TSP、PM2.5的排放量，空氣源熱泵減排效果最好，削減率為99.9%，型煤環(huán)保爐具效果相對(duì)較差，但削減率也在90%以上；電取暖方式TSP、PM2.5、SO2、NOx等大氣污染物的減排效果最顯著，主要原因?yàn)槿济簷C(jī)組通過(guò)超低排放或近零排放改造，大氣污染物排放濃度已達(dá)燃?xì)鈾C(jī)組排放要求，空氣源熱泵由于熱轉(zhuǎn)換效率高，取暖耗電量少，減排效果最明顯；天然氣壁掛爐燃燒最充分，CO減排效果最明顯，削減率接近100%，天然氣硫含量低，SO2減排效果也很明顯，削減率在80%以上，但NOx的減排效果不明顯；型煤環(huán)保爐具僅對(duì)TSP、PM2.5有明顯減排效果，NOx減排效果不明顯，SO2排放量小幅增加，主要由于京津冀地區(qū)對(duì)民用散煤、型煤硫分都按照小于0.40%的標(biāo)準(zhǔn)控制，兩種燃煤硫分相差較小，型煤的低位發(fā)熱量較低，取暖煤耗量大，相對(duì)于傳統(tǒng)爐具，環(huán)保爐具總體燃燒效率低，CO排放量增加近1倍。綜上所述，4種清潔取暖方式環(huán)境效益從大到小依次為空氣源熱泵、蓄熱式電取暖、天然氣壁掛爐、型煤環(huán)保爐具。

2.2.2 清潔取暖方式技術(shù)路線選擇

在考察環(huán)保效益的同時(shí)，對(duì)比了4種清潔取暖方式的投資及運(yùn)行費(fèi)用、取暖主觀感受等，綜合環(huán)境效益，探討不同區(qū)域清潔取暖方式的選擇原則。部分研究[25-27]對(duì)比研究了幾種清潔取暖方式的初期投資及運(yùn)行費(fèi)用，得出型煤環(huán)保爐具取暖的改造和運(yùn)行費(fèi)用最低，因此從經(jīng)濟(jì)性角度更具推廣性，空氣源熱泵相比蓄熱式電取暖，PM2.5削減率相差約0.1百分點(diǎn)，但初期投資多3倍左右，如以區(qū)縣為單位考慮，投資額度巨大，需要地方有足夠的財(cái)政支撐；謝倫裕等[28]通過(guò)4 000多戶(hù)清潔取暖用戶(hù)的入戶(hù)調(diào)查，獲知了居民取暖的主觀感受，發(fā)現(xiàn)電取暖的安全性、衛(wèi)生程度、方便性等方面有一定優(yōu)勢(shì)，型煤環(huán)保爐具取暖效果、可靠性最好。具體情況見(jiàn)表5。

表5 減排效果、費(fèi)用及主觀感受情況對(duì)比1)

大氣環(huán)境狀況、財(cái)政狀況、居民收入水平、居民意愿、能源稟賦等都是清潔取暖方式選擇的影響因素。各地方在選擇清潔取暖方式時(shí)，應(yīng)在重點(diǎn)考慮環(huán)境效益的基礎(chǔ)上，綜合考慮以上因素，切實(shí)做到“宜電則電、宜氣則氣、宜煤則煤”，如在人均收入高、居民有更高生活品質(zhì)意愿的區(qū)域優(yōu)先實(shí)施“煤改電”，在收入尚不高的農(nóng)村區(qū)域優(yōu)先使用型煤環(huán)保爐具，在具備“煤改電”“煤改氣”條件的區(qū)域充分考慮初期投資和氣、電的可靠性因素選擇技術(shù)路線，在保障居民取暖的同時(shí)，取得環(huán)境效益的最大化。

3 結(jié) 論

(1) 散煤傳統(tǒng)爐具的TSP、PM2.5排放因子分別為7.77、6.91 kg/t，型煤環(huán)保爐具的TSP、PM2.5排放因子分別為0.38、0.26 kg/t，后者是前者的5%左右。散煤傳統(tǒng)爐具的SO2、NOx、CO排放因子分別為1.19、1.37、78.35 kg/t，型煤環(huán)保爐具的SO2、NOx、CO排放因子分別為1.10、0.76、116.85 kg/t；冬季采用型煤環(huán)保爐具取暖，有顯著的TSP、PM2.5減排效果。

(2) 4種清潔取暖方式的環(huán)境效益從大到小依次為空氣源熱泵、蓄熱式電取暖、天然氣壁掛爐、型煤環(huán)保爐具；空氣源熱泵對(duì)TSP、PM2.5、SO2、NOx等大氣污染物的減排效果最好；天然氣壁掛爐對(duì)CO的減排效果最好；型煤環(huán)保爐具僅對(duì)TSP、PM2.5有明顯的減排效果，SO2、CO的排放量將會(huì)增大。

(3) 各地政府選擇冬季清潔取暖技術(shù)路線時(shí)，需在考慮環(huán)境效益的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)?shù)氐拇髿猸h(huán)境狀況、財(cái)政狀況、居民收入水平、居民意愿、能源稟賦等因素進(jìn)行綜合考慮，切實(shí)做到“宜電則電、宜氣則氣、宜煤則煤”，在保障居民取暖的同時(shí)，取得環(huán)境效益的最大化。