王 玨，劉 敏，李 潔，李 闖，徐銀鴻，葉 堃，張文廷，薛春瑜，劉廣青

(1.中交第三公路工程局有限公司，北京 100029；2.北京化工大學(xué)，北京 100029)

全球近30億人仍依靠生物質(zhì)和煤作為做飯和取暖的燃料，且主要在發(fā)展中國家。中國的PM2.5濃度是世界上最高的國家[2]。而且中國是全球元素碳(EC)排放量最大的國家[3]，其中28%的EC排放可歸因于居民燃煤，而EC可導(dǎo)致區(qū)域大氣污染并且危害人類健康。眾多研究表明，室內(nèi)污染會(huì)導(dǎo)致人患呼吸系統(tǒng)疾病、哮喘及一些心腦血管等疾病，據(jù)估計(jì)，室內(nèi)污染導(dǎo)致全球每年大約有197萬人死亡，其中中國人數(shù)約占20%。

自2017年起，清潔取暖政策全面推進(jìn)，十部委出臺(tái)政策《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃(2017—2021年)》[10](以下簡稱《規(guī)劃》)。《規(guī)劃》中重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)，利用電力、天然氣等清潔能源替代散煤燃燒取暖，對(duì)于偏遠(yuǎn)山區(qū)等暫時(shí)不能通過清潔供暖替代散燒煤供暖的，要重點(diǎn)利用“潔凈型煤+環(huán)保爐具”、“生物質(zhì)成型燃料+專用爐具”等模式替代散燒煤供暖。已有研究表明，用天然氣、電力替代散煤燃燒能夠顯著降低污染物排放，潔凈煤也有助于減少污染物排放。

陜西省也積極響應(yīng)號(hào)召，推行了一系列清潔取暖政策。為了掌握陜西省清潔取暖的替代效果，本研究深入陜西省銅川市和榆林市進(jìn)行實(shí)地測試，掌握潔凈煤的真實(shí)替代效果，了解陜西省各類替代方式產(chǎn)生的環(huán)境效益。

1 研究方法

1.1 測試樣本的選擇

陜西省地形特殊，分為三部分——陜北高原、關(guān)中平原和陜南山區(qū)，其中陜南地區(qū)不屬于傳統(tǒng)取暖區(qū)域，故不作考慮。本次測試選擇陜西省關(guān)中平原的銅川市和陜北高原榆林市的農(nóng)村地區(qū)，在兩地選取了38戶農(nóng)戶進(jìn)行排放測試，其中烤火爐31戶，水暖爐7戶，燃料包括散煤、型煤和蘭炭。當(dāng)?shù)鼐用袷褂玫牡湫蜖t具和燃料如圖1所示。

圖1 當(dāng)?shù)厝∨癄t具及燃料

對(duì)現(xiàn)場采集的15個(gè)樣品燃料的熱值、工業(yè)分析和元素分析分別按照 GB/T 21923—2008、GB/T 28731—2012與GB/T 28734—2012于北京化工大學(xué)測試中心進(jìn)行檢測[11]。結(jié)果顯示：除散煤Ⅰ揮發(fā)分遠(yuǎn)高于民用散煤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 34169—2017)的最大值37%，其余散煤指標(biāo)均符合該標(biāo)準(zhǔn)。銅川地區(qū)政府推廣的潔凈型煤分別由型煤I和型煤Ⅱ 2個(gè)廠家生產(chǎn)，含硫量均小于0.5%，符合民用型煤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 34170—2017)。但型煤Ⅱ的灰分過大，熱值非常低，不符合GB 34170—2017的要求。用戶也反映在使用過程中點(diǎn)火較難，且不耐燒。榆林地區(qū)居民使用的蘭炭分別由蘭炭Ⅰ與蘭炭Ⅱ 2個(gè)廠家生產(chǎn)。與散煤相比，蘭炭硫含量較低，2種蘭炭硫含量均小于0.4%，符合陜西省工業(yè)及民用燃煤標(biāo)準(zhǔn)(DB61 1099—2017)。蘭炭Ⅰ的灰分與揮發(fā)分較大，不符合陜西省工業(yè)及民用燃煤標(biāo)準(zhǔn)。蘭炭Ⅱ的灰分與揮發(fā)分較低，符合陜西省工業(yè)及民用燃煤標(biāo)準(zhǔn)。

水暖爐是通過加熱爐體內(nèi)部的水箱從而將整個(gè)暖氣片里的水循環(huán)加熱的取暖爐具，取暖面積比較靈活，可以按需安裝不同組暖氣片，操作方便，干凈衛(wèi)生，部分水暖爐兼顧炊事功能?？净馉t是通過加熱爐具輻射熱量進(jìn)行取暖的爐具，通常具有炊事功能，供暖面積比較小，使用烤火爐取暖，室內(nèi)溫度不均勻，舒適度較差，但是節(jié)省燃料，運(yùn)行成本低。生物質(zhì)爐具在爐膛上部增設(shè)了二次進(jìn)風(fēng)口，燃燒時(shí)不冒黑煙，污染排放水平低，燃燒熱效率高，可以有效改善室內(nèi)外環(huán)境質(zhì)量。

1.2 測試方法

此次測試分為煙氣排放測試和室內(nèi)空氣污染測試，實(shí)地測試共完成了15戶散煤—烤火爐測試，16戶清潔煤—烤火爐測試，采用每天早晨點(diǎn)火，晚上熄火的操作方式，對(duì)陜西地區(qū)40戶有代表性的散煤及潔凈煤取暖用戶進(jìn)行了室內(nèi)空氣現(xiàn)場測試。本研究使用自行設(shè)計(jì)的便攜式民用爐具污染排放現(xiàn)場測試系統(tǒng)進(jìn)行24 h全過程煙氣排放測試[12]，測試目標(biāo)污染物包括PM2.5、CO、CO2、SO2和NOx。室內(nèi)空氣污染測試使用設(shè)備 DustTrak 8530(TSI公司)和 EL-USB-CO(LASCAR公司)記錄PM2.5和CO的實(shí)時(shí)濃度。

在實(shí)驗(yàn)前后分別采用標(biāo)準(zhǔn)氣進(jìn)行零點(diǎn)校正和量程校正，并采用干式氣體流量校準(zhǔn)器(Defender 510-H，SKC.Inc)進(jìn)行流量校正。濾膜采用馬弗爐在500 ℃下烘烤6 h，之后于恒溫恒濕保存24 h后用微量天平(0.01 mg，XS105，Mettler-Toledo)稱重，測試結(jié)束后再放入同樣環(huán)境中保存24 h后再次稱重校正。

1.3 排放因子計(jì)算方法

式(1)中，EFx是污染物X的基于燃料質(zhì)量的排放因子；ΔCx是污染物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(mg/m3)。

1.4 環(huán)境效益評(píng)估方法

綜合考慮散煤燃燒取暖的排放強(qiáng)度、清潔能源替代的減排能力以及民用散煤對(duì)大氣環(huán)境的貢獻(xiàn)系數(shù)，計(jì)算由于實(shí)施清潔取暖政策帶來的空氣質(zhì)量改善效果[13]。大氣環(huán)境PM2.5改善能力的計(jì)算公式如式(2)：

ΔC=Cinitial-Cimp=Cinitial-γ×α×Cinitial

(2)

式(2)中，ΔC為清潔能源替代后PM2.5降低濃度，μg/m3；Cinitial為無清潔能源替代情況下大氣環(huán)境的PM2.5濃度，μg/m3，取2016年年均PM2.5濃度。Cimp為清潔能源替代情況下大氣環(huán)境的PM2.5濃度，μg/m3；γ為民用散煤對(duì)大氣環(huán)境PM2.5濃度的貢獻(xiàn)系數(shù)，%；α為PM2.5實(shí)際削減量占總排放量的比例，%。

民用生活散煤消費(fèi)的主要地點(diǎn)在農(nóng)村地區(qū)，其中包括城郊和城中村，占比94%。而農(nóng)村地區(qū)散煤消耗主要用于采暖和炊事活動(dòng)，其中采暖活動(dòng)占比91%[14]。根據(jù)清華大學(xué)研究的中國多尺度排放清單模型(MEIC)[15]數(shù)據(jù)顯示，陜西省大氣環(huán)境PM2.5民用源貢獻(xiàn)比例分別為40.0%。綜合考慮以上信息，得出陜西省民用散煤取暖對(duì)大氣環(huán)境PM2.5的貢獻(xiàn)系數(shù)為34.2%。

2 結(jié)果與討論

2.1 清潔取暖規(guī)劃總目標(biāo)

陜西省“雙替代”以“煤改電”為主。2018年(圖2左)，陜西省改造任務(wù)為70.7萬戶，其中煤改電48萬戶，占比67.94%；煤改氣17.99萬戶，占比25.46%；集中供熱4.16萬戶，占比5.89%；地?zé)?.5萬戶，占比0.71%。但根據(jù)公開數(shù)據(jù)顯示，2018年，陜西省清潔取暖改造任務(wù)有層層加碼現(xiàn)象，比如西安市的市級(jí)指標(biāo)(59.89萬戶)相比國家下達(dá)的指標(biāo)(36.62 萬戶)和省下達(dá)的指標(biāo)(44.47 萬戶)分別增加了約 39% 和 26%。但在2019年(圖2右)，陜西省各市“自下而上”根據(jù)自身實(shí)際情況上報(bào)中央，進(jìn)一步明確了農(nóng)村地區(qū)清潔取暖總體思路：基于地方財(cái)政收入量力而行，全面推進(jìn)農(nóng)村電網(wǎng)升級(jí)改造，高效經(jīng)濟(jì)地推進(jìn)電取暖。通過以氣定改，穩(wěn)妥推進(jìn)煤改氣。對(duì)暫不具備清潔能源替代條件的山區(qū)和暫不具備煤改電、煤改氣的地區(qū)積極推廣潔凈煤。

圖2 2018年(左)和2019年(右)陜西省關(guān)中平原清潔取暖改造任務(wù)

2.2 污染物排放因子

如圖3所示。在CO方面，相比散煤Ⅰ，型煤、蘭炭Ⅰ、蘭炭Ⅱ均有減排效果，分別是10.7%、30.2%、5.7%；相比散煤Ⅱ，只有蘭炭Ⅰ對(duì)其有減排效果，其值是16.2%。與《民用煤大氣污染物排放清單編制技術(shù)指南(試行)》[16](以下簡稱《指南》)推薦值相比，只有蘭炭Ⅰ的CO排放因子低于該值。CO的生成主要是由于燃燒不充分。

圖3 排放因子對(duì)比

型煤和蘭炭的SO2均有明顯的減排能力。與散煤Ⅰ相比，型煤、蘭炭Ⅰ、蘭炭Ⅱ的排放因子減少了76.1%、57.7%、76.1%；與散煤Ⅱ相比排放因子減少了55.0%、20.2%、55.0%。除散煤Ⅰ，其余燃料的SO2排放因子均低于《指南》推薦值。SO2排放主要和燃料相關(guān)，與燃燒方式關(guān)系不大。SO2的排放因子與燃料含硫量成正比。郝國朝的研究也表明SO2排放與煤質(zhì)含硫率呈正相關(guān)[17]。

PM2.5方面，型煤和蘭炭也有明顯的減排效果。相比于散煤Ⅰ，型煤、蘭炭Ⅰ、蘭炭Ⅱ分別減排了82.0%、22.0%、49.8%；相比于散煤Ⅱ分別減排了92.8%、68.9%、80%。主要是由于型煤和蘭炭揮發(fā)分較低，可以有效降低顆粒物的污染排放。測試所涉及到的燃料的排放因子均遠(yuǎn)低于《指南》推薦值。

使用型煤和蘭炭炊事取暖的農(nóng)戶NOx的排放因子低于使用散煤的農(nóng)戶。相對(duì)散煤Ⅰ，型煤、蘭炭Ⅰ、蘭炭Ⅱ的排放因子分別減少了40%、35%、35.6%；相對(duì)散煤Ⅱ分別減少了71.0%、68.6%、68.9%。在測試的燃料中，只有散煤Ⅱ的NOx排放因子高于《指南》推薦值。民用爐具排放的NOx主要以燃料型氮為主，主要取決于燃料中的含氮量，而散煤Ⅱ的含氮量(1.06%—干燥基)較高。同時(shí)，爐溫也對(duì)NOx的排放有一定的影響。

2.3 室內(nèi)空氣污染

室內(nèi)空氣測試結(jié)果如圖4所示。該地區(qū)農(nóng)宅冬季室內(nèi)空氣污染嚴(yán)重，全部家庭PM2.5日均濃度遠(yuǎn)高于WHO提出的日均濃度指導(dǎo)值25 μg/m3，主要由于爐具密封性不好，污染物泄漏較多。測試對(duì)象中有12.5%的家庭CO室內(nèi)日均濃度超過了WHO提出的室內(nèi)日均濃度指導(dǎo)值7 mg/m3。農(nóng)戶在使用不同燃料時(shí)造成的室內(nèi)空氣污染水平不同?？傮w來看，型煤和蘭炭Ⅱ針對(duì)燃用散煤的室內(nèi)空氣污染有減排效果。

圖4 室內(nèi)PM2.5和CO日均濃度與WHO標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

2.4 環(huán)境健康效益分析

采用不同取暖方式，不同清潔能源取暖政策實(shí)施力度的情景，預(yù)測不同情景下室外與室內(nèi)空氣質(zhì)量改善情況。結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同清潔取暖方式替代在不同政策實(shí)施力度下的空氣質(zhì)量

圖5中顯示，在相同的取暖方式下，政策實(shí)施力度越強(qiáng)，空氣PM2.5濃度越低。相同政策實(shí)施力度情景下，不同技術(shù)路徑替代的空氣質(zhì)量改善情況有所不同。在不同力度替代情景下，生物質(zhì)顆粒燃料替代情景下PM2.5室外濃度最高，PM2.5室外濃度分別下降5.25 μg/m3、7.88 μg/m3和10.51 μg/m3。潔凈煤改善力度比生物質(zhì)顆粒略高，室外PM2.5濃度分別下降6.59 μg/m3、9.89 μg/m3和13.19 μg/m3?？諝庠礋岜锰娲榫跋?，空氣質(zhì)量改善能力最強(qiáng)，3種替代強(qiáng)度下PM2.5濃度分別下降8.33 μg/m3、12.50 μg/m3和16.66 μg/m3。天然氣壁掛爐與直熱式電暖器替代效果與空氣源熱泵基本接近。

盡管潔凈煤、生物質(zhì)顆粒的污染物排放因子小于散煤，可一定程度上減少PM2.5的排放量，改善室外空氣質(zhì)量。但作為固體燃料，使用方法與散煤基本相同，未能改變用戶的取暖與炊事習(xí)慣，燃燒產(chǎn)生的室內(nèi)空氣污染仍比較嚴(yán)重。即使在最高的政策實(shí)施力度下，潔凈煤與生物質(zhì)顆粒替代情景下室內(nèi)PM2.5濃度仍高達(dá)226.88 μg/m3和232.42 μg/m3，與散煤燃燒的情景相比，僅下降9.8%、7.6%。使用天然氣、電力的替代情景下，室內(nèi)空氣污染改善力度較大。在不同政策實(shí)施力度下，室內(nèi)PM2.5年均暴露濃度分別為：193 μg/m3、163 μg/m3、134 μg/m3，分別降低23.2%、34.8%、46.5%。

3 結(jié) 語

(1)與散煤相比，型煤和蘭炭在污染物排放方面有明顯的改善效力，尤其是在SO2、PM2.5和NOx方面，SO2可以減排20.2%～76.1%，PM2.5的減排力度為22.0%～92.8%，NOx能夠減排35%～71.0%。特別是型煤的減排能力尤為突出，SO2可以減排55.0%以上，PM2.5減少82.0%，甚至高達(dá)92.8%，NOx至少減排40%，而CO的減排力度不高。

(2)室內(nèi)空氣污染方面，潔凈煤并沒有表現(xiàn)出明顯的改善能力。相反，蘭炭Ⅰ甚至增加了室內(nèi)污染水平。就PM2.5來說，測試的所有燃料室內(nèi)PM2.5均遠(yuǎn)高于WHO所規(guī)定的25 μg/m3。

(3)就目前推廣的不同清潔取暖替代方式來看，在對(duì)室外大氣的改善效力方面，所有的替代方式改善效力基本相同，而在室內(nèi)空氣方面，空氣源熱泵在3種替代情景下，PM2.5濃度分別下降8.33 μg/m3、12.50 μg/m3和16.66 μg/m3，天然氣壁掛爐與直熱式電暖器替代效果與空氣源熱泵基本接近，天然氣和電力具有明顯的改善效力。

(4)陜西關(guān)中平原的城區(qū)、縣城和城鄉(xiāng)結(jié)合部，以及氣源和電網(wǎng)已經(jīng)覆蓋或規(guī)劃的農(nóng)村地區(qū)，以居民可承受為前提，穩(wěn)步推進(jìn)“煤改氣”和“煤改空氣源熱泵”；在“雙替代”無法覆蓋或難以持續(xù)的區(qū)域，因地制宜推廣潔凈煤、生物質(zhì)配套節(jié)能環(huán)保爐具及新型節(jié)能炕；陜西北部農(nóng)村地區(qū)(特別是環(huán)境容量較大、太陽能和生物質(zhì)資源豐富的偏遠(yuǎn)山區(qū))，應(yīng)積極探索太陽能和生物質(zhì)樹枝削片配套爐具、新型節(jié)能炕等方式采暖。