生物質(zhì)成型顆粒配套環(huán)保爐具的污染物排放現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及環(huán)境效益評(píng)估

張道明， 張 有， 劉 珣， 劉亞非， 陳曉夫， 薛春瑜， 劉廣青

（1.北京化工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院， 北京 100029； 2.北京北方節(jié)能環(huán)保有限公司， 北京 100089； 3.北京師范大學(xué) 環(huán)境學(xué)院， 北京 100875； 4.中國(guó)農(nóng)村能源行業(yè)協(xié)會(huì)， 北京 100125）

0 引言

目前，中國(guó)農(nóng)村依然有近60%的家庭使用生物質(zhì)能和燃煤作為主要的燃料以滿足日常的采暖和炊事需求[1]。 受農(nóng)村生活習(xí)慣和經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)等條件制約，預(yù)計(jì)未來(lái)很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，農(nóng)村地區(qū)以低效燃燒的采暖和炊事方式使用污染指數(shù)較高的劣質(zhì)燃料的狀況不會(huì)有很大改善[2]。 而大氣污染物來(lái)源解析結(jié)果得到的數(shù)據(jù)顯示，由劣質(zhì)生物質(zhì)燃料和散煤的燃燒而釋放的細(xì)顆粒物， 對(duì)區(qū)域灰霾的形成和分散有著非常顯著的影響[3]。

使用精加工的生物質(zhì)成型顆粒代替散煤及生物質(zhì)散料具有非常明顯的污染物減排效果[4]。由于用戶的供暖需求、 操作習(xí)慣等因素的影響，關(guān)于使用清潔燃料帶來(lái)的環(huán)境效益，用戶家中的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的結(jié)果相差很大，因此，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)評(píng)估使用清潔燃料帶來(lái)的的環(huán)境效益具有重要的參考價(jià)值[5]，[6]。 同時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)采集燃燒過(guò)程中排放的PM2.5以及CO，CO2和NOx等氣態(tài)污染物， 有助于建立更為真實(shí)的源成分譜，幫助研究污染源的生成和擴(kuò)散機(jī)理，有助于大氣污染物的來(lái)源解析研究，并且可根據(jù)數(shù)據(jù)分析來(lái)制定污染防治的具體措施。通過(guò)實(shí)地評(píng)估能較為準(zhǔn)確地反映燃料的清潔性與否[7]。 但是，迄今為止， 有關(guān)清潔燃料配套環(huán)保爐具的現(xiàn)場(chǎng)效果評(píng)估的研究非常少。

2017 年9 月6 日，國(guó)家四部委聯(lián)合出臺(tái)《關(guān)于推進(jìn)北方采暖地區(qū)城鎮(zhèn)清潔供暖的指導(dǎo)意見(jiàn)》，鼓勵(lì)各地以因地制宜的原則，科學(xué)選擇清潔供暖方式， 優(yōu)先利用生物質(zhì)成型顆粒等可再生清潔能源，同年出臺(tái)的《山東省2017 年煤炭消費(fèi)減量替代工作行動(dòng)方案》要求：降低煤炭消費(fèi)，替代劣質(zhì)生物質(zhì)燃料，鼓勵(lì)發(fā)展新能源和可再生能源。2016-2018 年，山東濱州某縣率先推廣了“生物質(zhì)成型顆粒+環(huán)保專用爐具”的新型供暖模式來(lái)替代原有的民用散煤采暖。 本文通過(guò)實(shí)地測(cè)試的方式， 研究了推廣爐具之間的性能差異和適用對(duì)象， 并對(duì)比了生物質(zhì)代替散煤采暖的環(huán)保效果。此外，筆者在測(cè)試地同時(shí)進(jìn)行了爐具污染排放、燃料消耗量、居民使用信息等調(diào)研，得到的信息更加具有針對(duì)性和時(shí)效性， 更好地反映了真實(shí)情況， 避免了在核算排放總量時(shí)因引用文獻(xiàn)數(shù)據(jù)而帶來(lái)的誤差， 為之后的生物質(zhì)推廣工作提供了十分有意義的數(shù)據(jù)。

1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及測(cè)試的內(nèi)容和方法

1.1 調(diào)研對(duì)象的選擇

濱州地區(qū)從2017 年起開(kāi)始推廣生物質(zhì)采暖，并且全面限制散煤的銷售和使用。 調(diào)研結(jié)果顯示，調(diào)研區(qū)域的居民冬季采暖一般持續(xù)4～5 個(gè)月，即從11 月中旬-次年3 月初。 截止到測(cè)試期間，當(dāng)?shù)卣呀?jīng)推出了比較完善的生物質(zhì)采暖政策及補(bǔ)貼計(jì)劃。但是，實(shí)施政策之初，很多散煤的流通不能被完全禁止，調(diào)研期間依然有部分生物質(zhì)采暖推廣村落的居民使用散煤取暖，或者使用生物質(zhì)和散煤混合取暖。本實(shí)驗(yàn)測(cè)試了示范村內(nèi)主要推廣的兩種生物質(zhì)采暖爐具，一種為烤火爐，一種為水暖爐，測(cè)試燃料為當(dāng)?shù)赝茝V的生物質(zhì)成型顆粒。政府推廣的兩種生物質(zhì)爐具均為自動(dòng)加料，不須要居民進(jìn)行手動(dòng)加料操作，減小了人為因素對(duì)燃燒排放的影響。

1.2 爐具及燃料基本情況

調(diào)研區(qū)域推廣的兩種生物質(zhì)采暖爐具如圖1 所示。 兩種爐具的基本參數(shù)如表1 所示。

圖1 測(cè)試村推廣的兩種生物質(zhì)成型燃料爐具Fig.1 Two improved biomass pellet stoves promoted by the test village

表1 兩種爐具的規(guī)格Table 1 Specifications of the two stoves

水暖爐可以根據(jù)用戶的采暖需求在爐具上設(shè)定程序， 程序可自動(dòng)調(diào)節(jié)螺旋電機(jī)的加料頻率以及引風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)量。 這種爐具可以有效避免因用戶對(duì)燃燒的不適當(dāng)調(diào)節(jié)， 而造成的多余污染物排放。 烤火爐通過(guò)燃料在料倉(cāng)中的自身重力而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)填料，進(jìn)風(fēng)方式為自然通風(fēng)，通風(fēng)量由人為控制， 燃燒狀態(tài)容易被人為因素影響。

此外， 測(cè)試地區(qū)的大部分居民家中未安裝循環(huán)水采暖管道， 所以該地區(qū)多數(shù)家庭都使用生物質(zhì)烤火爐采暖，而烤火爐一般放置在居民臥室中，可能會(huì)因爐具的泄露而增對(duì)人體健康的威脅。 推廣初期，政府為每戶居民免費(fèi)贈(zèng)送250 kg 的生物質(zhì)成型顆粒進(jìn)行試用， 調(diào)研區(qū)域推廣的戶用生物質(zhì)成型顆粒如圖2 所示。 該生物質(zhì)成型顆粒為棗木和松木屑的混合成型燃料，燃料的低位熱值、工業(yè)分析和元素分析分別按照GB/T 21923-2008，GB/T 28731-012 與GB/T 28734-2012 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)果如表2所示。

圖2 調(diào)研區(qū)域推廣的戶用生物質(zhì)成型顆粒Fig.2 Household biomass pellets promoted in the survey area

表2 燃料性質(zhì)的分析結(jié)果Table 2 Industrial analysis and elemental analysis results

1.3 調(diào)研及測(cè)試方法

測(cè)試期間隨機(jī)調(diào)研了67 戶人家（占整個(gè)村莊的63%）， 訪問(wèn)內(nèi)容包括用戶采暖面積、 采暖習(xí)慣、采暖需求等；并對(duì)35 戶家庭進(jìn)行了KPT（廚房性能測(cè)試） 調(diào)研來(lái)統(tǒng)計(jì)居民在采暖期間的日均燃料消耗情況。數(shù)據(jù)的來(lái)源方式和樣本量在《民用煤大氣污染物排放清單編制技術(shù)指南》 中的數(shù)據(jù)評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中均為A 級(jí)別[8]。

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[9]。 本次測(cè)試中， 我們?yōu)榫用穹Q量足夠使用3 d 的生物質(zhì)顆粒， 在用戶保持日常采暖習(xí)慣的基礎(chǔ)上每日回訪，并在3 d 后確認(rèn)燃料剩余情況，以核算出該地區(qū)居民的日均燃料消耗量。

為保證測(cè)試階段符合居民的日常采暖行為，測(cè)試須涵蓋用戶日常所有的操作習(xí)慣， 由于兩種推廣爐具均為自動(dòng)進(jìn)料， 所以只須對(duì)采暖階段和封火階段進(jìn)行測(cè)試， 各階段應(yīng)持續(xù)采樣30～60 min。

使用Testo350 型煙氣分析儀測(cè)量O2，CO，CO2和NOx的濃度以及煙氣溫度； 使用流量為1.50 L/min 的旋風(fēng)分離器將切割的PM2.5收集到石英纖維濾膜上，用Defender 510-H 型干式氣體流量校準(zhǔn)器在采樣前后校準(zhǔn)泵流量， 所有濾膜在450 ℃下烘烤4 h 后再進(jìn)行取樣。 在取樣前后，將過(guò)濾器在干燥器中平衡24 h，并使用XS105 型微量天平（精度為0.01 mg）稱重，采樣點(diǎn)選擇在爐具出煙口1.0 m 以上。

1.4 污染排放計(jì)算方法

根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)， 將采暖和封火期間的污染物排放濃度， 和一天內(nèi)采暖和封火各自的總時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行加權(quán)平均， 可得到一戶人家全天的平均污染物排放濃度，具體的計(jì)算式為

式中：CX全天為測(cè)試期間某種污染物X（CO，CO2，NOx和PM2.5） 的日平均濃度，mg/m3；i 為一天中不同的燃燒階段（包括采暖和封火）；Ci為基于每個(gè)燃燒階段測(cè)得的階段濃度，mg/m3；Ti為各個(gè)燃燒階段在一天中的持續(xù)時(shí)間，h，根據(jù)調(diào)研，用戶每天的采暖階段和封火階段分別累計(jì)持續(xù)10 h 和14 h；Tall為一天中總的采暖時(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。

基于式（1）核算出污染物的日平均排放濃度，再用碳平衡法衡量每個(gè)階段的排放因子[10]，污染物排放因子EFX的計(jì)算式為

式中：DCX為污染物X 的質(zhì)量濃度，mg/m3；Cf和Ca分別為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和CC-PM分別為在CO2，CO，總烴（THC）和顆粒物（PM）中釋放的碳。

在全年采暖中， 一戶家庭某種污染物的排放總質(zhì)量EFX總量可由污染物排放因子、 日均燃料消耗量和戶均冬季采暖天數(shù)共同核算得出， 其計(jì)算式為

式中：M日耗量為通過(guò)KPT 調(diào)研得出的每戶日均燃料消耗量，kg/d；D采暖天數(shù)為當(dāng)?shù)鼐用竦亩静膳偺鞌?shù)，d。

2 測(cè)試及調(diào)研結(jié)果

2.1 燃料消耗量

表3 列出了調(diào)研村推廣的兩種爐具和生物質(zhì)顆粒組合采暖的燃料日耗量。 基于生物質(zhì)顆粒燃料的熱值（17.24 MJ/kg），利用相應(yīng)的轉(zhuǎn)換因子將生物質(zhì)顆粒燃料的日耗量換算成了標(biāo)準(zhǔn)煤（熱值為29.27 MJ/kg）的日耗量。 烤火爐用戶的采暖面積為18.5 m2，生物質(zhì)顆粒燃料的日用量?jī)H為11.4 kg，比水暖爐用戶的用料量減少了54.2%，但是農(nóng)村家庭的房屋面積普遍較大且保溫性不好， 烤火爐用戶往往沿用之前的散煤烤火爐輔助供暖，變相加大了污染物排放。

表3 調(diào)研地區(qū)生物質(zhì)顆粒的日均用量Table 3 Daily average consumption of biomass pellets in the survey area

2.2 爐具排放特征

圖3 為水暖爐和烤火爐在采暖階段的典型污染物濃度排放曲線。

圖3 兩種測(cè)試爐具的排放特征曲線Fig.3 Emission characteristics of two test stoves

從圖3 可以看出， 水暖爐的CO 排放濃度較為平穩(wěn)，基本維持在150～300 mg/m3，而烤火爐的CO 排放濃度波動(dòng)較大，為300～3 500 mg/m3，說(shuō)明烤火爐的CO 排放濃度受燃燒方式和供風(fēng)情況影響較大。水暖爐使用電機(jī)強(qiáng)制通風(fēng)，且進(jìn)料方式為數(shù)控自動(dòng)進(jìn)料，進(jìn)料速度更為均勻，并可根據(jù)爐膛燃燒情況自行調(diào)節(jié)通風(fēng)和進(jìn)料， 所以水暖爐的CO 排放濃度比較穩(wěn)定；而烤火爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重力進(jìn)料往往會(huì)導(dǎo)致加料不均勻， 容易對(duì)燃燒狀態(tài)產(chǎn)生強(qiáng)烈的干擾[11]。

NOx的生成主要和燃料有關(guān)， 且溫度越高越容易促進(jìn)其生成。烤火爐不均勻的加料速度，會(huì)造成爐膛溫度降低， 從而對(duì)NOx的生成產(chǎn)生干擾。從圖3 可以看出，烤火爐的NOx排放濃度為150～350 mg/m3，而水暖爐的NOx排放濃度曲線更加有規(guī)律性，波峰的間距更均勻，其NOx排放濃度也為150～300 mg/m3，但是，由于水暖爐有保溫層，爐膛內(nèi)溫度更高，所以水暖爐的NOx平均排放濃度要高于烤火爐。

2.3 排放因子

表4 列出了兩種爐具基于燃料質(zhì)量的污染物排放因子（單位為g/kg）。 為了更好地比較生物質(zhì)顆粒與其他燃料的排放情況， 下文統(tǒng)一將基于燃料質(zhì)量的污染物排放因子轉(zhuǎn)化為基于燃料熱值的污染物排放因子（單位為g/MJ）。

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Table 4 The emission factors of air pollutants and particulate matter based on unit fuel quality g/kg

圖4 是兩款生物質(zhì)爐具基于燃料熱值的污染物排放因子的箱型圖。從圖4 可以看出：水暖爐和烤火爐的PM2.5排放因子分別為0.038±0.005，0.039±0.015 g/MJ， 兩種爐具的PM2.5排放因子幾乎相同， 水暖爐僅比烤火爐減少了2.5%的排放量，說(shuō)明爐具差異不是影響PM2.5排放因子的主要因素； 水暖爐和烤火爐的CO 排放因子分別為0.42±0.09，1.55±0.64 g/MJ， 水暖爐可比烤火爐減少72.7%的CO 排放量， 說(shuō)明水暖爐的燃燒效率要高于烤火爐， 這和烤火爐的通風(fēng)設(shè)計(jì)與加料方式有關(guān)；水暖爐和烤火爐的NOx排放因子分別為0.29±0.06，0.25±0.06 g/MJ， 由于NOx的主要來(lái)源為燃料中的氮， 且更高的燃燒溫度會(huì)更利于NOx的生成， 所以水暖爐的NOx排放因子要高于烤火爐[12]，[13]。

圖4 兩種爐具基于燃料熱值的排放因子箱型圖Fig.4 Box diagram of emission factors for two boilers based on unit fuel calorific value

表5 列出了兩種生物質(zhì)爐具基于燃料熱值的污染物排放因子， 并在圖5 中將測(cè)得的結(jié)果和前期在山東淄博所測(cè)試的煙煤排放因子進(jìn)行了對(duì)比[14]。

表5 測(cè)試結(jié)果與文獻(xiàn)中散煤排放因子的對(duì)比Table 5 Comparison of test results with emission factors of raw coal literature values g/MJ

圖5 測(cè)試結(jié)果與燃煤測(cè)試排放因子的對(duì)比柱狀圖Fig.5 Comparison of emission factors in this study with those from raw coal combustion

對(duì)比結(jié)果顯示，相比于煙煤排放因子，生物質(zhì)顆粒在水暖爐和烤火爐中的PM2.5排放因子分別有52.5%和51.3%的減排效果， 生物質(zhì)顆粒在水暖爐中的CO 排放因子可以減排56.7%， 而生物質(zhì)顆粒在烤火爐中的CO 排放因子則增加了37.4%的排放量。 由于生物質(zhì)顆粒的含硫量較低，燃燒期間儀器未能檢測(cè)到SO2的排放濃度。此外，生物質(zhì)燃料在氮氧化物方面沒(méi)有減排效果，水暖爐和烤火爐以推廣的生物質(zhì)成型顆粒為燃料時(shí)，其NOx排放因子分別比煙煤排放因子增加了80.3%和77.2%。這主要是由于生物質(zhì)中的燃料氮高于普通散煤中燃料氮，同時(shí)散煤的熱值比生物質(zhì)燃料高，尤其是以燃料熱值來(lái)體現(xiàn)污染物排放因子時(shí)，生物質(zhì)的NOx排放會(huì)有明顯的增量。

2.4 排放總量

通過(guò)KPT 調(diào)研，以式（3）計(jì)算得到生物質(zhì)成型顆粒推廣村落中一個(gè)家庭在整個(gè)供暖季節(jié)內(nèi)的污染物總排放量（表6）。 由上文的調(diào)研和測(cè)試結(jié)果可知， 以排放因子反應(yīng)爐具污染排放情況時(shí)，兩種爐具的差異不大；當(dāng)使用燃料消耗量來(lái)核算全年排放總量時(shí)， 由于烤火爐的日均煤耗（11.4±2.69 kg/d） 僅為水暖爐 （24.9±5.8 kg/d）的45.8%，所以相對(duì)于水暖爐，烤火爐具有明顯的污染物減排效果， 其中，PM2.5和NOx分別減排52.76%和59.60%，而CO 無(wú)減排效果。

表6 整個(gè)供暖季節(jié)內(nèi)一個(gè)家庭的污染物總排放量Table 6 Total pollutant emissions from one household during a whole heating season kg/a

水暖爐的實(shí)際供暖面積更大，一臺(tái)水暖爐即可以滿足整個(gè)家庭的基本供暖，而烤火爐的實(shí)際供暖面積較?。?8.8 m2）、燃料日耗量少，導(dǎo)致某些用戶仍需要另外的燃煤爐具輔助供暖，變相增加了污染物排放。 用戶會(huì)根據(jù)采暖需求和家庭環(huán)境，來(lái)選擇適合自身的采暖方式，所以政府應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制散煤的流通， 杜絕劣質(zhì)散煤流入居民購(gòu)買渠道， 并大力推廣生物質(zhì)等清潔能源和可再生能源，加快清潔采暖政策的實(shí)施。而在推廣環(huán)保爐具時(shí)，政府也應(yīng)當(dāng)考慮燃料消耗、采暖面積和操作是否便捷等因素， 讓居民盡快地接受新型的采暖方式，從而實(shí)現(xiàn)清潔供暖的環(huán)保目的。

除污染物測(cè)試外， 本研究還對(duì)該區(qū)域進(jìn)行了燃料使用和用戶信息的調(diào)研， 得到的數(shù)據(jù)針對(duì)性更強(qiáng)，且區(qū)域范圍更加精確，為之后散煤替代工作的評(píng)估提供了非常有意義的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。此外，在實(shí)地調(diào)研過(guò)程中， 除了測(cè)試與計(jì)算排放因子和排放濃度之外，采暖季耗煤量、爐具實(shí)際供暖面積和其他采暖方式等信息也需要納入調(diào)研范圍之內(nèi)，以便更加全面地分析和評(píng)估一項(xiàng)政府推廣項(xiàng)目的環(huán)保效益和實(shí)際效果。

3 結(jié)論

①相比于散煤采暖， 生物質(zhì)成型顆粒采暖具有明顯的PM2.5，SO2和CO 減排效果，而受生物質(zhì)燃料燃燒特性的影響，其沒(méi)有明顯的NOx減排作用。

②以生物質(zhì)成型顆粒為燃料時(shí)， 水暖爐的PM2.5和NOx排放因子與烤火爐相近，并有明顯的CO 減排效果。 水暖爐的日均燃料消耗和實(shí)際供暖面積均大于烤火爐， 但烤火爐用戶會(huì)使用燃煤輔助采暖，變相增加污染物排放。政府推廣環(huán)保爐具時(shí)，除基本的污染排放指標(biāo)以外，也應(yīng)當(dāng)考慮燃料消耗、供暖面積等問(wèn)題，推廣適合當(dāng)?shù)鼐用癫膳?xí)慣的爐具， 避免燃煤輔助采暖和不合理使用爐具等情況發(fā)生，從而導(dǎo)致更多的污染物排放。

③實(shí)地測(cè)試能更準(zhǔn)確地評(píng)估農(nóng)戶在采暖過(guò)程中的污染物排放情況，而進(jìn)行KPT 測(cè)試和入戶問(wèn)卷調(diào)研能更全面的反映實(shí)際問(wèn)題， 有助于從更多的角度來(lái)評(píng)估爐具替代工作所帶來(lái)的環(huán)境效益。