生物质炉具现场测试污染物排放特征及减排效果评估

张文廷，李 闯，叶 堃，徐银鸿，李 洁，刘广青，薛春瑜

（北京化工大学化学工程学院， 北京100029）

0 引 言

散煤在传统炉具中燃烧不完全，产生大量的气态污染物[1]（CO、VOCs、NOx、SO2）、细颗粒物（Fine Particulate Matter，PM2.5）以及EC/OC等不完全燃烧产物[2-4]，研究表明，散煤带来的大气污染物排放是冬季雾霾天频发的重要影响因素[5-6]，与人患肺结核、哮喘及一些心脑血管等疾病密切相关[7-9]。民用燃煤排放的污染物对环境和人体健康产生的负面影响已引发了政府及相关部门的广泛关注[10-12]。《北方地区冬季清洁取暖规划（2017－2021年）》[13]中指出，生物质能清洁供暖潜力巨大，可用于北方生物质资源丰富地区的县城及农村在用户侧直接替代煤炭取暖。目前我国生物质总量每年达7亿t标准煤[14]，农作物废弃物的年产量超过9亿t[15]，生物质成型燃料具有清洁高效、CO2零排放等优点[16]，是生物质能开发利用的重要技术路径之一[17]。部分地方政府通过试点推广生物质成型燃料配套专用炉具，希望解决农村地区散煤替代和清洁取暖的问题。

实验室研究结果表明[18]，相比燃煤炉具，使用生物质成型燃料配套生物质炉具能够有效降低主要污染物的排放。但炉具在实际使用过程中，用户的操作习惯、取暖需求等都会影响污染物的排放，已有研究表明，实地测试的污染物排放与实验室测试结果差异较大[19-20]，而目前采用实地测试方法来反映炉具实际使用过程中污染排放水平的相关研究较少。另外，现有的实地测试大都基于短时间测试的方法，但是炉具的不同燃烧阶段和不同的操作方式产生的污染物排放水平不同[21-23]。Li等[24]已经证明24 h测试方法与短时间测试方法在测试相同炉具时所得污染物排放因子有明显性差异。因此，采用全天24 h现场测试对评估生物质炉具带来的实际环境效益具有更重要的参考价值[25-27]。

2017年，黑龙江政府在全省选定60个村进行试点，建设60个村级生物质成型燃料厂，每个村投放民用生物质炉具300台，试点炉具共1.8万台。本研究以黑龙江省绥化市下属某生物质炉具推广村为例，对比研究了生物质炉具和燃煤炉具的全天24 h排放特征，以及生物质炉具的减排效果和推广过程中的问题与障碍，为生物质成型燃料配套专用炉具的进一步推广提供有力的数据支撑。

1 实地调研与测试

1.1 测试炉具与燃料

在黑龙江绥化市试点村选取了15户农户进行污染排放测试，其中传统燃煤水暖炉具 5户，手动进料生物质炉具5户，自动进料生物质炉具5户，燃料分别为散煤和生物质秸秆颗粒。当地居民使用的典型炉具和燃料如图1所示。

图1 当地居民使用的炉具及燃料Fig.1 Stoves and fuel used by local residents

传统燃煤水暖炉具最初设计用于燃烧散煤且该设计结构在东北地区广泛使用，该炉具设计结构简单，炉膛较小，一次进风口和二次进风口的位置相同，炉膛内部有隔板将进风分为 2路，一路进入炉膛底部，提供一次燃烧所需空气；另一路进入炉膛上部大约火焰上方位置，为一次燃烧热解产生的未燃尽的挥发性物质提供氧气进行二次燃烧。

推广的手动进料生物质炉具价格较低，在经济水平较低的用户家中比较受欢迎，具有二次进风控制系统。优化了二次进风口的位置，炉体右侧有一个进风口，可以手动旋转控制二次进风量，二次进风的方向与烟气排出的方向相反，增加了燃料热解产生的挥发性物质和二次风在炉膛内的停留和混合时间，使燃烧更充分。手动进料存在一次性进料过多的状况，会造成燃烧室内瞬间缺氧，污染物排放浓度迅速上升。另外，炉膛和进料仓连接太过紧密，有回火的风险。

自动进料生物质炉具自动化程度高，具有自动进料系统，用户可以设置不同的进料速度，料仓和燃烧室由螺旋杆连接，向燃烧室推进燃料，进料平缓；具有自动控风装置，炉具左上方装有分档旋钮，根据不同的进料速度选择高、中、低速即可，能够减少人为调节造成的进料量与进风量不匹配导致排放过高的问题。自动进料生物质炉具操作更加便捷，用户不用频繁加料，经济富裕的家庭倾向于选择此款炉具。

测试地区散煤和生物质秸秆颗粒燃料的工业分析、元素分析和低位发热量（Low Heating Value, LHV）见表1。其中，工业分析、低位发热量分别按照《固体生物质燃料工业分析方法：GB/T 28731－2012》、《生物质固体成型燃料试验方法：GB/T 21923－2008》进行测试，元素分析使用元素分析仪测定得出。

1.2 调研与测试方法

本试验对使用散煤和生物质秸秆颗粒 2种不同取暖方式的用户进行调研，在示范村中随机走访了89户，内容包括燃料消耗量、采暖时长、采暖习惯、采暖意愿及障碍等。

本次测试采用课题组自主研发的便携式民用炉具污染排放现场测试系统[24,28]。该系统基于部分稀释采样原理，模拟了高温烟气从排气口排出与实际大气混合的过程，能够有效采集民用炉具全天24 h的污染排放，真实反映民用炉具实际的污染排放水平。测试的污染物主要包括CO2、CO、SO2、NOx和PM2.5。采样点选择在炉具出烟口1.5 m处，用采样探头将目标污染物引入烟枪内，再经过稀释通道，进入到仪器中进行分析。

表1 测试地区燃料性质分析结果Table 1 Analysis results of fuel properties in tested area

采用国际通用的厨房性能测试（Kitchen Performance Test，KPT）[29]统计用户在取暖时期的日均燃料消耗量。即在正常生活状态下，称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。本次测试周期为3 d，测试过程中用户正常使用炉具和燃料。测试地点散煤、生物质秸秆颗粒的采暖季消耗量，如表2所示。

表2 调研地区采暖季户均燃料消耗量Table 2 Fuel consumption during the heating season in the surveyed area

1.3 数据分析方法

本次测试采用碳平衡法计算污染物排放因子[30-31]。碳平衡法是基于燃料燃烧过程中碳的质量平衡原理，即消耗的碳总量等于以气态和以颗粒物形式排出的碳的总量，其计算公式如下

式中EFx为污染物X的基于燃料质量的排放因子，g/kg；ΔCx为污染物X的质量浓度，单位为 mg/m3；Cf为燃料中的碳含量，无量纲；Ca为灰分中的碳含量，无量纲；CC-CO2、CC-CO、CC-THC、CC-PM分别为CO2、CO、总烃（Total Hydrocarbons, THC）和颗粒物（Particulate Matter ,PM）中的含碳量，mg/m3。

采暖季户均排放总量（Total Emission，TEx）是由实地测试获得的排放因子EFX，调研得出的采暖季户均耗煤量M，以及调研地区采暖季总采暖天数D共同核算得出。计算公式如下

2 生物质炉具环境效益评估

2.1 污染物排放特征

炉具全天的污染物排放特征分析有助于得到用户的炉具操作习惯以及各个阶段下的烟气排放规律。燃煤炉具和自动进料生物质炉具实时PM2.5、CO、CO2、SO2和NOx排放浓度测试数据分别如图2和图3所示。

图2 燃煤炉具CO2和大气污染物实时排放特征Fig.2 Real-time emission characteristics of CO2 and pollutants from coal stove

图3 自动进料生物质炉具CO2和大气污染物实时排放特征Fig.3 Real-time emission characteristics of CO2 and pollutants from automatic feeding biomass stove

由图2可以看出，当地居民每天点火2次，一般发生在晚间睡觉前（16:00－20:00）和早晨起床后（9:00－11:00），调研发现 80% 的农户取暖习惯都属于这种模式。点火初期，炉膛温度较低，燃料主要处于加热和部分热解阶段，此时挥发分析出速度快，排放的CO、PM2.5、SO2、NOx浓度较高；随着挥发分慢慢析出，进入焦炭燃烧阶段，各污染物排放处于稳定较低的水平。在加煤阶段，由于炉膛内供氧不足，燃烧不完全，CO和PM2.5的排放浓度上升，随着新鲜燃料中挥发分的不断析出，炉膛温度逐渐升高，CO排放降低，NOx和SO2的排放出现峰值。在自然熄火过程中，CO排放浓度首先出现小幅度回升，随后下降，PM2.5、SO2、NOx和 CO2的排放浓度也开始逐渐下降。燃煤炉具的排放特征与Li等[32]的研究一致。

当地居民使用自动进料生物质炉具的点火时间与燃煤水暖炉具相似，集中在晚间睡觉前和早晨起床后。自动进料生物质炉具有料仓，可以平缓进料，由图 3可以看出，与燃煤炉具相比自动进料生物质炉具燃烧过程更加稳定，烟气排放浓度变化较燃煤炉具平稳。在点火阶段，燃料析出大量挥发性物质，CO、PM2.5和NOx的排放会增加。随着挥发分逐渐析出，炉膛内燃烧强度增加，温度升高，CO浓度降低，NOx浓度升高。整体来讲，各污染物的波动幅度远小于燃煤炉具。由于生物质秸秆颗粒的含硫量较低，所以SO2排放浓度较低。

2.2 污染物排放因子

图4为3种炉具基于单位燃料质量的污染物排放因子对比图。生物质炉具相比燃煤炉具，能够降低污染物PM2.5，CO，SO2的排放因子。燃煤炉具、手动进料生物质炉具和自动进料生物质炉具基于单位质量的 PM2.5排放因子分别为3.89、1.67和1.51 g/kg，排放因子分别降低了57.1%（手动进料生物质炉具）和61.2%（自动进料生物质炉具）。但由于散煤和生物质秸秆颗粒的热值相差较大，如果以单位能量计算其排放因子，3种炉具排放因子分别为0.17、0.11和0.10 g/MJ，可以看出：与燃煤炉具相比，自动和手动进料生物质炉具污染物PM2.5、CO、SO2的排放因子分别降低41.2%、54.3%、40.0%和35.3%、22.1%、20.0%。生物质炉具能够降低PM2.5的排放是由于生物质炉具进料平缓，燃烧过程中挥发分的析出速度得到控制。此外，2款生物质炉具均对二次风系统进行优化，二次风进风方向与燃烧方向相反，有利于燃料热解析出的挥发性物质和二次风在炉膛内混合，燃烧更为充分。

CO污染物的产生主要是燃烧不充分导致的。燃煤炉具、手动进料生物质炉具和自动进料生物质炉具的CO排放因子分别为123.71、64.30、37.67 g/kg，如果以单位能量计算其排放因子，结果为5.54、4.32、2.53 g/MJ，发现燃煤炉具与手动进料生物质炉具CO排放水平相近，自动进料生物质炉具CO排放有明显的降低。燃煤炉具与手动进料生物质炉具通过自然送风达不到充分燃烧的状态，因此CO排放较高。由于自动进料生物质炉具配有风机，通过风机强制通风使燃烧更为充分，其CO排放因子更低。

SO2和NOx排放因子受燃料中含硫量和含氮量影响。所测试散煤和秸秆颗粒的含硫量分别为0.07%和0.02%；含氮量分别为0.84%和0.48%。燃煤炉具与手动、自动进料生物质炉具的 SO2排放因子分别为 1.19、0.56、0.45 g/kg，如果以单位能量计算其排放因子，结果为0.05、0.04、0.03 g/MJ，表明生物质炉具与燃煤炉具相比，在一定程度上能够降低 SO2排放因子，但效果不是很明显，主要是由于当地测试的散煤含硫量极低。NOx排放因子分别1.73、1.19、1.63 g/kg，以单位能量计算其排放因子为0.08、0.08、0.11 g/MJ。由于NOx的排放以燃料型氮[33-34]为主，本次测试的燃料散煤中氮含量（0.84%）高于秸秆颗粒中氮含量（0.48%），以单位质量计算的排放因子显示：相比燃煤炉具，手动、自动进料生物质炉具NOx排放因子分别降低31.21%和5.8%。虽然秸秆颗粒含氮量更低，但是以单位能量计算的排放因子显示其排放的NOx并没有减少，自动进料生物质炉具NOx排放因子高于燃煤炉具，其原因是自动进料生物质炉具为强制配风，炉膛内O2浓度较高，燃烧更加剧烈，燃烧时炉膛内容易产生局部高温区，O2浓度高和高温的情况下更容易生成NOx[35-36]。

图4 基于单位燃料质量污染物排放因子Fig.4 Pollutant emission factors based on per unit of fuel mass

2.3 不同测试方法的对比

前人的研究主要关注民用炉具CO和PM2.5的排放情况，图5为本研究中燃煤炉具、手动/自动进料生物质炉具排放的CO和PM2.5与文献值的对比。由于散煤和生物质颗粒燃料的热值相差较大，因此使用能量基准的排放因子做比较。已报道文献中的生物质炉具与秸秆颗粒的组合低于本研究中生物质炉具排放的 CO；PM2.5排放因子与本研究结果基本一致。这是由于已报道数据是测试生物质炉具的稳定燃烧阶段得出，旺火时炉膛内燃料燃烧充分，排放的CO较少，而本研究采用的是24 h监测，用户一天中使用小火取暖的时间占三分之二，小火状态燃烧时容易燃烧不充分，排放的CO较高。文献中燃煤炉具CO和PM2.5排放因子分别为本研究燃煤炉具的1.48和2.49倍。主要原因为已报道文献中采用分阶段法对燃煤炉具的点火、加煤、旺火、封火阶段进行测试，得出各阶段的污染物排放水平，然后直接取平均值核算出污染物的排放因子；由于用户操作炉具时1 d中4种燃烧状态实际时间不均匀，CO和PM2.5排放因子较高的点火、加煤阶段所占的时间相对较短，因此文献中测试的燃煤炉具CO和PM2.5排放高于本研究。全天24 h炉具排放测试与短时间阶段性测试的差异性对比与前人研究结果相似[24]。

图5 本研究污染物排放因子与前人研究[37-38]对比Fig.5 Comparison of pollutant emission factors of this study with previous studies[37-38]

2.4 排放总量及减排效果

本研究对测试地区89户用户进行调研，统计出该地区冬季取暖时长为5.06个月，结合质量基准的排放因子数据和燃料消耗量的数据核算得出采暖季户均家庭排放总量如表3所示。

表3 整个采暖季内户均家庭排放总量Table 3 Total emissions from one household during a whole heating season kg·(a·户)-1

由不同炉具+燃料组合的污染物户均排放总量（见表3）评估生物质成型燃料配套专用炉具的污染物减排效果如图 6所示。相比燃煤炉具，手动进料生物质炉具排放的污染物CO、SO2、PM2.5减排率分别为19.38%、27.01%、33.41%，其中CO的减排效果显著（P＜0.05）；自动进料生物质炉具排放的污染物CO、SO2、PM2.5减排率分别为52.77%、41.35%、39.79%，其中 CO的减排效果显著（P＜0.05）。自动和手动进料生物质炉具NOx的户均排放总量分别升高了46.14%和6.69%。在用户取暖需求相同的情况下，提升炉具的热效率可以减少燃料消耗量，从而降低污染物排放总量，达到更好的减排效果。

图6 2种生物质炉具相比燃煤炉具的污染物减排率Fig.6 Pollutant emission reduction ratio of two biomass stoves compared with coal stoves

3 结 论

1）燃煤炉具污染排放受用户操作习惯的影响更大。用户实际使用炉具取暖过程中，燃煤炉具燃烧产生的污染物排放浓度波动幅度较大；生物质炉具燃烧更加稳定，污染物排放比较平稳。自动进料生物质炉具可以设置进料速度和进风速度，自动化的操作可减少人为调节造成的进料量与进风量不匹配的问题，从而有效降低污染物的排放。政府应该加大对自动进料生物质炉具的补贴，鼓励居民使用自动进料生物质炉具。

2）燃煤炉具、手动和自动进料生物质炉具的污染物排放因子分别为PM2.5（0.17、0.11、0.10 g/MJ）、CO（5.54、4.32、2.53 g/MJ）、SO2（0.05、0.04、0.03 g/MJ）、NOx（0.08、0.08、0.11 g/MJ）。可以看出：与燃煤炉具相比，自动和手动进料生物质炉具污染物PM2.5、CO、SO2的排放因子分别降低41.2%、54.3%、40.0%和35.3%、22.1%、20.0%。生物质炉具替代燃煤炉具并不能降低 NOx的排放因子，民用生物质炉具的NOx减排技术是未来研究的重点。

3）与燃煤炉具相比，手动进料生物质炉具排放的污染物 CO、SO2、PM2.5减排率分别为 19.38%、27.01%、33.41%，其中CO的减排效果显著（P＜0.05）；自动进料生物质炉具排放的污染物CO、SO2、PM2.5减排率分别为52.77%、41.35%、39.79%，其中 CO的减排效果显著（P＜0.05）。手动和自动进料生物质炉具对NOx没有减排效果。炉具企业设计炉具过程中，考虑降低污染排放的同时，也要关注炉具热效率的提升，减少燃料消耗量，进而达到更好的减排效果。

4）生物质成型燃料配套专用炉具推广过程中存在运行费用高、秸秆颗粒灰渣过多、居民在专用炉具中混烧散煤、秸秆和薪柴等问题。针对这些问题，炉具企业在设计炉具时应考虑提高炉具热效率，降低燃料消耗量，从而降低运行费用；生物质成型燃料企业生产颗粒时要考虑降低秸秆颗粒的成本，同时提升生物质颗粒燃料的质量，解决灰渣过多的问题；政府需加强对农村地区居民的宣传，引导用户改变使用炉具的传统习惯，提升居民“燃料适配炉具”的清洁采暖意识。