陕西省清洁取暖替代效果及环境效益评估

王 珏，刘 敏，李 洁，李 闯，徐银鸿，叶 堃，张文廷，薛春瑜，刘广青

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

全球近30亿人仍依靠生物质和煤作为做饭和取暖的燃料，且主要在发展中国家。中国的PM2.5浓度是世界上最高的国家[2]。而且中国是全球元素碳(EC)排放量最大的国家[3]，其中28%的EC排放可归因于居民燃煤，而EC可导致区域大气污染并且危害人类健康。众多研究表明，室内污染会导致人患呼吸系统疾病、哮喘及一些心脑血管等疾病，据估计，室内污染导致全球每年大约有197万人死亡，其中中国人数约占20%。

自2017年起，清洁取暖政策全面推进，十部委出台政策《北方地区冬季清洁取暖规划(2017—2021年)》[10](以下简称《规划》)。《规划》中重点强调，利用电力、天然气等清洁能源替代散煤燃烧取暖，对于偏远山区等暂时不能通过清洁供暖替代散烧煤供暖的，要重点利用“洁净型煤+环保炉具”、“生物质成型燃料+专用炉具”等模式替代散烧煤供暖。已有研究表明，用天然气、电力替代散煤燃烧能够显著降低污染物排放，洁净煤也有助于减少污染物排放。

陕西省也积极响应号召，推行了一系列清洁取暖政策。为了掌握陕西省清洁取暖的替代效果，本研究深入陕西省铜川市和榆林市进行实地测试，掌握洁净煤的真实替代效果，了解陕西省各类替代方式产生的环境效益。

1 研究方法

1.1 测试样本的选择

陕西省地形特殊，分为三部分——陕北高原、关中平原和陕南山区，其中陕南地区不属于传统取暖区域，故不作考虑。本次测试选择陕西省关中平原的铜川市和陕北高原榆林市的农村地区，在两地选取了38户农户进行排放测试，其中烤火炉31户，水暖炉7户，燃料包括散煤、型煤和兰炭。当地居民使用的典型炉具和燃料如图1所示。

图1 当地取暖炉具及燃料

对现场采集的15个样品燃料的热值、工业分析和元素分析分别按照 GB/T 21923—2008、GB/T 28731—2012与GB/T 28734—2012于北京化工大学测试中心进行检测[11]。结果显示：除散煤Ⅰ挥发分远高于民用散煤质量标准(GB 34169—2017)的最大值37%，其余散煤指标均符合该标准。铜川地区政府推广的洁净型煤分别由型煤I和型煤Ⅱ 2个厂家生产，含硫量均小于0.5%，符合民用型煤质量标准(GB 34170—2017)。但型煤Ⅱ的灰分过大，热值非常低，不符合GB 34170—2017的要求。用户也反映在使用过程中点火较难，且不耐烧。榆林地区居民使用的兰炭分别由兰炭Ⅰ与兰炭Ⅱ 2个厂家生产。与散煤相比，兰炭硫含量较低，2种兰炭硫含量均小于0.4%，符合陕西省工业及民用燃煤标准(DB61 1099—2017)。兰炭Ⅰ的灰分与挥发分较大，不符合陕西省工业及民用燃煤标准。兰炭Ⅱ的灰分与挥发分较低，符合陕西省工业及民用燃煤标准。

水暖炉是通过加热炉体内部的水箱从而将整个暖气片里的水循环加热的取暖炉具，取暖面积比较灵活，可以按需安装不同组暖气片，操作方便，干净卫生，部分水暖炉兼顾炊事功能。烤火炉是通过加热炉具辐射热量进行取暖的炉具，通常具有炊事功能，供暖面积比较小，使用烤火炉取暖，室内温度不均匀，舒适度较差，但是节省燃料，运行成本低。生物质炉具在炉膛上部增设了二次进风口，燃烧时不冒黑烟，污染排放水平低，燃烧热效率高，可以有效改善室内外环境质量。

1.2 测试方法

此次测试分为烟气排放测试和室内空气污染测试，实地测试共完成了15户散煤—烤火炉测试，16户清洁煤—烤火炉测试，采用每天早晨点火，晚上熄火的操作方式，对陕西地区40户有代表性的散煤及洁净煤取暖用户进行了室内空气现场测试。本研究使用自行设计的便携式民用炉具污染排放现场测试系统进行24 h全过程烟气排放测试[12]，测试目标污染物包括PM2.5、CO、CO2、SO2和NOx。室内空气污染测试使用设备 DustTrak 8530(TSI公司)和 EL-USB-CO(LASCAR公司)记录PM2.5和CO的实时浓度。

在实验前后分别采用标准气进行零点校正和量程校正，并采用干式气体流量校准器(Defender 510-H，SKC.Inc)进行流量校正。滤膜采用马弗炉在500 ℃下烘烤6 h，之后于恒温恒湿保存24 h后用微量天平(0.01 mg，XS105，Mettler-Toledo)称重，测试结束后再放入同样环境中保存24 h后再次称重校正。

1.3 排放因子计算方法

式(1)中，EFx是污染物X的基于燃料质量的排放因子；ΔCx是污染物X的质量浓度，mg/m3；Cf和Ca分别是燃料和干基灰分中的碳含量，可由采集的燃料和灰分进行元素分析得到。CC-CO2、CC-CO、CC-THC、CC-PM分别是在CO2、CO、总烃(THC)和颗粒物(PM)中释放的碳，mg/m3。例如，CC-CO2=12/44(mg/m3)。

1.4 环境效益评估方法

综合考虑散煤燃烧取暖的排放强度、清洁能源替代的减排能力以及民用散煤对大气环境的贡献系数，计算由于实施清洁取暖政策带来的空气质量改善效果[13]。大气环境PM2.5改善能力的计算公式如式(2)：

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

(2)

式(2)中，ΔC为清洁能源替代后PM2.5降低浓度，μg/m3；Cinitial为无清洁能源替代情况下大气环境的PM2.5浓度，μg/m3，取2016年年均PM2.5浓度。Cimp为清洁能源替代情况下大气环境的PM2.5浓度，μg/m3；γ为民用散煤对大气环境PM2.5浓度的贡献系数，%；α为PM2.5实际削减量占总排放量的比例，%。

民用生活散煤消费的主要地点在农村地区，其中包括城郊和城中村，占比94%。而农村地区散煤消耗主要用于采暖和炊事活动，其中采暖活动占比91%[14]。根据清华大学研究的中国多尺度排放清单模型(MEIC)[15]数据显示，陕西省大气环境PM2.5民用源贡献比例分别为40.0%。综合考虑以上信息，得出陕西省民用散煤取暖对大气环境PM2.5的贡献系数为34.2%。

2 结果与讨论

2.1 清洁取暖规划总目标

陕西省“双替代”以“煤改电”为主。2018年(图2左)，陕西省改造任务为70.7万户，其中煤改电48万户，占比67.94%；煤改气17.99万户，占比25.46%；集中供热4.16万户，占比5.89%；地热0.5万户，占比0.71%。但根据公开数据显示，2018年，陕西省清洁取暖改造任务有层层加码现象，比如西安市的市级指标(59.89万户)相比国家下达的指标(36.62 万户)和省下达的指标(44.47 万户)分别增加了约 39% 和 26%。但在2019年(图2右)，陕西省各市“自下而上”根据自身实际情况上报中央，进一步明确了农村地区清洁取暖总体思路：基于地方财政收入量力而行，全面推进农村电网升级改造，高效经济地推进电取暖。通过以气定改，稳妥推进煤改气。对暂不具备清洁能源替代条件的山区和暂不具备煤改电、煤改气的地区积极推广洁净煤。

图2 2018年(左)和2019年(右)陕西省关中平原清洁取暖改造任务

2.2 污染物排放因子

如图3所示。在CO方面，相比散煤Ⅰ，型煤、兰炭Ⅰ、兰炭Ⅱ均有减排效果，分别是10.7%、30.2%、5.7%；相比散煤Ⅱ，只有兰炭Ⅰ对其有减排效果，其值是16.2%。与《民用煤大气污染物排放清单编制技术指南(试行)》[16](以下简称《指南》)推荐值相比，只有兰炭Ⅰ的CO排放因子低于该值。CO的生成主要是由于燃烧不充分。

图3 排放因子对比

型煤和兰炭的SO2均有明显的减排能力。与散煤Ⅰ相比，型煤、兰炭Ⅰ、兰炭Ⅱ的排放因子减少了76.1%、57.7%、76.1%；与散煤Ⅱ相比排放因子减少了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》推荐值。SO2排放主要和燃料相关，与燃烧方式关系不大。SO2的排放因子与燃料含硫量成正比。郝国朝的研究也表明SO2排放与煤质含硫率呈正相关[17]。

PM2.5方面，型煤和兰炭也有明显的减排效果。相比于散煤Ⅰ，型煤、兰炭Ⅰ、兰炭Ⅱ分别减排了82.0%、22.0%、49.8%；相比于散煤Ⅱ分别减排了92.8%、68.9%、80%。主要是由于型煤和兰炭挥发分较低，可以有效降低颗粒物的污染排放。测试所涉及到的燃料的排放因子均远低于《指南》推荐值。

使用型煤和兰炭炊事取暖的农户NOx的排放因子低于使用散煤的农户。相对散煤Ⅰ，型煤、兰炭Ⅰ、兰炭Ⅱ的排放因子分别减少了40%、35%、35.6%；相对散煤Ⅱ分别减少了71.0%、68.6%、68.9%。在测试的燃料中，只有散煤Ⅱ的NOx排放因子高于《指南》推荐值。民用炉具排放的NOx主要以燃料型氮为主，主要取决于燃料中的含氮量，而散煤Ⅱ的含氮量(1.06%—干燥基)较高。同时，炉温也对NOx的排放有一定的影响。

2.3 室内空气污染

室内空气测试结果如图4所示。该地区农宅冬季室内空气污染严重，全部家庭PM2.5日均浓度远高于WHO提出的日均浓度指导值25 μg/m3，主要由于炉具密封性不好，污染物泄漏较多。测试对象中有12.5%的家庭CO室内日均浓度超过了WHO提出的室内日均浓度指导值7 mg/m3。农户在使用不同燃料时造成的室内空气污染水平不同。总体来看，型煤和兰炭Ⅱ针对燃用散煤的室内空气污染有减排效果。

图4 室内PM2.5和CO日均浓度与WHO标准对比

2.4 环境健康效益分析

采用不同取暖方式，不同清洁能源取暖政策实施力度的情景，预测不同情景下室外与室内空气质量改善情况。结果如图5所示。

图5 不同清洁取暖方式替代在不同政策实施力度下的空气质量

图5中显示，在相同的取暖方式下，政策实施力度越强，空气PM2.5浓度越低。相同政策实施力度情景下，不同技术路径替代的空气质量改善情况有所不同。在不同力度替代情景下，生物质颗粒燃料替代情景下PM2.5室外浓度最高，PM2.5室外浓度分别下降5.25 μg/m3、7.88 μg/m3和10.51 μg/m3。洁净煤改善力度比生物质颗粒略高，室外PM2.5浓度分别下降6.59 μg/m3、9.89 μg/m3和13.19 μg/m3。空气源热泵替代情景下，空气质量改善能力最强，3种替代强度下PM2.5浓度分别下降8.33 μg/m3、12.50 μg/m3和16.66 μg/m3。天然气壁挂炉与直热式电暖器替代效果与空气源热泵基本接近。

尽管洁净煤、生物质颗粒的污染物排放因子小于散煤，可一定程度上减少PM2.5的排放量，改善室外空气质量。但作为固体燃料，使用方法与散煤基本相同，未能改变用户的取暖与炊事习惯，燃烧产生的室内空气污染仍比较严重。即使在最高的政策实施力度下，洁净煤与生物质颗粒替代情景下室内PM2.5浓度仍高达226.88 μg/m3和232.42 μg/m3，与散煤燃烧的情景相比，仅下降9.8%、7.6%。使用天然气、电力的替代情景下，室内空气污染改善力度较大。在不同政策实施力度下，室内PM2.5年均暴露浓度分别为：193 μg/m3、163 μg/m3、134 μg/m3，分别降低23.2%、34.8%、46.5%。

3 结 语

(1)与散煤相比，型煤和兰炭在污染物排放方面有明显的改善效力，尤其是在SO2、PM2.5和NOx方面，SO2可以减排20.2%～76.1%，PM2.5的减排力度为22.0%～92.8%，NOx能够减排35%～71.0%。特别是型煤的减排能力尤为突出，SO2可以减排55.0%以上，PM2.5减少82.0%，甚至高达92.8%，NOx至少减排40%，而CO的减排力度不高。

(2)室内空气污染方面，洁净煤并没有表现出明显的改善能力。相反，兰炭Ⅰ甚至增加了室内污染水平。就PM2.5来说，测试的所有燃料室内PM2.5均远高于WHO所规定的25 μg/m3。

(3)就目前推广的不同清洁取暖替代方式来看，在对室外大气的改善效力方面，所有的替代方式改善效力基本相同，而在室内空气方面，空气源热泵在3种替代情景下，PM2.5浓度分别下降8.33 μg/m3、12.50 μg/m3和16.66 μg/m3，天然气壁挂炉与直热式电暖器替代效果与空气源热泵基本接近，天然气和电力具有明显的改善效力。

(4)陕西关中平原的城区、县城和城乡结合部，以及气源和电网已经覆盖或规划的农村地区，以居民可承受为前提，稳步推进“煤改气”和“煤改空气源热泵”；在“双替代”无法覆盖或难以持续的区域，因地制宜推广洁净煤、生物质配套节能环保炉具及新型节能炕；陕西北部农村地区(特别是环境容量较大、太阳能和生物质资源丰富的偏远山区)，应积极探索太阳能和生物质树枝削片配套炉具、新型节能炕等方式采暖。