劉君俠

(江漢大學 工業(yè)煙塵污染控制湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430056)

近年來，我國北方大范圍霧霾天氣日漸增多，在秋冬季節(jié)特別在冬季供暖季，霧霾更是困擾北方居民的一個主要問題。2017年中國生態(tài)環(huán)境狀況公報顯示，全國338個地級及以上城市中，99個城市環(huán)境空氣質(zhì)量達標的99個，超標的239個。全年共發(fā)生大氣環(huán)境重污然天數(shù)達2311天次，其中嚴重污染達802天次。大氣污染中以細顆粒物污染最為突出。其中以PM2.5為首要污染物的天數(shù)在重度及以上污染天數(shù)中占比達74.2%，以PM10為首要污染物的占比為20.4%。從全國范圍來看，總體趨勢是北方城市的PM2.5濃度高于南方；從季節(jié)分布來看，秋冬季的大氣污染明顯高于夏季的污染，有采暖需求的北方城市明顯高于南方城市。這應該與我國的能源結(jié)構(gòu)“富煤貧油少氣”這一特點有關，有資料顯示，我國天然氣資源探明儲量為75億t標準煤，有效利用可以產(chǎn)生的生物質(zhì)能源總和可以達到8.5億t標準煤[1-2]。2017年一次能源生產(chǎn)總量35.9億t標準煤，消耗原煤35.2億t。煤炭消費量占能源消費總量的60.4%。秋冬季節(jié)是我國北方的采暖季，受能源結(jié)構(gòu)影響，北方尤其是北方農(nóng)村地區(qū)采暖主要依靠煤炭，煤炭在整個能源結(jié)構(gòu)中占有很大比例，其中污染排放指數(shù)高的煙煤數(shù)量豐富，煙煤占82%；優(yōu)質(zhì)煤碳資源相對較少，由此導致秋冬季北方空氣中顆粒物濃度明顯高于南方城市。

1 我國民用散煤使用現(xiàn)狀

目前對散煤并沒有具體的定義，但一般來講，散煤主要是指農(nóng)村生產(chǎn)生活用煤和城鎮(zhèn)生活用煤等，包括家庭取暖和餐飲用煤等。受地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展不均衡的影響，目前全國約1/3的省份消費了全國70%的民用散煤。據(jù)統(tǒng)計，我國散燒煤消費主要集中在居民生活用煤，包括炊事取暖，城區(qū)小鍋爐采暖，小型工業(yè)鍋爐等領域，每年消費達7～8億t。北方地區(qū)冬季，散煤用量比較集在農(nóng)村地區(qū)。其中河北省農(nóng)村居民每年消費煤炭約3700萬t，其中主要用于取暖，達2100萬t，城市散煤用戶每年煤炭消費量約370萬t。受我國能源結(jié)構(gòu)影響，煤炭是北方農(nóng)村主要的生活用能來源，占生活能源消耗的55%，也是當前燃煤污染的重要來源。因此散煤治理成為治污降霾的重點。由于農(nóng)村地處偏僻、遠離城區(qū)，農(nóng)戶在采暖季采用的普遍方法是燃燒散煤起火后再添加型煤，采暖爐接近95% 都不具備除塵、脫硫功能。同時受煤泥和原煤粒度大小不均勻和爐具燃燒條件限制，爐內(nèi)供氧不均勻，燃燒不充分，造成灰渣含碳量高，熱量損失大，污染物排放量大。胡秀峰等考察了20個行政村的5134家農(nóng)戶，采暖季共用散煤7374.05 t，型煤700.05 t。從統(tǒng)計結(jié)果上看土炕農(nóng)戶冬季采暖用散煤占91.33%，型煤占8.67%，無用電和用氣采暖的農(nóng)戶。2014年中國農(nóng)村居民生活用煤炭消費標煤6585.7萬噸，平均每戶煤炭消費量為347.2 kg標煤，其中供暖用煤占比96.9%，烹飪用煤占比3.1%。京津冀及周邊地區(qū)的民用散煤數(shù)量巨大。由于散煤顆粒物排放量大于型煤和清潔能源排放，其中單位PM2.5排放量在顆粒物排放中占比最大，因此這些地區(qū)的散煤每年排放的大量的PM2.5成為這些地區(qū)霧霾天氣的重要來源[3-9]。

2 民用散煤污染排放現(xiàn)狀

PM2.5和SO2是散煤燃燒中污染物排放占比最大的兩種污染物，研究表明農(nóng)村散煤的平均排放系數(shù)大約是電煤排放的8～10倍。農(nóng)村生活散煤占煤炭消費總量4.70%，其中PM2.5的排放量高達74.90萬t，電煤消費占煤炭總消費量的43.20%，所產(chǎn)生的PM2.5排放量約為88.57萬t，由此可見，散煤燃燒是煤炭燃燒污染物排放的關鍵控制因素。另一方面從能源燃燒排放結(jié)構(gòu)可以看出，固定燃燒源煤炭消耗量占總工業(yè)能源消耗的87.14%，排放以煤炭燃燒排放為主，其中PM10、PM2.5、SO2、黑碳、有機碳和VOCs排放量占比均超過95%[10]。

與固定燃燒源燃燒相比，民用散煤燃燒條件差，多數(shù)沒有有效的排放控制措施，李雪玉等對我國農(nóng)村生活用煤燃燒研究發(fā)現(xiàn)，與火電燃煤相比，1t散煤燃燒排放的污染物量是火電燃煤排放的5～10倍，對大氣污染的貢獻率高達50%左右。另一方面，散煤燃燒大多沒有排放控制，多采用直燃直排，排放面廣，排放高度低，對人體健康的影響更為直接，也就是說，散煤燃燒對于污染物排放和人體健康危害的貢獻更大更直接[11]。

2.1 顆粒物污染排放

燃煤是PM2.5排放的主要來源，由于散煤特別是民用散煤燃燒條件差，無相應的控制措施，研究表明燃煤排放的顆粒污染物對一次PM2.5和二次PM2.5貢獻率分別達到為63%和56%，其中散煤燃燒排放大約占燃煤PM2.5總排放量近一半。張眾志對京津冀地區(qū)民用散煤燃燒研究發(fā)現(xiàn)，散煤燃燒排放對該區(qū)域PM2.5月均濃度的貢獻為46%；貢獻了北京PM2.5月均濃度的49%。在重污染時期，京律冀民用散煤燃燒對整個區(qū)域的PM2.5月均濃度貢獻在30%～57%[12]。李雪玉等解析了京津冀地區(qū)PM2.5的來源，發(fā)現(xiàn)京津冀地區(qū)冬季PM2.5來源主要為民用源，其他季節(jié)主要是工業(yè)源主導，PM2.5平均濃度在冬季明顯高于其它季節(jié)。由此推斷冬季采暖期的燃煤污染是造成京津冀地區(qū)冬季PM2.5濃度劇增、霧霾嚴重的尖峰負荷?；裟匮芯堪l(fā)現(xiàn)散煤的單位污染排放強度約為電煤的8倍。樓晟榮對中小燃煤鍋爐PM2.5排放特征研究發(fā)現(xiàn)，中小燃煤鍋爐煙氣PM2.5質(zhì)量排放因子平均為(0.123±0.061) kg·t-1，鍋爐的燃燒負荷越低，PM2.5排放將隨之降低[13]。徐媛對供熱鍋爐顆粒物排放特征進行研究發(fā)現(xiàn)，燃煤層燃煤鍋爐顆粒物排放中PM2.5占PM10的93%[14]。賀泓對我國的霧霾成因研究表明，在成霾過程中二次顆粒物所占比例一般高于一次顆粒物，在我國中東部地區(qū)由顆粒物引起的霧霾天氣中二次源貢獻率高達60%[15]。胡玉研究了十堰市大氣污染顆粒物的源解析，結(jié)果表明二次粒子、燃煤源和機動車尾氣是十堰市城區(qū)冬季大氣PM2.5的主要來源，貢獻率分別為51.2%、10.9%和10.1%[16]。

楊國威等對民用燃煤排放顆粒物中碳組分排放因子進行研究，結(jié)果表明：顆粒物的排放因子塊煤燃燒高于蜂窩煤燃燒，民用煤燃燒排放的顆粒物及其載帶的碳組分集中在細顆粒物上[17]。戚濤等對民用散煤燃燒顆粒物形貌和元素組成進行分析，結(jié)果表明，民用散煤燃燒排放的顆粒物中81.0%顆粒分布在<1 μm粒徑范圍內(nèi)，顆粒物中炭質(zhì)顆粒占排放顆?？倲?shù)的77.2%[18]。對黑炭排放因子研究表明，民用煤爐燃燒排放因子比工業(yè)鍋爐高出3個數(shù)量級，是黑炭的主要排放源；另外，民用燃煤廢氣中一氧化碳的排放量也明顯高于工業(yè)用煤，其污染物排放因子是工業(yè)燃煤鍋爐的100倍[19]。

2.2 氣體污染物排放

潘濤等的研究表明，與工業(yè)鍋爐相比，采暖季民用散煤燃燒的二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)、PM10、PM2.5日排放強度分別約為電力行業(yè)的7、1.2、8和5倍[20]。楊婷對市場上常見的民用爐具和蜂窩煤研究發(fā)現(xiàn)，不同燃燒狀態(tài)下民用散煤的氣體污染物和顆粒污染物排放因子有所不同。在充分燃燒狀態(tài)下，民用散煤的氮氮化物一次排放因子和PM2.5一次排放因子分別達0.17 kg/t和3×10-3kg/t。結(jié)合京津冀區(qū)域采暖季民用散煤的使用量，推算出京津冀區(qū)民用燃煤采暖季向大氣中直接排放的NOx和PM2.5分別達243.29 t和4.29 t，京津冀區(qū)域民用散燒煤排放生成的二次顆粒物約為5.72 t[21]。顏丙磊對京津冀地區(qū)民用煤排放研究發(fā)現(xiàn)，主要排放物以SO2、NOx、PM10、PM2.5、一氧化碳(CO)、揮發(fā)性有機物(VOCs)6種為主，噸煤污染物排放量差異較大[22]。梁云平用北京遠郊農(nóng)村居民常用的蜂窩煤、煤球、煙煤散煤為實驗用煤，研究不同煤種燃燒排放因子，結(jié)果顯示NOx和CO的排放順序關系為：煙煤>煤球>蜂窩煤；SO2的排放因子順序為：煤球>煙煤>蜂窩煤[23]。郝國朝等對陜西省民用散煤燃燒氣態(tài)污染物排放因子發(fā)現(xiàn)，農(nóng)村生活領域散煤燃燒排放三種氣態(tài)污染物主要為NOx、CO和SO2，排放量占陜西省生活領域散煤排放總量近80%。在充分燃燒條件下，NOx排放因子大小順序為：煙煤>蜂窩煤>無煙煤，排放因子大小順序為：煙煤>無煙煤>蜂窩煤[24]。

2.3 揮發(fā)性有機物及重金屬排放

黑碳和多環(huán)芳烴都是燃燒產(chǎn)生的污染物，由于黑碳和多環(huán)芳烴對環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)具有不同的影響途徑和危害，多年來一直受到環(huán)境研究者的極大重視。多名學者研究發(fā)現(xiàn)我國49.8%和62%的黑碳和多環(huán)芳烴來自于居民生活燃料燃燒。梁云平對北京市民用燃煤煙氣中氣態(tài)污染物排放特征研究發(fā)現(xiàn)，不同燃燒階段和不同的燃燒條件下，民用燃煤排放的揮發(fā)性有機物排放因子區(qū)別明顯，不同燃燒階段VOCs排放因子在點火階段最高，封火階段次之，在壓煤燃燒模式下排放的揮發(fā)性有機物遠大于燃燒模式下。點火階段煙煤燃燒排放的VOCs濃度最高，為32.8 mg·m-3；旺火燃燒階段排放VOCs濃度最低；在煙氣排放的揮發(fā)性有機物中苯系物所占比例較大。家用散煤燃燒過程中釋放的單環(huán)芳烴濃度遠超過燃煤電站和生物質(zhì)燃燒釋放的濃度，其中主要是苯和甲苯，兩者平均濃度分別為672.3 μg·m-3和1631.3 μg·m-3。煤炭燃燒排放的重金屬約75%～90%分布在可吸入顆粒物中，顆粒物越小，重金屬含量越高。劉海彪等研究結(jié)果表明，蜂窩煤燃燒排放PM2.5中，Pb、Zn、As和Cu的排放因子較高，其中Sb和Cd的實測排放因子是塊煤的37和19倍[25]。燃煤排放的重金屬污染還有汞的污染。大氣汞污染的主要的排放源包括燃煤排放、有色金屬冶煉排放、水泥熟料生產(chǎn)等，排放比例分別占總?cè)藶樵创髿夤欧诺?7%、22%和18%。惠霂霖等研究了中國燃煤部門大氣汞排放的協(xié)同控制效果并預測到2020年，我國燃煤部門大氣汞排放量將達103.2～129.5 t；到2030年達到50.9～81.9 t之間[26]。

3 散煤污染治理現(xiàn)狀及對策

2013年“大氣十條”發(fā)布以來霧霾污染防治工作受到廣泛關注，民用散煤燃燒是霧霾形成的重要原因之一，隨著燃燒污染治理的不斷推進，強化散煤燃燒管控也受到各級政府及相關部門的重視，各種管控對策及治理措施相應出臺，大氣污染治理取得了一定的成效。據(jù)統(tǒng)計，黨的十八大以來我國煤炭消費占能源總消費比重下降了8.1%，清潔能源消費了6.3%。據(jù)估算，2017年我國散煤消費量減少約6500萬t，其中民用散煤減少約1800萬t。但我國富煤缺油少氣的能源現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)特點，決定了能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化不可能是“去煤炭化”。采暖期散煤燃燒雖然是北方空氣的重要污染源，但考慮到各地區(qū)的發(fā)展不平衡，散煤采暖的地區(qū)，絕大部分是在農(nóng)村地區(qū)。這些地區(qū)基本上沒有燃氣網(wǎng)，配電網(wǎng)的功率也很小，也不能強制實行一刀切的取消散煤的對策。針對不同地區(qū)，可以選擇無煙煤或清潔能源替代煙煤等劣質(zhì)散煤，宜氣則氣，宜電則電。有資料顯示，通過“煤改電”，京津冀地區(qū)2016～2017年減少燃煤約328.8萬t，相應SO2排放減少1.71萬t，NOx排放減少0.53萬t，PM10排放減少4.44萬t、一次PM2.5排放減少3.55萬t[27]。杜曉林等研究了“煤改氣”和“煤改電”政策的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，結(jié)果顯示，在經(jīng)濟效益方面，京津冀地區(qū)用天然氣替代燃煤分別需付出3.76、3.96和3.96倍于燃煤價格的成本，以電力替代燃煤分別需付出2.42、2.42和2.58倍于燃煤價格的成本[28]，但由此可以有效地減少燃煤對大氣污染的影響。此外，在制定煤改氣的方案時還要考慮天然氣燃燒排放對“霧霾”天氣的影響和天然氣全生命周期的碳排放問題。

因此結(jié)合我國的能源結(jié)構(gòu)特點和能源消費特點，因地制宜，多措并舉，選擇合適的經(jīng)濟技術路線，實施散煤清潔燃燒，減少散煤污染，才是散煤治理行之有效的解決辦法。在條件成熟的地區(qū)采用集中供熱，在經(jīng)濟條件較好的地區(qū)，采用熱風型、熱水型熱泵供暖，積極推進秸稈制氣等農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用技術，大力推廣再生能源利用和太陽能采暖系統(tǒng)。在非“禁煤區(qū)”內(nèi)，逐步減少劣質(zhì)煤，煙煤的使用，優(yōu)先使用低揮發(fā)分、低灰、低硫的優(yōu)質(zhì)煤炭和潔凈型煤。另一方面，要加強政策扶持，提高居民使用清潔能源的意識，內(nèi)因和外因的共同努力才是散煤治理的有效保證。