張文廷，李 闖，葉 堃，徐銀鴻，李 潔，劉廣青，薛春瑜

（北京化工大學化學工程學院， 北京100029）

0 引 言

散煤在傳統(tǒng)爐具中燃燒不完全，產生大量的氣態(tài)污染物[1]（CO、VOCs、NOx、SO2）、細顆粒物（Fine Particulate Matter，PM2.5）以及EC/OC等不完全燃燒產物[2-4]，研究表明，散煤帶來的大氣污染物排放是冬季霧霾天頻發(fā)的重要影響因素[5-6]，與人患肺結核、哮喘及一些心腦血管等疾病密切相關[7-9]。民用燃煤排放的污染物對環(huán)境和人體健康產生的負面影響已引發(fā)了政府及相關部門的廣泛關注[10-12]?！侗狈降貐^(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃（2017－2021年）》[13]中指出，生物質能清潔供暖潛力巨大，可用于北方生物質資源豐富地區(qū)的縣城及農村在用戶側直接替代煤炭取暖。目前我國生物質總量每年達7億t標準煤[14]，農作物廢棄物的年產量超過9億t[15]，生物質成型燃料具有清潔高效、CO2零排放等優(yōu)點[16]，是生物質能開發(fā)利用的重要技術路徑之一[17]。部分地方政府通過試點推廣生物質成型燃料配套專用爐具，希望解決農村地區(qū)散煤替代和清潔取暖的問題。

實驗室研究結果表明[18]，相比燃煤爐具，使用生物質成型燃料配套生物質爐具能夠有效降低主要污染物的排放。但爐具在實際使用過程中，用戶的操作習慣、取暖需求等都會影響污染物的排放，已有研究表明，實地測試的污染物排放與實驗室測試結果差異較大[19-20]，而目前采用實地測試方法來反映爐具實際使用過程中污染排放水平的相關研究較少。另外，現(xiàn)有的實地測試大都基于短時間測試的方法，但是爐具的不同燃燒階段和不同的操作方式產生的污染物排放水平不同[21-23]。Li等[24]已經(jīng)證明24 h測試方法與短時間測試方法在測試相同爐具時所得污染物排放因子有明顯性差異。因此，采用全天24 h現(xiàn)場測試對評估生物質爐具帶來的實際環(huán)境效益具有更重要的參考價值[25-27]。

2017年，黑龍江政府在全省選定60個村進行試點，建設60個村級生物質成型燃料廠，每個村投放民用生物質爐具300臺，試點爐具共1.8萬臺。本研究以黑龍江省綏化市下屬某生物質爐具推廣村為例，對比研究了生物質爐具和燃煤爐具的全天24 h排放特征，以及生物質爐具的減排效果和推廣過程中的問題與障礙，為生物質成型燃料配套專用爐具的進一步推廣提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

1 實地調研與測試

1.1 測試爐具與燃料

在黑龍江綏化市試點村選取了15戶農戶進行污染排放測試，其中傳統(tǒng)燃煤水暖爐具 5戶，手動進料生物質爐具5戶，自動進料生物質爐具5戶，燃料分別為散煤和生物質秸稈顆粒。當?shù)鼐用袷褂玫牡湫蜖t具和燃料如圖1所示。

圖1 當?shù)鼐用袷褂玫臓t具及燃料Fig.1 Stoves and fuel used by local residents

傳統(tǒng)燃煤水暖爐具最初設計用于燃燒散煤且該設計結構在東北地區(qū)廣泛使用，該爐具設計結構簡單，爐膛較小，一次進風口和二次進風口的位置相同，爐膛內部有隔板將進風分為 2路，一路進入爐膛底部，提供一次燃燒所需空氣；另一路進入爐膛上部大約火焰上方位置，為一次燃燒熱解產生的未燃盡的揮發(fā)性物質提供氧氣進行二次燃燒。

推廣的手動進料生物質爐具價格較低，在經(jīng)濟水平較低的用戶家中比較受歡迎，具有二次進風控制系統(tǒng)。優(yōu)化了二次進風口的位置，爐體右側有一個進風口，可以手動旋轉控制二次進風量，二次進風的方向與煙氣排出的方向相反，增加了燃料熱解產生的揮發(fā)性物質和二次風在爐膛內的停留和混合時間，使燃燒更充分。手動進料存在一次性進料過多的狀況，會造成燃燒室內瞬間缺氧，污染物排放濃度迅速上升。另外，爐膛和進料倉連接太過緊密，有回火的風險。

自動進料生物質爐具自動化程度高，具有自動進料系統(tǒng)，用戶可以設置不同的進料速度，料倉和燃燒室由螺旋桿連接，向燃燒室推進燃料，進料平緩；具有自動控風裝置，爐具左上方裝有分檔旋鈕，根據(jù)不同的進料速度選擇高、中、低速即可，能夠減少人為調節(jié)造成的進料量與進風量不匹配導致排放過高的問題。自動進料生物質爐具操作更加便捷，用戶不用頻繁加料，經(jīng)濟富裕的家庭傾向于選擇此款爐具。

測試地區(qū)散煤和生物質秸稈顆粒燃料的工業(yè)分析、元素分析和低位發(fā)熱量（Low Heating Value, LHV）見表1。其中，工業(yè)分析、低位發(fā)熱量分別按照《固體生物質燃料工業(yè)分析方法：GB/T 28731－2012》、《生物質固體成型燃料試驗方法：GB/T 21923－2008》進行測試，元素分析使用元素分析儀測定得出。

1.2 調研與測試方法

本試驗對使用散煤和生物質秸稈顆粒 2種不同取暖方式的用戶進行調研，在示范村中隨機走訪了89戶，內容包括燃料消耗量、采暖時長、采暖習慣、采暖意愿及障礙等。

本次測試采用課題組自主研發(fā)的便攜式民用爐具污染排放現(xiàn)場測試系統(tǒng)[24,28]。該系統(tǒng)基于部分稀釋采樣原理，模擬了高溫煙氣從排氣口排出與實際大氣混合的過程，能夠有效采集民用爐具全天24 h的污染排放，真實反映民用爐具實際的污染排放水平。測試的污染物主要包括CO2、CO、SO2、NOx和PM2.5。采樣點選擇在爐具出煙口1.5 m處，用采樣探頭將目標污染物引入煙槍內，再經(jīng)過稀釋通道，進入到儀器中進行分析。

表1 測試地區(qū)燃料性質分析結果Table 1 Analysis results of fuel properties in tested area

采用國際通用的廚房性能測試（Kitchen Performance Test，KPT）[29]統(tǒng)計用戶在取暖時期的日均燃料消耗量。即在正常生活狀態(tài)下，稱量農戶在周期內的燃料消耗量，從而估算日均燃料消耗量與取暖期散煤消耗總量。本次測試周期為3 d，測試過程中用戶正常使用爐具和燃料。測試地點散煤、生物質秸稈顆粒的采暖季消耗量，如表2所示。

表2 調研地區(qū)采暖季戶均燃料消耗量Table 2 Fuel consumption during the heating season in the surveyed area

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

本次測試采用碳平衡法計算污染物排放因子[30-31]。碳平衡法是基于燃料燃燒過程中碳的質量平衡原理，即消耗的碳總量等于以氣態(tài)和以顆粒物形式排出的碳的總量，其計算公式如下

式中EFx為污染物X的基于燃料質量的排放因子，g/kg；ΔCx為污染物X的質量濃度，單位為 mg/m3；Cf為燃料中的碳含量，無量綱；Ca為灰分中的碳含量，無量綱；CC-CO2、CC-CO、CC-THC、CC-PM分別為CO2、CO、總烴（Total Hydrocarbons, THC）和顆粒物（Particulate Matter ,PM）中的含碳量，mg/m3。

采暖季戶均排放總量（Total Emission，TEx）是由實地測試獲得的排放因子EFX，調研得出的采暖季戶均耗煤量M，以及調研地區(qū)采暖季總采暖天數(shù)D共同核算得出。計算公式如下

2 生物質爐具環(huán)境效益評估

2.1 污染物排放特征

爐具全天的污染物排放特征分析有助于得到用戶的爐具操作習慣以及各個階段下的煙氣排放規(guī)律。燃煤爐具和自動進料生物質爐具實時PM2.5、CO、CO2、SO2和NOx排放濃度測試數(shù)據(jù)分別如圖2和圖3所示。

圖2 燃煤爐具CO2和大氣污染物實時排放特征Fig.2 Real-time emission characteristics of CO2 and pollutants from coal stove

圖3 自動進料生物質爐具CO2和大氣污染物實時排放特征Fig.3 Real-time emission characteristics of CO2 and pollutants from automatic feeding biomass stove

由圖2可以看出，當?shù)鼐用衩刻禳c火2次，一般發(fā)生在晚間睡覺前（16:00－20:00）和早晨起床后（9:00－11:00），調研發(fā)現(xiàn) 80% 的農戶取暖習慣都屬于這種模式。點火初期，爐膛溫度較低，燃料主要處于加熱和部分熱解階段，此時揮發(fā)分析出速度快，排放的CO、PM2.5、SO2、NOx濃度較高；隨著揮發(fā)分慢慢析出，進入焦炭燃燒階段，各污染物排放處于穩(wěn)定較低的水平。在加煤階段，由于爐膛內供氧不足，燃燒不完全，CO和PM2.5的排放濃度上升，隨著新鮮燃料中揮發(fā)分的不斷析出，爐膛溫度逐漸升高，CO排放降低，NOx和SO2的排放出現(xiàn)峰值。在自然熄火過程中，CO排放濃度首先出現(xiàn)小幅度回升，隨后下降，PM2.5、SO2、NOx和 CO2的排放濃度也開始逐漸下降。燃煤爐具的排放特征與Li等[32]的研究一致。

當?shù)鼐用袷褂米詣舆M料生物質爐具的點火時間與燃煤水暖爐具相似，集中在晚間睡覺前和早晨起床后。自動進料生物質爐具有料倉，可以平緩進料，由圖 3可以看出，與燃煤爐具相比自動進料生物質爐具燃燒過程更加穩(wěn)定，煙氣排放濃度變化較燃煤爐具平穩(wěn)。在點火階段，燃料析出大量揮發(fā)性物質，CO、PM2.5和NOx的排放會增加。隨著揮發(fā)分逐漸析出，爐膛內燃燒強度增加，溫度升高，CO濃度降低，NOx濃度升高。整體來講，各污染物的波動幅度遠小于燃煤爐具。由于生物質秸稈顆粒的含硫量較低，所以SO2排放濃度較低。

2.2 污染物排放因子

圖4為3種爐具基于單位燃料質量的污染物排放因子對比圖。生物質爐具相比燃煤爐具，能夠降低污染物PM2.5，CO，SO2的排放因子。燃煤爐具、手動進料生物質爐具和自動進料生物質爐具基于單位質量的 PM2.5排放因子分別為3.89、1.67和1.51 g/kg，排放因子分別降低了57.1%（手動進料生物質爐具）和61.2%（自動進料生物質爐具）。但由于散煤和生物質秸稈顆粒的熱值相差較大，如果以單位能量計算其排放因子，3種爐具排放因子分別為0.17、0.11和0.10 g/MJ，可以看出：與燃煤爐具相比，自動和手動進料生物質爐具污染物PM2.5、CO、SO2的排放因子分別降低41.2%、54.3%、40.0%和35.3%、22.1%、20.0%。生物質爐具能夠降低PM2.5的排放是由于生物質爐具進料平緩，燃燒過程中揮發(fā)分的析出速度得到控制。此外，2款生物質爐具均對二次風系統(tǒng)進行優(yōu)化，二次風進風方向與燃燒方向相反，有利于燃料熱解析出的揮發(fā)性物質和二次風在爐膛內混合，燃燒更為充分。

CO污染物的產生主要是燃燒不充分導致的。燃煤爐具、手動進料生物質爐具和自動進料生物質爐具的CO排放因子分別為123.71、64.30、37.67 g/kg，如果以單位能量計算其排放因子，結果為5.54、4.32、2.53 g/MJ，發(fā)現(xiàn)燃煤爐具與手動進料生物質爐具CO排放水平相近，自動進料生物質爐具CO排放有明顯的降低。燃煤爐具與手動進料生物質爐具通過自然送風達不到充分燃燒的狀態(tài)，因此CO排放較高。由于自動進料生物質爐具配有風機，通過風機強制通風使燃燒更為充分，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響。所測試散煤和秸稈顆粒的含硫量分別為0.07%和0.02%；含氮量分別為0.84%和0.48%。燃煤爐具與手動、自動進料生物質爐具的 SO2排放因子分別為 1.19、0.56、0.45 g/kg，如果以單位能量計算其排放因子，結果為0.05、0.04、0.03 g/MJ，表明生物質爐具與燃煤爐具相比，在一定程度上能夠降低 SO2排放因子，但效果不是很明顯，主要是由于當?shù)販y試的散煤含硫量極低。NOx排放因子分別1.73、1.19、1.63 g/kg，以單位能量計算其排放因子為0.08、0.08、0.11 g/MJ。由于NOx的排放以燃料型氮[33-34]為主，本次測試的燃料散煤中氮含量（0.84%）高于秸稈顆粒中氮含量（0.48%），以單位質量計算的排放因子顯示：相比燃煤爐具，手動、自動進料生物質爐具NOx排放因子分別降低31.21%和5.8%。雖然秸稈顆粒含氮量更低，但是以單位能量計算的排放因子顯示其排放的NOx并沒有減少，自動進料生物質爐具NOx排放因子高于燃煤爐具，其原因是自動進料生物質爐具為強制配風，爐膛內O2濃度較高，燃燒更加劇烈，燃燒時爐膛內容易產生局部高溫區(qū)，O2濃度高和高溫的情況下更容易生成NOx[35-36]。

圖4 基于單位燃料質量污染物排放因子Fig.4 Pollutant emission factors based on per unit of fuel mass

2.3 不同測試方法的對比

前人的研究主要關注民用爐具CO和PM2.5的排放情況，圖5為本研究中燃煤爐具、手動/自動進料生物質爐具排放的CO和PM2.5與文獻值的對比。由于散煤和生物質顆粒燃料的熱值相差較大，因此使用能量基準的排放因子做比較。已報道文獻中的生物質爐具與秸稈顆粒的組合低于本研究中生物質爐具排放的 CO；PM2.5排放因子與本研究結果基本一致。這是由于已報道數(shù)據(jù)是測試生物質爐具的穩(wěn)定燃燒階段得出，旺火時爐膛內燃料燃燒充分，排放的CO較少，而本研究采用的是24 h監(jiān)測，用戶一天中使用小火取暖的時間占三分之二，小火狀態(tài)燃燒時容易燃燒不充分，排放的CO較高。文獻中燃煤爐具CO和PM2.5排放因子分別為本研究燃煤爐具的1.48和2.49倍。主要原因為已報道文獻中采用分階段法對燃煤爐具的點火、加煤、旺火、封火階段進行測試，得出各階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；由于用戶操作爐具時1 d中4種燃燒狀態(tài)實際時間不均勻，CO和PM2.5排放因子較高的點火、加煤階段所占的時間相對較短，因此文獻中測試的燃煤爐具CO和PM2.5排放高于本研究。全天24 h爐具排放測試與短時間階段性測試的差異性對比與前人研究結果相似[24]。

圖5 本研究污染物排放因子與前人研究[37-38]對比Fig.5 Comparison of pollutant emission factors of this study with previous studies[37-38]

2.4 排放總量及減排效果

本研究對測試地區(qū)89戶用戶進行調研，統(tǒng)計出該地區(qū)冬季取暖時長為5.06個月，結合質量基準的排放因子數(shù)據(jù)和燃料消耗量的數(shù)據(jù)核算得出采暖季戶均家庭排放總量如表3所示。

表3 整個采暖季內戶均家庭排放總量Table 3 Total emissions from one household during a whole heating season kg·(a·戶)-1

由不同爐具+燃料組合的污染物戶均排放總量（見表3）評估生物質成型燃料配套專用爐具的污染物減排效果如圖 6所示。相比燃煤爐具，手動進料生物質爐具排放的污染物CO、SO2、PM2.5減排率分別為19.38%、27.01%、33.41%，其中CO的減排效果顯著（P＜0.05）；自動進料生物質爐具排放的污染物CO、SO2、PM2.5減排率分別為52.77%、41.35%、39.79%，其中 CO的減排效果顯著（P＜0.05）。自動和手動進料生物質爐具NOx的戶均排放總量分別升高了46.14%和6.69%。在用戶取暖需求相同的情況下，提升爐具的熱效率可以減少燃料消耗量，從而降低污染物排放總量，達到更好的減排效果。

圖6 2種生物質爐具相比燃煤爐具的污染物減排率Fig.6 Pollutant emission reduction ratio of two biomass stoves compared with coal stoves

3 結 論

1）燃煤爐具污染排放受用戶操作習慣的影響更大。用戶實際使用爐具取暖過程中，燃煤爐具燃燒產生的污染物排放濃度波動幅度較大；生物質爐具燃燒更加穩(wěn)定，污染物排放比較平穩(wěn)。自動進料生物質爐具可以設置進料速度和進風速度，自動化的操作可減少人為調節(jié)造成的進料量與進風量不匹配的問題，從而有效降低污染物的排放。政府應該加大對自動進料生物質爐具的補貼，鼓勵居民使用自動進料生物質爐具。

2）燃煤爐具、手動和自動進料生物質爐具的污染物排放因子分別為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）?？梢钥闯觯号c燃煤爐具相比，自動和手動進料生物質爐具污染物PM2.5、CO、SO2的排放因子分別降低41.2%、54.3%、40.0%和35.3%、22.1%、20.0%。生物質爐具替代燃煤爐具并不能降低 NOx的排放因子，民用生物質爐具的NOx減排技術是未來研究的重點。

3）與燃煤爐具相比，手動進料生物質爐具排放的污染物 CO、SO2、PM2.5減排率分別為 19.38%、27.01%、33.41%，其中CO的減排效果顯著（P＜0.05）；自動進料生物質爐具排放的污染物CO、SO2、PM2.5減排率分別為52.77%、41.35%、39.79%，其中 CO的減排效果顯著（P＜0.05）。手動和自動進料生物質爐具對NOx沒有減排效果。爐具企業(yè)設計爐具過程中，考慮降低污染排放的同時，也要關注爐具熱效率的提升，減少燃料消耗量，進而達到更好的減排效果。

4）生物質成型燃料配套專用爐具推廣過程中存在運行費用高、秸稈顆?；以^多、居民在專用爐具中混燒散煤、秸稈和薪柴等問題。針對這些問題，爐具企業(yè)在設計爐具時應考慮提高爐具熱效率，降低燃料消耗量，從而降低運行費用；生物質成型燃料企業(yè)生產顆粒時要考慮降低秸稈顆粒的成本，同時提升生物質顆粒燃料的質量，解決灰渣過多的問題；政府需加強對農村地區(qū)居民的宣傳，引導用戶改變使用爐具的傳統(tǒng)習慣，提升居民“燃料適配爐具”的清潔采暖意識。