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單明1，邢永杰2，鄧夢思1，劉彥青1，李定凱1，楊旭東1
（1.清華大學建筑學院，北京100084；2.北京市科學技術委員會，北京100744）
摘要：推廣生物質成型燃料高效清潔利用是實施鄉村振興戰略、促進北方農村清潔取暖工作的重要舉措，而是否具備針對戶用生物質采暖爐具的適用性標準是決定該技術能否良性發展的關鍵。筆者分析了目前民用生物質爐具的排放標準現狀，并以常見的3種生物質顆粒和2種煤為例，基于工業分析結果，對兩者完全燃燒所需理論空氣量和理論煙氣排放量進行計算分析，發現生物質燃料自身較高的含氧量導致其完全燃燒所需空氣量和理論煙氣排放量明顯低于燃煤，由此指出了戶用生物質爐具排放標準直接參照燃煤爐基準氧含量的不合理性。綜合目前國內生物質成型燃料爐具技術水準和國外相關排放標準，建議我國戶用生物質爐具合理的污染物排放濃度折算氧含量（質量分數）標準由原來的9%改為13%～15%。
近年來，中國北方部分地區頻繁出現重污染天氣，已嚴重影響人們的正常生活和身心健康，北方地區冬季清潔取暖已成為改善區域大氣質量的重要措施。根據國家十部委發布的《北方地區冬季清潔取暖規劃（2017—2021年）》[1]，雖然北方農村建筑取暖面積（65億㎡）只占城鄉建筑取暖總面積的約1/3，但是農村地區取暖用散煤（約2億t標準煤）卻占到北方地區取暖用煤總量的近一半。農村取暖散煤燃燒模式能效低，污染物排放貢獻大，給節能減排和打贏藍天保衛戰等帶來巨大挑戰，必須用清潔取暖技術予以替代。
2017—2019年國家財政部、生態環境部、住房和城鄉建設部、國家能源局連續下發《關于開展中央財政支持北方地區冬季清潔取暖試點工作的通知》《關于擴大中央財政支持北方地區冬季清潔取暖城市試點的通知》《財政部關于下達2019年度大氣污染防治資金預算的通知》等多項政策文件[2-4]，分3批共確定43個城市作為北方清潔取暖試點城市，清潔取暖工作已在北方地區全面鋪開。但由于天然氣相對短缺、供氣管網缺失、農村電網薄弱以及氣價和電價較高等因素的限制，在北方農村地區全面推行“煤改氣”“煤改電”的可行性不高，因地制宜地利用可再生能源技術應成為農村冬季清潔取暖的主要選擇。2018年7月《關于擴大中央財政支持北方地區冬季清潔取暖城市試點的通知》[3]指出，在符合清潔利用標準的基礎上，立足本地資源稟賦、經濟實力、基礎設施、居民消費能力等條件，統籌利用天然氣、電、地熱、生物質、太陽能、工業余熱等各類清潔化能源，宜電則電、宜氣則氣、宜油則油、宜熱則熱，“以氣定改，先立后破”，多措并舉推進北方地區冬季清潔取暖工作。
在可再生能源技術中，生物質成型燃料及其專用采暖爐具有明顯優勢。農村擁有農作物秸稈和農產品加工剩余物等大量資源，清潔高效的能源化利用是處理該類資源的主要方向。相關生產加工和專用爐具的設計制造技術等已成熟，符合農村資源特點和農民使用習慣的資源循環利用方式有利于解決原有的秸稈露天焚燒問題，綜合環境效益好且供熱成本較低?？傊涌焱苿颖狈睫r村生物質成型燃料冬季取暖，已成為北方地區各級政府、農村居民和農村能源工作者的共識，而是否具備針對戶用生物質采暖爐具的適用性標準是決定該技術能否良性發展的關鍵。
1我國戶用生物質采暖爐具標準現狀
多地區的地方政府經過近幾年“煤改氣”“煤改電”的實施經歷，已意識到生物質成型燃料對農村冬季清潔取暖的重要性，并積極探索，開展了相關的試驗示范。在實施過程中，爐具的性能要求，特別是大氣污染物排放濃度達到現行國家和行業標準是硬性規定。然而目前還沒有戶用生物質成型燃料采暖爐具的國家標準，只有國家能源局于2011年發布并實施的能源行業標準NB/T 34006—2011《民用生物質固體成型燃料采暖爐具通用技術條件》[5]和2012年發布并實施的能源行業標準NB/T 34007—2012《生物質炊事采暖爐具通用技術條件》[6]。上述2個標準中的大氣污染物排放濃度限值相同。煙塵、二氧化硫和氮氧化物的排放限值分別為50、30和150mg·m-3，一氧化碳排放限值為0.2%，林格曼煙氣黑度不高于1級。
該排放限值與2014年修訂發布并實施的GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標準》[7]相比，煙塵、二氧化硫和氮氧化物的排放限值十分嚴苛。表1～2分別為GB 13271—2014中新建或在用鍋爐的大氣污染物排放濃度限值、重點地區大氣污染物特別排放限值。
由表1～2可知，對比新建鍋爐和在用鍋爐的標準限值，除汞、化合物與林格曼煙氣黑度外，新建鍋爐的其他標準限值都有大幅度降低，降至原來的3/8～3/4；與一般地區相比，重點地區限值又降低了0～1/2。
以氮氧化物為例，燃煤、燃油以及燃氣鍋爐的標準限值降低幅度存在明顯差異，新建燃煤、燃氣鍋爐的限值為在用鍋爐的3/4與3/8。重點區域燃氣限值無變化，而燃煤鍋爐的標準限值明顯下降。標準制定顯然是充分考慮了燃煤與燃氣鍋爐的燃料特性以及技術提升的空間。以燃氣鍋爐為例，不同污染物限值的變化存在明顯差別，故不同污染物的具體排放限值應科學分析，區別對待。
2現有標準適宜性分析
大量實際測量數據表明，戶用生物質固體成型燃料采暖爐具排放的二氧化硫濃度一般低于GB 13271—2014中重點地區燃氣鍋爐的特別排放限值50mg·m-3，更遠低于燃煤鍋爐的特別排放限值200mg·m-3；汞及其化合物的排放量遠低于燃煤鍋爐的特別排放限值0.05%，與天然氣鍋爐的排放水平相當，可忽略不計；煙氣黑度基本不大于林格曼煙氣黑度1級。
實測結果還表明，戶用生物質固體成型燃料采暖爐具排放的主要問題在于氮氧化物的濃度較高。如燃用玉米秸稈成型燃料，現有高技術水準爐具的氮氧化物排放濃度一般都超過GB 13271—2014對燃煤鍋爐重點區域的排放要求（200mg·m-3），達不到前述2個爐具通用技術條件（即標準）要求的排放限值和GB 13271—2014對天然氣鍋爐要求的特別排放限值（150mg·m-3）。而北方冬季取暖重點控制大氣污染物排放的“2+26”通道及汾渭平原等城市，都要求農村民用生物質成型燃料爐具的氮氧化物排放濃度不超過150mg·m-3。對于大型生物質成型燃料鍋爐，除控制燃燒側的污染排放外，還可在煙氣側增加后處理措施，因此易滿足國標GB 13271—2014中對燃煤鍋爐的特別排放要求。
農村戶用小型爐具的使用場景要求其具備爐體結構簡單、成本低廉以及操作便捷等特征，綜合多因素后的產品在污染物排放控制性能上較大型爐具有所降低。目前按照比國家標準更高的排放標準來要求戶用生物質成型燃料采暖爐具，對從事其研發和制造的高校、研究院所和生產企業造成了一定困擾，不利于該行業的健康有序發展。
標準制定的目的是規范行業市場，引領技術創新，且應根據不同發展階段的現實需求來引導市場良性發展，NB/T 34006—2011《民用生物質固體成型燃料采暖爐具通用技術條件》和NB/T 34007—2012《生物質炊事采暖爐具通用技術條件》2個標準分別于2011和2012年根據當時的技術發展水平制定，對于現階段來說，當時的規定是否契合生物質燃料特性與現有技術水平，是否與實際狀況相符，如何能在執行中起到應有作用等問題，逐漸引發社會各界的思考。例如，標準并未直接規定大氣污染物排放限值對應排煙中的基準氧含量，但標準起草、發布部門和各級環保部門等標準執行者皆默認采用工業鍋爐大氣污染物排放標準中的規定：對燃煤鍋爐，基準氧（O2）含量（質量分數，下同）為9%（折算過量空氣系數為1.75，約1.8）；對燃油、燃氣鍋爐，基準氧含量是3.5%（折算過量空氣系數為1.2）。故戶用生物質成型燃料采暖爐具按照9%的基準氧含量，即過量空氣系數約為1.8進行折算。由于受生物質燃料與燃油、燃煤等差異性較大的影響，其能量釋放過程和原理亦不同，標準操作過程中采用相同的基準含氧量明顯放大了生物質氮氧化物排放的嚴重性。
如上所述，2個生物質固體成型燃料民用爐具標準所規定的大氣污染物排放指標不能滿足現階段的技術發展需求，主要存在幾點不足：
?。?）需考慮生物質燃料的多樣性。農作物秸稈自身的組分特點導致其氮含量較高，所以對生物質燃料燃燒時揮發分氮的重視不足。
（2）需考慮生物質燃料高含氧量特性。生物質燃料中含有1/3甚至更多的氧元素，極大地影響了燃燒時所需空氣量和煙氣排放量，導致其所需空氣量和煙氣量低于其他燃料，總排放量并不會很高。
?。?）需考慮戶用小型爐具的特殊性。民用生物質成型燃料爐具的結構、組件配置、使用操作方式都要求簡單實用，如其無法具備大型燃煤工業鍋爐的精準控制進風量等條件，因此直接套用燃煤工業鍋爐9%的基準氧含量是極其不合理的。
?。?）關注煙氣直觀濃度的同時，宜綜合考慮總排放量。生物質成型燃料爐具燃燒效率和熱效率都比對應的民用燃煤采暖爐具高很多，在獲得相同的有效采暖熱量時，生物質成型燃料的消耗量、煙氣產生總量、污染物排放總量比民用燃煤爐具低。因此，僅考慮煙氣中的污染物瞬時濃度，而缺乏對整個采暖季的污染物排放總量的考慮是不合理的。
基于上述幾點，有必要對2個民用爐具行業標準進行適當探討，給出更科學的建議，適應客觀現實需要，推進符合標準的生物質固體成型燃料民用采暖爐具的推廣應用，進而加快北方清潔化用能改造的步伐，助推中國農村能源革命與低碳之路進程。
3數據計算與分析
為了進一步闡明2個技術條件中污染物排放限值需要修訂的原因，筆者對山東、北京等清潔取暖市場或農戶常見的3種生物質顆粒（玉米秸稈、花生殼和木質顆粒）和2種煤（陜西無煙煤和安徽淮南Ⅲ類煙煤）的燃料組分、燃燒空氣量和煙氣量，以及它們在層燃爐中燃燒時的NOx排放濃度進行簡單的計算和分析。其中，工業分析采用德國Eltra公司生產的型號為Thermostep的熱重分析儀，元素分析采用意大利Eurovector公司生產的型號為EA3000的元素分析儀（碳、氫、氮、氧元素）和長沙開元儀器有限公司生產的型號為5E-AS3200B的測硫儀（硫元素）。每種燃料取3份樣品，于清華大學熱能系熱能工程實驗室進行檢測。這3種生物質顆粒和2種煤的工業分析和元素分析結果見表3。
由表3可知，秸稈顆粒氧含量是煤的5.4倍，2種燃料的氮含量接近。氧含量的顯著差別直接影響燃燒時的空氣供應量及燃燒后的煙氣排放量，從而影響污染物排放濃度。因此，有必要對空氣供應量、煙氣排放量以及排放濃度之間的關聯性進行理論分析。燃料完全燃燒的理論空氣量（采用空干基工業分析法）計算公式[8]42-46為
按照上述公式計算幾種燃料完全燃燒需要的理論空氣量和理論煙氣量，并計算α=1.8（煙氣基準氧含量為9%）條件下的實際空氣量和實際煙氣量，計算結果見表4。
由表4可知，生物質顆粒的含氧量高于煤。以玉米秸稈顆粒與無煙煤為例對比分析，前者完全燃燒所需理論空氣量與理論煙氣排放量比后者分別減少53%和43%，折算到目前排放標準所規定的基準氧含量9%時（α=1.8），玉米秸稈顆粒的煙氣排放量較無煙煤減少47%。
對于民用爐具和工業鍋爐，僅以NOx為例分析其燃燒生物質與煤2種類型燃料時的大氣污染物排放差別。固體燃料燃燒時NOx的生成過程十分復雜，難以準確定量描述和計算燃燒產物中NOx的濃度，故從定性角度開展分析。民用爐具和工業鍋爐皆為層燃方式，層燃爐燃燒的共同點是其燃燒溫度低于1400℃（生物質成型燃料燃燒時溫度不超過1100℃），只有當溫度達到1400℃時，熱力型NOx的生成才出現強烈反應；此外，生物質燃料揮發分中碳氫類組分少，缺乏快速型NOx的生成條件。綜上所述，可得到以下結論：無論工業鍋爐或民用爐具，從其相似的NOx生成規律可知，層燃爐燃燒時熱力型和快速型NOx的生成量可以忽略，故煙氣中NOx主要由燃料中的氮元素生成。
民用爐具和工業鍋爐運行時NOx的產生量可以按照原國家環境保護總局發布的環發[2003]64號文中的方法估算，具體計算公式[9]為
利用上式計算秸稈顆粒燃料和煤燃燒時的NOx排放量，再除以煙氣量，得到NOx排放濃度估算結果（表5）。
由表5可知，木質顆粒由于生物質原料本身的含氮量幾乎可以忽略，故氮氧化物排放量較低，其他2種生物質顆粒排放量較為接近。以玉米秸稈顆粒和煙煤為例，假設玉米秸稈顆粒燃料層燃爐和煙煤層燃爐的NOx轉化率相同（實際上可能不同，目前缺少這方面的詳細研究數據），而且2種燃料的氮含量接近，在同樣的基準氧濃度下，玉米秸稈顆粒煙氣中的NOx排放濃度明顯高于燃煤爐，這是由于生物質原料的氧含量遠大于煙煤所致，進而使生物質燃料完全燃燒所需理論空氣量、理論煙氣排放量以及在相同基準氧濃度下的煙氣量皆明顯小于煤完全燃燒。
因此，在燃料含氮量接近時，層燃爐燃燒生物質成型燃料和煤僅在1kg燃料產生相同體積煙氣時對它們的NOx排放濃度進行直接比較才是合理的。故生物質污染物排放濃度標準應采用不同于燃煤爐的折算氧濃度，以NB/T 34006—2011和NB/T 34007—2012這2個標準為例，生物質煙氣量與煤排煙量相等，即
以表5為例，當αb=2.9時，1kg玉米秸稈顆粒燃料和αc=1.8（基準氧含量9%）時1kg煙煤產生的煙氣量相同，即折算過量空氣系數為2.9左右較為合理，此時對應的基準氧含量約為13.8%，考慮到不同材料生物質燃料的氧含量跨度較大（約35%～45%），因此基準氧含量建議取值為13%～15%。
以環保標準異常嚴格的歐洲為例，由于當地具有豐富的森林資源，長期以來有鼓勵將生物質顆粒燃料用作冬季取暖的傳統，表6給出了其中部分國家的污染物排放限值情況。由表6可知，很多國家、地區的標準并沒有對NOx進行限定，只有德國將其限定成與中國目前標準相同的150mg·m-3，但其基準氧含量為10%或13%，比中國的爐具排放標準要求低。因此，在技術、經濟可達的范圍內，合理控制生物質爐具的污染排放是必要的，但貿然給生物質燃料打上“高污染”標簽，或者通過難以實現的環保要求變相限制其使用，不僅不利于生物質能源化的健康發展，還可能促進真正高污染的燃料使用（如散煤燃燒），對環境污染造成更大的影響。
同時值得注意的是，歐洲國家生物質能源以木質高品質原料為主，相關污染物排放比秸稈原料要低，我國是農業大國，參考國外標準的同時應注意我國生物質原料是以秸稈型為主的事實。另外民用散煤排放的污染物中P㎡.5和SO2對大氣環境影響較大，不完全燃燒產物如CO和多環芳烴等也需格外注意，而NOx等影響很小。國外的相關標準中對此也有所體現，多數標準對CO以及未燃燒的碳氫化合物（OGC）做了明確限定，卻沒有對NOx做出明確的限定。筆者認為，NOx不宜作為民用爐具標準關注的核心污染物，對NOx排放標準不宜過嚴，更不能僅因NOx一項未達到目前的嚴苛指標而影響戶用生物質成型燃料采暖爐的推廣使用。
4結論與建議
（1）NB/T 34006—2011和NB/T 34007—2012這2個標準沒有充分考慮生物質燃料的多樣性，特別是對農作物秸稈中氮元素的含量重視不夠，對生物質燃料燃燒時產生的揮發性NOx估計不足。2個標準沒有充分考慮生物質燃料中含有1/3甚至更多的氧元素，其對成型燃料燃燒時的空氣量和煙氣量影響很大，從而影響大氣污染物的排放濃度。
（2）2個標準規定生物質成型燃料民用爐具的大氣污染物折算基準氧含量與燃煤工業鍋爐相同（9%，對應的折算過量空氣系數α=1.8），存在一定的不合理性，故對生物質成型燃料民用爐具燃料氮的轉化率需要進一步研究。用含氮量接近的一種玉米秸稈顆粒燃料和一種煙煤為例，分析和估算層燃爐燃燒時的NOx排放濃度。結果表明，當顆粒燃料的折算過量空氣系數約2.9（基準氧含量13.8%）時，燃燒1kg顆粒燃料的煙氣量和燃燒1kg煤在折算過量空氣系數為1.8（基準氧含量9%）時的煙氣量相等。
?。?）建議對NB/T 34006—2011和NB/T 34007—2012標準進行適當修訂，將其中污染物折算濃度的基準氧含量9%（對應α=1.8）調整至13%～15%（對應α=2.6～3.5），以其平均值14%（對應α=3.0）為宜。這也是國內主流的民用生物質成型燃料爐具在實際運行中能達到的較好水平。從國家長遠的節能減排戰略和解決農作物秸稈野外焚燒等問題出發，進行修訂也有助于切實推動以生物質成型燃料為主的秸稈資源化利用行業的規模化發展。
（4）鑒于我國生物質原料以秸稈型為主，標準應充分考慮燃料的特性，不宜把NOx作為民用爐具標準關注的核心污染物，而忽視了生物質在低硫、碳中和等方面的清潔屬性。
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