近年来，我国大气污染治理工作取得了显著成效,以2017年为例,京津冀及周边地区70个城市PM2.5?PM10?SO2 与 NO2 的年均质量浓度分别为55?102?28?39μg/m3。
和2013 年相比分别下降了37.2%、25.0%、51.1% 与4.0%，重污染天数也明显减少，区域空气质量整体呈改善趋势。
但是,京津冀及周边地区目前仍然是我国大气污染最重的区域，尤其是秋冬天，均有重污染天气出现,其中燃煤仍然是主要原因之一。
自2014 年以来，煤电行业已逐步实施最低排放改造,排放的大气污染物得到高效控制,排放量进一步降低，电煤消耗已非大气污染的决定因素因素，农村散烧煤大气污染物排放问题显得更加突出。
推进北方地区清洁取暖已成为近年来大气污染防治的主要措施之一，国家发展改革委等十部委联合印发了《北方地区冬天清洁取暖规划(2017—2021 年)》等相关文件。
地方政府逐步大力推进“煤改电”“煤改气”等工作,但由于该规划本身以指南性为主，在落实过程中部分地方政府不能科学有效地实施,清洁取暖效果欠佳，甚至造成资源浪费与影响居民正常取暖。
国产外现有的民用煤取暖相关研究主要集中在燃煤燃烧大气污染物排放特点方面。
因此,本研究以实测为基础，解析研究了型煤环保炉具、天然气壁挂炉、蓄热式电取暖与空气源热泵４种清洁取暖方法相较于散煤传统炉具的大气污染物减排效果。
研究结果对各地根据实际情况制定合理的“宜电则电、宜气则气、宜煤则煤”清洁取暖措施，实现环境、经济效益的最大化，具有重要参考意义。
1.1燃烧实验及大气污染物排放因子测试
测试平台
燃烧实验及监测平台按照《民用煤大气污染物排放清单编制技术指导(试行)》附录B标准设计。
管道按照《固定污染源排气中颗粒物测定和气态污染物采样方式》(GB/T16157—1996)标准设计,实验装置见图1。
燃烧实验过程中总悬浮颗粒物(TSP)?PM2.5排放分别按照GB/T16157—1996与《固定污染源排放烟气中PM10/PM2.5质量浓度的测定低浓度下利用撞击器进行测量》（ISO23210—2009）的标准采样、称重，气态污染物排放按《环境空气质量要求》(GB3095—2012)标准进行连续在线监测。
1.2 燃料与炉具
本次实验所用散煤与型煤为北方地区居民家中实际冬天取暖用煤，煤样的灰分?挥发分、全硫、发热量等指标测定结果见表1。
选用的传统炉具?环保炉具均为市场常见品牌.
运用选定的实验煤样与炉具开展燃烧实验及大气污染物的监测?解析,实验主要过程如下:
完成大气污染物在线监测仪器标定?采样膜称重?燃烧实验平台测试等工作。在实验炉中依次加入一定量的实验煤样，用丙烷引燃。
燃烧过程和北方地区居民冬天取暖一致, 每天包括加煤?旺火?封火3个阶段,燃烧实验持续48h，之后让火自然熄灭。
开启烟气在线监测仪器,在整个燃烧过程中,对排放的SO2?NOx?CO等气态污染物进行连续监测。
在加煤?旺火?封火等不同阶段,采集 TSP? PM2.5样品,记录采样时间与采样状态,待后续称重解析。
运用精度为0.01kg的电子秤对添加的实验煤样称重并记录。实验过程同时监测稀释空气的环境背景浓度值。
1.3排放因子计算
对采集的样品称重后,由式(1)计算TSP?PM2.5的排放因子。
式中:EPMi为颗粒物i的排放因子,kg/t；Δmi为滤筒 或采样膜收集的颗粒物质量,g；Q 为实验过程烟气流量,m3/h；t为实验时间,h；V 为采集颗粒物过程中的采气量,L；
M为实验燃煤量,kg.SO2?NOx?CO排放浓度运用在线监测仪器监测,对3个燃烧阶段分别监测?计算,具体见式(2):
式中:Ep为气态污染物p的排放因子,kg/t；Qj为j燃烧阶段(加煤?旺火?封火)的烟气流量,m3/h；
tj为j燃烧阶段的时间,h；cpj为j 燃烧阶段气态污染物p的质量浓度,mg/m3。
1.4 清洁取暖方法大气污染物削减计算
选取北京地区某典型取暖用户,分别计算散煤传统炉具?型煤环保炉具?天然气壁挂炉?蓄热式电取暖?空气源热泵5种取暖方法1个取暖季的煤?气?电消耗量,以及相应的大气污染物排放量?清洁取暖方法大气污染物削减率。
该用户取暖面积为100m2,1个取暖季取暖时间为120d,平均取暖热负荷为 43W/(m2d),取暖热量为4.458×104 MJ。
1.5煤?气?电消耗量
煤?气?电的消耗量运用等热值法计算,具体公式见式(3)至式(7)。
式中:Br?Bb分别为散煤?型煤的消耗量,t;Bg为天然气消耗量,m3;D为1个取暖季 的取暖热量, MJ;η1?η2?η3?η4分别为传统炉具与环保炉具?天然气壁挂炉?蓄 热式电取暖?空气源热泵的热效率,相应的值分别为0.4?0.85?0.85?3，
Q1ar,net?Q2ar,net分别为散煤?型煤的低位发热量, MJ/kg,取本次实验煤样测试结果;
Q3ar,net为天然气的低位发热量,MJ/m3,取值为 38.1 MJ/m3[12]; Be1?Be2分别为蓄热式电取暖?空气源热泵取暖电消耗量,kW h;K为热电转换系数, MJ/(kWh),取值为3.6 MJ/(kWh)。
1.6大气污染物排放量
大气污染物排放量运用排放因子法(散煤?型 煤?天然气)或排放绩效法(电)计算，散煤传统炉具?型煤环保炉具大气污染物排放因子采用本次实验数据，天然气壁挂炉 TSP?PM2.5?SO2?NOx?CO的排放因子分别取0.3?0.3?0.63?1.84?0.006g/m3。
蓄热式电取暖与空气源热泵TSP?PM2.5?SO2? NOx?CO排放绩效分别取 6.5?3.38?40?100?660 mg/(kWh)。
1.7大气污染物削减率
以散煤传统炉具大气污染物排放量为基准,计算其余4种清洁取暖方法的大气污染物削减率。
2.1 大气污染排放因子
散大煤气传污统染炉物具排?放型因煤子环保炉具大气污染物排放因子实验结果见表2。
散煤传统炉具的TSP?PM2.5排放因子分别为7.77?6.91kg/t,型煤环保炉具的 TSP?PM2.5排放因子分别为0.38?0.26kg/t,后者是前者的5%左右。
部分学者运用类似测试平台,得到散煤传统炉具的PM2.5排放因子为3.58~11 kg/t,本次实验结果大致属于该范围的中值;
李 庆等通过实验得出散煤环保炉具的PM2.5排放因子为0.6kg/t左右,无烟煤环保炉具的PM2.5排放因子为(0.16±0.10)kg/t,是散煤传统炉具的98%左右。
相同燃烧条件下,TSP?PM2.5的排放因子和燃煤的挥发分呈正相关关系。
型煤挥发分介于散煤与无烟煤之间,本实验测得的排放因子也在上述两者区间内。由此可见,本次实验得到型煤环保炉具的颗粒物排放因子与减排效果和相关研究结果一致。
型煤的挥发分低,TSP?PM2.5的排放因子小;环保炉具采用反式燃烧方法,可以延长烟气在炉膛中的停留时间,使挥发分充分燃烧,有效降低PM2.5排放强度。
型煤环保炉具取暖具有显著的TSP?PM2.5减排效果。
散煤传统炉具的SO2?NOx?CO 排放因子分别为1.19?1.37?78.35kg/t,型煤环保炉具的SO2? NOx?CO排放因子分别为1.10?0.76?116.85kg/t。
气态污染物排放因子因燃煤品质?燃烧方法的不同变化较大,SO2 排放因子和燃煤的硫分及硫存在的形态?燃烧温度等相关。
NOx 排放因子主要和燃烧温度或炉膛温度?燃烧方法等相关,CO排放因子和燃烧方法?燃烧效率相关。从本次测试结果来看,传统炉具的 NOx?SO2排放因子比较更大,环保炉具燃烧效率比传统炉具低,CO的排放因子更大。
散煤传统炉具的TSP?PM2.5排放因子分别为7.77?6.91kg/t,型煤环保炉具的 TSP?PM2.5排放 因子分别为 0.38?0.26kg/t,后者是前者的 5%左右。
散煤传统炉具的SO2?NOx?CO排放因子分别为1.19?1.37?78.35kg/t,型煤环保炉具的 SO2? NOx?CO 排放因子分别为1.10?0.76?116.85kg/t；冬天采用型煤环保炉具取暖,有显著的TSP?PM2.5减排效果。
