刘君侠

(江汉大学 工业烟尘污染控制湖北省重点实验室，湖北 武汉 430056)

近年来，我国北方大范围雾霾天气日渐增多，在秋冬季节特别在冬季供暖季，雾霾更是困扰北方居民的一个主要问题。2017年中国生态环境状况公报显示，全国338个地级及以上城市中，99个城市环境空气质量达标的99个，超标的239个。全年共发生大气环境重污然天数达2311天次，其中严重污染达802天次。大气污染中以细颗粒物污染最为突出。其中以PM2.5为首要污染物的天数在重度及以上污染天数中占比达74.2%，以PM10为首要污染物的占比为20.4%。从全国范围来看，总体趋势是北方城市的PM2.5浓度高于南方；从季节分布来看，秋冬季的大气污染明显高于夏季的污染，有采暖需求的北方城市明显高于南方城市。这应该与我国的能源结构“富煤贫油少气”这一特点有关，有资料显示，我国天然气资源探明储量为75亿t标准煤，有效利用可以产生的生物质能源总和可以达到8.5亿t标准煤[1-2]。2017年一次能源生产总量35.9亿t标准煤，消耗原煤35.2亿t。煤炭消费量占能源消费总量的60.4%。秋冬季节是我国北方的采暖季，受能源结构影响，北方尤其是北方农村地区采暖主要依靠煤炭，煤炭在整个能源结构中占有很大比例，其中污染排放指数高的烟煤数量丰富，烟煤占82%；优质煤碳资源相对较少，由此导致秋冬季北方空气中颗粒物浓度明显高于南方城市。

1 我国民用散煤使用现状

目前对散煤并没有具体的定义，但一般来讲，散煤主要是指农村生产生活用煤和城镇生活用煤等，包括家庭取暖和餐饮用煤等。受地区经济发展不均衡的影响，目前全国约1/3的省份消费了全国70%的民用散煤。据统计，我国散烧煤消费主要集中在居民生活用煤，包括炊事取暖，城区小锅炉采暖，小型工业锅炉等领域，每年消费达7～8亿t。北方地区冬季，散煤用量比较集在农村地区。其中河北省农村居民每年消费煤炭约3700万t，其中主要用于取暖，达2100万t，城市散煤用户每年煤炭消费量约370万t。受我国能源结构影响，煤炭是北方农村主要的生活用能来源，占生活能源消耗的55%，也是当前燃煤污染的重要来源。因此散煤治理成为治污降霾的重点。由于农村地处偏僻、远离城区，农户在采暖季采用的普遍方法是燃烧散煤起火后再添加型煤，采暖炉接近95% 都不具备除尘、脱硫功能。同时受煤泥和原煤粒度大小不均匀和炉具燃烧条件限制，炉内供氧不均匀，燃烧不充分，造成灰渣含碳量高，热量损失大，污染物排放量大。胡秀峰等考察了20个行政村的5134家农户，采暖季共用散煤7374.05 t，型煤700.05 t。从统计结果上看土炕农户冬季采暖用散煤占91.33%，型煤占8.67%，无用电和用气采暖的农户。2014年中国农村居民生活用煤炭消费标煤6585.7万吨，平均每户煤炭消费量为347.2 kg标煤，其中供暖用煤占比96.9%，烹饪用煤占比3.1%。京津冀及周边地区的民用散煤数量巨大。由于散煤颗粒物排放量大于型煤和清洁能源排放，其中单位PM2.5排放量在颗粒物排放中占比最大，因此这些地区的散煤每年排放的大量的PM2.5成为这些地区雾霾天气的重要来源[3-9]。

2 民用散煤污染排放现状

PM2.5和SO2是散煤燃烧中污染物排放占比最大的两种污染物，研究表明农村散煤的平均排放系数大约是电煤排放的8～10倍。农村生活散煤占煤炭消费总量4.70%，其中PM2.5的排放量高达74.90万t，电煤消费占煤炭总消费量的43.20%，所产生的PM2.5排放量约为88.57万t，由此可见，散煤燃烧是煤炭燃烧污染物排放的关键控制因素。另一方面从能源燃烧排放结构可以看出，固定燃烧源煤炭消耗量占总工业能源消耗的87.14%，排放以煤炭燃烧排放为主，其中PM10、PM2.5、SO2、黑碳、有机碳和VOCs排放量占比均超过95%[10]。

与固定燃烧源燃烧相比，民用散煤燃烧条件差，多数没有有效的排放控制措施，李雪玉等对我国农村生活用煤燃烧研究发现，与火电燃煤相比，1t散煤燃烧排放的污染物量是火电燃煤排放的5～10倍，对大气污染的贡献率高达50%左右。另一方面，散煤燃烧大多没有排放控制，多采用直燃直排，排放面广，排放高度低，对人体健康的影响更为直接，也就是说，散煤燃烧对于污染物排放和人体健康危害的贡献更大更直接[11]。

2.1 颗粒物污染排放

燃煤是PM2.5排放的主要来源，由于散煤特别是民用散煤燃烧条件差，无相应的控制措施，研究表明燃煤排放的颗粒污染物对一次PM2.5和二次PM2.5贡献率分别达到为63%和56%，其中散煤燃烧排放大约占燃煤PM2.5总排放量近一半。张众志对京津冀地区民用散煤燃烧研究发现，散煤燃烧排放对该区域PM2.5月均浓度的贡献为46%；贡献了北京PM2.5月均浓度的49%。在重污染时期，京律冀民用散煤燃烧对整个区域的PM2.5月均浓度贡献在30%～57%[12]。李雪玉等解析了京津冀地区PM2.5的来源，发现京津冀地区冬季PM2.5来源主要为民用源，其他季节主要是工业源主导，PM2.5平均浓度在冬季明显高于其它季节。由此推断冬季采暖期的燃煤污染是造成京津冀地区冬季PM2.5浓度剧增、雾霾严重的尖峰负荷。霍沫霖研究发现散煤的单位污染排放强度约为电煤的8倍。楼晟荣对中小燃煤锅炉PM2.5排放特征研究发现，中小燃煤锅炉烟气PM2.5质量排放因子平均为(0.123±0.061) kg·t-1，锅炉的燃烧负荷越低，PM2.5排放将随之降低[13]。徐媛对供热锅炉颗粒物排放特征进行研究发现，燃煤层燃煤锅炉颗粒物排放中PM2.5占PM10的93%[14]。贺泓对我国的雾霾成因研究表明，在成霾过程中二次颗粒物所占比例一般高于一次颗粒物，在我国中东部地区由颗粒物引起的雾霾天气中二次源贡献率高达60%[15]。胡玉研究了十堰市大气污染颗粒物的源解析，结果表明二次粒子、燃煤源和机动车尾气是十堰市城区冬季大气PM2.5的主要来源，贡献率分别为51.2%、10.9%和10.1%[16]。

杨国威等对民用燃煤排放颗粒物中碳组分排放因子进行研究，结果表明：颗粒物的排放因子块煤燃烧高于蜂窝煤燃烧，民用煤燃烧排放的颗粒物及其载带的碳组分集中在细颗粒物上[17]。戚涛等对民用散煤燃烧颗粒物形貌和元素组成进行分析，结果表明，民用散煤燃烧排放的颗粒物中81.0%颗粒分布在<1 μm粒径范围内，颗粒物中炭质颗粒占排放颗粒总数的77.2%[18]。对黑炭排放因子研究表明，民用煤炉燃烧排放因子比工业锅炉高出3个数量级，是黑炭的主要排放源；另外，民用燃煤废气中一氧化碳的排放量也明显高于工业用煤，其污染物排放因子是工业燃煤锅炉的100倍[19]。

2.2 气体污染物排放

潘涛等的研究表明，与工业锅炉相比，采暖季民用散煤燃烧的二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)、PM10、PM2.5日排放强度分别约为电力行业的7、1.2、8和5倍[20]。杨婷对市场上常见的民用炉具和蜂窝煤研究发现，不同燃烧状态下民用散煤的气体污染物和颗粒污染物排放因子有所不同。在充分燃烧状态下，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别达0.17 kg/t和3×10-3kg/t。结合京津冀区域采暖季民用散煤的使用量，推算出京津冀区民用燃煤采暖季向大气中直接排放的NOx和PM2.5分别达243.29 t和4.29 t，京津冀区域民用散烧煤排放生成的二次颗粒物约为5.72 t[21]。颜丙磊对京津冀地区民用煤排放研究发现，主要排放物以SO2、NOx、PM10、PM2.5、一氧化碳(CO)、挥发性有机物(VOCs)6种为主，吨煤污染物排放量差异较大[22]。梁云平用北京远郊农村居民常用的蜂窝煤、煤球、烟煤散煤为实验用煤，研究不同煤种燃烧排放因子，结果显示NOx和CO的排放顺序关系为：烟煤>煤球>蜂窝煤；SO2的排放因子顺序为：煤球>烟煤>蜂窝煤[23]。郝国朝等对陕西省民用散煤燃烧气态污染物排放因子发现，农村生活领域散煤燃烧排放三种气态污染物主要为NOx、CO和SO2，排放量占陕西省生活领域散煤排放总量近80%。在充分燃烧条件下，NOx排放因子大小顺序为：烟煤>蜂窝煤>无烟煤，排放因子大小顺序为：烟煤>无烟煤>蜂窝煤[24]。

2.3 挥发性有机物及重金属排放

黑碳和多环芳烃都是燃烧产生的污染物，由于黑碳和多环芳烃对环境及生态系统具有不同的影响途径和危害，多年来一直受到环境研究者的极大重视。多名学者研究发现我国49.8%和62%的黑碳和多环芳烃来自于居民生活燃料燃烧。梁云平对北京市民用燃煤烟气中气态污染物排放特征研究发现，不同燃烧阶段和不同的燃烧条件下，民用燃煤排放的挥发性有机物排放因子区别明显，不同燃烧阶段VOCs排放因子在点火阶段最高，封火阶段次之，在压煤燃烧模式下排放的挥发性有机物远大于燃烧模式下。点火阶段烟煤燃烧排放的VOCs浓度最高，为32.8 mg·m-3；旺火燃烧阶段排放VOCs浓度最低；在烟气排放的挥发性有机物中苯系物所占比例较大。家用散煤燃烧过程中释放的单环芳烃浓度远超过燃煤电站和生物质燃烧释放的浓度，其中主要是苯和甲苯，两者平均浓度分别为672.3 μg·m-3和1631.3 μg·m-3。煤炭燃烧排放的重金属约75%～90%分布在可吸入颗粒物中，颗粒物越小，重金属含量越高。刘海彪等研究结果表明，蜂窝煤燃烧排放PM2.5中，Pb、Zn、As和Cu的排放因子较高，其中Sb和Cd的实测排放因子是块煤的37和19倍[25]。燃煤排放的重金属污染还有汞的污染。大气汞污染的主要的排放源包括燃煤排放、有色金属冶炼排放、水泥熟料生产等，排放比例分别占总人为源大气汞排放的47%、22%和18%。惠霂霖等研究了中国燃煤部门大气汞排放的协同控制效果并预测到2020年，我国燃煤部门大气汞排放量将达103.2～129.5 t；到2030年达到50.9～81.9 t之间[26]。

3 散煤污染治理现状及对策

2013年“大气十条”发布以来雾霾污染防治工作受到广泛关注，民用散煤燃烧是雾霾形成的重要原因之一，随着燃烧污染治理的不断推进，强化散煤燃烧管控也受到各级政府及相关部门的重视，各种管控对策及治理措施相应出台，大气污染治理取得了一定的成效。据统计，党的十八大以来我国煤炭消费占能源总消费比重下降了8.1%，清洁能源消费了6.3%。据估算，2017年我国散煤消费量减少约6500万t，其中民用散煤减少约1800万t。但我国富煤缺油少气的能源现状结构特点，决定了能源结构的优化不可能是“去煤炭化”。采暖期散煤燃烧虽然是北方空气的重要污染源，但考虑到各地区的发展不平衡，散煤采暖的地区，绝大部分是在农村地区。这些地区基本上没有燃气网，配电网的功率也很小，也不能强制实行一刀切的取消散煤的对策。针对不同地区，可以选择无烟煤或清洁能源替代烟煤等劣质散煤，宜气则气，宜电则电。有资料显示，通过“煤改电”，京津冀地区2016～2017年减少燃煤约328.8万t，相应SO2排放减少1.71万t，NOx排放减少0.53万t，PM10排放减少4.44万t、一次PM2.5排放减少3.55万t[27]。杜晓林等研究了“煤改气”和“煤改电”政策的经济效益和环境效益，结果显示，在经济效益方面，京津冀地区用天然气替代燃煤分别需付出3.76、3.96和3.96倍于燃煤价格的成本，以电力替代燃煤分别需付出2.42、2.42和2.58倍于燃煤价格的成本[28]，但由此可以有效地减少燃煤对大气污染的影响。此外，在制定煤改气的方案时还要考虑天然气燃烧排放对“雾霾”天气的影响和天然气全生命周期的碳排放问题。

因此结合我国的能源结构特点和能源消费特点，因地制宜，多措并举，选择合适的经济技术路线，实施散煤清洁燃烧，减少散煤污染，才是散煤治理行之有效的解决办法。在条件成熟的地区采用集中供热，在经济条件较好的地区，采用热风型、热水型热泵供暖，积极推进秸秆制气等农业废弃物资源化利用技术，大力推广再生能源利用和太阳能采暖系统。在非“禁煤区”内，逐步减少劣质煤，烟煤的使用，优先使用低挥发分、低灰、低硫的优质煤炭和洁净型煤。另一方面，要加强政策扶持，提高居民使用清洁能源的意识，内因和外因的共同努力才是散煤治理的有效保证。