周宇光^1，2，趙楠^1，2，李博文^1，2，巴哈爾古力·托哈尼亞孜^1，2，陳德穎^1，2，董仁杰^1，2

（1.中國農業大學工學院，北京100083；2.中國農業大學農業部可再生能源清潔化利用技術重點實驗室，北京100083）

　　摘要：通過對比生物質、燃煤及兩者1∶1的混合燃料在燃煤爐具中采暖及炊事兩種工況下的能量效率、排放特征及經濟性能，具體量化生物質混燃的技術優勢，為清潔低廉的生物質能在農村地區的推廣提供理論依據。結果顯示，在燃煤爐具中混合燃料燃燒時的能源效率明顯高于生物質燃料，且其采暖工況效率高于炊事工況效率近20%。相比于燃煤，混燃時主要氣態污染物SO₂、NO、NO₂綜合減排效果良好，PM2.5排放量遠低于國標限值（100mg/MJ）。其主要有機污染排放PAHs也能得到有效控制，尤其是高環PAHs在采暖和炊事工況下的減排率可分別達到34%和87%。而相比于生物質，混燃時CO排放較少，在采暖工況下減排率為46%，炊事工況則為61%。此外由于人為操作較少，采暖工況下的污染排放量較為穩定。混合燃料價格較低，單位能量價格為0.039元/MJ，而單位質量價格僅為燃煤的1/2，燃燒器可使用低成本燃煤爐具，避免使用價格昂貴的生物質專用爐具，可確保低收入家庭居民日常用能支出維持在經濟承受能力范圍之內。

　　0引言

　　我國煤炭年均消費量約30億t，其中有超過2億t用于滿足農村用能需求^[1－3]。散煤在農村能源結構中居主導地位，是日常炊事及冬季采暖的主要能源來源^[4]。燃煤主要在戶用爐具中進行燃燒釋能，而在我國近6000萬的戶用爐具中僅有23%是清潔爐具，傳統爐具效率低、排放高、燃料燃燒不充分，極易造成煤炭資源的浪費^[5]。此外，農村地區民用燃煤多為低品質散煤，其低效高排的燃燒造成每年近350萬人死于室內空氣污染，嚴重威脅居民健康^[6－8]。研究表明，每年有21.4%的PM2.5排放和63%的多環芳烴（PAHs）排放來自于戶用燃燒源[9]。因此有必要尋找廉價、清潔的可再生能源，逐步替代散煤。

　　生物質能以其戶用供能布局靈活、適應性強等特點，成為一種合適的替代能源。由國家發展和改革委等單位聯合發布的《北方地區冬季清潔取暖規劃（2017—2021年）》明確提出，在農村地區大力推進生物質成型燃料替代散燒煤。我國農作物秸稈年產量約9億t，薪柴年產量約為2億t，折合成標準煤為2～4億t^[10]。生物質經加工后可得到致密的成型燃料，易于點火，NO_x及SO₂排放量僅為燃煤的1/5和1/10^[11－14]。但同時存在熱值較低、燃燒過快、需頻繁加料、專用爐具價格昂貴等問題。生物質與煤在燃煤爐具中混合燃燒，不僅能延長燃燒時間、提高能源效率，更能降低經濟成本、減少硫排放，可作為居民用能選擇的新思路^[15]。

　　本文采用爐具燃燒-排放采樣-污染測定的實驗方法，對生物質、燃煤及其兩者的混合燃料進行燃燒-排放測試，對3類燃料的能源效率、主要污染物排放特征進行對比，此外考慮燃料、爐具成本及政策補貼等經濟因素，對生物質、燃煤及混合燃料的經濟性進行比較，充分分析生物質混燃在農村能源供應中推廣的可行性。

　　1材料與方法

　　1.1燃料與爐具

　　選取神木散煤（陜西神木能源發展有限公司）與秸稈-花生殼成型燃料（勝莊生物質顆粒有限公司）作為本次研究所用燃料，混燃所需燃料為兩者的1∶1（質量比）混合燃料。燃料的熱值（GB/T 21923—2008）、工業（GB/T 28731—2012）與元素分析（GB/T 28734—2012）在華北電力大學測定^[16－18]，結果如表1所示。研究所使用的爐具為炊事采暖型燃煤爐具（鴻慶能源設備有限公司），該爐具燃燒方式為直燃式，額定供熱量為12.3kW，主體由燃燒室、料斗、進料口、風門、煙囪、水箱等構成，如圖1所示。

　　1.2燃燒-排放實驗

　　本研究所涉及的燃料能量效率、燃燒排放等參數量化實驗在中國農業大學農業部可再生能源清潔化利用技術重點實驗室內測定，測試系統如圖2所示。燃燒過程中的燃料消耗量由電子臺秤實時測量并記錄。熱交換器由鍋及水循環系統組成，確保鍋內水溫低于水蒸發溫度，以避免隨水蒸氣散失而造成的能量損失。測試序列參考現有爐具測試方法^[19－20]，并作部分優化，如：冷啟動（點火）—45min高功率采暖—45min高功率炊事。燃燒過程中，燃料通過進料口批次添加，保證燃燒正常進行。在炊事階段相應增加人為操作頻率（加料、清灰、移動鍋具等）以模擬實際炊事過程。

　　稀釋系統由轉速恒定的風機鼓入環境空氣，經兩級過濾器去除CO₂和H2O后作為稀釋氣體用以冷卻稀釋煙氣。煙氣中主要氣體污染物，包括一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO₂）、一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO₂），由MGA5/VarioPlus型多氣體分析儀（德國MＲU公司）測定。細顆粒物（PM2.5）由DＲX8533型顆粒物監測儀（美國TSI公司）測定，有機污染物多環芳烴（PAHs）經石英纖維采樣膜采集后，采用GC-MS-7890A/5975C型氣相色譜-質譜儀定性及定量分析（美國Agilent Technologies公司）^[21]。稀釋前后CO₂濃度比值作為稀釋比代入排放計算。氣體及水流速度由流量計監測記錄，室內、水及煙氣溫度由溫度傳感器實時測定。

　　1.3計算

　　本次研究中，能量效率與排放參數的測定主要分為采暖和炊事兩個工況，每組實驗重復至少3次，以生物質燃料在專用爐具的燃燒效率與排放數據作為對照，計算公式為^[22]

　　2結果與分析

　　2.1能量效率

　　分別采用空氣加熱及燒水實驗模擬日常采暖及炊事過程，獲取兩種主要農村用能工況下的固體燃料能量效率，結果如表2所示。受燃料與爐具的匹配性限制，生物質燃料在燃煤爐具中燃燒時能量效率較低，僅有30%～60%（而在專用爐具中可達近90%），遠低于燃煤。而當生物質與煤在燃煤爐具中混合燃燒時，其能源效率有顯著提高，在采暖工況可達到68.10%，在炊事工況可達到54.50%，相比生物質燃料可提高50%～70%，高于GB/T 35564—2017中所規定的40%的優秀爐具熱效率^[23]。由于在炊事過程中有著相對頻繁的人為操作，會直接擾亂燃燒室中氣流場，改變燃燒過程中空燃比，造成燃燒不穩定、效率低等現象^[24]。因此3種固體燃料在采暖工況下的能量效率都明顯優于炊事工況，其中混燃時采暖效率比炊事效率高近20%。

　　2.2氣態污染

　　對本文所涉及的3種固體燃料燃燒排放的主要氣態污染物進行測定，結果如表2所示。在采暖及炊事兩種工況下，生物質燃料相對于燃煤具有良好的硫化物及氮氧化物減排性能，其單位有效能量下的SO₂、NO及NO₂排放量遠低于燃煤。這是由于生物質燃料中S和N元素較少，分別為0.09%和0.45%（表1），僅為煤的24%和48%^[25]。然而由于生物質燃料在燃煤爐具中燃燒效率較低，燃料中C元素無法得到充分燃燒，導致其CO排放較高，約為燃煤的3.7倍。而考慮到生物質專用爐具普及程度較低，單純生物質燃料在燃煤爐具中的燃燒并不利于大氣污染物的全方位控制。生物質與煤的混合燃燒，可在降低SO₂、NO及NO₂排放的同時，控制CO排放，使其低于國標所規定的CO排放量限值（8g/MJ），是一種合適的清潔用能方式[23]。相較于煤，混燃時SO₂、NO、NO₂在采暖階段的減排率分別為22%、67%、88%，而在炊事階段分別為11%、64%、63%。相較于生物質，混燃時CO在采暖階段的減排率為46%，而在炊事階段則為61%。此外，人為操作頻繁是造成炊事工況下氣態污染物排放量較高的主要原因。

　　2.3PM2.5排放

　　對生物質、煤及混合燃料在點火、采暖、炊事燃燒全過程的PM2.5排放特征進行實時測定，結果如圖3所示。點火及炊事工況PM2.5排放波動較大、排放量較高，而采暖工況排放相對穩定且排放量顯著降低。SO₂與NO_x是PM2.5的主要組成分，相較于燃煤，生物質燃料S、N元素含量低，SO₂、NO及NO₂排放低，盡管對PM2.5仍有貢獻，但遠低于煤（生物質專用爐具在采暖和炊事工況下的PM2.5平均排放量僅為2.86mg/MJ和3.15mg/MJ）。而生物質及煤混合燃料的PM排放量在采暖及炊事都明顯低于燃煤，減排率分別達18%和33%，是一種控制PM2.5排放的有效方法。工況下混燃時PM2.5在某些時間段的排放并不穩定，排放量有較高的峰值，這可能是由混合時生物質燃料與煤粒徑有所不同引起的燃料燃燒局部供氧不均勻所造成的，可以通過粒徑控制、均勻混合來避免。

　　2.4PAHs排放

　　美國環保署（EPA）報告優先控制的16種多環芳烴（PAHs）在采暖及炊事工況下的排放特征如圖4、5所示。生物質燃料揮發分較高，主要排放為低環PAHs（2、3環），相對分子質量小，多以氣態存在，危害較小，其在燃煤及專用爐具下燃燒的PAHs排放量均明顯小于燃煤^[9]。而高環PAHs（3環以上）受重力作用沉降于顆粒物中，易通過呼吸道進入人體，危害更大，多存于燃煤煙氣中^[26]。如圖4、5所示，生物質混燃可降低PAHs排放濃度，相比燃煤，其采暖和炊事工況下的PAHs減排率分別達52%和77%，尤其是高環PAHs排放可以得到有效控制，減排率分別達34%和87%。此外，采暖工況下燃料由于能量效率高、燃燒充分，PAHs排放低，且多為低環PAHs，而炊事工況燃燒效率較低、燃燒不穩定，導致PAHs排放量較高，主要以高環排放為主。

　　2.5經濟性分析

　　以京津冀地區主要散煤、生物質燃料、爐具市場價格及相關能源補貼政策為研究對象，對3種燃料的經濟適用性進行分析，結果如表3所示。生物質燃料由于氯和鉀含量較高，燃燒時易結渣、結焦，在傳統燃煤爐具中不僅無法實現自動燃燒，更無法實現高效低排的目的^[27]。而生物質專用爐具市場價格較高，盡管國家及地方政府對其購置有一定的財政補貼，但單臺價格仍高于燃煤爐具。盡管生物質燃料本身價格低廉（單位質量價格僅為燃煤的1/2），由于設備初始投入等原因，卻未能在農村等低收入地區大規模推廣。因此，生物質混合燃燒使用燃煤爐具作為燃燒器，不僅能降低爐具購置費用，更能有效控制燃料成本（單位能量價格與生物質相近），符合大部分農村家庭的能源消費需求。

　　3結論

　　（1）混合燃料能源效率較生物質燃料可提高50%～70%，高于國標中所規定的優秀爐具熱效率。

　　（2）采暖階段，SO₂、NO、NO₂、PM2.5、PAHs相比可燃煤的減排率達22%、67%、88%、18%、52%；而在炊事階段，減排率分別為11%、64%、63%、33%、77%；此外相較于生物質，混燃時CO在采暖階段的減排率為46%，而在炊事階段則為61%。

　　（3）混合燃料單位能量價格為0.039元/MJ，單位質量價格僅為燃煤的1/2，爐具使用成本較低。