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北方冬季最大污染源散煤采暖治理之策

2017年08月24日 13:29 来源于 财新网
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京津冀采暖季散煤污染排放的PM2.5在污染源中占50%以上,湿法脱硫排放的PM2.5在非采暖期的污染源中占50%左右。只要将这两个主要污染源排放的PM2.5大幅减下来,京津冀地区全年的PM2.5就可以下降50%左右
陶光远
陶光远,财新网“未来能源”专栏作家。1979年本科毕业于陕西机械学院(现西安理工大学)自动控制专业,1983年获清华大学系统工程专业硕士学位。后在中国科学院应用数学研究所工作,并在国家经委(现国家发改委)综合运输研究所兼职。1988年赴德国,在柏林工大进修学习,曾任在纽伦堡的德中经贸合作中心副总经理。2009年获“欧洲能源管理师”证书,并受“欧洲能源管理师”全球培训联盟委托担任中国培训项目负责人。2011年10月起,在德国能源署(dena)与中国可再生能源学会合作成立的中德可再生能源合作中心担任执行主任职务。

  【财新网】(专栏作家 陶光远)中国北方现在有两个最大的大气污染源。一个出现的时间要早一点儿,这就是中国北方冬季的户用燃煤采暖小煤炉或小锅炉(俗称土暖气,现在采暖以此为主)的燃煤烟气污染,简称为散煤采暖污染。另一个是新近出现的湿法脱硫产生的二次颗粒物——这是最近两三年伴随燃煤烟气污染治理才新出现的主要污染源。

  现在,京津冀采暖季大气中的PM2.5中,散煤排放占50%以上。湿法脱硫排放的PM2.5在非采暖期的污染源中占50%左右。因此,只要将这两个主要污染源排放的PM2.5大幅减下来,京津冀地区全年的PM2.5就可以下降50%左右。而这两个污染源都不难治理。

  散煤采暖污染,主要集中在中国北方的农村和城乡接合部;在各个城市的市区,也有或多或少的散煤采暖污染,比例差别很大。虽然这个污染源已经有上百年的历史,但是,污染排放量达到今天这样巨大的规模,却是最近十多年来的事情。

  发现这个污染源是京津冀乃至中国北方大部分地区冬季的主要污染源,经历了一个逐渐深化的过程。

  2013年10月8日 ,我在财新网发表的文章《北京治霾:能否少花钱多办事(之一)》中如是说:“被很多人忽视的一个重要燃煤污染源,就是农村住宅的采暖。人们都记得在上世纪80年代初,北京市内的平房普遍采用煤炉采暖。但那时北京的人均住房建筑面积不过6平方米左右,燃煤锅炉加上煤炉采暖的总面积不过1000多万平方米。而现在北京农村的人均住房建筑面积已达50平方米左右,上百万农村居民的住房达到数千万平方米。以前北京农村冬季的采暖主要还是在传承中国上千年烧炕的传统。北京前些年还推广过相对于传统的热炕更节能舒适的吊炕技术,即将炕的下部支撑悬空,减少炕里热量通过大地的散失。过去烧炕一年也就是几百公斤秸秆。但现在由于生活水平的提高,北京农村的家庭普遍将烧炕改为烧煤炉甚或改成户用微型燃煤锅炉采暖系统。这样,一个家庭一个冬天一般要烧3至5吨煤炭,北京农村几十万户传统住宅,一年就要烧200万吨左右的煤炭,这些煤炭燃烧的尾气未经任何处理就排放到大气中,烟气中的各种污染物浓度比燃煤电厂分别要高出几十倍甚至几百倍,其对大气的污染远远超过了原北京市区内燃煤采暖的影响。这也是虽然北京市内禁绝了燃煤,但北京的空气污染反而加重的重要原因之一。”

  2015年,我参与了一个中德合作大气污染治理可行性研究项目,并担任项目的总协调人。我的德国同事阿明·昆先生,是个环境工程师。我们在考察农村散煤采暖的炉具时,他告诉我,烟气中颗粒物的排放浓度至少为700毫克/立方米左右,甚至更高,譬如在夜晚燃煤炉/锅炉“封火”的状态下。我问他怎么知道这个颗粒物排放量的?他告诉我,从炽热的煤炭里出来的可燃性气体(主要成分是一氧化碳和煤炭中的挥发性有机物),要经过大约2秒钟时间的燃烧,才能基本燃烧完毕。中国燃煤炉具的炉膛太小了,煤焦油和一氧化碳在炉膛里的燃烧时间,连1秒钟都不到。根据欧洲有关机构的测试结果,这种情况下,如果是烧烟煤,以煤焦油为主的颗粒物的排放量非常高,一般平均会达到700毫克/立方米以上。

  同事的解释吓我一跳。因为整个河北省每年冬季烧三四千万吨散煤采暖,每烧一吨煤排放大约1万立方米的燃烧烟气,就算每立方米烟气中含有700毫克/立方米左右,总计可就是20多万吨啊!在采暖的5个月时间里,平均每个月要排放大约5万吨左右的颗粒物,其它所有污染源排放的颗粒物都加起来也没有这么多啊!燃烧散煤排放的二氧化硫就更多了,按重量计算,比起颗粒物至少翻一番,达到50万吨左右。

  之后,2015年12月1日,北京发生了一场局部地区PM2.5的浓度超过1000微克/立方米的严重雾霾天气。我写了一篇文章《北京发生世纪大霾的主要原因是什么?》指出:“现在北京的绝大多数小型燃煤采暖炉或锅炉,……煤炭中大量的焦油挥发出来未经燃烧扩散到大气中遇冷凝结,成为特别毒的液体颗粒物,加上固体颗粒物,有关测试表明,普通小型燃煤采暖炉或锅炉燃烧1公斤煤炭,要排出10克左右的颗粒物。于是北京的小型燃煤采暖炉或锅炉大霾期间每天平均燃烧约30公斤的煤炭,产生的颗粒物估计在每天300克左右。烧烟煤时产生的青烟是什么?就是挥发的焦油凝结后产生的液体颗粒物,那是特别毒的颗粒物。”

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2016年底,我从石家庄坐高速列车到北京,在北京西站下车时发现,高速列车浑身被煤焦油和烟尘的混合物覆盖,我用手巾纸在车厢上写了一个“和”字,手巾纸沾满了油腻的烟尘,这就是散煤燃烧产生的污染物。

  2016年1月10日北京市新闻媒体报道,“2016年1月9日,周六,北京市市委副书记、市长王安顺不发通知、不打招呼、不听汇报、不用陪同接待、直奔基层、直插现场,到朝阳区城乡结合部检查减煤换煤及散煤治理工作。他强调,要加大力度推进农村地区减煤换煤和清洁能源替代工作,严格依法治理劣质散煤,以坚定的治理决心回应人民群众对清洁空气的期待。”

  2016年2月18日中央的新闻媒体报道,“(环保部部长)陈吉宁说,今天采取的措施对冬季、特别是取暖及的针对性不强,效果不是特别好。陈吉宁指出,我们平时采取这些措施有助于全年污染物浓度的降低,但是对于冬季的效果不是特别理想,特别是供暖季散煤采暖的问题,一吨散煤燃烧排放的污染物强度是正常电厂排放的5-10倍。陈吉宁称,我们有针对性不强、不够的问题在里面。”

  2016年12月25日下午,在河北省政府新闻办举行的新闻发布会上,有关专家谈及当月河北遭遇数次大范围重污染天气时表示,民用散煤排放仍是京津冀及周边地区大范围重污染的主要成因。

  2017年3月,我在所写的文章《河北治霾随记(2)——散煤燃烧采暖为何成为重霾元凶》一文中,这样写道:

  “尽管散煤燃烧仅仅占河北省整个煤炭消耗的10%左右,但是由于其燃烧时污染物排放的浓度高,因此其排放的颗粒物和二氧化硫,占整个煤炭燃烧所排放的50%左右。考虑到这4000万吨煤是在冬季采暖期的大约5个月内燃烧的,因此,在这个期间,散煤燃烧排放的颗粒物和二氧化硫的排放量肯定都超过排放总量的50%。”

  “2015年至2016年这个冬天,北京市的散煤燃烧估计为400万吨左右,约为河北省的1/10,也肯定是北京市占总量超过50%的颗粒物和二氧化硫污染源。按单位国土面积计算,北京市平原上的散煤燃烧强度甚至高于河北省(北京市的平原土地面积不到7000平方公里,而河北省的平原土地面积超过10万平方公里)。”

  “人们已经注意到,在非采暖季,京津冀地区的空气质量有了明显的改善。但是在采暖季,空气质量几乎没有改善,甚至感觉在恶化。原因很尴尬,工业污染治理的力度还是很明显的,而散煤采暖污染的治理并不顺利。由于农村生活水平的提高,人们花得起钱买更多的煤了,为了提高室内的舒适度,燃烧了越来越多的散煤。很多家庭的室内气温,原来只有摄氏10~14度,现在则提高到了摄氏16度至20度。须要知道,室内温度每上升摄氏1度,燃煤消耗就会增加6%左右!因此,近年来,散煤燃烧采暖的煤耗一直在增长。”

  “但这个污染责任并不在烧散煤的家庭——这些家庭大部分是农民家庭。问题出在燃煤设备和燃烧的煤炭上。”

  但是,散煤污染一定就造成严重污染吗?我在这篇文章里与德国做了一个比较:“德国是一个能源资源以煤炭为主的国家,硬煤与褐煤的资源都非常丰富。德国历史上也是一个以散煤燃烧采暖为主的国家。在二次大战以前,大部分家庭采用小型燃煤炉/锅炉采暖(德国以前为什么不烧炕,对我来说至今是个谜),只有城市的少数家庭采用集中供暖。二次大战后,由于中东的廉价石油以及原苏联和北海大量天然气的发现和进口,德国的很多家庭才改为烧燃油或天然气采暖。但是,在原西德的大气污染基本得到治理的1992年,德国仍有约16%的家庭燃烧固体燃料,其中相当大的比例是燃烧用褐煤(烟/挥发份最大的煤)做的型煤,其余的燃烧生物质。需要指出的是,燃烧生物质只是在燃烧烟气中没有二氧化硫,而颗粒物的排放与燃煤不相上下。

  德国长期以来非常重视降低小型家用固体燃料采暖炉/锅炉的污染物排放,并提高燃烧效率。在上世纪七十年代,德国生产的小型家用固体燃料采暖炉/锅炉的燃烧烟气颗粒物排放量标准上限即为150毫克/立方米;到上世纪九十年代,这个标准的上限已经降到75毫克/立方米;从2015年1月1日起,更是降到了20(大功率)~40毫克(小功率)/立方米,这已经达到了燃煤发电厂的污染排放标准,只有现在京津冀地区普遍使用的家用小型燃煤炉/锅炉烟气中颗粒物排放浓度的5%左右。而德国燃烧的型煤一般用低硫褐煤作为原料,在燃烧时,型煤中的大部分硫会与钙镁离子结合生成硫酸盐,固化在煤灰中,使得烟气中的二氧化硫含量进一步降低,烟气中的二氧化硫含量不到京津冀地区散煤燃烧烟气中二氧化硫平均含量的10%。”

  散煤采暖污染,如何治理?

  从大的方面讲,有两条路可走:

  第一条路是采用清洁的替代能源,主要是电力和天然气,即所谓的煤改电和煤改气。现在很多地方都在推冬季采暖煤改气或煤改电。

  走第一条路的第一个问题是,无论是电还是天然气,能源价格都要比煤炭贵得多。按单位热值的价格计算,天然气和电力的价格都是燃煤的三到五倍。尽管这两种能源在使用时,调控性更好,因此能源的使用效率较高,热能用量较燃煤少。但是即使加上这个因素。煤改电和煤改气之后的能源成本比起燃煤,还是其2~3倍。除非对建筑物进行节能改造,降低建筑物的采暖能耗。否则,采暖费就是一笔巨大的负担,无论谁承担都是很困难的。以河北省为例,原来燃煤时的采暖费为每年200亿~300亿元(随煤价波动),每个家庭的支出为2000~3000元,如果全部改为电力或天然气,则每个家庭的采暖支出每年要增加2000~3000元,这对于人均可支配收入只有1万元出头儿的河北农村,肯定是一个很大的经济负担。

  走第一条路的第二个问题是,无论是煤改气还是煤改电,基础设施又是一笔巨大的支出。以北京市的煤改电为例,据报道,农村煤改电平均每户的最大用电功率按9kW计,这100万户就是900万千瓦;建设1kW的农村配电网要投入多少钱?1000多元有了吧?这样一户就是1万多元;热泵还要投钱,每户2万多元吧?这样算下来,北京的煤改电工程,估计需要200亿~300亿元。而且每年再按每千瓦时的电力0.1元给每户1万千瓦时的电力,按夜间电价格计,每千瓦时政府得补贴0.25元,总计每个采暖季每户要补助2500元。近百万户农民每年都得补20亿元左右。

  北京财政状况较好,投钱就是了。但河北省的经济水平比北京差得多了,而河北省的农村人口比例又远远高于北京,因此对于河北省政府和老百姓来说,若用煤改气或者煤改电采暖,钱着实是个事儿。

  再以河北省的煤改气为例,要给农村铺设天然气管网,还要购置户用天然气采暖锅炉,平均每户投资多少钱?每户5000元挡不住吧?

  走第一条路的第三个问题是,能源供应的安全性。能源供应的安全性,如果是用电,基本上还是有保障的;即便极寒好几天,通过电力价格的调节,鼓励电力采暖户在夜间用电低谷时段多用电、白天用电高峰时少用电,还是能够对付的。但是,煤改气就麻烦了。中国现在正在大力推广煤改气采暖,因此,采暖季的天然气用量远远大于非采暖季,而中国的季节性天然气储备库容量又不足够大。德国的天然气季节性储备可保全国3个月的用气,中国的天然气储备估计连3个星期都保证不了。过去采暖季天然气供应紧张时,小半个中国的天然气供应保北京;如果各地冬季采暖都煤改气,采暖季用天然气采暖的人多了,如何保证?而建设季节性储气库又是一笔巨大的投资,需要加在冬季采暖用天然气的成本上。

  如何解决这个问题呢?一个最简单的办法就是对建筑进行节能改造,减少采暖能耗的需求,因而节省采暖能耗的支出。

  在城镇建筑的节能领域,中国已经有了一些经验。德国能源署在2010年开始与中国住建部合作,在中国开展了被动式超级节能示范建筑的建设,分别在河北省建成了中国的第一座被动式超级节能住宅建筑——位于秦皇岛的“在水一方”和第一座被动式超级节能办公楼——位于石家庄的河北省建筑科学研究院的科技楼。被动式超级节能建筑的节能效果很好,可以节省90%以上的采暖能耗。

  但是这样的建筑改造水平对于农村人口来说费用太高了,估计每户要投入5万元以上。

  我的建议是在河北省农村住宅进行简易的节能改造,对屋顶、北墙和东西墙进行保温改造,可将建筑能耗减少50%左右。我大致核算了一下,这样的改造每户仅需要1万元出头儿,这样煤改气或煤改电后,每户农民每年的能耗支出就与原来燃煤不相上下了,用5年左右节省的采暖费支出就可回收改造的成本。问题是,每户进行建筑节能改造的这笔投入由谁来负担?由农村家庭完全自己负担肯定有困难。问题是,政府补贴多少?以即将与北京联合举办冬奥会的张家口市为例,近百万个农村家庭,简易建筑节能改造总共需要100多亿元,政府如何筹得这笔钱?中央政府能够承担这笔支出吗?

  第二条路就是走清洁燃煤的道路。这是一条事半功倍的道路。

  清洁燃煤中国也进行了很多的示范推广工作,但目前总体来说不太成功。原因很简单,将炉具和燃煤分开了。甚至在很多地方,连散煤污染治理的工作也分开了,燃煤归工业部门负责,炉具归农业/农村部门负责。

  于是,负责燃煤的部门大力推广清洁煤。所谓清洁煤,就是用无烟煤做的煤。后来也有的地方用半焦(或称低温焦或兰炭)。但由于炉具的燃烧技术水平很低,造成燃烧不充分,仍然排放大量的颗粒物。

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2017年2月北京郊区小燃煤炉燃烧无烟煤做的清洁型煤排放的烟气,肉眼看上去,烟气中的颗粒物含量应该是几百毫克/立方米。

  走清洁燃煤这条路其实有很成熟的国际经验可供借鉴。

  以德国为例。在二次大战以前,除了少数大城市的家庭靠集中供暖,家庭采暖基本上都是靠散煤。20世纪60年代以后,由于石油价格低廉,冬季才逐渐改为以燃油采暖为主。不过直至今日,仍有几十万个家庭冬季采用户用燃煤炉采暖。

  德国户用燃煤炉/锅炉的污染物排放量一直在下降。以烟气中的颗粒物为例,20世纪90年代之前,是150毫克/立方米(这个标准初始实施日期没有考证,好像是70年代中期,距今有40年了。考虑到今天中国大多数的冬季燃煤采暖炉/锅炉的烟气颗粒物排放为700毫克左右,比德国40年前的标准上限还高好几倍,估计与100多年前19世纪末威廉一世/俾斯麦时代的排放水平差不多),真是让人感到无奈;德国20世纪90年代中期开始实施颗粒物上限为75毫克/立方米的标准;从2015年1月1日起, 4kW~500kW的小型燃煤炉/锅炉的烟气颗粒物排放标准上限为20毫克(多个房间)~40毫克(单个房间)。

  前不久,国内某大型煤矿公司从德国进口了按照2015年德国最新排放标准制造的户用水暖锅炉和德国用褐煤制作的型煤,在北京某权威机构做了测试。测试结果与中国大多数的户用采暖小锅炉、中国自2016年7月1日起执行的燃煤锅炉排放标准比较如下:

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  这也就是说,没有任何烟气后处理工艺的德国户用小锅炉+德国褐煤做的型煤燃烧排放的烟气中的污染物居然比中国的工业和供暖燃煤锅炉采用了烟气后处理工艺后排放的烟气还要干净。我在上一篇文章中已述,中国大量燃煤锅炉(包括燃煤电厂的燃煤锅炉)的烟气经过湿法脱硫,烟气中的颗粒物经常超过100毫克/立方米。而我最近得到的消息是,中国最好的燃煤电厂,经过给湿法脱硫工艺打了足够的补丁之后,颗粒物总量也在20毫克/立方米左右。与上述的结果比较,这个事实真是让人哭笑不得。

  上述这家国内大型煤矿公司正在与德国的有关公司合作,积极开发超低污染排放且适合中国国情的户用小燃煤锅炉和相应的型煤,在即将到来的冬季可以进行示范应用。每台户用小燃煤锅炉的造价估计为3000~5000元(依功率不同有所差异)。使用这种新型的户用燃煤小锅炉,燃煤热效率可达80%左右,而现在京津冀地区大多数的户用燃煤小锅炉的燃煤热效率为35%~50%。因此使用这种新型的户用燃煤小锅炉估计能节省40%左右的燃煤。尽管煤炭经过加工,成本会增加20%~30%,但由于燃煤量的减少比例更高,因此,用户的燃煤成本不仅不会增加,反而可能还会减少。

  现在,京津冀采暖季散煤污染排放的PM2.5在污染源中占50%以上。而上一篇文章讨论的湿法脱硫排放的PM2.5在非采暖期的污染源中占50%左右。因此,只要将这两个主要污染源排放的PM2.5大幅减下来,京津冀地区全年的PM2.5就可以下降50%左右。而通过上一篇和这一篇的分析,可以发现,这两个污染源都不难治理。

  今年年初,有位政府高层环保官员问我:“京津冀的严重雾霾得到基本治理,你觉得需要多少年?”我当时犹豫了一下说:“估计至少需要五年的时间吧?”现在,我可以坚决地说:“五年!只需要五年!”因为现在两个最主要的污染源都找到了,治理的方法也是现成的;需要花的钱也不算太多。而我知道我们各级政府治霾的决心有多大!民众想不呼吸肮脏空气的心情有多么迫切!

  团结起来,从现在做起,到2022年冬奥会开幕之前,我们一定能治了那霾。

  作者为中德可再生能源合作中心(中国可再生能源学会与德国能源署合办)执行主任

责任编辑:张帆 | 版面编辑:张柘
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