北方冬季供热对大气环境的影响

摘要：我国北方地区在冬季采暖消耗了大量化石燃料，其燃烧产生的污染物是引起雾霾产生的重要原因之一。本文通过相关标准调研、热源污染物实际排放数据调研及现场实测等研究方法对热电联产、锅炉房及农村生物质和散煤的热源排放因子进行了整理分析，并将其分为直接排放和间接排放进行讨论。在此基础上，本文依据相关性分析将“2+26”城市群分为六个子城市群，并分别计算了各区域冬季供热的直接排放量。

关键词：清洁取暖;PM2.5;热电联产;“2+26”城市群;

1 背景

依据中国空气质量在线监测分析平台（真气网https://）整理得到“2+26”城市从2013年12月至2018年11月的月均PM2.5浓度数据。分析发现：在时间尺度上，PM2.5存在“U形”分布，即采暖季月均浓度明显高于非采暖季。可以认为，冬季采暖引起的化石燃料燃烧是恶化大气质量的重要因素之一。

目前，已有研究表明大气氧化驱动的二次转化是京津冀大气污染积累过程中爆发式增长的动力。此外，也有学者通过雾霾形成机理和实测数据证实NOX和VOC是导致大气氧化性增强，大量生成二次细颗粒，从而造成大气雾霾现象的元凶。鉴于NOX主要来自化石燃料的燃烧，而VOC排放源较为分散；所以控制NOX的排放是治理冬季雾霾切实可行的措施。

图1“2+26”城市月均PM2.5浓度

在讨论供热对大气污染影响时，最终落脚点应为单位采暖建筑面积对应的污染物排放，它与单位采暖建筑面积需热量和热源输出单位热量所排放的污染物这两个因素有关。其中单位采暖建筑面积需热量与当地气候条件和建筑保温性能相关，通过改善建筑围护结构性能、降低热负荷需求可以从源头减缓供热对大气环境造成的影响。另一方面，提高热源效率、减少燃料燃烧产生的污染物排放也是改善大气环境的重要手段。

下面针对采用不同燃料的供暖热源，分别讨论其单位供热量的污染物排放强度。

2 不同热源方式的污染物排放强度

2.1 污染物的直接排放与间接排放

2.1.1 直接排放与间接排放的定义

针对供热导致的污染物排放，本文将其分为直接排放和间接排放两类：其中直接排放即为热源的在地实际排放，间接排放为采用远地（长途输送）热源或热源用电进而在发电厂产生的排放。对于燃煤、燃气锅炉，它们全部属于当地直接排放；对于电驱动的供暖热源，它们全部属于间接排放。

然而对于热电联产，发电和产热都消耗燃料，也都产生污染物。而目前，热电厂之所以建在城市附近的目的就是供热，因此在城市的热电厂发电排放的污染也应计入供热排放中。对于当地的热电联产，由于全部燃料燃烧产生的污染物都在当地排放，所以都属于当地直接排放，由此导致单位供热量直接排放强度大；对于电厂坐落地与供热城市很远，热量经长途输送到城市，且两地污染物不相关的情况，其全部燃料在异地燃烧，因而其产生的污染物都属于间接排放。

把热电联产发电的排放都算入供热当地排放；同时由于发电，减少了外地电厂的排放，所以要增加一个负的发电间接排放。

2.1.2 直接排放与间接排放的计算

本文对热源排放因子的计算均落脚到单位供热量排放强度（单位g/GJ）。

(1）直接排放强度

不同热源的直接污染物排放强度可按照下式进行计算：

其中：

在地排放总量为一个采暖季内，NOX、SO2、粉尘等污染物在热源当地由于燃料燃烧产生的全部排放量，单位为g。

供热总量为一个采暖季内，热源向外供出的总热量，单位为GJ。

不同热源的单位供热量直接排放强度可以通过调研实测方法获取：本文对我国部分热电联产和锅炉房热源的实际供热量和污染物排放进行了调研，同时对农村生物质及散煤热源排放进行实测。

此外，本文还依据国家和地方的火电厂和锅炉排放相关标准对热源的排放强度进行折算。计算公式如（2）所示：

单位供热量污染物直接排放强度=单位供热量耗燃料量×单位燃料污染物排放量（2)

其中：

单位供热量耗燃料量可依据热源供热效率确定，单位为g（燃料）/GJ或Nm3/GJ;

单位燃料污染物排放量可依据国家或地方相关标准中的电厂排放限值、锅炉排放限值进行计算，单位为g（污染物）/g（燃料）或g（污染物）/Nm3。

(2）间接排放强度

热源由于用（发）电产生的污染物排放为间接排放，可按照下式进行计算。

其中对间接排放总量区分为用电热源（电热泵等）和发电热源（热电联产）进行讨论：

用电热源（电热泵等）单位供热量间接排放强度按（4）计算：

用电热源单位供热量污染物间接排放强度=单位供热量耗电量×单位发电耗燃料量×单位燃料排放量（4)

其中：

单位供热量耗电量为热源供出一份热量所消耗的电力，单位为kWh/GJ;

考虑到我国电力是以煤电为主，因此将热源用电按发电煤耗法折算到大型燃煤电厂，即单位发电耗燃料量取310gce/（kWh);

单位燃料排放量取值方法同上，单位为g（污染物）/gce。

发电热源（热电联产）单位供热量间接排放强度按（5）计算：

发电热源单位供热量污染物间接排放强度=-单位供热量发电量×单位发电耗燃料量×单位燃料排放量（5)

值得注意的是，热电联产在供出热量的同时供出了电量，因而其间接排放应为负值。其中：

单位供热量发电量为热电联产热源供出一份热量的同时所发出的电力，单位为kWh/GJ;

单位发电耗燃料量为热电联产热源的发电煤耗（气耗），单位为gce/（kWh）或Nm3/（kWh），在热源处按分摊法计算；

单位燃料排放量取值方法同上，单位为g（污染物）/gce或g（污染物）/Nm3。

2.2 燃煤热电联产排放

燃煤热电联产是目前北方城镇采暖的主力热源，本文对我国北方部分大型燃煤电厂（发电装机普遍在300MW以上）在2015至2017年NOX、SO2和烟尘的排放因子进行了调研，如图2至图4所示。可以看出，大型燃煤电厂单位烟气污染物排放因子整体呈现逐年下降的趋势，其中SO2和烟尘排放下降明显。

图2 实际部分大型燃煤热电厂NOX烟气排放因子

图3 实际部分大型燃煤热电厂SO2烟气排放因子

图4 实际部分大型燃煤热电厂烟尘烟气排放因子

同时，针对燃煤火电厂的污染物排放，现行的GB13223-2011《火电厂大气污染物排放标准》对一般地区和重点地区均有相应的排放限值；此外，国家发改委、能源局等十部委在《北方地区冬季清洁取暖规划（2017-2021年）》也对燃煤超低排放机组做出了明确要求。

针对所调研的大型燃煤热电厂，依据2.1节中的计算方法，计算它们在2017年的单位供热污染物直接排放和间接发电排放强度，结果如图5至图7所示。其中燃煤产生烟气量按10.4m3/kgce计算（基准含氧量6%，过量空气系数1.40）。

负的间接发电排放因子绝对值越高表明热电厂供出一份热量的同时发出了更多的电量，从而产生了更多的污染物。以NOX排放因子为例，间接发电排放因子绝对值小的热电厂其热电比普遍在0.8～1.2，排放因子绝对值高的热电厂其热电比普遍在0.2左右。

直接排放因子高，一方面是由于热电厂热电比较低，导致供出单位热量需要消耗更多燃料，从而排放更多污染物；另一方面是由于热电厂本身单位烟气中污染物浓度较高，即未做好尾气处理工作。

可以发现，热电联产单位供热直接污染物排放量与热电比紧密相关。热电比越低，即供出一份热量的同时需要发出更多的电量，那么也就需要消耗更多的燃料，因而其单位供热直接污染物排放强度要更高。目前，我国实际的燃煤热电联产电厂热电比一般在0.5～2.0之间。

图5 调研热电厂单位供热NOX排放因子

图6 调研热电厂单位供热SO2排放因子

图7 调研热电厂单位供热烟尘排放因子

2.3 燃煤锅炉房排放

燃煤锅炉的实测结果发现：对于20t/h以下的小型燃煤锅炉，由于较难上脱硫装置，其排放浓度普遍较高，单位排烟量的SO2排放可以是80t/h锅炉的2倍～3倍，颗粒物排放可以是后者的8倍～10倍；此外，小型锅炉效率较低，单位供热量排放的烟气量很大，其整体污染物排放要高于大型燃煤锅炉。近两年随着“蓝天保卫战”的打响，多地开展了清洁热源替代小型燃煤锅炉的行动，燃煤锅炉的整体排放情况得到改善。

同时，现行的GB13271-2014《锅炉大气污染物排放标准》中对一般地区（在用）和重点地区的燃煤锅炉排放限值做了相应规定。

2.4 燃气热电联产排放

近年来，天然气在我国电源结构和城市集中热源结构中呈现上涨趋势。对我国部分大型燃气轮机2017年的实际排放调研发现，烟气中NOX、SO2和烟尘的排放因子平均分别为14mg/m3、0.58mg/m3、0.87mg/m3烟气；均远小于国标限值，其中SO2排放因子能低至国标的十分之一。

针对燃气火电厂的污染物排放，现行的GB13223-2011《火电厂大气污染物排放标准》对天然气锅炉电源和天然气燃气轮机分别做出了规定。值得说明的是，在电厂内燃气轮机单位燃气的污染物排放因子会高于燃气锅炉，尤其是NOX的排放。这是因为燃气轮机的燃烧温度高于燃气锅炉，所以会生成更多的热力型氮氧化物。

2.5 燃气锅炉房排放

现行国标（GB13271-2014）对燃气锅炉的排放限值相对宽泛，近年来随着整体大气治理要求的不断提高，各地相继出台的污染物排放控制标准也在不断升级：目前北京执行的地标（DB11-139-2015）总体上已严于欧洲锅炉排放标准，接近最严格的美国南加州锅炉排放标准。国标一般地区（在用）与北京（新建）燃气锅炉在NOX排放上可有十余倍之差。为了实现低排放标准，燃气锅炉房一般需要采用多种节能减排技术措施。

图8 北京部分燃气锅炉NOX排放强度

针对所调研的北京燃气锅炉房排放，依据2.1节中的计算方法，计算它们在近年来的单位供热污染物直接排放强度，其中燃气锅炉房产生烟气量按13.0m3/Nm3（基准含氧量3.5%，过量空气系数1.20）计算，结果如图8至图9所示。发现北京实际燃气锅炉排放均能满足严格的地方标准。

2.6 生物质及散煤热源排放

近年来，生物质作为可再生资源日益受到人们的重视。尤其是在农村地区，利用木质颗粒或作物秸秆进行压块后替代散煤土暖气供暖逐渐成为我国北方农村地区清洁取暖的主要方式。本文对大型生物质锅炉和户用生物质采暖炉以及散煤土暖气的排放因子进行了实测，结果见表1。

图9 北京部分燃气锅炉SO2排放强度

表1 生物质及散煤热源污染物排放因子

注：表中PM2.5为燃料燃烧排放的一次细颗粒物，不包含污染物在大气中反应生成的二次污染物。以上排放因子均为我国北方农村的实测结果，其中NOX和SO2排放因子与燃料成分和采暖炉的燃烧情况有关，表1中秸秆压块单位热量排放因子高于秸秆颗粒，主要是因为二者实测地点不同，燃料成分和采暖炉燃烧情况有较大差异。

2.7 不同热源方式的比较

以下对不同热源方式的单位供热量污染物排放分为发/用电间接排放和当地直接排放进行计算汇总。

依据2.1节所述计算方法，对调研样本数目较多的热源方式按热量加权平均得到其实际排放强度。此外热电联产和锅炉房还分别依据相关排放标进行折算：其中燃煤热电联产（乏汽余热充分回收）、燃气轮机、燃气蒸汽联合循环、燃气蒸汽联合循环（回收部分烟气余热）的供热效率取为55%、40%、23%、35%，即供出1GJ热量分别需要62kgce燃料，71Nm3、124Nm3、82Nm3天然气（天然气热值取35MJ/Nm3）；燃煤热电比按1.6、发电煤耗按260gce/（kWh）（分摊法），上述燃气热电比分别按1.1、0.5、0.7，发电气耗分别按0.23Nm3/（kWh）、0.19 Nm3/（kWh）、0.18Nm3/（kWh）（分摊法）计算，求得单位供热量的直接排放和间接发电排放因子。燃煤锅炉和燃气锅炉供热效率分别按85%和90%计算，即供热1GJ热量需要40kgce燃料或31Nm3天然气。

从表2、表3中可以看出：

1）热电联产的单位供热直接排放强度高。这是因为其在供出热量的同时还需要燃烧更多的燃料用于发电。热电联产的热电比越低，单位热量对应的当地直接污染物排放量越高。但是对比大型燃煤热电联产和燃煤锅炉，依据国标重点地区排放限制折算出的NOX和烟尘/颗粒物的直接排放强度相差不大，这是因为《火电厂大气污染物排放标准》中对电厂锅炉的排放要求比《锅炉大气污染物排放标准》中对普通锅炉的排放要求更严格；这表明了输出相同热量，热电联产和燃煤锅炉的在地排放量相差不大，但热电联产同时还输出了电力，对节能和减少大区域污染物排放做出贡献。

表2 不同热源方式的单位供热量污染物排放因子（一）

注：(1)表中燃煤热电联产调研最优折算为考虑目前烟气处理水平较高的电厂充分发掘供热能力的情况下，其单位供热量的排放强度；烟气中污染物浓度取尾气处理水平前10%的电厂的调研平均值，供热效率取55%，热电比按1.6计算。(2)表中燃气蒸汽联合循环（深度回收余热）调研最优折算为考虑目前烟气处理水平较高的电厂充分发掘供热能力的情况下，其单位供热量的排放强度；深度回收余热是指利用基于降低热网回水温度的燃气蒸汽联合循环余热回收技术[9]，该技术能深度回收烟气中的冷凝潜热。烟气中污染物浓度取北京某烟气处理水平较高的燃气电厂的调研值，供热效率取50%，热电比按1.2计算。

表3 不同热源方式的单位供热量污染物排放因子（二）

注：表中细颗粒物比烟尘/颗粒物范围要小，PM10等颗粒物并未统计在内。

2）对比燃煤热电联产（调研最优折算）和燃气热电联产（调研最优折算），即在考虑了目前较好的烟气处理水平和热电厂余热充分发掘的前提下，我们发现燃气热电联产的单位供热NOX排放仍然高于燃煤热电联产，而NOX与雾霾的产生关系更密切。这一方面是因为燃气轮机燃烧温度高，会生成大量的热力型NOX；另一方面燃气热电联产的热电比较低：为了满足供热需求，供出相同的热量，燃气热电联产需要发出更多的电量，也即要消耗更多的燃料，排放更多的污染物，同时还加剧了我国电力过剩的情况。此外，由于燃气热电厂也在“以热定电”模式运行，丧失了对电力的调峰功能，并消耗了大量宝贵的天然气资源。因而天然气热电联产不适宜大规模推行。

3）天然气锅炉相比燃煤锅炉，单位供热污染物排放水平低，通过《锅炉大气污染物排放标准》（重点地区）折算的SO2排放因子中，前者约为后者的四分之一；但在与雾霾更为相关的NOX排放上，二者处于同一量级。此外，在环保要求更为严苛的北京，燃气锅炉的实际污染物排放可以做到很低。

4）地源热泵、空气源热泵由于从自然环境中取热，供暖用能强度较低，污染物排放（按照COP折电后）也较低。

5）散煤土暖气的单位供热直接污染物排放量要远高于燃煤热电厂和燃煤锅炉，其NOX直接排放因子约为燃煤锅炉（国标重点地区）的三倍，一次细颗粒物更是后者的数十倍。这一方面是散煤土暖气的供热效率低，意味着满足相同供热需求需要消耗更多的燃料；另一方面是散烧煤的尾气难以处理，因而其导致的污染物水平明显偏高。

6）大型生物质锅炉和户用生物质采暖炉可以显著降低SO2和细颗粒物的单位供热排放量；但由于生物质中含有一定量的氮元素，因而户用生物质采暖炉的NOX排放仍处于较高的水平。

3“2+26”城市群的供热直接排放量

3.1 京津冀大气污染传输通道的提出

目前，不少学者的研究表明雾霾的产生不仅和当地污染物排放有关，还会受到周围城市的影响。大气污染呈现明显的区域性特征，在经济发达、人口集中的城市群，大气污染不再局限于单个城市内，城市间大气污染变化过程呈现明显的同步性，区域性污染特征十分显著。

因此，在治理大气污染问题上，区域城市间应协同合力，做到联防联控。环保部在2016年6月20日发布的《京津冀大气污染防治强化措施（2016-2017）》（以下简称《强化措施》）中规定了20个传输通道城市（以下简称“2+18”城市）：北京，天津，河北省石家庄、唐山、保定、廊坊、沧州、衡水、邯郸、邢台，山东省济南、淄博、聊城、德州、滨州，河南省郑州、新乡、鹤壁、安阳、焦作。这是传输通道首次出现在大众视野，但其实区域联防联控在北京环保工作中早就被提出：在“2+18”城市提出之前，2015年就提出了“2+4”城市，这指的是京津冀核心区6市：北京+廊坊和保定、天津+唐山和沧州。

而后在2017年3月23日，环保部发布的《京津冀及周边地区2017年大气污染防治工作方案》（以下简称《工作方案》）确定实施范围为京津冀大气污染传输通道共计28个城市（以下简称“2+26”）。其中所提到的传输通道城市比此前还多了8个，分别是河南省濮阳、开封市，山东省济宁、菏泽市，山西省太原、阳泉、长治、晋城市。

3.2 传输通道城市PM2.5相关性分析

以下对《工作方案》中确定的28个城市的大气污染相关性进行分析：依据中国空气质量在线监测分析平台（真气网https://）整理得到28个城市从2013年12月至2018年11月的月均PM2.5数据，进一步计算出“2+26”城市之间的皮尔逊相关系数。

分析显示“2+26”城市在PM2.5污染上整体相关性较强，但在内部不同城市之间的相关性也存在差别。对于地理位置相近的城市，他们之间的相关性要明显高些。以北京为例，它与毗邻的廊坊（相关系数0.913）、唐山（相关系数0.872）和天津（相关系数0.867）高度正相关，但与地理位置相距较远的晋城（相关系数0.531）、济宁（相关系数0.589）和长治（相关系数0.620）相关程度较弱。

为更好地描述这一问题，我们对这28个城市进行聚类分析。按大气污染相关性强弱，可将28个城市细分到六个小城市群：A（北京、廊坊、天津、唐山、沧州），B（石家庄、保定、邢台、邯郸、安阳），C（衡水、德州、聊城、濮阳、菏泽），D（滨州、淄博、济南、济宁），E（开封、鹤壁、郑州、新乡、焦作），F（太原、阳泉、长治、晋城）。为保证城市群在地理上的连续性，将部分周边城市并入小城市群进行分析：其中晋中并入F城市群，泰安、莱芜并入D城市群。

将这些高相关性小城市群在地图上中标出，如图10所示。发现京广线沿线城市群（保定、石家庄、邢台、邯郸、安阳）和京九线沿线城市群（衡水、德州、聊城、菏泽）内部大气污染相关性较高。

图1 0“2+26”及部分周边城市大气污染聚类城市群

3.3 各区域冬季供热的直接排放量

按照前文的相关分析，把京津冀大气污染传输通道城市群分为六个小城市群，其中小城市群内部PM2.5污染相关关系较为紧密，假设污染影响仅发生在小城市群内部，不同小城市群之间相互影响小，可以忽略。对上述六个小城市群供热导致的直接排放进行相加，作为供热对这个区域的大气环境影响。

如图11所示，为2016年清洁供暖改造工程之前六个小城市群（行政区域）单位面积的各类污染物排放量，城市群内部柱形依次为NOX、SO2、城镇烟尘和农村细颗粒物排放情况，其中NOX、SO2总排放量由城镇和农村累加表示。同时，认为污染物扩散能力与空间成正比，因此用每个区域单位面积排放强度来评价这一地区的污染物排放强度。

可以看出，在NOX排放上，A城市群（北京、廊坊、天津、唐山、沧州）要远高于B、C、D、E城市群，略高于F城市群（太原、阳泉、长治、晋城、晋中）。其中，A城市群主要是城镇排放的NOX偏高，而F城市群则是农村供热排放偏高。在SO2排放上，同样是A城市群略高于F城市群，明显高于其他城市群。在城镇烟尘排放上，A城市群高于其他城市群，但总体排放强度不高。在农村细颗粒物排放上，六个城市群的单位面积排放量均偏高。

以下分别对各城市群进行分析：

A城市群（北京、廊坊、天津、唐山、沧州）：在该城市群中，由于北京、天津供热面积大，其热负荷需求也较高，因而其抬升了该城市群的单位土地面积污染物总排放量。因此，为改善该区域供热对大气环境的影响，应该一方面提高建筑围护结构性能降低热负荷需求，另一方面充分挖掘电厂和工业余热潜力用于供热，并在热源侧做好尾气处理工作，也就是执行更严格的排放标准。同时可以考虑从区域外（例如张家口地区）引热入京，替代域内热源，降低城内污染。此外，减少农村地区的细颗粒物和NOX排放也是工作重点。

B城市群（石家庄、保定、邢台、邯郸、安阳）：在该城市群中，农村供热产生的污染物已经高于城镇供热导致的直接污染物，应优先治理农村地区的细颗粒物和NOX排放，利用生物质压块颗粒或热风型空气源热泵等清洁方式替代散煤土暖气取暖，周边有条件的可以考虑采用电厂或工业余热进行供暖。

C城市群（衡水、德州、聊城、濮阳、菏泽）：该城市群与B城市群类似，应优先治理农村地区的细颗粒物和NOX排放。

D城市群（滨州、淄博、济南、济宁、泰安、莱芜）：该城市群农村细颗粒和NOX排放强度较高，应优先治理。

图11  小城市群冬季采暖形成的单位面积直接污染物排放

E城市群（开封、鹤壁、郑州、新乡、焦作）：该城市群农村供热产生的NOX和SO2约为城镇供热产生的3～4倍，同时农村细颗粒物也偏高，须优先重点治理农村供热污染物排放。

F城市群（太原、阳泉、长治、晋城、晋中）：该城市群与E城市群类似，应优先重点治理农村供热污染物排放。

4 清洁供热相关对策

对大气污染分析发现，在冬天采暖季各类污染物均呈现上涨趋势，明显高于非采暖季。除了气候条件对此产生的影响外，我国北方冬天采暖导致的污染物排放也是恶化大气质量的关键因素。如何降低供热产生的各类污染物排放总量应该是清洁供暖最终要解决的问题。在对不同热源方式单位供热量产生的污染物排放强度和“2+26”城市群供热产生的污染物分析的基础上，本文对清洁供热相关对策有以下几点建议：

1）改善建筑围护结构性能，从源侧降低热负荷需求；同时减少供热各环节的能源损失，“节约下的能源是最清洁的能源”。

2）充分挖掘热电联产供热潜力，尽可能多地对电厂余热进行回收，提高供给侧热电比，减少供热导致的直接污染物排放。避免新建燃气热电联产对城市进行供热，因为其热电比较低，供应相同热量产生的直接污染物排放强度高。对于已有燃气热电厂，应改为电力调峰模式，同时挖掘烟气余热潜力供热，提高热电比。

3）对于燃煤热电联产供热潜力不足的城市，可以考虑跨区域的长途输热。例如已完成的太原古交长距离输热工程，利用距离太原市约40km的古交兴能电厂向太原市供热，供热面积可达8000万m2，能有效降低太原市的污染。从污染物排放治理角度看，长输输热是非常有效的措施。

4）由于大气具有流动性，污染物可以从一个城市扩散到另一个城市；因而对大气污染的治理，区域城市间应协同合力、做到联防联控。分析发现北京的雾霾污染与天津、廊坊、唐山等地具有较强的相关性，因而把相邻城市高污染方式导致的排放量降下来起到的改善作用要比治理北京一些低排放污染源更为有效。

5）重点治理农村散煤燃烧导致的污染物排放，尤其是一次细颗粒物排放。对“2+26”城市群供热导致的污染物排放分析发现，农村供热产生的一次细颗粒物是目前很多城市的主要污染物。