散煤采暖竟成河北重霾元凶

【财新网】专栏作家 陶光远（中德可再生能源合作中心履行主任）2015年12月1日，北京市产生了自有PM2.5监测值公布以来最严重的一次大气污染，局部地区大气中PM2.5的浓度到达了1000微克/立方米以上，能见度只有几十米。以后，我发表了一篇文章《别分析了！世纪大霾的主要缘故就是它！》，指出京津冀地区的各省市，冬天大气污染的主要污染源是散煤焚烧采暖。
在我们的工作中，让大家最为诧异的发现就是：河北省大的大气污染源不是工业污染源，而是农村住宅的采暖小燃煤炉/锅炉——即燃煤土暖气，而这项污染物，集中在冬天排放。

中国北方上千年来都是用土炕采暖。在城市，因为人生水平较高，在上世纪初逐步转为燃煤炉，现在大部份已转为集中供暖，热源为热电联供站或者燃煤燃气锅炉房。近年，这些燃煤锅炉普遍得到了不同程度的污染物排放治理，污染物排放或者多或者少在降落。而泛博的中国北方农村从上千年前到20世纪末，冬天绝大多数家庭都是烧炕采暖。记得“文革”时我哥哥高中毕业后“上山下乡”，回我母亲的老家陕西省周至县（周至县是陕西省关中地区较富裕的县，陕西省关中地区一直有“金周至，银户县，中间夹了个烂眉县”一说）插队务农。我寒假时去看我哥哥，他教我高中的数学和物理，我给他做饭。灶就与土炕相连，做饭时的热烟气，就顺便加热了炕；烧灶火用的主要是玉米秸秆，玉米芯燃值高，烧水做主食时舍不得用，炒菜的时候要旺火才用。晚上临睡前再在炕底下用一把玉米秸秆，把炕烧热一点儿。煤太贵了，用不起。

直至本世纪初，跟着人民人生水平的提高，中国北方农村的农民才开始从烧炕采暖逐步改成用小型燃煤锅炉——俗称土暖气（大部份）或者燃煤炉（少部份）采暖。在2005年后，土炕采暖改成土暖气采暖到达高潮，现在用炕采暖的农村家庭已很少。这类家庭用的小燃煤炉/锅炉采暖模式，就是所谓的“散煤焚烧采暖”。

过去用土炕采暖，农村每一家每一年烧几百千克农作物秸秆。而现在用土暖气采暖，农村每一家一般每一年要烧3-5吨平均热值约为5000大卡的煤。而且大多数燃煤是烟煤，因而在短短的几年间，散煤焚烧采暖接踵成为中国北方各地冬天最大的污染源。
依据德国的经验，在中国的小煤炉或者土暖气中焚烧烟煤，因为焚烧不充沛，燃煤烟气中平均含大约700毫克/立方米的颗粒物和估量平均超过2000毫克/立方米的二氧化硫。其中，烟气中颗粒物的平均浓度是现在河北省工业和供暖燃煤锅炉烟气中颗粒物平均浓度的十几倍，更是燃煤发电厂烟气中颗粒物平均浓度的几十倍。焚烧烟气中有如斯高的颗粒物的缘故是，烟煤中所含煤焦油的比例较高，为5%至15%。如果焦油在炉膛中焚烧不完整，在高温下就会以气体状况通过煤烟排出，煤烟的温度下降后，其中的煤焦油又凝结成液滴，这类液滴就是我们看到的烟囱中冒出的浓浓的煤烟。但实际上，烟气中的颗粒物含量波动极大。在炉子里的焚烧温度较高时，焦油的焚烧充沛，烟气中残留的煤焦油比例较低；反之，烟气中残留的煤焦油比例就较高。在晚上“封火”后，在炉膛上部承当封火功能的煤炭，基本上处于干馏状况，估量一半以上的煤焦油都进入到烟气中了，这时候候，烟气中的颗粒物含量会到达几千毫克/立方米，乃至上万毫克/立方米。这类现象用肉眼就可以看出来，即晚上封火后，烟囱里冒出的煤烟尤其浓——浓浓的都是煤焦油。
需要说明的是，这类煤焦油凝结构成的液滴状颗粒物的毒性尤其大，其中包含高致癌物苯并芘。
河北省有3000多万人口栖身在农村、城中村和城乡接合部，有大约1000万个家庭，现在是用家用小型燃煤锅炉/炉采暖，全部冬天要焚烧大约4000万吨上下的煤炭，烧的大部份是便宜的烟煤。如果燃煤烟气中平均含大约700毫克/立方米的颗粒物，则每一年焚烧4000万吨燃煤，颗粒物的排放量就约为：700毫克颗粒物/立方米烟气x10，000立方米烟气/吨煤x40，000，000吨煤/年=280，000，000，000，000毫克颗粒物/年=280，000吨颗粒物/年。在河北省的所有污染源中，这是现在独一超过10万吨颗粒物/年的污染源。
固然这个估量其实不准确，但也其实不高。每一年焚烧散煤4000万吨，按煤炭中煤焦油平均含量为7%计，就是280万吨煤焦油，如果其中的10%排入到煤烟中，就是28万吨。思考到晚上封火时用的煤中大多数煤焦油都排入到大气中，应当说这个估量其实不算高。
这4000万吨焚烧排出的二氧化硫，按河北省散煤的平均硫含量为1%计算，就会到达好几十万吨。
因而，虽然散煤焚烧仅仅占河北省全部煤炭损耗的10%上下，然而因为其焚烧时污染物排放的浓度高，因而其排放的颗粒物和二氧化硫，占全部煤炭焚烧所排放的50%上下。思考到这4000万吨煤是在冬天采暖期的大约5个月内焚烧的，因而，在这个期间，散煤焚烧排放的颗粒物和二氧化硫的排放量确定都超过排放总量的50%。
2016年年底的45天，石家庄市全市的污染企业停工，汽车也单双号行驶，结果大气污染依然特别严重，也证明了散煤焚烧是冬天最大的大气环境污染源。
在中国，因为燃煤在这些小型燃煤炉/锅炉焚烧不充沛，不但造成燃煤烟气中的污染物排放较高，而且热效力很低，只有30%-50%。能源效力低，不但增添了能源损耗和相关的费用支出，也由于增添的煤耗使得大气污染物和二氧化碳过量排放。


顺便说一句，2015年至2016年冬季，北京市的散煤焚烧估量为400万吨上下，约为河北省的1/10，也确定是北京市占总量超过50%的颗粒物和二氧化硫污染源。按单位疆土面积计算，北京市平原上的散煤焚烧强度乃至高于河北省（北京市的平原土地面积不到7000平方千米，而河北省的平原土地面积超过10万平方千米）。
人们已注意到了，在非采暖季，京津冀地区的空气质量有了显明的改良。然而在采暖季，空气质量几近没有改良，乃至感觉在恶化。缘故很为难，散煤采暖污染的治理其实不顺利。因为农村人生水平的提高，人们花得起钱买更多的煤了，为了提高室内的舒适度，焚烧了愈来愈多的散煤。许多家庭的室内气温，原来只有摄氏10~14度，现在则提高到了摄氏16~20度。要了解，室内温度每一上升1摄氏度，燃煤损耗就会增添6%上下！因而，最近几年来，散煤焚烧采暖的煤耗一直在增长。
但这个污染责任其实不在烧散煤的家庭——这些家庭大部份是农民家庭。问题出在燃煤装备和焚烧的煤炭上。
我们与德国作个对比。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特别丰厚。德国历史上也是一个以散煤焚烧采暖为主的国家。在二次大战之前，大部份家庭采取小型燃煤炉/锅炉采暖（德国之前为何不烧炕，这是个谜），只有城市的少数家庭采取集中供暖。二次大战后，因为中东的便宜石油以及原苏联和北海天然气的发现和大量进口，德国的许多家庭才改成燃油或者天然气采暖。然而，在原西德的大气污染基本得到治理的1992年，德国仍有约16%的家庭焚烧固体燃料，其中至关大的比例是焚烧用褐煤（生烟最大的煤）做的型煤，其余的焚烧生物资。须要指出的是，焚烧生物资只是在焚烧烟气中没有二氧化硫，而颗粒物的排放与燃煤并驾齐驱。
然而，德国长时间以来特别关注下降小型家用固体燃料采暖炉/锅炉的污染物排放，并提高焚烧效力。这也是德国国家科研机构弗朗霍夫钻研院的长时间科研题目和技术服务内容。在上世纪60年代，德国出产的小型家用固体燃料采暖炉/锅炉的焚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90年代，这个标准的上限已降到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，这在中国，已到达了燃煤发电厂的标准，只有京津冀地区家用小型燃煤炉/锅炉烟气中颗粒物排放浓度的1/20上下。而所焚烧的型煤用低硫褐煤作为原料，在焚烧时，褐煤所做的型煤中的大部份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下降，烟气中的二氧化硫含量只有京津冀地区散煤焚烧烟气中二氧化硫平均含量的1/10上下。


德国住宅采暖模式的变化趋势
需要注意的是，京津冀地区的散煤污染源，是在上世纪末才呈现的，本世纪开始才骤然增长成为冬天京津冀地区的主要大气污染源。现在京津冀地区使用的大多数家用小型燃煤炉/锅炉，焚烧烟气中的颗粒物平均浓度，都在几百毫克/立方米。与德国相比，中国小燃煤采暖炉/锅炉的污染物排放水平后进了半个世纪。这是今天散煤焚烧采暖造成京津冀冬天严重污染的根本缘故。固然，出产者和市场监管者的责任，不能推到消费者——泛博农民的身上。


德国和中国的散烧煤小锅炉
为了减少焚烧散煤酿成的大气污染，近年，京津冀地区的政府部门主要采取了两种策略：
1）焚烧由无烟煤压抑的型煤（煤球）。无烟煤里的煤焦油含量低，因而在焚烧时排放出来的焦油颗粒物比起烟煤就大大减少。河北省的许多地区对无烟煤压抑的型煤（煤球）进行了津贴，激励烧散煤的家庭使用。然而每一吨无烟煤煤球的价格比烟煤贵了好几百元。思考到全省每一年焚烧4000万吨上下的散煤，如果全体补贴，每一年就要补贴上百亿元，这是个繁重的财政负担。然而，如果不补贴，许多家庭就会继续烧烟煤。如果节制烟煤的销售，那个工作量和难度可想而知。
2）“煤改气”或“煤改电”。天然气和电力的单位能源价格，是燃煤的好几倍，这无疑会大大增添采暖的能耗支出。一个家庭一年增添几千元的采暖能耗支出，不管是由谁来承当，都是一笔巨大的财政负担。像北京这样较为富裕的地区，财政还能够负担，至于河北这样不是很富裕的地区，如果让处所政府来承当这笔巨额的支出，就特别难题了，由于这比津贴老百姓购买无烟煤煤球的支出还要高出一至两倍。
治理散煤焚烧的污染，从长远看，要根治仍是要采取无煤化采暖。在河北，最好的办法是采取电力采暖，由于冬天下夜半的采暖高峰，恰是华冬风电多余的高峰；同时，电力采暖，没有燃气采暖焚烧烟气中的氮氧化物污染问题。然而条件是房屋需要做较好的保温改造，否则采暖费用会太高。河北农村的房屋绝大多数没有做保温措施，散热功率很大。如果对农村住宅进行有效的保温改造，可以下降60%-80%的采暖能耗。这样，燃煤改成电力采暖的同时，节省建筑的采暖能耗，能耗损用就不会增添，乃至会减少。一个100平方米的农村建筑，进行节省60%-80%采暖能耗的改造，要花费上万元甚至几万元，具体的花费需要通过示范项目才能较准确地测定。这项工作，如果与新农村建设结合，或许会找到很好的融资模式。无非这已超过了本文讨论的范畴。
建筑保温改造+“煤改电”是个投资较大的解决方案，至于全部河北省来讲，虽然长远的经济、环境和社会效益好，但需要较长的时间周期。
而散煤清洁焚烧，却是可以在较短的时间内实现的，本钱也对比低。目前在政府的支撑下，正在紧张地进行这方面的技术开发和示范工程，进展顺利。在这方面，因为有德国胜利的经验可供鉴戒，因而我对项目的胜利持乐观态度。
散煤焚烧污染的问题如果得以解决，京津冀地区的大气污染治理，就胜利了一半。一个小炉子，却是京津冀地区大气环境的最大污染源，同样成为河北省治霾的最大工程！我之前真是万万没想到。我的中国和德国同事没有一个人想到。真是没有调查就没有发言权啊！