陳曉夫1，張偉豪2，劉廣青2
（1.中國農村能源行業協會，北京100125；2.北京化工大學，北京100029）
摘要：本文回顧了我國戶用生物質爐灶的發展歷程，介紹了我國生物質爐灶的推廣應用現狀和技術水平，分析了生物質爐灶性能評價標準和方法；闡述和分析了生物質爐灶開發CDM項目的發展狀況、開發方法以及未來發展的巨大潛力；最後提出了生物質爐灶技術和應用發展的建議。
1.前言
中國是世界最大的發展中國家，2006年農村人口總數達7.37億人，佔全國總人口的比重為56.1%。2008年中國農村居民生活用能消費結構中，秸稈佔26%，薪柴佔15%，煤佔27%，電力佔2%，沼氣佔1%，液化石油氣佔22%。農作物秸稈是我國主要的生物質能資源，全國年產約6億噸，除部分作為造紙原料和飼料外，大約有3億噸可作為燃料使用，折合1.5億噸標準煤，林木枝椏和林業廢棄物年可獲得量約9億噸，約有3億噸可作為能源利用，折合2億噸標準煤。
傳統的農村爐灶大多是手工堆砌的磚石結構，建造技術粗糙，煤炭或生物質由於燃燒不充分，釋放出大量濃煙，引起的室內空氣汙染已經成為威脅人類健康的一大禍患。眾多研究也顯示室內空氣汙染與人患肺結核、哮喘、白內障有關係。在世界範圍內，2.5%的全球性疾病產生與室內空氣品質（Indoor Air Quality）有關，以人數計算，相當於每年有160萬人死亡。根據世界衛生組織的報告，中國每年1.6%的疾病產生與家庭使用固體燃料有關，每年造成超過380,000人的過早死亡和320萬傷殘調整壽命年的損失。
隨著世界各國對能源效率和空氣汙染的越來越關注，以及中國農村的城鎮化和農民生活水平的提高，傳統的炊事供暖爐灶和其低效的燃燒方式已經不能滿足需要。戶用高效低排放生物質爐具不僅可以減少煤炭的消耗，減少汙染物排放，改善室內空氣品質，而且能夠利用廢棄的生物質資源，節省燃料，變廢為寶；同時可以提高農民的生活質量，增進身體健康；實現節能減排，促進社會主義新農村建設。
2.生物質爐灶發展歷史
我國戶用生物質爐灶的發展經歷了初始階段、改良及推廣階段、技術創新階段和加速發展階段等四個階段。
2.1生物質爐灶發展的初始階段（~1980）
上世紀80年代以前，中國農村絕大多數農戶使用手工壘砌的傳統舊灶，灶臺大多是磚石結構，主要問題是吊火高度高，灶門大、爐膛大，無爐箅、無通風道、無煙囪。以至於在使用中各種燃料的燃燒不充分。釋放出大量濃煙。不但汙染環境，嚴重損害人的身體健康，也損失了大量的熱能，熱效率只有12%左右。
2.2生物質爐灶改良及推廣階段（1980～90年代中期）
2.2.1推廣省柴灶
上世紀80年代初期,中國政府有計劃地在農村開展改灶節柴試點縣工作，並把「改灶節柴」納入了第六個五年計劃，由政府出資用於宣傳和培訓，在全國掀起了改灶的高潮。
到90年代後期成功推廣了2億臺改良爐灶。與舊式柴灶相比，省柴灶優化了灶膛、鍋壁與灶膛之間相對距離、吊火高度、煙道和通風等的設計，增設了保溫措施和餘熱利用裝置，以達到熱效率20％以上的要求。省柴灶的特點是省燃料、省時間，使用方便，安全衛生。
2.2.2炕連灶
大部分北方地區對傳統火炕進行改造，將省柴灶與節能炕連接起來，即形成了節能炕連灶。按其與地面接觸的形式，可分為落地式和架空式。前者與地面接觸，炕洞也設在地面上，它是目前使用較多的一種炕；而後者炕洞不直接與地面接觸，這不僅可以節省不少建炕材料，而且還可以減少熱量從地面的直接損失，並增加了炕在室內的散熱面，讓更多的熱量散到室內。
2.3生物質爐灶技術創新階段（90年代中期～2005年）
2.3.1爐灶分離的秸稈氣化爐
這種氣化爐採用爐灶直接相連方式，氣化條件不易
控制，產生的可燃氣沒有經過任何處理，氣體中的可燃氣成分不穩，並且不連續，影響燃用甚至有安全問題。更重要的問題是焦油和含焦油的水無序排放，造成土地和地下水的汙染。在燃燒過程中，排放含有大量有害氣體的成分，特別是一氧化碳（CO）氣體大量超標，農戶長期在這種環境下使用，對人體會造成極大的傷害，現階段不宜推廣。
2.3.2高效低排放生物質爐具
這種爐具，生物質燃料在爐膛裡燃燒，為了增加燃燒效率，一次風從爐排底部進入，在爐具上部出口處增加了二次風噴口，這樣將固體生物質燃料和空氣的氣固兩相燃燒轉化為單相氣體燃燒，這種半氣化的燃燒方法使燃料得到充分的燃燒，減少了顆粒物和一氧化碳排放，明顯的改善了室內空氣品質。使用時燃料一般從爐子的上部點燃，自上而下燃燒和空氣的流動方向相反。從開始點火到燃盡都可以做到不冒黑煙，可以把焦油、生物質炭渣等完全燃燒殆盡，並且在炊事性能上和煤爐具有較強的競爭力。高效低排放戶用生物質爐具應達到下列技術指標：
熱效率：炊事爐：＞35%；
炊事採暖爐：＞60%；採暖爐：＞65%
煙塵排放濃度：＜50mg/m3
SO2排放濃度：＜30mg/m3
NOx排放濃度：＜150mg/m3
CO排放濃度：＜0.2%
2.4加速發展階段（2005年至今）
這個階段爐灶企業生產規模不斷擴大。北京、山東、河南、重慶的一些生物質爐具企業年生產能力已超過3萬臺，生產速度持續增長，商品化程度逐漸增強。並且研發力度不斷加強，許多燃煤爐具企業也著手研發生物質爐具，使得技術快速發展。
同時國際合作不斷加強。2005年，由殼牌基金會資助，中美合作的中國優秀生物質爐灶評選項目中，共有46家企業參與，19家通過預選，4家獲優秀獎。2006年8月，中國的15臺生物質爐具出口到印度，由美國和中國的研究生組成團隊，在印度中西部Pune市的Phaltan鎮進行實地演示和市場分析；2007年開始，農業部實施「一爐一灶」項目，在四川、甘肅等藏區大規模試點推廣生物質爐灶；2007年美國環保署空氣合作夥伴組織（PCIA）也資助中國農村能源行業協會進行優秀生物質爐灶在我國西部的推廣。2005-2009年期間，我國爐灶領域專家先後應邀在美國、印度、印度尼希亞、泰國、烏幹達等國家參加了多次生物質能源國際會議，介紹我國生物質爐灶技術和發展，促進國家交流與合作。
3.新型生物質爐灶技術的綜合評價
3.1民用柴灶（爐）熱性能測試方法
在上個世紀80年代，國家計劃委員會和農業部組織了三次全國性的省柴灶評比活動。農民技工在評比現場手工壘砌柴灶，然後用統一的測試方法進行測試。1984年在此方法的基礎上制定了「民用柴爐、柴灶熱性能測試方法」國家標準（GB 4363-84），2006年修訂為行業標準（NY/T 8-2006）。
這種方法採用煮沸開水試驗，給一定重量的柴草，對定量的水加熱、蒸發，獲取柴灶（爐）的有關熱性能指標，主要有升溫段供熱強度、蒸發段供熱強度和熱效率。美國PCIA最近公布了爐灶煮水測試方法徵求意見稿（The Water Boiling Test,Version4.1.2，2009.10），其主要內容和我國標準類似，但測試過程較為複雜，並增加了室內汙染排放的測試。
3.2大氣汙染物排放和室內空氣品質的相關標準
國家對以生物質為燃料的爐具還沒有汙染物排放和室內空氣品質標準。可以依據和借鑑相關燃煤大氣汙染物排放和測定的標準，來制定高效低排放生物質爐灶的測試方法。大氣汙染物排放和室內空氣品質的有關環保標準有：
GB/T 16157-1996固體汙染源排放中顆粒物測定與氣態汙染物採樣方法；
HJ/T 57-2000固定汙染源排氣中二氧化硫的測定，定電位電解法；
GB 13271-2001鍋爐大氣汙染物排放標準；
GB/T 18883-2002室內空氣品質標準；
GB 9801-88空氣品質中一氧化碳的測定的非分散紅外法；
GB/T 17095-1997室內空氣中可吸入顆粒物衛生標準。
3.3排放標準的評價
中國的戶用生物質商品化爐灶都有煙囪。因此對中國戶用生物質爐灶排放指標的評價分為兩部分。一部分是戶用爐灶的室外煙氣排放，其排放指標採用北京市鍋爐汙染物綜合排放標準（DB11/139-2002）。該標準與國際接軌，是目前中國最嚴格的與爐具有關的大氣汙染物排放標準，該標準涉及到煙塵、SO2、NOX、煙氣黑度等多項排放規定。另一部分是戶用爐灶在使用和添加燃料時對室內空氣品質的影響，其室內排放指標可使用中國國家標準室內空氣品質標準（GB/T 18883-2002）。該標準主要是關於室內空氣品質的規定，適用於住宅和辦公建築物，其室外和室內排放氣體的取樣與檢測在上述標準中都有詳細的規定，可參照標準中的有關規定執行。
3.4綜合評價案例
2006年，為促進中國戶用高效低排放生物質爐灶技術創新，並向發展中國家推廣，由殼牌基金會資助，中國農村能源行業協會和美國加州大學國際健康和發展企業家中心合作，共同完成了「促進中國和國際高效低排放戶用生物質爐灶技術創新和推廣」項目。該項目中，中美專家首次採用了爐灶綜合評價的方法。綜合評價方法包括了技術指標、實際使用效果和企業狀況三個大類和諸多指標與因素。
3.4.1技術指標
(1)檢測指標
a.熱性能指標：熱效率(%)
b.煙氣汙染物排放：煙塵排放濃度(mg/kg燃料)、CO/CO2（%）
c.室內空氣品質：一氧化碳CO(ppm)。
(2)產品質量
參照GB 16154—2005《民用水暖煤爐通用技術條件》的有關規定考核爐灶外觀設計、製造質量、安全、可靠性、使用壽命等。
(3)技術創新
根據技術創新的水平，如結構設計、材料選擇等，由專家評判打分。
3.4.2實際使用效果
(1)操作性能
爐灶應點火容易，操作方便、安全衛生，並有詳細的使用說明書。
(2)使用效果評價
根據專家考察報告、用戶意見、售後服務等進行綜合評價。
3.4.3企業狀況
根據專家考察報告和企業申請資料進行評價。
根據上述的綜合評價方法，對我國不同的生物質爐灶進行了綜合評價，評選出了中國最優秀的爐灶，為進一步推廣提供了可靠的保障。
3.4.4測試結果
通過環保和熱性能測試，我國優秀的高效低排放戶用生物質爐灶的熱效率是35%～41%，遠遠高於傳統爐灶的10%～12%，排放量也明顯降低。下表是這些優秀的高效低排放戶用生物質爐灶環保和熱性能的平均數據。
4．開發生物質爐灶CDM項目
4.1生物質爐灶CDM項目發展現狀
我國的碳交易市場潛力巨大。截止到2009年9月11日，國家發改委批准的CDM項目為2205個。生物質爐灶由於其具有明顯的節能減排效果和額外性，且有權威的方法學參考，其碳交易的潛力是巨大的。在國際上，烏幹達、馬裡、柬埔寨三國已成功的開發了戶用生物質爐灶的碳交易項目，但全部是自願減排碳交易項目。目前中國農村能源行業協會、北京化工大學與美國加州大學伯克利分校、美國國際健康與發展企業家中心等組織合作從事生物質爐灶CDM項目的研究和開發，首次對我國多個生物質爐灶在北京、重慶、山西等地進行了大規模的基準線調研和節能減排測試工作，取得了大量的資料，為我國成功申請生物質爐灶CDM項目提供了重要的數據保障。
4.2生物質爐灶小規模CDM項目開發關鍵
4.2.1項目邊界確定
對於小規模CDM項目，項目邊界內的項目總功率應低於小規模項目的最大限額為45MW。由於生物質爐灶是戶用的、分散的，所以科學的確定項目邊界，有利於項目的順利實施。
4.2.2基準線確定
基準線情景就是合理地代表在沒有CDM項目活動時所出現的人為的溫室氣體排放情景。基準線方法是計算CDM項目減排量的基礎。生物質爐灶CDM項目採用的基準線方法學是小規模CDM項目方法學「Thermal energy production with or with out electricity AMS-I.C/Version15」，規定對於代替化石燃料技術的可再生能源技術，簡化的基準線是沒有項目活動時採用爐灶使用的燃料消耗量乘以被替代的化石燃料的排放因子。
具體過程包括事前調查與燃料使用測試。項目邊界內的居民應具有相近的人口情況與經濟特徵，被調查的農戶在所有戶主的名單中任意選擇。調查內容包括用戶的家庭人口、當地典型的炊事習慣、能源使用與不同燃料的混合、爐灶類型和用戶能源使用的季節性影響。根據調查信息與用戶能源使用研究結果，估算使用生物質爐灶前後的總燃料使用量。
4.2.3額外性分析
(1)資金障礙
市場上，每臺生物質爐灶的價格通常在500～1000元人民幣，相對於貧困地區農戶的2000～3000元人民幣的年收入水平往往較高。如果沒有實施CDM項目，農戶不能負擔爐灶的價格，爐灶的推廣無法大規模進行。成功實施CDM項目後，其碳交易的收入可以補貼農戶購買生物質爐灶，幫助農戶向清潔、高效、經濟的炊事方式轉變。同時還可以改善貧困用戶的社會經濟狀況。
(2)習慣障礙
由於貧困地區農戶長期以來的生活習慣，使用煤爐的農戶通常會一直使用煤進行炊事活動。中國的大部分農村家庭，仍在使用20世紀70年代及80年代時推廣的由磚塊和水泥手工製成的煤爐。這些家庭的幾代人都在使用這些煤爐，造成了引進新式炊事技術的習慣障礙。此外，如山西這樣煤資源豐富的地區，人們也不會輕易改用其他形式的燃料。2007年，山西省的全部農戶有80%使用煤作為燃料。除非提供有力的經濟刺激使農戶改用其他燃料，否則煤仍然是人們使用的主要燃料。
4.2.4節能效果測試
在項目邊界內選擇經過調查的農戶，隨機抽取一定數目的使用新型生物質爐具和傳統煤爐的農戶，進行廚房性能測試（KPT），即對3天內燃料消耗量進行測試取平均值。通過基準線調查信息記錄的爐灶類型、燃料類型、每日三餐和每餐人數等多個因素，了解用戶的做飯習慣與爐灶使用情況，得出用戶使用新舊爐灶前後燃料使用量的準確數據。
4.3減排量
4.3.1減排量計算
5.建議
氣候變化是現在公認的全球和各國的一個主要威脅。相對於其他能源來說，戶用燃料的燃燒相對於人類利用其它能源更明顯的增強了溫室效應。不僅由於燒煤產生CO2，目前爐子用煤和生物質的不完全燃燒還會產生黑炭和其他非CO2的溫室氣體。大力推廣高效低排放生物質爐灶在我國廣大農村地區未來一段時期內將是改善農村能源結構、提高農戶室內空氣品質、減少溫室氣體排放、促進生物質能源利用的重要手段。
5.1繼續實施國家改灶節柴項目
國家在上世界80年代實施的推廣省柴灶工作，取得了巨大的成功。國家現在應該考慮為實現更多的益處，繼續實施這項工作，在條件適宜的地區大力推廣新型的高效低排放生物質爐灶，到2020年農村將會大大減少煤的使用和空氣汙染，這樣可以提高國家能源利用效率，保護冰山和減緩氣候的變化，改善農村人口的健康與生活狀況。
5.2提高爐灶熱效率
提高燃燒效率，需要從爐灶自身的結構上實現改進。要合理布置和充分利用炊具受熱面，並安裝小型風機進行適當配風。爐灶應選用陶瓷或優質的金屬材料，這樣不僅結構堅固，而且可以充分利用釋放出的熱能。爐灶的製作必須採用規模化生產的方式和使用現代化加工技術，保證良好的質量。
5.3增加爐灶功能性
開發多功能性爐灶，同時實現戶用炊事及供暖，使餘熱得到有效利用。增強自動化程度，減少人為控制，方便使用。美化外觀設計，使外表美觀、實用。
5.4加速成型燃料發展
好的改進型爐灶對於燃料大小和溼度變化的適應性不是很強，因此達到最好性能需要使用成型燃料，這就需要當地生物質燃料成型產業及其配套設備的發展，生物質成型燃料加工設備（成型機）的成熟程度最為關鍵，因此應下大力氣解決目前成型機存在的一系列技術問題。
5.5加強宣傳示範工作
進一步宣傳高效低排放生物質爐具對節能和改善室內空氣品質的重要作用，以及提高用戶身體健康水平的重要意義，充分調動潛在用戶購買高效低排放生物質爐具的積極性。在我國西部貧困地區，通過典型示範和政府補貼的形式推廣優秀的生物質爐具。
5.6積極開展國際合作
積極聯合國際組織及國際專家，努力組建爐灶及農村室內空氣品質國際交流網絡平臺，向其他發展中國家宣傳中國生物爐具創新技術和產品，同時增強信息共享、促進相互交流的工作，將優秀生物質爐灶發展推向國際化。進一步和國際專家合作開展爐灶性能、排放以及室內空氣品質的監測和評估，而這種監測和評估是證明實現一個項目成功的關鍵。同時積極申請國際碳交易項目，為農民購買生物質爐灶爭取更多的補貼資金，促進生物質爐灶的大規模推廣。