Picarro G2201-i（ES&T Letters | Picarro G2201-i 助力农村采暖“煤改气”转型的温室气体减排研究）

中国北方地区自2017年以来推行的“煤改气”政策，即以天然气替代煤炭用于住宅取暖，已被证实具有显著的环境和健康效益。在中国提出“双碳”目标之后，准确量化二氧化碳（CO₂）和甲烷（CH₄）等温室气体排放的重要性愈加凸显。然而，由于对家用天然气采暖炉（俗称“燃气壁挂炉”）的甲烷泄漏量测算的欠缺，目前仍缺乏对其温室气体减排效益的可靠评估。本研究利用高精度的CO₂、CH₄分析仪对中国北京市农村地区30台燃气壁挂炉的废气进行实时监测；并结合化学计量法、排放因子法和全球增温潜势（GWP）方法，估算燃气壁挂炉的甲烷泄漏率，在此基础上重新核算其温室气体排放量。结果表明，燃气壁挂炉的甲烷泄漏率为0.22% [0.13, 0.30]%；北京市农村居民采暖的“煤改气”转型使得温室气体排放量减少了44.8%。该研究结果将弥补甲烷泄漏检测和温室气体排放核算方面的不足，为中国家用燃气具标准的修订和能源转型政策的评估提供数据支撑。

农村居民散煤燃烧采暖是我国北方冬季室内和环境空气污染最重要的来源之一。为了改善空气质量，我国政府大力推进清洁取暖改造，其中包括“煤改气”工程，即以天然气（Natural Gas, NG）替代煤炭进行采暖。已有的研究对“煤改气”的环境和健康效益进行了较全面的研究，但缺乏对其温室气体（Greenhouse Gas, GHG）减排效益的准确测算。自我国提出“双碳”目标以来，准确可靠的温室气体排放核算，作为设计碳减排路径和推进能源转型政策的基础，已变得越来越重要和迫切。

甲烷（CH₄）是天然气的主要成分，是一种短寿命、强效的温室气体，在20年尺度上它的全球增温潜势（Global Warming Potential, GWP）是二氧化碳（CO₂）的82.5倍。据观测，在使用家用燃气设备时，不仅有天然气燃烧产生的二氧化碳排放，还存在未燃烧的天然气逸散造成的甲烷泄漏。随着“煤改气”在中国的大规模推广，用于采暖和热水的家用燃气具——燃气壁挂炉的数量大幅增加。然而，由于样本代表性和监测仪器精度的不足，目前国内关于燃气壁挂炉甲烷泄漏的研究很少，且存在较大的不确定性。

基于以上背景，清华大学环境学院鲁玺教授研究团队，采用高精度的二氧化碳、甲烷分析仪，对北京市30台燃气壁挂炉的烟气进行了现场测量，并基于化学计量法、排放因子法和全球变暖潜势等方法，估算了燃气壁挂炉的甲烷泄漏率和“煤改气”转型的温室气体减排效益。研究论文以“Methane Leakage Measurement of Natural Gas Heating Boilers and Greenhouse Gas Emissions Accounting of ‘Coal-to-Gas’ Transition for Residential Heating in Rural Beijing”为题，发表在Environmental Science & Technology Letters期刊中。

为测量燃气壁挂炉的甲烷泄漏，我们随机抽取了北京市30台正在运行的燃气壁挂炉样本，于2021年11月对它们的烟气进行现场监测。为了采集排气口处排放的烟气，我们将一根由DN6（公称直径为6 mm）的可弯折金属管制成的取气探头伸入排气口约6 cm处，以减小采集的样气与外部空气混合造成的浓度测量误差。然后，经过颗粒物过滤和水蒸气冷凝后，利用已使用标准气体校准的Picarro G2201-i CO₂/ CH₄碳同位素分析仪（简称“Picarro分析仪”）对样气中的CO₂和CH₄浓度进行实时监测。Picarro分析仪测量CH₄浓度的精度在低浓度模式下（1.2–15 ppm）为5 ppb，在高浓度模式下（1.8–1500 ppm）为50 ppb，因此能够准确测量相对于CH₄背景浓度（大气中CH₄浓度约为2 ppm）的小泄漏和高排放。

本研究对样本的监测时长平均为1.75小时，范围从0.43到3.65小时，涵盖了完整的启停周期。此外，我们通过在监测开始和结束时观察相应的燃气表来获取燃气壁挂炉样本的天然气消耗速率，并通过观察炉具外观和采访用户来收集样本的额定功率等产品信息。

监测现场图

Picarro G2201-i CO₂ /CH₄

碳同位素分析仪的外观

燃气壁挂炉排气口与取气探头

根据燃气壁挂炉的CH₄和CO₂排放速率的变化特征，我们将每个样本的监测数据划分为不同的运行周期，然后将每个周期划分为不同的运行阶段：（1）点火阶段，（2）燃烧阶段，（3）熄火阶段，（4）吹扫阶段，（5）待机阶段，如图1(A)所示。根据化学反应原理，天然气中的甲烷（93.8%）和其他可燃成分（C_nH_2n+2，n=2，…，6）在点火后和熄火前与氧气（O₂）发生燃烧反应。这里我们假设完全燃烧反应与不完全燃烧反应的比例为99：1。基于化学计量法，我们利用CH₄和CO₂浓度以及天然气消耗量的监测数据，计算燃气壁挂炉样本的CH4泄漏率以及CH₄和CO₂ 排放速率。

本研究采用排放因子法，将年均采暖能耗量乘以温室气体排放因子，从而估算北京农村住宅采暖的年均温室气体排放量。年度供暖能耗数据来自对北京的入户调查，即每户4092 [3977, 4208] kg煤或2702.0 [2497.2, 2906.7] m³天然气。利用本研究的监测数据，将温室气体（CO₂或CH₄）排放速率除以天然气消耗速率再乘以温室气体密度，从而计算出燃气采暖的温室气体排放因子，即每消耗1 m³天然气排放2.0564 [2.0530, 2.0597] kg CO₂和0.0014 [0.008, 0.0020] kg CH₄。这里，我们只考虑了终端使用侧的甲烷泄漏，不包括燃气供应链上游和中游的甲烷泄漏。燃煤取暖的二氧化碳排放因子取自政府间气候变化专门委员会（IPCC），即每燃烧1 kg无烟煤（北京普遍使用的煤种）排放2.6 kg CO₂。在本研究中，我们没有考虑煤炭燃烧产生的甲烷排放。

为了计算温室气体排放总量，我们将CH₄排放量乘以GWP得到它们的CO₂当量，再将其与CO₂排放量相加。根据IPCC第六次评估报告（AR6），在20年和100年尺度下甲烷的GWP值分别为82.5和29.8。

图1. 燃气壁挂炉不同运行阶段的CH₄和CO₂监测浓度，以及CH₄排放速率和CH₄泄漏率的估算结果。(A) 燃气壁挂炉运行周期中监测到的CO₂和CH₄浓度的变化，以及运行阶段的划分：(1)点火、(2)燃烧、(3)熄火、(4)吹扫、(5)待机阶段。(B) 不同运行阶段（包括点火、燃烧、熄火和吹扫阶段）的平均CH₄排放速率。(C) 运行期间的平均CH₄泄漏率。

由于天然气进气阀在点火前打开、在熄火后关闭，在这两个时间间隙内均有部分天然气尚未燃烧而直接排出腔室，导致甲烷排放速率在点火和熄火阶段达到峰值。据估计，点火和熄火阶段的平均甲烷排放速率分别为10.5 [7.8, 13.2] L h^-1和2.8 [2.1, 3.6] L h^-1，而在燃烧和吹扫阶段仅为1.0 [0.4, 1.6]和1.1 [0.8, 1.5] L h^-1（图1(B)）。如图1(C)所示，将吹扫出的残余甲烷计入熄火阶段产生的甲烷中，得到各阶段的平均甲烷泄漏率从高到低依次为：点火阶段0.93% [0.74, 1.13]%，熄火阶段0.46% [0.27, 0.65]%，燃烧阶段0.10% [0.05, 0.15]%。综合考虑点火、燃烧、熄火阶段的甲烷泄漏以及吹扫阶段的天然气微量泄漏，燃气壁挂炉运行期间的平均甲烷泄漏率为0.22% [0.13, 0.30]%。

图 2. 燃气壁挂炉样本的甲烷泄漏率分布。(A) 燃气壁挂炉样本的甲烷泄漏率箱线图。(B) 具有不同甲烷泄漏率的燃气壁挂炉样本的频率分布及其对甲烷总排放量的贡献。

燃气壁挂炉样本之间的甲烷泄漏率差异较大，范围从0.0048%到0.95%（图 2(A)），这与燃气壁挂炉运行时燃烧阶段的时间占比的差异有关。甲烷泄漏率最大（0.95%）的样本燃烧阶段的时间占比最小，仅为23%；而甲烷泄漏率最小（0.0048%）的样本在监测期间一直处于燃烧阶段。在这项研究中，我们还发现旧的燃气壁挂炉平均和最大甲烷泄漏率分别高于新的壁挂炉，因此我们推测使用年限也可能是甲烷泄漏率的影响因素。

如图2(B)所示，大多数样本的甲烷泄漏率较低，但少数具有高泄漏率的样本对总甲烷排放量有显著的贡献。甲烷泄漏率小于0.1%的样本占43.3%，但它们仅贡献了甲烷排放量的7.0%。甲烷泄漏率大于0.25%的样本仅占30.0%，但其对甲烷总排放量的贡献达到了71.3%。只有13.3%的样本的甲烷泄漏率大于0.4%，但它们占甲烷总排放量的40.9%。因此，应尽快检查、维修或更换甲烷泄漏率特别高的壁挂炉。

参考以往关于家用燃气具的甲烷泄漏测量的研究可知，不同功能的燃气具的泄漏率差异较大。其中，采暖锅炉的平均甲烷泄漏率最小（本研究结果为0.22% [0.13, 0.30]%），热水器的平均泄漏率较大（0.39%~0.93%），炊具的平均泄漏率最大，达到0.8 %~1.3%。

根据Yuan等人的研究，2016年中国天然气供应链的甲烷泄漏率为0.64%，其中生产、加工、传输和分配环节的泄漏率分别为0.14%、0.08%、0.36%和0.06%。与这些环节相比，住宅部门的终端使用环节，即家用燃气具的使用，在整个燃气供应链中的甲烷泄漏率相对较高。在Alvarez等人结合自下而上和自上而下的测量方法对美国油气供应链的甲烷排放的全生命周期分析中，甲烷在生产、集采、加工、传输和存储、本地分配、炼油和运输环节的泄漏率分别为1.34%、0.46%、0.13%、0.32%、0.03%和0.0026%。忽略了燃气终端使用的甲烷泄漏率，住宅部门燃气供应链的甲烷排放被明显低估。

中国油气企业甲烷控排联盟提出目标——到2025年将天然气供应链上游过程的甲烷排放强度降至0.25%以下，而油气行业气候倡议组织（OGCI）预计其将降至0.2%。然而，中国目前还没有控制天然气终端设备甲烷泄漏的目标或要求。随着“煤改气”进程的推进，新一批的燃气具即将进入市场。因此，政府迫切需要制定政策或标准来限制家用燃气具的甲烷泄漏率，以减轻甲烷排放的更广泛或更长期的影响。

图3. 北京市农村家庭燃煤和天然气采暖的年均温室气体排放量（CO₂当量）。

图3显示了北京农村“煤改气”转型前后住宅采暖年均温室气体排放量（以二氧化碳当量计）的比较。北京市燃煤采暖家庭平均每户每年排放10,640 [10,339, 10,941] kg CO₂，而天然气采暖家庭平均每户每年排放5556 [5175, 5935] kg CO₂和3.9 [2.4, 5.4] kg CH₄。如果同时考虑CO₂和CH₄的GWP值，在20年尺度下“煤改气”转型带来4763 kg CO₂e₂₀的温室气体减排量，即44.8%的减排率；在100年尺度下带来4968 kg CO₂e₁₀₀的温室气体减排量，即46.7%的减排率。甲烷泄漏对“煤改气”的温室气体减排的影响较小，在20年尺度下仅为3%。

北京市22.1万户“煤改气”居民住宅采暖的年均温室气体排放量（CO₂e₂₀）比改造前减少了10.53亿kg，但仍高达12.99亿kg。毫无疑问，“煤改气”具有显著的气候效益。然而，在中国提出碳达峰和碳中和目标的背景下，我们不能满足或止步于约45%的减排率。要加快发展可再生能源和节能技术，进一步推进住宅采暖脱碳。

以上研究结果填补了我国燃气壁挂炉的甲烷泄漏测量和温室气体排放核算的盲点，为中国家用燃气具标准的修订和能源转型政策的评估提供了数据支持。研究表明，“煤改气”转型对温室气体减排毫无疑问具有显著的效果；但在我国提出“双碳”目标的背景下，我们不能满足或止步于目前的能源转型进程，而是应加快发展可再生能源和节能技术，从而进一步推动住宅采暖脱碳。

原文链接

https://doi.org/10.1021/acs.estlett.2c00751

感谢清华大学环境学院的张梦洁和高澜博士对本文的修改与支持！