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作
者：
潘耕裕，黄小美，孙梦晓，胡业龙
第一作者单位：重庆大学 土木工程学院清洁能源研究所
摘自《煤气与热力》2021年11月
刊
潘耕裕
，黄小美
，孙梦晓
，等
.
家用燃气灶甲烷排放特征研究
［J］.
煤气与热力，
2021，41（11）
：A25-A28.
甲烷是地球上第二大温室气体，同时是一种强的短期温室效应气体，其
20 a
尺度下的全球增温潜势（
GWP
）是
CO
2
的
84
倍，
100 a
尺度下的全球增温潜势是
CO
2
的
28
倍
［
1
］
。甲烷排放量占全球温室气体排放总量的
16%
［
2
］
，当前大气中的甲烷浓度已达到工业化前水平的
2.5
倍
［
3
］
，在目前人为感知的温室气体全球变暖的贡献达到
25%
［
4
］
。
2018
年
10
月发布的《
IPCC
全球升温
1.5
℃特别报告》指出，若要实现全球
1.5
℃的控制目标，必须大幅削减甲烷排放
［
4
］
。
在全球范围内，甲烷排放总量的
50%~65
％来自煤矿开采、石油天然气系统、垃圾填埋、牲畜、稻田、生物质燃烧等人类活动，其中油气行业的甲烷排放量每年达到
8 400
×
10
4
t
［
5
］
。国际能源署（
IEA
）发布的《世界能源展望
2019
》显示，中国油气行业甲烷排放约
356.3
×
10
4
t
，占全球总量的
4.4%
，仅次于煤炭行业的排放量。
围绕油气行业的甲烷排放，全球范围内的研究多集中在上游开采、储运等环节，关于天然气终端应用过程中产生的甲烷排放研究较少。
Merrin
等人
［
6
］
对美国
Boston
等地
100
户家庭的家用天然气用具进行了甲烷排放检测、统计和分析，估算出美国住宅天然气用具甲烷排放的二氧化碳当量均值在
100 a
尺度下达
8.3
×
10
8
kg
，占美国人为甲烷排放的
0.1%
。
Lebel
等人
［
7
］
对美国加州
64
户家庭的热水器甲烷排放进行了调查评估，发现单个快速热水器每年排放甲烷
2.39 kg/a
，占热水器天然气消耗总量的
0
.
93%
；单个容积式热水器平均甲烷排放为
1.4 kg/a
，占其天然气消耗量的
0.39%
。预计全美容积式热水器和快速热水器（分别为
5 680
×
10
4
台和
120
×
10
4
台）年度总甲烷排放量为
8.23
×
10
7
kg/a
。
据国家统计局数据估计，
2020
年我国天然气居民用户达
1.5
×
10
8
户。通常居民用户家中都会使用一台双眼燃气灶。同时中国也是燃具生产大国，据统计，
2009
—
2018
年间，位于中国的企业共生产燃气灶
3.33
×
10
8
台，这些燃具大部分在中国销售和使用。参照国外研究经验，如此大量的燃具不完全燃烧产生的甲烷排放，在中国人为甲烷排放中占有一定的比例。目前中国的甲烷排放清单主要借鉴国外研究的经验数据，而缺乏对家用燃气设备的甲烷排放测算以及气候影响评估。中国燃气供应系统设计、施工和使用习惯均与美国不同，因此有必要通过实地监测、设备检测等自下而上方法获取中国本地化的甲烷排放量数据，对中国常用的家用燃具，即燃气灶的甲烷排放进行检测和评估，研究其甲烷排放的规律。
本研究采用实测的方法，在国家燃气用具产品质量检验检测中心（佛山）收集一定数量送检的样品，使用带有甲烷传感器的烟气分析仪检测烟气中的甲烷含量；对甲烷排放数据进行统计分析，得到家用燃气灶的甲烷排放规律，并根据天然气用气量等数据计算甲烷的排放率。研究方法和步骤如下。
从各个厂家送检的全新燃气灶样品中随机选取
52
台样品。样品均为大气式双眼燃气灶，均为嵌入式燃气灶，额定热负荷为
3
.
2~5
.
2 kW
。
烟气中各气体成分的体积分数采用富士电子系统公司的
GASRACK-Z
型烟气分析仪检测，可连续测量
NO
x
、
SO
2
、
CO
、
CO
2
、
CH
4
、
O
2
的瞬时体积分数，富士
GASRACK-Z
型烟气分析仪技术参数见表
1
。该仪器甲烷检测原理为非分散型红外吸收法，是一种红外吸收分析方法，利用物质能吸收特定波长的红外辐射而产生热效应变化，将这种变化转化为可测量的电流信号，以此测定该物质的体积分数。操作简单、快速，常用于分析对红外辐射有较强吸收的气态物质，如一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氨等。
表
1
富士
GASRACK-Z
型烟气分析仪技术参数
依据国标
GB 16410
—
2007
《家用燃气灶具》规定的检测项目及方法，在燃气灶性能检测过程中，记录燃气灶从点火至熄火全过程的甲烷体积分数，同时记录燃气流量、排烟温度、环境温湿度、大气压力及烟气中其他成分的数据等。燃气灶在额定热负荷下运行。
燃气灶燃烧工况检测采用取样环取样法，使用专用试验锅，把取样管连接到取样环的排气口处，燃气灶燃烧产生的烟气通过取样环上的进气口直接进入环中，再从排气口进入烟气分析仪，避免烟气扩散到空气中。
共收集到了
52
组燃气灶的天然气流量及烟气数据，均为大气式双眼燃气灶，燃气种类均为天然气。对数据进行分析处理，其中个别数据有部分缺失或出现较大误差，剔除问题数据后，整理得到
39
组燃气灶的有效数据。
对检测数据进行统计分析，并估算甲烷排放量占相应设备用气量的平均比例。
烟气分析仪记录了烟气中
NO
、
CH
4
、
CO
2
、
SO
2
和
O
2
体积分数随时间变化的结果，数据记录时间间隔为
1 s
。对数据进行处理，整理出燃气灶的甲烷排放数据。根据数据，可以把燃气灶运行状态分为开启段、稳定运行段和关闭段
3
个阶段。
把燃气灶开启后
1 min
视为开启段，燃气灶熄火至甲烷排放趋于
0
的
1 min
视为关闭段，中间稳定运行时间为
9 min
，每台燃气灶的检测时间均为
11 min
。
39
台燃气灶甲烷排放体积分数见图
1
，不同颜色的曲线为不同的燃气灶样品。
可以明显看出，点火时的甲烷排放量会快速出现尖峰并迅速衰减，在稳定运行过程中甲烷排放量较低且稳定，在关火之后甲烷排放量也会快速出现峰值并衰减，燃气灶关闭段的甲烷排放峰值高于开启段。
上述结果表明，燃气灶的甲烷排放主要来源于开启段和关闭段，稳定运行段的甲烷排放量较低，燃气灶点火和关火的瞬间会有一股未燃烧的天然气排出，这是造成家用燃气灶甲烷排放的主要原因。
经研究，家用燃气灶的甲烷排放主要来自开启段和关闭段，现提出以下控制家用燃气灶甲烷排放的方法。
a.
建议家用燃气灶的标准增加甲烷排放量的限制指标。
b.
定期维护清理燃气灶，设备经过长时间使用，易出现堵塞、漏气等情况，将导致设备点火关火响应时间延长，甲烷的排放增加。
c.
燃气灶设计时，应通过改善点火、传火性能，尽量缩减点火完成时间；灶具的关闭阀门与燃烧器火孔之间总体积应尽量小，以减少关闭段甲烷排放。
①开启段甲烷排放量快速出现峰值并迅速衰减，稳定运行段甲烷排放量较低且稳定，关闭段甲烷排放量也快速出现峰值并衰减。
②关闭段甲烷排放量峰值、甲烷排放量均高于开启段，开启段、关闭段的甲烷排放量均高于稳定运行段。
③检测
39
台额定热负荷为
3.2~5.2 kW
嵌入式大气式双眼灶，开启段为
1 min
，稳定运行段为
9 min
，燃气灶的甲烷排放率为
0.14%
。
感谢美国环保协会（
EDF
）北京代表处对本项目的资助。
［
1
］汪维，高霁，秦虎，等
.
甲烷的温室效应及排放、控制［
J
］
.
城市燃气，
2020
（
4
）：
4-9.
［
2
］邢琳琳，解东来，祁丽荣，等
.
一种燃气管网泄漏快速定位及泄漏量确定方法［
J
］
.
煤气与热力，
2020
（
11
）：
B29-B33.
［
3
］王颖凡，徐先港，董建锴，等
.
美国油气行业甲烷减排立法及技术［
J
］
.
煤气与热力，
2020
（
11
）：
A35-A41.
［
4
］
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：
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℃［
EB/OL
］
.
［
2020-10-08
］
. https
：
//www.ipcc.ch/sr15/.
［
5
］
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［
DB/OL
］
.
［
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. https
：
//www.epa.gov/ghgemissions/overview-greenhouse-gases.
［
6
］
MERRIN Z
，
FRANCISCO P W. Unburned methane emissions from residential natural gas appliances
［
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］
. Environmental Science & Technology
，
2019
（
9
）：
5473-5482.
［
7
］
LEBEL E D
，
LU H S
，
SPEIZER S A
，
et al. Quantifying methane emissions from natural gas water heaters
［
J
］
. Environmental Science & Technology
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2020
（
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5737-5745.
［
8
］同济大学，重庆大学，哈尔滨工业大学，等
.
燃气燃烧与应用［
M
］
. 4
版
.
北京：中国建筑工业出版社，
2011
：
10.
1、
城市燃气行业甲烷减排意义及综合治理建议
3、
油气站场甲烷排放检测技术及量化方法
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