农村烧炕取暖过程中的空气污染问题分析
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农村烧炕取暖过程中的空气污染问题分析
亚辉 关中西部某农村，睡火炕长大的人
摘要：本文以陕西关中西部地区为例，简要介绍了北方火炕取暖的基本原理与方法，结合文献调研，分析了火炕燃烧过程中的污染排放问题。本文认为，农村传统烧炕取暖方式并不会显著加剧空气污染，且有利于可再生能源回收利用。
又到严冬，取缔烧炕又成了一个话题，读罢唏嘘不已。作为睡火炕长大的农家子弟，不禁五味杂陈。但作为一名理工类科研工作者，只以情感论之，实有悖科学精神，故作此文，欲探究烧炕污染究竟如何。我非传热学、燃烧学、空气污染防治等领域专业人士，只能作简单估算，能力所限，难免谬误，敬请批评指正。
2.1 火炕外观介绍
图1和图2分别给出了关中地区当代农村火炕的内外视角，可以看出，添柴添火的炕口留于屋外，既留出空间便于操作，又保持了屋内的干净整洁。
2.2 传统火炕内部构造分析
土坯的制作
传统火炕以土坯建成，土坯制作过程如图3所示，民间又称“打胡基”。具体过程如下：取不含杂质的湿粘土，置于模具以内（提前撒上草灰以便于后期分离），锁紧模具销钉以保证模具紧固，经多次捶打夯实，拔掉销钉打开模具，取出土坯，晾干后即可作为建筑材料使用。
火炕的基本构造
一般而言，火炕留有两个炕门，一个排烟口，有利于烧炕时的空气流动。某些特殊情况下（如房子夹在中间，不具备两侧修建排烟口的条件），只留有两个炕门，民间称之为“烧闷炕”。烧闷炕时虽然排烟不利，但火炕取暖并不依靠明火，故一般不会影响取暖效果。
随着时代发展，炕面材料几经发展，现已开发出钢筋混凝土材质的整体炕面盖板，其本身具有良好的抗弯、抗剪能力，故少量立柱即可满足承载需求。由于立柱数量成倍减少，现代火炕添柴烧炕与清理炕灰会便利得多。
图5给出了传统土炕炕面铺层示意图：在土坯之上，由内向外依次为：1）粗泥层，该层较厚，主要目的是平整炕面，且可以略微起到分散集中载荷以提高土坯炕面承载性能的作用；2）稀泥层，该层较薄，主要目的在于使炕面干净细光，且起到密封阻烟的作用；3）麦草层：铺以干净的麦秸秆，起到缓冲减震作用。4）草席层：隔绝麦草层，保证炕面干净。5）草席层之外，即可铺上毛毡、铺盖、被褥等。至此，热炕头一切就绪。
3.火炕的热源
前已提及，火炕并非依靠明火取暖，而是依靠持续性的星星之火提供热量，称为“阴燃”。关中地区常见的烧炕燃料有：1）麦芒（即麦穗中包裹麦粒的小麦壳）。在收割机尚未普及的年代，小麦收割必须要经过“扬场”的工序，即靠风力分离较重的小麦颗粒与较轻的麦芒。这种情况下，麦芒得以在打麦场集中收集。麦芒呈细碎状态，极难产生明火，是天然的烧炕燃料。近年来由于收割机全面普及，机器作业时直接将麦芒吹撒于麦田，无法收集，现基本已退出烧炕燃料之列。2）林间落叶。在靠近林区的农村，林间落叶是上好的烧炕燃料，填补了麦芒退出历史舞台留下的空白。且其燃烧时间长，耐久性更好。3）牛粪，晒干的牛粪是品质最好的烧炕燃料，经过牛体消化系统的洗礼，牛粪组织细腻，质地密实，燃烧稳定、连续性好，一旦燃起火星，非人为干预不会中断。
不论是麦芒、落叶、牛粪，其燃烧特点都是“阴燃”，即以星星之火的形式逐渐蔓延，至始至终都不会产生明火，其难点在于如何引燃大面积稳定燃烧的星星之火，这就需要以明火作为初始辅助（一般情况下，需要以麦秸秆、玉米杆等作为引燃物）。特别地，做饭后厨房灶膛里尚在燃烧的大量火星可直接作为烧炕的引燃物。待炕内星火稳定燃烧后，随即关闭炕门。
图6对比了打开炕门与关闭炕门状态下的燃烧状态。打开炕门时，空气流通较好，氧气供应充足，燃烧较为充分，但燃烧速度较快，耐久性差，保暖效果持续约5-6小时。以傍晚烧炕为例，若不关炕门，可维持至凌晨二时左右，且由于极冷空气灌入炕内，会进一步影响取暖效果。若关闭炕门，空气流通显著削弱，氧气供应不足，燃烧为不充分燃烧，持续时间较长，同样傍晚烧炕，取暖效果可持续至第二天早上。
4.烧炕过程中的污染对比分析
4.1 污染的宏观观察
烧炕主要分为两个阶段：明火引燃阶段、星火阴燃阶段，前者约持续十余分钟，后者则持续数小时。第一阶段会产生明显烟雾，第二阶段则烟雾大幅减少，若不细看，肉眼几乎难以分辨。仅凭生活经验认知，一口火炕肉眼可见的排烟量，与同时间全力工作的拖拉机相当。
因条件所限，烧炕的污染情况作者目前难以进行系统精确的实验检测，故在此采用文献数据进行理论估算，主要排放指标选取为PM2.5，二氧化碳CO2，一氧化碳CO。
根据文献[1]内蒙古主要农作物秸秆燃烧释放烟气污染物研究，内蒙古地区典型农作物秸秆在明燃和阴燃条件下PM2.5排放因子分别为（0.23±0.11）～（3.26±0.16）和（0.53±0.35）～（2.91±1.69）g/kg，CO排放因子分别为（162.66±15.94）～（381.65±81.74）和（235.29±34.43）～（569.80±165.72）g/kg，CO2排放因子分别为（1094.96±182.04）～（1 866.22±377.83）和（725.10±107.71）～（1 409.43±82.32）g/kg。
前已述及，烧炕过程主要为阴燃，故取如下排放均值为：
PM2.5为(0.53+2.91)/2=1.98g/kg，
CO为(235.29+569.80)/2=402.54g/kg，
CO2为(725.10+1409.43)/2=1067.26g/kg。
上述数值并没有直观概念，我们以汽油燃烧产物作为对比。根据化学反应式估算，汽油完全燃烧的CO2排放约为3000g/kg,CO和PM2.5排放量较少，且与汽油及汽车标准有关。按照国五标准，CO排放合格标准为1000mg/km，PM细颗粒物为4.5mg/km。我们取每百公里油耗9L、汽油密度0.75g/cm3计算，得出汽油CO排放约为14.81g/kg，PM颗粒物排放为0.067g/kg。这里近似将PM细颗粒物与PM2.5等同看待，总结如下：
可见，1kg秸秆烧炕后的二氧化碳排放约为同等重量汽油的三分之一，CO和PM颗粒物排放则为汽油的27倍和29倍。
按汽车每百公里油耗9L、汽油密度0.75g/cm3计算，每千克汽油行驶约为14.8km，为方便起见，我们即以该距离为每辆车每日通勤距离（考虑到拥堵怠速等情况，该距离估算并不为过）。烧炕每晚所需树叶等燃料约为1kg，且烧炕仅持续不到4个月，开车则全年无休，考虑到排放累积，最终结论如下：
以CO排放（27倍）、PM颗粒物（29倍）等最恶劣状况估计（这里取上限值29倍），农村每烧一夜炕，直接排放污染最多相当于7辆百公里油耗9升的小排量汽车每日通勤排放。 若以温室气体CO2排放计算，则每烧一夜炕，仅相当于1辆百公里油耗9升的小排量汽车每日通勤排放量的九分之一。
结论：综合而言，烧炕造成的污染及碳排放并不显著高于开车。
或曰：汽车是交通运行命脉所在，非烧炕所能比，那么我们把烧炕的污染和香烟做以对比。
烧炕与香烟皆为植物茎叶的阴燃过程，故我们可近似只做质量对比。作者不吸烟，经网络查询，每盒香烟质量近似记为20g，则每晚烧炕的燃烧产物与吸50包香烟相当。我国烟民年均消耗香烟两万亿支[数据来源：中国香烟网https://www.cnxiangyan.com/zhishi/15761.html]，合1000亿包。根据第七次人口普查数据，我国现有户数约4.9亿户，只有北方有烧炕需求，户数减半，且其中农村居民只占36.11%。作者无法估计现阶段烧炕农户占比，以作者老家为例，因劳务输出，平时留守在家的只有个别老人和孩童，仅占总户数约1/4左右，这其中烧炕者又只有约1/3左右，由上述推算，现阶段仍在烧的炕约有700余万个，即便以1000万计，也可得出，每年抽烟造成的空气污染约为烧炕产生污染的1.6倍！
需要着重指出的是：上述分析仅考虑了空气污染，尚没有考虑吸烟的最大危害：即尼古丁烟焦油等对吸烟者及被动吸烟者造成的直接危害。
结论：仅以空气污染角度而言，吸烟造成污染远大于烧炕；若考虑直接危害，则吸烟更为恶劣得多。
或曰，烟草行业提供了大量利税，有利于国民经济发展，这个理由我们接受，但这就说明这不只是环保问题，还是个经济问题（若只论环保，实在无法解释为什么不全面禁烟）。如果从经济利益出发，烧炕反而有更大优势。
烧炕与烧煤不同。煤要经过开采、运输，含有大量成本，且是一种不可再生资源，直接零散烧掉不利于其发挥最大财富。烧炕则不然，烧炕常采用秸秆、落叶等农村随处可见的原料，成本为零，属于可再生能源。我们以京东销量最高的电热毯估计，其功率为120瓦，以晚上8时至次日早上6时使用10小时计算，一个炕四个月可节省0.12kw*10h*30*4=144度电。以全国700万炕估计，每年全国烧炕可节省用电10亿度，以0.45元/度电价计算，可节省四五亿元。这个费用是什么概念呢？中国有些大学一年的总经费差不多是这个数。
综上，北方农村冬天烧炕，产生的环保负担与开车相比并没有显著增加，与吸烟相比污染显著较小。从经济角度而言，烧炕可节省巨大的财富，属于废物利用、循环经济的典型代表。那么，从综合的、全局的环保观出发，烧炕不一定是一件有损于环保的事情，至少其正负值是值得研究的。
且烧炕这件事，往小了说，事关低收入群体的民生问题，往大了说，它是几千年来保证我们这个农耕民族度过严冬、文明得以延续的有效手段，何尝不是一种文化的见证与传承呢？不宜一禁了之。
结语
作者以为，禁不禁烧炕、禁不禁烧柴做饭，看似环保问题，实则经济发展水平问题。
作者出身农村，少时家贫，上初中时寄宿，每个星期生活费只有5元钱，一天只有一元。早饭带着干粮，切成片，花3-5毛钱去卖面、饸烙的店里要一碗酸汤，泡着干粮，或者去本地小吃豆花泡馍的摊位，要一碗豆浆泡着吃。中午花5毛钱吃一碗汤面，分量很小，回到住处再啃两口干粮。晚上把家里炒好带来的熟面粉用开水冲开，拌成糊状，再泡着干粮吃。中考前夕，一些读物上常有“备考餐”的介绍，鸡蛋、牛奶，各种肉菜搭配，营养均衡。我知道我吃的没营养，可是我没有办法，因为我只能吃得起这个。
我的大学母校是西北工业大学，08到10年，云天苑餐厅一楼有一家葱香油泼面，没有其它配菜，只有一把葱花，热油一泼，味道还不错，虽不丰盛，但是量大，吃得很饱。米饭的话，只点素菜，土豆丝、豆芽、酸白菜这些，最好吃的是红烧茄子（大概是烧茄子少不了油的缘故吧），三个素菜3元钱，专门去免费加米饭的窗口，也吃得饱。彼时荤菜分两种，一种称为“二荤”，即青椒肉丝这种荤素搭配的。“大荤”则是鸡腿、鸭腿、排骨、红烧肉这种可以大快朵颐的。我在大学吃的第一个大荤是一个鸡腿，时间是大一下学期中段，这个我记得很清楚，因为那次大学物理期中考试考了100分，自己犒劳了自己一下。那个时候我已经有相当的营养学知识，我知道蛋白质、氨基酸的代谢合成过程，我也很清楚我的饮食很单调，算不上健康，可是我没有办法，因为我们兄弟两人同时上大学，我的每一分钱都是父母在工地打工赚来的血汗钱。
时至今日，在大学工作了三年了，两年助理教授，一年副教授，论收入虽然远不是什么有钱人，但早已实现了吃饭自由。吃饭的时候，甚至常常十分“养生”刻意地要一些粗粮、要一些清淡少油的菜，与十多年前截然相反。
但如果今天，有人说，米饭、馒头、土豆、白菜这些营养不均衡，学校餐厅应该予以全部取缔，取而代之仅仅供应营养套餐，肉要精确到区分红肉白肉、鱼要分海鲜河鲜、菜要吃有机的，水果要吃无公害的，这样才营养全面……
从营养出发，我同意你说的。但从立场出发，我将视你为仇寇，因为我知道，还有许多像我一样的少年，他们很长一段时期的最大追求，只是吃饱饭而已——他们才是我引以为父老乡亲兄弟姐妹的人。
饭犹如此，烧炕何尝不是呢？我们或坐在空调房里，或脚下生着地暖，严冬里穿着短袖不解地问：烧炕多不环保啊！为什么不用天然气、不用电呢？
呵呵。
最后想说的是一个细节：农村的取暖逻辑不一样，房子本身大多没有保暖设计，整个屋子很难暖和起来，烧炕只是让被窝里暖和，睡着舒服。如果一个人的炕被封了，以我生活经验而言，她最需要的替代品不是电太阳，而是电热毯。
本文为个人作品，与任何单位及其他个人无关。
参考文献及数据来源已在正文中列出，在此不再重复。
本文转载编辑：Mr White
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