火電廠二氧化碳排放量計算方法研究

李鳳寧,張景偉,趙 陽,原亞開,程 佳

(1.淮南礦業集團發電有限責任公司潘三電廠,安徽 淮南 010300;2.遼寧東科電力有限公司,遼寧 沈陽 110179)

0 引言

非極性氣體分子具有對稱結構,如氧氣(O2)、氮氣(N2)等既不吸收輻射能量,也不發射輻射能量。但是對于非對稱結構分子,如二氧化碳(CO2)、水蒸氣(H2O)、氨氣(NH3)等既吸收輻射能量,又可以向外發射輻射能量,同時其對輻射能量的吸收或發射具有波長選擇性,即每種氣體所吸收輻射能量的波長分布并不完全相同[1]。大氣中既包含O2、N2等具有對稱結構的非極性分子,也包含CO2、H2O等非對稱性分子,因此地球大氣對輻射能量既有吸收性,又有發射性,并對輻射能量的波長具有選擇性。

太陽輻射能量的波長較短,大部分輻射能量能夠穿透地球大氣層達到地面,而地面溫度較低,向外太空輻射能量波長較長,大氣中H2O、CO2等非對稱性分子對其吸收能力較強,造成近地面大氣溫度升高,從而產生溫室效應。

目前,很多科學家認為溫室效應可能會給人類生存帶來較大威脅,比如溫室效應進一步增強后,各種細菌及微生物生存范圍擴大且繁殖速度加快,容易造成人類疾病傳播;地球表面溫度升高會導致海水膨脹、南北兩極及高山上的冰雪融化,造成海平面上升,從而淹沒部分沿海城市;地球表面的大氣溫度升高會導致高溫、干旱、臺風、暴風雨雪及冰雹等極端天氣數量增多、強度增加[2-3]。同時,《京都議定書》中認定甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)、氫氟碳化物(HFCs)、全氟化碳(PFCs)、六氟化硫(SF6)及CO2共6種氣體為溫室氣體。在這6種氣體中,由于人類生產生活中化石燃料燃燒所產生的CO2排放量特別巨大[4-5],碳減排被認為是人類控制大氣溫室效應的關鍵。

基于我國目前的電力行業能源結構,以燃煤作為主要燃料的火電廠仍然是我國居民生產生活中化石燃料的重要消耗主體。如何通過現有技術手段提高碳排放計量方法的實用性和精確性是火電廠開展碳減排工作的基礎,對實現“30、60”雙碳目標具有重要意義。

1 常規碳排放計量方法

為了準確計量企業碳排放量,尤其是火電廠的碳排放總量,在生態環境部發布的《企業溫室氣體排放核算方法與報告指南 發電設施》中給出了完整的化石燃料燃燒排放計算式(1)。

(1)

式中:E燃燒為化石燃料燃燒排放量,tCO2;ADi為第i種化石燃料活動數據,GJ;EFi為第i種化石燃料CO2排放因子,tCO2/GJ;i為化石燃料類型代號。

化石燃料活動數據計算采用式(2)。

ADi=NCVi×FCi

(2)

式中:NCVi為第i種化石燃料的收到基發熱量,GJ/t;FCi為第i種化石燃料的消耗量,t。

CO2排放因子計算采用式(3)。

(3)

式中:CCi為第i種化石燃料的單位熱值含碳量,t/GJ;OFi為第i種化石燃料的碳氧化率,%。

燃煤的單位熱值含碳量計算采用式(4)。

(4)

式中:CC煤為燃煤單位熱值含碳量,t/GJ;C煤為燃煤中含碳量,tC/t;NCV煤為燃煤低位發熱量,GJ/t。

燃煤的碳氧化率計算采用式(5)。

(5)

式中:G渣為爐渣產量,t;C渣為爐渣中平均含碳量,tC/t;G灰為飛灰產量,t;C灰為飛灰中平均含碳量,tC/t;η灰為除塵器平均效率,%;FC煤為燃煤消耗量,t。

隨著燃煤發電企業碳排放量計算方法正式實施,對計算方法中的相關內容進行了一些修正。

首先提出將燃煤的單位熱值含碳量計算公式訂正為式(6)。

(6)

式中:Car為燃煤收到基單位熱值含碳量,tC/t;NCVar為燃煤收到基低位發熱量,GJ/t。

式(7)中明確了燃煤的單位熱值含碳量以收到基為準,同時給出了燃煤收到基含碳量的計算公式:

(7)

式中:Cad為燃煤空氣干燥基含碳量,tC/t;Mar為燃煤收到基含水量,%;Mad為燃煤空氣干燥基含水量,%。

其次,規定燃煤的碳氧化率為99%,對燃油和燃氣的碳氧化率也進行了相關規定。

因此,火電廠年CO2排放總量按照式(8)計算:

E燃燒=3.63×FC煤×Car

(8)

式中:FC煤為燃煤年凈消耗量,t。

由式(8)可知,火電廠年CO2排放總量和燃煤消耗量、燃煤含碳量相關。以某臺330 MW循環流化床鍋爐機組為例,該機組2021年消耗燃煤為105.34×104t,燃煤中收到基含碳量年加權平均值為31.18%,那么按照式(8)計算得到全年的CO2排放總量為119.23×104t。

2 碳排放影響因素分析

目前現行燃煤發電企業碳排放量計算方法中,對于燃煤的碳氧化率直接規定為99%,計算方法雖然得到一定程度簡化,但可能會帶來誤差。一方面,飛灰和爐渣含碳量對碳氧化率會產生影響。以某臺330 MW機組為例,該機組燃煤的灰分質量分數平均值為40.62%、飛灰含碳量平均值為3.6%、爐渣含碳量平均值為1.8%。飛灰和爐渣比例按55∶45計算,2021年該機組飛灰和爐渣中未燃燒碳總量為1.19×104t,年消耗燃煤中總含碳量為32.85×104t,經計算可知燃煤的未氧化碳總量占比為3.63%,超過1%的規定值。另一方面,目前相關計算方法中對火電廠在鍋爐點火或投油穩燃過程中的油耗進行了碳氧化率的規定,但出于增加經濟效益或降低成本目的,部分火電廠摻燒了油頁巖、石油焦、城市污泥、垃圾及農業廢棄物等多種燃料,目前計算方法中對碳氧化率的規定內容并未全部涵蓋,也為碳排放量計算帶來困難。

此外,現役火電廠參與電網深度調峰,鍋爐在低負荷工況下燃燒效率會發生較大變化,對燃煤的碳氧化率也會造成影響。

因此,碳氧化率的大幅變化會對CO2排放量的準確計量產生不利影響,容易造成碳排放量計算誤差增大?；痣姀SCO2排放總量計算式(8)中包括年消耗燃煤總量和化驗燃煤中收到基含碳量,其中涉及到的燃煤消耗量統計準確性、燃煤化驗取樣代表性、化驗結果準確性等因素均會對CO2排放總量計算產生影響,進而造成計算誤差。

3 基于CO2濃度測量的碳排放計量方法

隨著測量技術發展,可以通過技術手段實現對鍋爐煙氣中CO2、CO等成分的在線監測及準確測量。例如:可以采用基于近紅外波段可調諧激光吸收層析成像等方法,實現對鍋爐煙氣中CO2濃度的準確測量,測量相對誤差可控制在3%以內[6-10]。因此,提出能夠準確測量煙氣流量的前提下,煙氣中CO2的流量可采用式(9)計算。

(9)

火電廠機組全年或某一時間段[0,T]內的CO2排放總量可按式(10)計算。

(10)

需要注意的是,在目前的測量技術中,對于大尺寸管道內氣體流量的準確測量比較困難。如制造大尺寸孔板流量計技術困難較大,而且孔板或翼型板會增加流體阻力,長期運行中會消耗較多的風機電耗[11-12],在火電廠的流量測量中更多的是采用皮托管、熱線風速儀、超聲波流量計等速度測量方法來獲取流量。

皮托管測量是最常用的方法[13-17],電力行業現行標準《電站鍋爐風機現場性能試驗》中關于流量計算就是依據這種方法。但是,采用皮托管測量煙氣流速時,受煙氣中水蒸氣凝結影響,皮托管測量誤差也會急劇增大,因此,文獻[18]對于煙氣流速在線監測方面提出了煙氣流速技術性能要求(見表1)。熱線風速儀可以通過測量處于氣流中的熱電偶或熱電阻溫度、電加熱功率等參數直接測量氣流速度[19-21]以實現流量測量。超聲波流量計采用的是非接觸式測量方法[22-25],通過在管道壁面的合適位置上安裝超聲波發射器與接收器,通過測量發射出的超聲波與接收到的超聲波時間差,通過換算流體速度以計算氣體流量。

表1 煙氣流速技術性能要求

以上基于速度場的流量測量方法中,對于測量截面速度場的均勻性要求較高。在較為理想的測試條件下,例如在較長的直管段內布置測點進行測量,能夠保證比較理想的測量精度。但在測量截面內速度梯度較大,尤其在存在回流的條件下,流量測量的準確性不高,測量誤差甚至超過20%。

本文提出采用熱力學方法測量風機性能,即以風機能量平衡為前提,建立基于熱力學原理的風機性能測試與計算方法。該方法在測量火電廠鍋爐風機流量時,誤差約為2%,具有較高的測量精度[26-29]。同時考慮到煙氣成分復雜多變,測量引風機的煙氣流量時還應考慮煙氣成分及物性參數,不僅能夠實現對引風機運行性能實時監測,而且有利于實現對火電廠機組碳排放量的有效監測與精確計量。目前測量技術手段能夠保證引風機流量與煙氣中CO2濃度在線測量,測量數據實時上傳并存儲于火電廠控制系統,不僅能夠有效避免目前碳排放量計算過程中涉及的燃煤消耗量統計準確性、燃煤化驗取樣代表性、化驗結果準確性等因素干擾,而且能夠節省大量人力物力,盡可能減小客觀因素對碳排放量計算準確性帶來的影響。

此外,對于以生物質為主要燃料或火電廠摻燒燃料的機組,考慮到生物質在生長過程中吸收大氣中CO2,一般不將其燃燒過程中所產生的CO2計入額外增加的碳排放量。因此,對于燃煤機組摻燒生物質等燃料的情況[30-31],由于生物質燃料的燃盡率較高,宜將生物質燃料的碳氧化率規定為100%,并在CO2排放計量結果中扣除生物質燃燒所產生的CO2。

4 結語

本文分析目前碳排放計量方法,提出采用現有技術對煙氣流量與CO2濃度進行測量,實現對火電廠CO2排放量的精準計量?；谖覈壳澳茉唇Y構變化和碳減排形勢,火電廠在未來相當長一段時間內仍將作為重要的化石能源消耗主體,碳排放計量方法研究與應用對實現“30、60”雙碳目標具有重要意義,同時可為相關電廠提供借鑒。