火电厂二氧化碳排放量计算方法研究

李凤宁,张景伟,赵 阳,原亚开,程 佳

(1.淮南矿业集团发电有限责任公司潘三电厂,安徽 淮南 010300;2.辽宁东科电力有限公司,辽宁 沈阳 110179)

0 引言

非极性气体分子具有对称结构,如氧气(O2)、氮气(N2)等既不吸收辐射能量,也不发射辐射能量。但是对于非对称结构分子,如二氧化碳(CO2)、水蒸气(H2O)、氨气(NH3)等既吸收辐射能量,又可以向外发射辐射能量,同时其对辐射能量的吸收或发射具有波长选择性,即每种气体所吸收辐射能量的波长分布并不完全相同[1]。大气中既包含O2、N2等具有对称结构的非极性分子,也包含CO2、H2O等非对称性分子,因此地球大气对辐射能量既有吸收性,又有发射性,并对辐射能量的波长具有选择性。

太阳辐射能量的波长较短,大部分辐射能量能够穿透地球大气层达到地面,而地面温度较低,向外太空辐射能量波长较长,大气中H2O、CO2等非对称性分子对其吸收能力较强,造成近地面大气温度升高,从而产生温室效应。

目前,很多科学家认为温室效应可能会给人类生存带来较大威胁,比如温室效应进一步增强后,各种细菌及微生物生存范围扩大且繁殖速度加快,容易造成人类疾病传播;地球表面温度升高会导致海水膨胀、南北两极及高山上的冰雪融化,造成海平面上升,从而淹没部分沿海城市;地球表面的大气温度升高会导致高温、干旱、台风、暴风雨雪及冰雹等极端天气数量增多、强度增加[2-3]。同时,《京都议定书》中认定甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、氢氟碳化物(HFCs)、全氟化碳(PFCs)、六氟化硫(SF6)及CO2共6种气体为温室气体。在这6种气体中,由于人类生产生活中化石燃料燃烧所产生的CO2排放量特别巨大[4-5],碳减排被认为是人类控制大气温室效应的关键。

基于我国目前的电力行业能源结构,以燃煤作为主要燃料的火电厂仍然是我国居民生产生活中化石燃料的重要消耗主体。如何通过现有技术手段提高碳排放计量方法的实用性和精确性是火电厂开展碳减排工作的基础,对实现“30、60”双碳目标具有重要意义。

1 常规碳排放计量方法

为了准确计量企业碳排放量,尤其是火电厂的碳排放总量,在生态环境部发布的《企业温室气体排放核算方法与报告指南 发电设施》中给出了完整的化石燃料燃烧排放计算式(1)。

(1)

式中:E燃烧为化石燃料燃烧排放量,tCO2;ADi为第i种化石燃料活动数据,GJ;EFi为第i种化石燃料CO2排放因子,tCO2/GJ;i为化石燃料类型代号。

化石燃料活动数据计算采用式(2)。

ADi=NCVi×FCi

(2)

式中:NCVi为第i种化石燃料的收到基发热量,GJ/t;FCi为第i种化石燃料的消耗量,t。

CO2排放因子计算采用式(3)。

(3)

式中:CCi为第i种化石燃料的单位热值含碳量,t/GJ;OFi为第i种化石燃料的碳氧化率,%。

燃煤的单位热值含碳量计算采用式(4)。

(4)

式中:CC煤为燃煤单位热值含碳量,t/GJ;C煤为燃煤中含碳量,tC/t;NCV煤为燃煤低位发热量,GJ/t。

燃煤的碳氧化率计算采用式(5)。

(5)

式中:G渣为炉渣产量,t;C渣为炉渣中平均含碳量,tC/t;G灰为飞灰产量,t;C灰为飞灰中平均含碳量,tC/t;η灰为除尘器平均效率,%;FC煤为燃煤消耗量,t。

随着燃煤发电企业碳排放量计算方法正式实施,对计算方法中的相关内容进行了一些修正。

首先提出将燃煤的单位热值含碳量计算公式订正为式(6)。

(6)

式中:Car为燃煤收到基单位热值含碳量,tC/t;NCVar为燃煤收到基低位发热量,GJ/t。

式(7)中明确了燃煤的单位热值含碳量以收到基为准,同时给出了燃煤收到基含碳量的计算公式:

(7)

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

其次,规定燃煤的碳氧化率为99%,对燃油和燃气的碳氧化率也进行了相关规定。

因此,火电厂年CO2排放总量按照式(8)计算:

E燃烧=3.63×FC煤×Car

(8)

式中:FC煤为燃煤年净消耗量,t。

由式(8)可知,火电厂年CO2排放总量和燃煤消耗量、燃煤含碳量相关。以某台330 MW循环流化床锅炉机组为例,该机组2021年消耗燃煤为105.34×104t,燃煤中收到基含碳量年加权平均值为31.18%,那么按照式(8)计算得到全年的CO2排放总量为119.23×104t。

2 碳排放影响因素分析

目前现行燃煤发电企业碳排放量计算方法中,对于燃煤的碳氧化率直接规定为99%,计算方法虽然得到一定程度简化,但可能会带来误差。一方面,飞灰和炉渣含碳量对碳氧化率会产生影响。以某台330 MW机组为例,该机组燃煤的灰分质量分数平均值为40.62%、飞灰含碳量平均值为3.6%、炉渣含碳量平均值为1.8%。飞灰和炉渣比例按55∶45计算,2021年该机组飞灰和炉渣中未燃烧碳总量为1.19×104t,年消耗燃煤中总含碳量为32.85×104t,经计算可知燃煤的未氧化碳总量占比为3.63%,超过1%的规定值。另一方面,目前相关计算方法中对火电厂在锅炉点火或投油稳燃过程中的油耗进行了碳氧化率的规定,但出于增加经济效益或降低成本目的,部分火电厂掺烧了油页岩、石油焦、城市污泥、垃圾及农业废弃物等多种燃料,目前计算方法中对碳氧化率的规定内容并未全部涵盖,也为碳排放量计算带来困难。

此外,现役火电厂参与电网深度调峰,锅炉在低负荷工况下燃烧效率会发生较大变化,对燃煤的碳氧化率也会造成影响。

因此,碳氧化率的大幅变化会对CO2排放量的准确计量产生不利影响,容易造成碳排放量计算误差增大。火电厂CO2排放总量计算式(8)中包括年消耗燃煤总量和化验燃煤中收到基含碳量,其中涉及到的燃煤消耗量统计准确性、燃煤化验取样代表性、化验结果准确性等因素均会对CO2排放总量计算产生影响,进而造成计算误差。

3 基于CO2浓度测量的碳排放计量方法

随着测量技术发展,可以通过技术手段实现对锅炉烟气中CO2、CO等成分的在线监测及准确测量。例如:可以采用基于近红外波段可调谐激光吸收层析成像等方法,实现对锅炉烟气中CO2浓度的准确测量,测量相对误差可控制在3%以内[6-10]。因此,提出能够准确测量烟气流量的前提下,烟气中CO2的流量可采用式(9)计算。

(9)

火电厂机组全年或某一时间段[0,T]内的CO2排放总量可按式(10)计算。

(10)

需要注意的是,在目前的测量技术中,对于大尺寸管道内气体流量的准确测量比较困难。如制造大尺寸孔板流量计技术困难较大,而且孔板或翼型板会增加流体阻力,长期运行中会消耗较多的风机电耗[11-12],在火电厂的流量测量中更多的是采用皮托管、热线风速仪、超声波流量计等速度测量方法来获取流量。

皮托管测量是最常用的方法[13-17],电力行业现行标准《电站锅炉风机现场性能试验》中关于流量计算就是依据这种方法。但是,采用皮托管测量烟气流速时,受烟气中水蒸气凝结影响,皮托管测量误差也会急剧增大,因此,文献[18]对于烟气流速在线监测方面提出了烟气流速技术性能要求(见表1)。热线风速仪可以通过测量处于气流中的热电偶或热电阻温度、电加热功率等参数直接测量气流速度[19-21]以实现流量测量。超声波流量计采用的是非接触式测量方法[22-25],通过在管道壁面的合适位置上安装超声波发射器与接收器,通过测量发射出的超声波与接收到的超声波时间差,通过换算流体速度以计算气体流量。

表1 烟气流速技术性能要求

以上基于速度场的流量测量方法中,对于测量截面速度场的均匀性要求较高。在较为理想的测试条件下,例如在较长的直管段内布置测点进行测量,能够保证比较理想的测量精度。但在测量截面内速度梯度较大,尤其在存在回流的条件下,流量测量的准确性不高,测量误差甚至超过20%。

本文提出采用热力学方法测量风机性能,即以风机能量平衡为前提,建立基于热力学原理的风机性能测试与计算方法。该方法在测量火电厂锅炉风机流量时,误差约为2%,具有较高的测量精度[26-29]。同时考虑到烟气成分复杂多变,测量引风机的烟气流量时还应考虑烟气成分及物性参数,不仅能够实现对引风机运行性能实时监测,而且有利于实现对火电厂机组碳排放量的有效监测与精确计量。目前测量技术手段能够保证引风机流量与烟气中CO2浓度在线测量,测量数据实时上传并存储于火电厂控制系统,不仅能够有效避免目前碳排放量计算过程中涉及的燃煤消耗量统计准确性、燃煤化验取样代表性、化验结果准确性等因素干扰,而且能够节省大量人力物力,尽可能减小客观因素对碳排放量计算准确性带来的影响。

此外,对于以生物质为主要燃料或火电厂掺烧燃料的机组,考虑到生物质在生长过程中吸收大气中CO2,一般不将其燃烧过程中所产生的CO2计入额外增加的碳排放量。因此,对于燃煤机组掺烧生物质等燃料的情况[30-31],由于生物质燃料的燃尽率较高,宜将生物质燃料的碳氧化率规定为100%,并在CO2排放计量结果中扣除生物质燃烧所产生的CO2。

4 结语

本文分析目前碳排放计量方法,提出采用现有技术对烟气流量与CO2浓度进行测量,实现对火电厂CO2排放量的精准计量。基于我国目前能源结构变化和碳减排形势,火电厂在未来相当长一段时间内仍将作为重要的化石能源消耗主体,碳排放计量方法研究与应用对实现“30、60”双碳目标具有重要意义,同时可为相关电厂提供借鉴。