電力領(lǐng)域主要溫室氣體排放情況及控制策略研究

王宏亮，薛建明，許月陽，管一明，李兵

(國(guó)電科學(xué)技術(shù)研究院，南京 210031)

0 引言

隨著政府間應(yīng)對(duì)氣候變化談判的推進(jìn)，溫室氣體排放的控制問題越來越全球化。1997年12月通過的《京都議定書》規(guī)定了6種溫室氣體的具體減排目標(biāo)，使溫室氣體的減排從理想走向現(xiàn)實(shí)。2008年聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，CO2，CH4，N2O以及氟化物在溫室氣體中所占比例分別為85%，7%，6%和2%。聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約(UNFCCC)2009年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在溫室氣體的排放中，能源部門占83%，其中，二氧化碳、甲烷和氧化亞氮分別為92%，7%，1%。國(guó)際能源機(jī)構(gòu)(IEA)對(duì)全球溫室氣體在部門間分布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，電力和熱量生產(chǎn)、交通、工業(yè)、民用以及其他部門2009年二氧化碳排放分別占41%，23%，20%，6%和10%。從以上統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，電力生產(chǎn)仍然占據(jù)著排放源的榜首位置。

1 溫室氣體排放的主要來源

電力生產(chǎn)和輸、配電環(huán)節(jié)涉及的主要溫室氣體包括：火力發(fā)電廠燃燒化石燃料產(chǎn)生的二氧化碳、甲烷和氧化亞氮；壩式水電站庫區(qū)及其下游近流域通過液面釋放出的二氧化碳、甲烷；輸配電環(huán)節(jié)的高壓開關(guān)設(shè)備使用過程中六氟化硫的泄漏等。

1.1 火電

2011年，IEA發(fā)布的《世界主要能源統(tǒng)計(jì)》報(bào)告顯示，在2009年全球的發(fā)電份額中，化石燃料發(fā)電占67.1%(其中煤炭、天然氣、燃油分別為40.6%，21.4%，5.1%)、核電13.4%、水電16.2%、其他種類發(fā)電3.3%，而火電的固定燃燒是最主要的溫室氣體排放源。煤炭燃燒會(huì)產(chǎn)生3種溫室氣體，即二氧化碳、甲烷和氧化亞氮，就排放量而言，二氧化碳在這3種氣體中所占比例最高。在全球增溫潛勢(shì)的情況下，在煤炭燃燒過程中，二氧化碳的排放量占3種溫室氣體總量的99%以上。

1.1.1 二氧化碳

化石燃料燃燒的二氧化碳排放主要與燃料中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)，爐膛內(nèi)氧氣充足會(huì)使絕大部分的碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳，而未燃盡炭的多少受諸多因素的影響(包括燃料類型、燃燒技術(shù)、設(shè)備年齡和操作條件等)，雖然燃燒后會(huì)有殘?zhí)康拇嬖冢话愣?，煤炭的氧化率可達(dá)到98%以上。吳曉蔚等對(duì)國(guó)內(nèi)39臺(tái)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果顯示，燃煤機(jī)組煙氣中二氧化碳體積分?jǐn)?shù)范圍為10.71%～14.37%，燃?xì)鈾C(jī)組煙氣中二氧化碳體積分?jǐn)?shù)為2.9%[1]。

1.1.2 氧化亞氮與甲烷

在燃燒過程中，甲烷和氧化亞氮受到的影響因素比二氧化碳復(fù)雜，除了受燃料特性影響外，同時(shí)還與燃燒條件、機(jī)組容量、污染物控制設(shè)施等諸多因素有關(guān)。氧化亞氮主要受空氣過量系數(shù)、燃燒溫度及所采用NOx控制技術(shù)的影響，甲烷則主要是受燃料的甲烷含量以及燃燒效率的影響。

以煤粉燃燒鍋爐為代表的高溫燃燒N2O質(zhì)量濃度一般都小于10 mg/m3，它不是N2O主要生成源，而爐內(nèi)溫度相對(duì)較低的流化床燃燒則會(huì)產(chǎn)生較高質(zhì)量濃度的N2O。國(guó)內(nèi)外對(duì)循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行的實(shí)地測(cè)試表明N2O質(zhì)量濃度變化范圍很大，例如Armand等對(duì)8 MW循環(huán)流化床鍋爐(CFBC)具有代表性的工況進(jìn)行的測(cè)量結(jié)果顯示質(zhì)量濃度為100～393 mg/m3[2]。Hiltunen等對(duì)8臺(tái)大型CFBC的測(cè)量結(jié)果表明，N2O質(zhì)量濃度為60～255 mg/m3[3]。這些測(cè)試結(jié)果表明，在循環(huán)流化床鍋爐中，N2O與NOx的排放處于同一個(gè)數(shù)量級(jí)。吳曉蔚等測(cè)試的結(jié)果表明，隨煤粉爐裝機(jī)容量的增加，N2O排放質(zhì)量濃度逐漸降低至8～24 mg/m3，循環(huán)流化床鍋爐N2O排放質(zhì)量濃度為146 mg/m3。雖然目前對(duì)于N2O的生成原理還沒有確切的解釋，但大部分研究都認(rèn)為溫度是影響燃煤鍋爐N2O排放量的主要因素[4-7]，爐膛溫度越低越有利于N2O的生成，反之則有利于NOx的生成。另外，燃料、過量空氣系數(shù)和循環(huán)物料等諸多因素對(duì)循環(huán)流化床鍋爐N2O的質(zhì)量濃度均存在影響。

循環(huán)流化床作為一項(xiàng)高效低污染清潔燃燒技術(shù)，近年來在世界范圍內(nèi)取得了迅速的發(fā)展。國(guó)內(nèi)循環(huán)流化床不僅在技術(shù)上有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，而且在參數(shù)和容量等級(jí)上一直穩(wěn)步提高，其中四川白馬電廠建成了世界上第1臺(tái)裝機(jī)600 MW的循環(huán)流化床機(jī)組。然而，在循環(huán)流化床技術(shù)的發(fā)展和推廣中，必須面對(duì)和解決N2O的排放問題。

關(guān)于火電甲烷排放質(zhì)量濃度的報(bào)道較少，根據(jù)Seehyung Lee對(duì)燃用低階無煙煤的2臺(tái)200 MW流化床機(jī)組的測(cè)試結(jié)果顯示，甲烷排放質(zhì)量濃度2.77～4.36 mg/m3

1.2 水電

水電作為一種將水的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電形式，它一直作為替代化石能源的成熟清潔能源技術(shù)，在世界范圍內(nèi)受到廣泛重視。但在20世紀(jì)90年代開展的淡水生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的科學(xué)研究中，部分測(cè)試結(jié)果顯示的水庫溫室氣體排放量引發(fā)了廣泛關(guān)注[8-11]，進(jìn)而產(chǎn)生了對(duì)水電的環(huán)保質(zhì)疑。水庫溫室氣體(二氧化碳、甲烷等)的產(chǎn)生和排放本質(zhì)上是水庫內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)碳轉(zhuǎn)化和循環(huán)的結(jié)果，其中有機(jī)質(zhì)的分解是產(chǎn)生溫室氣體的主要來源。其基本生物化學(xué)反應(yīng)如下：

從20世紀(jì)90年代開始，分別在北半球寒帶、溫帶和熱帶開展了淡水水庫CO2和CH4排放的研究工作，其中多數(shù)研究集中在通過擴(kuò)散和鼓泡形式從氣水界面釋放的溫室氣體排放規(guī)律的觀測(cè)，而對(duì)發(fā)電機(jī)泄水去氣過程和水庫下游的排放的研究較少。表1列出了從水庫表面、水輪機(jī)以及下游3個(gè)部分測(cè)試的溫室氣體排放量，可以看出測(cè)試結(jié)果的變化區(qū)間很大。此前的研究主要存在幾個(gè)問題：首先，當(dāng)時(shí)國(guó)際上沒有公認(rèn)的有效測(cè)量方法可以參照；其次，研究數(shù)據(jù)不夠全面，對(duì)水庫開展全面研究的較少，再次，測(cè)試結(jié)果中應(yīng)該扣除此前該地區(qū)地面生態(tài)鏈對(duì)大氣溫室氣體的貢獻(xiàn)，研究?jī)襞欧帕坎拍苷鎸?shí)反映水庫對(duì)氣候變化的影響。因此，現(xiàn)階段還不能對(duì)水庫的影響得出實(shí)質(zhì)性結(jié)論，需要進(jìn)一步觀察研究。

表1 北方、溫帶及熱帶地區(qū)水庫CO2和CH4平均總排放量[12] mmol/(m2·d)

1.3 輸配電

六氟化硫是全球變暖系數(shù)高(23 900)且在大氣中存在壽命長(zhǎng)(3 200年)的一種溫室效應(yīng)極強(qiáng)的氣體。全球六氟化硫氣體產(chǎn)量的80%用于電力工業(yè)，其中80%用于高壓開關(guān)設(shè)備的絕緣或滅弧。雖然其排放量與其他溫室氣體相比很小，但一直受到電力行業(yè)的關(guān)注。目前，在世界范圍內(nèi)的電力企業(yè)都積極進(jìn)行六氟化硫的研究，特別是氣體循環(huán)利用和泄漏檢測(cè)技術(shù)的研究。六氟化硫作為一種人為的溫室氣體，整個(gè)的生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用及回收環(huán)節(jié)都存在泄露到空氣中的可能。它主要有2個(gè)泄漏途徑：

(1)在高壓斷路器等用氣設(shè)備的安裝、維護(hù)、退役過程中，由于操作不當(dāng)導(dǎo)致的泄漏；

(2)六氟化硫儲(chǔ)存裝置的泄漏。

McCreary J.D.等對(duì)美國(guó)斷路器的調(diào)查結(jié)果顯示，10%的斷路器存在泄漏，其中15%經(jīng)過一次性修補(bǔ)仍能長(zhǎng)期使用，另外85%則需要進(jìn)行定期的修理維護(hù)才能保證正常運(yùn)行。EPA對(duì)1998—2002年期間，電力行業(yè)使用的等級(jí)為33～800 kV高壓斷路器的調(diào)查顯示，六氟化硫的泄漏率為0.2%～2.5%[13-15]。而2003年國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)IEC 62271-203—2011《高壓開關(guān)設(shè)備和控制開關(guān)》規(guī)定六氟化硫封閉式組合電器(GIS)年漏氣率為0.5%，這表明有相當(dāng)比例的斷路器不能滿足該標(biāo)準(zhǔn)的要求。

我國(guó)華北電網(wǎng)公司結(jié)合聯(lián)合國(guó)清潔能源發(fā)展機(jī)制(CDM)，對(duì)電網(wǎng)企業(yè)六氟化硫氣體的排放回收進(jìn)行了研究，確定了相關(guān)排放基準(zhǔn)線，研究了具體的減排技術(shù)和措施。目前國(guó)內(nèi)六氟化硫氣體的實(shí)際回收利用率很低，回收裝置大都是電器設(shè)備抽真空，缺少能夠?qū)⒘蜻M(jìn)行再處理的裝置。

2 我國(guó)電力行業(yè)的溫室氣體排放概況

鑒于現(xiàn)階段我國(guó)能源的特點(diǎn)，決定了火力發(fā)電的核心地位。截至2012年年底，全國(guó)全口徑發(fā)電量473 064 986.5 TW·h，其中火電發(fā)電量390 033 925.5 TW·h，所占比例82.46%，水電、核電、風(fēng)電以及其他發(fā)電類型機(jī)組的發(fā)電量所占比例分別為17.16%,1.97%,2.07%和0.08%。

而在火電廠排放的煙氣中，主要溫室氣體為二氧化碳及少量甲烷。2010年，電力行業(yè)二氧化碳排放量接近全國(guó)排放總量的50%，為我國(guó)碳排放的主要行業(yè)之一。目前電力行業(yè)尚未發(fā)布電力行業(yè)二氧化碳監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)方法，現(xiàn)階段主要采用排放系數(shù)法進(jìn)行排放統(tǒng)計(jì)，根據(jù)該方法統(tǒng)計(jì)了2000—2009年電力行業(yè)二氧化碳排放量，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示。

圖1 電力行業(yè)2000—2009年二氧化碳的排放情況

3 應(yīng)對(duì)策略

3.1 推動(dòng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)

針對(duì)我國(guó)能源及電力結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，結(jié)合電力行業(yè)主要溫室氣體(主要是指燃煤發(fā)電領(lǐng)域的二氧化碳)排放的具體情況，應(yīng)建立適合我國(guó)國(guó)情的監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)、核算方法體系，以便通過系統(tǒng)測(cè)試掌握二氧化碳產(chǎn)生和排放現(xiàn)狀，為我國(guó)二氧化碳控制政策標(biāo)準(zhǔn)的制定以及選擇電廠最佳控制技術(shù)方案提供參考。逐步建立覆蓋整個(gè)發(fā)、輸、配、用電全過程，涵蓋水電、風(fēng)電、核電等其他發(fā)電的統(tǒng)計(jì)、監(jiān)測(cè)、減排、考核為主線的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系(包括甲烷、氧化亞氮、六氟化硫等其他溫室氣體的排放監(jiān)控)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力行業(yè)健康發(fā)展的合理引導(dǎo)。

3.2 形成綜合控制體系

先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)表明，溫室氣體的減排主要從3個(gè)方面著手。首先，能源結(jié)構(gòu)和電力結(jié)構(gòu)的調(diào)整，結(jié)合國(guó)家能源戰(zhàn)略，提高低碳燃料的使用份額，增加清潔發(fā)電機(jī)組的比例。其次，機(jī)組效率的提升以及低碳技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)于已有的溫室氣體排放機(jī)組，重點(diǎn)關(guān)注機(jī)組效率的提高以及碳回收利用，同時(shí)加快整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)(IGCC)和二氧化碳捕獲和封存技術(shù)(CCS)等潛力低碳技術(shù)的示范應(yīng)用。最后，引入合理的市場(chǎng)交易機(jī)制，通過環(huán)境經(jīng)濟(jì)工具有效降低整個(gè)行業(yè)的排放水平。

3.3 建立報(bào)告核查機(jī)制

對(duì)于溫室氣體減排技術(shù)的推廣和總量目標(biāo)的最終實(shí)現(xiàn)，必須要有嚴(yán)格的報(bào)告和核查機(jī)制，報(bào)告和核查環(huán)節(jié)是最終實(shí)現(xiàn)碳市場(chǎng)交易的基石。應(yīng)該規(guī)范包括企業(yè)層次在內(nèi)的溫室氣體排放、清除及審核層次的報(bào)告內(nèi)容和形式。同時(shí)構(gòu)建監(jiān)測(cè)手段、統(tǒng)計(jì)方法、總量審查3個(gè)層次的核查體系，應(yīng)重視審核人員的能力建設(shè)。

4 結(jié)束語

我國(guó)電力行業(yè)溫室氣體污染控制應(yīng)結(jié)合本國(guó)能源結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，充分借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，注重技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)和技術(shù)創(chuàng)新。在重點(diǎn)控制二氧化碳排放的同時(shí)，將甲烷、氧化亞氮以及六氟化硫等低排放量的溫室氣體納入監(jiān)控體系。積極將全生命周期碳排放的概念引入電力行業(yè)，建立覆蓋從機(jī)組建設(shè)到退役全過程的溫室氣體排放評(píng)估體系。推動(dòng)溫室氣體排放報(bào)告制度的建立，為碳交易營(yíng)造良好的基礎(chǔ)環(huán)境。

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