煤發(fā)熱量推導(dǎo)含碳量公式計(jì)算CO2排放量方法探討

汪 毅，黃 靜，汪永祥

（1.東北電力設(shè)計(jì)院，吉林 長春 130021；2.中國市政工程東北設(shè)計(jì)研究院，吉林 長春 130021）

煤發(fā)熱量推導(dǎo)含碳量公式計(jì)算CO2排放量方法探討

汪 毅1，黃 靜2，汪永祥1

（1.東北電力設(shè)計(jì)院，吉林 長春 130021；2.中國市政工程東北設(shè)計(jì)研究院，吉林 長春 130021）

根據(jù)國內(nèi)100余種典型煤種、煤質(zhì)工業(yè)分析和元素分析數(shù)據(jù)資料，通過煤質(zhì)低位發(fā)熱量分別計(jì)算含碳量，其結(jié)果與煤質(zhì)元素分析含碳量值進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)煤質(zhì)低位發(fā)熱量與含碳量之間呈正相關(guān)性。因此，采用煤質(zhì)低位發(fā)熱量推導(dǎo)出含碳量計(jì)算公式無約束條件，可簡捷、快速地計(jì)算煤質(zhì)的含碳量，計(jì)算CO2污染物排放量。采用物料平衡法推導(dǎo)出燃煤CO2污染物排放量計(jì)算方法，是較準(zhǔn)確的計(jì)算方法，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，可為火電工程設(shè)計(jì)、環(huán)境保護(hù)部門監(jiān)管及電廠管理人員等提供借鑒。

煤發(fā)熱量；含碳量；煤元素分析；計(jì)算公式

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速發(fā)展，國家為防治大氣環(huán)境污染、低碳排放，降低溫室效應(yīng)，對燃煤火電工程建設(shè)項(xiàng)目，采取煙氣污染物排放總量控制和煙氣污染物煙塵、SO2、NOx排放濃度達(dá)標(biāo)排放雙重標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)控［1］，對排放的煙氣污染物（煙塵、SO2、NOx、CO2）需繳納排污費(fèi)［2］，若煙氣污染物濃度超標(biāo)尚需繳納超標(biāo)排污費(fèi)。由于火電工程項(xiàng)目前期建設(shè)階段，煤源、煤種及煤質(zhì)尚不能確定，若確定煤源和取得燃煤檢驗(yàn)的工業(yè)分析及元素分析數(shù)據(jù)資料，需要幾個(gè)月或相當(dāng)長的時(shí)間，使工程設(shè)計(jì)、核算煙氣污染物排污費(fèi)等滯后進(jìn)行，給建設(shè)項(xiàng)目投資估算帶來困難。

目前，對火電工程CO2排放量尚無相應(yīng)的計(jì)算方法、規(guī)范及依據(jù)，而用經(jīng)驗(yàn)公式推算又存在諸多問題。因此，根據(jù)收集國內(nèi)100余種典型煤種、煤質(zhì)工業(yè)分析和元素分析數(shù)據(jù)資料，經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)煤質(zhì)低位發(fā)熱量隨著含碳量增加而增高，并且呈正相關(guān)性。因此，采用煤質(zhì)低位發(fā)熱量推導(dǎo)出含碳量計(jì)算公式，該計(jì)算公式無約束條件，可簡捷、快速計(jì)算煤質(zhì)含碳量及采用物料平衡法計(jì)算燃煤CO2污染物排放量。

1 煤發(fā)熱量推導(dǎo)含碳量計(jì)算公式

煤質(zhì)低位發(fā)熱量為5 026～29 850 kJ／kg，其中Car含量為14.80%～77.59%，Har含量為0.73%～5.44%，Oar含量為0.20%～11.24%，Nar含量為0.14%～13.38%，Sar含量為0.15%～10.49%。根據(jù)有關(guān)煤質(zhì)元素分析數(shù)據(jù)資料，按煤質(zhì)低位發(fā)熱量由小往大排序，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)內(nèi)插法分別計(jì)算各煤質(zhì)的Qnet，ar／Car值，反復(fù)調(diào)試內(nèi)插系數(shù)，計(jì)算結(jié)果與煤質(zhì)元素分析含碳量進(jìn)行對比，并計(jì)算其誤差。經(jīng)統(tǒng)計(jì)回歸計(jì)算，發(fā)現(xiàn)煤質(zhì)低位發(fā)熱量與含碳量呈正相關(guān)性［3－5］。因此，推導(dǎo)出采用煤質(zhì)低位發(fā)熱量計(jì)算含碳量的公式。

當(dāng)煤質(zhì)低位發(fā)熱量為5 026～19 040 kJ／kg，含碳量計(jì)算公式如下：

式中 C——每kg煤質(zhì)含碳量，%；

Qnet，ar——煤質(zhì)低位發(fā)熱量，kJ／kg；

356——系數(shù)。

當(dāng)煤質(zhì)低位發(fā)熱量為19 040～29 850 kJ／kg，含碳量計(jì)算公式如下：

為驗(yàn)證采用煤質(zhì)低位發(fā)熱量推導(dǎo)的含碳量計(jì)算公式的準(zhǔn)確度和適用性，抽出9個(gè)發(fā)熱量值之間跨度較大的不同類別的煤種、煤質(zhì)發(fā)熱量及煤質(zhì)元素分析數(shù)據(jù)見表1。根據(jù)煤質(zhì)發(fā)熱量，采用含碳量計(jì)算公式（1）、（2）分別計(jì)算各煤質(zhì)的含碳量，其計(jì)算結(jié)果與煤質(zhì)元素分析數(shù)據(jù)含碳量值進(jìn)行對比，相對誤差見表2。

表1 煤質(zhì)元素分析數(shù)據(jù)

表2 煤質(zhì)含碳量相對誤差

由表2可知：采用煤質(zhì)低位發(fā)熱量推導(dǎo)的含碳量計(jì)算公式，計(jì)算煤質(zhì)含碳量相對誤差除2.28%外，其余相對誤差為－1.29%～0.41%，誤差較小，準(zhǔn)確度較好，公式具有適用性。

2 燃煤CO2排放量計(jì)算

燃煤CO2污染物排放量計(jì)算方法有多種［6－10］，如實(shí)測法、物料平衡法及經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法等。

實(shí)測法分現(xiàn)場采樣檢驗(yàn)分析法與固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測（CEMS）裝置2種方法，現(xiàn)場采樣回實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)分析，費(fèi)工費(fèi)時(shí)，從現(xiàn)場采樣到出具報(bào)告，全過程操作繁瑣，時(shí)間長、費(fèi)用較高；安裝煙氣排放連續(xù)監(jiān)測在線計(jì)量裝置，可連續(xù)監(jiān)測流量（流速）、CO2濃度，可直接計(jì)算瞬時(shí)CO2排放量，并可累計(jì)CO2總排放量，此方法監(jiān)測準(zhǔn)確、省工省時(shí)，但投資費(fèi)用較高；經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法其計(jì)算公式繁多，不同的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式往往計(jì)算結(jié)果差異較大，可比性不強(qiáng)。

燃煤完全燃燒化學(xué)反應(yīng)如下：

根據(jù)物料平衡法，煤質(zhì)完全燃燒產(chǎn)生CO2排放量計(jì)算公式如下：

式中M——CO2排放量，t；

B——燃煤量，t；

Car——煤質(zhì)收到基含碳量，%；

Aar——煤質(zhì)收到基灰分，%；

AC——飛灰中含碳量，%；

44——CO2的摩爾質(zhì)量；

12——碳的摩爾質(zhì)量。

因煤質(zhì)完全燃燒，AC／100≈0，可忽略不計(jì)，CO2排放量計(jì)算公式可簡化如下：

該CO2排放量計(jì)算公式無約束條件，可以簡捷、快速地計(jì)算燃煤CO2排放量，準(zhǔn)確度及精密度較好，誤差較小，有廣泛的適用性。

3 煤質(zhì)含碳量計(jì)算公式應(yīng)用

3.1 案例概況

某擬建火電工程2×1 000 MW燃煤空冷機(jī)組，配套安裝2×2 750 t／h煤粉爐，燃煤設(shè)計(jì)有2種方案，其工程煤質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表3。

3.2 案例計(jì)算

3.2.1 CO2排放量計(jì)算

根據(jù)煤質(zhì)發(fā)熱量采用含碳量計(jì)算公式（1）、（2）及CO2排放量計(jì)算公式（4），分別計(jì)算工程案例中4種煤質(zhì)含碳量及CO2排放量，其計(jì)算結(jié)果見表4。

表3 工程燃煤基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

表4 含碳量及CO2排放量表

由表4可知，采用物料平衡法推導(dǎo)的CO2排放量計(jì)算公式無約束條件，可以簡捷、快速地計(jì)算燃煤CO2排放量，準(zhǔn)確度及精密度都較好、誤差較小，有廣泛的適用性。

3.2.2 含碳量、CO2排放量誤差計(jì)算

采用含碳量計(jì)算公式及CO2排放量計(jì)算公式（4），分別計(jì)算4種煤質(zhì)含碳量、CO2排放量與工程案例進(jìn)行類比，可得如下結(jié)論。

a.采用燃煤含碳量計(jì)算公式無約束條件，可以簡捷、快速地計(jì)算煤質(zhì)的含碳量，其相對誤差最大為1.14%，最小為－0.60%，準(zhǔn)確度及精密度都較好、誤差較小，具有廣泛適用性。

b.采用物料平衡法推導(dǎo)的燃煤CO2排放量計(jì)算公式是計(jì)算CO2排放量較標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法，其計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，公式適用性強(qiáng)。

c.采用含碳量計(jì)算公式計(jì)算燃煤CO2排放量，相對誤差最大為1.06%，最小為－0.60%，準(zhǔn)確度及精密度較好，誤差較小。

4 結(jié)束語

物料平衡法推導(dǎo)的燃煤CO2排放量計(jì)算公式是較標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法，其計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，公式適用性強(qiáng)；煤質(zhì)發(fā)熱量含碳量計(jì)算公式無約束條件，可以簡捷、快速地計(jì)算燃煤含碳量、CO2排放量，準(zhǔn)確度及精密度好，誤差較小，公式適用性廣泛，可為燃煤工程設(shè)計(jì)、環(huán)境保護(hù)部門監(jiān)管和電廠管理人員提供借鑒。

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Discussion on Deriving Formula of Carbon Content and CO2Emissions from Coal Calorific

WANG Yi1，HUANG Jing2，WANG Yong?xiang1
（1.Northeast Electric Power Design Institute，Changchun，Jilin 130021，China；2.China Northeast Municipal Engineering Design and Research Institute，Changchun，Jilin 130021，China）

According to industrial analysis and elemental analysis data of coal quality of 100 species coal，calculating carbon content through coal calorific，comparing carbon elemental analysis，it is found that carbon content is correlated positively with calorific value of coal.Therefore the calculation formula of carbon content is derived from coal calorific.The formula is unlimited and easy that can rapidly calculate carbon content and CO2emission content.The method is accurate and reliable.The paper can provide useful reference for engineering design institute，the environmental protection department and manager of power plant.

Coal calorific；Carbon content；Coal elemental analysis；Formula

X773

A

1004－7913（2016）08－0005－03

汪 毅（1971—），男，學(xué)士，高級工程師，從事火電建設(shè)工程電氣工程設(shè)計(jì)及火電建設(shè)項(xiàng)目咨詢工作。

2016－02－27）