中國燃煤火電機(jī)組碳氧化因子測算方法及規(guī)律性分析

吳漢棟，趙春黎，2，彭尊

（1.清華大學(xué)工程物理系，北京100084；2.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100085；3.北京金恒博遠(yuǎn)科技股份有限公司，北京100076）

0 引言

燃煤電廠耗煤量約占全國原煤消費(fèi)總量的46%［1］，其帶來的CO2排放量約占全國排放總量的40%［2］，燃煤電廠CO2排放量的準(zhǔn)確測算對我國溫室氣體排放計(jì)量具有重要的意義。根據(jù)政府間氣候變化專門委員會（IPCC）給出的碳排放計(jì)算方法可知，燃煤火電機(jī)組碳排放與燃煤量、含碳量及碳氧化因子有關(guān)［3］。其中，碳氧化因子是指實(shí)際CO2排放量與完全燃燒所排放CO2量的比值，IPCC 默認(rèn)碳氧化因子為1。然而，受煤質(zhì)因素及鍋爐運(yùn)行特性因素的影響［4］，鍋爐燃燒效率往往無法達(dá)到100%，部分碳元素將以固態(tài)形式留存于飛灰與灰渣之中，實(shí)際碳氧化因子將會發(fā)生一定范圍的波動。

鑒于此，多項(xiàng)研究深入分析了不同因素對碳氧化因子的影響：Grace J.R.等［5］通過數(shù)值建模分析了鍋爐結(jié)構(gòu)（尤其是流化床高度與橫截面）對煤粒流化質(zhì)量與停留時間的影響，進(jìn)而對碳氧化因子造成的影響；Styszko G.K.等［6］的研究表明，機(jī)組負(fù)荷在一定程度上影響燃煤鍋爐燃燒效率，當(dāng)煤質(zhì)揮發(fā)分低于40%時，機(jī)組負(fù)荷的影響尤其明顯；Fu W.等［7］提出了用煤質(zhì)因子的定義來表征及量化煤炭的可燃性；在此基礎(chǔ)上，高林等［8］分析了煤質(zhì)對于碳氧化因子的影響；此外，也有關(guān)于煤炭粒徑、煤炭熱值對鍋爐燃燒效率影響的相關(guān)研究，粒徑過大或過小都將降低燃燒效率［9］，而煤炭熱值低于16.7 MJ∕kg時鍋爐燃燒效率將大幅降低。這些都將使碳氧化因子更大程度地偏離IPCC默認(rèn)值，影響鍋爐碳排放計(jì)量的準(zhǔn)確性［10］。

以上研究多從單一因素分析鍋爐燃燒效率的變化情況，進(jìn)而定性判斷該因素對于碳氧化因子的影響。由于缺少碳氧化因子的直接計(jì)算方法，現(xiàn)有研究的分析結(jié)果多是間接性的。本研究通過對我國燃煤發(fā)電行業(yè)代表性鍋爐進(jìn)行碳平衡分析，提出了一種碳氧化因子的測算方法，用于提升燃煤火電機(jī)組碳氧化因子計(jì)算的準(zhǔn)確性。該研究從我國燃煤發(fā)電行業(yè)技術(shù)的現(xiàn)狀出發(fā)，根據(jù)技術(shù)特征、燃料特征、運(yùn)行特征與地域分布等因素，制訂合理的采樣原則，通過碳平衡分析法對各機(jī)組輸入煤、飛灰、爐渣等進(jìn)行取樣，計(jì)算各采樣點(diǎn)下的鍋爐碳氧化因子，進(jìn)而對碳氧化因子的影響因素進(jìn)行了規(guī)律性分析。通過以上方法，本研究將定量判斷我國燃煤機(jī)組碳氧化因子實(shí)際值與IPCC 默認(rèn)值之間的偏差情況，同時為碳氧化因子的提升提出指導(dǎo)性建議。

1 燃煤火電機(jī)組碳氧化因子測算方法

1.1 燃煤火電機(jī)組碳平衡分析

對某燃煤火電機(jī)組進(jìn)行碳平衡分析，其碳輸入、損失以及排放情況如圖1所示。

圖1 火電機(jī)組碳元素的輸入/輸出示意Fig.1 Carbon input and output sketch of a coal-fired power unit

碳輸入主要為煤中含碳，火電機(jī)組典型煤種包括褐煤、煙煤和無煙煤，可采用GB∕T 212—2008《煤的工業(yè)分析方法》測量其含碳量。

碳損失主要包括制粉損失、灰渣含碳、飛灰含碳。燃煤電廠中灰渣成分主要是Si，Ca，F(xiàn)e 等的氧化物，含碳比例較低。飛灰的主要成分為碳，SiO2，Al2O3，TFeO，CaO，MgO 等。循環(huán)流化床鍋爐飛灰中含碳量較多，約為15%～20%，而煤粉爐的飛灰中含碳量較低，一般不到5%。計(jì)算碳損失需要收集電廠的相關(guān)數(shù)據(jù)，如電站煤炭消耗量、電站爐渣質(zhì)量、電站飛灰質(zhì)量、電站發(fā)電煤耗等，并采集飛灰、灰渣樣本進(jìn)行含碳量檢測。

碳排放主要包括煙氣中的CO2以及未完全燃燒的CO，這部分碳被納入溫室氣體計(jì)量范疇中。

基于以上碳平衡分析可知，燃煤火電機(jī)組碳氧化因子計(jì)算公式為

1.2 燃煤火電機(jī)組鍋爐碳氧化因子測算模型

測算碳氧化因子需測量輸入煤與輸出飛灰、灰渣的質(zhì)量與含碳量，而在工程實(shí)際測試中較難獲取準(zhǔn)確的飛灰質(zhì)量與灰渣質(zhì)量。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，假設(shè)機(jī)組排放飛灰與灰渣的質(zhì)量比為9∶1［11］，則輸入單位質(zhì)量煤所產(chǎn)生飛灰質(zhì)量與灰渣質(zhì)量分別占煤炭灰分質(zhì)量的90%與10%。另外，由于制粉損失產(chǎn)生于磨煤過程，屬于物理機(jī)械損失，本研究暫不將其考慮在內(nèi)。由此，燃煤火電機(jī)組鍋爐碳氧化因子（COF）測算模型可簡化為

式中：UCflyash，UCslag分別代表燃燒單位質(zhì)量煤所排放的飛灰與灰渣中未反應(yīng)的碳與輸入煤的質(zhì)量比；Car為燃用煤種收到基含碳量，%；Aar為燃用煤種收到基灰分，%；Cflyash與Cslag分別為現(xiàn)場采樣檢測所得飛灰與灰渣中未反應(yīng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

1.3 碳氧化因子的測試方法

根據(jù)我國燃煤火電行業(yè)機(jī)組技術(shù)現(xiàn)狀，制定科學(xué)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集程序與處理分析方法。

（1）原煤取樣。在每臺運(yùn)行的給煤機(jī)上的采樣孔采集煤樣，每30 min 采樣1 次，每次取1.0～2.0 kg，用密封容器存放。試驗(yàn)結(jié)束后，將全部采集的煤樣混合，進(jìn)行人工破碎，采用四分法［12］將煤樣縮分，分成2 份足夠進(jìn)行元素分析、工業(yè)分析的樣品并用塑料袋封裝，一份樣品由電廠留存，一份樣品由試驗(yàn)單位進(jìn)行元素分析、工業(yè)分析和發(fā)熱量測試。

（2）爐渣取樣。在電站運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定后采集樣本，在撈渣機(jī)處每隔30 min取灰渣樣1次，堆放在干凈的地面處。采樣次數(shù)≥10 次，每次不少于2.0 kg。全部樣品破碎到粒度小于25 mm，充分混合后，采用四分法縮制成2 個0.5 kg 樣品，一份樣品由電廠留存，一份樣品由試驗(yàn)單位進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)分析。

（3）飛灰取樣。利用省煤器出口水平煙道落灰管進(jìn)行取樣。試驗(yàn)開始前將飛灰清空，等時間間隔取樣，采樣次數(shù)≥10 次，每次不少于20 g。充分混合后，采用四分法制成2 個50 g 樣品，用塑料袋封裝，一份樣品由電廠留存，一份樣品由試驗(yàn)單位進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)分析。

2 碳氧化因子影響因素規(guī)律性分析

2.1 碳氧化因子影響因素

通過經(jīng)驗(yàn)分析以及文獻(xiàn)調(diào)研，提煉影響碳氧化因子的主要因素，包括燃煤特性、床體結(jié)構(gòu)、燃煤粒徑、送風(fēng)量、運(yùn)行水平、空氣過剩系數(shù)［13-15］。這些影響因素可以歸結(jié)為鍋爐的運(yùn)行特性和地域差別性2個方面。

鍋爐的運(yùn)行特性主要受負(fù)荷變化和機(jī)組容量的影響。通常受到早晚和季節(jié)用電高峰∕低谷的影響，鍋爐負(fù)荷會在50%～105%額定負(fù)荷之間波動；此外，不同機(jī)組容量的鍋爐燃燒效率會有差別。這些差異將進(jìn)一步影響鍋爐碳平衡的變化，從而影響碳氧化因子。

燃煤電廠從經(jīng)濟(jì)性考慮，一般會就近供煤，而不同地區(qū)煤種變化較大，煤種的不同會對鍋爐的碳排放有較大影響。另外，地區(qū)氣候條件、電廠管理水平不同，會影響鍋爐的燃燒效率，從而影響鍋爐的碳排放。

本文從我國燃煤發(fā)電行業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀出發(fā)，根據(jù)技術(shù)特征、燃料特征、運(yùn)行特征與地域分布制訂合理的采樣原則，分析不同因素對碳氧化因子的影響規(guī)律。

2.2 燃煤電廠碳氧化因子采樣原則

基于我國燃煤火電技術(shù)現(xiàn)狀確定采樣空間，以保證采集的樣本可以客觀、全面地反映我國燃煤火電的特征。樣本選取應(yīng)具有技術(shù)性能的代表性、動態(tài)特性的代表性以及地域分布的代表性。

根據(jù)火電機(jī)組地域分布，對44 個電廠（見表1）進(jìn)行采樣。通過改變煤種、運(yùn)行負(fù)荷等條件，采集得到70 組樣本。其中來自亞臨界、超臨界、超超臨界與其他類型鍋爐的樣本量分別占到55%，27%，14%和4%；機(jī)組容量＜300 MW，300～600 MW，600～1 000 MW 以及≥1 000 MW 的樣本比例分別為5%，63%，23%，9%。因我國的燃煤火電機(jī)組正朝著大容量、高技術(shù)水平的方向發(fā)展，所以采樣應(yīng)保證容量＞300 MW 以及采用亞臨界以上技術(shù)的機(jī)組采樣點(diǎn)充足，上述比例較為符合我國燃煤火電機(jī)組分布以及發(fā)展趨勢。

表1 采樣電廠清單Tab.1 The list of sampling power plants

續(xù)表

確定采樣空間與采樣原則后，建立采樣數(shù)據(jù)庫并進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集工作?，F(xiàn)場采集包括電廠位置、鍋爐類型、鍋爐容量在內(nèi)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并記錄各個采樣點(diǎn)包括煤種、運(yùn)行負(fù)荷在內(nèi)的運(yùn)行參數(shù)，以及煤炭、飛灰、灰渣采樣數(shù)據(jù)等，形成我國燃煤發(fā)電行業(yè)碳排放采樣基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

2.3 影響因素規(guī)律性分析

在不同機(jī)組類型、機(jī)組容量、煤種、機(jī)組負(fù)荷等條件下，利用1.3 中的測試方法，對原煤、爐渣以及飛灰進(jìn)行采集、處理、分析，利用1.2 所述的碳氧化因子測算模型測算各采樣點(diǎn)的碳氧化因子，最終分析機(jī)組容量、機(jī)組負(fù)荷、煤質(zhì)對碳氧化因子的影響規(guī)律，如圖2—3所示。

由圖2可知，隨電站容量增加，碳氧化因子有明顯的增大趨勢。對所采集樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，超超臨界機(jī)組的碳氧化因子平均值為99.40%，超臨界機(jī)組為98.03%，而亞臨界機(jī)組的為97.63%。這可以理解為機(jī)組技術(shù)水平越高、機(jī)組容量越大，煤炭燃燒越充分；而機(jī)組容量小，碳氧化因子易受到其他因素的影響，其值波動范圍較大。

由圖3可知，對于不同類型機(jī)組，在額定負(fù)荷下運(yùn)行時，碳氧化因子均表現(xiàn)出較低值，偏離額定負(fù)荷時碳氧化因子反而略微升高。火電站大部分時間都在低于額定功率下運(yùn)行，此時鍋爐燃燒效率反而較高，相同條件下燃燒單位質(zhì)量煤的碳排放量略微減少。

圖2 碳氧化因子與機(jī)組容量對應(yīng)關(guān)系Fig.2 The relationship between COF and unit capacity

圖3 碳氧化因子與機(jī)組負(fù)荷對應(yīng)關(guān)系Fig.3 The relationship between COF and unit work load

本研究利用煤質(zhì)因子對煤炭質(zhì)量進(jìn)行量化［8］，從而分析煤質(zhì)對碳氧化因子的影響。煤質(zhì)因子Fz為燃煤著火特性的通用指標(biāo)，

式中：Mad，Vad與Fcad分別為煤空氣干燥基的水分、揮發(fā)分以及固定含碳量，%。

選取4 種煤種在不同負(fù)荷條件下進(jìn)行試驗(yàn)，測算得到各工況下鍋爐的碳氧化因子（如圖4所示）。

圖4 碳氧化因子與煤質(zhì)對應(yīng)關(guān)系Fig.4 The relationship between COF and coal quality

由圖4可知，隨煤質(zhì)升高碳氧化因子明顯增大。在煤質(zhì)較差的情況下，機(jī)組負(fù)荷對碳氧化因子影響明顯，而在煤質(zhì)較優(yōu)的情況下該因素對碳氧化因子的影響較小。

4 結(jié)論

基于燃煤火電機(jī)組碳平衡分析，本研究提出了一種碳氧化因子測算方法。基于我國燃煤火電技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行采樣，分析了碳氧化因子隨機(jī)組容量、機(jī)組負(fù)荷、煤質(zhì)的變化規(guī)律，得到以下結(jié)論。

（1）取樣結(jié)果表明，我國碳氧化因子實(shí)際測試值與IPCC 默認(rèn)值之間存在一定差異，差異范圍為0.5%～6.0%。

（2）機(jī)組技術(shù)水準(zhǔn)越高、機(jī)組容量越大，碳氧化因子相對越高；機(jī)組容量小，碳氧化因子易受到其他因素的影響，其值波動范圍較大。

（3）煤質(zhì)因素對碳氧化因子的影響最大，使用高質(zhì)量煤發(fā)電，在不同運(yùn)行條件下均能實(shí)現(xiàn)較高的燃燒效率，而碳氧化因子的波動不大；相反，使用低質(zhì)量煤發(fā)電，機(jī)組運(yùn)行參數(shù)將對碳氧化因子產(chǎn)生顯著影響。