燃煤鍋爐碳排放核查方法及對比

董銳鋒，陳浩軍，曹振謙，王鋒濤

（1.國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，河南 鄭州450052；2.潤電能源科學(xué)技術(shù)有限公司，河南 鄭州450052）

溫室氣體排放總量大、增長快，已經(jīng)成為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、推進生態(tài)文明建設(shè)的重要挑戰(zhàn)。我國對外發(fā)布了關(guān)于強化氣候行動的國家自主決定貢獻， 提出了我國應(yīng)對氣候變化中長期行動目標(biāo)和政策措施， 并承諾在2030年底之前CO2排放達(dá)到峰值[1]。 生態(tài)環(huán)境部于2019年3 月公開征求《碳排放權(quán)交易管理暫行條例（征求意見稿）》意見[2]，計劃利用市場機制控制溫室氣體排放，推動綠色低碳發(fā)展。

早在“十二五”規(guī)劃《綱要》中提出的“建立完善溫室氣體統(tǒng)計核算制度，逐步建立碳排放交易市場”[3]和《“十二五”控制溫室氣排放工作方案》（國發(fā)[2011]41號）中提出的“加快構(gòu)建國家、地方、企業(yè)三級溫室氣體排放核算工作體系，實行重點企業(yè)直接報送溫室氣體排放和能源消費數(shù)據(jù)制度”的要求[4]，國家發(fā)展改革委就開始要求各重點企業(yè)實施溫室氣體報告制度。

燃煤鍋爐是我國CO2的主要排放源之一， 目前針對燃煤鍋爐， 應(yīng)用最為廣泛的CO2核算方法是采用煤質(zhì)分析、排放因子檢測、脫硫塔原材料分析等方式進行碳核算， 并通過第三方服務(wù)機構(gòu)對參與碳排放權(quán)交易的碳排放管控單位生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)進行核查與計算[5]。 然而對于燃煤鍋爐而言，通常具有煙囪等統(tǒng)一且固定的煙氣排放口， 所以在煙囪處直接進行CO2濃度和煙氣流量監(jiān)測也不乏為一種較為簡便直接的方法[6]，并且可以與現(xiàn)有的煙氣連續(xù)排放在線系統(tǒng)（Continuous Emission Monitoring System，CEMS）相結(jié)合，建立在線監(jiān)測系統(tǒng)。

本文將對碳核算和濃度監(jiān)測兩種方法進行詳細(xì)介紹，并選取某燃煤電廠進行實際驗證和對比，分析每種方法的結(jié)果和特點，為行業(yè)技術(shù)的發(fā)展提供建議。

1 碳核查方法

國家發(fā)展改革委辦公廳于2013年10 月印發(fā)了首批10 個行業(yè)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南（試行）的通知，其中針對發(fā)電鍋爐頒布了《中國發(fā)電企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南（試行）》[7]。對于生物質(zhì)混合燃料燃燒發(fā)電的CO2排放，僅統(tǒng)計混合燃料中化石燃料（如燃煤）的CO2排放；對于垃圾焚燒發(fā)電引起的CO2排放，僅統(tǒng)計發(fā)電中使用化石燃料（如燃煤）的CO2排放。

發(fā)電企業(yè)的全部排放包括化石燃料燃燒的CO2排放、燃煤發(fā)電企業(yè)脫硫過程的CO2排放、企業(yè)凈購入使用電力產(chǎn)生的CO2排放三大類。

（1）化石燃料燃燒的CO2排放量由燃用的不同化石燃料消耗量、該燃料平均低位發(fā)熱量、該燃料排放因子三者的乘積計算得到。其中化石燃料的消耗量應(yīng)根據(jù)企業(yè)能源消費臺帳或統(tǒng)計報表來確定。燃煤低位發(fā)熱值的具體測量頻率為每天至少一次，燃煤年平均低位發(fā)熱值由日平均低位熱值加權(quán)平均計算得到，其權(quán)重是燃煤日消耗量。燃料排放因子由燃料單位熱值含量與燃料碳氧化率乘積得到；對于燃煤的單位熱值含碳量，企業(yè)應(yīng)每天采集縮分樣品，每月的最后一天將該月的每天獲得的縮分樣品混合，測量其元素碳含量；對于燃料碳氧化率，是扣除爐渣和飛灰的含碳量統(tǒng)計計算得出，其中爐渣產(chǎn)量和飛灰產(chǎn)量應(yīng)采用實際稱量值按月記錄，鍋爐固體未完全燃燒的熱損失應(yīng)按鍋爐廠提供的數(shù)據(jù)進行計算，爐渣和飛灰的含碳量根據(jù)該月中每次樣本檢測值取算術(shù)平均值，且每月的檢測次數(shù)不低于一次。

（2）燃煤發(fā)電企業(yè)脫硫過程的CO2排放量由碳酸鹽消耗量與排放因子乘積得到。 脫硫過程所使用的脫硫劑（如石灰石等）的消耗量可通過每批次或每天測量值加和得到，記錄每個月的消耗量；不同脫硫劑對應(yīng)有固定數(shù)值的排放因子缺省值， 其中脫硫劑中碳酸鹽含量取缺省值90%。

（3）對于凈購入使用電力產(chǎn)生的CO2排放，用凈購入電量乘以該區(qū)域電網(wǎng)平均供電排放因子得出。其中該區(qū)域電網(wǎng)平均供電排放因子參考國家最新發(fā)布值。

2 煙氣監(jiān)測方法

在燃煤煙氣的煙囪總排口，根據(jù)網(wǎng)格法，檢測煙氣中的CO2濃度、煙氣流速，從而計算出燃煤煙氣中CO2的總排放量。

檢測點位應(yīng)優(yōu)先選擇在煙囪上， 避開煙道彎頭和斷面急劇變化的部位。檢測位置應(yīng)設(shè)置在距彎頭、閥門、 變徑管下游方向不小于4 倍直徑和距上述部件上游方向不小于2 倍直徑處。 檢測斷面煙氣流速應(yīng)大于5 m/s[8]。

(2)由兩個函數(shù)優(yōu)化結(jié)果可以看出，零件A加工帶檢測環(huán)節(jié)的方式不僅可以提高零件加工精度，還可以降低制造成本。說明對于該零件加工的質(zhì)量成本控制，在線檢測夾具的模式更好。

3 現(xiàn)場驗證

為了驗證碳核查方法和煙氣監(jiān)測方法的數(shù)據(jù)結(jié)果，選取某220 MW 燃煤鍋爐為研究對象，采用兩種方法分別對該鍋爐的碳排放情況進行計算， 連續(xù)監(jiān)測兩個月，每個星期為一個周期，計算結(jié)果如表1 及圖1 所示。

表1 CO2 排放量計算結(jié)果

圖1 CO2 碳排放量計算方法對比圖

由表1 結(jié)果得知， 兩種碳排放計算方法的相對誤差平均值為16.1%， 其中煙氣監(jiān)測方法比碳核查方法計算的數(shù)值偏小。 引起該偏差的原因主要是由于兩種方法的計算方式和所使用檢測設(shè)備不同，所引入的系統(tǒng)誤差。

4 分析與討論

4.1 方法特點

通過碳核查方法和煙氣監(jiān)測方法在燃煤鍋爐中的實際應(yīng)用情況，可以得知兩種方法各自的特點。

碳核查方法在核算過程中較為費時費力， 需要每天取煤樣進行縮分檢測， 在煤樣代表性差時極易引入較大誤差。 碳核查方法的優(yōu)勢是作為一種通用方法，可以適應(yīng)不同燃煤鍋爐、不同工業(yè)應(yīng)用場景，可作為統(tǒng)一的基礎(chǔ)核算指標(biāo)和方法。另外，碳核查方法是與國際相接軌的方法， 并且通過每年的排放因子更新與調(diào)整，可以促進工業(yè)的節(jié)能降耗升級。

煙氣監(jiān)測方法具有簡單、直觀的優(yōu)點，可以直接得出燃煤電廠CO2的排放速率和排放總量， 且全部監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸過程均可實現(xiàn)自動化操作， 可通過監(jiān)測結(jié)果得出碳排放的實時數(shù)據(jù)。 煙氣監(jiān)測方法的缺點是對測點和設(shè)備的依賴性過高， 當(dāng)煙氣測點發(fā)生堵塞、煙氣渦流等情況時，監(jiān)測數(shù)據(jù)與實際值就會存在較大的誤差， 且該誤差無法通過可靠手段進行修正。 CEMS 在對SO2、NOx等低濃度煙氣指標(biāo)是否超過限值的應(yīng)用中較為可靠， 但針對CO2等高濃度氣體的實時定量監(jiān)測中， 不可避免地會存在不可控的誤差。

因此， 碳核查方法和煙氣監(jiān)測方法在實際應(yīng)用中各有利弊， 目前碳核查方法作為一種通用性基礎(chǔ)核查方法在行業(yè)中進行應(yīng)用，相信在不久的將來，碳排放問題得到控制和好轉(zhuǎn)之后， 煙氣監(jiān)測方法將有可能得到廣泛和長期的應(yīng)用。

4.2 低碳管理方法

近年來， 由于裝機容量的增幅超過發(fā)電量的增幅，使燃煤電廠的發(fā)電負(fù)荷率也隨之降低。 我國的燃煤電廠一般是按帶基本負(fù)荷設(shè)計的， 效率的拐點一般在75%的發(fā)電負(fù)荷率附近[9]。 許多地區(qū)燃煤機組的年平均發(fā)電負(fù)荷率目前只達(dá)到70%甚至更低[10]，使得若干技術(shù)指標(biāo)都處于偏離設(shè)計工況運行， 造成機組的實際煤耗上升。 建議有條件的燃煤電廠開展機組在變動負(fù)荷曲線下的技術(shù)指標(biāo)參數(shù)測定， 比如對一次汽溫、汽壓技術(shù)參數(shù)，現(xiàn)代大型火電機組在負(fù)荷變動時為減少汽機調(diào)門的節(jié)流損失往往是采用滑參數(shù)運行辦法， 這樣燃煤機組在低負(fù)荷運行時的一次汽壓技術(shù)參數(shù)雖低于額定工況下的設(shè)計值， 但卻減少了一次汽的節(jié)流損失。 測定出鍋爐各檔負(fù)荷下對應(yīng)的最佳排煙溫度值，予以指導(dǎo)運行人員操作。使得燃煤機組煤耗進一步降低，減少CO2的排放。除上述指標(biāo)外，建議先期包含下列指標(biāo)：

（1）再熱蒸汽溫度管理

鍋爐再熱器是提高循環(huán)效率的一個重要設(shè)備，經(jīng)計算，再熱蒸汽溫度每上升1 ℃，相對降低供電煤耗約0.009 g/（kW·h）。

（2）真空系統(tǒng)管理

目前國內(nèi)仍有部分電廠真空嚴(yán)密性不合格，真空度偏低。 如果對真空系統(tǒng)的嚴(yán)密性和循環(huán)水運行方式加強管理，使真空度提高1 kPa，則可降低供電煤耗約3 g/（kW·h）。

（3）飛灰可燃物

根據(jù)鍋爐燃燒工況及時調(diào)整一、 二次風(fēng)和燃煤量的配比，使燃煤在爐膛內(nèi)達(dá)到最佳工況燃燒，以盡量減少燃燒熱損失，從而可提高鍋爐效率。 經(jīng)計算，飛灰可燃物每降低1%，可使鍋爐效率提高0.12%。

（4）降低廠用電率

根據(jù)季節(jié)性和負(fù)荷高低， 科學(xué)地調(diào)度各輔機如循環(huán)水泵、送引風(fēng)機、一次風(fēng)機、磨煤機等的運行工況相調(diào)整運行方式，可有效地控制廠用電率。廠用電率降低1%，則供電煤耗可降低3 g/（kW·h）。

綜上所述，做好低碳經(jīng)濟時代的成本控制，抓好在低發(fā)電負(fù)荷率情況下的火電廠常規(guī)技術(shù)指標(biāo)控制，確定各檔負(fù)荷下的最佳排煙溫度值，可以進一步降低火電機組煤耗。

5 結(jié)論

（1）碳核查方法和煙氣監(jiān)測方法在燃煤鍋爐碳排放量計算時均可以有效應(yīng)用， 但在某220 MW 燃煤鍋爐實際驗證過程中， 煙氣監(jiān)測方法計算結(jié)果均比碳核查方法偏小，存在均值為16.1%的相對誤差。

（2）煙氣監(jiān)測方法比碳核查方法更為直接簡便，但碳核查方法作為與其他領(lǐng)域相統(tǒng)一的國際通用方法，仍將會是燃煤鍋爐碳排放核算的正式方法。

（3）針對燃煤鍋爐，可采用提高再熱蒸汽溫度、提升鍋爐真空度、降低飛灰可燃物、降低廠用電率等方法，進一步降低碳排放量，降低火電機組煤耗。