發(fā)電企業(yè)碳減排方法

景宏林 趙明

全球氣候變化是當(dāng)今社會面臨的重要問題，聯(lián)合國政府間氣候變化委員會在 2014 年發(fā)布的第二、第三組工作摘要對氣候變化的風(fēng)險(xiǎn)展開評估，確定了全球 2℃ 的長期溫升目標(biāo)，并提出了實(shí)現(xiàn) 2℃溫升目標(biāo)的成本最優(yōu)排放路徑： 2030 年全球碳排放量要低于 2010 年水平，并在 2050 年實(shí)現(xiàn)深度、大幅度的碳減排。 面對氣候變化，世界各國都在通過調(diào)整經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、提高能源效率等途徑達(dá)成減排目標(biāo)。發(fā)電行業(yè)是目前唯一納入全國碳市場的重點(diǎn)排放行業(yè)，將在2020年承擔(dān)履約義務(wù)，完成對2019年排放量的履約。碳排放履約成本將作為企業(yè)又一重要的經(jīng)營成本納入電廠日常管理。

2020年9月22日，習(xí)近平主席在第75屆聯(lián)大一般性辯論上，對外宣示中國二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)峰，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和;在2020年12月12日的氣候雄心峰會上，習(xí)近平主席進(jìn)一步宣布了我國自主貢獻(xiàn)的新目標(biāo)、新舉措。提出到2030年，中國單位GDP二氧化碳排放比2005年下降65%以上。

一、碳排放管理要求

根據(jù)2020年12月30日印發(fā)的《2019-2020年全國碳排放權(quán)交易配額總量設(shè)定與分配實(shí)施方案（發(fā)電行業(yè)））》，發(fā)電行業(yè)（含其他行業(yè)自備電廠）2013-2019 年任一年排放達(dá)到2.6 萬噸二氧化碳當(dāng)量（綜合能源消費(fèi)量約1 萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤）及以上的企業(yè)納入2019-2020 年全國碳市場配額管理的重點(diǎn)排放單位名單。全國碳市場的電力行業(yè)目前配額的發(fā)放是“基準(zhǔn)值”法，即根據(jù)行業(yè)供電、供熱基準(zhǔn)值，以及企業(yè)的產(chǎn)品產(chǎn)量來確定配額;根據(jù)2021年3月29日發(fā)布的《企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南發(fā)電設(shè)施》，電力行業(yè)的排放量包括化石燃料燃燒的排放量與購入電力的排放量，其中化石燃料燃燒的排放量的與化石燃料的活動(dòng)水平和排放因子有關(guān)。因此全國碳市場，配額和排放量計(jì)算目前是兩條線，供電/供熱碳排放強(qiáng)度，以及供電/供熱煤耗越低，越有利于企業(yè)配額的盈余。

2021年5月17日，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了《關(guān)于發(fā)布《碳排放權(quán)登記管理規(guī)則（試行）》 《碳排放權(quán)交易管理規(guī)則（試行）》和《碳排放權(quán)結(jié)算管理規(guī)則（試行）》的公告》，進(jìn)一步規(guī)范全國碳排放權(quán)登記、交易、結(jié)算活動(dòng)，保護(hù)全國碳排放權(quán)交易市場各參與方合法權(quán)益。對于納入全國碳市場的電力行業(yè)，應(yīng)熟悉全國碳排放權(quán)注冊登記結(jié)算系統(tǒng)、全國碳排放權(quán)交易系統(tǒng)兩個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用，及時(shí)在系統(tǒng)上進(jìn)行履約。

二、節(jié)能減排及碳匯技術(shù)探索

（一）管理降碳

由于在實(shí)施碳資產(chǎn)管理的過程當(dāng)中，其與發(fā)電企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的各項(xiàng)活動(dòng)都是緊密相連的。為此，作為發(fā)電企業(yè)來講，在不斷提升企業(yè)碳資產(chǎn)管理能力的過程當(dāng)中，也是需要不斷地去完善每一項(xiàng)管理制度的，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)省發(fā)電成本、平衡節(jié)能減排的作用，不斷地提高發(fā)電企業(yè)競爭力的過程。例如建立數(shù)據(jù)管理質(zhì)量體系。同時(shí)要做好自身碳排放情況進(jìn)行摸底，與同類型機(jī)組進(jìn)行碳排放強(qiáng)度對標(biāo)，找到薄弱點(diǎn)，關(guān)鍵點(diǎn)，進(jìn)行提升。

（二）借助信息化手段降碳

通過信息化手段，助力節(jié)能降碳也是非常重要的。隨著信息軟件技術(shù)的發(fā)展，許多行業(yè)都進(jìn)行了信息化提升。信息化可助力電廠提升數(shù)據(jù)管理水平和決策水平。借助歷史數(shù)據(jù)及前序分析，建立碳排放與煤質(zhì)關(guān)系特征數(shù)據(jù)庫，不同機(jī)組效率碳排放數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)碳交易策略建議及生產(chǎn)經(jīng)營輔助建議提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。利用前序數(shù)據(jù)庫，結(jié)合電廠生產(chǎn)經(jīng)營計(jì)劃，預(yù)測不同機(jī)組碳排放強(qiáng)度、可獲取碳配額量、配額盈缺情況。并結(jié)合電廠燃煤采購、燃煤價(jià)格、消耗量、發(fā)電量、電價(jià)、碳配額盈缺量、碳價(jià)等參數(shù)，開展發(fā)電燃料成本及碳排放履約成本經(jīng)濟(jì)性評價(jià)。同時(shí)基于軟件系統(tǒng)自帶的數(shù)據(jù)挖掘和內(nèi)部算法，還可對生產(chǎn)經(jīng)營提出輔助決策建議，包括：

1.燃煤采購摻配控制碳排放參考建議

以燃煤量、煤價(jià)、碳價(jià)、碳排放、收益等作為考量因素，為公司在煤炭采購摻配環(huán)節(jié)上控制碳排放提供參考建議。

2.生產(chǎn)計(jì)劃參考建議

進(jìn)行事前經(jīng)濟(jì)性評價(jià)，以公司收益最大化為目標(biāo)，為公司制定生產(chǎn)計(jì)劃、調(diào)度提供參考建議。

3.交易參考建議

（三）節(jié)能技改降碳

1.CCUS技術(shù)

CCUS指碳的捕集、封存和利用技術(shù)。CO2捕集的方法按照對燃料、氧化劑和燃燒產(chǎn)物采用的措施，可以分為燃燒前捕集、純氧燃燒和燃燒后捕集3種。燃燒前捕集是相對成本較低、效率較高的一種方法。此方法將化石燃料氣化成合成氣（主要成分為H2和CO），然后通過變換反應(yīng)將CO轉(zhuǎn)化為CO2，再通過溶劑吸收等方法將H2和CO2分離開對CO2進(jìn)行收集。但此技術(shù)局限于基于煤氣化聯(lián)合發(fā)電裝置（Integrated Gasification Combined Cycle，IGCC），因此以此技術(shù)投產(chǎn)的項(xiàng)目較少，燃燒前捕集CO2的成本大約為20美元/t CO2，尚需要更多的項(xiàng)目來進(jìn)行驗(yàn)證。

富氧燃燒技術(shù)采用純氧或者富氧將化石燃料進(jìn)行燃燒，燃燒后的主要產(chǎn)物為CO2、水和一些惰性組分。水蒸氣冷凝后，通過低溫閃蒸提純CO2，提純后的CO2濃度可達(dá)80%～98 vol%，提高了CO2捕集率。由于燃燒前捕集合富氧燃燒需要合適的材料和操作環(huán)境來滿足高溫要求，因此這兩種技術(shù)的研究與開發(fā)和示范性項(xiàng)目較少。相比較而言，燃燒后捕集技術(shù)是當(dāng)前煉廠應(yīng)用較為廣泛且成熟的就，該技術(shù)具有較高的選擇性和捕集率。常用的方法如化學(xué)吸收法、膜分離法、物理吸附法等?；瘜W(xué)吸附法被認(rèn)為是當(dāng)前最有市場前景的吸附方法，在化學(xué)吸附中，胺類溶液以其吸收效果好的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。以當(dāng)前的技術(shù)，燃燒后捕集CO2的成本大約是40美元/t CO2。從國內(nèi)外項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)看，地下封存、驅(qū)油和食品級利用，是當(dāng)前較為主流的方向。

CCUS—EOR（Enhanced oil recovery，強(qiáng)化采油）技術(shù)可以通過CO2把煤化工或天然氣化工產(chǎn)生的碳源和油田聯(lián)系起來，有較好的收益，如圖3所示，該技術(shù)通過把捕集來的CO2注入到油田中，使即將枯竭的油田再次采出石油的同時(shí)，也將CO2永久地貯存在地下。CO2驅(qū)油的主要原理是降低原油粘度、增加原油內(nèi)能，從而提高原油流動(dòng)性并增加油層壓力。國內(nèi)新興的碳利用方向主要有CO2加氫制甲醇、CO2加氫制異構(gòu)烷烴、CO2加氫制芳烴、CO2甲烷化重整等，如山西煤化所、大連化物所、中科院上海研究院、大連理工大學(xué)等，對這些技術(shù)進(jìn)行了研究，但大多都處在催化劑研究的理論研究階段或中試階段。

CO2捕集后，可以通過泵送到地下、海底長期儲存，或直接通過強(qiáng)化自然生物學(xué)作用把CO2儲存在植物、土地和地下沉積物中。當(dāng)前的碳封存技術(shù)主要分為以下2種：

第一種是將CO2高壓液化注入海洋底

第二種是將CO2進(jìn)行地質(zhì)封存。

碳捕集技術(shù)主要的問題是成本較高，而目前中國的碳市場下，碳價(jià)較歐盟還較低，經(jīng)濟(jì)性問題是碳捕集技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用的主要問題。

下一代碳捕集技術(shù)將會在材料創(chuàng)新、工藝或設(shè)備的改進(jìn)上取得突破，這些新進(jìn)展將使得投資運(yùn)營成本降低的同時(shí)提高捕集效率。

縱觀國內(nèi)外成熟的工程項(xiàng)目，地下封存、驅(qū)油和食品級利用是當(dāng)前較主流的方向。其中，驅(qū)油技術(shù)可以通過CO2把煤化工或天然氣化工產(chǎn)生的碳源和油田聯(lián)系起來，有較好的收益，有較好的應(yīng)用前景。

2.生物質(zhì)摻燒

利用大型高效燃煤機(jī)組混燒生物質(zhì)燃料發(fā)電，是實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)發(fā)電的一種先進(jìn)技術(shù)，不僅可以大幅度提高生物質(zhì)發(fā)電的效率，節(jié)約生物質(zhì)資源，而且可以明顯降低煤電機(jī)組的碳排放量，提高煤及生物質(zhì)耦合發(fā)電的靈活性，從而加強(qiáng)燃煤發(fā)電的可持續(xù)性，是煤電走向低碳化一條現(xiàn)實(shí)可行的路徑。

生物質(zhì)燃料作為一種可再生清潔能源，其揮發(fā)分、硫分、灰分等指標(biāo)均優(yōu)于燃煤，而且價(jià)格相對低廉。在煤中摻燒生物質(zhì)燃料，可減少污染物排放、增加發(fā)電效益的目的。

生物質(zhì)耦合混燒改造應(yīng)主要用于大型高效燃煤電廠。對于大型燃煤電廠的煤粉爐，由于鍋爐容量大，生物質(zhì)燃料發(fā)熱量較低，即使采用較小的生物質(zhì)摻燒比（按燃料熱量計(jì)），其每年消耗的生物質(zhì)燃料量也是相當(dāng)可觀的。以一臺660MW超超臨界機(jī)組鍋爐為例，其供電煤耗大約為290g（標(biāo)煤）/kWh，若以10%生物質(zhì)摻燒比實(shí)現(xiàn)混燃發(fā)電，生物質(zhì)燃料應(yīng)用基發(fā)熱量為14.7MJ/kg（草木本混合燃料），年運(yùn)行4500小時(shí)，則每年供電（約3000億千瓦時(shí)）需要的生物質(zhì)燃料約為17.2萬噸。由于660MW超超臨界機(jī)組供電效率高，供電煤耗低，這個(gè)燃料量如果用于現(xiàn)有的小型生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組，其供電量只有大約一半左右，可見大型高效煤電機(jī)組混燒生物質(zhì)發(fā)電的能效優(yōu)越性。現(xiàn)在中國已有小型生物質(zhì)燃料發(fā)電裝機(jī)容量共2952萬千瓦，2020年新增加生物質(zhì)裝機(jī)容量243萬千瓦，增長率為22.6%，因?yàn)樾C(jī)組效率低、煤耗高，因而小機(jī)組的生物質(zhì)燃料發(fā)電與大型先進(jìn)高效燃煤機(jī)組混燒發(fā)電相比，應(yīng)該優(yōu)先發(fā)展大型燃煤機(jī)組與生物質(zhì)混燒發(fā)電。對大型電站燃煤鍋爐生物質(zhì)混燒改造的基本要求是：

1）保持鍋爐效率基本不變;

2）保持鍋爐出力不變;

3）滿足排放要求;

4）保證生物質(zhì)燃料燃燒的安全要求;

5）滿足生物質(zhì)轉(zhuǎn)換后運(yùn)行壽命的要求。

據(jù)國外的經(jīng)驗(yàn)，對于單機(jī)容量為300MW及以上的燃煤機(jī)組，現(xiàn)在采用的最主要的耦合混燒方式即生物質(zhì)燃料的輸送、粉碎、送粉管道和燃燒器完全和煤粉分開，生物質(zhì)燃燒器與在爐膛里的布置采用特殊設(shè)計(jì)。此方案投資成本高但對鍋爐的正常運(yùn)行干擾最小。在異磨異燃燒器混燒方式中，最有利的是將生物質(zhì)粉作為再燃的二次燃料，以燃料分級燃燒的方式送入布置在煤粉爐膛上部適當(dāng)位置的生物質(zhì)燃燒器，以控制NOx的生成和排放。

因此，對現(xiàn)有大型燃煤鍋爐實(shí)行與生物質(zhì)混燒，主要是對電廠的燃料的儲運(yùn)研磨系統(tǒng)、生物質(zhì)燃燒器等進(jìn)行改造，對爐膛受熱面和環(huán)保設(shè)備的設(shè)計(jì)雖然要充分考慮生物質(zhì)的燃燒特性，但總的來說變動(dòng)不大。應(yīng)該說，生物質(zhì)與煤耦合混燒發(fā)電，在技術(shù)上不存在很大的問題，只要注意不同的生物質(zhì)燃料的不同特性，在燃料的輸送、儲存、磨制和燃燒系統(tǒng)方面考慮到其特點(diǎn)，注意其高揮發(fā)分燃點(diǎn)低易著火的特性，在改造燃料系統(tǒng)時(shí)注意防火防爆措施，注意高堿含量容易引起積灰、結(jié)渣和腐蝕等問題。

生物質(zhì)在儲存和運(yùn)輸上可能存在一些問題。大規(guī)模收集、運(yùn)輸及儲存難度大我國土地以農(nóng)民家庭為承包經(jīng)營單位，各家各戶相對獨(dú)立，種植農(nóng)作物種類多樣、自由，統(tǒng)籌性差，資源相對分散，這給大規(guī)模機(jī)械化的秸稈收集造成巨困難。

3.廠區(qū)光伏發(fā)電利用

伴隨國家節(jié)能環(huán)保法律法規(guī)的進(jìn)一步嚴(yán)格要求，煤場封閉越來越有必要，出于環(huán)保需要的封閉煤棚， 項(xiàng)目投資極大，但投資收益卻極低。伴隨光伏成本不 斷降低，電池技術(shù)持續(xù)提高，以及國內(nèi)新的“金屋頂”、“金太陽”目錄出爐和一系列促進(jìn)光伏發(fā)展政策的出臺，特別是《國家電網(wǎng)公司關(guān)于印發(fā)分布式光伏 發(fā)電并網(wǎng)相關(guān)意見和規(guī)定的通知》和《國家電網(wǎng)公司關(guān)于印發(fā)分布式光伏發(fā)電接入系統(tǒng)典型設(shè)計(jì)的通知》兩項(xiàng)文件的發(fā)布，從更高程度上加深了全社會對光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的認(rèn)可度、認(rèn)同感，使個(gè)人加入分布式光伏發(fā)電成為可能。結(jié)合煤場封閉項(xiàng)目及屋頂分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目的發(fā)展情況，考慮利用封閉煤棚大 面積屋頂設(shè)置分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)太陽能與建筑一體化發(fā)展。

封閉煤場采用的圍護(hù)類型通常有： 筒倉、圓形煤場、條形煤場，3種圍護(hù)類型各有優(yōu)缺點(diǎn)，經(jīng)比較，條形封閉煤棚的結(jié)構(gòu)形式主要有： 平面剛架、平面桁架、平面拱、格構(gòu)空腹式拱梁結(jié)構(gòu)以及空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等。根據(jù)已建成的封閉煤場結(jié)構(gòu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指 標(biāo)的比較，空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有明顯的優(yōu)勢，目前已成為封閉煤場結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)形式。常見大跨空間結(jié)構(gòu)形式主要有： 三心圓鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力管桁架結(jié)構(gòu)、平板鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、拱形鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等。

封閉煤棚頂部設(shè)置光伏發(fā)電優(yōu)缺點(diǎn)分析。

優(yōu)點(diǎn)： ①出于環(huán)保需要采用的封閉煤場，投資很高，經(jīng)濟(jì)收 益極低，且封閉面積很大，增設(shè)光伏發(fā)電項(xiàng)目后，給電廠帶來了長期的收入; ②在建設(shè)的煤棚上設(shè)置光伏發(fā)電裝置，不需要進(jìn)行光伏發(fā)電項(xiàng)目征地及基礎(chǔ)工程的投資，降低了光伏發(fā)電整體投資;③山東省太陽能資源較好，增設(shè)光伏發(fā)電項(xiàng)目，響應(yīng)了國家發(fā)展新能源的政策，符合能源發(fā)展戰(zhàn)略要求;④伴隨技術(shù)的創(chuàng)新及設(shè)備生產(chǎn)成本的下降，光伏發(fā)電站的投資成本也會降低，縮短投資回收期;⑤供電穩(wěn)定可靠，投資少，投資風(fēng)險(xiǎn)小。

缺點(diǎn)：①封閉煤棚表面為圓弧形，且為南北坡向，光伏發(fā)電陣列難布置，比常規(guī)地面光伏發(fā)電項(xiàng)目屋面利用效率低; 封閉煤棚高度很高，運(yùn)行維護(hù)不方便; 屋頂連接點(diǎn)太多;②光伏發(fā)電裝置安裝在封閉煤棚鋼結(jié)構(gòu)上，光伏發(fā)電項(xiàng)目自身有消防要求，封閉煤場防火等級較高，安全風(fēng)險(xiǎn)較大，安裝光伏發(fā)電裝置后，存在光伏組件、匯流箱等電氣設(shè)備發(fā)生短路燃燒的可能，進(jìn)一步加大了封閉煤場的安全風(fēng)險(xiǎn)。

結(jié) 語

火力發(fā)電是極為復(fù)雜的熱工系統(tǒng)，降低其碳排放也需要從多個(gè)角度著手。加強(qiáng)管理和信息化應(yīng)用是普適性的方法，而CCUS、生物質(zhì)摻燒、廠區(qū)光伏發(fā)電利用則是結(jié)合了安全性和經(jīng)濟(jì)性，針對火電廠自身出發(fā)，可行性較強(qiáng)的技改措施。

[作者單位：1.華電濰坊發(fā)電有限公司;2.中碳能投科技（北京）有限公司]