燃煤機(jī)組直接耦合生物質(zhì)的模型構(gòu)建與碳減排分析

朱駿杰，管俊豪，岳子堯，李 強(qiáng)

（南京理工大學(xué)新能源學(xué)院，江蘇 江陰 214400）

0 引言

隨著全球氣候變化問(wèn)題日益嚴(yán)峻，2020年我國(guó)提出了“雙碳”目標(biāo)，“雙碳”背景下，電力行業(yè)作為全國(guó)二氧化碳排放的重點(diǎn)行業(yè)，碳減排任務(wù)十分艱巨[1]。當(dāng)前我國(guó)燃煤發(fā)電減排工藝技術(shù)路線(xiàn)主要包括煤電升級(jí)減排改造技術(shù)、燃煤機(jī)組耦合有機(jī)固廢焚燒技術(shù)和煤電碳捕集利用與封存（Carbon Capture Utilization and Storge，CCUS）技術(shù)[2]?，F(xiàn)有技術(shù)條件下，煙氣脫碳技術(shù)成本較高，且捕集的二氧化碳沒(méi)有很好的利用方式，而生物質(zhì)在燃燒和發(fā)電利用過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)零碳排放，摻燒生物質(zhì)可以顯著降低燃煤機(jī)組的碳排放量[3]。

燃煤機(jī)組耦合生物質(zhì)（包括農(nóng)林廢棄物、污泥、垃圾等）焚燒發(fā)電技術(shù)能夠充分利用已有煙氣凈化設(shè)備，是適用于我國(guó)燃煤機(jī)組低碳發(fā)展現(xiàn)狀的優(yōu)選方案。生物質(zhì)摻燒能夠適應(yīng)不同運(yùn)行負(fù)荷，滿(mǎn)足火電機(jī)組靈活性運(yùn)行要求，在一定摻燒比例下，可保持爐膛的正常燃燒并起到降低NOx排放的作用[4]。此外，農(nóng)林類(lèi)生物質(zhì)揮發(fā)分較高，與煤混燃不僅能改善燃燒性能，而且有助于機(jī)組低負(fù)荷穩(wěn)燃并促進(jìn)其向更低負(fù)荷調(diào)峰[5-6]。污泥的有機(jī)質(zhì)高達(dá)30%～40%（干基質(zhì)量分?jǐn)?shù)），干化后可燃性較好，具有廢棄物和生物質(zhì)資源雙重屬性，采用“干化+摻燒”技術(shù)路線(xiàn)能在實(shí)現(xiàn)較大的污泥處置量的同時(shí)達(dá)到良好的燃燒效果[7-11]。

燃煤機(jī)組直接耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)在歐洲和北美等地已有大量成功的應(yīng)用案例[3]。截至2020年，我國(guó)各類(lèi)生物質(zhì)發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)29 520 MW，位居世界第一[12]。未來(lái)生物質(zhì)發(fā)電量占全社會(huì)總發(fā)電量的比重將總體呈上升趨勢(shì)，據(jù)測(cè)算到2060 年，由生物質(zhì)發(fā)電替代煤炭消耗量及減少二氧化碳排放量將分別達(dá)到1.2×108t和3×108t標(biāo)準(zhǔn)煤[13]。

由于生物質(zhì)單位體積熱值較低、含氧量高，燃煤鍋爐摻燒生物質(zhì)后，會(huì)造成燃料體積及煙氣量變化，進(jìn)而對(duì)燃料輸運(yùn)儲(chǔ)存處理、燃燒和受熱面安全產(chǎn)生影響[14]，其影響程度隨摻混比例增大而逐漸增大，因此摻燒比例有一定的上限。目前，摻燒生物質(zhì)的經(jīng)濟(jì)性和直接耦合生物質(zhì)發(fā)電量的計(jì)量技術(shù)是現(xiàn)階段生物質(zhì)大規(guī)模摻燒的主要阻礙[15]。本文通過(guò)建立燃煤耦合生物質(zhì)工藝模型和經(jīng)濟(jì)性模型，分析秸稈類(lèi)和污泥類(lèi)生物質(zhì)在直接耦合發(fā)電方式下的經(jīng)濟(jì)特性和碳減排情況。

1 模型搭建

1.1 生物質(zhì)直接耦合模型搭建

采用Aspen Plus搭建300 MW煤粉鍋爐模型[16]，建立的Aspen Plus流程基于以下假設(shè)條件。

（1）燃燒過(guò)程分為四個(gè)順序步驟：煤粉干燥、熱解、燃燒和煙氣除塵；

（2）所有模塊均處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，參數(shù)不隨時(shí)間變化而變化；

（3）空氣和煤粉在反應(yīng)器中均勻混合；

（4）在煤熱解過(guò)程中，O、H、N 和S 物質(zhì)蒸發(fā)成氣相，C元素轉(zhuǎn)化為純焦炭，而灰分不參與燃燒過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)；

（5）C的燃盡率為99.8%，并且假設(shè)C的未燃燒部分被噴射到灰中。

搭建的直接耦合生物質(zhì)燃燒模型如圖1 所示。在原有模型的基礎(chǔ)上增加了直接耦合生物質(zhì)裂解的模塊，可以將生物質(zhì)裂解為基本物質(zhì)，以便參與后續(xù)的化學(xué)平衡和相平衡計(jì)算?？紤]到本文采用的污泥含水量較高，在進(jìn)入鍋爐之前需要經(jīng)歷干燥過(guò)程，直接耦合污泥的Aspen Plus 流程圖如圖2 所示。

圖1 直接耦合生物質(zhì)的Aspen Plus流程圖Fig.1 Aspen Plus flowchart for directly coupling biomass

圖2 直接耦合污泥的Aspen Plus流程圖Fig.2 Aspen Plus flowchart for directly coupling sludge

為分析不同類(lèi)型生物質(zhì)的摻燒特性，選取生物質(zhì)顆粒（由稻稈制成）、生物質(zhì)散料（30%水分，由水葫蘆制成）、生物質(zhì)散料（25%水分，由稻稈制成）、干燥后剩余含水量5%、20%和40%的污泥進(jìn)行分析，為確定輸入至Aspen Plus 模型的參數(shù)，將耦合生物質(zhì)的基準(zhǔn)定為保證該300 MW燃煤電廠在定負(fù)荷條件下運(yùn)行。在耦合不同比例的生物質(zhì)時(shí)，確保進(jìn)入鍋爐的燃料熱量基本不變，燃料燃燒時(shí)的過(guò)量空氣系數(shù)維持在1.05。在此基礎(chǔ)上，可以間接計(jì)算出該300 MW燃煤電廠在耦合不同類(lèi)型的生物質(zhì)時(shí)所需的質(zhì)量流量[17]。所用煤樣與生物質(zhì)的工業(yè)分析、元素分析及發(fā)熱量分析如表1—表4所示。

表1 用料的工業(yè)分析Tab.1 Industrial analysis of feedstock%

表2 用料的元素分析Tab.2 Elemental analysis of feedstock%

表3 用料的硫分析Tab.3 Sulfur analysis of feedstock%

表4 干燥基低位發(fā)熱量Tab.4 Heat generation analysis of feedstockMJ/kg

1.2 經(jīng)濟(jì)性和減碳性模型搭建

前文對(duì)燃煤機(jī)組直接耦合生物質(zhì)的模型進(jìn)行了搭建，本節(jié)綜合考慮碳稅，分析直接耦合不同類(lèi)型生物質(zhì)時(shí)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電成本，以度電成本、每度電額外成本作為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)燃煤機(jī)組直接耦合生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的經(jīng)濟(jì)進(jìn)行評(píng)估，并討論關(guān)鍵參數(shù)（燃料價(jià)格、生物質(zhì)價(jià)格和碳稅價(jià)格）變化對(duì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的影響。經(jīng)濟(jì)性分析模型邏輯圖如圖3所示。

圖3 經(jīng)濟(jì)性分析模型邏輯圖Fig.3 Logic diagram of economic analysis model

建立的經(jīng)濟(jì)性分析模型基于以下假設(shè)條件。

（1）生物質(zhì)摻混時(shí)，應(yīng)保證鍋爐的總熱量輸入不變，生物質(zhì)摻混按照質(zhì)量輸入比例進(jìn)行分析。

（2）生物質(zhì)摻混入鍋爐后，鍋爐熱效率會(huì)隨生物質(zhì)混合比的增大而降低，根據(jù)文獻(xiàn)資料，近似計(jì)算生物質(zhì)加入導(dǎo)致鍋爐熱效率損失為Δηt=0.05φ（φ為生物質(zhì)質(zhì)量占比），φ=10%時(shí)，鍋爐熱效率損失量約為0.5%[18-20]。

（3）除燃料成本之外的發(fā)電成本為固定值, 不隨其他成本及上網(wǎng)電量的變化而變化。

（4）生物質(zhì)燃料價(jià)格不隨標(biāo)煤價(jià)格變化波動(dòng)。

（5）當(dāng)生物質(zhì)混燒比例較低時(shí)，生物質(zhì)混燒可能導(dǎo)致的積灰、結(jié)渣、腐蝕等問(wèn)題均可控。該經(jīng)濟(jì)性模型假定生物質(zhì)摻混不會(huì)對(duì)鍋爐運(yùn)行造成沾污、積灰以及催化劑中毒等負(fù)面影響，因而忽略這些影響產(chǎn)生的成本。主要針對(duì)投資費(fèi)用、燃料費(fèi)用、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用和排污費(fèi)用等進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)度電成本、每度電額外成本這兩個(gè)指標(biāo)分析耦合生物質(zhì)后電廠的投資費(fèi)用和生產(chǎn)成本。具體模型的建立詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[14，17，20]。

在關(guān)鍵數(shù)據(jù)選擇方面，本文研究對(duì)象300 MW燃煤鍋爐對(duì)應(yīng)的直接投資成本為3340 元/kW，綜合分析近年來(lái)的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)形勢(shì)，新建燃煤電站成本計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)如表5所示。傳統(tǒng)燃煤機(jī)組的直接投資成本參考各電力公司發(fā)布的關(guān)于新建電站的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

表5 新建燃煤電站成本計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)Tab.5 Data related to costing of new coal-fired power station

發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電成本受經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的影響，而市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)存在很大的波動(dòng)性，相關(guān)數(shù)據(jù)的變動(dòng)會(huì)影響發(fā)電成本的計(jì)算和分析。模型的關(guān)鍵參數(shù)以及基準(zhǔn)值取值如表6 和表7 所示。其中煤炭?jī)r(jià)格取2015—2022 年采購(gòu)價(jià)格的平均值，即650 元/t；生物質(zhì)價(jià)格為當(dāng)?shù)爻尚蜕镔|(zhì)的到廠價(jià)格，300～600元/t，基準(zhǔn)值取中值450元/t；碳稅價(jià)格來(lái)自中國(guó)碳交易網(wǎng)最新數(shù)據(jù)，根據(jù)地區(qū)差異在20～100元/t，基準(zhǔn)值取中值60元/t；灰渣按照40元/t銷(xiāo)售價(jià)格考慮。

表6 技術(shù)模型的參數(shù)Tab.6 Parameters of technical model

表7 技術(shù)模型的基準(zhǔn)值Tab.7 Reference values of technical model

在征收碳稅背景下，煤炭作為主要征收對(duì)象，燃燒產(chǎn)生的溫室氣體二氧化碳量仍需要支付碳稅，而生物質(zhì)燃燒由于是碳中性，混燒生物質(zhì)可節(jié)省部分碳稅，故碳稅成本Ct需計(jì)算煤炭產(chǎn)生二氧化碳量對(duì)應(yīng)的碳稅（以1 t 標(biāo)準(zhǔn)煤產(chǎn)生2.69 t 二氧化碳計(jì)算），即：

式中：Ptax為碳稅比率，元/t；Mc為燃煤機(jī)組煤炭消耗量，t。

上述關(guān)于燃煤機(jī)組耦合生物質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電成本的計(jì)算中，沒(méi)有特殊說(shuō)明的一律與傳統(tǒng)燃煤機(jī)組發(fā)電成本保持一致。

純?nèi)济弘姀S轉(zhuǎn)變?yōu)轳詈仙镔|(zhì)電廠后，生產(chǎn)每度電必須支付的額外費(fèi)用，即單位額外成本CkWh（元/kWh），可通過(guò)耦合生物質(zhì)燃燒總的額外費(fèi)用除以總發(fā)電量獲得，即：

式中：ΔCT為總額外成本；W為電站額定發(fā)電功率，本文取值300 MW；H為發(fā)電小時(shí)數(shù)，取5000 h。

總額外成本ΔCT是燃煤電廠在轉(zhuǎn)變?yōu)轳詈仙镔|(zhì)電廠時(shí)每年產(chǎn)生的額外費(fèi)用，包括生物質(zhì)的采購(gòu)成本Cpu、運(yùn)輸成本Ctr、節(jié)省煤炭成本ΔCc、節(jié)省碳稅ΔCt、摻燒生物質(zhì)引起的副產(chǎn)品（以飛灰和石膏計(jì)）銷(xiāo)售額的變化量ΔCb，即：

2 結(jié)果分析

2.1 直接耦合模型計(jì)算結(jié)果分析

生物質(zhì)摻燒比例是影響爐溫和產(chǎn)物的主要變量，也是影響經(jīng)濟(jì)性和碳減排的主要因素。摻燒比例對(duì)爐溫的影響方面，以0%摻燒時(shí)的爐溫1750 ℃為基準(zhǔn)，直接耦合不同類(lèi)型生物質(zhì)時(shí)爐溫變化量與摻燒比例的關(guān)系如圖4 所示。從圖4 可以看出，在額定負(fù)荷的條件下，當(dāng)直接耦合含水量較少的生物質(zhì)顆粒時(shí)，爐溫會(huì)隨著生物質(zhì)的摻燒比例增大而提升，當(dāng)耦合含水量較多的生物質(zhì)散料時(shí)，爐溫則會(huì)向著降低的方向移動(dòng)。但隨著生物質(zhì)含水量的增大，如耦合生物質(zhì)散料的情況下，由于水的蒸發(fā)會(huì)帶走大量的熱量，故爐溫會(huì)隨著含水量的增大而降低。在耦合污泥的情況下，干燥后污泥的含水量越低，爐溫越高。污泥含水量為5%時(shí)，隨著摻燒量的增加，溫度升高，而當(dāng)污泥含水量大于20%時(shí)，隨著摻燒比例的增大，溫度降低，且均接近線(xiàn)性變化。

圖4 直接耦合不同種類(lèi)生物質(zhì)時(shí)爐溫變化量與摻燒比例的關(guān)系Fig.4 Relationship between furnace temperature variation and blending ratios when directly coupling different types of biomass

摻燒比例對(duì)污染物排放的影響方面，燃煤機(jī)組直接耦合生物質(zhì)或污泥時(shí)，系統(tǒng)污染物（NOx、SOx）排放量如圖5所示。摻燒生物質(zhì)后，NOx排放與爐溫有著密切的關(guān)系，爐內(nèi)高溫下NOx的產(chǎn)生主要以熱力型為主。對(duì)比圖5（a）與圖4 可知兩者曲線(xiàn)趨勢(shì)一致，即對(duì)于各類(lèi)生物質(zhì)摻燒工況，隨溫度升高，NOx排放量增大。需要注意的是，相同溫度下，污泥的NOx排放量比生物質(zhì)散料高，這是由于所選污泥為煤氣化污泥，其中N含量比生物質(zhì)高很多。

圖5 直接耦合不同種類(lèi)生物質(zhì)時(shí)污染物排放量與摻燒比例關(guān)系Fig.5 Relationship between pollutant emissions and blending ratios when directly couplingdifferent types of biomass

結(jié)合圖5（b）和表3可以發(fā)現(xiàn)，SOx排放濃度變化與摻燒原料自身的S含量呈正相關(guān)。表3中有機(jī)硫含量和整體硫含量數(shù)據(jù)顯示：稻稈和水葫蘆的硫含量低于煤和污泥，因此隨著摻燒比例增大，SOx排放量減小；而污泥中的硫含量大于煤，因而隨著摻燒量的增加，SOx排放量相應(yīng)增大，同時(shí)隨著溫度的相對(duì)升高，二氧化碳排放量也增大。

2.2 直接耦合生物質(zhì)的經(jīng)濟(jì)性分析

燃煤機(jī)組直接耦合稻稈時(shí)不同摻燒比例下的度電成本和額外每度電成本如圖6所示。當(dāng)摻燒比例為0%時(shí)，燃煤機(jī)組發(fā)電成本為0.314 9 元/kWh。在直接耦合稻稈時(shí)，隨著摻燒比例的增大，系統(tǒng)的度電成本和額外每度電成本逐漸增加，這與文獻(xiàn)[17，20]的研究結(jié)果一致。盡管摻燒生物質(zhì)可降低系統(tǒng)的燃煤消耗量，但由于煤粉的發(fā)熱量遠(yuǎn)高于生物質(zhì)，相同熱量所需的生物質(zhì)體積和質(zhì)量較大，導(dǎo)致生物質(zhì)消耗量增大，且生物質(zhì)原料收購(gòu)成本較高，從而使得系統(tǒng)運(yùn)行中的燃料成本上升。此外，隨著摻燒比例的增大，生物質(zhì)消耗量增加，燃料成本也隨之增加，進(jìn)而導(dǎo)致耦合發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電成本上升。在征收碳稅時(shí)，系統(tǒng)的度電成本高于不含碳稅時(shí)的度電成本，但系統(tǒng)的額外每度電成本卻低于不含碳稅時(shí)的額外每度電成本，并且隨著摻燒比例的增大，含碳稅時(shí)的額外每度電成本增長(zhǎng)速率明顯高于不含碳稅時(shí)的額外每度電成本增長(zhǎng)速率，這說(shuō)明碳稅對(duì)額外每度電成本有較大影響。

圖6 摻燒比例對(duì)稻稈度電成本和額外每度電成本的影響Fig.6 The effect of blending ration on the cost of rice straw electricity per kWh and the cost of additional electricity per kWh

煤炭?jī)r(jià)格和生物質(zhì)價(jià)格是影響發(fā)電成本的主要因素，也是經(jīng)濟(jì)性分析的關(guān)鍵變量。煤價(jià)變動(dòng)下不同生物質(zhì)價(jià)格的額外每度電成本隨摻燒比例變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖7。圖7中，煤炭采購(gòu)價(jià)格取650元/t，碳稅價(jià)格取60 元/t，生物質(zhì)選用稻稈，稻稈價(jià)格越高，系統(tǒng)額外每度電成本的變化幅度越大。當(dāng)?shù)径拑r(jià)格為300 元/t 時(shí)，隨著摻燒比例的增大，系統(tǒng)的額外每度電成本逐漸降低，且低于傳統(tǒng)燃煤電廠的發(fā)電成本。這是因?yàn)樵诘径拑r(jià)格較低時(shí)，系統(tǒng)所需的生物質(zhì)燃料成本較低，而摻混使得系統(tǒng)的燃煤消耗量減少，煤炭減少成本和系統(tǒng)副產(chǎn)品收益超過(guò)生物質(zhì)燃料成本。因此，隨著摻燒比例的增大，系統(tǒng)的額外每度電成本逐漸降低，并且摻燒比例越大，降低幅度越大。然而，當(dāng)?shù)径拑r(jià)格超過(guò)400 元/t 時(shí)，系統(tǒng)的額外每度電成本逐漸上升。這是因?yàn)楦甙旱牡径拑r(jià)格導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行的生物質(zhì)燃料成本高于煤炭減少成本和系統(tǒng)副產(chǎn)品收益，系統(tǒng)的發(fā)電成本上升，且超過(guò)傳統(tǒng)燃煤電廠的發(fā)電成本。

圖7 稻稈價(jià)格對(duì)于系統(tǒng)發(fā)電成本的影響Fig.7 Impact of straw prices on the system electricity generation cost

煤炭?jī)r(jià)格變動(dòng)下的額外每度電成本隨摻混比例的變化曲線(xiàn)如圖8 所示。圖8 中生物質(zhì)價(jià)格為450 元/t，碳稅為60 元/t。當(dāng)煤炭?jī)r(jià)格高于800 元/t時(shí)，隨著摻燒比例的增大，系統(tǒng)額外每度電成本逐漸降低，且低于傳統(tǒng)燃煤電廠的發(fā)電成本。這是因?yàn)楫?dāng)煤炭?jī)r(jià)格較高時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行所需的煤炭燃料成本較高，而摻燒使得系統(tǒng)的燃煤消耗量減少，煤炭減少成本和系統(tǒng)副產(chǎn)品收益超過(guò)生物質(zhì)燃料成本，所以隨著摻燒比例增大，系統(tǒng)額外每度電成本逐漸降低，而且摻燒比例越大，額外每度電成本降幅也就越大。當(dāng)煤炭?jī)r(jià)格低于800元/t時(shí)，系統(tǒng)的額外每度電成本隨摻燒比例的增大而逐漸升高，這是因?yàn)槊禾績(jī)r(jià)格較低時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行的生物質(zhì)燃料成本高于煤炭減少成本和系統(tǒng)副產(chǎn)品收益，系統(tǒng)的發(fā)電成本上升，且超過(guò)傳統(tǒng)燃煤電廠的發(fā)電成本。

圖8 不同煤炭?jī)r(jià)格下額外成本-摻燒比例曲線(xiàn)簇Fig.8 Additional cost blending ratio curve group under different coal prices

2.3 直接耦合生物質(zhì)的碳減排和碳稅分析

不同類(lèi)型有機(jī)固廢摻燒時(shí)二氧化碳排放量與摻燒比例的關(guān)系如圖9所示。為了精確地分析耦合生物質(zhì)帶來(lái)的環(huán)境效益，本文將系統(tǒng)燃燒過(guò)程中排放的溫室氣體折合為二氧化碳當(dāng)量。以燃煤機(jī)組年節(jié)省二氧化碳量和生產(chǎn)1 kWh電能量時(shí)排放的當(dāng)量二氧化碳為標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)和對(duì)比燃煤鍋爐耦合不同類(lèi)型生物質(zhì)時(shí)排放的二氧化碳情況。

從圖9 可以看出，燃煤機(jī)組耦合含水量較低的生物質(zhì)可以有效降低二氧化碳的排放量，且隨著摻燒比例的增大，其效果更加顯著。與無(wú)摻燒工況相比較，以15%比例耦合由稻稈制成的生物質(zhì)顆粒時(shí)，燃煤機(jī)組每產(chǎn)生一度電，最大程度上可以減排二氧化碳6.31 g，即在質(zhì)量耦合比例為15%時(shí)，生物質(zhì)顆粒（由稻稈制成）可以減少0.49%的二氧化碳排放量，每年通過(guò)耦合生物質(zhì)可以減少二氧化碳排放量約7600 t，相當(dāng)于種植420 000棵樹(shù)一年吸收并儲(chǔ)存的二氧化碳量。但是，當(dāng)生物質(zhì)含水量過(guò)高時(shí)，以摻燒40%水分的污泥為例，由于需要額外的熱量干燥生物質(zhì)，因此燃燒消耗的煤量上升，二氧化碳排放量也隨之上升。故燃煤機(jī)組耦合含水量高的生物質(zhì)反而會(huì)增加二氧化碳排放量。

碳稅對(duì)度電額外成本的影響是促進(jìn)燃煤電廠耦合生物質(zhì)的重要因素。圖10 綜合分析了有無(wú)碳稅條件下，燃料價(jià)格對(duì)燃煤機(jī)組耦合生物質(zhì)發(fā)電額外成本的影響。在生物質(zhì)摻混質(zhì)量比為10%、生物質(zhì)價(jià)格為400 元/t 時(shí)，相較于不含碳稅的情況，包含碳稅的耦合生物質(zhì)發(fā)電的煤價(jià)盈虧平衡點(diǎn)從913元/t下降至741元/t。生物質(zhì)和煤價(jià)格變動(dòng)時(shí)，碳稅對(duì)于額外度電成本的影響可以通過(guò)對(duì)比圖10（a）和圖10（b）獲得。結(jié)果表明增加碳稅有利于降低煤價(jià)的盈虧平衡點(diǎn)，有利于促進(jìn)生物質(zhì)混燒技術(shù)進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

圖10 不同生物質(zhì)價(jià)格下額外成本-煤價(jià)直線(xiàn)簇Fig.10 Additional cost-coal price linear group under different biomass prices

燃煤機(jī)組耦合生物質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)相比傳統(tǒng)燃煤機(jī)組的優(yōu)勢(shì)主要在于碳減排效益，耦合系統(tǒng)的收益很大一部分來(lái)源于二氧化碳減排帶來(lái)的碳稅減少。所以碳稅價(jià)格會(huì)直接影響耦合系統(tǒng)發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性能。碳稅價(jià)格對(duì)燃煤機(jī)組耦合生物質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能的影響如圖11 所示。從圖11 可以看出，隨著碳稅價(jià)格的升高，燃煤機(jī)組耦合不同價(jià)格生物質(zhì)的額外成本均逐漸降低，當(dāng)生物質(zhì)價(jià)格低于400 元/t 時(shí)，會(huì)出現(xiàn)碳稅的盈虧平衡點(diǎn)，且碳稅的盈虧平衡點(diǎn)隨生物質(zhì)價(jià)格的降低而降低。合理設(shè)置碳稅價(jià)格可以有效促進(jìn)生物質(zhì)的摻燒，通過(guò)經(jīng)濟(jì)手段降低燃煤機(jī)組的碳排放量。

圖11 不同生物質(zhì)價(jià)格下額外成本-碳稅直線(xiàn)簇Fig.11 Additional cost-carbon tax linear group under different biomass prices

3 結(jié)論

本文采用Aspen Plus 搭建300 MW 煤粉鍋爐模型，進(jìn)行生物質(zhì)直接耦合煤燃燒發(fā)電的流程模擬，得出鍋爐溫度和排放物數(shù)據(jù)，再根據(jù)模擬結(jié)果搭建經(jīng)濟(jì)性分析模型和碳減排模型，分析摻燒生物質(zhì)后燃煤機(jī)組的度電成本和碳排放的變化情況，得出結(jié)論如下。

（1）不含碳稅情況下，隨著摻燒比例的增大，系統(tǒng)度電成本和額外每度電成本均升高。含碳稅情況下，系統(tǒng)額外每度電成本低于不含碳稅時(shí)的額外每度電成本，且隨摻燒比例增大的額外每度電成本上升速率低于不含碳稅時(shí)的上升速率。

（2）當(dāng)煤炭?jī)r(jià)格高于800元/t時(shí)，在本文設(shè)定的條件下，系統(tǒng)的額外每度電成本隨摻燒比例增大而降低；當(dāng)煤炭?jī)r(jià)格低于800 元/t 時(shí)，系統(tǒng)的額外每度電成本隨摻燒比例增大而升高。本文模型可以有效表征摻燒生物質(zhì)對(duì)于燃煤機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響。

（3）燃煤機(jī)組耦合生物質(zhì)發(fā)電可以明顯降低二氧化碳排放量，且隨著摻燒比例的增大，降低幅度更明顯；若生物質(zhì)含水量過(guò)高，則不會(huì)降低二氧化碳的排放量。

（4）燃煤機(jī)組耦合生物質(zhì)發(fā)電可以通過(guò)碳減排來(lái)降低碳稅，從而降低額外每度電成本。隨著碳稅的上升，燃煤機(jī)組耦合不同價(jià)格生物質(zhì)的額外每度電成本均逐漸降低。在本文設(shè)定條件下，當(dāng)生物質(zhì)價(jià)格低于400 元/t 時(shí)，會(huì)出現(xiàn)碳稅的盈虧平衡點(diǎn)，且平衡點(diǎn)隨著生物質(zhì)價(jià)格的降低而降低。