雙碳背景下燃煤鍋爐碳排放治理方法研究

韓飛　王健　劉旭杰　穆楠　付彪

關鍵詞：雙碳背景；燃煤鍋爐；碳排放；治理效果

中圖分類號：X321 文獻標志碼：A

前言

在雙碳排放的背景下，應采取有效的碳排放控制措施，提高煤炭資源利用率，減少環境污染和破壞。已有各種方法被應用于該項技術的研究中，如：文獻[1]采用演化博弈方法分析了影響碳排放治理的因素與碳排放的空間分異特征，并結合碳排放強度提出針對性的碳排放治理策略，但該方法對于燃煤鍋爐碳排放各利益主體的均衡點缺少仿真分析。文獻[2]通過構建普通面板空間EKC模型研究碳排放量與燃煤鍋爐各工序之間的關系，并結合環境效應原理設計碳排放治理方案，但該方法忽略了碳強度規模效應與結構效應的影響。針對以上問題，文章對雙碳背景下燃煤鍋爐碳排放治理方法進行研究與設計。

1.3模型求解

改進的粒子算法采用混合編碼方法，通過快速非支配排序對優秀種群進行分層排序，以獲得不同階數的前端粒子，并通過交叉和變異操作，選擇全局最優位置以輸出最佳解。模型求解流程見圖2。

根據圖2，可得到利用改進粒子算法求解碳排放治理目標模型的步驟如下。

（1）設置初始參數與初始化種群。代表解的染色體采用二進制編碼策略，對模型中的控制參數實施實數編碼。

（2）計算種群的目標函數值與約束違反度。

（3）在第一個前端中隨機選擇一個解作為粒子全局最優解。

（4）根據種群序值更新進化粒子的速度與位置，并進行第二代尋優過程。

（5）從不同的前端中，根據適應度值大小依次選擇新個體，作為下一代進化的優秀個體。

（6）判斷是否達到最大迭代次數，若達到，則終止算法，輸出最佳結果，否則，返回第（3）步繼續進化直至達到最大迭代次數。

2實驗論證分析

2.1實驗準備

選取某工業企業的循環硫化床燃煤鍋爐為研究對象。該鍋爐呈雙側布風布局，并配有3個煤倉。該鍋爐在正常運行中煤炭燃燒產生二氧化碳的排放情況具體如下：煤炭單位熱值含碳量為2.6×10^-3t/G，爐渣產量為120.6t，爐渣碳元素含量為0.3%，靜電除塵灰產量為89.6t，靜電除塵灰碳元素含量為2.5%，布袋除塵灰產量為140.3t，布袋除塵灰碳元素含量為5.0%，煤炭碳氧化率為95.7%，化石燃料燃燒CO₂排放量為2147.8t。各指標均較高，應對該企業燃煤鍋爐的碳排放治理進行策略優化。

實驗采用基于雙碳經濟的燃煤鍋爐碳排放治理模型，對2022年7月-12月上述企業的設備能源結構進行分析。基礎實驗數據包括月電力需求、單位電力燃料消耗率、煤炭單價、二氧化碳排放系數、鍋爐單位比投資、運行維護成本、二氧化碳排放規律和環境價值標準。

2.2實驗說明

設定研究區工業碳排放利益主體收益參數為0.1，企業持續監管、減排和核查的概率分別為0.3、0.2和0.5，企業選擇減排的概率不斷上升并最終收斂于1。各種煤化工產品的碳排放系數參考見表2。

以基于基準情景為參考，將所提方法應用結果的政策情景作為對照，測試文章方法應用效果。

2.3碳排放治理方案應用結果分析

以該企業2022年5-12月份為案例時間，將基于治理方案下的碳排放量與無政策下的碳排放量進行比較，分析治理效果。對比結果見圖3。

如圖3所示，將所提方法應用于該企業燃煤鍋爐碳排放治理中，在5月-12月對于碳排放治理期間，碳排放量大幅度降低。在該方案下，碳排放量在8月份達到穩定值，表明文章提出的碳排放治理方法能夠有效降低燃煤鍋爐的碳排放量，碳排放治理效果較好。

2.4減排率對比實驗分析

為進一步驗證文章方法在燃煤鍋爐碳排放治理方面的優越性能，引入文獻[1]基于演化博弈視角（方法1）、文獻[2]基于空間EKC模型（方法2）作為文章方法的對比方法，并統計不同方法治理碳排放后的減排效果，見圖4。

如圖4所示，在不同碳氧轉化率條件下，文章方法得到的二氧化碳減排率要遠高于對比方法，均在45%以上。方法1的減排效果較差，主要是由于該方法無法根據碳達峰目標適時調整目標模型的內部控制參數；方法2相比于方法1的減排效果具有較大提升，但總體碳排放治理效果仍不理想，主要是由于該方法不能通過改變不同的變量參數調控設置不同的碳排放場景。

將文章方法應用于位于東北地區的某電廠、位于華北地區的某鋼鐵廠以及位于華東地區的某化工企業中，應用該方法后均運行穩定，二氧化碳排放量顯著下降，也減少了對環境的污染和對化石能源的依賴，但投資成本及運行維護費用相對較高。

3結束語

為彌補當前燃煤鍋爐碳排放治理方法存在的不足，文章提出雙碳背景下的燃煤鍋爐碳排放治理方法。在方法設計中，同時考慮了碳排放量和治理成本兩個關鍵指標，通過構建多目標決策模型，更全面地評估治理方案的綜合效果，測算碳排放量與構建碳排放治理目標模型，并引入改進粒子算法對模型進行求解，由此獲得最佳治理方案。此外，引入碳強度表征函數可以更準確地確定模型內部控制參數，提高治理效果的精確性和穩定性。選取某工業企業的循環硫化床燃煤鍋爐為研究對象，將基于治理方案下的碳排放量與無政策下的碳排放量進行比較，并統計不同方法治理碳排放后的減排效果。實驗結果表明，所設計的方法能夠有效降低燃煤鍋爐的碳排放量，減排效果較好。