大型燃煤電站鍋爐碳氧化率試驗研究

項群揚，郎 寧，蔡 毅，周 潔

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大型燃煤電站鍋爐碳氧化率試驗研究

項群揚1,2，郎 寧2，蔡 毅1,2，周 潔1,2

（1.浙江省火力發電高效節能與污染物控制技術研究重點實驗室，浙江 杭州 311121；2.浙江浙能技術研究院有限公司，浙江 杭州 311121）

國標GB/T 32151.1—2015是目前發電行業核算CO2排放量，并編制企業溫室氣體排放報告的參考標準。依據該標準規定的CO2排放量核算方法，碳氧化率的核算準確程度會很大程度上影響CO2核算的準確性。本文以40臺大型燃煤電站鍋爐的124次鍋爐性能試驗數據為基礎，統計得到不同規模和類型鍋爐碳氧化率的分布范圍，同時從統計規律上研究了負荷率、煤質特性等因素與碳氧化率的相關關系。結果表明：300 MW及以上級別大型燃煤鍋爐（不包括燃用無煙煤和貧煤鍋爐）的碳氧化率均高于標準中推薦的缺省值98%，隨著鍋爐容量的提高，碳氧化率會有一定的上升；相同容量切圓燃燒鍋爐的碳氧化率要明顯高于對沖燃燒鍋爐；碳氧化率與燃煤收到基灰分呈一定負相關關系，與燃煤全水分呈一定的正相關關系，而與鍋爐負荷率、燃煤收到基含碳量和干燥無灰基揮發分的相關性很小。

鍋爐；溫室氣體；碳排放；排放因子；碳氧化率；負荷率；煤質特性

2014年，中國和美國在北京發布應對氣候變化聯合聲明，中方首次正式承諾計劃2030年左右中國碳排放達到峰值。為實現碳排放強度下降的目標，我國推行溫室氣體排放總量控制和配額管理制度，并計劃啟動碳排放權交易，即通過為重點排放單位設定總量控制目標，形成倒逼機制，促使企業加 強碳排放管理。國家發展和改革委員會在2011年 11月發布了《關于開展碳排放權交易試點》的通知，同意北京、天津、上海、重慶、廣東、湖北和深圳等7個省市開展碳排放權交易試點。2017年，國 家發展和改革委員會頒布《全國碳排放權交易市 場建設方案》，標志著全國碳排放交易體系完成總體設計。

發電行業作為碳排放總量最大的行業，具有產品單一、數據基礎較好等特點，是啟動全國碳排放交易體系的突破口。在我國，燃煤電廠作為二氧化碳（CO2）固定和集中的排放源，發電比例超過70%，與此同時CO2排放量占發電CO2排放總量的95%以上[1]。因此，燃煤電廠碳排放的精準計量對實現全國碳排放的精準核算意義重大。

本文以大型燃煤電站鍋爐中最常見的切圓 燃燒鍋爐和對沖燃燒鍋爐為對象，以40臺鍋爐的124次性能試驗為基礎，通過性能試驗收集的煤質分析數據、灰渣分析數據和機組運行數據，計算得出不同類型機組的碳氧化率波動范圍，可為不同爐型的碳氧化率缺省值優化選取和碳排放精準核算提供依據。

1 碳氧化率計算方法

國家標準《溫室氣體排放核算與報告要求第1部分：發電企業》（GB/T 32151.1—2015）[2]是目前發電行業核算溫室氣體排放量，并編制企業溫室氣體排放報告的參考標準，其中發電企業的溫室氣體特指CO2。化石燃料燃燒是發電企業CO2排放占比最大也是相對較難準確計量和核算的部分。化石燃料燃燒產生的CO2排放由化石燃料的活動數據燃料單位熱值含碳量和化石燃料的碳氧化率計算得到。其中化石燃料的活動數據僅和燃煤的消耗量和發熱量有關，燃料單位熱值含碳量僅與燃煤成分相關，均較容易統計及核算。而不同類型鍋爐或相同鍋爐在不同燃燒工況下的碳氧化率差異較大，對其核算的準確程度嚴重影響CO2核算的準確性。

碳氧化率可由式(1)根據實測結果計算，在無法獲得實測結果時也可取缺省值98%。

式中：為燃煤的碳氧化率，%；b為全年的爐渣產量，t；b為爐渣的平均含碳量，%；f為全年的飛灰產量，t；f為飛灰的平均含碳量，%；為除塵系統平均除塵效率，%；為燃煤的消耗量，t；為燃煤的平均低位發熱量，GJ/t。

上述各項相關參數的獲取方式如下。

1）爐渣產量和飛灰產量應采用實際稱量值，按月記錄。如果不能獲取稱量值時，可采用DL/T 5142中的估算方法進行估算[3]。其中鍋爐各部分排放的飛灰和爐渣量應按鍋爐廠提供的灰渣分配比例進行計算，對于煤粉爐飛灰比例可取推薦值90%。

2）除塵效率應采用設備制造廠提供的數據，在未提供數據時，除塵效率取100% 。

3）爐渣和飛灰的含碳量根據當月每次樣本檢測值取算術平均值，且每月的檢測次數不低于1 次。

灰渣含碳量取樣的代表性對碳氧化率的實測值影響較大。標準規定飛灰和爐渣含碳量每月檢測次數不低于1 次，但在鍋爐運行過程中灰渣含碳量變化幅度較大，每月1次或數次的取樣頻次無法有效代表月均飛灰和爐渣的情況，這會導致碳氧化率的計算結果與實際情況出現偏差[4-6]。

GB/T 32151.1—2015規定，如果碳氧化率實測結果難以獲得，可采用缺省值98%。在2017年以前的核查報告編制過程中，碳氧化率多數采用缺省值。但是，電站鍋爐的類型較為復雜，不同容量和燃燒方式鍋爐的實際碳氧化率波動范圍與缺省值差異較大[7-11]，若均采用相同缺省值，也會導致計算得到的碳排放量和實際碳排放量存在偏差。

目前，國內外對碳氧化率變化規律的研究還較少。吳漢棟等[12]選取了某亞臨界300 MW機組研究不同影響因素情況下碳氧化率的變化情況；蓋志杰等[10]統計了某電廠的碳氧化率在歷年的變化情況。本文在不大幅增加飛灰、爐渣等取樣頻次的情況下，通過對不同規模、類型鍋爐的碳氧化率進行試驗研究和統計，得到不同類型鍋爐碳氧化率的波動范圍，可為碳氧化率核算及缺省值取值提供參考。

2 試驗工況及方法

2.1 試驗工況

本研究選取300、600、1 000 MW級別對沖燃燒鍋爐和切圓燃燒鍋爐共6種爐型對碳氧化率進行試驗，試驗研究的不同類型鍋爐數量和工況數量見表1。試驗選取鍋爐數量40臺，鍋爐制造廠家、運行年限等差異較大；合計試驗工況124種，且均依托于鍋爐性能試驗；煤質和飛灰取樣均在穩定工況下進行，具有代表性，能夠反應該鍋爐的實際運行狀況。

表1 碳氧化率試驗工況

Tab.1 Summary of carbon oxidation rate test conditions

2.2 試驗方法

試驗參考美國機械工程師協會（ASME）的性能試驗標準《Fired steam generators performance test codes》（ASME PTC4—2013）[13]和《電站鍋爐性能試驗規程》（GB/T 10184—2015）[14]實施。

試驗前對鍋爐全面吹灰1次，所有的給水加熱器投入運行，切除機組供熱，負荷升至試驗要求負荷并至少保持穩定運行1 h；在試驗期間，鍋爐負荷、汽溫、汽壓和風量盡量保持穩定，不吹灰、不做任何會擾亂運行工況的操作，試驗煤質保持穩定。

入爐煤取樣通過設置在每臺給煤機落煤管上的入爐煤取樣點進行，每工況取樣一次，每次約為2 kg并密封好。依據GB 474進行制樣，同時按照相應國家標準進行碳元素分析、工業分析和發熱量測定。飛灰取樣采用電廠鍋爐煙道上安裝的固定式飛灰取樣器，按左右側分開，試驗開始時倒空采樣瓶，試驗結束后取出樣品。爐渣樣在試驗過程中定期在爐底渣排放口獲取，裝入密封袋中。飛灰和爐渣的樣本檢測遵循DL/T 567.6的要求進行。

3 試驗結果

同一臺鍋爐的不同工況試驗以及相同類型多臺鍋爐的碳氧化率結果均有一定波動范圍，在有較多樣本的情況下，多組碳氧化率數據平均值能在一定程度上反應某一類型鍋爐碳氧化率情況。不同類型的燃煤電站鍋爐在額定負荷下的碳氧化率試驗結果如圖1所示，其碳氧化率結果平均值和標準差見表2。

由圖1和表2可以看出：文中所統計的300 MW及以上的大型燃煤電站鍋爐中，碳氧化率平均值均高于缺省值98%，其中300 MW對沖燃燒鍋爐的碳氧化率為98.65%，而其他5種鍋爐的碳氧化率均超過99%，這說明GB/T 32151.1—2015中推薦的缺省值98%與實際情況有較大偏差，若采用該缺省值，會導致核算報告得到的CO2排放總量小于實際排放量；隨著鍋爐容量的提高，碳氧化率會有一定的上升，其中600 MW級別和1 000 MW級別對沖燃燒鍋爐比300 MW級別對沖燃燒鍋爐的碳氧化率分別高0.56%和0.91%，這兩個級別的切圓燃燒鍋爐比300 MW級別的切圓燃燒鍋爐碳氧化率分別高0.54%和–0.01%；600 MW和1 000 MW級別切圓燃燒鍋爐的碳氧化率已經較高，隨著機組容量的增加變化不明顯；切圓燃燒鍋爐的碳氧化率要明顯高于對沖燃燒鍋爐，300、600、1 000 MW級別的切圓燃燒鍋爐的碳氧化率比相應級別的對沖燃燒鍋爐分別要高0.51%、0.49%、0.13%，該結果與文獻報道的不同燃燒方式鍋爐的飛灰含碳量結果對應[15-16]。

圖1 不同類型鍋爐額定負荷下碳氧化率試驗結果

表2 碳氧化率結果平均值和標準差

Tab.2 The average values and standard deviations of carbon oxidation rate

根據上述研究結果，建議燃煤電站鍋爐（不包括燃用無煙煤和貧煤的鍋爐）的碳氧化率缺省值可調整至99%以上，或者可根據不同爐型取表2中的平均值。

實際運行過程中，大型電站鍋爐的負荷率變化范圍一般在50%~100%之間，圖2為300 MW和600 MW 4種不同類型鍋爐在100%、75%、50%負荷率下的碳氧化率變化情況。

由圖2可以看出：負荷率的變化對碳氧化率的影響不大，75%和50%負荷率時300 MW對沖鍋爐的碳氧化率分別為98.31%和98.29%，位于表2中該類型鍋爐額定負荷的碳氧化率波動范圍（平均值±標準差）98.65%±0.36%之內；300 MW切圓鍋爐、600 MW對沖鍋爐和切圓鍋爐在75%和50%負荷率時的碳氧化率也均位于表2中該類型鍋爐額定負荷碳氧化率波動范圍之內。因此，在缺少低負荷試驗數據時，可用鍋爐額定負荷下的碳氧化率結果代表鍋爐在實際運行狀況下的碳氧化率水平。

圖2 碳氧化率隨負荷率變化情況

入爐煤成分對碳氧化率有一定影響[12,17]。圖3為多臺不同鍋爐的碳氧化率隨燃煤收到基含碳量的變化情況。

圖3 碳氧化率隨著燃煤收到基含碳量的變化情況

由圖3可以看出，碳氧化率與燃煤收到基含碳量的相關性較小，對圖中數據進行線性擬合，得到的線性度判定系數2僅為0.15，可以認為燃煤收到基含碳量對碳氧化率影響很小。

圖4為碳氧化率隨燃煤收到基灰分的變化情況。由圖4可以看出，隨著燃煤收到基灰分的增加，碳氧化率呈現下降趨勢，對圖中數據進行線性擬合，得到線性度判定系數2為0.31，說明兩者之間有一定的負相關關系。

根據某電廠4臺相同類型的600 MW級別鍋爐的試驗數據，得出碳氧化率隨著燃煤全水分和干燥無灰基揮發分的變化情況分別如圖5和圖6所示。由圖5和圖6可以看出：碳氧化率與燃煤全水分之間有一定正相關關系，線性度判定系數2為0.32；而碳氧化率與燃煤干燥無灰基揮發分之間幾乎無相關性。

圖4 碳氧化率隨著燃煤收到基灰分的變化情況

圖5 碳氧化率隨燃煤全水分變化

圖6 碳氧化率隨燃煤干燥無灰基揮發分變化

4 結論與建議

1）300 MW及以上級別大型燃煤鍋爐的碳氧化率均高于標準推薦的缺省值98%，若采用該值核算碳排放會導致核算得到的CO2排放總量要低于其實際排放量。建議燃煤電站鍋爐（不包括燃用無煙煤和貧煤的鍋爐）的碳氧化率缺省值調整至99%以上，或者可根據不同爐型取值。

2）隨著鍋爐容量的提高，碳氧化率會有一定的上升，相同容量的切圓燃燒鍋爐的碳氧化率要明顯高于對沖燃燒鍋爐；對同一臺鍋爐，負荷率的變化對碳氧化率的影響不大。

3）入爐煤的成分會一定程度上影響碳氧化率。碳氧化率與燃煤收到基灰分呈一定負相關關系，與燃煤全水分呈一定的正相關關系，而與燃煤收到基含碳量和干燥無灰基揮發分之間相關性很小。

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Experimental study on carbon oxidation rate of large-scale coal-fired stations

XIANG Qunyang1,2, LANG Ning2, CAI Yi1,2, ZHOU Jie1,2

(1. Zhejiang Provincial Key Laboratory of Energy Conservation & Pollutant Control Technology for Thermal Power, Hangzhou 311121, China; 2. Zhejiang Energy Group R&D, Hangzhou 311121, China)

China national standard GB/T 32151.1—2015 is the current reference standard for power generation enterprises to accounting CO2emission amounts and prepare the emission report for greenhouse gases. According to the standard, the accounting accuracy of the carbon oxidation rate will greatly affect the accounting accuracy of CO2emission. On the basis of 124 performance tests data for 40 large-scale coal-fired boilers, the distribution range of the carbon oxidation rate of the boilers with different scales and types was obtained statistically. Moreover, the relativity relationship between the carbon oxidation rate and load ratio or coal property was analyzed from statistical point of view. The results show that, the carbon oxidation rate of large-scale (300 MW and above) coal-fired boilers (except anthracite-and lean coal-fired boiler) was larger than the recommended value 98% of the standard. The carbon oxidation rate increased with the boiler scale and the carbon oxidation rate of the tangentially-fired boilers was higher than that of the opposed firing boilers. Besides, the carbon oxidation rate had weakly negative correlation with ash content of the coal and weakly positive correlation with total water content of the coal, while it was almost uncorrelated with the load ratio, the carbon content of the coal and the coal volatile matters.

boiler, greenhouse gases, CO2emission, emission factor, carbon oxidation rate, load rate, coal property

TK229.6

A

10.19666/j.rlfd.201812229

項群揚, 郎寧, 蔡毅, 等. 大型燃煤電站鍋爐碳氧化率試驗研究[J]. 熱力發電, 2019, 48(6): 24-28. XIANG Qunyang, LANG Ning, CAI Yi, et al. Experimental study on carbon oxidation rate of large-scale coal-fired stations[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(6): 24-28.

2018-12-11

項群揚(1989—)，男，博士，工程師，主要研究方向為火電廠鍋爐燃燒和二氧化碳減排技術, 524786796@qq.com。

（責任編輯 馬昕紅）