火力發電廠碳排放測量及分析

陳詠城,唐 雯,馬旭濤

(廣東紅海灣發電有限公司，廣東 汕尾 516623)

0 前 言

2020年9月，中國在聯合國大會上向世界宣布了2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和的目標。而中國二氧化碳排放主要來自化石燃料的燃燒，其中火力發電廠排放的二氧化碳占據我國排放溫室氣體很大一部分。為實現中國節能減排的目標，各火力發電廠、科研單位紛紛開展碳捕集、利用、封存的技術研究，國家也出臺碳排放權交易、低碳電廠補償等政策支持發電廠實現減排任務[1-2]。2021年1月，中國正式啟動全國碳市場第一個履約周期，電力行業最先被納入全國碳市場，發電行業覆蓋的碳排放量將近40億噸，將成為全球覆蓋溫室氣體排放量規模最大的碳市場。截止目前，全國碳市場圍繞法律制度、技術規范和業務規則等建立起來了一套完善、體系化的制度，全國碳市場上線交易即將啟動，將對發電企業的生產經營活動帶來較大影響，其中最主要的影響因素是碳排放總量的核算。

目前，燃煤電廠的碳排放量總量的核算均采用測算的方法得到，受燃煤數據測量誤差、計算誤差、機組運行參數誤差等因素的影響，對于單個火電廠而言計算出的數據存在較大偏差。實現二氧化碳在線實時測量、計算，能夠更好彌補核算過程中人為干擾多、誤差較大、成本高等缺點，為數據質量提供更多保障，具有良好的社會價值和經濟價值，將來也可能成為碳排放總量核查的重要依據[3]。本文主要借鑒燃煤電廠二氧化硫、氮氧化物等的測量方法，采用測量方法得到煙氣排放口二氧化碳含量，結合煙氣排放溫度、壓力、流量、濕度等參數在線計算二氧化碳排放量，計算得到的二氧化碳排放范圍包括燃煤電廠煤炭固定燃燒、濕法脫硫工藝產生的二氧化碳，不包括外購電力、蒸汽需計算的二氧化碳。

1 碳排放量核算方法及存在問題

政府間氣候變化專門委員會(IPCC)是評估與氣候變化相關科學的國際機構。在其發布的指導手冊上提供了計算碳排放量的方法，即能源消耗量乘以能源消耗產生的二氧化碳排放系數最終得出總排放量。二氧化碳排放系數與排放形式、排放源類別、燃料類別等有關，該方法一般適用于一個國家或地區宏觀排放量的統計計算，對于單個火電廠或單臺發電機組而言，計算的數據會存在較大偏差。

我國規定電力行業溫室氣體排放監測采用核算法。該方法通過燃料消耗量、燃料發熱量、原材料使用量、排放因子等計算二氧化碳排放量，在此基礎上，我國學者在火電廠碳排放量計算上也做了大量研究。蔡毅等(蔡毅等，2019)提出了一種在線測量煤電機組碳氧化率的方法,通過鍋爐容量、燃燒方式、入爐煤種成分、負荷率與機組碳氧化率的相關性，提出了一種以煤種C/H作為煤電機組碳排放強度減排的判據[4]。葛志松等(葛志松等，2017)基于當日灰平衡法對燃煤機組的碳氧化率進行了計算,提出了一種新的煤燃燒碳排放因子關鍵參數的測試流程和計算方法[5]。劉睿等(劉睿等，2014)提出了一種基于燃煤電廠原煤煤質、含碳量、揮發分含量等指標進行分析，更加準確的計算燃煤電廠固定燃燒碳排放量的方法。總結上述幾種方法，均為基于燃煤煤質、含碳量、燃燒效率、碳氧化率等[6]。目前，燃煤電廠大部分時間采用多種煤種摻燒，燃煤品質存在很大差異，通過計算方法得到單個火力發電廠或單臺火力發電機組的碳排放量與實際排放量存在較大偏差，且容易受測量誤差、人為因素等影響，核算成本高。

2 測量方法及系統

2.1 二氧化碳質量濃度的測量

目前用于測量二氧化碳氣體含量的方法主要有電化學法、熱傳導式、電容式、固體電介質和紅外吸收法等。相較于其他測量方法，紅外吸收法在火電廠煙氣成分測量中有廣泛的應用，其系統與火電廠現有測量二氧化硫、氮氧化物氣體成分的煙氣監測系統類似。火力發電廠可利用原有的取樣系統、預處理系統，通過增加相應的分析儀或在分析儀中增加相應的測量組分實現二氧化碳測量。同時，將二氧化碳測量數據納入火電廠煙氣監測系統(CEMS)和傳送至DCS，實現數據的實時監視、自動統計與報警等。本文采用的煙氣監測系統流程圖如圖1所示，煙氣分析儀采用非分散紅外吸收法，排放煙氣取樣點設置在煙囪上，煙氣取樣探頭將排放煙氣加熱取樣后通過取樣管送至儀表分析柜，儀表分析柜通過制冷器和蠕動泵去除煙氣中的水分后將煙氣送入分析儀進行分析測量，測量數據送至PLC和煙氣監測系統進行計算統計。

圖1 煙氣測量流程圖

通過上述系統測得排放煙氣中二氧化碳體積濃度，根據《固定污染源廢氣二氧化碳的測定非分散紅外吸收法》，煙氣中二氧化碳的質量濃度(g/m3 )計算公式如下：

(1)

式中：

ρ——標準狀態(273 K，101.325 kPa)下干煙氣二氧化碳質量濃度，g /m3；

ω——分析儀器測量的煙氣中二氧化碳體積濃度，%。

2.2 煙氣流速的測量

煙氣流速測量裝置采用皮托管差壓測量原理，集成溫度傳感器、大氣壓力傳感器、靜壓傳感器等。測量時將皮托管探頭插入煙道中，并使探頭中心軸線處于過流斷面中心且與流線方向一致，探頭全壓測孔、靜壓測孔分別將全壓靜壓傳遞給差壓傳感器，測得煙氣動壓。根據動壓及煙氣溫度、大氣壓力、靜壓等即可得到煙氣流速，并將流速信號輸出至DCS和煙氣監測系統。為獲得更加準確的流速測量，將煙氣流速測量裝置安裝在鍋爐煙囪65 m位置，以保證足夠的直管段。

3 計算方法及應用

通過測量得到二氧化碳濃度和煙氣流速后，需要在分散控制系統(DCS)中進行相應計算，以獲得煙氣二氧化碳排放速率及排放量，計算方法如下：

標準狀態下干煙氣流量Qsn按下式計算：

(2)

式中：

Qsn——標準狀態下干煙氣流量，m3/h；

Qs——測得的煙氣流速，m/s；

kp——流量系數；

A——煙囪截面積，m2；

Ba——大氣壓力，Pa；

Ps——煙氣靜壓，Pa；

ts——煙氣溫度，℃；

Xsw——煙氣中含濕量，%。

二氧化碳排放速率的計算：

G(CO2,kg/h)=ρ×Qsn×10-3

(3)

式中：

G——二氧化碳排放速率，kg/h；

ρ——干煙氣中二氧化碳濃度，g/m3；

Qsn—— 標準狀態下干煙氣流量，m3/h。

綜合上述計算方法，在機組DCS中增加煙氣二氧化碳排放速率邏輯，邏輯框圖如下圖所示：

圖2 二氧化碳排放速率邏輯框圖

通過對碳排放速率進行累積計算，即可得到某臺機組實際的碳排放量。某臺660MW超超臨界機組實際應用情況如表1所示。

表1 C02測量及計算數據

4 討論與建議

實現燃煤電廠的碳減排、碳排放權交易等的前提是準確的計算燃煤電廠的碳排放量，以便計算碳減排改造后的減排量和實際排放量，從而核定減排改造或排放權交易產生的成本和收益，指導燃煤電廠生產經營決策，同時也可做為監管機構進行環保督查的重要依據。因此，實現燃煤電廠碳排放量準確測量、實時計算具有重要意義。

本文通過某660 MW超超臨界機組燃煤機組二氧化碳和流量的實時測量和計算，得到實時煙氣排放速率。由于二氧化碳的測量采用紅外吸收法，該方法在煙氣監測系統中有著廣泛的應用，測量數據準確、可靠，且可通過標準氣體進行定期校驗驗證，數據可信度高。將煙氣流速測量裝置設置在煙囪65 m平臺，保證足夠的測量直管段，可保證煙氣流量測量的準確性。同時，煙氣差壓、溫度、濕度等均有成熟可靠的測量方法。因此，通過此方法計算得到的碳排放數據具有準確性、實時性的優點，對中國碳市場質量保證體系的建設有積極意義，可以在燃煤電廠中推廣應用。

5 結 語

目前，火電廠煙氣在線監測系統主要測量二氧化硫、氮氧化物、粉塵等數據，大部分火電廠未設置二氧化碳測量裝置。火電廠二氧化碳排放量的計算大多采用間接測算的方法，由于測算方法涉及參數多，數據變化大，采用不同方法測算的數據差異較大。通過增加二氧化碳測量裝置及相關計算邏輯，可實時監測機組二氧化碳排放速率，并計算機組碳排放量，可為碳捕集、利用與封存的設計提供參數，也可為碳排放權交易、低碳電廠補償提供準確數據。