陳詠城,唐 雯,馬旭濤

(廣東紅海灣發(fā)電有限公司，廣東 汕尾 516623)

0 前 言

2020年9月，中國(guó)在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上向世界宣布了2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。而中國(guó)二氧化碳排放主要來自化石燃料的燃燒，其中火力發(fā)電廠排放的二氧化碳占據(jù)我國(guó)排放溫室氣體很大一部分。為實(shí)現(xiàn)中國(guó)節(jié)能減排的目標(biāo)，各火力發(fā)電廠、科研單位紛紛開展碳捕集、利用、封存的技術(shù)研究，國(guó)家也出臺(tái)碳排放權(quán)交易、低碳電廠補(bǔ)償?shù)日咧С职l(fā)電廠實(shí)現(xiàn)減排任務(wù)[1-2]。2021年1月，中國(guó)正式啟動(dòng)全國(guó)碳市場(chǎng)第一個(gè)履約周期，電力行業(yè)最先被納入全國(guó)碳市場(chǎng)，發(fā)電行業(yè)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(guī)模最大的碳市場(chǎng)。截止目前，全國(guó)碳市場(chǎng)圍繞法律制度、技術(shù)規(guī)范和業(yè)務(wù)規(guī)則等建立起來了一套完善、體系化的制度，全國(guó)碳市場(chǎng)上線交易即將啟動(dòng)，將對(duì)發(fā)電企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)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(cè)算的方法得到，受燃煤數(shù)據(jù)測(cè)量誤差、計(jì)算誤差、機(jī)組運(yùn)行參數(shù)誤差等因素的影響，對(duì)于單個(gè)火電廠而言計(jì)算出的數(shù)據(jù)存在較大偏差。實(shí)現(xiàn)二氧化碳在線實(shí)時(shí)測(cè)量、計(jì)算，能夠更好彌補(bǔ)核算過程中人為干擾多、誤差較大、成本高等缺點(diǎn)，為數(shù)據(jù)質(zhì)量提供更多保障，具有良好的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，將來也可能成為碳排放總量核查的重要依據(jù)[3]。本文主要借鑒燃煤電廠二氧化硫、氮氧化物等的測(cè)量方法，采用測(cè)量方法得到煙氣排放口二氧化碳含量，結(jié)合煙氣排放溫度、壓力、流量、濕度等參數(shù)在線計(jì)算二氧化碳排放量，計(jì)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(chǎn)生的二氧化碳，不包括外購電力、蒸汽需計(jì)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(huì)(IPCC)是評(píng)估與氣候變化相關(guān)科學(xué)的國(guó)際機(jī)構(gòu)。在其發(fā)布的指導(dǎo)手冊(cè)上提供了計(jì)算碳排放量的方法，即能源消耗量乘以能源消耗產(chǎn)生的二氧化碳排放系數(shù)最終得出總排放量。二氧化碳排放系數(shù)與排放形式、排放源類別、燃料類別等有關(guān)，該方法一般適用于一個(gè)國(guó)家或地區(qū)宏觀排放量的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，對(duì)于單個(gè)火電廠或單臺(tái)發(fā)電機(jī)組而言，計(jì)算的數(shù)據(jù)會(huì)存在較大偏差。

我國(guó)規(guī)定電力行業(yè)溫室氣體排放監(jiān)測(cè)采用核算法。該方法通過燃料消耗量、燃料發(fā)熱量、原材料使用量、排放因子等計(jì)算二氧化碳排放量，在此基礎(chǔ)上，我國(guó)學(xué)者在火電廠碳排放量計(jì)算上也做了大量研究。蔡毅等(蔡毅等，2019)提出了一種在線測(cè)量煤電機(jī)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(fù)荷率與機(jī)組碳氧化率的相關(guān)性，提出了一種以煤種C/H作為煤電機(jī)組碳排放強(qiáng)度減排的判據(jù)[4]。葛志松等(葛志松等，2017)基于當(dāng)日灰平衡法對(duì)燃煤機(jī)組的碳氧化率進(jìn)行了計(jì)算,提出了一種新的煤燃燒碳排放因子關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)試流程和計(jì)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(zhì)、含碳量、揮發(fā)分含量等指標(biāo)進(jìn)行分析，更加準(zhǔn)確的計(jì)算燃煤電廠固定燃燒碳排放量的方法?？偨Y(jié)上述幾種方法，均為基于燃煤煤質(zhì)、含碳量、燃燒效率、碳氧化率等[6]。目前，燃煤電廠大部分時(shí)間采用多種煤種摻燒，燃煤品質(zhì)存在很大差異，通過計(jì)算方法得到單個(gè)火力發(fā)電廠或單臺(tái)火力發(fā)電機(jī)組的碳排放量與實(shí)際排放量存在較大偏差，且容易受測(cè)量誤差、人為因素等影響，核算成本高。

2 測(cè)量方法及系統(tǒng)

2.1 二氧化碳質(zhì)量濃度的測(cè)量

目前用于測(cè)量二氧化碳?xì)怏w含量的方法主要有電化學(xué)法、熱傳導(dǎo)式、電容式、固體電介質(zhì)和紅外吸收法等。相較于其他測(cè)量方法，紅外吸收法在火電廠煙氣成分測(cè)量中有廣泛的應(yīng)用，其系統(tǒng)與火電廠現(xiàn)有測(cè)量二氧化硫、氮氧化物氣體成分的煙氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)類似?；鹆Πl(fā)電廠可利用原有的取樣系統(tǒng)、預(yù)處理系統(tǒng)，通過增加相應(yīng)的分析儀或在分析儀中增加相應(yīng)的測(cè)量組分實(shí)現(xiàn)二氧化碳測(cè)量。同時(shí)，將二氧化碳測(cè)量數(shù)據(jù)納入火電廠煙氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(CEMS)和傳送至DCS，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)視、自動(dòng)統(tǒng)計(jì)與報(bào)警等。本文采用的煙氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)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(diǎn)設(shè)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(dòng)泵去除煙氣中的水分后將煙氣送入分析儀進(jìn)行分析測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)送至PLC和煙氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì)。

圖1 煙氣測(cè)量流程圖

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

(1)

式中：

ρ——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(273 K，101.325 kPa)下干煙氣二氧化碳質(zhì)量濃度，g /m3；

ω——分析儀器測(cè)量的煙氣中二氧化碳體積濃度，%。

2.2 煙氣流速的測(cè)量

煙氣流速測(cè)量裝置采用皮托管差壓測(cè)量原理，集成溫度傳感器、大氣壓力傳感器、靜壓傳感器等。測(cè)量時(shí)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(cè)孔、靜壓測(cè)孔分別將全壓靜壓傳遞給差壓傳感器，測(cè)得煙氣動(dòng)壓。根據(jù)動(dòng)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(hào)輸出至DCS和煙氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為獲得更加準(zhǔn)確的流速測(cè)量，將煙氣流速測(cè)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(jì)算方法及應(yīng)用

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

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下干煙氣流量Qsn按下式計(jì)算：

(2)

式中：

Qsn——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下干煙氣流量，m3/h；

Qs——測(cè)得的煙氣流速，m/s；

kp——流量系數(shù)；

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(jì)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(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下干煙氣流量，m3/h。

綜合上述計(jì)算方法，在機(jī)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(duì)碳排放速率進(jìn)行累積計(jì)算，即可得到某臺(tái)機(jī)組實(shí)際的碳排放量。某臺(tái)660MW超超臨界機(jī)組實(shí)際應(yīng)用情況如表1所示。

表1 C02測(cè)量及計(jì)算數(shù)據(jù)

4 討論與建議

實(shí)現(xiàn)燃煤電廠的碳減排、碳排放權(quán)交易等的前提是準(zhǔn)確的計(jì)算燃煤電廠的碳排放量，以便計(jì)算碳減排改造后的減排量和實(shí)際排放量，從而核定減排改造或排放權(quán)交易產(chǎn)生的成本和收益，指導(dǎo)燃煤電廠生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)決策，同時(shí)也可做為監(jiān)管機(jī)構(gòu)進(jìn)行環(huán)保督查的重要依據(jù)。因此，實(shí)現(xiàn)燃煤電廠碳排放量準(zhǔn)確測(cè)量、實(shí)時(shí)計(jì)算具有重要意義。

本文通過某660 MW超超臨界機(jī)組燃煤機(jī)組二氧化碳和流量的實(shí)時(shí)測(cè)量和計(jì)算，得到實(shí)時(shí)煙氣排放速率。由于二氧化碳的測(cè)量采用紅外吸收法，該方法在煙氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠，且可通過標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行定期校驗(yàn)驗(yàn)證，數(shù)據(jù)可信度高。將煙氣流速測(cè)量裝置設(shè)置在煙囪65 m平臺(tái)，保證足夠的測(cè)量直管段，可保證煙氣流量測(cè)量的準(zhǔn)確性。同時(shí)，煙氣差壓、溫度、濕度等均有成熟可靠的測(cè)量方法。因此，通過此方法計(jì)算得到的碳排放數(shù)據(jù)具有準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)中國(guó)碳市場(chǎng)質(zhì)量保證體系的建設(shè)有積極意義，可以在燃煤電廠中推廣應(yīng)用。

5 結(jié) 語

目前，火電廠煙氣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要測(cè)量二氧化硫、氮氧化物、粉塵等數(shù)據(jù)，大部分火電廠未設(shè)置二氧化碳測(cè)量裝置。火電廠二氧化碳排放量的計(jì)算大多采用間接測(cè)算的方法，由于測(cè)算方法涉及參數(shù)多，數(shù)據(jù)變化大，采用不同方法測(cè)算的數(shù)據(jù)差異較大。通過增加二氧化碳測(cè)量裝置及相關(guān)計(jì)算邏輯，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)組二氧化碳排放速率，并計(jì)算機(jī)組碳排放量，可為碳捕集、利用與封存的設(shè)計(jì)提供參數(shù)，也可為碳排放權(quán)交易、低碳電廠補(bǔ)償提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。