劉睿，翟相彬

LIU Rui, ZHAI Xiangbin

North China Electric Power University, Beijing 102206, China

中國(guó)燃煤電廠碳排放量計(jì)算及分析

劉睿，翟相彬

華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京 102206

人類活動(dòng)造成的溫室氣體排放已經(jīng)對(duì)自然生態(tài)造成了巨大的影響。如果無法有效解決氣候變化問題，到2030年將有超過1億人因此而失去生命，且全球經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)將削減3.2%。有效地控制和減少溫室氣體的排放是人類急需解決的問題。目前中國(guó)溫室氣體排放總量已經(jīng)超越美國(guó)成為全球第一大溫室氣體排放國(guó)，中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)決定了中國(guó)燃煤發(fā)電是中國(guó)CO2主要排放源之一，因此實(shí)現(xiàn)燃煤發(fā)電碳減排對(duì)降低中國(guó)碳排放總量，減少溫室氣體排放具有重要意義。準(zhǔn)確地計(jì)算燃煤電廠產(chǎn)生的碳排放量是進(jìn)行碳排放權(quán)交易、低碳火電廠在經(jīng)濟(jì)上具有可行性，最終實(shí)現(xiàn)燃煤電廠碳減排的前提條件之一。本研究根據(jù)世界資源研究所提供的計(jì)算工具首先界定了本研究對(duì)于碳排放計(jì)算的范圍，其次闡述了不同電廠應(yīng)針對(duì)其使用的燃煤進(jìn)行工業(yè)分析的精細(xì)化程度不同而采用不同的計(jì)算方法，最后對(duì)兩組不同機(jī)組類型的中國(guó)火電廠進(jìn)行了碳排放量計(jì)算和對(duì)比分析。根據(jù)以上分析得出了大容量、高參數(shù)的燃煤發(fā)電機(jī)組相比小容量發(fā)電機(jī)組不僅能提高能源利用效率，同時(shí)也能相對(duì)減少因生產(chǎn)電能而產(chǎn)生的CO2排放。其次，燃煤電廠CO2排放中煤炭固定燃燒占有絕對(duì)比例，脫硫及外購電力所占比例較小，但排放的絕對(duì)總量并不小。再次，由于大容量、高參數(shù)機(jī)組與小容量發(fā)電機(jī)組相比在生產(chǎn)單位電能所消耗的燃煤量更少、其排放的廢棄中的CO2濃度相對(duì)較高，應(yīng)此更適合安裝碳捕捉系統(tǒng)，有助于提高捕捉效率，降低捕捉CO2的成本。因此，建議在未來建設(shè)碳捕捉系統(tǒng)時(shí)應(yīng)優(yōu)先選擇大容量、高參數(shù)機(jī)組。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)在于在上述研究的基礎(chǔ)上考慮單個(gè)燃煤電廠的煤質(zhì)、考慮電廠脫硫、外購電力的因素，根據(jù)電廠對(duì)煤質(zhì)不同程度的工業(yè)分析采用不同的計(jì)算方法，目的在于更精確地計(jì)算單個(gè)燃煤電廠的碳排放量。

燃煤發(fā)電；碳減排；碳排放量計(jì)算

由于人類活動(dòng)造成的不斷增強(qiáng)的溫室效應(yīng)已經(jīng)成為了人類面臨的巨大挑戰(zhàn)，其所造成的全球變暖已經(jīng)對(duì)自然生態(tài)造成了明顯的影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在上個(gè)世紀(jì)全世界的平均溫度大約攀升了0.6 ℃，北半球春天的冰雪解凍期比150 y前提前了9 d，而秋天的霜凍開始時(shí)間卻晚了10 d左右（World Meteorological Organization，（WMO）2013）。2012年全球大氣中的CO2體積分?jǐn)?shù)已達(dá)到了394×10-6，相比較18世紀(jì)中葉，已經(jīng)增長(zhǎng)了40%，并在過去10年內(nèi)，CO2體積分?jǐn)?shù)平均以2×10-6/a的速度增長(zhǎng)。DARA(DARA，2012)發(fā)布報(bào)告稱，如果無法有效解決氣候變化問題，到2030年將有超過1億人失去生命，且全球經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)將削減3.2%。如何在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展同時(shí)，有效的控制和減少CO2的排放，是世界各國(guó)急需解決的問題，也是世界各國(guó)應(yīng)承擔(dān)的歷史責(zé)任。

圖1 中國(guó)1971─2011年CO2排放量數(shù)據(jù)Fig.1 China CO2emission data in 1971─2011

近年來隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，對(duì)能源的消耗量也逐步遞增，同時(shí)也向大氣中排放了大量的溫室氣體。據(jù)統(tǒng)計(jì)，如圖1所示，近40年來中國(guó)CO2

排放量迅猛增長(zhǎng)，2008年中國(guó)溫室氣體排放總量更是超越美國(guó)成為全球第一大溫室氣體排放國(guó)（U.S. Energy Information Administration，（EIA）2013；Gurney，2009）。

Davsion（Davsion，2007）指出全球35%左右的CO2排放來自于電力及熱能行業(yè)，電力部門特別是燃煤電廠成為了減排的首選方向。另一方面根據(jù)EIA（EIA，2013）的預(yù)測(cè),全球的電力需求在未來30年將會(huì)迅猛增長(zhǎng)，且煤炭仍將作為主要的發(fā)電燃料。

中國(guó)目前CO2排放主要來自于化石燃料的燃燒。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局（國(guó)家統(tǒng)計(jì)局，2013）數(shù)據(jù)，2012年我國(guó)消耗了35.2億噸煤炭，而其中發(fā)電及熱力供應(yīng)消耗了煤炭消耗總量的49.4%?？梢哉f，中國(guó)燃煤發(fā)電排放的CO2占據(jù)了我國(guó)排放的溫室氣體中的很大一部分。因此，為了實(shí)現(xiàn)中國(guó)節(jié)能減排的目標(biāo)，遏制溫室效應(yīng)的一個(gè)重要手段就是降低燃煤發(fā)電的CO2排放量。

1 研究現(xiàn)狀及方法

1.1研究現(xiàn)狀

聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)已經(jīng)形成了一個(gè)致力于協(xié)調(diào)和總結(jié)關(guān)于氣候變化的研究的中心論壇，并在該論壇上討論和評(píng)估氣候變化對(duì)自然界和人類的影響。在IPCC發(fā)布的指導(dǎo)手冊(cè)第六版中提供了計(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CO2的系數(shù)最終得出總排放量（The Intergovernmental Panel on Climate Change，（IPCC）2007)，此方法適用于一個(gè)國(guó)家宏觀排放量統(tǒng)計(jì)計(jì)算，對(duì)于一個(gè)火電項(xiàng)目而言計(jì)算出的數(shù)據(jù)偏差較大。歐洲環(huán)境署（EU Core Inventory of Air Emissions，（EEA）2006)通過監(jiān)測(cè)火電項(xiàng)目廢棄排放量及排放密度，最終得到電廠CO2的排放量數(shù)據(jù)，該方法需要電廠擁有完善的煙氣監(jiān)測(cè)設(shè)備，需要的成本較高。

國(guó)內(nèi)學(xué)者在參考IPCC等國(guó)際組織及學(xué)者的研究成果基礎(chǔ)上，在火電項(xiàng)目碳排放量計(jì)算上也做了大量研究。汪炘等（汪炘等，2010）認(rèn)為鑒于實(shí)際測(cè)量的成本及測(cè)量的準(zhǔn)確性，使用排放因子計(jì)算CO2的排放是最實(shí)用的方法。劉煥章等（劉煥章等，2007）通過燃燒機(jī)理分析和基于統(tǒng)計(jì)規(guī)律的建模，預(yù)測(cè)燃煤電站溫室氣體CO2排放量。吳曉蔚等（吳曉蔚等，2010）分析了影響CO2排放因子的主要因素，有機(jī)組裝機(jī)容量、燃料類型以及機(jī)組使用年限與維護(hù)質(zhì)量，隨著裝機(jī)容量增大，機(jī)組發(fā)電熱效率提高，CO2排放績(jī)效逐漸降低。不同類型煤炭的CO2排放因子不同，相同容量機(jī)組由于使用年限和維護(hù)質(zhì)量的不同，CO2排放因子也會(huì)有差異甚至產(chǎn)生較大差異。于海琴等（于海琴等，2010）以企業(yè)產(chǎn)量和產(chǎn)能為基礎(chǔ)，采用同時(shí)考慮燃料燃燒和工藝過程因素的綜合排放因子計(jì)算點(diǎn)源的排放量匯總得到火電項(xiàng)目CO2的總排放。該方法是對(duì)國(guó)外幾種思路的總結(jié)，較適用于單體火電項(xiàng)目碳排放量的計(jì)算。

1.2研究思路與創(chuàng)新

目前大部分研究?jī)H按機(jī)組類型采用不同的排放因子（Qixin等, 2010; Careri等, 2011; Rebennack等, 2012），上述較有針對(duì)性的研究未能考慮單個(gè)電廠采用不同煤炭類型導(dǎo)致碳排放因子存在差異的因素，在計(jì)算中也未考慮發(fā)電過程中脫硫及外購電力產(chǎn)生的碳排放。

若要實(shí)現(xiàn)中國(guó)燃煤電廠的碳減排，就需要相關(guān)配套的法律機(jī)制和市場(chǎng)交易機(jī)制來激勵(lì)燃煤電廠進(jìn)行碳減排，如可將進(jìn)行碳減排的燃煤電廠的所產(chǎn)生的減排量指標(biāo)在碳排放交易市場(chǎng)進(jìn)行出售，從而獲取經(jīng)濟(jì)利益，形成示范效應(yīng)，從而促進(jìn)更多燃煤電廠加裝碳減排裝置。若要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，首先就要準(zhǔn)確的核算燃煤電廠的碳排放量，及加裝碳減排裝置后產(chǎn)生的減排量。因此，準(zhǔn)確的計(jì)算燃煤電廠碳排放量對(duì)于燃煤電廠碳減排及中國(guó)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)具有基礎(chǔ)性作用。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)在于在上述研究的基礎(chǔ)上考慮單個(gè)燃煤電廠的煤質(zhì)、考慮電廠脫硫、外購電力的因素，根據(jù)電廠對(duì)煤質(zhì)不同程度的工業(yè)分析采用不同的計(jì)算方法，目的在于更精確的計(jì)算單個(gè)燃煤電廠的碳排放量。

1.3研究方法

在核算燃煤發(fā)電CO2排放量之前，首先要對(duì)燃煤發(fā)電CO2的排放范圍做一界定。如表1所示，從排放源方面來講，核算范圍應(yīng)包括燃煤電廠產(chǎn)生的三類排放源，即煤炭固定燃燒、濕法脫硫工藝以及外購電力、蒸汽。2013年6月，世界資源研究所（World Resources Institute，（WRI）2013）聯(lián)合中國(guó)電力聯(lián)合會(huì)發(fā)布了一套針對(duì)中國(guó)燃煤發(fā)電廠的CO2排放計(jì)算工具，充分考慮不同燃煤電廠數(shù)據(jù)測(cè)量及記錄差異，提供多種煤炭固定燃燒排放計(jì)算方法，方便工具使用方根據(jù)電廠煤炭質(zhì)量和氧化程度數(shù)據(jù)的可得性，選用合適的方法進(jìn)行計(jì)算。

表1 燃煤電廠CO2排放源及范圍Table 1 Coal plants CO2emissions sources and scope

1.3.1 煤炭固定燃燒CO2排放量計(jì)算

在煤炭固定燃燒方面，如圖2所示，燃煤電廠可根據(jù)自己能夠獲取的工業(yè)分析數(shù)據(jù)不同的詳盡

圖2 不同條件下煤炭固定燃燒排放計(jì)算方法Fig.2 Carbon emissions calculation methods from coal stationary combustion in different conditions

程度選擇不同的計(jì)算公式。

Wgr：煤炭固定燃燒CO2排放量(統(tǒng)計(jì)值)，噸；

Wcoal：消耗的原煤量(統(tǒng)計(jì)值)，噸；

Car：煤炭加權(quán)平均含碳量(加權(quán)平均，統(tǒng)計(jì)值)，百分比；

Aar：煤炭灰分(加權(quán)平均，統(tǒng)計(jì)值)，百分比；

q4：鍋爐固體未完全燃燒熱損失(統(tǒng)計(jì)值)，百分比；

可以取廠里各機(jī)組的統(tǒng)計(jì)值，無統(tǒng)計(jì)值的可采用下列參照值：煙煤、褐煤，q4=1%；貧煤，q4=1.5%；無煙煤，q4=2.5%；劣質(zhì)無煙煤，q4=4%。

12：二氧化碳的摩爾質(zhì)量，無量綱；

44：碳元素的摩爾質(zhì)量，無量綱；

Qnet，ar：收到基低位發(fā)熱量，兆焦/千克；

Cheat：《省級(jí)溫室氣體清單編制指南(試行)》提供的單位熱值含碳量，噸碳/萬億焦耳；

R：碳氧化率，由用戶提供，可選用省級(jí)清單里建議的燃煤發(fā)電鍋爐平均值98%；

1000：?jiǎn)挝晦D(zhuǎn)換系數(shù)。

1.3.2 濕法脫硫CO2排放量計(jì)算

中國(guó)境內(nèi)燃煤鍋爐的二氧化硫排放標(biāo)準(zhǔn)為：新建鍋爐不超過100 mg/m3，現(xiàn)有鍋爐不超過200 mg/m3。脫硫是燃煤電廠的必要流程。其中，廣泛使用的碳酸鈣濕法脫硫會(huì)產(chǎn)生CO2排放。脫硫產(chǎn)生的CO2排放可以用公式（4）來表示：

Wse：濕法脫硫消耗石灰石引起的CO2排放量，噸；

WLStone：石灰石消耗量，噸；

Wcaco3：碳酸鈣消耗量，噸；

KCaCO3：石灰石中碳酸鈣含量，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，無統(tǒng)計(jì)值可取系數(shù)92%；

44：二氧化碳的分子量，無量綱；

100：碳酸鈣的分子量，無量綱。

1.3.3 外購電力CO2排放量計(jì)算

若電廠存在從外部購入電力、熱力或蒸汽的情況，則可根據(jù)購入的電量或蒸汽量計(jì)算碳排放量：

Wie：外購電力產(chǎn)生的CO2間接排放，噸；

Eb：外購電力的數(shù)量，兆瓦時(shí)；

kg：電網(wǎng)排放因子，噸CO2/兆瓦時(shí)；

Wih：外購熱力或蒸汽產(chǎn)生的CO2間接排放，噸；Ebh：外購熱力或蒸汽的數(shù)量，百萬千焦；

kh：外購熱力排放因子。本研究中kg采用《2013中國(guó)區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子》提供的該電廠所在電網(wǎng)統(tǒng)計(jì)的碳排放因子，噸CO2/百萬千焦。

2 結(jié)果分析

在確定燃煤電廠發(fā)電運(yùn)行碳排放量計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，本研究通過不同裝機(jī)容量的燃煤機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)來實(shí)測(cè)燃煤電廠碳排放量。

表2 630 MW機(jī)組2013年月發(fā)電量Table 2 630 MW units power generation in 2013 MW·h

2.12×630 MW機(jī)組年度碳排放量

該燃煤電廠位于我國(guó)中部地區(qū)，2007年投產(chǎn)建成，為兩臺(tái)630 MW超臨界、中間再熱循環(huán)、燃煤發(fā)電機(jī)組。該電廠屬于坑口電廠，燃煤供給穩(wěn)定，同步建設(shè)脫硫裝置，各項(xiàng)排放指標(biāo)滿足國(guó)家要求。表2、表3為該電廠提供的發(fā)電量、燃煤使用量及

燃煤分析等參數(shù)，根據(jù)該電廠提供的參數(shù)，該電廠未測(cè)量燃煤的揮發(fā)分含量等工業(yè)數(shù)據(jù)，僅對(duì)煤炭低位發(fā)熱量做了測(cè)算。因此該電廠適用公式（3）來計(jì)算煤炭固定燃燒碳排放量。

表3 630 MW機(jī)組2013年碳排放量計(jì)算參數(shù)Table 3 630 MW units carbon emissions calculation parameter list

在獲取電廠參數(shù)及選用特定的計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，表4為該電廠2013年碳排放量的計(jì)算結(jié)果。由于機(jī)組1在2013年5-6月檢修停機(jī)，因此在煤炭固定燃燒方面排放量明顯小于機(jī)組2，同時(shí)由于機(jī)組2未有外購電力，因此該項(xiàng)碳排放量為零。

表4 630 MW機(jī)組2013年碳排放量Table 4 630 MW units carbon emissions in 2013 噸

2.22×135 MW機(jī)組年度碳排放量

該電廠位于我國(guó)東部沿海地區(qū)，現(xiàn)役五臺(tái)發(fā)電機(jī)組（2×135 MW煤機(jī)，3×350 MW燃機(jī)）。本研究獲取了該電廠2×135 MW煤機(jī)機(jī)組的數(shù)據(jù)，表5、表6為該電廠提供的發(fā)電量、燃煤使用量及燃煤分析等參數(shù)，根據(jù)該電廠提供的參數(shù)，該電廠未測(cè)量燃煤的揮發(fā)分含量等工業(yè)數(shù)據(jù)，僅對(duì)煤炭低位發(fā)熱量做了測(cè)算。因此該電廠也適用公式（3）來計(jì)算煤炭固定燃燒碳排放量。

表7為135 MW機(jī)組的碳排放量數(shù)據(jù)，由于這兩臺(tái)機(jī)組裝機(jī)規(guī)模小，燃煤使用量少，因此該機(jī)組碳排放總量顯著低于630 MW機(jī)組。

表5 135 MW機(jī)組2013年月發(fā)電量Table 5 135 MW units power generation in 2013 MW·h

表6 135 MW機(jī)組2013年碳排放量計(jì)算參數(shù)Table 6 135 MW units carbon emissions calculation parameter list

表7 135 MW機(jī)組2013年碳排放量Table 7 135 MW units carbon emissions in 2013 噸

3 討論與建議

中國(guó)燃煤電廠是中國(guó)最大的碳排放源之一，降低中國(guó)燃煤電廠的碳排放量對(duì)中國(guó)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)具有重要意義。實(shí)現(xiàn)燃煤電廠的碳減排的前提要準(zhǔn)確計(jì)算出燃煤電廠目前的碳排放量及采取措施減排后的減排量，從而核定減排產(chǎn)生的成本和收益。因此，實(shí)現(xiàn)燃煤電廠碳減排的前提之一就是對(duì)燃煤電廠碳排放量能準(zhǔn)確的核算。

本研究對(duì)中國(guó)兩座燃煤發(fā)電廠的四臺(tái)不同裝機(jī)規(guī)模的機(jī)組進(jìn)行了CO2排放量的計(jì)算，得出了電廠年度的CO2排放總量及單位電能產(chǎn)生的CO2排放量。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，燃煤電廠CO2排放中煤炭固定燃燒占有絕對(duì)比例，脫硫及外購電力占比較小，但脫硫及外購電力排放的絕對(duì)量并不小。

為了能更準(zhǔn)確的計(jì)算燃煤電廠煤炭固定燃燒的碳排放量，燃煤電廠應(yīng)對(duì)該電廠所采購的原煤進(jìn)行煤質(zhì)、含碳量、揮發(fā)分含量等指標(biāo)進(jìn)行分析，從而使得燃煤電廠可以采用更精確的計(jì)算方法，如公

式（1），使得碳排放量計(jì)算出的數(shù)據(jù)更精確，為燃煤電廠碳減排提供技術(shù)保證。

如圖3所示，由計(jì)算數(shù)據(jù)比較可知，630 MW機(jī)組的單位CO2排放量顯著低于135 MW機(jī)組的單位CO2排放量。從這個(gè)角度可以說明大容量的機(jī)組不僅發(fā)電效率高于小容量機(jī)組，并且在碳減排上也具有優(yōu)勢(shì)。在中國(guó)燃煤電廠建設(shè)上，應(yīng)優(yōu)先發(fā)展大容量、高參數(shù)的燃煤發(fā)電機(jī)組，在保證國(guó)家能源供給充足的情況下，這不僅能提高能源利用效率，同時(shí)也能相對(duì)減少因生產(chǎn)電能而產(chǎn)生的CO2排放，同時(shí)，若在以后機(jī)組加裝碳捕捉系統(tǒng)時(shí)也可以提高捕捉效率，降低碳減排成本。

圖3 機(jī)組生產(chǎn)每千瓦時(shí)電能產(chǎn)生的碳排放量Fig. 3 Units per CO2emissions demonstration

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Calculation of Carbon Emissions from China Coal Plants and the Reduction Suggestion

Greenhouse gas emissions caused by human activity has had a huge impact on ecology. If the climate change issue cannot be resolved effectively, there will be more than 100 million people will lost their lives by 2030 and global economic growth will be cut by 3.2%. Effective control and reduction of greenhouse gas emissions is urgent problems of humanity. Currently, China's total greenhouse gas emission is already beyond the United States as the world's biggest emitter of greenhouse gases. China’s coal-fired power generation is one of China's major CO2emission sources, thus reducing greenhouse gas emissions is important in conveying coal-fired carbon emissions to reduce China's total carbon emissions. And the prerequisite to achieve coal-fired power plant carbon emissions reduction is to calculate the carbon emissions from coal-fired power plant carbon emissions trading accurately and feasibility of low carbon power plants economically. In this study, first, the carbon emissions calculation scope is defined according to the World Resources Institute calculation tools, second, discussion on why should power plants adopt different methods of calculation according to their industrial analysis’s refinement degree of the coal. And finally, carbon emission calculation and comparative analysis are conducted for two groups of different unit types of thermal power plants in China. Based on the above analysis, it shows that compared to small capacity generators, the large capacity and high parameters coal-fired generators not only can improve the efficiency of energy use, but also can reduce CO2emissions resulting from the production of electricity. Second, in a coal-fired power plant, stationary combustion of coal accounts for an absolute proportion of CO2emissions, while desulfurization and purchased electricity account for smaller proportion, but the absolute amount of emissions is not that small. Again, when compared to smaller capacity generators, the large capacity and high parameter units consumed less coal in power production, and its CO2emission concentration is relatively high, thus it is more suitable for the carbon capture system installation, which aids in increasing the efficiency of capturing and in reducing cost of CO2capturing. Therefore, this study recommends that future carbon capture systems construction should prioritize large-capacity and high parameter unit. This study’s innovation is that it considers a coal-fired power plant’s coal quality, power plant’s desulfurization and power purchasing factors, in accordance to power plants using different calculation methods in industrial analysis of coal, aiming for more precise calculation of a coal-fired power plant’s carbon emission.

coal-fired power plant; carbon emission reduction; carbon emission calculation

LIU Rui, ZHAI Xiangbin

North China Electric Power University, Beijing 102206, China

X51

A

1674-5906（2014）07-1164-06

教育部人文社會(huì)科學(xué)規(guī)劃基金項(xiàng)目(13YJA630057)

劉睿（1969年生），女，副教授，從事火力發(fā)電碳排放、電力工程造價(jià)研究。E-mail: liurui@ncepu.edu.cn

2014-03-20

劉睿，翟相彬. 中國(guó)燃煤電廠碳排放量計(jì)算及分析[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2014, 23(7): 1164-1169.

LIU Rui, ZHAI Xiangbin. Calculation of Carbon Emissions from China Coal Plants and the Reduction Suggestion [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(7): 1164-1169.