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，中國在聯(lián)合國大會上向世界宣布了2030年前實現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。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(fā)電廠排放的二氧化碳占據(jù)我國排放溫室氣體很大一部分。為實現(xiàn)中國節(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，國家也出臺碳排放權(quán)交易、低碳電廠補(bǔ)償?shù)日咧С职l(fā)電廠實現(xiàn)減排任務(wù)[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(yè)最先被納入全國碳市場，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。截止目前，全國碳市場圍繞法律制度、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，全國碳市場上線交易即將啟動，將對發(fā)電企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)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(shù)據(jù)測量誤差、計算誤差、機(jī)組運行參數(shù)誤差等因素的影響，對于單個火電廠而言計算出的數(shù)據(jù)存在較大偏差。實現(xiàn)二氧化碳在線實時測量、計算，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，為數(shù)據(jù)質(zhì)量提供更多保障，具有良好的社會價值和經(jīng)濟(jì)價值，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、氮氧化物等的測量方法，采用測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(chǎn)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(guān)科學(xué)的國際機(jī)構(gòu)。在其發(fā)布的指導(dǎo)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(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國家或地區(qū)宏觀排放量的統(tǒng)計計算，對于單個火電廠或單臺發(fā)電機(jī)組而言，計算的數(shù)據(jù)會存在較大偏差。

我國規(guī)定電力行業(yè)溫室氣體排放監(jiān)測采用核算法。該方法通過燃料消耗量、燃料發(fā)熱量、原材料使用量、排放因子等計算二氧化碳排放量，在此基礎(chǔ)上，我國學(xué)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(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)日灰平衡法對燃煤機(jī)組的碳氧化率進(jìn)行了計算,提出了一種新的煤燃燒碳排放因子關(guān)鍵參數(shù)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(zhì)、含碳量、揮發(fā)分含量等指標(biāo)進(jìn)行分析，更加準(zhǔn)確的計算燃煤電廠固定燃燒碳排放量的方法。總結(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，燃煤電廠大部分時間采用多種煤種摻燒，燃煤品質(zhì)存在很大差異，通過計算方法得到單個火力發(fā)電廠或單臺火力發(fā)電機(jī)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(tǒng)

2.1 二氧化碳質(zhì)量濃度的測量

目前用于測量二氧化碳?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。相較于其他測量方法，紅外吸收法在火電廠煙氣成分測量中有廣泛的應(yīng)用，其系統(tǒng)與火電廠現(xiàn)有測量二氧化硫、氮氧化物氣體成分的煙氣監(jiān)測系統(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)的測量組分實現(xiàn)二氧化碳測量。同時，將二氧化碳測量數(shù)據(jù)納入火電廠煙氣監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)和傳送至DCS，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)視、自動統(tǒng)計與報警等。本文采用的煙氣監(jiān)測系統(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泵去除煙氣中的水分后將煙氣送入分析儀進(jìn)行分析測量，測量數(shù)據(jù)送至PLC和煙氣監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行計算統(tǒng)計。

圖1 煙氣測量流程圖

通過上述系統(tǒng)測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(jù)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(jiān)測系統(tǒng)。為獲得更加準(zhǔn)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(yīng)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(tǒng)(DCS)中進(jìn)行相應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下干煙氣流量Qsn按下式計算：

(2)

式中：

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

Qs——測得的煙氣流速，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

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

表1 C02測量及計算數(shù)據(jù)

4 討論與建議

實現(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(quán)交易產(chǎn)生的成本和收益，指導(dǎo)燃煤電廠生產(chǎn)經(jīng)營決策，同時也可做為監(jiān)管機(jī)構(gòu)進(jìn)行環(huán)保督查的重要依據(jù)。因此，實現(xiàn)燃煤電廠碳排放量準(zhǔn)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(jī)組燃煤機(jī)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(jiān)測系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠，且可通過標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行定期校驗驗證，數(shù)據(jù)可信度高。將煙氣流速測量裝置設(shè)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(zhǔn)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(shù)據(jù)具有準(zhǔn)確性、實時性的優(yōu)點，對中國碳市場質(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)測系統(tǒng)主要測量二氧化硫、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(shù)多，數(shù)據(jù)變化大，采用不同方法測算的數(shù)據(jù)差異較大。通過增加二氧化碳測量裝置及相關(guān)計算邏輯，可實時監(jiān)測機(jī)組二氧化碳排放速率，并計算機(jī)組碳排放量，可為碳捕集、利用與封存的設(shè)計提供參數(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)。