摘 要:分析了電力企業(yè)CO2排放量的計(jì)算模式,提出IPCC排放因子計(jì)算模式、實(shí)測(cè)方法、物料衡算方法和宏觀模型方法,并就影響排放因子的因素進(jìn)行校核,提出電力生產(chǎn)低碳發(fā)展靜脈循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式下的捕獲和資源化應(yīng)用CCU減排思路.
關(guān)鍵詞:火力發(fā)電;CO2排放量;計(jì)算模式;排放因子;靜脈低碳模式
Analysis on Carbon Dioxide Emission and Reductionof Thermal Power Plant
Abstract:The quantifying mode of the carbon dioxide emissions for thermal power plant includes IPCCCO2emission factor mode, practical measurement mode, mass conservation mode and quantifying mod-el, IPCC CO2emission factor need to be checked, the best mode of low-carbon electricity production isCCU(CO2Capture and Use).
Key words:thermal power plant;amount of CO2emission;calculating mode;emission factor;intra-venous low-carbon model
低碳經(jīng)濟(jì)(Low Carbon Economy)[1]作為一種新的能源發(fā)展觀成為世界能源生產(chǎn)和發(fā)展的制約因素.國際能源署報(bào)告表明,世界CO2排放量在2010年后將會(huì)以更快的速度增長,尤以美國和中國最為明顯.中國火力發(fā)電以煤為主的能源結(jié)構(gòu)在未來幾十年不會(huì)改變,燃煤發(fā)電的環(huán)境成本最高[2].研究者稱地球今后的氣候主要取決于大氣中的CO2濃度增加的程度,這與CO2的增溫效應(yīng)及生命期密切相關(guān)[3].
有效的計(jì)算方法是掌握碳源排放量的手段,目前主要采用IPCC推薦方法,根據(jù)各國基礎(chǔ)資料,用物料衡算、排放系數(shù)和決策樹方法進(jìn)行估算.排放量估算方法的研究必須考慮碳源的類型、各種不確定因素,比如電力燃料的燃燒完全性等.全球總的碳排放量可以通過諸多方法確定,如宏觀模型、直接測(cè)量、計(jì)算和估算等.具體到某一國家、某一企業(yè)甚至某個(gè)人的排放量,目前使用的主要是統(tǒng)計(jì)方法,而不是檢測(cè)方法.統(tǒng)計(jì)方法是宏觀方法,存在不確定性;對(duì)于企業(yè),根據(jù)具體數(shù)據(jù)的直接計(jì)算方法更合理和準(zhǔn)確.排放量的計(jì)算通常采用間接的方法,發(fā)電廠以燃燒的煤炭量進(jìn)行計(jì)算,而不是去直接計(jì)算捕獲量.
1 IPCC推薦CO2排放量計(jì)算方法[4]
基于聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)《國家溫室氣體排放清單指南》CO2排放量計(jì)算為:碳排放量=Σ能源i的消費(fèi)量•能源i的排放系數(shù),i為能源種類(Emissions GHG, fuel=Fuel Consumptionfuel Emission Factor GHG, fuel).
計(jì)算的關(guān)鍵是排放系數(shù),對(duì)化石燃料,一般采用國際通用的IPCC默認(rèn)值作為排放系數(shù)進(jìn)行CO2排放量的計(jì)算,各種能源的碳排放系數(shù)見表1[4].
IPCC的排放系數(shù)適合宏觀排放量統(tǒng)計(jì)計(jì)算,具體到某個(gè)企業(yè)排放量會(huì)存在差異.俄羅斯關(guān)于鋼鐵企業(yè)排放量的計(jì)算方法規(guī)定了碳的發(fā)射系數(shù)和氧化系數(shù)兩個(gè)概念,排放量為燃料的能量含量與發(fā)射系數(shù)和氧化系數(shù)的乘積.
1)IPCC方法中工業(yè)生產(chǎn)CO2排放量區(qū)分為燃料燃燒和工藝過程排放兩部分,由于將燃料數(shù)據(jù)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)分開統(tǒng)計(jì),不易反映集中排放的特點(diǎn).
2)由煤到電的轉(zhuǎn)換過程可在實(shí)驗(yàn)室得到理論值,但在實(shí)際生產(chǎn)中是不可能的,所以使用IPCC推薦的系數(shù)肯定是有出入的.具體到一個(gè)企業(yè)實(shí)體,如某火力發(fā)電廠,據(jù)煤質(zhì)及鍋爐設(shè)備的相應(yīng)參數(shù)和管理決定的燃燒效率的不同,轉(zhuǎn)換系數(shù)也不同.因此在計(jì)算CO2排放量時(shí),會(huì)導(dǎo)入高度不確定性.
3)排放系數(shù)與火電廠的發(fā)電煤耗息息相關(guān),發(fā)電煤耗降低、排放系數(shù)自然也有所降低.火力發(fā)電的能源消耗量是個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù),各個(gè)企業(yè)煤耗依據(jù)管理水平、主體設(shè)備的不同會(huì)存在差異.宏觀統(tǒng)計(jì)時(shí)一般使用的是國家發(fā)改委和國家統(tǒng)計(jì)局公布的統(tǒng)計(jì)數(shù)字.不過這個(gè)數(shù)字也不是一成不變,比如在2000年,中國火電廠平均每千瓦時(shí)電的煤耗是0•392 kg標(biāo)準(zhǔn)煤,而目前已經(jīng)下降到0•36 kg左右,預(yù)計(jì)到2020年可以下降到0•32 kg.
4)關(guān)于CO2的排放系數(shù),許多國家都有測(cè)算,各個(gè)國家的系數(shù)也不盡相同.
根據(jù)相關(guān)資料報(bào)道[5],CO2排放系數(shù)(t/t標(biāo)煤)中,國家發(fā)改委能源研究所推薦值為0•67、日本能源經(jīng)濟(jì)研究所參考值為0•68(日本能源與經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)手冊(cè),2003年版)、美國能源部能源信息署參考值為0•69 ( DOE/EIA International Energy Outlook2002).與以上的推薦值(0•67)基本相當(dāng).
以相當(dāng)于單位煤當(dāng)量的29 307 kJ/kg的化石燃料燃燒,煤炭、石油和天然氣的CO2排放系數(shù)(以碳計(jì))分別為0•651~0•755,0•5~0•585,0•395~0•447.我國原國家計(jì)委能源所測(cè)定的煤炭、石油、天然氣的CO2的排放系數(shù)(以碳計(jì))分別為0•651,0•543,0•404[6].
5)綜合能源消耗宏觀CO2排放研究.
綜合能源消耗宏觀CO2排放由IPCC碳排放計(jì)算式轉(zhuǎn)換為
Et=δfEf+δmEm+δnEn,
式中:Et為碳排放量,Ef為煤炭消耗標(biāo)準(zhǔn)煤量,δf為煤炭消耗的碳排放轉(zhuǎn)換系數(shù);Em為以標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)算的石油消耗量,δm為石油消耗的碳排放轉(zhuǎn)換系數(shù);En為天然氣消耗標(biāo)準(zhǔn)煤量,δn為天然氣消耗的碳排放轉(zhuǎn)換系數(shù).國內(nèi)研究者得出的碳排放轉(zhuǎn)換系數(shù)δ:煤炭(t/t標(biāo)準(zhǔn)煤)為0•747 6;石油(t/t標(biāo)準(zhǔn)煤)為0•582 5;天然氣(t/t標(biāo)準(zhǔn)煤)為0•443 5[7].
2 實(shí)測(cè)與物料衡算方法
2•1 實(shí)測(cè)方法
實(shí)測(cè)方法的前提條件是有國家或相關(guān)部門認(rèn)可的監(jiān)督手段,如煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(CEMS),采用監(jiān)測(cè)手段或在線計(jì)量設(shè)施連續(xù)監(jiān)測(cè)排放氣體的流量(流速)、CO2濃度,以兩者乘積直接計(jì)算瞬時(shí)排放量,通過統(tǒng)計(jì)計(jì)算總排放量.此方法監(jiān)測(cè)精確,然而監(jiān)督成本較高.目前僅美國的CEMS運(yùn)行比較完善,我國現(xiàn)有的CEMS系統(tǒng)并不理想.
推薦的煙氣中CO2濃度分析方法有非分散紅外氣體分析儀法、容量滴定法和氣相色譜法,現(xiàn)多采用非分散紅外線氣體分析儀法,此方法的缺點(diǎn)是無法消除CO、碳?xì)浠衔锖退母蓴_
.2•2 物料衡算方法
2•2•1 物料衡算方法CO2排放量分析
燃燒1 kg C產(chǎn)生44/12 kg CO2.物料衡算方法CO2排放量分析方法適用于既定的生產(chǎn)系統(tǒng)、工序、燃燒設(shè)備等的碳平衡計(jì)算.
單純以燃煤量的多少來比較不同鍋爐的經(jīng)濟(jì)性是不妥的,須折算到統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),規(guī)定低位發(fā)熱量為29 307 kJ/kg的煤為標(biāo)準(zhǔn)煤,將發(fā)熱量不是29 307kJ/kg的煤統(tǒng)一折算到29 307 kJ/kg來進(jìn)行比較,用于計(jì)算和比較標(biāo)準(zhǔn)煤耗.
下面進(jìn)行CO2排放量計(jì)算,以熱電廠為例全面計(jì)算,如果是單純發(fā)電的電廠,則在計(jì)算式中不包括供熱煤耗即可.
電廠綜合熱效率(η0).
η0=(供熱量+供電量)/(供熱標(biāo)煤量+供電標(biāo)煤量),1 kg標(biāo)煤熱值=0•029 3 GJ.
統(tǒng)一計(jì)量單位后的綜合熱效率計(jì)算公式為
η0=[(Qr+36Eg)/(B×0•029 3)]×100%,式中:Qr為供熱量,GJ;Eg為供電量,萬kW•h;B為總標(biāo)煤耗量,t.
在已知電廠供電量和供熱量的基礎(chǔ)上,可以計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量.B=(Qr+36Eg)/0•029 3η0.
以電廠實(shí)際燃煤的含碳量(C)來計(jì)算CO2的產(chǎn)生量MCO2=A×C×(44/12)=B×C/Qcoal×C×(44/12)=[(Qr+ 36Eg)/29•3η0]×29•3/Qcoal×C×(44/12).
MCO2=(44/12)C[( Qr+36Eg)/29•3η0]×29•3/Qcoal=(44/12)C(Qr+36Eg)/(η0Qcoal),式中:C為煤的含碳量,kg/t;Qcoal為煤的實(shí)際熱值,kJ/kg.
2•2.2 含碳量分析和校核
煤的種類不同,含碳量也就不同,產(chǎn)生的CO2也就不一樣.煤中碳含量約為20%~70%.一般電廠使用貧煤,煙煤,褐煤較多,含碳量約為55%.
煤的含碳量有收到基含碳量(Car)、空氣干燥基含碳量(Cad)、干基含碳量(Cd)和干基無灰基含碳量(Cdaf)之分.再加上其他成分,這樣,①收到基成分是鍋爐燃料燃燒計(jì)算的原始依據(jù)Car+Har+Oar+Nar+Sar+Aar+Mar=100%.②空氣干燥基成分表示在不含外在水分的條件下燃料各組成成分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)總和,是實(shí)驗(yàn)室煤質(zhì)分析所用煤樣的成分組成Cad+Had+Oad+Nad+Sad+Aad+Mad=100%.③干基成分表示在不含水分的條件下干燥燃料各組成成分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)總和,干基中各成分不受水分變化的影響,關(guān)系式為:Cd+Hd+Od+Nd+Sd+Ad=100%.④干基無灰基成分用于煤炭交易,關(guān)系式為:Cdaf+Hdaf+Odaf+Ndaf+Sdaf=100%.
用煤的收到基燃燒熱值Qar代替煤的實(shí)際熱值Qcoal,以收到基含碳量Car代替C進(jìn)行計(jì)算,總CO2的產(chǎn)生量為
MCO2= (44/12)Car(Qr+36Eg)/(η0Qar)
2•2•3 收到基低位發(fā)熱量Qnet,ar校核燃料的發(fā)熱量包括低位發(fā)熱量和高位發(fā)熱量,單位為kJ/kg,MJ/kg.高位發(fā)熱量Qgr指1 kg煤完全燃燒時(shí)放出的全部熱量,包括煙氣中水蒸汽凝結(jié)時(shí)放出的熱量;低位發(fā)熱量Qnet指在1 kg煤完全燃燒時(shí)放出的全部熱量中扣除水蒸汽汽化潛熱后所得的熱量,即煤中可燃質(zhì)的一部分燃燒熱量被用于水分的汽化,沒有得到利用.我國均采用低位發(fā)熱量,有些國家采用高位發(fā)熱量,必要時(shí)說明.高位發(fā)熱量與低位發(fā)熱量間的換算公式為
2•2•4 不完全燃燒校核
按照平均煤耗,煤中有多少克的碳,也就會(huì)生成相應(yīng)的二氧化碳,這是在煤完全燃燒的情況下產(chǎn)生的,只是個(gè)定性的值.不完全燃燒碳平衡計(jì)算所需的設(shè)備排出的灰渣、飛灰及煙塵中的含碳量是計(jì)算的重要數(shù)據(jù).引入燃料氧化效率的CO2排放量為
E=Σe=Σ[(TJ×tC/TJ-TC)×η%],
式中:E為碳總排放量;e為分品種燃料的碳排放量;TJ為分品種燃料的實(shí)際消費(fèi)量;tC/TJ為分品種單位燃料含碳量;TC為非能源利用固碳量;η為燃料的氧化率,%.
如果煤炭燃燒設(shè)備落后,氧化率低,排放系數(shù)就較低.依據(jù)能源消費(fèi)量、燃燒率、含碳量和碳氧化率等指標(biāo),可直接計(jì)算出該種產(chǎn)品消費(fèi)能源所引起的碳排放量
式中:q為固體未完全燃燒熱損失,%;Gs,Gm,Gh分別為爐渣、漏煤和各種灰的質(zhì)量,kg/h;Cs,Cm,Ch分別為爐渣、漏煤和各種灰的含碳量,%;B為燃料消耗量,kg/h或m3/h;Qnet,ar為單位燃料輸入鍋爐的熱量,kJ/kg或kJ/m3.
燃料中還有少量的碳在爐內(nèi)未完全燃燒生成一氧化碳?xì)怏w隨煙氣逸出鍋爐排入大氣,但考慮到這些一氧化碳最終仍將氧化成二氧化碳,因此將這少量的碳也歸入鍋爐燃燒生成二氧化碳的碳量中.
2•2•5 有脫硫裝置的電廠的排放校核脫硫裝置對(duì)CO2排放量的影響是基于熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和微觀化學(xué)平衡的復(fù)雜過程,可能表現(xiàn)為正影響,也可能表現(xiàn)為負(fù)影響.石灰石膏法脫硫過程中產(chǎn)生大量二氧化碳,脫除1 t二氧化硫產(chǎn)生0•7 t二氧化碳.濕法脫硫脫硫劑和CO2之間存在酸堿物質(zhì)的平衡反應(yīng),如堿性脫硫劑氨類、石灰類及雙堿法Na2CO3或NaOH液吸收煙氣中的SO2的同時(shí)也吸收CO2.其化學(xué)反應(yīng)式為
Ca(OH)2+CO2=CaCO3↓+H2O,CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2
同時(shí)濕法溶液對(duì)CO2的溶解平衡存在影響,遵循亨利定律,CO2分壓p(CO2)和水溫(T)之間存在如下關(guān)系(4~28℃)
溶解平衡主要取決于吸收液的pH,pH不同時(shí)碳酸化合物的比例不同.脫硫吸收液的pH通常控制在5•5~5•7之間,此時(shí)游離CO2和HCO3-是碳酸的主要形式.
另一方面,從動(dòng)力學(xué)的角度看,物理吸收和化學(xué)吸收都受氣相擴(kuò)散速度(或氣膜阻力)和液相擴(kuò)散速度(或液膜阻力)的影響,脫硫工程上常用加強(qiáng)氣液兩相的擾動(dòng)來消除氣膜與液膜的阻力,動(dòng)力學(xué)因素影響溶解度平衡關(guān)系.馬麗麗[8]等研究表明流體的流動(dòng)引起二氧化碳-水體系遠(yuǎn)離原有靜態(tài)溶解平衡.在常溫25•5℃下,原有靜態(tài)飽和狀態(tài)下溶解在水中的二氧化碳的量約有6•55%被解吸出來,亨利系數(shù)可產(chǎn)生高達(dá)15%的偏差.
3 宏觀模型與企業(yè)產(chǎn)能方法
3•1 宏觀模型方法
美國勞倫斯-伯克利國家實(shí)驗(yàn)室研究開發(fā)的LEAP模型(Long-range Energy Alternatives Plan-ning System)[9]是一個(gè)能源-環(huán)境情景分析模型.模型從能源供應(yīng)、能源加工轉(zhuǎn)換、終端能源需求等環(huán)節(jié)預(yù)測(cè)在不同驅(qū)動(dòng)因素影響下全社會(huì)中長期的能源供應(yīng)與需求,并計(jì)算能源在流通和消費(fèi)過程中的大氣污染物及溫室氣體排放量.
王克等[10]利用LEAPChina長期能源替代規(guī)劃系統(tǒng)模型模擬了3個(gè)不同情景下中國鋼鐵行業(yè)2000-2030年CO2排放量及相應(yīng)的減排潛力,根據(jù)減排成本評(píng)估其可行性并識(shí)別重點(diǎn)減排技術(shù).
主春杰[11]等運(yùn)用對(duì)數(shù)平均迪氏指數(shù)法LMDI(Logarithmic Mean Divisia Index)對(duì)中國部分省份、區(qū)域能源消費(fèi)導(dǎo)致的二氧化碳排放量進(jìn)行了分解分析,將二氧化碳排放總量的變化分解成5個(gè)主要影響因素,即化石燃料的排放系數(shù)、能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、能源強(qiáng)度、人均GDP和人口總數(shù).
3•2 企業(yè)產(chǎn)能方法
以企業(yè)產(chǎn)量和產(chǎn)能為基礎(chǔ)[12],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)源的排放量匯總得總排放量[13]為
式中:(ECO2)ji為第j個(gè)行業(yè)第i個(gè)企業(yè)CO2年排放量;(EF)ji為該企業(yè)CO2綜合排放因子;(P1)ji為產(chǎn)品年產(chǎn)量;(P2)ji為企業(yè)產(chǎn)能;(A)ji為產(chǎn)能利用系數(shù);(T)ji為設(shè)備平均利用時(shí)間;(E)CO2為整個(gè)行業(yè)排放總量(CO2estimated perindustry).
4 火力發(fā)電“低碳突圍”存在問題分析
低碳發(fā)展對(duì)中國中長期能源環(huán)境建設(shè)具有顯著的多重效應(yīng).煤樣的分析是確定煤炭質(zhì)量的依據(jù),所以火力發(fā)電企業(yè)關(guān)于入廠和入爐煤質(zhì)的分析十分重要,采樣和分析方法必須嚴(yán)格化,否則對(duì)其潛在排放系數(shù)產(chǎn)生的影響不可估量,進(jìn)而對(duì)排放量估算結(jié)果產(chǎn)生影響,導(dǎo)致排放量估算結(jié)果的不確定性.
電力部門燃煤的低位發(fā)熱量數(shù)值與煤化所的研究結(jié)果相比普遍偏低,其原因是多方面的,也就是說,基于不同的環(huán)節(jié)(生產(chǎn)、銷售和消費(fèi))煤炭的質(zhì)量有差別在我國是一個(gè)客觀現(xiàn)實(shí),而這個(gè)事實(shí)使得溫室氣體排放的估算量存在不同程度的不確定性[14].火力發(fā)電CO2排放量和減排量是一項(xiàng)基礎(chǔ)研究工作,需要在以下方面進(jìn)行完善:
①基于火力發(fā)電實(shí)體的排放因子研究是必須完善的.②需要解決各種不確定影響因素的干擾.③協(xié)調(diào)好CO2排放源和吸收匯的關(guān)系是關(guān)鍵.
在發(fā)展綠色能源的同時(shí),傳統(tǒng)火力發(fā)電企業(yè)實(shí)現(xiàn)碳減排的基本出發(fā)點(diǎn)是CO2捕獲和存儲(chǔ),即CCS(Carbon Capture and Storage)技術(shù),將二氧化碳從工業(yè)或相關(guān)能源的排放源中分離出來(捕獲),輸送到一個(gè)經(jīng)過選擇的地點(diǎn)加以封存,使本可能排入大氣中的二氧化碳儲(chǔ)存于地質(zhì)結(jié)構(gòu)中,并且長期與大氣隔絕的一個(gè)過程.CCS可以使單位發(fā)電碳排放量減少85%~90%.如何使傳統(tǒng)火力發(fā)電企業(yè)在減排的同時(shí)將其作為一個(gè)盈利的市場(chǎng)是需要認(rèn)真研究的,如果CCS技術(shù)能在火力發(fā)電生產(chǎn)過程取得突破性進(jìn)展,那么高污染發(fā)電廠將成為“碳中立”企業(yè).同時(shí)在強(qiáng)調(diào)二氧化碳排放源頭控制的同時(shí),不要忽視二氧化碳資源化利用的價(jià)值,由CCS轉(zhuǎn)變?yōu)镃CU,即二氧化碳捕集和利用(CO2Capture and Utilization)的技術(shù).制約CCS技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要因素,就是它的成本很高,捕獲每噸二氧化碳大約需20~40美元.CCU是發(fā)展中國家更加實(shí)際的減排路線.高碑店電廠是個(gè)很好的例證,資源化用于二氧化碳生產(chǎn)碳酸汽水的嘗試,同時(shí)每噸干冰賣出去的價(jià)格是1200元,食品級(jí)二氧化碳的生產(chǎn)成本是600元/t.積極開展CCU技術(shù)的研究是降低捕獲成本的有效途徑.如果把電力生產(chǎn)看作是動(dòng)脈經(jīng)濟(jì)的話,CO2捕獲和資源化利用屬于靜脈經(jīng)濟(jì),只有兩者合理匹配才是火力發(fā)電的低碳經(jīng)濟(jì)模式.
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