燃煤電廠碳排放量核算方式的優(yōu)選

摘 要：碳排放量是一項(xiàng)非常重要的生產(chǎn)指標(biāo)。目前，多數(shù)燃煤電廠未進(jìn)行入爐煤元素碳實(shí)測(cè)工作，僅根據(jù)供電基準(zhǔn)值法核算碳排放量。該方法精度有限，可能會(huì)使結(jié)果與實(shí)際值有偏差，導(dǎo)致碳履約成本提高，但采用碳元素實(shí)測(cè)要求及成本較高，因此，本文建立一個(gè)精確、簡(jiǎn)便、低成本的快速計(jì)算模型，使企業(yè)僅通過(guò)燃料的工業(yè)分析數(shù)據(jù)就可以獲得較準(zhǔn)確的碳排放量，從而根據(jù)對(duì)比模型與基準(zhǔn)值法計(jì)算結(jié)果判斷是否需要進(jìn)行碳元素實(shí)測(cè)。快速計(jì)算模型總體平均誤差為2.22%?？梢灾笇?dǎo)火電企業(yè)合理選用碳排放量核算方式，采用合理的核算方式可以直接降低企業(yè)的碳履約成本。

關(guān)鍵詞：碳排放量；碳排放量核算；環(huán)保成本

中圖分類(lèi)號(hào)：X 773" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

碳排放量的主要計(jì)算方法可分為模型法、缺省排放因子法和物料平衡法[1]。其中物料平衡法精度最高，但當(dāng)用該方法計(jì)算CO2的排放量時(shí)，需要大量的檢測(cè)數(shù)據(jù)，檢測(cè)成本高，過(guò)程較為復(fù)雜[2]。排放系數(shù)法是根據(jù)燃煤電廠實(shí)際原煤耗量乘各煤種的排放因子，從而估算CO2，精度略差[3]。

目前大多數(shù)燃煤電廠未進(jìn)行入爐煤元素碳的實(shí)測(cè)工作[4]，根據(jù)《企業(yè)溫室氣體排放核算與報(bào)告指南發(fā)電設(shè)施》進(jìn)行碳排放量計(jì)算時(shí)，單位熱值含碳量和碳氧化率均采用最高缺省值（0.03085tC/GJ）計(jì)算。企業(yè)電廠燃煤機(jī)組元素碳含量及氧化率采用缺省高限值和實(shí)測(cè)值對(duì)碳排放核算量的影響很大。以某石化自備電廠為例，該電廠共有7臺(tái)鍋爐，7臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)，總裝機(jī)容量為425 MW。使用缺省值核算的碳排放量為3577437t，而使用實(shí)測(cè)值核算的碳排放量為2788292t，相比減少了22%[5]。

燃煤發(fā)電企業(yè)應(yīng)做好碳排放的相關(guān)工作，合理選擇企業(yè)碳排放量核算方式，把握碳排放交易市場(chǎng)的政策紅利。在不增加檢測(cè)成本的情況下，盡量利用燃煤電廠現(xiàn)有數(shù)據(jù)，例如利用煤工業(yè)分析較為精確地預(yù)測(cè)CO2排放量，判斷本企業(yè)碳排放量核算方式的工作顯得尤為重要。

1 碳排放快速計(jì)算模型

燃煤的元素分析數(shù)據(jù)是精確計(jì)算碳平衡的原始數(shù)據(jù)，對(duì)二氧化碳排放量的計(jì)算起至關(guān)重要的作用。在實(shí)際生產(chǎn)中，符合政府主管部門(mén)審定要求高精度的碳平衡法要求很高，直接檢測(cè)經(jīng)濟(jì)性很差。對(duì)碳檢測(cè)項(xiàng)目、檢測(cè)樣本、檢測(cè)頻次以及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)都有標(biāo)準(zhǔn)要求。如果其中一項(xiàng)不滿足或缺少任何一項(xiàng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，就可能無(wú)法通過(guò)實(shí)測(cè)值核查，最終核定的碳排放量只能選擇缺省值計(jì)算的結(jié)果。因此實(shí)際生產(chǎn)中通常只進(jìn)行工業(yè)分析，只能提供燃煤的收到基或空氣干燥基水分、灰分、固定碳、揮發(fā)分、高位發(fā)熱量等數(shù)據(jù)。因此，為了迅速判斷原料煤，采用實(shí)測(cè)值計(jì)算碳平衡以獲得精確二氧化碳排放量，本研究基于煤的工業(yè)分析數(shù)據(jù)，提出了一個(gè)新的碳排放量快速計(jì)算模型。該模型能夠在不增加新的檢測(cè)點(diǎn)的情況下，通過(guò)常規(guī)的煤空氣干燥基水分、灰分、固定碳、揮發(fā)分計(jì)算單位耗煤的碳排放量。如公式（1）所示。

E=E1+E2" " " " " " " " （1）

式中：E為總二氧化碳排放量；E1為機(jī)組化石燃料燃燒排放量；E2為鈣法脫硫產(chǎn)生的排放量。

由文獻(xiàn)[6]可知，在脫硫過(guò)程中產(chǎn)生的CO2僅約為排放總質(zhì)量的0.015 ％。因此，對(duì)部分沒(méi)有測(cè)量脫硫過(guò)程CaCO3消耗情況的燃煤電廠來(lái)說(shuō)，可以忽略該過(guò)程產(chǎn)生的CO2排放量。本文主要研究對(duì)象為E1機(jī)組化石燃料燃燒二氧化碳排放量。如公式（2）、公式（3）所示。

E1=Wcoal×e" " " " " "（2）

（3）

式中：Wcoal為消耗的化石燃料量，t；e為單位耗煤二氧化碳排放量/t；Car為煤元素分析含碳量；q4為鍋爐固體未完全燃燒熱損失，%。

由公式（2）通過(guò)煤元素分析及相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)可獲得較精確的碳排放量。本研究?jī)H通過(guò)煤的工業(yè)分析數(shù)據(jù)擬合獲得碳排放量。計(jì)算數(shù)據(jù)包括常規(guī)的q4（鍋爐固體未完全燃燒熱損失），Mad（入爐煤空氣干燥基水分），Vad（入爐煤空氣干燥基揮發(fā)分），Aad（入爐煤空氣干燥基灰分），F(xiàn)Cad（入爐煤空氣干燥基固定碳）。為盡量使碳排放快速計(jì)算模型具有普適性，本研究選用了國(guó)內(nèi)各地不同類(lèi)型的45種煤樣作為研究樣本。部分分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

將45種入爐煤樣數(shù)據(jù)導(dǎo)入OrnginPro計(jì)算軟件中，定義Mad、Vad、 Aad 、FCad為自變量，e單位耗煤二氧化碳排放量為因變量。對(duì)各入爐煤樣本的水分、灰份、揮發(fā)份、固定單與碳排放量進(jìn)行擬合，建立五元自定義回歸方程，如公式（4）所示。

y =A×X1+B×X2+C×X3+D×X4+E " （4）

并通過(guò)煤樣數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性曲線擬合可獲得以下回歸方程，如公式（5）所示。

ead= （1-q4）×（0.01205×Mad+0.04689×Vad +0.02118×Aad+0.0575×FCad-2.26909）" " "（5）

式中：Mad為煤工業(yè)分析空氣干燥基水分，%；Vad為煤空氣干燥基揮發(fā)分，%；Aad為煤工業(yè)分析空氣干燥基灰分，%；FCad為煤工業(yè)分析空氣干燥基固定碳，%。

以上擬合曲線相關(guān)系數(shù)R2=0.98，相對(duì)誤差為0.1%～7.5%，平均誤差為2.22%，在誤差允許范圍內(nèi)，模型精度可靠。其固定碳相關(guān)曲線如圖1所示。

2 模型計(jì)算結(jié)果分析

2.1 計(jì)算精度

為驗(yàn)證快速計(jì)算模型的精度，以煤的元素分析，精確碳元素含量做碳平衡，計(jì)算的二氧化碳排放量為基準(zhǔn)，其中q4采用《企業(yè)溫室氣體排放核算與報(bào)告指南發(fā)電設(shè)施》附表B2中固態(tài)排渣煤粉爐，褐煤的推薦值（q4=0.5%）。并隨機(jī)抽取10種煤樣，分別采用快速計(jì)算模型及《企業(yè)溫室氣體排放核算與報(bào)告指南發(fā)電設(shè)施》中進(jìn)行元素碳實(shí)測(cè)的計(jì)算公式來(lái)計(jì)算煤樣的單位煤耗碳排放量。將2種計(jì)算方式的結(jié)果進(jìn)行比較，快速計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果與元素碳實(shí)測(cè)計(jì)算結(jié)果的誤差應(yīng)小于5%。10種煤樣，2種碳排放量計(jì)算方式的計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2。

從表2可以看出與碳平衡法二氧化碳排放量計(jì)算結(jié)果相比，本文提出快速計(jì)算模型偏差很小。最小誤差為-0.19%，最大誤差為-4.93%，總體平均誤差為2.22%。本研究所獲得的基于碳工業(yè)分析的二氧化碳排放量快速計(jì)算模型計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確，算法可操作性強(qiáng)、計(jì)算簡(jiǎn)便。

2.2 碳排放核算方式優(yōu)選

隨機(jī)抽取若干電廠入爐煤檢測(cè)實(shí)例，快速計(jì)算模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比缺省值法計(jì)算結(jié)果。關(guān)于缺省值法，《企業(yè)溫室氣體排放核算與報(bào)告指南發(fā)電設(shè)施》中已明確碳排放量的計(jì)算方式。對(duì)未進(jìn)行元素碳實(shí)測(cè)的或?qū)崪y(cè)不符合指南要求的來(lái)說(shuō)，單位熱值含碳量和碳氧化率均采用最高缺省值（0.03085tC/GJ）計(jì)算。模型計(jì)算時(shí)因?yàn)橥瑺t型，所以同煤種下q4相同，忽略碳氧化率影響，按最不利于減少碳排放的情況，以q4=0代入。

缺省值法的計(jì)算過(guò)程如公式（6）、公式（7）所示。

E燃燒=FCi×Car，i×OFi ×44/12" " " " "（6）

Car，i =NCVar，i×CCi" " " " "（7）

單位熱值含碳量和碳氧化率代入最高缺省值，如公式（8）所示。

E燃燒= NCVar，i×0.03085（t/GJ）×44/12 " （8）

式中：FCi為化石燃料的消耗量，t；Car，i為化石燃料的收到基元素碳含量；OFi為化石燃料的碳氧化率，%；NCVar，i為化石燃料的收到基低位發(fā)熱量；CCi為化石燃料的單位熱值含碳量。

隨機(jī)抽取12組未進(jìn)行元素碳實(shí)測(cè)燃煤發(fā)電廠的入爐煤質(zhì)工業(yè)分析報(bào)告，分別用缺省值法計(jì)算碳排放量及用快速計(jì)算模型計(jì)算碳排放量。獲得的計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3。

從表3可以看出采用《企業(yè)溫室氣體排放核算與報(bào)告指南發(fā)電設(shè)施》缺省值法計(jì)算的二氧化碳排放量與快速計(jì)算模型所得的二氧化碳排放量相比偏大，偏差在3%～10%。

3 快速計(jì)算模型的應(yīng)用

2023年8月15日全國(guó)碳市場(chǎng)收盤(pán)價(jià)突破70元/t，達(dá)到70.07元/t，創(chuàng)歷史新高。從市場(chǎng)供求關(guān)系來(lái)看，碳履約迫在眉睫。后續(xù)如何降低碳履約成本是每個(gè)燃煤發(fā)電企業(yè)需要關(guān)注的問(wèn)題。

以常規(guī)35萬(wàn)千瓦級(jí)熱電供熱企業(yè)為例，機(jī)組參數(shù)按國(guó)內(nèi)最優(yōu)（碳排放量最低）選擇。目前國(guó)內(nèi)首臺(tái)采用超臨界直接空冷技術(shù)的350MW等級(jí)汽輪機(jī)組，國(guó)家電投通遼2×350MW智慧熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組已經(jīng)進(jìn)入安裝實(shí)施階段。如果該企業(yè)供熱發(fā)電機(jī)組參數(shù)為燃煤2×350MW超超臨界機(jī)組，那么鍋爐為1050t超臨界鍋爐。機(jī)組發(fā)電標(biāo)煤耗率按255 g/kW·h，供熱標(biāo)煤耗率按39 kg/GJ。燃料選用無(wú)煙煤，熱值26.8427GJ/t。根據(jù)鍋爐蒸發(fā)量及相關(guān)參數(shù)可以計(jì)算出該企業(yè)單臺(tái)鍋爐小時(shí)耗煤量約109 t/h，當(dāng)年利用小時(shí)數(shù)按6000h計(jì)算，2×350MW超臨界機(jī)組年耗煤量約130.8萬(wàn)t。

如果企業(yè)未進(jìn)行入爐煤元素測(cè)驗(yàn)，那么發(fā)電碳排放量按《企業(yè)溫室氣體排放核算與報(bào)告指南發(fā)電設(shè)施》缺省值法計(jì)算，代入e1=3.036tCO2/t，該企業(yè)年二氧化碳排放量約397.1萬(wàn)t/年。使用本文所提供的快速計(jì)算模型對(duì)碳排放量進(jìn)行校核，將陽(yáng)泉無(wú)煙煤工業(yè)分析數(shù)據(jù)代入快速計(jì)算模型可得e2=2.52tCO2/t?？梢?jiàn)缺省值法計(jì)算的單位碳排放量偏高約16%。根據(jù)該計(jì)算結(jié)果推薦企業(yè)選用《企業(yè)溫室氣體排放核算與報(bào)告指南發(fā)電設(shè)施》中元素碳實(shí)測(cè)的精確計(jì)算公式核算碳排放量。

企業(yè)增加入爐煤碳元素分析后，可對(duì)碳排放量進(jìn)行重新核算。使用元素碳實(shí)測(cè)的計(jì)算公式并代入入爐煤元素分析數(shù)據(jù)后，可得e3=2.51tCO2/t。元素實(shí)測(cè)計(jì)算公式結(jié)果與采用工業(yè)分析快速計(jì)算模型誤差為0.4%。根據(jù)年煤耗量，該企業(yè)實(shí)際年碳排放量為328.3萬(wàn)t，與缺省值法計(jì)算結(jié)果相比下降了17%。如果該企業(yè)須進(jìn)行碳履約，那么根據(jù)目前全國(guó)碳市場(chǎng)成交價(jià)（暫按70元/t考慮）優(yōu)化碳排放量核算方式后，未來(lái)該企業(yè)每年可以節(jié)約碳履約成本約4800萬(wàn)元。

4 結(jié)論

本文提出了一種簡(jiǎn)潔的碳排放量快速計(jì)算模型，不增加新的檢測(cè)點(diǎn)，僅利用常規(guī)工業(yè)分析數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)燃煤電廠碳排放量。根據(jù)多座燃煤電廠已有煤質(zhì)工業(yè)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算擬合得到該模型。模型計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確，算法可操作性強(qiáng)、計(jì)算簡(jiǎn)便。

本研究可對(duì)企業(yè)合理選擇碳排放量核算方式起到指導(dǎo)作用。利用本文提出的碳排放快速計(jì)算模型，快速計(jì)算相對(duì)精確的碳排放量，并與《企業(yè)溫室氣體排放核算與報(bào)告指南發(fā)電設(shè)施》缺省值法計(jì)算的二氧化碳排放量進(jìn)行比較，如果模型計(jì)算結(jié)果低于缺省值法碳排放量計(jì)算結(jié)果，那么企業(yè)可考慮增加入爐煤碳元素分析，對(duì)碳排放量進(jìn)行重新核算。從而達(dá)到降低碳履約成本的目的。

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