中国燃煤火电机组碳氧化因子测算方法及规律性分析

吴汉栋，赵春黎，2，彭尊

（1.清华大学工程物理系，北京100084；2.中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室，北京100085；3.北京金恒博远科技股份有限公司，北京100076）

0 引言

燃煤电厂耗煤量约占全国原煤消费总量的46%［1］，其带来的CO2排放量约占全国排放总量的40%［2］，燃煤电厂CO2排放量的准确测算对我国温室气体排放计量具有重要的意义。根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）给出的碳排放计算方法可知，燃煤火电机组碳排放与燃煤量、含碳量及碳氧化因子有关［3］。其中，碳氧化因子是指实际CO2排放量与完全燃烧所排放CO2量的比值，IPCC 默认碳氧化因子为1。然而，受煤质因素及锅炉运行特性因素的影响［4］，锅炉燃烧效率往往无法达到100%，部分碳元素将以固态形式留存于飞灰与灰渣之中，实际碳氧化因子将会发生一定范围的波动。

鉴于此，多项研究深入分析了不同因素对碳氧化因子的影响：Grace J.R.等［5］通过数值建模分析了锅炉结构（尤其是流化床高度与横截面）对煤粒流化质量与停留时间的影响，进而对碳氧化因子造成的影响；Styszko G.K.等［6］的研究表明，机组负荷在一定程度上影响燃煤锅炉燃烧效率，当煤质挥发分低于40%时，机组负荷的影响尤其明显；Fu W.等［7］提出了用煤质因子的定义来表征及量化煤炭的可燃性；在此基础上，高林等［8］分析了煤质对于碳氧化因子的影响；此外，也有关于煤炭粒径、煤炭热值对锅炉燃烧效率影响的相关研究，粒径过大或过小都将降低燃烧效率［9］，而煤炭热值低于16.7 MJ∕kg时锅炉燃烧效率将大幅降低。这些都将使碳氧化因子更大程度地偏离IPCC默认值，影响锅炉碳排放计量的准确性［10］。

以上研究多从单一因素分析锅炉燃烧效率的变化情况，进而定性判断该因素对于碳氧化因子的影响。由于缺少碳氧化因子的直接计算方法，现有研究的分析结果多是间接性的。本研究通过对我国燃煤发电行业代表性锅炉进行碳平衡分析，提出了一种碳氧化因子的测算方法，用于提升燃煤火电机组碳氧化因子计算的准确性。该研究从我国燃煤发电行业技术的现状出发，根据技术特征、燃料特征、运行特征与地域分布等因素，制订合理的采样原则，通过碳平衡分析法对各机组输入煤、飞灰、炉渣等进行取样，计算各采样点下的锅炉碳氧化因子，进而对碳氧化因子的影响因素进行了规律性分析。通过以上方法，本研究将定量判断我国燃煤机组碳氧化因子实际值与IPCC 默认值之间的偏差情况，同时为碳氧化因子的提升提出指导性建议。

1 燃煤火电机组碳氧化因子测算方法

1.1 燃煤火电机组碳平衡分析

对某燃煤火电机组进行碳平衡分析，其碳输入、损失以及排放情况如图1所示。

图1 火电机组碳元素的输入/输出示意Fig.1 Carbon input and output sketch of a coal-fired power unit

碳输入主要为煤中含碳，火电机组典型煤种包括褐煤、烟煤和无烟煤，可采用GB∕T 212—2008《煤的工业分析方法》测量其含碳量。

碳损失主要包括制粉损失、灰渣含碳、飞灰含碳。燃煤电厂中灰渣成分主要是Si，Ca，Fe 等的氧化物，含碳比例较低。飞灰的主要成分为碳，SiO2，Al2O3，TFeO，CaO，MgO 等。循环流化床锅炉飞灰中含碳量较多，约为15%～20%，而煤粉炉的飞灰中含碳量较低，一般不到5%。计算碳损失需要收集电厂的相关数据，如电站煤炭消耗量、电站炉渣质量、电站飞灰质量、电站发电煤耗等，并采集飞灰、灰渣样本进行含碳量检测。

碳排放主要包括烟气中的CO2以及未完全燃烧的CO，这部分碳被纳入温室气体计量范畴中。

基于以上碳平衡分析可知，燃煤火电机组碳氧化因子计算公式为

1.2 燃煤火电机组锅炉碳氧化因子测算模型

测算碳氧化因子需测量输入煤与输出飞灰、灰渣的质量与含碳量，而在工程实际测试中较难获取准确的飞灰质量与灰渣质量。根据运行经验，假设机组排放飞灰与灰渣的质量比为9∶1［11］，则输入单位质量煤所产生飞灰质量与灰渣质量分别占煤炭灰分质量的90%与10%。另外，由于制粉损失产生于磨煤过程，属于物理机械损失，本研究暂不将其考虑在内。由此，燃煤火电机组锅炉碳氧化因子（COF）测算模型可简化为

式中：UCflyash，UCslag分别代表燃烧单位质量煤所排放的飞灰与灰渣中未反应的碳与输入煤的质量比；Car为燃用煤种收到基含碳量，%；Aar为燃用煤种收到基灰分，%；Cflyash与Cslag分别为现场采样检测所得飞灰与灰渣中未反应碳的质量分数，%。

1.3 碳氧化因子的测试方法

根据我国燃煤火电行业机组技术现状，制定科学的现场数据采集程序与处理分析方法。

（1）原煤取样。在每台运行的给煤机上的采样孔采集煤样，每30 min 采样1 次，每次取1.0～2.0 kg，用密封容器存放。试验结束后，将全部采集的煤样混合，进行人工破碎，采用四分法［12］将煤样缩分，分成2 份足够进行元素分析、工业分析的样品并用塑料袋封装，一份样品由电厂留存，一份样品由试验单位进行元素分析、工业分析和发热量测试。

（2）炉渣取样。在电站运行状态稳定后采集样本，在捞渣机处每隔30 min取灰渣样1次，堆放在干净的地面处。采样次数≥10 次，每次不少于2.0 kg。全部样品破碎到粒度小于25 mm，充分混合后，采用四分法缩制成2 个0.5 kg 样品，一份样品由电厂留存，一份样品由试验单位进行相关的试验分析。

（3）飞灰取样。利用省煤器出口水平烟道落灰管进行取样。试验开始前将飞灰清空，等时间间隔取样，采样次数≥10 次，每次不少于20 g。充分混合后，采用四分法制成2 个50 g 样品，用塑料袋封装，一份样品由电厂留存，一份样品由试验单位进行相关的试验分析。

2 碳氧化因子影响因素规律性分析

2.1 碳氧化因子影响因素

通过经验分析以及文献调研，提炼影响碳氧化因子的主要因素，包括燃煤特性、床体结构、燃煤粒径、送风量、运行水平、空气过剩系数［13-15］。这些影响因素可以归结为锅炉的运行特性和地域差别性2个方面。

锅炉的运行特性主要受负荷变化和机组容量的影响。通常受到早晚和季节用电高峰∕低谷的影响，锅炉负荷会在50%～105%额定负荷之间波动；此外，不同机组容量的锅炉燃烧效率会有差别。这些差异将进一步影响锅炉碳平衡的变化，从而影响碳氧化因子。

燃煤电厂从经济性考虑，一般会就近供煤，而不同地区煤种变化较大，煤种的不同会对锅炉的碳排放有较大影响。另外，地区气候条件、电厂管理水平不同，会影响锅炉的燃烧效率，从而影响锅炉的碳排放。

本文从我国燃煤发电行业技术现状出发，根据技术特征、燃料特征、运行特征与地域分布制订合理的采样原则，分析不同因素对碳氧化因子的影响规律。

2.2 燃煤电厂碳氧化因子采样原则

基于我国燃煤火电技术现状确定采样空间，以保证采集的样本可以客观、全面地反映我国燃煤火电的特征。样本选取应具有技术性能的代表性、动态特性的代表性以及地域分布的代表性。

根据火电机组地域分布，对44 个电厂（见表1）进行采样。通过改变煤种、运行负荷等条件，采集得到70 组样本。其中来自亚临界、超临界、超超临界与其他类型锅炉的样本量分别占到55%，27%，14%和4%；机组容量＜300 MW，300～600 MW，600～1 000 MW 以及≥1 000 MW 的样本比例分别为5%，63%，23%，9%。因我国的燃煤火电机组正朝着大容量、高技术水平的方向发展，所以采样应保证容量＞300 MW 以及采用亚临界以上技术的机组采样点充足，上述比例较为符合我国燃煤火电机组分布以及发展趋势。

表1 采样电厂清单Tab.1 The list of sampling power plants

续表

确定采样空间与采样原则后，建立采样数据库并进行现场数据采集工作。现场采集包括电厂位置、锅炉类型、锅炉容量在内的基础数据，并记录各个采样点包括煤种、运行负荷在内的运行参数，以及煤炭、飞灰、灰渣采样数据等，形成我国燃煤发电行业碳排放采样基础数据库。

2.3 影响因素规律性分析

在不同机组类型、机组容量、煤种、机组负荷等条件下，利用1.3 中的测试方法，对原煤、炉渣以及飞灰进行采集、处理、分析，利用1.2 所述的碳氧化因子测算模型测算各采样点的碳氧化因子，最终分析机组容量、机组负荷、煤质对碳氧化因子的影响规律，如图2—3所示。

由图2可知，随电站容量增加，碳氧化因子有明显的增大趋势。对所采集样本进行统计分析，超超临界机组的碳氧化因子平均值为99.40%，超临界机组为98.03%，而亚临界机组的为97.63%。这可以理解为机组技术水平越高、机组容量越大，煤炭燃烧越充分；而机组容量小，碳氧化因子易受到其他因素的影响，其值波动范围较大。

由图3可知，对于不同类型机组，在额定负荷下运行时，碳氧化因子均表现出较低值，偏离额定负荷时碳氧化因子反而略微升高。火电站大部分时间都在低于额定功率下运行，此时锅炉燃烧效率反而较高，相同条件下燃烧单位质量煤的碳排放量略微减少。

图2 碳氧化因子与机组容量对应关系Fig.2 The relationship between COF and unit capacity

图3 碳氧化因子与机组负荷对应关系Fig.3 The relationship between COF and unit work load

本研究利用煤质因子对煤炭质量进行量化［8］，从而分析煤质对碳氧化因子的影响。煤质因子Fz为燃煤着火特性的通用指标，

式中：Mad，Vad与Fcad分别为煤空气干燥基的水分、挥发分以及固定含碳量，%。

选取4 种煤种在不同负荷条件下进行试验，测算得到各工况下锅炉的碳氧化因子（如图4所示）。

图4 碳氧化因子与煤质对应关系Fig.4 The relationship between COF and coal quality

由图4可知，随煤质升高碳氧化因子明显增大。在煤质较差的情况下，机组负荷对碳氧化因子影响明显，而在煤质较优的情况下该因素对碳氧化因子的影响较小。

4 结论

基于燃煤火电机组碳平衡分析，本研究提出了一种碳氧化因子测算方法。基于我国燃煤火电技术现状进行采样，分析了碳氧化因子随机组容量、机组负荷、煤质的变化规律，得到以下结论。

（1）取样结果表明，我国碳氧化因子实际测试值与IPCC 默认值之间存在一定差异，差异范围为0.5%～6.0%。

（2）机组技术水准越高、机组容量越大，碳氧化因子相对越高；机组容量小，碳氧化因子易受到其他因素的影响，其值波动范围较大。

（3）煤质因素对碳氧化因子的影响最大，使用高质量煤发电，在不同运行条件下均能实现较高的燃烧效率，而碳氧化因子的波动不大；相反，使用低质量煤发电，机组运行参数将对碳氧化因子产生显著影响。