发电企业碳减排方法

景宏林 赵明

全球气候变化是当今社会面临的重要问题，联合国政府间气候变化委员会在 2014 年发布的第二、第三组工作摘要对气候变化的风险展开评估，确定了全球 2℃ 的长期温升目标，并提出了实现 2℃温升目标的成本最优排放路径： 2030 年全球碳排放量要低于 2010 年水平，并在 2050 年实现深度、大幅度的碳减排。 面对气候变化，世界各国都在通过调整经济结构、提高能源效率等途径达成减排目标。发电行业是目前唯一纳入全国碳市场的重点排放行业，将在2020年承担履约义务，完成对2019年排放量的履约。碳排放履约成本将作为企业又一重要的经营成本纳入电厂日常管理。

2020年9月22日，习近平主席在第75届联大一般性辩论上，对外宣示中国二氧化碳排放力争于2030年前达峰，努力争取2060年前实现碳中和;在2020年12月12日的气候雄心峰会上，习近平主席进一步宣布了我国自主贡献的新目标、新举措。提出到2030年，中国单位GDP二氧化碳排放比2005年下降65%以上。

一、碳排放管理要求

根据2020年12月30日印发的《2019-2020年全国碳排放权交易配额总量设定与分配实施方案（发电行业））》，发电行业（含其他行业自备电厂）2013-2019 年任一年排放达到2.6 万吨二氧化碳当量（综合能源消费量约1 万吨标准煤）及以上的企业纳入2019-2020 年全国碳市场配额管理的重点排放单位名单。全国碳市场的电力行业目前配额的发放是“基准值”法，即根据行业供电、供热基准值，以及企业的产品产量来确定配额;根据2021年3月29日发布的《企业温室气体排放核算方法与报告指南发电设施》，电力行业的排放量包括化石燃料燃烧的排放量与购入电力的排放量，其中化石燃料燃烧的排放量的与化石燃料的活动水平和排放因子有关。因此全国碳市场，配额和排放量计算目前是两条线，供电/供热碳排放强度，以及供电/供热煤耗越低，越有利于企业配额的盈余。

2021年5月17日，生态环境部发布了《关于发布《碳排放权登记管理规则（试行）》 《碳排放权交易管理规则（试行）》和《碳排放权结算管理规则（试行）》的公告》，进一步规范全国碳排放权登记、交易、结算活动，保护全国碳排放权交易市场各参与方合法权益。对于纳入全国碳市场的电力行业，应熟悉全国碳排放权注册登记结算系统、全国碳排放权交易系統两个系统的应用，及时在系统上进行履约。

二、节能减排及碳汇技术探索

（一）管理降碳

由于在实施碳资产管理的过程当中，其与发电企业生产经营的各项活动都是紧密相连的。为此，作为发电企业来讲，在不断提升企业碳资产管理能力的过程当中，也是需要不断地去完善每一项管理制度的，从而实现节省发电成本、平衡节能减排的作用，不断地提高发电企业竞争力的过程。例如建立数据管理质量体系。同时要做好自身碳排放情况进行摸底，与同类型机组进行碳排放强度对标，找到薄弱点，关键点，进行提升。

（二）借助信息化手段降碳

通过信息化手段，助力节能降碳也是非常重要的。随着信息软件技术的发展，许多行业都进行了信息化提升。信息化可助力电厂提升数据管理水平和决策水平。借助历史数据及前序分析，建立碳排放与煤质关系特征数据库，不同机组效率碳排放数据库，为后续碳交易策略建议及生产经营辅助建议提供数据基础。利用前序数据库，结合电厂生产经营计划，预测不同机组碳排放强度、可获取碳配额量、配额盈缺情况。并结合电厂燃煤采购、燃煤价格、消耗量、发电量、电价、碳配额盈缺量、碳价等参数，开展发电燃料成本及碳排放履约成本经济性评价。同时基于软件系统自带的数据挖掘和内部算法，还可对生产经营提出辅助决策建议，包括：

1.燃煤采购掺配控制碳排放参考建议

以燃煤量、煤价、碳价、碳排放、收益等作为考量因素，为公司在煤炭采购掺配环节上控制碳排放提供参考建议。

2.生产计划参考建议

进行事前经济性评价，以公司收益最大化为目标，为公司制定生产计划、调度提供参考建议。

3.交易参考建议

（三）节能技改降碳

1.CCUS技术

CCUS指碳的捕集、封存和利用技术。CO2捕集的方法按照对燃料、氧化剂和燃烧产物采用的措施，可以分为燃烧前捕集、纯氧燃烧和燃烧后捕集3种。燃烧前捕集是相对成本较低、效率较高的一种方法。此方法将化石燃料气化成合成气（主要成分为H2和CO），然后通过变换反应将CO转化为CO2，再通过溶剂吸收等方法将H2和CO2分离开对CO2进行收集。但此技术局限于基于煤气化联合发电装置（Integrated Gasification Combined Cycle，IGCC），因此以此技术投产的项目较少，燃烧前捕集CO2的成本大约为20美元/t CO2，尚需要更多的项目来进行验证。

富氧燃烧技术采用纯氧或者富氧将化石燃料进行燃烧，燃烧后的主要产物为CO2、水和一些惰性组分。水蒸气冷凝后，通过低温闪蒸提纯CO2，提纯后的CO2浓度可达80%～98 vol%，提高了CO2捕集率。由于燃烧前捕集合富氧燃烧需要合适的材料和操作环境来满足高温要求，因此这两种技术的研究与开发和示范性项目较少。相比较而言，燃烧后捕集技术是当前炼厂应用较为广泛且成熟的就，该技术具有较高的选择性和捕集率。常用的方法如化学吸收法、膜分离法、物理吸附法等。化学吸附法被认为是当前最有市场前景的吸附方法，在化学吸附中，胺类溶液以其吸收效果好的特点被广泛应用。以当前的技术，燃烧后捕集CO2的成本大约是40美元/t CO2。从国内外项目经验看，地下封存、驱油和食品级利用，是当前较为主流的方向。

CCUS—EOR（Enhanced oil recovery，强化采油）技术可以通过CO2把煤化工或天然气化工产生的碳源和油田联系起来，有较好的收益，如图3所示，该技术通过把捕集来的CO2注入到油田中，使即将枯竭的油田再次采出石油的同时，也将CO2永久地贮存在地下。CO2驱油的主要原理是降低原油粘度、增加原油内能，从而提高原油流动性并增加油层压力。国内新兴的碳利用方向主要有CO2加氢制甲醇、CO2加氢制异构烷烃、CO2加氢制芳烃、CO2甲烷化重整等，如山西煤化所、大连化物所、中科院上海研究院、大连理工大学等，对这些技术进行了研究，但大多都处在催化剂研究的理论研究阶段或中试阶段。

CO2捕集后，可以通过泵送到地下、海底长期储存，或直接通过强化自然生物学作用把CO2储存在植物、土地和地下沉积物中。当前的碳封存技术主要分为以下2种：

第一种是将CO2高压液化注入海洋底

第二种是将CO2进行地质封存。

碳捕集技术主要的问题是成本较高，而目前中国的碳市场下，碳价较欧盟还较低，经济性问题是碳捕集技术在国内的应用的主要问题。

下一代碳捕集技术将会在材料创新、工艺或设备的改进上取得突破，这些新进展将使得投资运营成本降低的同时提高捕集效率。

纵观国内外成熟的工程项目，地下封存、驱油和食品级利用是当前较主流的方向。其中，驱油技术可以通过CO2把煤化工或天然气化工产生的碳源和油田联系起来，有较好的收益，有较好的应用前景。

2.生物质掺烧

利用大型高效燃煤机组混烧生物质燃料发电，是实现生物质发电的一种先进技术，不仅可以大幅度提高生物质发电的效率，节约生物质资源，而且可以明显降低煤电机组的碳排放量，提高煤及生物质耦合发电的灵活性，从而加强燃煤发电的可持续性，是煤电走向低碳化一条现实可行的路径。

生物质燃料作为一种可再生清洁能源，其挥发分、硫分、灰分等指标均优于燃煤，而且价格相对低廉。在煤中掺烧生物质燃料，可减少污染物排放、增加发电效益的目的。

生物质耦合混烧改造应主要用于大型高效燃煤电厂。对于大型燃煤电厂的煤粉炉，由于锅炉容量大，生物质燃料发热量较低，即使采用较小的生物质掺烧比（按燃料热量计），其每年消耗的生物质燃料量也是相当可观的。以一台660MW超超临界机组锅炉为例，其供电煤耗大约为290g（标煤）/kWh，若以10%生物质掺烧比实现混燃发电，生物质燃料应用基发热量为14.7MJ/kg（草木本混合燃料），年运行4500小时，则每年供电（约3000亿千瓦时）需要的生物质燃料约为17.2万吨。由于660MW超超临界机组供电效率高，供电煤耗低，这个燃料量如果用于现有的小型生物质发电机组，其供电量只有大约一半左右，可见大型高效煤电机组混烧生物质发电的能效优越性。现在中国已有小型生物质燃料发电装机容量共2952万千瓦，2020年新增加生物质装机容量243万千瓦，增长率为22.6%，因为小机组效率低、煤耗高，因而小机组的生物质燃料发电与大型先进高效燃煤机组混烧发电相比，应该优先发展大型燃煤机组与生物质混烧发电。对大型电站燃煤锅炉生物质混烧改造的基本要求是：

1）保持鍋炉效率基本不变;

2）保持锅炉出力不变;

3）满足排放要求;

4）保证生物质燃料燃烧的安全要求;

5）满足生物质转换后运行寿命的要求。

据国外的经验，对于单机容量为300MW及以上的燃煤机组，现在采用的最主要的耦合混烧方式即生物质燃料的输送、粉碎、送粉管道和燃烧器完全和煤粉分开，生物质燃烧器与在炉膛里的布置采用特殊设计。此方案投资成本高但对锅炉的正常运行干扰最小。在异磨异燃烧器混烧方式中，最有利的是将生物质粉作为再燃的二次燃料，以燃料分级燃烧的方式送入布置在煤粉炉膛上部适当位置的生物质燃烧器，以控制NOx的生成和排放。

因此，对现有大型燃煤锅炉实行与生物质混烧，主要是对电厂的燃料的储运研磨系统、生物质燃烧器等进行改造，对炉膛受热面和环保设备的设计虽然要充分考虑生物质的燃烧特性，但总的来说变动不大。应该说，生物质与煤耦合混烧发电，在技术上不存在很大的问题，只要注意不同的生物质燃料的不同特性，在燃料的输送、储存、磨制和燃烧系统方面考虑到其特点，注意其高挥发分燃点低易着火的特性，在改造燃料系统时注意防火防爆措施，注意高碱含量容易引起积灰、结渣和腐蚀等问题。

生物质在储存和运输上可能存在一些问题。大规模收集、运输及储存难度大我国土地以农民家庭为承包经营单位，各家各户相对独立，种植农作物种类多样、自由，统筹性差，资源相对分散，这给大规模机械化的秸秆收集造成巨困难。

3.厂区光伏发电利用

伴随国家节能环保法律法规的进一步严格要求，煤场封闭越来越有必要，出于环保需要的封闭煤棚， 项目投资极大，但投资收益却极低。伴随光伏成本不 断降低，电池技术持续提高，以及国内新的“金屋顶”、“金太阳”目录出炉和一系列促进光伏发展政策的出台，特别是《国家电网公司关于印发分布式光伏 发电并网相关意见和规定的通知》和《国家电网公司关于印发分布式光伏发电接入系统典型设计的通知》两项文件的发布，从更高程度上加深了全社会对光伏发电产业的认可度、认同感，使个人加入分布式光伏发电成为可能。结合煤场封闭项目及屋顶分布式光伏发电项目的发展情况，考虑利用封闭煤棚大 面积屋顶设置分布式光伏发电项目，实现太阳能与建筑一体化发展。

封闭煤场采用的围护类型通常有： 筒仓、圆形煤场、条形煤场，3种围护类型各有优缺点，经比较，条形封闭煤棚的结构形式主要有： 平面刚架、平面桁架、平面拱、格构空腹式拱梁结构以及空间网架结构等。根据已建成的封闭煤场结构的技术经济指 标的比较，空间网架结构具有明显的优势，目前已成为封闭煤场结构的主要结构形式。常见大跨空间结构形式主要有： 三心圆钢网架结构、预应力管桁架结构、平板钢网架结构、拱形钢网架结构等。

封闭煤棚顶部设置光伏发电优缺点分析。

优点： ①出于环保需要采用的封闭煤场，投资很高，经济收 益极低，且封闭面积很大，增设光伏发电项目后，给电厂带来了长期的收入; ②在建设的煤棚上设置光伏发电装置，不需要进行光伏发电项目征地及基础工程的投资，降低了光伏发电整体投资;③山东省太阳能资源较好，增设光伏发电项目，响应了国家发展新能源的政策，符合能源发展战略要求;④伴随技术的创新及设备生产成本的下降，光伏发电站的投资成本也会降低，缩短投资回收期;⑤供电稳定可靠，投资少，投资风险小。

缺点：①封闭煤棚表面为圆弧形，且为南北坡向，光伏发电阵列难布置，比常规地面光伏发电项目屋面利用效率低; 封闭煤棚高度很高，运行维护不方便; 屋顶连接点太多;②光伏发电装置安装在封闭煤棚钢结构上，光伏发电项目自身有消防要求，封闭煤场防火等级较高，安全风险较大，安装光伏发电装置后，存在光伏组件、汇流箱等电气设备发生短路燃烧的可能，进一步加大了封闭煤场的安全风险。

结 语

火力发电是极为复杂的热工系统，降低其碳排放也需要从多个角度着手。加强管理和信息化应用是普适性的方法，而CCUS、生物质掺烧、厂区光伏发电利用则是结合了安全性和经济性，针对火电厂自身出发，可行性较强的技改措施。

[作者单位：1.华电潍坊发电有限公司;2.中碳能投科技（北京）有限公司]