碳達(dá)峰碳中和背景下火力發(fā)電廠碳排放分析與建議

周 英

（陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司渭北分公司，陜西 西安 710075）

中電聯(lián)《2021 年1-6 月份電力工業(yè)運(yùn)行簡況》顯示：全國發(fā)電裝機(jī)容量22.6 億千瓦，其中，燃煤發(fā)電10.9億千瓦，同比增長2.5%，占比48.23%。未來很長一段時(shí)間，燃煤發(fā)電仍將占據(jù)重要地位。燃煤發(fā)電同時(shí)排放大量CO2，引起全球變暖。我國作為世界上最大的碳排放國家，占世界能源碳排放總量比重的28.8%，對(duì)全球碳達(dá)峰和碳中和具有至關(guān)重要的作用。在2015 年《強(qiáng)化應(yīng)對(duì)氣候變化行動(dòng)-中國國家自主貢獻(xiàn)》公開承諾了中國的CO2排放在2030 年左右達(dá)到峰值。[1]

1 火力發(fā)電廠碳排放研究概述

一些學(xué)者已經(jīng)對(duì)具體燃煤機(jī)組碳排放進(jìn)行相關(guān)研究。蓋志杰等以2×300MW 燃煤發(fā)電機(jī)組為研究背景，計(jì)算表明2011～2014 年全廠年均碳排放總量在300～312tCO2之間。劉睿等研究了630MW 燃煤機(jī)組和135MW 燃煤機(jī)組的碳排放，結(jié)果表明前者單位CO2排放量顯著低于后者的。高建強(qiáng)等研究了58%、74%、89%負(fù)荷下，330MW 燃煤機(jī)組的碳排放，發(fā)現(xiàn)燃煤供電碳排放強(qiáng)度與機(jī)組負(fù)荷之間呈負(fù)相關(guān)，對(duì)燃煤供電碳排放強(qiáng)度影響較大的系統(tǒng)依次為汽輪機(jī)系統(tǒng)、廠用電系統(tǒng)和鍋爐系統(tǒng)。蔡宇等研究表明煤耗不決定機(jī)組供電碳排放序位，不同品種、產(chǎn)地和批次煤質(zhì)差異的影響不容忽視，特別是煤化程度較低的煤中氫含量的影響。張小麗等研究表明對(duì)于1993 年以來中國新增煤電裝機(jī)，2018 年之后剩余的鎖定碳排放量為102.3(43.9～147.3)GtCO2。作為火力發(fā)電廠的一部分，有必要綜合研究比較燃煤機(jī)組、燃?xì)鈾C(jī)組、燃油機(jī)組三者碳排放特點(diǎn)，為我國后期實(shí)施“碳達(dá)峰、碳中和”提供技術(shù)指導(dǎo)。為此，筆者歸納總結(jié)了目前主流的碳排放計(jì)算和核查方法，針對(duì)典型的660MW 燃煤機(jī)組、365MW 燃?xì)鈾C(jī)組和660MW 燃油機(jī)組進(jìn)行碳排放計(jì)算和分析，并結(jié)合火力發(fā)電廠碳排放的特點(diǎn)，提出碳減排、碳匯、碳金融等相關(guān)建議。[2]

2 火電廠碳排放典型計(jì)算與分析

本節(jié)對(duì)典型的燃煤機(jī)組、燃?xì)鈾C(jī)組和燃油機(jī)組進(jìn)行碳排放計(jì)算，為使結(jié)果更具比較性，計(jì)算前進(jìn)行以下初步假設(shè)：

（1）初步選擇計(jì)算年利用小時(shí)數(shù)為4216 小時(shí)（《中國能源大數(shù)據(jù)報(bào)告（2021）》）。（2）外購電力排放因子選擇0.604tCO2/MWh。參考《DB11/T1781-2020 二氧化碳排放核算和報(bào)告要求電力生產(chǎn)業(yè)》。綜合考慮機(jī)組容量和運(yùn)行方式，燃煤機(jī)組、燃?xì)鈾C(jī)組和燃油機(jī)組外購電量分別為1000MWh、500MWh和1000MWh。（3）燃煤機(jī)組、燃?xì)鈾C(jī)組和燃油機(jī)組廠用電率分別選取6%、2%、4%。燃煤機(jī)組、燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組廠用電率一般介于4%～9%、1%～2.5%之間。燃油機(jī)組廠用電率在燃煤機(jī)組和燃?xì)鈾C(jī)組之間。

2.1 燃煤機(jī)組碳排放計(jì)算

以國家能源集團(tuán)某660MW 燃煤機(jī)組為例，該鍋爐為一次中間再熱、超超臨界壓力變壓運(yùn)行、單爐膛、平衡通風(fēng)、緊身封閉、固態(tài)排渣、全鋼架、全懸吊結(jié)構(gòu)、切圓燃燒方式的高效超超臨界鍋爐。[3]

該機(jī)組燃煤干燥無灰基揮發(fā)分大于25%，參照《GB T32151.1-2015 溫室氣體排放核算與報(bào)告要求第1 部分：發(fā)電企業(yè)》中表B.4，燃用煙煤的鍋爐固體不完全燃燒熱損失為1.5%，相應(yīng)的估算其碳氧化率取98.5%。燃煤機(jī)組碳排放計(jì)算包括煤炭燃燒產(chǎn)生的碳排放、脫硫過程的碳排放、企業(yè)凈購入使用電力產(chǎn)生的碳排放。由于該電廠采用等離子點(diǎn)火，不涉及燃料油燃燒碳排放。在假定條件下，660MW 燃煤機(jī)組碳排放為2303751tCO2/y。

2.2 燃?xì)鈾C(jī)組碳排放計(jì)算

以某燃?xì)鉄犭姀S2 號(hào)機(jī)組為例，該機(jī)組為燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)供熱機(jī)組，設(shè)計(jì)采用“一拖一”的結(jié)構(gòu)形式，機(jī)組包含1 臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)、1 臺(tái)燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)、1 臺(tái)余熱鍋爐（HRSG）、1 臺(tái)蒸汽輪機(jī)、1 臺(tái)蒸汽輪發(fā)電機(jī)和有關(guān)的輔助系統(tǒng)和設(shè)備。余熱鍋爐為三壓加再熱、無補(bǔ)燃、臥式自然循環(huán)鍋爐，型號(hào)為UG-SGT4000F-R。在背壓工況下，“一拖一”聯(lián)合循環(huán)機(jī)組總發(fā)電功率為365MW。燃?xì)鈾C(jī)組碳排放計(jì)算包括天然氣燃燒產(chǎn)生的碳排放、企業(yè)凈購入使用電力產(chǎn)生的碳排放。由于燃?xì)鈾C(jī)組無脫硫系統(tǒng)，不涉及脫硫過程碳排放。在假定條件下，365MW 燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組碳排放為573945tCO2/y。

2.3 燃油機(jī)組碳排放計(jì)算

目前大型燃油機(jī)組主要分布在原油產(chǎn)地，比如沙特拉比格2×660MW 亞臨界燃油機(jī)組、沙特延布5×660MW 亞臨界燃油機(jī)組等。以沙特某660MW 亞臨界燃油機(jī)組為例，鍋爐為亞臨界參數(shù)、自然循環(huán)、前后墻對(duì)沖燃燒方式、一次中間再熱、單爐膛平衡通風(fēng)、全鋼構(gòu)架的汽包爐。汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的亞臨界、一次中間再熱、沖動(dòng)式、單軸、雙背壓、三缸四排汽凝汽式（型號(hào)：N660-16.67/538/538）。發(fā)電機(jī)為東方電機(jī)股份有限公司生產(chǎn)的水氫冷卻、自并勵(lì)靜止勵(lì)磁方式汽輪發(fā)電機(jī)。燃油機(jī)組滿負(fù)荷燃油總量142t/h。由于采用海水脫硫，無脫硫劑添加，即無脫硫過程的碳排放。綜合考慮機(jī)組容量和運(yùn)行方式，燃油機(jī)組外購電量取1000MWh。在假定條件下，660MW 燃油機(jī)組碳排放為1988626tCO2/y。

2.4 火電廠碳排放分析

典型的燃煤機(jī)組、燃?xì)鈾C(jī)組和燃油機(jī)組碳排放三種類型的火力發(fā)電廠單位發(fā)電量碳排放數(shù)值分別為0.8279t CO2/MWh、0.3730tCO2/MWh 和0.7147tCO2/MWh。燃?xì)鈾C(jī)組單位發(fā)電量碳排放最低，僅為燃煤機(jī)組的45%。相應(yīng)地，燃油機(jī)組碳排放為燃煤機(jī)組的86%。燃煤機(jī)組、燃?xì)鈾C(jī)組和燃油機(jī)組的廠用電率分別為6%、2%和4%情況下，三種類型的火力發(fā)電廠單位供電量碳排放數(shù)值分別為0.8808tCO2/MWh、0.3806tCO2/MWh 和0.7445tCO2/MWh。從降低碳排放的角度，在同等條件下優(yōu)先配置燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電是在保證用電安全前提下降低碳排放強(qiáng)度的有效措施。從火電廠碳排放的來源，燃煤機(jī)組、燃?xì)鈾C(jī)組和燃油機(jī)組的化石燃料燃燒所產(chǎn)生的碳排放占電廠碳排放總量的一般在99%以上，所以火電廠降低碳排放的主要技術(shù)路線還是提高能源利用效率、降低單位發(fā)電量的碳排放量。在條件容許的情況下，優(yōu)先使用單位供電量碳排放較低的能源，如天然氣、氫能、燃?xì)鈸綒涞龋粚?duì)于燃煤機(jī)組，優(yōu)先發(fā)展高參數(shù)大容量、熱電聯(lián)產(chǎn)、熱量冷三聯(lián)產(chǎn)等機(jī)組。脫硫過程所產(chǎn)生的碳排放主要影響因素有燃煤量、煤質(zhì)含硫量、脫硫劑中碳酸鹽含量、轉(zhuǎn)化率等。其中，燃煤量和煤質(zhì)含硫量對(duì)脫硫過程所產(chǎn)生的碳排放影響最大。煤中硫含量一般介于0.2%～4%，高硫煤對(duì)應(yīng)的脫硫碳排放總量和排放占比都相應(yīng)增加。文中燃煤機(jī)組煤中含硫量為0.22%，對(duì)應(yīng)的脫硫過程碳排放總量和排放占比分別為6186tCO2/y、0.27%。假設(shè)燃煤含硫量4%作為單一變量，相應(yīng)的脫硫過程碳排放總量和排放占比將變?yōu)樵鹊?8 倍左右,即約112472tCO2/y 和約4.91%。企業(yè)凈購入使用電力產(chǎn)生的碳排放受機(jī)組檢修周期、基建情況、調(diào)度啟停等因素影響，不同火電廠外購電量不同，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定。根據(jù)調(diào)研統(tǒng)計(jì)，一般火電廠年均外購電量統(tǒng)計(jì)區(qū)間在400～2500MWh，外購電力的排放因子不同地區(qū)略有差異，應(yīng)具體查詢當(dāng)?shù)貦?quán)力責(zé)任部門確定。

3 火電廠碳排放相關(guān)建議

3.1 碳排放計(jì)算和核算建議

（1）目前我國火電廠碳排放計(jì)算方法主要通過燃料碳核算方法，建議建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范CEMS 核算方法。（2）核算脫硫過程的碳排放，要特別注意脫硫類型及脫硫劑的使用情況。對(duì)于海水脫硫，不涉及石灰石等脫硫劑添加，即不考慮脫硫過程的碳排放。（3）統(tǒng)計(jì)分析碳排放應(yīng)該從總量和強(qiáng)度兩個(gè)方面進(jìn)行。不同機(jī)組不能單純比較數(shù)值大小，應(yīng)根據(jù)運(yùn)行時(shí)間、燃料類型、是否供熱、機(jī)組效率等角度研究綜合分析。

3.2 碳減排建議

（1）減少化石能源使用，提高能源使用效率。對(duì)于燃煤機(jī)組，隨著機(jī)組容量增大和參數(shù)提升，度電碳排放逐漸降低。據(jù)此，為降低單位發(fā)電量碳排放，可采取“上大壓小”措施，關(guān)停300MW 以下燃煤機(jī)組，大力發(fā)展高參數(shù)大容量機(jī)組。（2）增加清潔能源使用，提高清潔能源在發(fā)電裝機(jī)容量占比。積極配置光伏、風(fēng)電、核能和水電等低碳、零碳能源。例如，風(fēng)電場調(diào)度運(yùn)行控制優(yōu)化、減少棄風(fēng)棄光現(xiàn)象、季節(jié)性抽水蓄能電站、調(diào)峰調(diào)頻抽水蓄能電站、遠(yuǎn)海大型風(fēng)電系統(tǒng)建設(shè)等。

3.3 碳匯建議

（1）積極采用技術(shù)手段進(jìn)行碳捕集、碳利用、碳封存，即CCUS 技 術(shù)（Carbon Capture，Utilizationand Storage）。開展碳捕集技術(shù)研究和應(yīng)用，包括且不限于點(diǎn)源CCUS技術(shù)、生物質(zhì)能碳捕集與封存技術(shù)（BECCS，Biomass Energy Carbon Capture and Storage）、直接空氣碳捕獲與儲(chǔ)存技術(shù)（DACCS，Direct Air Carbon Dioxide Capture and Storage）等。BECCS 技術(shù)是利用生物質(zhì)能的光合作用來捕集并在后期分離、儲(chǔ)存二氧化碳的技術(shù)。DACCS 技術(shù)是一種利用DAC 溶液系統(tǒng)或固態(tài)系統(tǒng)從空氣中捕集二氧化碳并轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品封存起來的技術(shù)。開展碳利用技術(shù)研究和應(yīng)用，包括且不限于礦化碳利用、化學(xué)碳利用、生物碳利用（CO2促進(jìn)植物生長）等。開展碳封存技術(shù)研究和應(yīng)用，包括且不限于利用含水層封存CO2、強(qiáng)化采油技術(shù)（EOR，Enhanced Oil Recovery）等。（2）積極開展生態(tài)固碳，充分利用森林、草原、湖泊、綠地、濕地等生態(tài)環(huán)境對(duì)二氧化碳吸收，降低大氣中碳含量。[4]

3.4 碳金融建議

（1）開發(fā)、推廣、跟蹤綠色金融產(chǎn)品，涉及綠碳產(chǎn)品的“募投管退”的各個(gè)階段，確保綠色債券、綠色保險(xiǎn)等金融產(chǎn)品有序、可控、安全、合法推進(jìn)實(shí)施。（2）有序推進(jìn)碳排放總量核算，積極參與碳排放交易。2021 年7 月16 日9 點(diǎn)30 分全國碳排放權(quán)交易在上海環(huán)境能源交易所正式啟動(dòng)，首筆碳交易價(jià)格52.78 元/噸，總量16 萬噸。

3.5 火電廠發(fā)展建議

長久以來，火電一直承擔(dān)著我國能源安全的重要責(zé)任。我國已明確，“十四五”時(shí)期將嚴(yán)控煤電項(xiàng)目，并在《2021 年能源工作指導(dǎo)意見》中提出，2021 年將煤炭消費(fèi)比重降低至56%以下，這是我國為盡快實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)采取的關(guān)鍵舉措。2020 年我國火力發(fā)電量為51743 億kW·h，同比增長2.53%，占總發(fā)電量的67.87%，近十年來首次降到70%以下。標(biāo)準(zhǔn)煤耗從333g/（kW·h）降到了 305.5g/（kW·h），降幅達(dá)到8.26%，但仍距離我國的碳排放目標(biāo)有相當(dāng)?shù)木嚯x。隨著“3060 目標(biāo)”的提出以及可再生能源的全面快速發(fā)展，今后火電發(fā)展空間將進(jìn)一步被壓縮。在此期間，火電領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新將以清潔低碳、安全高效和靈活智能為研究重點(diǎn)。一是開展燃煤電廠煙氣多污染物高效一體化協(xié)同治理技術(shù)，火電廠大規(guī)模碳捕集、封存與利用技術(shù)研究，促進(jìn)煤電的低碳清潔發(fā)展；二是開展新一代高參數(shù)超超臨界發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)，煤基聯(lián)合循環(huán)發(fā)電及多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，煤炭與生物質(zhì)、污泥及垃圾耦合高效發(fā)電技術(shù)改造，提高火電系統(tǒng)綜合效率；三是開展智慧火力發(fā)電及在役燃煤機(jī)組靈活性改造等技術(shù)，推動(dòng)火電機(jī)組智能化轉(zhuǎn)型。[5]

4 結(jié)論

本文介紹了目前主流的碳排放計(jì)算和核查方法，對(duì)典型的660MW 燃煤機(jī)組、365MW 燃?xì)鈾C(jī)組和660MW燃油機(jī)組進(jìn)行碳排放計(jì)算。在給定條件下三種類型的火力發(fā)電廠碳排放總量分別為2303751tCO2/y、573945tCO2/y、1988626tCO2/y，單位發(fā)電量碳排放數(shù)值分別為0.8279tCO2/MWh、0.3730tCO2/MWh 和0.7147tCO2/MWh。燃?xì)鈾C(jī)組單位發(fā)電量碳排放最低，僅為燃煤機(jī)組的45%。相應(yīng)地，燃油機(jī)組碳排放為燃煤機(jī)組的86%。從降低碳排放的角度，在同等條件下優(yōu)先配置燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電是在保證用電安全前提下降低碳排放強(qiáng)度的有效措施。從火電廠碳排放的來源，化石燃料燃燒所產(chǎn)生的碳排放占電廠碳排放總量一般在99%以上。脫硫過程所產(chǎn)生的碳排放占比與煤中含硫量有關(guān)。企業(yè)凈購入使用電力產(chǎn)生的碳排放受機(jī)組檢修周期、基建情況、調(diào)度啟停、區(qū)域排放因子等因素影響，不同電廠略有差異，占比最小。為有效規(guī)范和降低碳排放，建議提高化石能源使用效率，增加清潔能源占比。順應(yīng)燃煤機(jī)組“上大壓小”、高參數(shù)大容量發(fā)展趨勢，積極配置光伏、風(fēng)電、核能和水電等低碳、零碳能源。推廣技術(shù)固碳和生態(tài)固碳等碳匯手段，開發(fā)綠色金融產(chǎn)品，規(guī)范碳排放交易市場。